Детали и приборы во многих отраслях промышленности работают в сложных условиях: они одновременно испытывают высокие нагрузки, трение, воздействие соленой воды или реагентов. Это приводит к быстрому износу оборудования, появлению трещин и частым поломкам. Обычные производственные покрытия быстро стираются, а также неустойчивы к коррозии. Для укрепления поверхности деталей сегодня добавляют дополнительные упрочняющие слои, однако со временем они также отслаиваются и трескаются. Ученые Пермского Политеха разработали новый способ получения многослойного покрытия для защиты промышленного оборудования и инструментов. По сравнению с существующими аналогами его твердость увеличилась на 40%, а коррозионная стойкость выросла в 3-5 раз. Металлические детали и инструменты с таким многослойным покрытием смогут дольше работать без поломок и износа, что существенно сократит простои производства.
На разработку получен патент.
Сегодня в промышленности используется множество приборов различного назначения: нефте- и горнодобывающее оборудование, трубы, краны, насосы, а также хирургические инструменты и детали медицинских аппаратов. Все они работают в разных агрессивных условиях: испытывают постоянное давление и трение, что приводит к быстрому износу, появлению трещин и выходу из строя.
Кроме того, эти же детали одновременно взаимодействуют с химическими реагентами. Например, в нефтедобыче насосы и трубы работают в очень соленых пластовых водах, которые разрушают защитную пленку на металле и вызывают коррозию. В химической промышленности реакторы и трубопроводы также контактируют с кислотами и щелочами, которые ускоряют износ. В результате металл разрушается одновременно и от давления, и от коррозии, причем скорость повреждения в разы выше, чем при воздействии каждого фактора по отдельности.
Обычные однослойные покрытия промышленного оборудования часто недостаточно прочны и плохо защищают от образования ржавчины. Одни получаются химически стойкими, но при этом мягкими и быстро изнашиваются. Другие, наоборот, более твердые, но склонны к появлению микротрещин, через которые проникают реагенты, а металл начинает ржаветь. Из-за этого деталям нужно дополнительное многослойное покрытие, чтобы они стали одновременно и прочнее, и устойчивее к химикатам.
Сегодня для создания покрытий нередко используют магнетронное распыление, при котором материал наносится в вакууме с контролируемым соотношением газов, температуры и других параметров и оседает на поверхность тонким слоем. Это промышленный стандарт, поскольку метод позволяет одновременно обрабатывать много инструментов и мелких деталей, что важно для серийного производства. Однако со временем такое покрытие начинает отслаиваться, а через появившиеся трещины и зазоры реагенты взаимодействуют с металлом, вызывая коррозию.
Кроме того, в процессе распыления упрочняющий состав часто ложится неравномерно, из-за чего где-то поверхность получается тоньше, а где-то плотнее. На производстве эту проблему пытаются решить разными способами. Например, добавляют промежуточный слой из титана. Он хорошо сцепляется с металлом, заполняет микронеровности и создает прочную основу для нанесения других составов.
Но даже при этом покрытие может получиться неидеальным. Другие слои все равно ложатся неровно и имеют разную толщину, а титановая прослойка не может это исправить. Это значит, что деталь все равно будет изнашиваться быстрее, чем хотелось бы, особенно в жестких условиях агрессивной среды. В результате оборудование приходится менять чаще, а для производства это означает дополнительные убытки из-за простоев, ремонтов и закупки инструментов.
Ученые Пермского Политеха разработали новый способ получения многослойного покрытия, которое одновременно защищает деталь и от износа, и от коррозии. По сравнению с аналогами его твердость выше на 40%, а коррозионная стойкость — в 3-5 раз.
Сначала ученые определили новый состав слоев покрытия. Первым на деталь наносится слой чистого титана — он обеспечивает надежное сцепление с поверхностью. Затем нитрид титана, который защищает от ржавчины, и карбонитрид титана, который дает твердость. Все они чередуются несколько раз, а сверху кладется дополнительный упрочняющий слой из карбонитрида титана, который первым принимает на себя трение и давление. Работая вместе, они защищают и от коррозии, и от износа одновременно.
Особенно важно было нанести эти слои ровно, без трещин и без перегрева детали. Тогда ученые придумали новую технологию: использовать два источника распыления вместо одного, как это происходит при обычном магнетронном распылении. Дело в том, что один не может одновременно создавать слои разного состава: для этого пришлось бы каждый раз останавливать процесс и менять газовую смесь, что может привести к появлению дефектов. Управление каждым из источников ученые осуществили с помощью стандартных импульсных блоков, что позволяет точно контролировать мощность и последовательность нанесения слоев, добиваясь их равномерности и нужного состава.
— Мы подготовили несколько образцов с многослойным покрытием и отправили их в лабораторию, где проверили по трем основным параметрам. Сначала провели испытание на коррозию: образцы погрузили в 3% раствор поваренной соли, который соответствует пластовой воде в нефтяных скважинах, и смотрели, начнут ли они ржаветь и как быстро. Затем измерили твердость с помощью специального прибора, который давит на образцы с заданной силой. По глубине отпечатка и по тому, как поверхность восстанавливается после снятия нагрузки, определяли ее износостойкость. Таким же образом проверили, насколько прочно покрытие держится на детали и не отслаивается ли, — объяснила Анна Каменева, доктор технических наук, профессор кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ.
Для сравнения ученые использовали обычные покрытия, которые сейчас применяют на производстве — например, из нитрида титана или карбонитрида титана, полученные обычным магнетронным распылением. Анализ показал, что твердость нового покрытия оказалась почти на 40% выше, а устойчивость к коррозии в 3-5 раз выше.
— Важно, что износостойкость в агрессивной среде при новом методе оказалась на 78% лучше по сравнению с зарубежным аналогом, а способность восстанавливаться после нагрузки выросла в 1,5 раза. Это значит, что деталь будет дольше сопротивляться истиранию, а при ударах и давлении покрытие не треснет и не деформируется, а вернется в исходное состояние. Это позволит сэкономить за счет того, что инструменты будут служить в несколько раз дольше, а заводы реже будут останавливать производство для замены изношенных конструкций, — дополнила Анна Каменева.
Полученное учеными покрытие можно наносить на металлические инструменты и детали, которые работают в тяжелых условиях (например, в горной или нефтяной промышленности), где есть одновременно большие нагрузки, трение и агрессивная среда. Разработка позволит сделать поверхность оборудования более твердой, износостойкой и устойчивой к коррозии, что значительно продлит срок службы изделий.
