Металлическая форма для литья в кокиль

Полезная модель относится к области машиностроения, к литейному производству, в частности к устройствам для литья в кокиль и может быть использована для повышения стойкости металлической формы для литья в кокиль алюминиевых сплавов.
Известен «Способ азотирования молибденовых вкладышей металлической формы» (патент РФ №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.
Недостатками указанной металлической формы являются повышенная хрупкость азотированного слоя, низкой сопротивляемости ударным и силовым нагрузкам, а также образование напряжений I и II рода, которые в свою очередь, преобразуются в трещины разгара, и как следствие, указанные недостатки приводят к появлению облоя, ухудшению шероховатости поверхностного слоя, как отливок, так и формообразующих поверхностей, все эти причины снижают надежность и долговечность используемой металлической формы, а также получаемых отливок.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Способ получения теплозащитного покрытия на металлической форме для отливки деталей из алюминиевых сплавов» (патент РФ №1678508, В22С 23/02, опубл. 1991.23.09). В предлагаемом способе формообразующая поверхность металлической формы для отливки деталей из алюминиевых сплавов имеет покрытие, состоящее из двух слоев, первый - металлический слой, расположенный на предварительно очищенной поверхности методом катодно-ионной бомбардировки и керамический слой нейтральны к металлу отливаемых деталей. К недостаткам описанной металлической формы можно отнести:
- повышенную трудоемкость и сложность, связанные с тем, что все слои разнородны по структуре;
- использование покрытия исключительно для алюминиевых сплавов;
- повышенная хрупкость поверхностного керамического слоя покрытия;
- малая адгезия с материалом металлической формы ввиду разнородности наносимых слоев покрытия.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение недостатков, присущих аналогам и прототипу, и является следствием такого поиска.
Решаемой задачей полезной модели является повышение надежности и долговечности металлической формы для литья в кокиль, за счет уменьшения коэффициента трения между формообразующей поверхностью и потоком расплавленного алюминия, путем использования покрытий на формообразующих поверхностях металлической формы для литья в кокиль.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности и долговечности металлической формы для литья в кокиль.
Технический результат достигается тем, что в металлической форме для литья в кокиль, выполненной формообрузующими ее поверхностями с многослойным покрытием, согласно которой, покрытие содержит три слоя: первый нижний слой выполнен толщиной 1 мкм твердостью 56-64 HRC из нитрида металлов титана и молибдена для адгезионной связи покрытия с металлической поверхностью металлической формы, второй промежуточный слой выполнен толщиной 2 мкм твердостью 64-72 HRC из карбонитрида титана для обеспечения высокой твердости всего покрытия, третий верхний слой выполнен толщиной 2 мкм твердостью 56-64 HRC из нитрида циркония, причем нанесение всех слоев осуществлено методом катодно-ионной бомбардировки.
Новизной полезной модели являются:
- конструкция (состав) покрытия для формообразующих поверхностей металлической формы для литья в кокиль.
- нанесения предложенных слоев покрытия на формообразующую поверхность металлической формы литья в кокиль выполняется методом катодно-ионной бомбардировки.
Техническая сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.:
1 - металлическая форма для литья в кокиль;
2 - первый нижний слой выполнен толщиной 1 мкм твердостью 56-64 HRC из нитрида металлов титана и молибдена;
3 - второй промежуточный слой выполнен толщиной 2 мкм твердостью 64-72 HRC из карбонитрида титана;
4 - третий верхний слой выполнен толщиной 2 мкм твердостью 56-64 HRC из нитрида циркония.
При литье в кокиль на формообразующие поверхности металлической формы 1 (фиг. 1) действуют циклически повторяющие силовые и температурные нагрузки, приводящие к скорому разрушению. В указанных условиях металлической формы с многослойным защитным покрытием, состоящее из следующих слоев: 2 - нитрид металлов титана и молибдена, 3 - карбонитрид титана и нитрид циркония, должно обладать рядом преимуществ, выделяющих его на фоне других возможных решений. 4 - нитрида циркония. Высокая износостойкость, твердость и высокая прочность сцепления должна соответствовать всем слоям покрытия, которые, в свою очередь должны выполнять определенные, соответствующие им свойства. Согласно теоретических рекомендаций [В.П. Табаков «Тонкопленочные многослойные покрытия побеждают трещины» 2007] положительные свойства слоев суммируются и образуют совокупность положительных свойств для всего покрытия, поэтому для процесса литья в кокиль должны быть обеспечены следующие условия: нижний слой должен обеспечивать максимальную прочность сцепления покрытия с материалом металлической формы, средний должен обладать максимальной микротвердостью, а верхний минимальным коэффициентом трения.
Физическая сущность процесса заключается в адгезионной связи двух разнородных тел, при этом процесс проходит за две стадии: на первой происходит сближение поверхностей, а затем образование химических связей на уровне атомов. Инертные в обычных условиях тела активируются каким-либо способом: термическим, механическим, радиационным, то есть подводом энергии. При этом разрушаются поверхностные пленки и электронные конфигурации. После чего происходит сближение двух фаз за счет сил Ван дер Вальса, это приводит к перекрытию электронных оболочек поверхностных атомов. Высвобождающиеся при этом атомы участвуют в образовании новых конфигураций с уже различными кристаллами. Так происходит взаимопроникновение различных материалов на атомарном уровне, что обеспечивает повышенный уровень адгезии.
