Ученые ДВФУ и ДВО РАН создали сверхпрочный материал для бурового оборудования
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.
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 ученые 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 заведующий лабораторией порошковой металлургии ХФИЦ ДВО РАН Максим Дворник.
Чтобы доказать превосходство новой технологии, ученые 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 еще 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 ученых — продолжить эксперименты, чтобы найти идеальный баланс между размером зерна, плотностью и, как следствие, прочностью материала. Они стремятся сделать свое изобретение еще совершеннее и готовить его к внедрению в реальное производство.