Результат интеллектуальной деятельности: ШАР ИЗ КОБАЛЬТСОДЕРЖАЩЕГО ТВЕРДОГО СПЛАВА ДЛЯ ШАРОВЫХ И ВИБРАЦИОННЫХ МЕЛЬНИЦ

Изобретение относится к области горного дела и металлургии, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов, применяемых для холодной и горячей механической обработки неметаллов, металлов и металлических сплавов, например шаров в шаровых мельницах, применяемых для размола смеси порошков карбидов и цементирующего металла.

Известно использование карбида титана TiC или нитрида титана TiN в качестве износостойких покрытий, наносимых на поверхности изделий из твердых сплавов [1]. К недостаткам подобных покрытий, помимо дорогостоящей технологии, следует отнести недостаточно прочную адгезию покрытия с поверхностью изделия.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ создания ионно-плазменным методом износостойкого покрытия, состоящего из нитрида или карбонитрида титана-хрома и содержащего в качестве легирующего компонента цирконий [2]. Недостатками прототипа являются сложность изготовления покрытия и недостаточная степень адгезии покрытия к основе.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- износостойкий приповерхностный слой шара;

- фазовый состав износостойкого приповерхностного слоя шара: гидроксид кобальта Со(ОН)₂ и гетерогениты.

Нами экспериментально показано, что шар из кобальтсодержащего твердого сплава снабжен износостойким приповерхностным слоем.

Нами экспериментально установлено, что модификация приповерхностного слоя шара осуществляется соединениями кобальта с водородом и кислородом: гидроксидом кобальта Со(ОН)₂ и гетерогенитами.

Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Нашими опытами показано, что термообработка изделий из кобальтосодержащих сплавов: пластин из твердых сплавов ВК6, ВК8, Т5К10, Т14К8, Т15К6, К20 и Т5 - увеличивает их микротвердость.

Исследование пластин из твердого сплава ВК6 методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) [3] показало наличие гидроксильных (ОН)^- групп после термообработки. На основании результатов измерения микротвердости, показавших исключительную роль кобальта в ее увеличении, и данных РФЭС было высказано предположение об образовании гидроксида кобальта на поверхности термообработанных образцов.

Однако метод РФЭС способен исследовать лишь поверхность материалов (средняя длина свободного пробега фотоэлектронов равна 3-4 нм) и он не мог выяснить точную химическую формулу соединения, образующегося после термообработки.

По этому было предпринято изучение приповерхностного слоя образцов другим методом, а именно: методом рентгеновской дифрактометрии (РД) [4, 5]. Использовался автоматизированный дифрактометр D8ADVANCE фирмы BRUKER. Применялось монохроматизированное излучение CuKα. При исследовании фазового состава использовались программа EVA и банк данных PDF-2 2006 г.

Отметим, что исследование методом РД проводились в НИТУ МИСиС, причем исследовались те же образцы, результаты измерения которых методом РФЭС использованы при составлении описания заявок №2011150848 «Применение гидроксида кобальта в качестве износостойкого покрытия» и №2011150849 «Способ создания покрытия». При этом никаких новых операций термообработки этих образцов не производилось.

Исследования методом РД подтвердили, что в результате термообработки в приповерхностном слое твердого сплава образуются соединения кобальта с водородом и кислородом, гидроксид кобальта Со(ОН)₂ и гетерогениты.

Эти соединения обладают малой твердостью, поэтому их образование не может объяснить наблюдаемые на опыте высокие значения чисел микротвердости. Отсюда следует вывод, что они модифицируют свойства приповерхностных слоев кобальтсодержащих материалов.

Пример 1

Проведена термообработка пластины твердого сплава ВК6 (Фазовый состав в массовых процентах: WC-94, Со-6). В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1850±140 кг/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3371±472 кг/мм².

Пример 2

Проведена термообработка пластины из кобальтсодержащего твердого сплава Т15К6 (фазовый состав в массовых процентах:WC-79, TiC-15, Со-6). В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1800±325 кг/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3300±405 кг/мм².

Пример 3

Проведена термообработка пластины из кобальтсодержащего твердого сплава Т5 (элементный состав в массовых процентах: W-78,5, С-6,5, Та-5,0, Ti-4,0, Со-6,0: фазовый состав в объемных процентах: WC-70, (Ti, Та, W)C-8, (Ti, W)C-7, Со-15). В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1873±352 кг/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3217±675 кг/мм².

Для получения технического результата, изложенного в формуле изобретения, необходимо произвести следующие действия.

1. Осуществить нагрев шара в интервале температур от 100 до 200°С.

2. Можно варьировать длительность нагрева от 0,5 часа до 2,0 часов.

3. В качестве окружающей среды должен использоваться воздух.

В результате диффузии паров воды и кислорода, находящихся в воздухе, в кобальтсодержащий материал и их химического взаимодействия с кобальтом образуются соединения кобальта с водородом и кислородом, модифицирующие приповерхностный слой материала и делающие его износостойким.

Представление о составе, структуре и концентрациях соединений кобальта с водородом и кислородом дают нижеследующие сведения.

В процессе рентгеновских исследований были определены состав и структура гетерогенитов. Одна из модификаций гетерогенитов ромбическая-гетерогенит 3R. Он состоит из трех октаэдров, состоящих из атома кобальта, связанного с шестью атомами кислорода. Октаэдры соединены между собой водородными связями. Химическая формула этого гетерогенита-Co⁺[O(OH)], т.е. кобальт в нем трехвалентен. Другая модификация гексагональная-гетерогенит 2Н. Он состоит из двух таких же октаэдров. Его химическая формула - СоО(ОН). Концентрации 3R и 2Н-гетерогенитов зависят от условий их получения и могут достигать десятков ат.%. Но всегда суммарная концентрация гетерогенитов превосходит концентрацию гидроксида кобальта Со(ОН)₂.

Наши многочисленные опыты показали, что длительность существования подобным образом изготовленных износостойких приповерхностных слоев зависит от температуры и продолжительности нагрева и изменяется от одних до 30 суток. Тем не менее, предлагаемый метод может оказаться весьма полезным в условиях массового производства, шары с износостойкими приповерхностными слоями можно сразу использовать после обработки и многократно создавать подобные слои по мере необходимости.

Использование на практике заявляемого изобретения сулит большие экономические выгоды: простота получения износостойких приповерхностных слоев на шарах из твердосплавного кобальтсодержащего материала позволяет многократно создавать их по мере необходимости.

Источники

1. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. - М.: Металлургия, 1976. - С. 499-507.

2. Табаков В.П., Циркин А.В., Чихранов А.В. Режущий инструмент с покрытием. Патент RU 46261 U1 МПК⁷ С23С 14/32. Опубл. 27. 06. 2005. Патентообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновский государственный технический университет».

3. Риггс В., Паркер М. Анализ поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии // Методы анализа поверхностей. Под редакцией А. Зандерны. Перевод с английского под редакцией В.В. Кораблева и Н.Н. Петрова. - М.: Мир, 1979. - Гл. 4. - р. 138-199.

4. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ. Учебное пособие для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. - М.: МИСиС, 2002.

5. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С. Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, Л.Н. Расторгуев. - М.: Металлургия, 1982. - 632 с.