Ученые Пермского политеха создали инновационное особо прочное покрытие для режущих инструментов, отличающееся термодинамической стабильностью, и доказали его уникальные свойства. Работа позволит увеличить срок службы оборудования буровых установок, металлообрабатывающих станков, а также деталей двигателей, работающих в экстремальных условиях: при высоких температурах, в агрессивных средах и на огромных скоростях. Результаты опубликованы в научном журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение».
Перспективное соединение ZrAlN (нитрид циркония с алюминием) надежно защищает инструмент от коррозии, высоких температур и агрессивных сред и может стать качественно новой заменой существующих покрытий, например, на основе нитрида титана. Однако, до последнего времени соединение и параметры его напыления на инструмент были мало изучены не только в России, но и во всем мире. Покрытия на основе соединения ZrAlN были нанесены по разработанному учеными ПНИПУ технологическому регламенту методом импульсного магнетронного напыления на модернизированной вакуумной установке производства ООО «Поиск-ПлазмаТех».
«Это соединение, которое очень сложно получить, и мы первыми провели масштабные исследования нитрида циркония с алюминием на современном оборудовании ПНИПУ. В том числе, это рентгенофазовый и микрорентгеноспектральные анализы для определения фазового и элементного состава, электрохимические испытания по оценке коррозионных свойств, механические испытания по оценке физико-механических свойств, трибологические испытания по оценке износостойких антифрикционных свойств. Мы определили параметры процесса напыления, такие, как давление газа в камере, количество азота, напряжение смещение и ток на магнетроне, при которых формируется покрытие оптимального состава, показывающее наиболее эффективный результат. Выяснилось, что соединение обладает уникальными характеристиками по твердости, прочности и коэффициенту трения. Однако его главное свойство, в отличие от других покрытий — это термодинамическая стабильность: она позволяет сохранять свойства соединения в экстремальных условиях при высокой температуре длительное время», — рассказала корреспонденту портала «Научная Россия» доктор технических наук, профессор кафедры инновационных технологий машиностроения ПНИПУ Анна Каменева.
Эксперименты показали, что напыление при низком содержании азота обладает микротвердостью почти 24 Гпа (гораздо выше, чем у стали и твердого сплава), а также низким коэффициентом трения, что снижает нагрев инструмента и поверхности пар трения. Кроме того, покрытие показало высокую прочность — чтобы пробить его до основы, потребовалось приложить силу более 70 Ньютонов: это нагрузка в 7 кг, сфокусированная на острие алмазной иглы.
Существующие покрытия, например, на основе нитрида титана эффективно защищают инструмент при температурах до 500o С, после чего деградируют. Исследования термодинамических свойств нового соединения продолжаются в рамках кандидатской диссертации аспиранта ПНИПУ. Ученые планируют определить зависимость изменения свойств от температуры, но уже прогнозируют уникальные результаты, превосходящие аналоги. В дальнейшем ученые планируют провести натурные эксперименты на производстве.
«Мы провели модернизацию установки импульсного магнетронного распыления и разместим ее в кампусе ПНИПУ. Таким образом, мы можем полностью проводить исследования в университете. Мы уже нанесли покрытия на твердосплавные режущие пластинки: на стенде мы будем их испытывать и оптимизировать покрытие под различные задачи предприятий. Как не бывает универсальных таблеток для лечения всех болезней, так не бывает и универсальных покрытий. Наша задача как ученых — определить параметры составов для конкретных производственных задач», — отметила Анна Каменева.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото: пресс-служба ПНИПУ
