СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАННОГО ИЗДЕЛИЯ ИЗ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА С ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННЫМ ПОКРЫТИЕМ
METHOD OF PRODUCING DEFORMED PRODUCT FROM ALUMINIUM ALLOY WITH VACUUM-PLASMA COATING

Изобретение относится к способам получения изделий из сплавов алюминия обработкой давлением с последующим нанесением на них разнофункциональных вакуумно-плазменных покрытий.
Известен способ получения деформированных изделий из сплавов алюминия, принятый за прототип, заключающийся в деформировании сплавов при температурах 450-380 градусов Цельсия, охлаждении на воздухе после окончания деформирования, закалке с выдержкой при температуре закалки в течение 20-40 минут, старении при температурах 100-150 градусов Цельсия в течение 6-8 часов [Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: Изд-во: МИСИС, 1999. - 416 с.]. Это способ является традиционной технологией получения изделий из алюминиевых сплавов обработкой давлением. В результате такой обработки деформируемые алюминиевые сплавы получают структуру твердого раствора с включениями упрочняющих фаз на базе химических соединений алюминия с медью, магнием, кремнием и другими компонентами, которая обеспечивает высокие показатели прочности и твердости.
Недостатком этого способа применительно к изделиям из алюминиевых сплавов, получаемых обработкой давлением с последующим нанесением разнофункциональных вакуумно-плазменных покрытий является то, что состояние поверхности заготовки не отвечает условиям оптимальности с позиций последующих операций подготовки поверхности под нанесение вакуумно-плазменных покрытий и собственно их нанесение. Технологический процесс изготовления изделий из алюминиевых сплавов обработкой давлением с вакуумно-плазменными покрытиями включает следующие основные операции: получение заготовки обработкой давлением; термическая обработка заготовки, включающая закалку и старение; шлифование и полирование поверхности заготовки; обезжиривание поверхности заготовки; нанесение вакуумно-плазменных покрытий.
В современной технологии нанесения покрытий все большее предпочтение получают вакуумно-плазменные методы, которые позволяют получать высококачественные разнофункциональные покрытия при сравнительно низких температурах с высокой адгезионной прочностью. Наивысшая адгезионная прочность вакуумно-плазменных покрытий достигается при использовании метода КИБ (конденсация вещества из паровой фазы с ионной бомбардировкой), при котором получение ионной компоненты металла происходит в плазме электродугового разряда (ионно-плазменные покрытия). При нанесении вакуумно-плазменных покрытий поверхность заготовки-изделия подвергается следующим стадиям обработки в вакуумной камере: ионная очистка и конденсация покрытия. При ионной очистке возможно растравливание и разрушение вторичных фаз сплавов, что снижает качество вакуумно-плазменных покрытий. Соответственно для нанесения высококачественных вакуумно-плазменных покрытий на заготовки и изделия из металлических материалов их поверхность должна отвечать определенной структуре и свойствам, определяющим качество поверхности. Характеристики качества поверхности делятся на физико-химические и геометрические. К основным физико-химическим характеристикам относятся: химический и фазовый составы, микроструктура, поверхностное напряжение, электродный потенциал, микротвердость, адгезия, электрические, магнитные, оптические. К основным геометрическим характеристикам поверхности относятся: макрогеометрия, волнистость, шероховатость, субмикрошероховатость. При этом наиболее важными в практическом плане 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 после заготовительных операций, микрогеометрия поверхности после таких финишных операций, как механическое шлифование и полирование, будет зависеть от ее твердости. При механической обработке поверхности с низкой твердостью доля процессов срезания микровыступов будет меньше, чем доля их пластической деформации. Соответственно будет происходить загиб микровыступов от пластической деформации, а не их срезание. При загибе микровыступов под ними остаются различные загрязнения даже после тщательной очистки поверхности перед нанесением покрытий. Этим объясняется снижение качества ионно-плазменных покрытий и наличие микродуг на поверхности изделий после их нанесения. Этот негативный эффект еще более усиливается в случае структурной неоднородности поверхности объектов под нанесение вакуумно-плазменных покрытий. Соответственно, при нанесении таких покрытий важными являются вопросы повышения твердости и снижение шероховатости поверхности металлических материалов перед нанесением вакуумно-плазменных покрытий. Исходя из вышеизложенного состояние поверхности алюминиевых заготовок, полученное по традиционным режимам термической обработки не обеспечивает получения высококачественных вакуумно-плазменных покрытий, так как прочностные характеристики поверхности заготовок не отвечают максимально возможным значениям.
Технический результат изобретения - повышение качества вакуумно-плазменных покрытий на деформированных изделиях из сплавов алюминия.
