Skip to Content

ИНСТРУМЕНТ ПРОДВИЖЕНИЯ

В начале нынешнего года один из проектов Института химии твердого тела УрО РАН прошел конкурсный отбор и был включен в список для реализации в рамках Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Передовые производственные технологии и материалы» (УМНОЦ). Проект направлен на разработку и внедрение усовершенствованной промышленной технологии производства монолитных заготовок из субмикронного твердого сплава на основе карбида вольфрама и кобальта, обладающих повышенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с существующими аналогами, и будет выполняться сотрудниками ИХТТ УрО РАН совместно с Кировградским заводом твердых сплавов — крупнейшим отечественным предприятием в своей отрасли. Об этом мы побеседовали с руководителем проекта от ИХТТ УрО РАН, заведующим лабораторией нестехиометрических соединений, кандидатом физико-математических наук Алексеем Курловым — специалистом в области получения и исследования карбидных нанопорошков, а также твердых сплавов и керамики на их основе, соавтором монографии по этой тематике, вышедшей в издательстве «Шпрингер» (2013).
— Ваш проект ориентирован непосредственно на внедрение в производство. Где используются твердые сплавы?
— Из твердых сплавов изготавливают металлорежущий инструмент, они составляют 50% мирового рынка инструментальных материалов (для сравнения: высокоскоростные стали — 45%, керамика — около 4%, поликристаллический алмаз и кубический нитрид бора — 1%). Применяется такой инструмент во многих отраслях промышленности, например, для металлообработки, для бурения скважин, горнопроходческих работ и снятия дорожных покрытий, в качестве износостойких частей в волочильных и штамповочных станках и т.д.
Сегодня в мире наиболее распространенными и востребованными из сплавов системы карбид вольфрама — кобальт становятся, прежде всего, субмикронные сорта. По сравнению с микрокристаллическими они обладают повышенными твердостью, прочностью, ударной вязкостью, трещиностойкостью и отвечают тенденции к миниатюризации устройств. Сегодня на рынке практически нет отечественного конкурентного металлорежущего инструмента из субмикронного твердого сплава, а тот, что имеется, либо сделан из импортного сырья и полуфабрикатов, либо уступает по качеству ведущим зарубежным аналогам.
— Каковы позиции на этом рынке вашего индустриального партнера — Кировградского завода твердых сплавов?
— КЗТС — единственное отечественное предприятие полного цикла, который начинается с получения исходного сырья (требуемых порошков) и завершается изготовлением инструмента и изделий из спеченных твердых сплавов. Он обладает действующей промышленной технологией производства монолитных субмикронных твердосплавных заготовок. Ассортимент продукции КЗТС очень широк — от режущих пластин для металлообрабатывающих станков до резцов дорожно-фрезерных машин, снимающих асфальт. Однако качество продукции не вполне устраивает заводчан — их субмикрокристаллические твердые сплавы по эксплуатационным характеристикам пока уступают ведущим импортным аналогам. В силу появления новых высокопроизводительных автоматизированных станков, новых материалов, стремления к росту производительности, качества продукции, снижению затрат к режущему инструменту предъявляются все более высокие требования. Он должен быть устойчивым к повышенным ударным нагрузкам, скоростям резания, толщинам съема материала, к чистоте обработки и т.д. В последние годы КЗТС инвестировало значительные средства в модернизацию оборудования для получения высокочистых исходных порошков с максимальной степенью автоматизации и контроля процессов. Однако этого оказалось недостаточно для решения всех проблем. Сейчас необходимо модернизировать имеющиеся технологии производства твердых сплавов и создавать новые, а для этого уже необходимы фундаментальные научные исследования.
— И поэтому заводчане обратились к вам?
— Группа сотрудников нашей лаборатории — один из немногих оставшихся в стране научных коллективов, который проводит исследования карбидов переходных металлов, синтезирует их, получает из них нанокристаллические порошки и создает различные материалы на их основе, в том числе и твердые сплавы. Кировградский завод — давний партнер Института химии твердого тела. Наши организации тесно сотрудничали еще в те времена, когда ИХТТ возглавлял академик Геннадий Петрович Швейкин, внедряли на КЗТС опытные партии сплавов. В последние десятилетия наше сотрудничество стало эпизодическим, решались только небольшие задачи. В 2008 г. мы пытались заинтересовать заводских коллег нанокристаллическими твердыми сплавами, но тогда переговоры не привели к конкретным решениям. А вот в 2020 г. мы заключили с КЗТС хоздоговор и провели исследования, направленные на оптимизацию технологии изготовления субмикронного твердого сплава А03.
