СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВКИ ИЗ ЛИТЕЙНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА С ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫМ ПОКРЫТИЕМ
METHOD OF PRODUCING CASTING PRODUCT FROM CASTING ALUMINIUM ALLOY WITH VACUUM-PLASMA COATING

Изобретение относится к способам получения отливок из литейных сплавов алюминия с последующим нанесением на них разнофункциональных вакуумно-плазменных покрытий.
Известен способ получения отливок из сплавов алюминия, принятый за прототип, заключающийся в заливке расплава в литейную форму, выдержке в форме для кристаллизации отливки, охлаждении отливки на воздухе после ее извлечения из формы [Курдюмов А.В., Пискунов М.В., Чурсин В.М. и др. Производство отливок из сплавов цветных металлов. Издание 2-е. - М.: МИСИС, 1996. - 504 с.]. Это способ является традиционной технологией получения отливок из литейных алюминиевых сплавов. Дальнейшая обработка отливок предусматривает термическое упрочнение, заключающееся согласно ГОСТ 1583-93 в закалке отливки, старении отливки в течение 3-12 часов и механическую доработку поверхности отливки (полирование и шлифование). В результате такой обработки отливки получают структуру, состоящую из α-фазы (твердый раствор кремния в алюминии) и зон эвтектики (α-фаза + кремний), при этом чем выше содержание кремния в химическом составе сплавов, тем значительнее зоны эвтектики.
Недостатком этих способов применительно к изделиям из алюминиевых сплавов, получаемых литьем с последующим нанесением разнофункциональных вакуумно-плазменных покрытий, является то, что физико-механическое состояние поверхности отливки не отвечает условиям оптимальности с позиций последующих операций подготовки поверхности под нанесение вакуумно-плазменных покрытий и собственно их нанесение. Во-первых, наличие развитых зон эвтектики на поверхности отливок приводит к появлению значительной пятнистости (чередование темных и более светлых участков) вакуумно-плазменных покрытий на них, что делает эстетические свойства покрытий (однородность цветовой гаммы) неприемлемыми. Причиной этого дефекта вакуумно-плазменных покрытий является то обстоятельство, что при шлифовании, полировании и нанесении вакуумно-плазменных покрытий (интенсивное воздействие низкотемпературной плазмы из паровой фазы конденсирующегося вещества на поверхность отливки) происходит разрушение и растравливание более хрупких зон эвтектики, что создает существенную структурно-фазовую неоднородность поверхности отливки, и как следствие, неоднородность физико-механических свойств ее поверхности. Во-вторых, вакуумно-плазменные покрытия на отливках содержат заметное количество так называемых микродуг (растравливание поверхности покрытия в результате возникновения микродугового разряда на поверхности отливки в вакуумной камере на этапе ионной очистки ее поверхности перед этапом конденсации покрытия). Наличие микродуг является также существенным дефектом эстетических свойств вакуумно-плазменных покрытий. В-третьих, наличие выше указанных зон на поверхности отливки приводит к снижению ее твердости и возрастанию шероховатости поверхности, что снижает адгезионную прочность вакуумно-плазменных покрытий на отливках.
Таким образом, получение отливок по известным способам литья и термического упрочнения приводит к получению отливок с заметной структурно-фазовой неоднородностью их поверхности, прежде всего по распределению и величине зон эвтектики, при этом показатели прочности и твердости не принимают максимально высоких значений, что резко снижает качество вакуумно-плазменных покрытий на отливках из алюминиевых сплавов.
Технический результат изобретения - повышение качества вакуумно-плазменных покрытий на отливках из литейных сплавов алюминия.
Технический результат достигается тем, что в известные способы получения отливок из литейных сплавов алюминия, заключающийся в заливке расплава в литейную форму, выдержке в форме для кристаллизации отливки, охлаждение отливки на воздухе после ее извлечения из литейной формы, закалке отливки, старении отливки в течении 3-12 часов, шлифовании и полировании поверхности отливки, обезжиривании поверхности отливки, вносят следующие изменения - время выдержки расплава в литейной форме сокращают в два раза, охлаждение отливки после ее извлечения из литейной формы производят в воде, длительность старения отливки после закалки составляет 1,5-6 часов.
В этом случае произойдет измельчение и повышение равномерности кремнийсодержащей эвтектики, в том числе и на поверхности отливок, что обеспечит повышение однородности свойств на их поверхности. Значения прочностных показателей и показателей твердости поверхности отливок из алюминиевых сплавов будут иметь максимально возможные значения перед механической обработкой их поверхности и нанесением вакуумно-плазменных покрытий. Это приведет к повышению качества покрытий на изделиях из отливок. Отмеченное подтверждается положениями из теории и практики литья и термической обработки литейных алюминиевых сплавов. Сокращение времени выдержки расплава в литейной форме (длительности кристаллизации) приведет к получению более мелкозернистой структуры и меньшему растворению упрочняющих фаз по границам зерен, что создаст условия для достижения максимальной твердости сплавов после закалки и старения. Форсированное охлаждение (в воду) отливок после кристаллизации повысит степень неравномерности структуры перед закалкой и изменит кинетику процесса старения. Установлено, что отливки из сплавов систем Al-Si-Cu и Al-Si-Mg, форсированно охлажденные с более высоких температур (сокращение времени выдержки расплава в литейной форме), имеют не только наиболее высокие показатели прочности и твердости после закалки и старения, но сам процесс распада пересыщенного твердого раствора (процесс старения) происходит значительно быстрее. Это дает возможность существенно сократить длительность старения и получить максимально возможные значения по прочности и твердости у отливок после их литья и термической обработки.
