МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ КОКИЛЬ ДЛЯ ЛИТЬЯ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ С МНОГОСЛОЙНЫМ ЗАЩИТНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к литейному производству и может быть применена для повышения эксплуатационных свойств металлического кокиля при литье магниевых сплавов.
Известен «Способ азотирования молибденовых вкладышей металлической формы» (авторское свидетельство СССР №1560617, С23С 8/24, опубл. 30.04.1990), в котором формообразующие детали металлической формы - молибденовые вкладыши обладают защитным азотированным слоем, полученном в среде диссоциированного аммиака при температуре 1100-1150°С с выдержкой 12-15 ч, после чего их отжигают в вакууме 10 -10 Па при 1100-1150°С в течение 7-10 ч. Данное техническое решение позволяет увеличить стойкость вкладышей пресс-форм в 3-5 раз в сравнении с неазотированными. К недостаткам азотирования формообразующей поверхности можно отнести повышенную хрупкость, а также склонность к образованию трещин разгара. В конечном счете, это влияет на образование облоя и ухудшению шероховатости отливок и формообразующей поверхности формы. Это снижает эксплуатационный ресурс металлической формы.
Известна «Пресс-форма для литья под давлением алюминиевых сплавов» (патент РФ №187255, B22D17/22, B22C 23/02, C23C 8/24 опубл. 2019.26.02). Устройство представляет собой пресс-форму для литья под давлением алюминиевых сплавов, выполненную из металла с многослойным покрытием на формообразующей поверхности, при этом покрытие содержит пять слоев: первый, нижний слой, из которых, выполнен из нитрида молибдена толщиной 1,5 мкм и твердостью 52-60 HRC, второй слой выполнен из молибдена толщиной 1 мкм, третий слой выполнен из карбонитрида титана и молибдена толщиной 2 мкм и твердостью 64-72 HRC, четвертый слой выполнен из молибдена толщиной 1 мкм, а пятый слой выполнен из нитрида молибдена и циркония толщиной 1,5 мкм и твердостью 52-60 HRC. Недостатками данной пресс-формы с покрытием являются слабая адгезионная связь между слоями покрытия, по причине относительно большой толщины и большого количества слоев, что приводит к возникновению трещин внутри покрытия и преждевременному разрушению пресс-формы, что уменьшает эксплуатационный ресурс.
В качестве прототипа взято техническое решение «Металлическая форма для литья в кокиль» (патент РФ № 197080, B22D 15/04,B22C 23/02 опубл. 2016.04.10). Устройство представляет собой металлическую форму для литья алюминиевых сплавов, содержащую формообразующие поверхности с покрытием, при этом покрытие имеет три слоя, причем первый, нижний слой, выполнен толщиной 1 мкм твердостью 56-64 HRC из нитридов титана и молибдена с обеспечением адгезионной связи покрытия с формообразующей поверхностью формы, второй, промежуточный слой, выполнен толщиной 2 мкм твердостью 64-72 HRC из карбонитрида титана, третий, верхний слой, выполнен толщиной 2 мкм твердостью 56-64 HRC из нитрида циркония, причем слои покрытия нанесены катодно-ионной бомбардировкой. Данное техническое решение предполагает нанесение на кокиль трех слоёв покрытия: первый - нитрид металлов титана и молибдена 2, второй - карбонитрид титана 3 и третий - нитрид циркония 4. Данная металлическая форма позволяет обеспечить повышение долговечности кокиля, за счет увеличения адгезии нижнего слоя покрытия с металлической поверхностью пресс-формы, а также между слоями покрытия.
Можно выделить следующие недостатки описанной формы, влияющие на эксплуатационный ресурс:
слишком высокие показатели микротвердости слоев, повышающие хрупкость и уменьшающие трещиностойкость;
наружный слой имеет относительно низкое сопротивление температурным воздействиям со стороны заливаемого расплава.
Предлагаемая полезная модель призвана устранить вышеперечисленные недостатки аналогов и прототипа.
Решаемой технической проблемой является создание металлического кокиля для литья магниевых сплавов с многослойным защитным покрытием, с улучшенными эксплуатационными свойствами.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение эксплуатационного ресурса металлического кокиля для литья магниевых сплавов.
Технический результат достигается тем, что предварительно очищенная методом катодно-ионной бомбардировки формообразующая поверхность металлического кокиля защищена покрытием из следующих слоев:
первый (нижний) слой толщиной 1,5 мкм и твердостью 51-56 HRC из нитрида титана для адгезионной связи покрытия с поверхностью металлического кокиля;
второй слой толщиной 2 мкм и твердостью 60-66 HRC из карбонитрида титана и молибдена, обеспечивающий твердость покрытию;
третий слой толщиной 1,0 мкм и твердостью 52-57 HRCиз нитрида молибдена для обеспечения низкого коэффициента трения.
