Способ получения защитного покрытия в вакууме на формообразующей поверхности металлической пресс-формы для литья магниевых сплавов
METHOD FOR PRODUCING A PROTECTIVE COATING IN VACUUM ON THE FORMING SURFACE OF A METAL MOLD FOR CASTING MAGNESIUM ALLOYS.

Изобретение относится к литейному производству и может быть применено для повышения стойкости металлической пресс-формы для литья магниевых сплавов.
Известно «Износостойкое покрытие и способ его получения» (патент РФ №2136777, С23С 4/06, опубл. 10.09.1999). В предлагаемом способе для получения покрытия готовят исходную порошковую шихту, состоящую из самофлюсующегося сплава системы Ni(Co) - Cr - Si - В, дисперсность частиц которого составляет 40 - 100 мкм, и упрочняющей добавки на основе двойного борида металла с дисперсностью частиц 40 - 90 мкм. При этом содержание частиц размером менее 50 мкм составляет 22 - 36% от общего количества частиц упрочняющей добавки, а содержание частиц размером более 50 мкм составляет 64 - 78% от общего количества частиц упрочняющей добавки. Может быть использован порошок самофлюсующегося сплава следующего состава: ПГ - СР2, ПГ - СРЗ, ПГ - СР5, стеллит.Смесь тщательно перемешивают и затем подают под срез газовоздушного плазмотрона для напыления на стальные образцы (Ст.3), предварительно подвергнутые дробеструйной обработке и обезжириванию. Напыление проводят при мощности плазмотрона 40 - 60 кВА. После нанесения покрытия его подвергают оплавлению при температуре 1030-1060°C газокислородным пламенем. Износостойкость покрытия определяют по стандартной методике (ГОСТ 17367-71) на машине Х4 - Б.
К недостаткам данного способа можно отнести:
- сложность процесса нанесения покрытий;
- использование во всех слоях в различных соотношениях одних и тех же материалов не исключает вероятности возникновения и распространения трещин в покрытии из-за наличия границ между слоями;
- покрытие не достигает максимальной твердости, определенной структурой кристаллов нитрида.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является «Металлический кокиль для литья магниевых сплавов с многослойным покрытием» (патент РФ №205710, B22D 15/04, D22C 23/02, опубл. 29.07.2021). Устройство представляет собой металлическую форму для литья магниевых сплавов, содержащую формообразующие поверхности с покрытием, при этом покрытие имеет три слоя, первый, нижний слой, выполнен толщиной 1,5 мкм и твердостью 51-56 HRC из нитрида титана для адгезионной связи покрытия с поверхностью металлического кокиля, второй, промежуточный слой, толщиной 2 мкм и твердостью 60-66 HRC из карбонитрида титана и молибдена, обеспечивающий твердость покрытию, третий, верхний слой, толщиной 1,0 мкм и твердостью 52-57 HRC из нитрида молибдена для обеспечения низкого коэффициента трения, причем слои покрытия нанесены катодно-ионной бомбардировкой.
Можно выделить следующие недостатки описанной формы, влияющие на эксплуатационный ресурс:
- понижение температуры конденсации нижнего и первого слоя покрытия приводит к нарушению процесса его структурообразования и формированию неравновесных структур с низкими эксплуатационными свойствами;
- уменьшение температурных параметров осаждения приводит к неконтролируемому изменению элементного и фазового состава и, как следствие, требуемых свойств покрытия, что недопустимо в условиях воздействия значительных эксплуатационных нагрузок и воздействия агрессивной среды;
- промежуточные металлические слои TiCN незначительно снижают физико-механические, трибологические и коррозионные свойства покрытия в целом.
Предлагаемое изобретение направлено на устранение недостатков, присущих аналогам и прототипу.
Решаемой технической проблемой является создание металлической пресс-формы для литья магниевых сплавов с многослойным защитным покрытием, с улучшенными эксплуатационными свойствами.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эксплуатационного ресурса пресс-формы для литья под давлением магниевых сплавов.
