Пресс-форма для литья под давлением алюминиевых сплавов

Полезная модель относится к литейному производству, в частности к устройствам пресс-форм для литья под давлением алюминиевых сплавов и может быть применена для повышения эксплуатационных свойств пресс-форм для литья под давлением алюминиевых сплавов за счет повышения стойкости к ударным нагрузкам.
Известен «Способ получения теплозащитного покрытия на металлической форме для отливки деталей из алюминиевых сплавов» (патент РФ №1678508, В22С 23/02, опубл. 1991.23.09). Данный способ реализован пресс-формой, формообразующая поверхность которой 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.
Недостатками приведенного технического решения являются низкая сопротивляемость получаемого покрытия ударным нагрузкам, возникающим при литье алюминия под давлением, а также высокая склонность к образованию трещин разгара. Перечисленные недостатки приводят к появлению облоя, снижению качества поверхности готовых изделий, скалыванию многослойного покрытия.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели и взятым в качестве прототипа является «Пресс-форма для литья под давлением с многослойным покрытием» (патент РФ №161036, B22D 17/22, опубл. 2016.04.10). Данное техническое решение предполагает нанесение трех слоев покрытия: первый - карбонитрид молибдена 2, второй - нитрид титана 3 и третий - нитрид молибдена 4.
Недостатками данной полезной модели пресс-формы являются:
- большая объемная доля среднего слоя, что приводит к повышенной хрупкости покрытия;
- низкое сопротивление, возникающее к ударным нагрузкам при литье под давлением.
Предлагаемая полезная модель призвана устранить вышеперечисленные недостатки.
Решаемой задачей полезной модели является - повышение таких эксплуатационных качеств, как долговечность и надежность пресс-формы для литья под давлением за счет уменьшения коэффициента отслоения путем нанесения многослойного покрытия на формообразующие поверхности пресс-форм для литья под давлением.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение надежности и долговечности за счет повышения эксплуатационной стойкости пресс-форм для литья под давлением алюминиевых сплавов к ударным нагрузкам.
Технический результат достигается тем, что в Пресс-форме для литья под давлением алюминиевых сплавов, выполненной из металла с многослойным покрытием на формообразующей поверхности, согласно которой, 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.
Новизной полезной модели являются:
- конструкция (состав и структура) покрытия для формообразующих поверхностей пресс-форм для литья под давлением.
- повышенная стойкость к ударным нагрузкам, возникающим при литье алюминия под давлением.
Для пояснения технической сущности рассмотрим изображение «Пресс-формы для литья под давлением алюминиевых сплавов на фиг., где:
1 - поверхность пресс-формы;
2 - первый слой нитрид молибдена;
3 - второй слой молибдена;
4 - третий слой карбонитрид титана и молибдена;
5 - четвертый слой молибдена;
6 - пятый слой нитрид молибдена и циркония
Процесс литья под давлением алюминиевых сплавов характеризуется воздействием циклических силовых и температурных нагрузок на формообразующие поверхности пресс-формы 1 (фиг.). В таких условиях предлагаемая полезная модель должна превосходить аналогичные решения. Согласно теоретических рекомендаций [В.П. Табаков «Тонкопленочные многослойные покрытия побеждают трещины» 2007] положительные свойства слоев суммируются и образуют совокупность положительных свойств для всего покрытия. Таким образом, каждый слой покрытия будет выполнять определенную функцию: первый слой выполнен толщиной 1,5 мкм и твердостью 52-60 HRC из нитрида молибдена должен обеспечить максимальное сцепление покрытия с материалом пресс-формы за счет наличия в составе слоя элементов инструментальной основы, второй слой выполнен толщиной 1 мкм из молибдена служит для увеличения трещиностойкости за счет заполнения межзеренных пространств и микротрещин и выполняет демпфирующие свойства, третий слой выполнен толщиной 2 мкм и твердостью 64-72 HRC из карбонитрида титана и молибдена, обладает максимальной микротвердостью, четвертый слой выполнен толщиной 1 мкм из молибдена аналогичен по функциям второму, пятый слой нитрида молибдена и циркония 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.
Рабочие параметры процесса нанесения покрытия:
-3
- давление в рабочей камере - 5*10 Па;
- температура разогрева деталей пресс-форм - 340°С;
- ток соленоида 4А;
- напряжение на аноде 1200 В;
- ток анода 0,15А.
Было проведено сравнение показателей стойкости различных покрытий при помощи многофакторного эксперимента процесса литья под давлением детали из сплава АЛ32. Для эксперимента была изготовлена пресс форма с несколькими формообразующими поверхностями, на каждую из которых было нанесено износостойкое покрытие: азотированный слой, покрытие описываемое в прототипе и предлагаемое в данной полезной модели. В результате эксперимента были получены следующие показатели стойкости:
- азотированная пресс-форма показала значения, равные примерно 106000 циклам запрессовок;
- пресс-форма с покрытием, описанным в прототипе показала значение стойкости в 160000 циклов;
- наибольший результат соответствовал пресс-форме, с покрытием предлагаемом в данной полезной модели - 172000 циклов, что в 1,08 раз 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 49 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 для литья под давлением алюминиевых сплавов 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. 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.
Преимущества предлагаемой полезной модели по сравнению с известными аналогами.
Предлагаемая полезная модель пресс-формы для литья под давлением алюминиевых сплавов по сравнению с аналогами:
1. Повышает долговечность и надежность пресс-форм с многослойным покрытием путем повышения износостойкости формообразующих поверхностей пресс-форм за счет:
1.1. Удаления грязи и остатков масел, уменьшающих адгезионную связь между покрытием и материалом пресс-фор*мы, путем катодно-ионной бомбардировки ионами осаждаемого металла.
1.2. Использования прослоек из чистого металла, заполняющего межзеренные пространства и микротрещины и выполняющего демпфирующие свойства.
2. Повышения качества получаемых отливок путем уменьшения коэффициента трения между формообразующей поверхностью и потоком расплавленного металла.
3. Толщины наносимого покрытия составляет не более 8 мкм, что не сильно сказывается на процессе проектирования пресс-формы.
Положительными сторонами полезной модели являются высокая степень надежности, эффективности защитного материала, контроля исполняемых этапов, простота технологии очистки поверхностей и многослойного нанесения покрытия.