Результат интеллектуальной деятельности: ТВЕРДОСПЛАВНАЯ КОБАЛЬТСОДЕРЖАЩАЯ ПЛАСТИНА СЪЕМНОЙ НАКЛАДКИ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ ШНЕКОВ ЦЕНТРИФУГ

Изобретение относится к области горного дела, металлургии, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов, применяемых для холодной и горячей механической обработки неметаллов, металлов и металлических сплавов, например шнеков армированных твердосплавными пластинами центрифугальных машин, применяемых в угольной промышленности для обогащения и обезвоживания угля.

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 твердосплавная кобальтсодержащая пластина съемной накладки для армирования шнеков центрифуг с износостойким покрытием [2]. Недостатками прототипа являются сложность изготовления покрытия и недостаточная степень адгезии покрытия к основе.

Предлагаемое изобретение направлено на существенное увеличение износостойкости твердосплавной пластины съемной накладки для армирования шнеков центрифуг.

Указанный результат достигается тем, что твердосплавная кобальтсодержащая пластина съемной накладки снабжена износостойким приповерхностным слоем, содержащим соединения кобальта с водородом и кислородом: гидроксид кобальта Со(ОН)₂ и гетерогениты.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- износостойкий приповерхностный слой твердосплавной кобальтсодержащей пластины;

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

Авторами экспериментально показано, что пластина съемной накладки обладает износостойким приповерхностным слоем.

Авторами экспериментально установлено, что модификация приповерхностного слоя пластины съемной накладки осуществляется соединениями кобальта с водородом и кислородом: гидроксидом кобальта Со(ОН)₂ и гетерогенитами.

Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Опытами авторов 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 пластины в интервале температур от 100 до 200°С.

2. Длительность нагрева пластины можно варьировать в пределах от 0,5 часа до 2,0 часов.

3. В качестве окружающей среды должен использоваться воздух.

В результате диффузии паров 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. Химическая формула этого гетерогенита - Со⁺³[O(ОН)], т.е. кобальт в нем шестивалентен. 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 этих гетерогенитов превосходит концентрацию гидроксида кобальта Со(ОН)₂.

Многочисленные опыты авторов показали, что длительность существования подобным образом изготовленных износостойких 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, съемные накладки с износостойкой твердосплавной кобальтсодержащей пластиной можно сразу использовать после обработки и многократно создавать износостойкий материал по мере необходимости.

Использование на практике заявляемого изобретения сулит большие экономические выгоды: простота получения износостойких слоев на твердосплавных кобальтсодержащих пластинах съемных накладок для шнеков центрифуг позволяет многократно создавать их по мере необходимости.

Источники информации

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

2. Pat. USA CENTRIFUGA APPARATUS, 3764062 A, B04b 1/00, 09.10.1973. Inventor F.C. Brantigam (прототип).

3. Риггс В., Паркер Μ. 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.

Твердосплавная кобальтсодержащая пластина съемной накладки для армирования шнеков центрифуг, отличающаяся тем, что она снабжена износостойким приповерхностным слоем, содержащим соединения кобальта с водородом и кислородом.