ПРЕСС-ФОРМА ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ С МНОГОСЛОЙНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к литейному производству и может быть использована как метод повышения эксплуатационной стойкости пресс-форм для литья под давлением.
Известен «Способ азотирования молибденовых вкладышей пресс-форм» (патент РФ №1560617, С23С 8/24, опубл. 30.04.1990), в котором формообразующие детали пресс-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 пресс-формы являются повышенная хрупкость азотированного слоя, низкая сопротивляемость 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 пресс-формы, а также качество получаемых отливок.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Пресс-форма для литья под давлением с многослойным покрытием» (патент РФ №151832, B22D 17/22, В22С 3/00, 20.04.2015).
Пресс-форма для литья под давлением с многослойным покрытием, выбранная за прототип, обладает предварительно очищенной металлической формообразующей поверхностью и покрытием, выполненными на основе метода катодно-ионной бомбардировки, со следующими слоями: нижний слой толщиной 2 мкм твердостью 54-62 HRC из карбонитрида молибдена для адгезионной связи покрытия с металлической поверхностью пресс-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
К недостаткам описанной пресс-формы можно отнести:
- низкая адгезия между слоями покрытия;
- наличие остаточных сжимающих напряжений, приводящих к снижению трещиностойкости.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение недостатков, присущих аналогам и прототипу.
Решаемой задачей полезной модели является повышение надежности и долговечности пресс-форм для литья под давлением, за счет увеличения адгезии нижнего слоя покрытия с металлической поверхностью пресс-формы, а также между слоями покрытия, путем использования нового состава покрытия на формообразующих поверхностях пресс-форм для литья под давлением.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности и долговечности пресс-форм для литья под давлением.
Технический результат достигается тем, что в пресс-форме для литья под давлением с многослойным покрытием, содержащей предварительно очищенную металлическую формообразующую поверхность, покрытую нижним, промежуточным и верхним слоями, с определенными значениями твердости и толщины, выполненные нанесением на основе метода катодно-ионной бомбардировки, согласно изобретению, нижний слой покрытия выполнен толщиной 3 мкм твердостью 52-58 HRC из карбонитрида титана для адгезионной связи покрытия с металлической поверхностью пресс-формы, промежуточный слой выполнен толщиной 2 мкм твердостью 64-70 HRC из нитрида титана и циркония для обеспечения высокой твердости всего покрытия и верхний слой выполнен толщиной 3 мкм твердостью 57-65 HRC из нитрида титана.
Новизной полезной модели являются:
- конструкция (состав) покрытия для формообразующих поверхностей пресс-форм для литья под давлением.
Для пояснения технической сущности рассмотрим фиг. 1, на которой изображен общий вид пресс-формы для литья под давлением с многослойным покрытием, где:
1 - формообразующая поверхность пресс-формы; 2 - нижний слой покрытия; 3 - промежуточный слой; 4 - верхний слой.
При литье под давлением на формообразующие поверхности пресс-форм 1 (фиг. 1) действуют значительные, циклически повторяющие силовые и температурные нагрузки, приводящие к отслоению защитных покрытий, и как следствие, к скорому разрушению. В указанных условиях модифицированная пресс-форма с многослойным защитным покрытием, состоящее из следующих слоев: нижний слой 2 толщиной 3 мкм твердостью 52-58 HRC из карбонитрида титана, промежуточный слой 3 толщиной 2 мкм твердостью 64-70 HRC из нитрида титана и циркония, верхний слой 4 толщиной 3 мкм твердостью 57-65 HRC из нитрида титана обладает рядом преимуществ, превосходящих другие возможные решения. Высокая износостойкость и твердость, а также высокая прочность сцепления должна соответствовать всем слоям покрытия, помимо этого, каждый слой должен выполнять определенные, соответствующие ему функции. 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 под давлением должны быть обеспечены следующие условия: нижний слой должен обеспечивать максимальную прочность сцепления покрытия с материалом пресс-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 пресс-формы проходит при следующих рабочих параметрах: давление в рабочей камере достигает 5*10 Па, температура разогрева деталей пресс-форм - 340°С, ток соленоида 4А, напряжение на аноде 1200В, ток анода 0,15А.
Сравнение показателей стойкости различных покрытий осуществлялось при помощи многофакторного эксперимента процесса литья под давлением детали из сплава ЦАМ 4-1.
Суть процесса литья под давлением заключается в том, что в пресс-форме имеется формообразующая поверхность, в которую под давлением подается расплавленный металл, застывая, наружная поверхность получаемой отливки принимает форму, соответствующей формообразующей поверхности. Для эксперимента была изготовлена пресс-форма с
несколькими формообразующими поверхностями с использованием различных покрытий, повышающих стойкость изделия, таких как: азотированный и планированный слои, покрытие описываемое в прототипе и предлагаемое в данной полезной модели, нанесенное методом катодно-ионной бомбардировки, которое состоит из следующих слоев: нижний слой толщиной 3 мкм твердостью 52-58 HRC из карбонитрида титана, промежуточный слой толщиной 2 мкм твердостью 64-70 HRC из нитрида титана и циркония, верхний слой толщиной 3 мкм твердостью 57-65 HRC из нитрида титана. При этом были получены следующие показатели стойкости: азотированная и цианированная пресс-формы показали примерно одинаковые значения равные примерно 160000 циклам запрессовок, пресс-форма с покрытием, описанным в прототипе показала значение стойкости в 260000 циклов, наибольший результат соответствовал пресс-форме, с покрытием предлагаемом в данной полезной модели - 280000 циклов, что значительно больше, чем у прототипа. Прочность сцепления покрытия с материалом пресс-формы определялась при помощи механического адгезиметра elcometer 506, при этом, согласно методике производственных испытаний на основе 5 измерений количественная величина составила 53 МПа, при этом образец с покрытием указанным в прототипе показал значение в 48 МПа. Измерение твердости покрытия осуществлялось с использованием алмазной пирамидки при помощи микротвердомера ПМТ-3. Измерение коэффициента трения на формообразующей поверхности пресс-формы 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 пресс-формы после нанесения покрытия не изменилась и составила Ra=0,1 мкм, общий объем газовых пор в получаемых отливках не превышал 0,15% от общего объема, качество поверхности полученных отливок, удовлетворяло требованиям ГОСТ 26645-85, при этом параметры отливок полученных на пресс-форме изготовленной по предложенному в прототипе были хуже, так, шероховатость формообразующей поверхности составила Ra=0,1 мкм, общий объем газовых пор - 0,2%. 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, все эти параметры доказывают, что в предложенной полезной модели надежность и долговечность пресс-формы выше, чем у прототипа и известных аналогов.
Преимущества предлагаемой полезной модели по сравнению с известными аналогами.
Предлагаемая полезная модель пресс-формы с многослойным покрытием для литья под давлением по сравнению с аналогами:
1. Повышает износостойкость формообразующих поверхностей пресс-форм за счет:
- Использования улучшенного 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 мизерной массовой доли от массы всей пресс-формы.
5. Твердость слоев покрытия пресс-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 пресс-формы.
Положительными сторонами полезной модели являются высокая степень надежности и долговечности пресс-формы за счет эффективности защитного материала, повышающего адгезионные свойства слоев, контроля исполняемых этапов, простоты технологии очистки поверхностей и нанесения износостойкого покрытия.