Высочайшая твердость керамики вкупе с трещиностойкостью и теплопроводностью металла — эти ценные свойства сочетаются в новых материалах на основе карбида вольфрама, полученных исследователями из ННГУ им. Н.И. Лобачевского и Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. В перспективе инновация поможет изготавливать износостойкие промышленные инструменты и детали с уникальными характеристиками.
Карбид вольфрама — керамический материал, чья температура плавления составляет около 2800 ℃, а твердость по шкале Мооса лишь немного уступает алмазу — самому твердому из известных науке материалов (9,5 против 10). Изделия получают посредством спекания порошка при высоких температурах и используют для изготовления износостойких инструментов, которые должны выдерживать высокие температуры и не бояться агрессивных сред. Если при спекании добавить кобальт, на выходе получится твердый сплав «Победит». Это более дешевая альтернатива чистому керамическому материалу, но он менее твердый и имеет более низкую рабочую температуру. Поэтому сейчас ключевая задача исследователей — разработка новых материалов на основе карбида вольфрама, сочетающих высокую твердость, прочность и вязкость разрушения (трещиностойкость).
Один из образцов функционально-градиентного материала на основе карбида вольфрама. Сам образец имеет металлический блеск и форму таблетки. Снаружи он упакован (залит) в специальный прозрачный пластик, необходимый для установки образца в полировальные машины. Эта пластиковая оболочка также удобна для проведения исследований и испытаний.
Фото: Андрей Скворцов / предоставлено пресс-службой ННГУ им. Н.И. Лобачевского
Подробнее о проведенном исследовании корреспонденту «Научной России» рассказали руководитель проекта, научный сотрудник лаборатории диагностики материалов отдела физики металлов НИФТИ, доцент физического факультета ННГУ кандидат физико-математических наук Павел Валерьевич Андреев и заведующий лабораторией диагностики материалов НИФТИ ННГУ доктор физико-математических наук Алексей Владимирович Нохрин.
Научный сотрудник лаборатории диагностики материалов отдела физики металлов НИФТИ, доцент физического факультета ННГУ Павел Валерьевич Андреев.
Фото предоставлено пресс-службой ННГУ им. Н.И. Лобачевского
«Несмотря на твердость, карбид вольфрама проявляет удивительную трещиностойкость при нагреве. При достижении 1000℃ и приложении небольшого напряжения (30–70 МПа) образцы такой высокочистой керамики начинают деформироваться сжатием на 30% без разрушения. Этот эффект, связанный с особенностями фазовых превращений в системе “вольфрам-углерод”, был обнаружен нашей группой в прошлом году и показал, что чистый карбид вольфрама можно рассматривать как перспективную конструкционную керамику, аналоги которой отсутствуют на отечественном рынке», — отметили ученые.
Новые материалы на основе карбида вольфрама были получены исследователями в результате работы, посвященной диффузии углерода в высокотвердых наноструктурированных керамиках. Ученые поставили эксперимент, выдержав в вакуумной печи при температуре 1750 °C плоские образцы керамики вместе с источником углерода — графитовыми пластинами.
«Ранее мы обнаружили аномальное науглероживание керамики при спекании порошков в графитовой пресс-форме. Проведенный эксперимент был задуман для того, чтобы выяснить, происходит ли диффузия углерода только на стадии спекания порошка или она возможна и в плотном керамическом образце, — поделились П.В. Андреев и А.В. Нохрин. — Как нередко бывает в науке, часть результатов оказалась для нас неожиданной».
Выяснилось, что при взаимодействии с графитом в описанных условиях образцы керамики становились неоднородными. Одни их области насыщались углеродом, а другие, наоборот, утрачивали его вплоть до образования чистого вольфрама. При этом в науглероженных зонах материал обрел экстремально высокую твердость — значительно бóльшую, чем у исходной керамики. А обезуглероженные области состояли из металлического вольфрама, поэтому напротив, становились менее твердыми, но более пластичными.
Руководитель проекта, кандидат физико-математических наук Павел Валерьевич Андреев и младший научный сотрудник Ксения Сметанина.
Фото: Андрей Скворцов / предоставлено пресс-службой ННГУ им. Н.И. Лобачевского
С чем связано такое изменение свойств? «С одной стороны, ответ на этот вопрос достаточно ожидаем: поверхность образцов, плотно контактирующая с графитом, насыщается углеродом, а области материала без такого контакта, напротив, его теряют, — пояснили П.В. Андреев и А.В. Нохрин. — Пока не до конца объяснено поведение переходной области, названной в статье зоной неплотного контакта, — участка, где между керамическим образцом и графитовой пластиной сохраняется воздушный зазор. Совершенно очевидно, что в этой области одновременно протекали оба процесса. Именно в этой зоне были зафиксированы рекордно высокие значения твердости».
Заведующий лабораторией диагностики материалов НИФТИ ННГУ доктор физико-математических наук Алексей Владимирович Нохрин.
Фото предоставлено пресс-службой ННГУ им. Н.И. Лобачевского
Материалы, подобные полученным, называют функционально-градиентными. Благодаря такому подходу можно изготавливать изделия с ценными свойствами: например, инструмент с очень твердой керамической режущей кромкой, но более прочной (за счет пластичности металла) основной частью, хорошо отводящей тепло.
В перспективе разработанная учеными технология может вывести на новый уровень отечественную промышленность, став ценным решением в области импортозамещения.
«В современных условиях перед отечественной отраслью обрабатывающего инструмента стоит широкий круг задач импортозамещения. Это прежде всего режущие пластины для станков с ЧПУ, сверла, метчики, а также элементы бурового оборудования, — подчеркнули П.В. Андреев и А.В. Нохрин. — До недавнего времени значительную долю отечественного рынка занимала продукция шведского концерна Sandvik, отличающаяся высокими эксплуатационными характеристиками и востребованная в машиностроении и добывающей промышленности. В России традиционно развивается данное направление и работают крупные производители — группа компаний “Инструмент”, Кировградский завод твердых сплавов (АО “КЗТС”) АО “Победит”, ООО “Вириал” и другие. На базе этих предприятий возможно внедрять инновационные подходы и разрабатывать инструменты с улучшенными эксплуатационными характеристиками».
Проект реализуется при поддержке Российского научного фонда (№ 22-73-10175-П). Результаты исследования были представлены в престижном международном издании International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Новые материалы могут лечь в основу износостойких промышленных инструментов и деталей с уникальными свойствами — от режущих пластин для станков с ЧПУ до элементов бурового оборудования.
Фото: Андрей Скворцов / предоставлено пресс-службой ННГУ им. Н.И. Лобачевского
«В рамках проекта предусмотрены два направления его дальнейшего развития. В области фундаментальных исследований необходимо детально выяснить физические основы процесса и определить ключевые факторы, влияющие на диффузию углерода в карбиде вольфрама. Кроме того, мы планируем провести аналогичные эксперименты на твердых сплавах, в первую очередь, на карбиде вольфрама с добавлением кобальта (WC–Co). В области прикладных исследований предполагается завершить разработку лабораторной технологии, позволяющей целенаправленно формировать заданные свойства на выбранных участках поверхности образцов, а затем провести их испытания совместно с промышленными партнерами», — поделились планами П.В. Андреев и А.В. Нохрин.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью и на странице: предоставлены пресс-службой ННГУ им. Н.И. Лобачевского (в т.ч. фото Андрея Скворцова).
