СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОКРЫТИЯ
COATING CREATING METHOD

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.
2
Наиболее близким к заявляемому изобретению является формирование защитного покрытия двуокиси кремния SiO 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
<img file="00000001.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, кГ/мм<sup>2</sup>
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
<img file="00000002.tif" he="6" wi="8" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, кГ/мм<sup>2</sup>
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)
Е<sub>В</sub>, эВ
Интенсивность
Е<sub>В</sub>, эВ
Интенсивность
Е<sub>В</sub>, 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
H<sub>2</sub>O
Co<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
[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.
3
4
3
4
4. Cobalt oxide surface chemistry: The interaction of CoO (100), CoO (110) and CoO (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.