Деформационно-термическая обработка как метод подготовки алюминиевых сплавов к нанесению ионно-плазменных покрытий

УДК 538.935

ДЕФОРМАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КАК МЕТОД ПОДГОТОВКИ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ К НАНЕСЕНИЮ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ

© Н.В. Трефилова

Ключевые слова: алюминиевые сплавы; ионно-плазменное покрытие; термическое упрочнение Исследованы различные варианты термического упрочнения деформируемых сплавов алюминия с целью получения высококачественных ионно-плазменных декоративных покрытий различной цветовой гаммы.

Среди методов нанесения защитных покрытий особое место занимают вакуумно-плазменные и плазмохимические методы, которые позволяют получать покрытия из самых разнообразных материалов, обладающих высокой адгезией к подложке, износостойкостью, твердостью, коррозионной стойкостью и другими свойствами. Одним из таких методов является метод вакуумно-дугового напыления, который получил широкое применение, главным образом, для увеличения износостойкости изделий, но так же с большим успехом может применяться и в качестве декоративного покрытия.

Среди существующих методов широко применяется метод формирования покрытий из потоков металлической плазмы вакуумной дуги. Наибольшее распространение получили вакуумно-дуговые покрытия на основе нитрида титана.

Главным недостатком вакуумно-дугового метода является наличие в плазме большого количества микрокапель испаряемого материала катода, существенно ухудшающих эксплуатационные свойства покрытий. Эта проблема решается путем использования разнообразных устройств для сепарации плазмы, что усложняет и удорожает вакуумно-дуговые установки.

Для деформируемых алюминиевых сплавов наиболее важными, с точки зрения получения качественных покрытий, являются вопросы структурной однородности поверхности и ее шероховатость. Первое обеспечивает однородность свойств покрытий по поверхности изделия, а минимальная шероховатость - адгезионную прочность, стойкость при окислении и абразивном износе. Вместе с тем при одинаковом значении шероховатости микрогеометрия поверхности после таких финишных операций, как шлифование и полирование, будет зависеть от ее твердости. Эти вопросы могут быть решены с помощью подбора режимов деформирования изделий, а также за счет их термического упрочнения.

Исследования проводились на пластинах толщиной 5 мм из сплава 1160, АМг8, АМг10

На первом этапе проводилась деформация. После нагрева до 500 °С и выдержки 30 мин. пластины локально деформировались коническим стальным инден-тором. При этом осуществлялись различные температурные режимы деформации, отличающиеся скоростью охлаждения сплава и наличием постуживания.

Глубина проникновения индентора составляла 5 мм при ширине зоны внедрения на поверхности пластины ~4-5 мм. Вокруг зоны внедрения формируется зона повышенной травимости, соответствующая области вдавленного металла. Глубина этой зоны может достигать 5-6 мм.

Микротвердость поверхности измеряли на приборе ПМТ-3. В данной работе использовалась нагрузка 100 г, цена деления барабана окуляр-микрометра составляет 0,31 мкм. Измерения твердости проводились в разных направлениях и расстояниях от зоны внедрения индентера. Было установлено, что наибольшая микротвердость имеет место при измерении под углом 45° от конуса внедрения и составляет 1100 МПа, что обеспечивает необходимую твердость для качественного нанесения ионно-плазменного покрытия.

Рис. 1. Дифрактограмма

Рентгеновские исследования проводились на рентгеновском аппарате ДРОН-2.0 в СиКа - излучении при ускоряющем напряжении иа = 20 кВ, силе тока 1а = = 20 мА, скорость вращения счетчика - 2 °/мин. На дифрактограммах (рис. 1) видны интерференционные пики, которые являются отражением рентгеновских лучей от определенных атомных плоскостей кристалла. Так как излучение было не отфильтровано, то на ди-фрактограмме фиксировались а- и Р-излучения рентгеновской трубки.

