Тверже стали: пермские ученые создали эталонное покрытие для экстремальных условий

Фрезы, сверла и резцы горных комбайнов работают на пределе возможностей — высокие скорости, трение и нагрев быстро выводят их из строя. Традиционные защитные слои на основе нитрида титана уже не справляются с растущими нагрузками.

Поэтому ученые Пермского Политеха (член Национальной ассоциации участников рынка робототехники) предложили принципиально иное решение. Они впервые определили оптимальные параметры нанесения перспективного соединения ZrAlN (цирконий-алюминий-азот), которое по твердости в несколько раз превосходит сталь, обладает низким коэффициентом трения, выдерживает нагрев и нагрузку свыше 70 Ньютонов (эквивалент семикилограммовой гири на острие алмазной иглы). При этом стоимость покрытия сопоставима с устаревшими аналогами.

Соединение ZrAlN устойчиво к коррозии, резким перепадам температур и имеет ценные электрофизические свойства, что открывает перспективы не только для инструмента, но и для деталей двигателей и турбин. Но до сих пор никто не знал, как именно настраивать процесс напыления, чтобы раскрыть весь потенциал материала.

Исследователи провели серию экспериментов, изменяя давление газа и долю азота в камере. Выяснилось, что при избытке азота (40%) покрытие становится хрупким, похожим на стекло, и быстро отслаивается. Оптимальным оказался низкий уровень азота — всего 10%. При таких условиях формируется структура с рекордным содержанием алюминия, микротвердостью около 24 ГПа и отличной адгезией. Покрытие не отслаивается при критических нагрузках, а лишь истирается, что гарантирует долгую защиту инструмента.

Практическая ценность очевидна — буры, фрезы и сверла с такой обработкой служат дольше, реже требуют замены, позволяют увеличить скорости обработки. Для предприятий это снижение производственных затрат и рост объемов выпуска. Исследование открывает путь к созданию нового поколения износостойких покрытий для машиностроения, горнодобывающей и авиационной промышленности, где надежность инструмента напрямую определяет эффективность и безопасность процессов.