Исследователи из Хабаровского Федерального исследовательского центра ДВО РАН совершили прорыв в области упрочнения материалов. Им удалось разработать уникальное металлокерамическое покрытие, которое многократно повышает износостойкость и жаростойкость обычной стали. Результаты исследования показывают, что новая технология позволяет увеличить сопротивление износу стали в 44–80 раз, а ее способность противостоять высоким температурам – в 11,6 раза.
Секрет успеха кроется в композитном покрытии на основе карбида вольфрама (соединения вольфрама и углерода, одного из самых твердых материалов в мире) и специального сплава железа, никеля и алюминия (Fe-Ni-Al). Ученые задались вопросом: как размер частиц карбида вольфрама влияет на свойства конечного покрытия? Для ответа на него они приготовили порошки карбида вольфрама трех типов: нанопорошок (частицы менее 1 микрона), порошок среднего размера (от 1 до 20 микрон) и крупный (от 20 до 40 микрон).
Нанесение покрытия на сталь производилось современным методом электроискрового легирования. Представьте себе процесс, где с помощью коротких и мощных электрических разрядов материал с особого электрода «перебрасывается» и вплавляется в поверхность стальной детали. В данном случае электрод состоял из железных гранул и смеси порошков никеля, алюминия и карбида вольфрама разной дисперсности.
Результаты исследования оказались впечатляющими и позволили выявить четкую закономерность. Самые лучшие показатели продемонстрировали покрытия, созданные с использованием порошка карбида вольфрама крупной фракции (20-40 микрон). Именно они показали рекордную твердость, которая в 3,6 раза превысила твердость исходной стали. При испытаниях на трение и износ выяснилось, что такие покрытия не только снижают коэффициент трения на 6-18%, но и обладают феноменальной износостойкостью.
Не менее важным результатом стала исключительная жаростойкость новых покрытий. Испытания при температуре 700 °C, проводившиеся в течение 100 часов, показали, что сталь с покрытием из крупной фракции карбида вольфрама окислялась в 11,6 раз медленнее, чем обычная сталь. Любопытно, что нанопорошок, который часто ассоциируется с улучшенными свойствами, в данном случае показал наихудшие результаты по всем параметрам – твердости, износу и жаростойкости.
Ученые объясняют этот парадокс сложными процессами, происходящими при легировании. Крупные частицы карбида вольфрама лучше сохраняются в покрытии, работая как прочный армирующий каркас. Мелкие же наночастицы интенсивно растворяются в расплаве, изменяя состав матрицы и не успевая создать достаточное количество твердых укрепляющих фаз.
Помимо прочности, новое покрытие придает стали и дополнительное полезное свойство – гидрофобность, то есть способность отталкивать воду. Это означает, что на обработанных деталях будет меньше скапливаться влага и загрязнения, что дополнительно защитит их от коррозии.
Это открытие открывает огромные перспективы для машиностроения, аэрокосмической отрасли и энергетики. Использование таких покрытий позволит создавать детали, способные работать в экстремальных условиях трения и высоких температур, что приведет к созданию более долговечных, надежных и эффективных механизмов и установок.
Исследование опубликовано в журнале «Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты)»
Создано при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Десятилетия науки и технологий (ДНТ), объявленного Указом Президента Российской Федерации от 25 апреля 2022 г. № 231.
