ТВЕРДОСПЛАВНАЯ КОБАЛЬТСОДЕРЖАЩАЯ ПЛАСТИНА СЪЕМНОЙ НАКЛАДКИ ДЛЯ АРМИРОВАНИЯ ШНЕКОВ ЦЕНТРИФУГ
HARD ALLOY COBALT-CONTAINING REMOVABLE COVER PLATE FOR CENTRIFUGE SCREW REINFORCEMENT

Изобретение относится к области горного дела, металлургии, преимущественно к способам модификации изделий из твердых сплавов, применяемых для холодной и горячей механической обработки неметаллов, металлов и металлических сплавов, например шнеков армированных твердосплавными пластинами центрифугальных машин, применяемых в угольной промышленности для обогащения и обезвоживания угля.
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 твердосплавная кобальтсодержащая пластина съемной накладки для армирования шнеков центрифуг с износостойким покрытием [2]. Недостатками прототипа являются сложность изготовления покрытия и недостаточная степень адгезии покрытия к основе.
Предлагаемое изобретение направлено на существенное увеличение износостойкости твердосплавной пластины съемной накладки для армирования шнеков центрифуг.
2
Указанный результат достигается тем, что твердосплавная кобальтсодержащая пластина съемной накладки снабжена износостойким приповерхностным слоем, содержащим соединения кобальта с водородом и кислородом: гидроксид кобальта Со(ОН) и гетерогениты.
Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:
- износостойкий приповерхностный слой твердосплавной кобальтсодержащей пластины;
2
- фазовый состав приповерхностного слоя пластины: гидроксид кобальта Со(ОН) и гетерогениты.
Авторами экспериментально показано, что пластина съемной накладки обладает износостойким приповерхностным слоем.
2
Авторами экспериментально установлено, что модификация приповерхностного слоя пластины съемной накладки осуществляется соединениями кобальта с водородом и кислородом: гидроксидом кобальта Со(ОН) и гетерогенитами.
Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.
Опытами авторов показано, что термообработка изделий из кобальтосодержащих сплавов: пластин из твердых сплавов ВК6, ВК8, Т5К10, Т14К8, Т15К6, К20 и Т5 увеличивает их микротвердость.
-
Исследование 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.
По этому 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». При этом никаких новых операций термообработки этих образцов не производилось.
2
Исследования методом РД подтвердили, что в результате термообработки в приповерхностном слое твердого сплава образуются соединения кобальта с водородом и кислородом: гидроксид кобальта Со(ОН) и гетерогениты. Эти соединения обладают малой твердостью, поэтому их образование не может объяснить наблюдаемые на опыте высокие значения чисел микротвердости. Отсюда следует вывод, что они модифицируют свойства приповерхностных слоев кобальтсодержащих материалов.
Пример 1
2
2
Проведена термообработка пластины твердого сплава ВК6 (Фазовый состав в массовых процентах: WC-94, Со-6). В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1850±140 кГ/мм, после термообработки микротвердость возросла и составила 3371±472 кГ/мм.
Пример 2
2
2
Проведена термообработка пластины из кобальтсодержащего твердого сплава Т15К6 (фазовый состав в массовых процентах:WC-79, TiC-15, Со-6). В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1800±325 кГ/мм, после термообработки микротвердость возросла и составила 3300±405 кГ/мм.
Пример 3
2
2
Проведена термообработка пластины из кобальтсодержащего твердого сплава Т5 (элементный состав в массовых процентах: W-78,5, С-6,5, Та-5,0, Ti-4,0, Со-6,0: фазовый состав в объемных процентах: WC-70, (Ti, Та, W)C-8, (Ti, W)C-7, Со-15). В исходном состоянии микротвердость образца равнялась 1873±352 кГ/мм, после термообработки микротвердость возросла и составила 3217±675 кГ/мм.
Для получения технического результата, изложенного в формуле изобретения, необходимо произвести следующие действия.
1. Осуществить нагрев пластины в интервале температур от 100 до 200°С.
2. Длительность нагрева пластины можно варьировать в пределах от 0,5 часа до 2,0 часов.
3. В качестве окружающей среды должен использоваться воздух.
В результате диффузии паров 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. Химическая формула этого гетерогенита - Со[O(ОН)], т.е. кобальт в нем шестивалентен. 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).
Многочисленные опыты авторов 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, съемные накладки с износостойкой твердосплавной кобальтсодержащей пластиной можно сразу использовать после обработки и многократно создавать износостойкий материал по мере необходимости.
Использование на практике заявляемого изобретения сулит большие экономические выгоды: простота получения износостойких слоев на твердосплавных кобальтсодержащих пластинах съемных накладок для шнеков центрифуг позволяет многократно создавать их по мере необходимости.
Источники информации
1. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976. - С.499-507.
2. Pat. USA CENTRIFUGA APPARATUS, 3764062 A, B04b 1/00, 09.10.1973. Inventor F.C. Brantigam (прототип).
3. Риггс В., Паркер Μ. 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. - Р. 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.