НЕПЕРЕТАЧИВАЕМЫЙ ШТАМП ИЗ КОБАЛЬТСОДЕРЖАЩЕГО ТВЕРДОГО СПЛАВА С ИЗНОСОСТОЙКИМ ПРИПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ
DISPOSABLE DIE MADE OF COBALT-BEARING HARD ALLOY WITH WEAR-RESISTANT SURFACE LAYER

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.
2
Указанный результат достигается тем, что приповерхностный слой штампа модифицирован гидроксидом кобальта Со(ОН) и гетерогенитами.
Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:
- модификация приповерхностного слоя твердого сплава;.
2
- модифицирующие вещества: гидроксид кобальта Со(ОН) и гетерогениты.
Нами экспериментально показано, что покрытие выполнено в виде модифицированного приповерхностного слоя кобальтсодержащего твердого сплава.
2
Нами экспериментально установлено, что модификация приповерхностного слоя твердого сплава осуществляется гидроксидом кобальта Со(ОН) 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».
2
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)[6], и показали, что образуются и другие соединения кобальта с водородом и кислородом - гетерогениты ([7-11]).
2
Гетерогениты обладают малой твердостью (микротвердость по Виккерсу изменяется от 420 до 560 кГ/мм [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
2
2
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/мм, после термообработки микротвердость возросла и составила 3371±472 кГ/мм.
Пример 2
2
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/мм, после термообработки микротвердость возросла и составила 3300±405 кГ/мм.
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.
+3
2
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[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).
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.
7
2. Табаков В.П., Циркин А.В., Чихранов А.В. Режущий инструмент с покрытием. Патент РФ RU 46261 U1, МПК 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.