Технический результат достигается тем, что на предварительно очищенную формообразующую поверхность металлической пресс-формы методом котодно-ионной бомбардировки наносят слой толщиной 2 мкм твердостью 55-58 HRC из нитрида титана для адгезионной связи покрытия с поверхностью металлической пресс-формы, затем поверх нижнего слоя наносят промежуточный слой толщиной 1,5 мкм твердостью 63-65 HRC из карбонитрида металлов титана и молибдена для обеспечения высокой твердости всего покрытия, далее наносят верхний слой толщиной 2,5 мкм твердостью 57-61 HRC из нитрида молибдена при чем, нанесение всех слоев осуществляется методом катодно-ионной бомбардировки в вакуумной камере, при этом покрываемую формообразующую поверхность кокиля располагают на вращающейся основе, рядом с которой в одно горизонтальной плоскости напротив друг друга установлены катоды, испарение которых осуществляют с помощью электрической дуги в испарителе с одновременным действием ионного излучателя в среде реакционного газа.
Новизной данного изобретения являются:
- использование метода катодно-ионной бомбардировки для нанесения всех слоев покрытия на формообразующую поверхность пресс-формы для литья магниевых сплавов;
- повышенная стойкость пресс-формы к ударным нагрузкам, возникающим при литье магниевых сплавов под давлением;
- состав покрытия для формообразующих поверхностей пресс-формы для литья магниевых сплавов.
ТР
ТР
При литье в пресс-форму формообразующие поверхности металлической пресс-формы 1 (фиг. 1) испытывают значительные воздействия со стороны заливаемого расплава, приходящие к дефектам различного рода на поверхности и в теле пресс-формы. Среди них, наиболее распространенными являются трещины разгара, возникающие в результате действия термических напряжений. Поэтому при литье магниевых сплавов, таких как МЛ1, МА15, ВМЛ1-ВМЛ-2 (сплав цинка, алюминия и магния), вопрос повышения теплостойкости пресс-формы является актуальным. В указанных условиях многослойное защитное покрытие, состоящее из следующих слоев: нитрид титана 2, карбонитрид металлов титана и молибдена 3 и нитрид молибдена 4, должно обладать рядом преимуществ, выделяющих его на фоне других возможных решений. Данное покрытие обладает повышенной износостойкостью и прочностью, как и существующие аналоги. Стоит отметить, что 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 [Гавариев, Р.В. К вопросу литья сплавов цветных металлов в металлические формы // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2018. - Т. 74. - №2. - С. 56-60] положительные свойства слоев суммируются и образуют совокупность положительных свойств для всего покрытия, поэтому для процесса литья в пресс-форму 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. При этом, за счет подбора оптимального состава, а также величины твердости и толщины каждого слоя возможно обеспечение высоких показателей по уровню теплостойкости [Гавариев, Р.В. К вопросу проектирования кокилей / Р.В. Гавариев, Д.Л. Панкратов Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. - 2020. - Т. 76. - №2. - С. 63-67]. Каждый слой покрытия обладает своим, отличным от других, коэффициентом температурного расширения (К). Поэтому, при воздействии тепловых факторов, возможно появление растягивающих напряжений, которые приведут к появлению трещин. Однако, если слои расположить, таким образом, что каждый последующий слой, начиная от поверхности пресс-формы, будет обладать меньшим значением К, то напряжения будут сжимающими, что обеспечит целостность поверхности покрытия, что и было реализовано в предлагаемом покрытии.
Процесс нанесения покрытий на формообразующую поверхность металлической пресс-формы, расположенного на вращающемся основании 6 (фиг. 2) производится методом катодно-ионной бомбардировки на установке типа «Булат» в вакуумной камере 5 с двумя катодами 7 из титана и молибдена горизонтально расположенными в испарителе 8 горизонтально в одной плоскости напротив друг друга. Перед нанесением слоев, покрываемую деталь пресс-формы бомбардируют ионами при помощи ионного излучателя 9 для очистки формообразующей поверхности от инородных частиц. Весь процесс нанесения покрытия происходит в среде реакционного газа 10.
