Результат интеллектуальной деятельности: НЕПЕРЕТАЧИВАЕМЫЙ ШТАМП ИЗ КОБАЛЬТСОДЕРЖАЩЕГО ТВЕРДОГО СПЛАВА С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПРИПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ

Изобретение относится к области металлургии и горного дела, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов, применяемых для холодной и горячей механической обработки неметаллов, металлов и металлических сплавов.

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 режущий инструмент с покрытием, содержащий инструментальную основу из твердого сплава и нанесенное на нее износостойкое ионно-плазменное покрытие на основе нитрида или карбонитрида титана-хрома, содержащего в качестве легирующего компонента цирконий [2]. Недостатками прототипа являются сложность изготовления покрытия и недостаточная степень адгезии покрытия к основе.

Предлагаемое изобретение направлено на существенное увеличение износостойкости штампа.

Указанный результат достигается тем, что приповерхностный слой штампа модифицирован гидроксидом кобальта Со(ОН)₂ и гетерогенитами.

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- модификация приповерхностного слоя твердого сплава;.

- модифицирующие вещества: гидроксид кобальта Со(ОН)₂ и гетерогениты.

Нами экспериментально показано, что покрытие выполнено в виде модифицированного приповерхностного слоя кобальтсодержащего твердого сплава.

Нами экспериментально установлено, что модификация приповерхностного слоя твердого сплава осуществляется гидроксидом кобальта Со(ОН)₂ и гетерогенитами.

Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Нашими опытами показано, что термообработка на воздухе режущих пластин из твердого сплава ВК6 увеличивает их микротвердость.

Исследование режущих 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.

Поэтому 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».

Исследования методом РД не только подтвердили, что в результате термообработки на воздухе в приповерхностном слое твердого сплава образуется гидроксид кобальта, но позволили определить его состав, а именно Со(ОН)₂[6], и показали, что образуются и другие соединения кобальта с водородом и кислородом - гетерогениты ([7-11]).

Гетерогениты обладают малой твердостью (микротвердость по Виккерсу изменяется от 420 до 560 кГ/мм² [10]), поэтому их образование не может объяснить наблюдаемые на опыте высокие значения чисел микротвердости. Отсюда следует вывод, что гетерогениты модифицируют свойства приповерхностных слоев кобальтсодержащих материалов.

Пример 1

Термообработка на воздухе режущей пластины твердого сплава ВК6 (Фазовый состав в массовых процентах: WC-94, Со-6) проводилась при температуре 100°C. Длительность термообработки равнялась 30 минутам. В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1850±140 кГ/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3371±472 кГ/мм².

Пример 2

Термообработка на воздухе режущей пластины из кобальтсодержащего твердого сплава Т15К6 (фазовый состав в массовых процентах: WC-79, TiC-15, Со-6) проводилась при температуре 100°C. Длительность обработки равнялась 30 минутам. В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1800±325 кГ/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3300±405 кГ/мм².

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

1) осуществить нагрев штампа при температуре не менее 100°C;

2) длительность нагрева может варьироваться в пределах от 0,5 часа до 2,0 часов;

3) в качестве окружающей среды должен использоваться влажный 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 водородными связями. Химическая формула этого гетерогенита - Со⁺³[О(ОН)], 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 этих 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, когда инструмент сразу используется после обработки.

Использование на практике заявляемого изобретения сулит большие экономические выгоды: простота получения износостойкого приповерхностного слоя позволит легко создавать его на твердосплавном штампе.

Источники информации

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 РФ RU 46261 U1, МПК⁷ С23С 14/32. Опубл. 27.06.2005. Патентообладатель - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ульяновский государственный технический университет» (прототип).

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. - С. 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.

6. Спицын В И., Мартыненко Л.И. Неорганическая химия. М.: Изд-во МГУ, 1994. Ч. 2, Раздел I, гл. I. 8. Элементы VIII группы периодической системы - триада железа и платиновые элементы. 4. Кобальт. С. 259-267.

7. Неорганическая химия. Под редакцией академика Ю.Д. Третьякова. М.: Издательский центр «Академия», 2007. Т. 3. Химия переходных элементов. Книга 2. Соединения элементов в степени окисления +3. Соединения кобальта (III). С. 106-111.

8. Кондрашов Ю.Д. и Федорова Н.Н. ДАН СССР, 1954, Т. 94, №2, с. 229-231.

9. Deliens М., Goethals Н. Polytypism of geterogenite // Minerogical Magazine, 1973, v. 39, №6, pp. 152-157.

10. Heterogenite - 2H. Mineral Data. Данные получены при помощи поисковой системы Google в Интернете 04.01.2012 г.

11. Материал из GeOWiki - открытой энциклопедии по наукам о Земле. Данные получены при помощи поисковой системы Google в Интернете 04.01.2012 г.