Способ формирования износостойкого приповерхностного слоя в кобальтсодержащем твердосплавном изделии в виде штампа

Изобретение относится к области металлургии и горного дела, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов, применяемых в горном деле, и для холодной и горячей механической обработки неметаллов, металлов и металлических сплавов, например, резанием. Способ формирования износостойкого приповерхностного слоя в кобальтсодержащем твердосплавном изделии в виде штампа включает образование гидроксида кобальта и гетерогенитов в приповерхностном слое штампа путем нагрева на воздухе при температуре не менее 100^оС в течение 30 минут. Обеспечивается получение износостойкого приповерхностного слоя. 2 пр.

 

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

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 потверхностью изделия.

Известен также способ создания ионно-плазменным методом износостойкого покрытия, состоящего из нитрида или карбонитрида титанохрома и содержащего в качестве легирующего компонента цирконий [2]. Недостатками способа [2] являются сложность изготовления покрытия и недостаточная степень адгезии покрытия к основе.

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 исследования методом РД проводились в НИТУ МИСиС, причем исследовались те же образцы, результаты измерения которых методом РФЭС использованы при составлении 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, и показали, что образуются и другие соединения кобальта с водородом и кислородом - гетерогениты [6-10].

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 ниже следующие сведения.

В процессе рентгеновских исследований были определены состав и структура гетерогенитов. Одна из модификаций гетерогенитов ромбическая - гетерогенит 3R. Он состоит из трех октаэдров, включающих атом кобальта, связанный водородными связями с шестью атомами кислорода. Химическая формула этого гетерогенита - Со⁺³[O(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.

Сущность заявленного изобретения поясняется ниже следующим описанием.

Нашими опытами показано, что термообработка режущих пластин из твердого сплава ВК6 увеличивает их микротвердость. К изделиям из кобальтсодержащих сплавов относятся, в частности, изделия из твердых сплавов ВК6, ВК8, Т5К10, Т14К8, Т15К6, К20 и Т5.

Соединения кобальта с водородом и кислородом обладают малой твердостью, поэтому их образование не может объяснить наблюдаемые на опыте высокие значения чисел микротвердости. Отсюда следует вывод, что эти соединения модифицируют свойства приповерхностных слоев кобальтсодержащих твердых сплавов.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в экспрессном формировании в изделии из кобальтсодержащего твердого сплава в виде штампа износостойкого приповерхностного слоя.

Поставленная задача решается тем, что изделие из кобальтсодержащего твердого сплава в виде штампа нагревают на воздухе при температуре менее 100^оС, в течение 30 минут, что необходимо для образования в приповерхностном слое изделий соединений кобальта с водородом и кислородом: гидроксида кобальта Со(ОН)₂ и гетерогенитов: 3R-Co⁺³[O(OH)] и 2Н-СоО(ОН).

Примеры реализации изобретения.

Пример 1

Термообработка на воздухе изделия в виде штампа из твердого сплава ВК6 (Фазовый состав в массовых процентах: WC-94, Со-6) проводилась при температуре 100^оС. Длительность термообработки равнялась 30 мин. В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1850±140 кГ/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3371±472 кГ/мм².

Пример 2

Проведена термообработка на воздухе изделия в виде штампа из твердого сплава Т15К6 (Фазовый состав в массовых процентах: WC-79, TiC-15, Со-6) проводилась при температуре 100^оС. Длительность термообработки равнялась 30 мин. В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1800±325 кГ/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 3300±405 кГ/мм².

Наши многочисленные опыты показали, что длительность существования подобных 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 и в полевых условиях, когда режущий и фрезерный инструмент неоднократно затачивается в процессе работы или сразу используется после обработки (например, буровой инструмент).

Использование на практике заявляемого изобретения сулит большие экономические выгоды: простота получения износостойкого приповерхностного слоя позволяет многократно создавать его на твердосплавном и быстрорежущем перетачиваемых инструментах и сформировать его непосредственно перед применением неперетачиваемого инструмента.

Источники, принятые во внимание при составлении описания

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».

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

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

7. Кондратов Ю.Д. и Федорова Н.Н. ДАН СССР, 1954, Т 94, №2, С. 229 - 231.

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

9. Geterogenite - 2H. Mineral Data. Данные получены при помощи поисковой системы Google в Интернете 04.01.2012.

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

Способ формирования износостойкого приповерхностного слоя в кобальтсодержащем твердосплавном изделии в виде штампа, заключающийся в том, что в приповерхностном слое штампа осуществляют образование гидроксида кобальта и гетерогенитов путем нагрева на воздухе при температуре не менее 100^оС в течение 30 минут.