Сверхпрочное покрытие ZrAlN: российские ученые нашли способ защитить инструмент в экстремальных условиях

На любом современном производстве — от завода до буровой вышки — есть оборудование, которое режет, точит или сверлит металл. Фрезы, сверла, резцы проходческих комбайнов и детали двигателей работают в экстремальных условиях: огромные скорости, трение, высокие температуры и агрессивные среды. Это приводит к быстрому износу и выходу инструмента из строя.

Чтобы защитить инструмент, на него наносят специальные покрытия. Однако традиционные варианты, например на основе нитрида титана, уже не справляются с нагрузками современного оборудования. Альтернативой может стать соединение ZrAlN, которое сочетает в себе несколько ценных свойств: высокую твердость, устойчивость к коррозии, термостойкость и стойкость к резким перепадам температур. Кроме того, оно обладает полезными электрическими и оптическими характеристиками, что делает его перспективным для высокотехнологичных отраслей.

Оптимальные параметры напыления

До сих пор ZrAlN оставался малоизученным: было непонятно, как настроить процесс напыления, чтобы получить действительно эффективное покрытие. Ученые ПНИПУ провели серию экспериментов, варьируя давление газа в камере и содержание азота. Они выяснили, что при высоком содержании азота (40%) покрытие получается хрупким и быстро трескается. А вот при низком — всего 10% — формируется соединение с рекордным количеством алюминия, микротвердостью почти 24 ГПа (это в разы тверже стали) и низким коэффициентом трения. Такое покрытие меньше нагревается при работе, что особенно важно для быстро вращающихся инструментов.

Прочность проверена экспериментально

Для оценки качества покрытий исследователи использовали рентгеновский дифрактометр, электронный микроскоп и микрорентгеноспектральный анализатор. Механические свойства проверяли методом вдавливания алмазного наконечника и царапания алмазной иглой с постоянно растущей нагрузкой. Лучший образец показал высокую прочность: чтобы пробить покрытие до основы, потребовалась сила более 70 ньютонов — это эквивалентно нагрузке гири весом семь килограммов, сфокусированной на острие иглы. Как пояснила профессор кафедры инновационных технологий машиностроения ПНИПУ Анна Каменева, для тончайшего покрытия это очень высокий показатель.

Разработанная технология позволит улучшить качество покрытий для режущего инструмента, деталей машин и резцов проходческих комбайнов. Инструмент с такой обработкой служит дольше, реже требует замены, а также позволяет работать быстрее. Для предприятий это означает снижение затрат и увеличение объемов выпуска продукции.