Повышение уровня качества покрытий нитрида титана на литых алюминиевых сплавах

УДК 620.19

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЙ НИТРИДА ТИТАНА НА ЛИТЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ

© О.И. Закопец

Ключевые слова: алюминиевые сплавы; ионно-плазменные покрытия; поверхность; термическая обработка. Предложены пути повышения качества ионно-плазменных покрытий на отливках из кремнийсодержащих алюминиевых сплавов.

Увеличение применения литейных алюминиевых сплавов в разных отраслях производства возможно за счет придания их поверхности специальных декоративных и защитных свойств. Важным фактором экономии материальных и трудовых резервов является напыление металлических материалов, позволяющее резко повысить срок службы изделий, а также увеличить их эксплуатационные характеристики, снизить стоимость ремонта и восстановления изношенных поверхностей.

В России широкое распространение получили покрытия из нитрида титана, которые удачно имитируют позолоту. Такие покрытия отличаются высокой износостойкостью и прочным сцеплением с материалом изделия.

В работе исследовалось качество покрытий из нитрида титана на отливках из сплавов АК12, АК5М2, АК9М2 и АМ6. Была выбрана следующая маршрутная технология: получение отливок литьем под давлением; галтовка отливок; предварительное и финишное полирование поверхности отливок.

После каждого этапа технологии измеряли шероховатость поверхности на профилометре модели 296. Шероховатость поверхности после галтовки отливок составила соответственно 0,75; 0,65; 0,7 и 0,6 мкм для указанных выше сплавов. У сплавов первых двух систем (Лі-Бі, Лі-Бі-Си) на поверхности наблюдались более темные, чем основная поверхность, зоны. Затем все отливки полировали до шероховатости Яа = 0,06 мкм.

Далее отливки подвергались ультразвуковой очистке в моющем водном растворе и в бензине с последующей сушкой и протиркой спиртом. После нагрева в сушильном шкафу до температуры 150-200 °С в течение 30 мин. отливки помещались в вакуумную камеру. Ионно-плазменные покрытия наносились на вакуумной установке ННВ-6.6 И1 по методу КИБ (конденсация ионной бомбардировкой). В качестве декоративного покрытия наносили нитрид титана (имитация золотого цвета). Толщина покрытия нитрида титана составила 1,5 мкм, пористость для указанных сплавов, соответственно, - 6, 4, 5 и 2 пор на мм2. Установлен одинаковый уровень адгезии покрытия на всех сплавах. На отливках из сплавов первых двух систем ^і^і и Al-Si-Cu) цвет ионно-плазменного покрытия оказался неоднородным: наблюдались темные матовые участки и четкие светлые участки.

Неоднородность состояния поверхности существенно ухудшает товарный вид изделия с ионноплазменным покрытием. На отливках из сплава АМ6 (система легирования Al-Cu) цвет покрытия был однородным по всей поверхности.

Повышенная пористость и явная неоднородность цвета ионно-плазменного покрытия, по нашему мнению, связаны с наличием на поверхности кремнийсодержащих сплавов зон эвтектики (а-фаза + кремний), и тем они значительнее, чем большее содержание кремния в сплаве. Можно предположить, что при прохождении стадий полирования и последующей ионной очистке поверхности отливок в вакуумной камере произошло разрушение и «растравливание» более хрупких зон эвтектики. В результате в этих зонах изменились электродный потенциал, шероховатость, поверхностные напряжения. Отмеченное создало неодинаковое состояние поверхности отливок при конденсации покрытия. В результате образовалась «пятнистость» поверхности с чередованием матовых (более темных) и светлых участков покрытия.

Качество ионно-плазменных покрытий на сплавах системы Al-Si и Al-Si-Cu может быть улучшено за счет измельчения и повышения равномерности кремнийсодержащей эвтектики, а также при увеличении твердости поверхности. С целью проверки этого исследовано влияние особенностей заполнения формы, скорости охлаждения при кристаллизации и после ее завершения, режимов термической обработки на структуру и свойства литых алюминиевых сплавов АК9, АК6М2, АК10М2Н.

Режимы кристаллизационного и послекристаллиза-ционного охлаждения в типовой технологии определяются следующими температурно-временными параметрами: заливка расплава с температурой 720-730 °С в металлическую форму (температура формы 250270 °С); кристаллизация в форме и охлаждение в ней до температуры 250-300 °С; извлечение отливки из формы и охлаждение в контейнерах в течение 2-4 ч до 50 °С или изолировано друг от друга на конвейере (охлаждение на воздухе). Скорость охлаждения отливок в процессе кристаллизации достигает значений 300800 °С/мин., а после ее завершения - от 1-5 до 1020 °С/мин.

Исследуемые варианты охлаждения отливок предусматривают следующие изменения: время выдержки в

1821

форме после заливки Тф устанавливается либо по действующей технологии, либо сокращается в два раза, а после извлечения из формы реализуется охлаждение отливок в воде. Для отливок из сплава АК6М2 длительность кристаллизации (т^) составляет 1,3 мин., Тф по технологии 3,8 мин.; для отливок из сплава АК9 -ткр= 1,6 мин., Тф = 2,8 мин.; из сплава АК10М2Н -Ткр=0,8 мин., Тф = 1,2 мин. Если Тф = 3,8 мин., то температура отливки перед извлечением составляет 250 °С, при Тф = 1,9 мин. - 500-520 °С.

