Способ создания износостойкого приповерхностного слоя в кобальтсодержащем материале

Способ относится к формированию в изделии износостойкого приповерхностного слоя, содержащего соединения кобальта с водородом и кислородом в виде гидроксида кобальта Со(ОН)₂ и гетерогенитов 3R - Со⁺³[O(ОН)] и 2Н-СоО(ОН), и заключается в том, что изделие из кобальтсодержащего материала нагревают во влажном воздухе при температуре от 100°С до менее 200°С в течение от 0,5 до 2,0 час. Достигается существенное увеличение связи приповерхностного слоя с основой материала.

 

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 [Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976. - С. 499-507]. К недостаткам подобных покрытий, помимо дорогостоящей технологии, следует отнести недостаточно прочную адгезию покрытия с поверхностью изделия.

Известен способ создания ионно-плазменным методом износостойкого покрытия, состоящего из нитрида или карбонитрида титана-хрома и содержащего в качестве легирующего компонента цирконий [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»]. Недостатками указанного решения являются сложность изготовления покрытия и недостаточная степень адгезии покрытия к основе.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ упрочнения металлокерамического твердосплавного инструмента с цементирующей связкой из кобальта или никеля [Patent WO 2005/056854 A1, 23.06.2005, C1. C23C 29/08. Cemented Carbide Tools for Minning and Construction Applications and Method of making The Same Патентообладатель - фирма Sandvick AB (Швеция). Изобретатели (авторы): Tillman M., Norgren S., Collin M.], заключающийся в том, что в приповерхностном слое инструмента создают зерна сплава, обладающие меньшими размерами, чем зерна остального объема, и характеризующийся тем, что поверхностная часть с малым размером зерен обладает меньшей связующей фазой, чем внутренняя часть. Способ имеет недостаток, с очевидностью следующий из графика, представленного на фиг. 1: способ пригоден лишь для сплавов с высокой концентрацией кобальта.

Предлагаемое изобретение направлено на экспрессное формирование износостойкого приповерхностного слоя кратковременного действия и существенное увеличение его связи с основой материала.

Указанный результат достигается тем, что изделия из кобальтсодержащего материала нагревают во влажном воздухе до температур, необходимых для образования в его приповерхностном слое соединений кобальта с водородом и кислородом: гидроксида кобальта Со(ОН)₂ и гетерогенитов: 3R-Co⁺³[O(OH] и 2Н-СоО(ОН).

Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:

- нагрев;

- температура нагрева, необходимая для образования в приповерхностном слое материала соединений кобальта с водородом и кислородом;

- фазовый состав соединений: гидроксид кобальта Со(ОН)₂ и гетерогениты: 3R-Со⁺³[O(ОН)] и 2Н-СоО(ОН).

Нами экспериментально показано, что в результате нагрева кобальтсодержащего материала образуется износостойкий приповерхностный слой.

Нами также экспериментально показано, что нагрев необходимо вести до образования в приповерхностном слое материала соединений кобальта с -Со⁺³[O(ОН)], водородом и кислородом: гидроксида кобальта Со(ОН)₂ и гетерогенитов: Со⁺³[O(ОН)] и 2Н-СоО(ОН).

Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Нашими опытами показано, что термообработка изделий из кобальтсодержащих сплавов: режущих пластин из твердого сплава ВК6, ВК8, Т5К10, Т14К8, Т15К6, К20 и Т5, образцов кобальтсодержащей быстрорежущей стали Р6М5К5 и образцов кобальтсодержащего жаростойкого сплава ЭП741 увеличивает их микротвердость.

Исследование режущих пластин из твердого сплава ВК6 методом рентгеновской дифрактометрии (РД) [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; Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С. Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, Л.Н. Расторгуев. - М.: Металлургия, 1982-632 с.] проводилось на автоматизированном дифрактометре 8ADVANCE фирмы BRUKER. Применялось монохроматизированное излучение СиКа. При исследовании фазового состава использовались программа EVA и банк данных PDF-2 2006 г.

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: 3R-Co⁺³[O(OH)] и 2Н-СоО(ОН).

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 материалов.

Пример 1

Проведена термообработка во влажном воздухе при температуре 100°С в течение 30 минут режущей 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 во влажном воздухе при температуре 130°С в течение 60 минут образца кобальтсодержащей быстрорежущей стали Р6М5К5. В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1527±174 кГ/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 2353±317 кГ/мм².

Пример 3

Проведена термообработка во влажном воздухе при температуре 170°С в течение 170 минут образца кобальтсодержащего жаростойкого никелевого сплава ЭП741. В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 750±31 кГ/мм², после термообработки микротвердость возросла и составила 1017±30 кГ/мм².

Пример 4

Проведена термообработка во влажном воздухе при температуре 200°С в течение 120 минут образца кобальтсодержащей быстрорежущей стали Р6М5К5. В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1938±302 кГ/мм², после термообработки микротвердость уменьшилась и составила 1287±284 кГ/мм².

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

1. Осуществить нагрев кобальтсодержащего материала в интервале температур от 100 до менее 200°С.

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[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.

Наши многочисленные опыты 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 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.

Способ формирования в изделии из кобальтсодержащего материала износостойкого приповерхностного слоя, содержащего соединения кобальта с водородом и кислородом в виде гидроксида кобальта Со(ОН)₂ и гетерогенитов 3R - Со⁺³[O(ОН)] и 2Н-СоО(ОН), заключающийся в том, что изделие из кобальтсодержащего материала нагревают во влажном воздухе при температуре от 100°С до менее 200°С в течение от 0,5 до 2,0 час.