Сотрудники Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Хабаровского федерального исследовательского центра ДВО РАН (ХФИЦ ДВО РАН) создали технологию производства сверхпрочного карбида вольфрама, характеризующегося исключительной устойчивостью к износу. Разработанный материал демонстрирует в 1,2–26 раз большую прочность по сравнению с традиционными твердыми сплавами, широко применяемыми в современной промышленности. Благодаря этому буры, станки и прочие механизмы смогут функционировать значительно дольше без необходимости замены компонентов. Результаты научной работы были обнародованы в Международный журнал по изворотливых металлов и твердых материалов.
На протяжении более столетия основой для изготовления инструментов с высокой прочностью являются твердые сплавы, содержащие карбид вольфрама. В этих сплавах зерна карбида, отвечающие за твердость, соединены металлической связкой, состоящей из кобальта. Кобальт обеспечивает сплаву вязкость, но его твердость уступает твердости абразивных материалов, таких как песок или горные породы. В ходе использования связка постепенно разрушается и подвергается вымыванию, что приводит к потере поддержки для зерен карбида и их последующему выкрашиванию, и, как следствие, к ускоренному износу детали.
Дальневосточные исследователи разработали альтернативное решение, предполагающее исключение кобальта из состава связующего компонента и формирование цельной структуры из чистого карбида вольфрама. Используя метод искрового плазменного спекания (SPS), ученые спрессовали наночастицы порошка, размер которых в 1000 раз меньше диаметра человеческого волоса, в монолитное изделие, обеспечив достижение плотности 99,94%. Для этого процесс проводился при нагреве до 2000°C.
«Новый способ спекания позволил получить материал, который превосходит существующие твердые сплавы по твердости и при этом имеет более низкую стоимость» , — по словам к.т.н. Максима Дворника, заведующего Лабораторией порошковой металлургии ХФИЦ ДВО РАН.
Для подтверждения преимуществ новой технологии исследователи провели ряд испытаний. В ходе сравнения были рассмотрены различные материалы: три промышленных сплава с отличающимся содержанием кобальта и три экспериментальных образца, состоящих из чистого карбида вольфрама. Испытания включали микроабразивное изнашивание, которое имитировало «шлифовку» с использованием специальных паст с частицами различного размера и твердости.
«Интенсивность износа представленных нами образцов оказалась значительно ниже, чем у всех промышленных конкурентов. Даже самый твердый из доступных сплавов изнашивался на 1,2 раза быстрее, чем самый «мягкий» из наших новых материалов. В сравнении с обычным, наиболее распространенным сплавом, наша разработка демонстрирует в 26 раз большую долговечность. При этом абразивные частицы, оказывающие критическое воздействие на обычные материалы, практически не влияют на наш монолит », — отметил Олег Шичалин.
Данный материал демонстрирует отличные характеристики для изготовления компонентов, предназначенных для эксплуатации в условиях повышенных нагрузок: это буровое оборудование, используемое в нефтегазовой и горнодобывающей промышленности, фильеры для производства тонкой проволоки, прецизионные подшипники, не требующие смазки, а также детали насосов, используемых для перекачки жидкостей с содержанием песка, цемента и других абразивных веществ.
Отказ от использования кобальта также решает другую значимую задачу. Этот металл отличается высокой стоимостью и ограниченностью запасов, а его месторождения сконцентрированы в районах с непростой политической обстановкой. Разработка новой технологии позволит уменьшить зависимость от поставок кобальта.
В дальнейшем исследовании ученые намерены продолжить эксперименты с целью определения оптимального сочетания размера зерна, плотности и, соответственно, прочности материала. Их задача – усовершенствовать разработку и подготовить ее к использованию в промышленном производстве.
Сообщение поступило из пресс-службы Дальневосточного федерального университета