ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОКСИДА КОБАЛЬТА В КАЧЕСТВЕ ИЗНОСОСТОЙКОГО ПОКРЫТИЯ Российский патент 2015 года по МПК C23C8/16 

Изобретение 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.

Известны применения гидроксида кобальта в гетерогенном катализе [1] и в качестве газоанализаторов [2]. Авторам неизвестно применение гидроксида кобальта в качестве износостойкого покрытия.

Предлагаемое изобретение направлено на новое, неизвестное ранее применение известного вещества - гидроксида кобальта в качестве износостойкого покрытия.

Сущность заявленного изобретения поясняется нижеследующим описанием.

Нашими опытами по нагреву режущих пластин из твердого сплава ВК6 в парах воды обнаружено, что после нагрева микротвердость нагретых пластин возрастает. Таблица 1 иллюстрирует только что сказанное.

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 $${\overline{H}}_v$$ , кГ/мм² 6 Отполирована по 11 классу шероховатости Не проводилась 2647±449 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. На них изображены спектры кобальта, вольфрама, кислорода и углерода. На спектрах синяя линия - это фон, смоделированный методом Shirley в программе Unifit. Черная линия - экспериментальная линия, зеленая линия - аппроксимирующая линия компонент пика, красная линия - сумма зеленых линий, результат аппроксимации экспериментальной линии. Кривая под графиком - разностная кривая, разность значений между экспериментальной и ее аппроксимирующей линиями (между черной и красной линиями). 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 отмечается 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 $${\overline{d}}_{eff}$$ $${\overline{H}}_v$$ , кГ/мм² Р6М5 Шлифованная по 8 классу шероховатости Исходное состояние 150 48,0±3,2 1332±178 Термообработка 150 49,0±4,6 1296±243 Р18 Шлифованная по 8 классу шероховатости Исходное состояние 150 49,0±3,5 1305±186 Термообработка 150 48,0±09 1319±49 Исходное состояние 100 36,0±1,4 1590±88 Термообработка 100 39,0±2,0 1332±137 Р6М5К5 Шлифованная по 8 классу шероховатости Исходное состояние 100 34,0±3,0 1836±324 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 позволяют 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_В, эВ Интенсивность Е_В, эВ Интенсивность Е_В, 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   H₂O   Co₃O₄ [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 и 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 $${\overline{H}}_v$$ после термообработки у образца №6 выше, чем до термообработки, эти изменения незначимы: с учетом погрешностей измерений эти два значения $${\overline{H}}_v$$ 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%.

Источники информации

1. Zecchina A., Scarana D., Bordiga S., Spoto J., Lamberty C. Surface structures of oxides an halides and their relationships to catalytic properties // Advancies in catalysis. 2001. - V.46, p.265-397.

2. Barsan N., Koziej D., Weimar U. Metal-oxide-based gas sensor research // Sensors in actuators 2007. В.121. P.18-35.

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 - c.138-199.

4. Cobalt oxide surface chemistry: The interaction of CoO (100), Co₃O₄ (110) and Co₃O₄ (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.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к модификации изделий из твердых сплавов, применяемой для холодной и горячей механической обработки металлов и сплавов, например обработки резанием. Предложено применение гидроксида кобальта в качестве износостойкого покрытия, сформированного на режущих пластинах из твердых сплавов или сталей, содержащих кобальт, путем нагрева пластин в парах воды. Обеспечивается повышение микротвердости режущих пластин. 5 табл., 3 ил.

Применение гидроксида кобальта в качестве износостойкого покрытия, сформированного на режущих пластинах из твердых сплавов или сталей, содержащих кобальт, путем нагрева пластин в парах воды.