Сталь «учат» держать удар

То в жар, то в холод

Проект подсказали производственники. На каждом горном и металлургическом предприя­тии есть множество техники, которая бурит, измельчает, загружает, штампует… В теории узлы и детали таких механизмов, действую­щие под огромной нагрузкой, должны представлять собой изделия из особо прочной стали. Однако, как показывает жизнь, качество материалов час­то оставляет желать лучшего, а потому оборудование быстро выходит из строя, компании несут серьезные затраты на запчасти и ремонт.

Как пояснила старший научный сотрудник исследовательского центра «Инженерия поверхности и трибология» Восточно-Казахстанского университета им. С. Аманжолова Жулдыз Сагдолдина, для «Казцинка», например, головной болью остаются ломкие лопатки промышленных насосов, для «Востокцветмета» и других недропользователей – износ коронок и резцов бурового инструмента, для Казахстанского монетного двора – хрупкость штампов.

– Мы ищем способы упрочить металл, – рассказала исследователь. – Сам узел или деталь могут быть из недорогого сплава, но при этом поверхность можно защитить специальным слоем или модифицировать материал. Такой подход экономит ресурсы.

На Казахстанском монетном дворе столкнулись с проблемой, когда на штампах, применяемых для чеканки денежной мелочи, значков и наград, через несколько циклов образуются сколы. В соответствии со строгой технологией завод изготавливает штамповочное оборудование из определенного сорта стали. Но дело в том, что сплав, который использовали, например, 40 лет назад, и современный материал с тем же ГОСТом – это, как говорят в Одессе, две большие разницы. Состав тот да… не тот. При этом вносить какие-либо самовольные изменения в технологическую цепочку на заводе не вправе.

В научной лаборатории штампы в буквальном смысле исследуют под микроскопом. Изучают состав, структуру, кидают то в жар, то в холод… По словам Жулдыз, поиск режима обработки – достаточно длительный процесс. Например, если воздействовать на сталь плазмой, то поверхность покроют прочные карбиды, и материал станет более стойким. Но стоит переборщить с температурой, металл потеряет пластичность и покроется трещинами.

– Все зависит от параметров, – отметила научный сотрудник. – Похожие исследования мы проводим также с буровыми инструментами. Композит карбид вольфрама, из которого их изготавливают, считается твердым сплавом. При этом на рудниках резцы и коронки – основной расходный материал. Насадки меняют через каждые пять метров проходки. Мы хотим повысить твердость инструментов.

Для этого исследователи решили изучить вариант борирования, или насыщения стальной поверхности бором. Композит помещают в электролитно-плазменную установку и бомбардируют разрядами плазмы по определенному алгоритму. В верхнем слое в этот момент возникают новые фазы, меняется структура. Материал приобретает новые свойства.

Толстые и тонкие

Невероятно перспективными в лаборатории называют проекты, связанные с технологиями покрытий. Жулдыз Сагдолдина напомнила во многом показательную историю, когда на медалях летней Олимпиады 2024 года проявилась коррозия и металл стал отслаиваться. Организаторам пришлось заменять награды.

В индустрии покрытия востребованы как способ экономии ресурсов: дорогостоящие композиты можно использовать по минимуму только для напыления. Срок службы оборудования увеличивается, а объем отходов сокращается. Такие разработки, помимо горно-­металлургической отрасли, ждут строители, дорожники, аграрии – все, кто использует погрузчики, экскаваторы, трактора.

Для исследований ученые используют установку детонационного напыления. В теории процесс выглядит так: осуществляется взрыв газовой смеси, частицы порошка врезаются в поверх­ность детали, образуется тонкий, прочно связанный слой. Процесс повторяется, пока не возникает нужное покрытие.

– Любое исследование, за которое мы беремся, на первом этапе проходит компьютерное моделирование, – пояснила сотрудник лаборатории. – С помощью программ изучаем все свойства – механические, конструкционные, энергетические, химические. Исследуем материал и только потом приступаем к изготовлению.

Отдельно в лаборатории разрабатывают технологии атомно-слоевого осаждения. К ним проявляют повышенный интерес приборостроители, в сфере сложной электроники, ювелиры. Слой тончайший, но служит отличной защитой от коррозии.

Восточноказахстанцы экспериментируют пока только с покрытием из оксида алюминия – доступным материалом с высокими антикоррозийными свойствами. Как с улыбкой заметила Жулдыз Сагдолдина, в целом данное направление неплохо освоено, например, ювелирами. Если раньше при изготовлении украшений использовались легирующие добавки, то сегодня мастерам, в принципе, достаточно нанести напыление из драгметалла. Так что золото на витринах – это не вполне золото.

– Мы осуществляем научно-прикладные проекты, – заключила исследователь. – У нашей работы есть продолжение в виде коммерциализации. Все рекомендации по тому, как повысить прочность деталей и узлов, передадим производственникам. От того, какие материалы и технологии получит промышленность, зависит развитие экономики.