Результаты работы позволят создавать обрабатывающие инструменты, сочетающие высокую твёрдость керамики с пластичностью и теплопроводностью металла 

Коллектив физиков и материаловедов Научно-исследовательского физико-технического института (НИФТИ) и физического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского разрабатывает новые виды керамики и твёрдые сплавы на основе карбида вольфрама, которые находят широкое применение в промышленности. Данные керамические материалы используются для решения тех задач, где требуются высокая твёрдость и износостойкость, а условия эксплуатации связаны с высокими температурами и агрессивной средой. Из них изготавливают режущие пластины, свёрла и буры. В настоящее время прогресс в этой области сосредоточен на создании технологий, которые обеспечивают уникальное сочетание экстремально высокой твёрдости, прочности и вязкости материалов.

Карбид вольфрама представляет собой керамический материал с температурой плавления около 2800 ℃ и твёрдостью по Моосу около 9.5 (9 соответствует корунду, 10 – алмазу, наиболее твёрдому из известных материалов). Такие материалы производятся из порошков путём их высокотемпературного спекания (1500-2000 ℃). При добавлении кобальта до 10% масс. образуется так называемый твёрдый сплав, известный в России под названием «Победит», который дешевле в производстве, но имеет меньшую твёрдость и пониженную допустимую рабочую температуру. Поэтому исследователи пытаются найти новые технологические подходы к созданию керамик, в составе которых отсутствуют такие легкоплавкие металлические добавки, как кобальт.

Основная задача исследования коллектива ННГУ связана с изучением особенностей диффузии углерода в наноструктурированных керамиках на основе карбида вольфрама, которые обладают исключительно высокой твёрдостью. «Для её решения нами был задуман и реализован эксперимент: специально подготовленные плоские образцы наноструктурированного карбида вольфрама помещались в вакуумную печь, их поверхность контактировала с источником углерода, в качестве которого выступали специально подготовленные графитовые пластины, – рассказывает руководитель проекта, научный сотрудник лаборатории диагностики материалов отдела физики металлов НИФТИ Университета Лобачевского, доцент физического факультета ННГУ Павел Андреев. – В печи заготовки выдерживались при температуре 1750 °С, а затем мы подробно изучали их фазовый состав, микроструктуру и механические свойства».

Результаты эксперимента показали, что при выбранных условиях отжига в образцах, контактирующих с графитовыми пластинами, происходило несколько процессов: насыщение поверхности керамик углеродом («науглероживание»), а в других областях керамики происходило обезуглероживание – вплоть до образования чистого вольфрама. Металлический вольфрам, в отличие от карбидов, в несколько раз менее твёрдый, но при этом пластичный. Соединение свойств металла и керамики в одном изделии позволяет, к примеру, получить твёрдую режущую кромку, но при этом основная часть пластины будет иметь хороший теплоотвод и низкую хрупкость. Такие материалы называются функционально-градиентными.

Авторы в своей работе продемонстрировали, что в насыщенных углеродом участках образцов сформировались области рекордно высокой твёрдости (~ 40 ГПа), существенно превосходящей твёрдость исходных нанокерамик.

«Мы рассчитываем, что разработанный технологический процесс изготовления износостойких керамик с рекордной твёрдостью позволит предложить нашим индустриальным партнёрам принципиально новый продукт, который отсутствует на рынке, и решить целый ряд прикладных задач в области импортозамещения, – говорит заведующий лабораторией диагностики материалов НИФТИ Алексей Нохрин. – Такие инновационные разработки в настоящее время очень востребованы отечественными производителями, которые вынуждены искать свои новые нишевые продукты, отсутствующие у иностранных конкурентов».

Практическое использование результатов исследования планируется при разработке новых керамических материалов для современных металлообрабатывающих инструментов и создания износостойких пар трения, предназначенных для эксплуатации в экстремальных условиях. Кроме того, авторы отмечают, что следующие шаги будут направлены на изучение влияния технологических параметров вакуумного отжига на закономерности диффузии углерода для обеспечения контроля свойств функционально-градиентных образцов.

«Коллеги предложили продукт, который открывает новые возможности для отечественной промышленности. Мы гордимся вкладом наших исследователей в достижение целей технологического лидерства. Для нас этот успех важен ещё и тем, что подтверждает результаты наших усилий по созданию условий для взаимодействия с индустриальными партнёрами и быстрого внедрения разработок», –  отметил ректор ННГУ им. Н.И. Лобачевского Олег Трофимов.

Исследование было выполнено учёными ННГУ в соавторстве с коллегами из Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук при поддержке Российского Научного Фонда (проект № 22-73-10175-П «Эффект сверхглубокой диффузии углерода и его применение для получения высокопрочных мелкозернистых твердых сплавов на основе WC с функционально-градиентной микроструктурой»).

Результаты научного эксперимента были опубликованы в высокорейтинговом зарубежном журнале International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.

Ранее сообщалось, что учёные ННГУ представили решение проблемы «последней мили».