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 твердые 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.
Более ста лет основой для производства высокопрочного инструмента служат твердые сплавы на основе карбида вольфрама. В структуре таких сплавов зерна карбида, обеспечивающие твердость, связаны между собой металлической связкой – кобальтом. Кобальт придает материалу вязкость, однако его твердость ниже, чем у абразивных частиц (песка, породы). В процессе эксплуатации связка постепенно разрушается и вымывается, что приводит к потере опоры зернами 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 твердостью при меньшей цене по сравнению с существующими твердыми сплавами. И все это стало возможным только за счет 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 твердости.
«Скорость износа наших образцов оказалась в разы ниже, чем у всех промышленных аналогов. Самый твердый из существующих сплавов изнашивался в 1,2 раза быстрее самого «мягкого» из наших новых материалов. А если сравнивать с обычным, самым распространенным 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 свое изобретение ещё совершеннее и готовить его к внедрению в реальное производство.