Технический результат достигается тем, что в известный способ получения деформированных изделий из сплавов алюминия, заключающийся в деформировании сплавов при температурах 450-380 градусов Цельсия, охлаждении на воздухе после окончания деформирования, закалке с выдержкой при температуре закалки в течении 20-40 минут, старении при температурах 100-150 градусов Цельсия в течении 6-8 часов, шлифовании и полировании поверхности изделий, обезжиривании поверхности вносятся следующие изменения - охлаждение заготовки после окончания деформирования проводят в воде, выдержка заготовки при температуре закалки составляет 10-20 минут, длительность старения заготовки составляет 2-3 часа.
2
2
В этом случае значения прочностных показателей и показателей твердости поверхности заготовок-изделий из деформируемых алюминиевых сплавов будут иметь максимально возможные значения перед механической обработкой их поверхности и нанесением вакуумно-плазменных покрытий, что приведет к повышению качества покрытий на изделиях. Это обосновано положениями из теории и практики пластической и термической обработки алюминиевых сплавов. Форсированное охлаждение (в воду) заготовок из алюминиевых сплавов после горячей обработки давлением препятствует протеканию механизмов рекристаллизации и повышает твердость сплавов. Сокращение времени выдержки алюминиевых сплавов при закалке уменьшает степень растворимости упрочняющих фаз в закаленной структуре, а степень неравновесности исходной закаленной структуры определяет кинетику процесса старения сплавов. Сокращение длительности старения приводит к уменьшению доли метастабильной θ' -фазы (CuAl) и преобладание стабильной θ-фазы (CuAl) и упорядоченной θ" - фазы (зоны Г.П.2 - зоны Гинье-Престона), что приведет к получению максимально возможной твердости алюминиевых сплавов после закалки и старения.
Таким образом, одновременное изменение известных режимов охлаждения заготовок алюминиевых сплавов после горячей обработки давлением, времени выдержки при закалке и длительности старения по предложенным новым режимам даст возможность получить заготовку-изделие из алюминиевых сплавов после обработки давлением и механической обработки (шлифование и полирование) с максимально возможной твердостью и наилучшим физико-механическим состоянием поверхности для получения высококачественных вакуумно-плазменных покрытий на них по сравнению с известными режимами обработки давлением и термической обработки сплавов. Пример реализации предлагаемого способа.
α
Требуется нанести вакуумно-плазменное покрытие TiN (нитрид титана) методом КИБ на заготовку диаметром 20 мм и высотой 30 мм с полостью диаметром 15 мм и глубиной 5 мм из сплава Д1. Шероховатость поверхности изделия с покрытием R=0,16 мкм.
Способ осуществляется следующим образом.
1. Заготовка с полостью указанных размеров получена способом горячего обратного закрытого выдавливания сплава Д1 на гидравлическом прессе. Температурный режим выдавливания составил 450-400 градусов Цельсия.
2. Охлаждение заготовки после выдавливания произведено немедленно в воду с температурой 20-30 градусов Цельсия.
3. Произведена закалка заготовки при температуре 500-510 градусов Цельсия. Время выдержки при температуре закалки составило 10-20 минут.
4. Произведено старение заготовки после закалки при температуре 150 градусов Цельсия. Длительность старения составила 2-3 часа.
α
5. Произведена механическая обработка заготовки шлифованием и полированием до обеспечения заданной шероховатости R=0,06 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 деформированных изделий из сплавов алюминия выполнены на отечественном кузнечно-прессовом, термическом, механическом и вакуумном оборудовании.
Проведен сравнительный анализ качества ионно-плазменного покрытия TiN на заготовках, полученных по способу согласно прототипу и по предлагаемому способу. Анализировали твердость сплава перед нанесением покрытия, микротвердость покрытия, адгезию покрытия, внешний вид покрытия.
Твердость сплава Д1 увеличилась на 200-400 МПа согласно предлагаемому способу получения заготовок по сравнению с прототипом (измеряли по методу Виккерса).
50
Микротвердость ионно-плазменного покрытия TiN для обоих вариантов получения изделий оказалась практически одинаковой H=22-25 ГПа (измеряли на микротвердомере ПМТ-3).
Адгезионная прочность покрытия TiN на изделиях, полученных по предлагаемому способу, оказалась до 2-х раз выше, чем у заготовок, полученных согласно прототипу. Уровень адгезии определяли методом полирования (использовали круги из бязи с пастой ГОИ при скорости полирования 30 м/с в течение 15 с) и методом нагрева (изделия с покрытием нагревали до температуры 200 градусов Цельсия и выдерживали при этой температуре в течении 1 часа).
Внешний вид покрытия: на изделиях, полученных согласно прототипу не отвечал условиям эстетичности (наличие микродуг поверхности покрытия). Покрытие на изделиях, полученных по предлагаемого способу показало однородность цветовой гаммы по всей поверхности изделия.
Таким образом, предлагаемый способ получения деформированных изделий из сплавов алюминия позволяет повысить качество вакуумно-плазменных покрытий, наносимых на эти изделия, по сравнению с известными способами.
Прототип:
Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. - М.: Изд-во: МИСИС, 1999. - 416 с.