Пермские ученые создали многослойное покрытие, защищающее оборудование от износа и ржавчины

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали новый способ получения многослойного покрытия для защиты промышленного оборудования и инструмента от ржавчины и износа. По сравнению с существующими аналогами его твердость увеличилась на 40 %, а коррозионная стойкость выросла в 3–5 раз. На разработку получен патент.

Во многих отраслях промышленности узлы и детали работают в сложных условиях, испытывая одновременно высокие нагрузки, трение, воздействие соленой воды или реагентов. Это приводит к быстрому износу оборудования, появлению трещин и частым поломкам. Для повышения прочности деталей покрывают дополнительными упрочняющими слоями. Однако обычные однослойные покрытия часто недостаточно прочны и плохо защищают от образования ржавчины. Одни — химически стойкие, но при этом мягкие и быстро изнашиваются, другие, наоборот, более твердые, но склонны к появлению микротрещин, через которые проникают реагенты, и металл начинает ржаветь.

Чтобы детали стали одновременно и прочнее, и устойчивее к химикатам, используют многослойные покрытия. Как правило, для создания таких покрытий используют метод магнетронного распыления, при котором материал наносят в вакууме с контролируемым соотношением газов, температуры и других параметров. 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. Это значит, что деталь будет изнашиваться быстрее, 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. 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.

Чтобы слои ложились ровно, авторы применили новую технологию — использовали два источника распыления вместо одного, как это происходит при обычном магнетронном распылении. Дело в том, что один источник 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.

«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-процентный 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 один из авторов разработки, профессор кафедры «Инновационные технологии машиностроения» ПНИПУ, доктор технических наук Анна Каменева.



Для сравнения ученые взяли обычные покрытия, которые сейчас применяют на производстве — например, из нитрида титана или карбонитрида титана, полученные обычным магнетронным распылением. Анализ показал, что твердость нового покрытия почти на 40 %, а устойчивость к коррозии в 3-5 раз выше.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации