Способ создания покрытия
Владельцы патента RU 2538434:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов или сталей, применяемых для холодной и горячей механической обработки металлов и сплавов, например обработки резанием. Предложен способ формирования износостойкого покрытия из гидроксида кобальта на режущих пластинах из твердых сплавов или сталей, содержащих кобальт, в котором покрытие формируют путем нагрева упомянутых пластин в парах воды. Обеспечивается повышение микротвердости режущего инструмента. 3 ил., 5 табл.
Изделие относится к области металлургии, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов, применяемых для холодной и горячей механической обработки металлов, и металлических сплавов, например, резанием.
Известно использование карбида титана TiC или нитрида титана 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 формирование защитного покрытия двуокиси кремния SiO2 на поверхности кремния Si посредством нагрева пластин кремния в кислороде или во влажном воздухе [2]. Оно встроено в приповерхностный слой кремния и поэтому его связь с объемом кремния максимальна.
Предлагаемое изобретение направлено на применение принципа, применяемого в полупроводниковом приборостроении, в машиностроении.
Указанный результат достигается тем, что износостойкое покрытие, состоящее из гидроксида кобальта, формируют в приповерхностном слое кобальтсодержащего материала термообработкой в парах воды.
Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:
- применение в качестве износостойкого покрытия гидроксида кобальта,
- использование в качестве источника кобальта кобальтсодержащего материала,
- термообработка в парах воды.
Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.
Нашими опытами установлено, что термообработка в парах воды кобальтсодержащих материалов - твердых сплавов (табл.1) и быстрорежущих сталей (табл.2) - значительно увеличивает их микротвердость.
| Таблица 1 | |||
| Зависимость микротвердости по Виккерсу режущих пластин твердого сплава ВК6 от качества предварительной обработки поверхности и наличия или отсутствия термообработки | |||
| № Образца | Качество предварительной механической обработки поверхности | Наличие или отсутствие термообработки в парах воды |
, кГ/мм2
|
| 6 | Отполирована по 11 классу | Не проводилась | 2647±449 |
| шероховатости | |||
| 6 | Отполирована по 11 классу шероховатости | Термообработка в парах воды | 2837±378 |
| 54 | Отшлифована по 8 классу шероховатости | Не проводилась | 1931±222 |
| 53 | Отшлифована по 8 классу шероховатости | Термообработка в парах воды | 3396±472 |
Измерения проводились на микротвердомере ПМТ-3.
Исследование пластин, находящихся в исходном состоянии после нагрева в парах воды, было предпринято методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) [3]. Исследования проводились на спектрометре Kratos AXIS Ultra DLD.
Результаты исследования представлены на фигурах 1, 2, 3. Из сопоставления фигур 1, 2, 3 ясно видно, что спектры кобальта и углерода незначительно изменяются при переходе от образца к образцу. Серьезные изменения наблюдаются в спектрах вольфрама и кислорода.
Спектр вольфрама у образца №53 значительно отличается от спектров образцов №6 и №7: в образце №53 гораздо меньше адсорбированной воды (см. табл.2).
| Таблица 2 | |
| Отношение концентрации адсорбированной воды к концентрации вольфрама в спектрах образцов твердого сплава ВК6 | |
| № образца | Отношение интенсивности адсорбированной воды к интенсивности вольфрама |
| №7 | 0,64 |
| №6 | 0,67 |
| №53 | 0,30 |
Однако эти отличия не могут объяснить существенные отличия в значениях микротвердости (см. табл.1). Действительно, в наших опытах по термообработке в парах воды образцов быстрорежущих сталей Р6М5, Р18 и Р6М5К5 было установлено, что только в образцах быстрорежущей стали Р6М5К5, в состав которой входит кобальт, наблюдаются значительные изменения микротвердости (см. табл.3).
| Таблица 3 | |||||
| Микротвердость по Виккерсу образцов быстрорежущих сталей Р6М5, Р6М5К5 и Р18 в исходном состоянии и после термообработки в одинаковых условиях | |||||
| Марка стали | Род обработки поверхности образцов | Наличие или отсутствие термообработки | Р, Г |
|
 , кГ/мм2
|
| Шлифованная по 8 классу шероховатости | Исходное состояние | 150 | 48,0±3,2 | 1332±178 | |
| Р6М5 | |||||
| Термообработка | 150 | 49,0±4,6 | 1296±243 | ||
| Шлифованная по 8 классу шероховатости | Исходное состояние | 150 | 49,0±3,5 | 1305±186 | |
| Термообработка | 150 | 48,0±09 | 1319±49 | ||
| Р18 | Исходное состояние | 100 | 36,0±1,4 | 1590±88 | |
| Термообработка | 100 | 39,0±2,0 | 1332±137 | ||
| Шлифованная по 8 классу шероховатости | Исходное состояние | 100 | 34,0±3,0 | 1836±324 | |
| Р6М5К5 | Термообработка | 100 | 28,5±2,7 | 2536±480 | |
| Полированная по 10 классу шероховатости | Исходное состояние | 100 | 43,0±1,2 | 1140±64 | |
| Термообработка | 100 | 37,3±1,2 | 1478±95 |
Таким образом, только существенное изменение спектра кислорода позволяет объяснить наблюдаемые на образце №6, а особенно на образце №53, изменения микротвердости. Действительно, спектры кислорода на пластинах, подвергнутых термообработке (образцы №6 и №53), отличаются от спектра кислорода на пластине №7, находящейся в исходном состоянии. Расшифровка этих спектров [4] свидетельствует о том, что на всех образцах имеются две фазы: оксид кобальта и гидроксид кобальта (см. табл.4).
| Таблица 4 | ||||||
| Экспериментальные спектры кислорода | ||||||
| № образца | Левый пик (вода) | Центральный пик (гидроксид кобальта) | Правый пик (оксид кобальта) | |||
| ЕВ, эВ | Интенсивность | ЕВ, эВ | Интенсивность | ЕВ, эВ | Интенсивность | |
| 7 | - | - | 532,75 | 21,67 | 531,17 | 34,96 |
| 6 | - | - | 532,33 | 35,17 | 530,95 | 26,20 |
| 53 | 534,14 | 4,88 | 533,29 | 25,95 | 532,0 | 3,14 |
| H2O | Co3O4 | |||||
| [4], фиг.4 | 533,43 | 529,57 | - |
Однако соотношения между концентрациями этих фаз отличаются друг от друга на разных пластинах. У пластины №7 отношение концентрации равно 0,62, у пластины №6 это отношение равно % 1,34; а у пластины №53 - ≈8,26 (см. табл.5).
| Таблица 5 | |
| Соотношения между концентрациями оксида кобальта гидроксида кобальта в образцах 6, 7 и 53 | |
| № образца | Отношение интенсивности гидроксида кобальта к интенсивности оксида кобальта |
| 7 | 0,62 |
| 6 | 1,34 |
| 53 | 8,26 |
Итак, если у образца №7, находящегося в исходном состоянии, концентрация оксида кобальта заметно больше, чем концентрация гидроксида кобальта, то у термообработанного образца №6 наблюдается обратное соотношение: концентрация гидроксида кобальта превышает концентрацию оксида кобальта. Эти различия несущественны, что подтверждают данные измерений микротвердости (см. табл.1): хотя 
после термообработки у образца №6 выше, чем до термообработки, эти изменения не значимы: с учетом погрешностей измерений эти два значения 
не отличаются друг от друга.
Совсем иную картину представляет сопоставление результатов термообработки шлифованного образца №53: концентрация гидроксида кобальта на его поверхности более чем в 8 раз превышает концентрацию оксида кобальта. Это изменение состава весьма положительно сказывается на значении микротвердости (см. табл.1): после термообработки микротвердость возрастает на 75,9%, тогда как у полированного образца №6 микротвердость возрастает всего лишь на 7,2%. Кроме того, наличие адсорбированной воды на его поверхности, по-видимому, защищает гидроксид кобальта от воздействия кислорода воздуха.
Предлагаемое изобретение может быть использовано для формирования износостойких покрытий в изделиях из всех твердых сплавов с кобальтовой связкой, из всех марок быстрорежущих сталей, содержащих кобальт, и из горячештамповых сталей, содержащих кобальт.
Простота формирования износостойкого покрытия позволяет использовать его и в перетачиваемом инструменте.
Источники
1. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976. - С.499-507.
2. Федотов Я.А. Основы физики полупроводниковых приборов. М.: Советское радио, 1969 - С.496.
3. Риггс В., Паркер М. Анализ поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии // Методы анализа поверхностей. Под ред. А.Зандерны. Перевод с английского под редакцией В.В.Кораблева и Н.Н.Петрова. М.: Мир, 1979. - гл. 4 - р.138-199.
4. Cobalt oxide surface chemistry: The interaction of CoO (100), Co3O4 (110) and Co3O4 (111) with oxygen and water / Petitto S.C., Marsn E.M., Carson J.A., Langell M.A. // Journal of Molecular Catalysis A6 Chemical. 2008. V. 281, p.49-58.
Способ формирования износостойкого покрытия из гидроксида кобальта на режущих пластинах из твердых сплавов или сталей, содержащих кобальт, заключающийся в том, что покрытие формируют путем нагрева упомянутых пластин в парах воды.