1819

На втором этапе исследовали различные варианты термической обработки деформируемого алюминиевого сплава 1160 системы А-Си-Мё. Сплавы этой системы характеризуются наличием вторичных фаз (СиА12) и (CuMgAl2), которые могут вызвать неоднородность структурного состояния поверхности. Нагрев до температуры закалки приводит к полному растворению этих фаз, и при последующем быстром охлаждении формируется однородный пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии.

Исследовались следующие варианты термической обработки сплава 1160: свежезакаленное состояние; закалка + старение; кратные закалки + старение. При этом исследованы варианты с естественным и искусственным старением. Оптимальный вариант и параметры термической обработки устанавливали из условия получения минимальной шероховатости и максимальной твердости поверхности.

В качестве оптимальных вариантов термической обработки установлены следующие: 4-кратная закалка при 490-500 °С + искусственное старение при 115 °С в течение 150 мин.; 3-кратная закалка + естественное старение в течение 4-х суток.

Рекомендуемые режимы термической обработки деформируемых алюминиевых сплавов системы А1-Си-Mg дают возможность получить качественные декоративные ионно-плазменные покрытия на изделиях из этих сплавов. Качество покрытий оценивали по толщине покрытия, его пористости, адгезии, однородности цветовой гаммы.

Рис 2. Модернизированная вакуумная установка ННВ-6.6 И1

Эти варианты обеспечивают одинаковые значения микротвердости (1100 МПа) и шероховатости ^а = = 0,08-0,1 мкм).

В качестве материалов износостойких покрытий были выбраны ионно-плазменные покрытия на основе нитрида титана, карбонитрида титана. Покрытия наносились методом конденсации вещества с ионной бомбардировкой (КИБ) на модернизированной вакуумной установке ННВ-6.6 И1 (рис. 2), при токе дуги испарения 75 А, токе катушек 0,4 А и напряжении 1000 В. Все наносимые покрытия по составу были близки к стехиометрическому.

Определение микротвердости ионно-плазменных покрытий осложняется влиянием на результаты измерения толщины самого покрытия. Измерения микротвердости производилось путем индентировании пирамидой Кнуппа (рис. 3). Было выявлено, что микротвердость с нанесением покрытия на образцах увеличивается в 1,5-2 раза.

Рис. 3. Измерение микротвердости по методу Кнуппа

На термически обработанные образцы наносили декоративное покрытие нитрида титана по одинаковым режимам. Оценивали такие показатели поверхности как: шероховатость и толщина покрытия, адгезионная прочность, однородность цвета. Наилучшие показатели оказались у изделий после термической обработки, по указанным выше режимам. На изделиях без термической обработки шероховатость поверхности с покрытием увеличилась на 0,1 мкм по сравнению с таковой без покрытия, а на покрытии наблюдалось большое количество микродуг (загрязнения проявили себя в процессе нанесения покрытия).

ЛИТЕРАТУРА

1. Муратов В.С. Направленное формирование структурного состояния литых заготовок из алюминиевых сплавов. Ч. 1. Влияние кристаллизационного охлаждения на структуру и свойства литых заготовок. Заготовительные производства в машиностроении. 2003.

№ 5.

2. Муратов В.С., Морозова ЕА. Формирование структуры и свойств цветных сплавов при термоупрочнении. М.: Машиностроение-1, 2006. 320 с.

3. Муратов В. С., Дворова Н.В. Неравновесность исходной структуры и стадийность старения алюминиевых сплавов // Инновационные материалы и технологии в машиностроительном производстве: материалы Всерос. науч.-практ. конф. 11-12 марта 2011 г. Орск: Изд-во ОГТИ, 2011. С. 79-80.

4. Брандои Д. Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. М.: Техносфера, 2004. 384 с.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Trefilova N.V. DEFORMATION-HEAT TREATMENT AS METHOD OF PREPARATION OF ALUMINUM ALLOYS TO SPRAY ION-PLASMA COATINGS

Different options of thermal hardening of deformable aluminum alloys to produce high ion plasma decorative coatings of various colors is investigated.

Key words: aluminum alloys; ion-plasma coating; thermal hardening.

1820