Алмазоподобные покрытия

НГН, №5/2010

В.С. Беляев, д.х.н., ООО "Специальные технологии", г. Екатеринбург

Продлить срок службы оборудования одна из важнейших задач любого производства. Заинтересованы в этом и специалисты нефтегазовой отрасли. Нанесение алмазоподобногопокрытия, разрабатываемого с применением нанотехнологий, на поверхность трущихся деталей различного оборудования позволяет повысить срок их службы в 10, а иногда и в 20 раз, уменьшают шум и вибрацию при работе механизмов, снижают трение (и сокращают количество смазочных материалов), и в итоге значительно увеличивают срок работы оборудования. Область применения данной технологии в нефтегазовом деле может быть самой разнообразной. Например, для упрочнения поверхности рабочих колес центробежных насосов (в т.ч. УЭЦН), породоразрушающего инструмента, рабочих лопаток гакзокомпрессорных станций, посадочных поверхностей шаровых клапанов, перекрывающих элементов запорной арматуры и т.д.

Технология нанесения алмазоподобных покрытий (или, в английской аббревиатуре, DLC, что означает Diamond Like Coating) сводится к плазменному импульсному распылению графита в вакуумной камере и осаждению (или, в английской аббревиатуре, PVD сокращенное от английских слов physical vacuum deposition) ионов углерода с достаточно большой энергией на изделия, на пример металлообрабатывающий инструмент (рис. 1). В результате такого напыления углерода образуется аморфное покрытие, состоящее из атомов углерода как с алмазными, так и с графитоподобными связями. Такие аморфные покрытия можно получать в широкой области температур вплоть до комнатной на различных материалах: металлах, керамике, стекле, пластических материалах.

Высокое содержание атомов углерода с алмазными связями в присутствии графитоподобных атомов приводит к появлению уникальных характеристик алмазоподобных покрытий, таких как высокая твердость, сравнимая с чистым алмазом (рис. 2); низкий коэффициент трения, характерный для графита (см. таблицу); высокая износоустойчивость; химическая инертность; биосовместимость с живыми тканями; экологическая чистота. При этом из всего массива ныне применяемых упрочняющих покрытий алмазоподобные покрытия имеют наибольшую микротвердость (рис. 2) и наименьший коэффициент трения. Микротвердость широко используемых покрытий составляет величины от 10 до 45 ГПа, определенные по методу Виккерса. В то же время для АПП, полученных методом плазменного импульсного распыления графита в вакууме и называемых DLC (tαC), микротвердость лежит в пределах значений от 50 до 100 ГПа и вплотную приближается к чистому алмазу. По этому критерию покрытия DLC (tαC) не имеет аналогов.

Существующий близкий аналог АПП, получаемый методом химического осаждения на подложку из паровой фазы (CVD от английских слов chemical vacuum deposition) углеводородов (типа ацетилен, пропан, бутан и т.п.) путем их термической или разрядной деструкции, по этим значениям заметно уступает нашему покрытию. Микро твердость в этом случае лежит в диапазоне от 9 до 40 ГПа. Виной тому наличие в структуре химичес кой связи получаемого аморфного покрытия атомов водорода, обра зующихся при деструкции углево дородов и осаждающихся на под ложку вместе с атомами углерода. Такого рода покрытия называются DLC(αCH). Они имеют свои достоинства, например, более высокую прозрачность по сравнению с DLC(tαC), но совершенно не годятся для нанесения их, например, на металлообрабатывающий инструмент ввиду их недостаточной прочности и меньшей адгезии к под ложке. Коэффициент трения таких покрытий также очень низок, и в этом смысле оба они сильно отличаются в лучшую сторону от всех, которые сегодня получают и используют.

Сравнение физикомеханических свойств алмазоподобных покры тий, полученных с помощью техно логии импульсного вакуумнодуго вого разряда PVD (нашей компани ей), и методом CVD (химическое осаждение из пара углеводородов), представлено в таблице. Процесс напыления подобных покрытий по своей сути относится к области нанотехнологий, по скольку толщина покрытий варьи рует от ангстрем и нанометров до нескольких микрон. Разработан ное нами многослойное покрытие сложного состава (от смеси углеро да с металлами до чистого углеро да) с толщинами отдельного слоя в несколько нанометров, имеет об щую толщину 1,01,5 микрометра. Оно оказалось в состоянии выдер живать в процессе эксплуатации колоссальные механические на грузки. Именно это (многослой ность покрытия) позволило нам ре шить самую сложную проблему, ха рактерную для алмазоподобных покрытий, проблему хорошей ад гезии высокопрочного покрытия к большинству поверхностей, в том числе к высоколегированным ме таллическим сплавам, характер ным для инструментальных марок сталей. Так, алмазоподобное по крытие, нанесенное на металлооб рабатывающий инструмент, спо собно увеличивать срок его служ бы в несколько раз от 2 до 20 в зависимости от типа обрабатывае мого материала. Причем нужная величина микротвердости, близ кая к твердости алмаза, достигает ся при толщинах от 1,0 микрометра и более (рис. 3).