Техническая сущность полезной модели заключается в том, что процесс литья в кокиль магниевых сплавов характеризуется воздействием циклических силовых и температурных нагрузок на формообразующие поверхности кокиля 1 (фиг.1). Наибольшее воздействие оказывает высокая температура плавления (до 800ºC), которая обуславливает необходимость создания покрытия с высокими показателями теплостойкости, кроме этого, магниевые сплавы обладают плохой жидкотекучестью (Липницкий, А.М. Технология цветного литья / А.М. Липницкий, И.В. Морозов, А.А. Яценко. – Л.: Машиностроение, 1986 – 224с.), поэтому требуется обеспечить минимально возможный коэффициент трения на поверхности кокиля. В таких условиях предлагаемая полезная модель должна превосходить аналогичные решения. Согласно теоретических рекомендаций (Гавариев Р.В. К вопросу определения свойств износостойких покрытий металлических форм // Р.В. Гавариев, И.А. Савин, Д.Л. Панкратов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева.- 2019. - Т. - 75. - № 3. - С. 81-84.) многослойные покрытия дают возможность повышения эксплуатационных свойств за счет использования слоев различных составов с переменной микротвердостью. Таким образом, каждый слой покрытия будет выполнять определенную функцию: первый слой 2 должен обеспечить максимальное сцепление покрытия с материалом кокиля за счет наличия в составе слоя элементов инструментальной основы, второй слой 3 обладает максимальной микротвердостью, третий слой 4 должен обладать высокой термодинамической устойчивостью и обеспечить минимальный коэффициент трения.
Физический смысл процесса заключается в химической адгезионной связи разнородных тел. Процесс можно разделить на два этапа: первый – сближение поверхностей, второй - образование химических связей. Для начала процесса необходимо активировать инертную в обычных условиях поверхность тел (термически, механически, радиационно), спровоцировав тем самым разрушение поверхностных пленок и электронных конфигураций. Затем происходит сближение двух фаз за счет сил Ван дер Вальса, в результате которого происходит перекрытие электронных оболочек и высвободившиеся атомы образуют новые химические связи (Верещака А.С. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями / А.С. Верещака, И.П. Третьяков. - М.: Машиностроение, 1986 - 192 с.).
Важным моментом с практической точки зрения является предварительная очистка формообразующей поверхности кокиля от различных окислов и загрязнений. Очистка осуществлялась путем предварительной механической очистки с последующей бомбардировкой поверхности ионами титана (основа нижнего слоя покрытия). Данные действия позволяют повысить адгезионную связь формообразующей поверхности кокиля и наносимого покрытия.
Пример 1.
Было проведено сравнение показателей стойкости различных покрытий при помощи производственного эксперимента процесса литья в кокиль отливок типа «Корпус» из сплава МЛ9. Для эксперимента была изготовлен металлический кокиль с несколькими формообразующими поверхностями, на каждую из которых было нанесено износостойкое покрытие: азотированный слой, покрытие, описываемое в прототипе и предлагаемое в данной полезной модели.
Рабочие параметры процесса нанесения покрытия:
-3
давление в рабочей камере 4,5·10Па;
температура разогрева деталей кокиля 300ºС;
ток соленоида 3,7А;
напряжение на аноде 1200В;
ток анода 0,12А.
В результате эксперимента были получены следующие показатели стойкости:
азотированный кокиль показал значения, равные примерно 10600 циклам;
кокиль с покрытием, описанным в прототипе, показал значение стойкости в 12000 циклов;
наибольший результат соответствовал кокилю с покрытием, предлагаемом в данной полезной модели, 13700 циклов, что в 1,14 раз больше, чем у прототипа.
Прочность сцепления покрытия с материалом кокиля определялась при помощи механического адгезиметра elcometer 510, при этом согласно методике производственных испытаний на основе 9 измерений количественная величина составила 48 МПа, при этом образец с покрытием, указанным в прототипе, показал значение в 50 МПа. Измерение твердости покрытия осуществлялось с использованием алмазной пирамидки при помощи микротвердомера ПМТ-3. Измерение коэффициента трения на формообразующей поверхности кокиля является весьма сложной задачей, как с практической, так и с теоретической точки зрения, поэтому оценку данного показателя производили на основе изучения косвенных признаков, таких как шероховатость формообразующей поверхности, качество поверхности получаемых отливок, наличие пористости в получаемых отливках. На основе измерений были получены следующие результаты: шероховатость формообразующей поверхности кокиля нанесения покрытия изменилась незначительно и составила Ra=0,4 мкм, общий объем газовых пор в получаемых отливках не превышал 1,0% от общего объема, качество поверхности полученных отливок, удовлетворяло требованиям ГОСТ 26645-85. Указанные значения косвенных параметров указывают на то, что в потоке расплавленного металла по формообразующей поверхности с многослойным защитным покрытием, предложенном в данной полезной модели не возникало дополнительных завихрений, вызванных поверхностным слоем, таким образом можно сказать, что предлагаемое покрытие обладает низким коэффициентом трения. Таким образом, за счет повышения физико-механических свойств поверхностного слоя формообразующих деталей обеспечивается повышение эксплуатационного ресурса кокиля.