Применение гидроксида кобальта в качестве износостойкого покрытия

Применение гидроксида кобальта в качестве износостойкого покрытия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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	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	d ¯ e f f	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)
ЕВ, эВ	Интенсивность	ЕВ, эВ	Интенсивность	ЕВ, 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 H ¯ v после термообработки у образца №6 выше, чем до термообработки, эти изменения незначимы: с учетом погрешностей измерений эти два значения 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.

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