СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПОКРЫТИЯ Российский патент 2015 года по МПК C23C8/16 

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.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является формирование защитного покрытия двуокиси кремния SiO₂ 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 , кГ/мм² 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 , кГ/мм²   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_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 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.

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 способам модификации изделий из твердых сплавов или сталей, применяемых для холодной и горячей механической обработки металлов и сплавов, например обработки резанием. Предложен способ формирования износостойкого покрытия из гидроксида кобальта на режущих пластинах из твердых сплавов или сталей, содержащих кобальт, в котором покрытие формируют путем нагрева упомянутых пластин в парах воды. Обеспечивается повышение микротвердости режущего инструмента. 3 ил., 5 табл.

Способ формирования износостойкого покрытия из гидроксида кобальта на режущих пластинах из твердых сплавов или сталей, содержащих кобальт, заключающийся в том, что покрытие формируют путем нагрева упомянутых пластин в парах воды.