Чтобы продолжить работу в этом направлении, необходимо весьма дорогостоящее оборудование. На заводе есть современное оборудование для получения новых материалов, но нет специалистов, которые могли бы досконально исследовать их свойства, что порой необходимо. К тому же напрямую работать с таким крупным предприятием очень сложно — заводские специалисты ориентированы на многотоннажное производство, а ученые в своих исследованиях оперируют граммами. Научные идеи невозможно сразу воплотить в технологии, они должны отрабатываться там, где рождаются, то есть в лаборатории, которую нужно оснастить дополнительным оборудованием и программным обеспечением. Именно поэтому мы очень надеемся на поддержку УМНОЦ.
 — Какими возможностями для реализации проекта вы располагаете на сегодняшний день?
— В наш коллектив входят высококвалифицированные специалисты в области синтеза карбидов переходных металлов, размола высокотвердых веществ до наносостояния, получения и исследования твердых сплавов, изучения кристаллической структуры методами рентгеновской и нейтронной дифракции, оптической, электронной сканирующей и просвечивающей микроскопии, а также по элементному, химическому и фазовому анализу различных объектов, термодинамическому моделированию термохимических процессов. Выпускники физтеха УрФУ Арсений Боков и Анна Шелюг окончили аспирантуру Калифорнийского университета и получили степень PhD, защитив диссертации по материаловедению. За год совместной работы в лаборатории нестехиометрических соединений мы провели экспериментальные исследования по получению плотной керамики из карбидных нанопорошков, по результатам которых опубликована статья в “Journal of the European Ceramic Society” и еще одна подготовлена к печати в этом же журнале. В наш коллектив также входят аспирант Анастасия Батенькова и инженер Сергей Баженов. Всех нас объединяет «карбидная» тематика: синтез карбидов переходных металлов, получение из них нанокристаллических порошков и создание различных материалов на их основе.
Впрочем, количество участников проекта не ограничивается сотрудниками лаборатории нестехиометрических соединений. Мы планируем привлекать специалистов из других лабораторий ИХТТ, а также профильных институтов УрО РАН и УрФУ.
— Что-то уже сделано непосредственно по проекту?
— Эксплуатационные характеристики твердосплавного инструмента определяются материалом, из которого он изготовлен. Предварительные исследования показали, что отечественные сплавы уступают зарубежным из-за неоднородности их микроструктуры: наличия отдельных крупных карбидных зерен и неравномерного распределения кобальтовой связки. Мы уже обнаружили некоторые проблемы в заводской технологии смешивания компонентов порошка — карбида вольфрама с металлическим кобальтом. Однако в ходе реализации проекта будут проанализированы все этапы действующей промышленной технологии производства монолитных твердосплавных заготовок из субмикронного сплава: от исходного сырья, состава и способа приготовления из него порошковой смеси до технологических параметров компактирования и спекания, а также их влияния на микроструктуру и свойства готового субмикрокристаллического твердого сплава. Используя многолетний опыт исследований нанокристаллических сплавов, мы сможем найти причины формирования неоднородной микроструктуры в твердом сплаве и его недостаточной прочности и трещиностойкости, а также разработать оптимальные способы их устранения. По результатам будут разработаны рекомендации по оптимизации состава субмикронного твердого сплава и промышленной технологии его производства. Качество инструмента также зависит от его дизайна. И здесь мы собираемся привлечь специалистов в этой области, которые, используя современные методы и программное обеспечение, займутся оптимизацией геометрии режущего инструмента.
От того, насколько совершенной будет технология получения твердых сплавов субмикронных сортов, напрямую зависит прибыль предприятия, поскольку потребность в этих материалах сейчас очень велика. А нам работа в этом направлении поможет продвинуться в фундаментальном плане. Поэтому надеемся, что наше сотрудничество с КЗТС будет взаимовыгодным. Особенно, повторю, при поддержке Уральского межрегионального НОЦ.
Е. Понизовкина
На фото: вверху —
С. Баженов и А.С. Курлов у высокотемпературной вакуумной печи, в которой спекаются твердые сплавы и керамика; внизу слева направо — А. Шелюг, А. Боков и А. Батенькова
Год: 
2021
Месяц: 
октябрь
Номер выпуска: 
19
Абсолютный номер: 
1239
Изменено 13.10.2021 - 12:29


2021 © Российская академия наук Уральское отделение РАН
620990, г. Екатеринбург, ул. Первомайская, 91
makarov@prm.uran.ru +7(343) 374-07-47