ПРЕСС-ФОРМА ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ С МНОГОСЛОЙНЫМ ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к литейному производству и может быть применена для повышения стойкости пресс-форм для литья под давлением.
Известен «Способ азотирования молибденовых вкладышей пресс-форм» (патент РФ №1560617, C23C 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°C с выдержкой 12-15 ч, после чего их отжигают в вакууме 10-10 Па при 1100-1150 C в течение 7-10 ч.
Недостатками указанной пресс-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 пресс-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, B22C 23/02, опубл. 1991.23.09). В предлагаемом техническом решении формообразующая поверхность пресс-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 пресс-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 пресс-формы ввиду разнородности наносимых слоев покрытия, все это ведет к снижению надежности и долговечности (износостойкости) пресс-форм.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение недостатков, присущих аналогам и прототипу.
Решаемой задачей полезной модели является повышение надежности и долговечности пресс-формы для литья под давлением, за счет уменьшения коэффициента трения между формообразующей поверхностью и потоком расплавленного металла, путем использования покрытий на формообразующих поверхностях пресс-формы 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 пресс-форма для литья под давлением с многослойным покрытием, содержащая предварительно очищенную методом катодно-ионной бомбардировки металлическую формообразующую поверхностью с покрытием, на предварительно очищенной формообразующей поверхности металлической пресс-формы нанесено покрытие из следующих слоев - первый, нижний слой толщиной 2 мкм твердостью 54-62 HRC из карбонитрида молибдена для адгезионной связи покрытия с металлической поверхностью пресс-формы, второй, промежуточный слой толщиной 3 мкм твердостью 62-70 HRC из нитрида титана для обеспечения высокой твердости всего покрытия, третий, верхний слой толщиной 2 мкм твердостью 54-62 HRC из нитрида молибдена, причем нанесение всех слоев выполнено методом катодно-ионной бомбардировки.
Новизной полезной модели являются:
- конструкция (состав) покрытия для формообразующих поверхностей пресс-форм для литья под давлением.
- использование метода катодно-ионной бомбардировки для нанесения слоев покрытия на формообразующую поверхность пресс-форм литья под давлением.
- использование пресс-форм для литья не только алюминиевых, но и цинковых сплавов.
Для пояснения технической сущности полезной модели рассмотрим: фиг. 1 - показана пресс-форма с многослойным покрытием, где: 1 - поверхность пресс-формы; 2 - слой карбонитрида молибдена; 3 - слой нитрида титана; 4 - слой нитрида молибдена.
При литье под давлением на формообразующие поверхности пресс-форм 1 (фиг. 1) действуют значительные, циклически повторяющие силовые и температурные нагрузки, приводящие к скорому разрушению. В указанных условиях пресс-форма с многослойным защитным покрытием, состоящее из следующих слоев: карбонитрид молибдена 2, нитрид титана 3 и нитрид молибдена 4, должно обладать рядом преимуществ, выделяющих его на фоне других возможных решений. Высокая износостойкость и твердость, а также высокая прочность сцепления должна соответствовать всем слоям покрытия, помимо этого каждый слой должен выполнять определенные, соответствующие ему 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 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°C, ток соленоида 4 А, напряжение на аноде 1200 В, ток анода 0,15 А.
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 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 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, причем нанесение всех слоев осуществляется методом катодно-ионной бомбардировки. 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 200000 циклов, наибольший результат соответствовал пресс-форме, с покрытием предлагаемом в данной полезной модели - 250000 циклов, что в 1,25 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 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 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 0,2% от общего объема, качество поверхности полученных отливок, удовлетворяло требованиям ГОСТ 26645-85, при этом параметры отливок полученных на пресс-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 моделе 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 пресс-формы с многослойным покрытием для литья под давлением по сравнению с аналогами:
1. Повышает износостойкость (долговечность) формообразующих поверхностей пресс-форм за счет:
1.1. Удаления грязи и остатков масел, уменьшающих адгезионную связь между покрытием и материалом пресс-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, 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, долговечности пресс-формы путем эффективного многослойного (защитного) покрытия, контроля исполняемых этапов, простота технологии очистки поверхностей и нанесения покрытия. Решение проблемы повышения эксплуатационной стойкости пресс-форм для литья под давлением является актуальной для современного литейного производства.