Исследователи Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Хабаровского Федерального исследовательского центра ДВО РАН (ХФИЦ ДВО РАН) разработали технологию получения сверхпрочного карбида вольфрама, который практически не подвержен износу. Новый материал оказался в 1,2–26 раз устойчивее, чем традиционные твёрдые сплавы, которые сегодня повсеместно используются в промышленности. Буры, станки и другие механизмы смогут работать в разы дольше без замены деталей. Результаты исследования опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, передает ДВ — РОСС со ссылкой на пресс-службу ДВФУ.

Более ста лет основой для производства высокопрочного инструмента служат твёрдые сплавы на основе карбида вольфрама. В структуре таких сплавов зёрна карбида, обеспечивающие твёрдость, связаны между собой металлической связкой – кобальтом. Кобальт придаёт материалу вязкость, однако его твёрдость ниже, чем у абразивных частиц (песка, породы). В процессе эксплуатации связка постепенно разрушается и вымывается, что приводит к потере опоры зёрнами карбида и их последующему выкрашиванию, а значит, к быстрому износу детали.

Дальневосточные учёные предложили решение, основанное на отказе от использования связующего компонента – кобальта, и создании монолитной структуры из чистого карбида вольфрама. С применением метода искрового плазменного спекания (SPS) исследователи спрессовали наночастицы порошка размером в 1000 раз тоньше человеческого волоса в единое изделие, достигнув плотности 99,94%. Процесс проводился при нагреве до температуры 2000 °C.

«Полученный материал обладает значительно большей твёрдостью при меньшей цене по сравнению с существующими твёрдыми сплавами. И всё это стало возможным только за счёт применения нового метода спекания», – рассказал к. т. н., зав. лаб. порошковой металлургии ХФИЦ ДВО РАН Максим Дворник.

Чтобы доказать превосходство новой технологии, учёные провели серию испытаний. Они сравнили разные материалы: три промышленных сплава с разным содержанием кобальта и три экспериментальных образца чистого карбида вольфрама. Их подвергали микроабразивному износу – «шлифовали» с помощью специальных паст с частицами разного размера и твёрдости.

«Скорость износа наших образцов оказалась в разы ниже, чем у всех промышленных аналогов. Самый твёрдый из существующих сплавов изнашивался в 1,2 раза быстрее самого «мягкого» из наших новых материалов. А если сравнивать с обычным, самым распространённым сплавом, наша разработка оказалась долговечнее в 26 раз. При этом размер абразивных частиц, который критичен для обычных материалов, на наш монолит почти не влиял», – отметил Олег Шичалин.

Новый материал идеально подходит для создания деталей, работающих в экстремальных условиях – бурового оборудования для нефтегазовой и горнодобывающей отрасли, фильер, через которые протягивают тонкую проволоку, прецизионных подшипников, работающих без смазки, а также деталей насосов, перекачивающих жидкости, содержащие песок, цемент и другие абразивные материалы.

Кроме того, отказ от кобальта решает ещё одну важную проблему. Кобальт – дорогой и дефицитный металл, его месторождения находятся в основном в политически нестабильных регионах. Новая технология позволяет снизить зависимость от его поставок.

В ближайших планах учёных – продолжить эксперименты, чтобы найти идеальный баланс между размером зерна, плотностью и, как следствие, прочностью материала. Они стремятся сделать своё изобретение ещё совершеннее и готовить его к внедрению в реальное производство.

Источник — пресс-служба ДВФУ