Установлено, что к измельчению дендритной структуры приводит повышение температуры начала ускоренного охлаждения и увеличение скорости по-слекристаллизационного охлаждения. Так, размер дендритных ячеек для сплавов АК6М2, АК9 и АК10М2Н после типовой технологии равен соответственно 40-44, 31-35 и 32-35 мкм; при ускоренном извлечении из формы и форсированном охлаждении - 32-34, 24-26 и 25-27 мкм. Ускоренное охлаждение в воде обеспечивает более высокие механические свойства: для сплава АК6М2 при охлаждении в воде ав = 220-240 МПа, 5 = 1,4-2,0 %, а при охлаждении в контейнере ав = = 197 МПа, 5 = 0,8-1,1 %. Твердость в различных участках отливки составляет в случае охлаждения в контейнере от 710 до 740 МПа, при форсированном охлаждении от 740 до 800 МПа.

Эффект измельчения структуры и прироста свойств существенно зависит от температуры извлечения отливки из формы. Чем выше температура отливки перед началом охлаждения, тем дисперснее структура и выше свойства в литом состоянии.

В работах [1-3] показано, что отливки из сплавов систем Al-Si-Cu и Al-Si-Mg, форсированно охлажденные с высоких температур после кристаллизации, имеют не только наиболее высокие свойства после окончательной термообработки - закалки и старения, но и сам процесс распада пересыщенного твердого раствора протекает значительно быстрее. При вариантах обработки с сокращенным в два раза Тф и форсированным охлаждением в воде после извлечения из формы прирост твердости в процессе старения протекает интенсивно с первых минут, и через 60 мин. твердость достигает предельной величины. Отливки, полученные по типовому режиму, достигают наибольшую твердость лишь через 2 ч.

Кинетика процесса старения и изменения твердости алюминиевых сплавов определяются степенью нерав-новесности исходной закаленной структуры. Для установления влияния условий охлаждения при кристаллизации, температуры нагрева и выдержки при закалке на кинетику изменения твердости при искусственном старении реализован дополнительный эксперимент. Использованы образцы, вырезанные из форсированно охлажденных отливок и отливок, подвергнутых обычному охлаждению на воздухе. Нагрев сплава под закалку осуществлялся следующим образом: образцы (сплав АК6М2) загружались в печь с температурой 550 °С (температура закалки сплава - 515 °С) и по контактной термопаре проводился контроль температуры поверхности образца. После достижения поверхностью температуры 515 °С образцы выдерживались (Атз) в печи от 10 с до 10 мин., что позволяло получать различную степень насыщенности твердого раствора и концентрацию вакансий. При увеличении выдержки происходит рост обоих параметров структуры и увели-

чение степени неравновесности структуры сплава перед операцией старения. Твердость сплава определялась по методу Виккерса при нагрузке 50 Н. На каждую экспериментальную точку производилось пять замеров.

Твердость сплава в процессе старения меняется немонотонно. Наиболее это характерно для режима с малым Атз. При увеличении длительности старения при форсированном охлаждении установлено пять стадий снижения и увеличения твердости. Их наличие обусловлено протекающими процессами зонного распада, перехода от зонного к фазовому распаду, преобладания фазового распада, коагуляции. Получение высокой твердости сплава имеет место лишь при Атз не менее 1 мин.; лишь такая выдержка обеспечивает необходимую пересыщенность твердого раствора после закалки. Применение форсированного охлаждения отливок позволяет получить наиболее высокую твердость сплава, причем при сокращении длительности старения - по сравнению с режимом охлаждения на воздухе. Так, форсированное охлаждение обеспечивает твердость сплава 1210 МПа при тс = 2,7 ч, а обычное охлаждение на воздухе позволяет достигать твердости 1150 МПа при тс = 3 ч.

Состояние сплава с повышенными однородностью структуры и твердостью создает условия для эффективного равномерного шлифования и полирования поверхности отливки как подготовительных операций к нанесению ионно-плазменных покрытий.

ВЫВОДЫ

1. На литейных алюминиевых сплавах, содержащих кремний (АК12, АК5М2, АК9М2), после нанесения покрытия нитрид титана наблюдается неоднородная по цвету поверхность. Данный дефект связан с наличием на поверхности сплавов зон эвтектики.

2. Установлены варианты и параметры термической обработки сплавов, обеспечивающие наилучшие показатели качества покрытий. К измельчению структуры и повышению механических свойств приводит увеличение скорости охлаждения с температуры литья и сокращение длительности старения. Качество ионноплазменных покрытий улучшается за счет измельчения кремнийсодержащей эвтектики и увеличения твердости.

ЛИТЕРАТУРА

1. Муратов В.С., Дворова Н.В., Морозова Е.А. Условия кристаллизации и старение алюминиевых сплавов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 5. С. 43.

2. Муратов В.С., Дворова Н.В., Морозова Е.А. Формирование свойств алюминиевых сплавов при старении // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2011. № 5. С. 61.

3. Муратов В.С., Морозова Е.А., Закопец О.И. Структура и свойства форсированно охлажденного после кристаллизации литейного сплава Al-Si-Mg // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2012. № 4. С. 82.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Zakopets O.I. IMPROVEMENT QUALITY TITANIUM NITRIDE COATINGS ON CAST ALUMINUM ALLOYS

Ways to improve the quality of ion-plasma coatings on the casting containing silicium are proposed.

Key words: aluminum alloys; ion-plasma coatings; surface; heat treatment.

1822