Даже очень прочные изделия из стали со временем разрушаются. Особенно в агрессивной для металла среде, например, в морской воде. Новый способ защиты стальных поверхностей предложили специалисты из НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Чехии. Авторы разработки считают, что их покрытие существенно повысит защиту морской и прибрежной инфраструктуры, а также снизит риск аварий и поломок оборудования.
Материалы исследования опубликованы в журнале Wear.
В морской отрасли, судостроении и обустройстве прибрежной инфраструктуры используют большое количество механизмов и деталей, подверженных износу в условиях контакта с солёной водой. Например, насосы, винты, лебёдки, задвижки. Многие подобные предметы изготавливают из коррозионно-стойких сталей, содержащих помимо железа хром, никель или молибден.
У такой защиты есть и обратная сторона. Коррозионную стойкость обеспечивает тончайшая, всего несколько нанометров, плёнка на поверхности стали. Она формируется самостоятельно, подобно слою оксида на изделиях из алюминия. И она изнашивается. Необходимо защитить её и вместе с этим повысить твёрдость поверхностного слоя.
Разработанное покрытие удовлетворяет всем требованиям: идеальная адгезия (сильное сцепление покрытия с деталью), высокая твёрдость и значительная толщина. Оно представляет собой осыпь из тантал-циркониевых карбидов, закреплённых в металлическом слое. Когда трение отсутствует, карбидные частицы практически не влияют на коррозионную стойкость, а когда оно есть — механически защищают плёнку. По мнению специалистов, упрочнить верхний слой материала часто выгоднее и эффективнее, чем совершенствовать саму деталь.
«Представьте себе насос для перекачки воды. Львиная доля этих устройств ломаются из-за трибокоррозионного износа вала в зоне сальникового уплотнения. После этого вода попадает в приводной электродвигатель и выводит его из строя. Разработанное твёрдое покрытие на этой части вала турбины может кардинально увеличить ресурс всего насоса. Защита критических поверхностей всегда выгоднее, чем придание всей детали выдающихся свойств. Иногда второе даже невозможно», — прокомментировал старший научный сотрудник кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий НИТУ «МИСиС» Константин Купцов.
Для нанесения экспериментального защитного покрытия используется метод электроискрового легирования, напоминающий сварочный процесс. Способ известен давно, но специалисты НИТУ «МИСиС» предложили проводить обработку в вакууме. Такой подход обеспечивает защиту от окисления и заметно улучшает качество покрытия. Предложенная технология защищена двумя патентами, отметили исследователи.
В дальнейшем специалисты планируют придать покрытиям водоотталкивающие свойства и исключить контакт металлических поверхностей с коррозионной средой. Это значительно облегчит задачу подбора наиболее твёрдых составов для защиты от износа и поможет решить проблему обрастания льдом в полярных широтах.
«Основное назначение разрабатываемых покрытий — это объекты морской и прибрежной инфраструктуры. Тем не менее, эти покрытия могут найти применение и в других областях, например, в городском хозяйстве и транспорте, где износ и коррозия под действием антигололёдных препаратов также является существенной проблемой. Защита от коррозии и износа косвенно связана и с безопасностью, так как снижает риск различных аварийных ситуаций из-за поломок оборудования», — отметил Купцов.
Работа выполнена в рамках проекта Российского Научного Фонда «Разработка твёрдых гидрофобных покрытий, предназначенных для защиты объектов морской и прибрежной инфраструктуры от трибокоррозионного, абразивного и кавитационного износа».