Особую эффективность покрытие показало в случае нанесения его на инструмент, которым обрабатывают вязкие металлы, такие как медь, алюминий и их сплавы. Те, кому приходилось в бытовых усло виях сверлить отверстия небольшо го диаметра в чистом алюминии или меди, знают насколько это сложно. Вяжущий, застревающий в канавках сверла металл буквально не позволяет сделать в нем отвер стие. Сверло либо крутится на од ном месте, либо, хуже того, ломается, и потом застрявший в металле обломок сверла практически не возможно вытащить. В результате приходится сверлить новое отверстие по соседству или выбрасывать изделие, фактически начиная работу заново.

В металлообрабатывающей промышленности ситуацию пытаются исправить, применяя особые сверла с переменными диаметрами, а также особые смазывающие охлаждающие жидкости (СОЖ). Но да же в этом случае операции по об работке высоковязких цветных металлов остаются особо сложными в технологическом плане. При ис пользовании инструмента, на кото рый нанесено алмазоподобное по крытие, благодаря его скользкости, сравнимой с графитом, а также вы сокой прочности, сравнимой с ал мазом, не происходит застревание металла в канавках режущего инст румента даже при отсутствии СОЖ. Покрытие фактически ведет себя как твердый смазочный материал. В результате инструмент служит в десятки раз дольше, не создавая при этом проблем технологам. Мы убедились в этом, проводя реаль ные тесты на различных предприя тиях Японии и России. К примеру, компания MITSUBISHI CARBIDE на чала широко продавать металлоре жущий инструмент с DLCпокрыти ем, напыляя его по российской тех нологии в компании NAGATASEIKI (провинция Niigata), которой наша фирма поставила эту технологию и затем внедрила ее. В MITSUBISHI CARBIDE с 1999 года и до сих пор работают российские специалисты. Это связано с тем, что процесс на несения DLC(tαC) со сложной послойной структурой чрезвычайно сложен, и в нем высоко влияние человеческого фактора.

Внедрение разработок российских ученых 

ООО "Специальные технологии" создано на базе Уральского отделения Российской Академии Наук (г. Екатеринбург) и исследователь ского центра одного крупного предприятия, специализирующе гося на производстве полимеров, при активном взаимодействии с несколькими предприятиями быв шего военнопромышленного комплекса. Главной задачей ком пании является внедрение в про изводство лучших разработок российских ученых. Руководитель ООО "Специальные технологии" Беляев Виталий Степанович док тор химических наук, вышедший из академической среды (УрО РАН, г. Екатеринбург), долгое время вместе с коллегами из Академии Наук работал в венчурных за рубежных компаниях (ITAC Ltd., ShinkoPantec, Nagataseiki, Япония; Samsung Heavy Industry, Samsung Electronics, Южная Ко рея), целью которых является внедрение в своих странах пер спективных научных разработок. Подавляющее большинство этих разработок они вывезли из России.

С 2006 г. компанией применяется одна из наиболее перспективных технологий, позволяющая значительно увеличить срок службы как отдельных деталей, так и оборудования в целом.

Продукция, производимая на основе данной технологии, получила название "алмазоподобное покрытие". Это аморфное углеродное покрытие толщиной в 1 1,5 микрона с хорошей адгезией, наносимое методом импульсного плазменного распыления графита. Оно состоит из аморфной смеси sp3 связей, свойственных алмазу, и sp2 связей, характерных для графита, и обладает прочностью алмаза и скользкостью графита, что существенно повышает ресурс использования изделий с подобным напылением. В 2009 г. на данное изобретение был получен патент (приоритет с 2007 г.).

В 2010 г. за данный проект компания получила звание лауреата конкурса "100 лучших предприятий в области инноваций и научных разработок" и удостоена почетных наград диплома лауреата конкурса и золотой медали "100 лучших предприятий в области инноваций и научных разработок". Награды подписывали и вручали: нобелевский лауреат, академик РАН Ж.И. Алферов, председатель Комитета Государственной Думы по науке и наукоемким технологиям академик РАН В.А. Черешнев и другие крупнейшие российские ученые.