Таким образом, одновременное изменение известных режимов по длительности выдержки расплава в литейной форме, охлаждения отливки после ее извлечения из литейной формы и длительности старения отливки после закалки по предложенным новым режимам даст возможность получить отливку-изделие из алюминиевых сплавов после литья и механической обработки (шлифование и полирование) с максимально возможной твердостью и наилучшим структурно-фазововым состоянием поверхности для получения высококачественных вакуумно-плазменных покрытий на них по сравнению с известными режимами литья и термической обработки этих сплавов.
Пример реализации предлагаемого способа.
a
Требуется нанести вакуумно-плазменное покрытие TiN (нитрид титана) методом КИБ на отливку детали «накладка» диаметром 55 мм, высотой 5 мм, с полостью диаметром 15 мм, глубиной 3 мм и центральным сквозным отверстием диаметром 9 мм из литейного сплава АК5М2. Шероховатость поверхности изделия с покрытием R=0,16 мкм.
Способ осуществляется следующим образом.
1. Заготовка «накладки» получена способом литья под давлением сплава АК5М2 на литейной машине А711-07 для литья сплавов цветных металлов под давлением. При этом время выдержки в пресс-форме сокращено в два раза по сравнению с традиционными режимами литья: с 60 секунд до 30 секунд.
2. Охлаждение отливки после извлечения из пресс-формы произведено немедленно в воду с температурой 20-30 градусов Цельсия.
3. Произведена закалка заготовки при температуре 510-520 градусов Цельсия. Время выдержки при температуре закалки составило 3 часа.
4. Произведено старение заготовки после закалки при температуре 170-180 градусов Цельсия. Длительность старения составила 1,5-5 часа (длительность старения сплава АК5М2 по ГОСТ 1582-93 составляет 5-10 часов).
a
5. Произведена механическая обработка отливки шлифованием и полированием для обеспечения заданной шероховатости ее поверхности R=0,16 мкм.
6. Произведена подготовка поверхности заготовки под нанесение ионно-плазменного покрытия TiN (обезжиривание).
7. Нанесение ионно-плазменного покрытия TiN методом КИБ по традиционным режимам нанесения для данного вида покрытия.
Все операции предлагаемого способа получения отливок из сплавов алюминия выполнены на отечественном литейном, термическом, механическом и вакуумном оборудовании.
Проведен сравнительный анализ качества ионно-плазменного покрытия TiN на отливках, полученных по способу согласно прототипам и по предлагаемому способу. Анализировали твердость сплава перед нанесением покрытия, микротвердость покрытия, адгезию покрытия, внешний вид покрытия.
Твердость сплава АК5М2 увеличилась на 250-350 МПа согласно предлагаемому способу получения заготовок по сравнению с прототипами (измеряли по методу Виккерса).
⁪50
Микротвердость ионно-плазменного покрытия TiN для обоих вариантов получения изделий оказалась практически одинаковой HD=20-25 ГПа (измеряли на микротвердомере ПМТ-3).
Адгезионная прочность покрытия TiN на изделиях, полученных по предлагаемому способу, оказалась до 3-х раз выше, чем у заготовок, полученных согласно прототипам. Уровень адгезии определяли методом полирования (использовали круги из бязи с пастой ГОИ при скорости полирования 30 м/с в течении 15 с) и методом нагрева (изделия с покрытием нагревали до температуры 200 градусов Цельсия и выдерживали при этой температуре в течение 1 часа).
Внешний вид покрытия на изделиях, полученных согласно прототипам, не отвечал условиям эстетичности (наличие пятнистости цветовой гаммы и микродуг). Покрытие на изделиях, полученных по предлагаемого способу, показало однородность цветовой гаммы по всей поверхности изделия и отсутствие микродуг.
Таким образом, предлагаемый способ получения отливок из сплавов алюминия позволяет повысить качество вакуумно-плазменных покрытий, наносимых на эти отливки-изделия, по сравнению с известными способами.
Прототип 1:
Курдюмов А.В., Пискунов М.В., Чурсин В.М. и др. Производство отливок из сплавов цветных металлов. Издание 2-е. - М.: МИСИС, 1996. - 504 с.
Прототип 2:
ГОСТ 1583-93. Сплавы алюминиевые литейные. Технические условия.