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 c уже различными кристаллами. Так происходит взаимопроникновение различных материалов на атомарном уровне, что обеспечивает повышенный уровень адгезии.
Процесс нанесения покрытия проходит при следующих рабочих параметрах: давление в рабочей камере достигает 4,9*103 Па, температура разогрева пресс-формы - 330°С, ток соленоида 3,8А, напряжение на аноде 1200 В, ток анода 0,15А.
Сравнение показателей стойкости различных покрытий осуществлялось при помощи многофакторного эксперимента процесса литья в пресс-форму детали из сплава МЛ1. Суть процесса литья в пресс-форму заключается в том, что в пресс-форме имеется формообразующая поверхность, в которую подается расплав. Застывая, наружная поверхность получаемой отливки принимает форму, соответствующей формообразующей поверхности. Для эксперимента была изготовлена пресс-форма с несколькими формообразующими поверхностями с использованием различных способов повышения стойкости изделий, таких как: азотирование, цианирование, описываемый в прототипе и предлагаемый в данной заявке способ, при котором на предварительно очищенную формообразующую поверхность металлической пресс-формы методом катодно-ионной бомбардировки наносят слой толщиной 2 мкм твердостью 55-58 HRC из нитрида титана для адгезионной связи покрытия с поверхностью металлической пресс-формы, затем поверх нижнего слоя наносят промежуточный слой толщиной 1,5 мкм твердостью 63-65 HRC из карбонитрида металлов титана и молибдена для обеспечения высокой твердости всего покрытия, далее наносят верхний слой толщиной 2,5 мкм твердостью 57-61 HRC из нитрида молибдена. При этом, были получены следующие показатели стойкости: азотированная и цианированная формообразующие поверхности показали примерно одинаковые значения, равные примерно 5000 циклам запрессовок, формообразующая поверхность, изготовленная по способу, описанному в прототипе показала значение стойкости в 6300 циклов, наибольший результат соответствовал формообразующей поверхности, с покрытием предлагаемом в данной заявке - 7500 циклов, что в 1,4 раза больше, чем у прототипа. Прочность сцепления покрытия с материалом кокиля определялась при помощи механического адгезиметра Константа АЦ, при этом, согласно методике производственных испытаний на основе 5 измерений количественная величина составила 47 МПа, при этом образец с покрытием указанным в прототипе показал значение в 46 МПа. Измерение твердости покрытия осуществлялось с использованием алмазной пирамидки при помощи микротвердомера ИТБРВ-187,5-М, полученное значение твердости покрытия составило 60 HRCэ, что примерно соответствует показателям прототипа. 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 кокиля после нанесения покрытия не изменилась и составила Ra=0,2 мкм, общий объем газовых пор в получаемых отливках не превышал 0,5% от общего объема, качество поверхности полученных отливок, удовлетворяло требованиям ГОСТ 26645-85, при этом параметры отливок полученных в кокиле, изготовленном 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 заявке 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.
Предлагаемый способ нанесения покрытия на кокиль для литья магниевых сплавов по сравнению с аналогами:
1. Повышает износостойкость формообразующих поверхностей пресс-формы за счет нанесения многослойного покрытия, каждый слой которого выполняет определенную функцию.
2. Повышает теплостойкость формообразующей поверхности пресс-формы.
3. Повышает качество получаемых отливок за счет уменьшения коэффициента трения между формообразующей поверхностью и потоком расплавленного металла.
4. Использование преимуществ дорогостоящих материалов таких как: титан, молибден, при их мизерной массовой доле от массы всей пресс-формы.
5. Нанесение всех слоев покрытий происходит за 1 установке.
6. Толщина наносимого покрытия составляет не более 6 мкм, что позволяет не вносить значительных поправок при проектировании пресс-формы.
Положительными сторонами этого способа являются высокая степень надежности, эффективности защитного покрытия, контроля исполняемых этапов, простота технологии очистки поверхностей и нанесение покрытия.