4 February 2022, 23:00

Новый метод нанесения защитных покрытий в разы увеличил твердость металлических изделий

Российские ученые разработали новый метод нанесения сверхтвердых покрытий карбида титана на рабочие поверхности металлических инструментов. Такие покрытия помогают избежать ускоренного износа и увеличивают срок службы материала. Исследователи определили, что, строго контролируя температуру во время эксперимента, мощность индукционного нагревательного устройства, дистанцию распыления и продолжительность нанесения защитного слоя, можно кратно увеличить твердость как чистых металлов, так и углеродсодержащих сплавов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Composite Structures.

Новый метод нанесения защитных покрытий в разы увеличил твердость металлических изделий
Микроструктура твердых и сверхтвердых покрытий, полученных при различных экспериментальных условиях
Source: Александр Фомин

Титансодержащие защитные покрытия широко используются при производстве медицинских изделий, микроэлектроники и детекторов электромагнитного излучения. Такие пленки — примерно в двадцать раз тоньше человеческого волоса — предотвращают быстрый износ металлических материалов, а также увеличивают их биосовместимость. Наиболее часто эти покрытия наносят на рабочие поверхности из газовой фазы, которая представляет собой облако титановых кластеров (групп соединенных между собой атомов). Чтобы сформировать поток таких частиц для получения пленки, процедуру проводят, нагревая титан в вакууме при 1200–1250°С. Но метод часто вызывает появление трещин в полученном защитном слое или металлической основе изделий, что снижает их качество.

Исследователи из Саратовского государственного технического университета имени Ю. А. Гагарина (Саратов) провели цикл исследований, посвященных защитным титаносодержащим покрытиям, и в новой работе предложили наносить их методом индукционно-термического вакуумного распыления. Предложенная технология заключалась в том, что металл, на котором формировалась пленка, разогрели, используя для этого индуктор — нагревательный элемент, который бесконтактно и импульсно генерировал в образце вихревой электрический ток. Это вызвало быстрый и равномерный нагрев металла — в данном исследовании быстрорежущей инструментальной стали, содержащей в своем составе углерод и ряд других химических элементов. Титановый материал для пленки перед нанесением на поверхность обрабатываемых изделий также нагревали в вакууме до температуры испарения. После этого всю систему охлаждали для формирования необходимой микроструктуры слоя.

Оказалось, что качество полученного покрытия сильно зависело от нескольких условий. В первую очередь на него влияла температура нагрева стальной основы, на которую наносили титановую пленку. Ученые определили, что оптимальный диапазон составил 850–1000°С — более сильный нагрев приводил к снижению качества покрытия. Кроме того, физики проанализировали химический состав образующегося слоя и определили, что именно при данных температурах из быстрорежущей инструментальной стали в вышележащий слой проникает углерод, который, соединяясь с титаном, образует карбид сложного состава, что придает дополнительную твердость. При этом концентрация карбидов титана также сильно зависела от времени нанесения пленки: оптимальное содержание углерода — 42–46% — наблюдалось при обработке в течение десяти минут. Более быстрый или медленный процесс приводил к уменьшению количества карбидных соединений и снижению твердости.

«Мы экспериментально определили условия, при которых защитные титановые пленки содержат оптимальное количество карбидной фазы, что придает поверхности металлоизделия сверхтвердое состояние — около 60 гигапаскалей. Сверхтвердым материал называется, если его твердость превышает 40 гигапаскалей; для сравнения можно привести "эталонный" алмаз, чье значение колеблется от 70 до 150. Наша технология будет актуальна при изготовлении инструментов, требующих особой прочности и износостойкости, например сменных режущих пластин для токарных резцов и фрез», — рассказывает Александр Фомин, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ имени Ю. А. Гагарина.

Source:  Пресс-служба РНФ

News article publications

Read also

Физики предложили более простой способ искажения идеальных метаматериалов
Таким образом они смогут эффективнее взаимодействовать со светом, что полезно для создания усовершенствованных и миниатюрных лазеров, устройств передачи информации и сенсоров
Materials Science
New techniques
Optics
20 July 2023
Белок молочной сыворотки повысит эффективность микрогелей в урологии
С его помощью микрогели с лекарством могут дольше удерживаться внутри мочевого пузыря, что продлит терапевтический эффект от одной процедуры их введения в полость органа
Materials Science
Medicine
New techniques
Pharmacology
19 July 2023
Электродинамическая ловушка помогла охарактеризовать четыре свойства частиц
Новый недорогой подход объединил в себе сразу несколько проверенных методик и показал свою эффективность: погрешность определения массы составила примерно 10%, размера и заряда — 16%, а плотности — 18%
Electrodynamics
Materials Science
Nanotechnology
New techniques
17 July 2023
Новый подход помог получить сорбент на основе оксида графена для очистки воды
Обжиг оксида графена в кислородно-пропановой газовой смеси привел к образованию большого количества нанопор, за счет чего площадь поверхности материала оказалась почти в 30 раз больше изначальной
Carbon materials
Materials Science
New techniques
28 June 2023
Производство германиевых анодов для батарей станет проще и дешевле
Помочь в этом способен новый экологичный способ синтеза композиционных материалов из высокорастворимого оксида неметалла
Composites
Electrochemistry
Materials Science
New techniques
21 June 2023
Золото и селен объединили в рамках фототермической терапии рака
Заключенные в шестислойную оболочку, такие наночастицы уже показали свою эффективность в экспериментах на животных
Materials Science
Nanomedicine
New techniques
Oncology
19 June 2023