Материаловеды НИТУ «МИСиС» совместно с промышленными партнерами разработали новое поколение сверхтвердых сплавов для горно-промышленного оборудования. Изготовленные из них инструменты и машины будут применяться для добычи полезных ископаемых в экстремальных условиях Арктики.

Производственные испытания в ноябре 2019 года на шахте «Полысаевская» (Кузбасс, Кемеровская область) показали, что горные комбайны, оснащенные резцами из новых сплавов, вдвое превосходят по прочности отечественные и зарубежные аналоги.

Основными факторами, определяющими эффективность работы горно-добывающей техники, работающей в условиях сверхнагрузок, являются устойчивость буровых коронок и угольных резцов к износу и разрушению. Традиционные твёрдые сплавы, из которых делается инструмент, при работе в чрезвычайно жестких условиях при высоких ударных нагрузках быстро разрушаются и изнашиваются.

При добыче полезных ископаемых в условиях Крайнего Севера и Арктики задача усложняется большими перепадами температур, при которых стандартные твердые сплавы и керамические материалы становятся хрупкими и разрушаются в зоне контакта с обрабатываемой породой. Сплав, из которого изготовлено такое оборудование, должен быть прочным и одновременно пластичным, чтобы при температурных колебаниях не появлялись трещины и сколы.

В рамках госпрограммы по развитию Арктики ученые НИТУ «МИСиС» разработали принципиально новые крупнозернистые твердые сплавы, увеличившие прочность и износостойкость горного оборудования в 2 раза. Эти материалы обладают особой структурой с несколькими уровнями иерархии. Это означает, что материал содержит структурные составляющие с сильно различающимися размерами зерен – от 6–8 микрометров (мкм) до 10 нанометров.

«Разработка представляет собой технологию производства нового поколения крупнозернистых твердых сплавов, обладающих особо однородной структурой с округлыми зернами карбида вольфрама и наномодифицированной кобальтовой связкой. За счет введения в состав сплава функциональных легирующих добавок и оптимизации режимов изготовления, в пластичной кобальтовой связке выделяются упрочняющие наночастицы пластинчатой формы с характерным размером 4–5 нанометров. Это обеспечивает одновременный рост трещиностойкости, прочности и износостойкости материала», – рассказал руководитель проекта, доктор технических наук, профессор Евгений Левашов.

Промышленные испытания нового твердого сплава были проведены в конце ноября 2019 года в Кузбассе на шахте «Полысаевская», разрабатываемой угледобывающей компанией СУЭК. В ходе испытаний проходческим комбайном КП-21 на глубине 250 метров было переработано более 700 куб. метров породы. Горные резцы из новых твердых сплавов продемонстрировали полное отсутствие сколов, при этом их ресурс на 80–100% превзошел лучшие аналоги.

Конечными потребителями горно-добывающего инструмента из разработанных сплавов являются предприятия, специализирующиеся на шахтной/карьерной добыче горных пород различной прочности (каменный уголь, каменная соль, кимберлиты, апатиты и др.) в частности, АО «Сибирская угольная энергетическая компания», ПАО «Мечел», ПАО АК «АЛРОСА», АО «Апатит» и др. Внедрение разработки позволит значительно повысить эффективность добычи полезных ископаемых на месторождениях Арктического региона РФ.

Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».

Пресс-служба НИТУ «МИСиС»