Российские ученые разработали новый метод нанесения сверхтвердых покрытий карбида титана на рабочие поверхности металлических инструментов. Исследователи определили, что, строго контролируя температуру во время эксперимента, мощность индукционного нагревательного устройства, дистанцию и продолжительность распыления, можно кратно увеличить твердость как чистых металлов, так и углеродсодержащих сплавов. Статья опубликована в журнале Composite Structures.
Титансодержащие защитные покрытия широко используются в производстве медицинских изделий, микроэлектроники и детекторов электромагнитного излучения. Такие пленки предотвращают быстрый износ металлических материалов и увеличивают их биосовместимость. Наиболее часто эти покрытия наносят на рабочие поверхности из газовой фазы, которая представляет собой облако титановых кластеров. Чтобы сформировать поток таких частиц для получения пленки, титан нагревают в вакууме при 1200–1250 °С. Однако метод часто приводит к трещинам в полученном слое или металлической основе, что снижает качество изделий.
Исследователи из Саратовского государственного технического университета имени Ю.А. Гагарина провели исследования, посвященные защитным титаносодержащим покрытиям. В новой работе они предложили наносить их методом индукционно-термического вакуумного распыления. При этом металл, на котором формируется пленка, быстро и равномерно разогревается с помощью индуктора — нагревательного элемента, который бесконтактно и импульсно генерирует в образце вихревой электрический ток. Титановый материал для пленки перед нанесением на поверхность ученые также нагревали в вакууме до температуры испарения. После этого всю систему охлаждали для формирования необходимой микроструктуры слоя.
Оказалось, что успех процедуры сильно зависит от нескольких условий, в первую очередь — от температуры нагрева стальной основы. Ученые определили, что оптимальный диапазон составляет 850–1000 °С — более сильный нагрев снижает качество покрытия. Химический состав образующегося слоя показал, что именно при таких температурах из стали в поверхностный слой проникает углерод. Соединяясь с титаном, он образует карбиды, которые придают материалу дополнительную твердость. При этом концентрация карбидов титана также сильно зависит от времени нанесения пленки: оптимальное содержание углерода — 42–46% — наблюдается при обработке в течение десяти минут.
«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, у которого это 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.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