-3
Процесс нанесения покрытия на формообразующую поверхность металлической формы проходит при следующих рабочих параметрах: давление в рабочей камере достигает 5-4⋅10 Па, температура разогрева деталей металлической формы 300-340°С, ток соленоида 4А, напряжение на аноде 1200-1300 В, ток анода 0,12-0,15А, очистка изделия включением испарителя 3 мин, опорное напряжение 100-150 В, расстояние от катода до покрываемого изделия 240-260 мм, время нанесения покрытия 20 мин.
Сравнение показателей стойкости различных покрытий осуществлялось при помощи многофакторного эксперимента процесса литья в кокиль детали из сплава АК-7. Суть процесса литья в кокиль заключается в том, что в металлическую форму, кокиль заливается расплавленный металл, с последующим охлаждением отливки.
Для эксперимента была изготовлена металлическая форма с несколькими формообразующими поверхностями с использованием различных покрытий, повышающих стойкость изделия, таких как: азотированный и цианированный слои, покрытие описываемое в прототипе и предлагаемое в данной полезной модели, которое состоит из следующих слоев: нижний слой толщиной 2 мкм твердостью 54-62 HRC из карбонитрида молибдена для адгезионной связи покрытия с металлической поверхностью металлической формы, промежуточный слой толщиной 3 мкм твердостью 62-70 HRC из нитрида титана для обеспечения высокой твердости всего покрытия, верхний слой толщиной 2 мкм твердостью 54-62 HRC из нитрида молибдена, причем нанесение всех слоев осуществляется методом катодно-ионной бомбардировки. При этом были получены следующие показатели стойкости: азотированная и цианированная металлическая форма показали примерно одинаковые значения, равные примерно 26000 циклам запрессовок, металлическая форма с покрытием, описанным в прототипе, показала значение стойкости в 35000 циклов, наибольший результат соответствовал металлической форме, с покрытием предлагаемом в данной полезной модели - 50000 циклов, что в 1,5 раза больше, чем у прототипа. Прочность сцепления покрытия с материалом металлической формы определялась при помощи механического адгезиметра NOVOTEST АЦ-1, согласно методике производственных испытаний на основе 5 измерений количественная величина составила 48 МПа, при этом образец с покрытием, указанным в прототипе, показал значение в 45 МПа. Измерение твердости покрытия осуществлялось с использованием алмазной пирамидки при помощи микротвердомера ПМТ-3. Измерение коэффициента трения на формообразующей поверхности металлической формы является 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 металлической формы после нанесения покрытия не изменилась и составила Ra=0,1 мкм, общий объем газовых пор в получаемых отливках не превышал 0,2% от общего объема, качество поверхности полученных отливок, удовлетворяло требованиям ГОСТ 26645-85, при этом параметры отливок полученных на металлической форме, изготовленной по способу, предложенному в прототипе, были хуже, так, шероховатость формообразующей поверхности составила Ra=0,2 мкм, общий объем газовых пор - 0,6%. 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, в том числе по сравнению с прототипом.
Преимущества предлагаемой полезной модели по сравнению с известными аналогами.
Предлагаемая полезная модель металлической формы с многослойным покрытием для литья в кокиль по сравнению с аналогами:
1. Повышает износостойкость формообразующих поверхностей металлической формы за счет:
1.1. Удаления грязи и остатков масел, уменьшающих адгезионную связь между покрытием и материалом металлической формы, путем бомбардировки ионами осаждаемого металла.
1.2. Использования многослойного покрытия, каждый слой которого выполняет определенную функцию.
2. Повышает качество получаемых отливок за счет уменьшения коэффициента трения между формообразующей поверхностью и потоком расплавленного металла.
3. Слои покрытия имеют строго определенную толщину по всей длине формообразующей поверхности.
4. Использование преимуществ дорогостоящих материалов таких как: титан, молибден, цирконий при их малой массовой доли от массы всей металлической формы.
5. Твердость слоев покрытия металлической формы различна, что обеспечивает дополнительную защиту от роста трещин.
6. Толщина наносимого покрытия составляет не более 8 мкм, что позволяет не вносить значительных поправок при проектировании металлической формы.
Высокая степень надежности, эффективность защитного материала, простота технологии очистки поверхностей и нанесения покрытия являются положительными сторонами данной полезной модели. Исходя из выше приведенного, можно сделать вывод о том, что предлагаемое техническое решение не могло для специалиста явным образом следовать из достигнутого уровня техники, а, следовательно, оно соответствует критерию изобретения "Изобретательский уровень". При рассмотрении соответствия заявляемого решения критерию изобретения "Промышленное применение" особых доказательств, очевидно, не требуется, так как решение проблемы повышения эксплуатационной стойкости металлической формы для литья в кокиль, т.е. надежности и долговечности, является актуальной для современного литейного производства.