Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Информационно-аналитический обзор состояния вопроса 12
1.1. Технологические режимы и особенности процесса литья под давлением цинковых сплавов .12
1.2. Факторы, влияющие на качество поверхности отливок литья под давлением
1.2.1. Материалы пресс-форм ЛПД и требования к ним .24
1.2.2. Теплонапряженное состояние пресс-формы .28
1.2.3. Химико-термическая обработка 36
1.2.4. Покрытия и смазки для формообразующих поверхностей. 39
1.3. Механизмы разрушения конструктивных формообразующих
элементов пресс-форм ЛПД в процессе их эксплуатации 44
Выводы по главе 1 54
Глава 2. Анализ процесса разрушения пресс-форм для литья под давлением с защитным покрытием 57
2.1 Принцип выбора состава защитного покрытия 57
2.2 Построение многослойного защитного покрытия повышенной трещиностойкости .64
2.3 Компьютерное моделирование процесса литья под давлением в пресс-формы с защитным покрытием .75
Выводы по главе 2 79
Глава 3. Материалы и методика исследований 81
3.1 Материалы для пресс-форм литья под давлением 81
3.2 Подготовка формообразующей поверхности к нанесению многослойного покрытия 81
3.3 Физическая сущность метода катодно-ионной бомбардировки и оборудование для его нанесения .83
3.4 Методы исследования физико-механических свойств защитных многослойных покрытий и отливок 93
Выводы по главе 3 98
Глава 4. Экспериментальное исследование процесса литья под давлением цинковых сплавов 99
4.1 Влияние покрытий, нанесенных методом катодно-ионной бомбардировки на работоспособность пресс-форм для литья под давлением 100
4.2 Физико-механические свойства многослойных покрытий повышенной трещиностойкости
4.3 Получение цинковых отливок методом литья под давлением. 113
4.3.1 Исследование качества поверхности отливок 115
4.4 Исследование механизма разрушения конструктивных элементов пресс-форм литья под давлением с защитным покрытием .119
4.5 Влияние состава многослойного покрытия на эксплуатационный ресурс конструктивных элементов пресс-форм 123
4.6 Математическая обработка результатов исследований 128
Выводы по главе 4 .137
Глава 5. Внедрение результатов исследований .139
5.1 Организационно-технические мероприятия 139
5.2 Экономическая эффективность внедрения технологии 144
5.3 Перспективы применения разработанной технологии .156
Выводы по главе 5 157
Заключение 159
Список литературы
- Материалы пресс-форм ЛПД и требования к ним
- Компьютерное моделирование процесса литья под давлением в пресс-формы с защитным покрытием
- Физическая сущность метода катодно-ионной бомбардировки и оборудование для его нанесения
- Исследование качества поверхности отливок
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Жесткая конкуренция в условиях рыночной экономики обязывает современные предприятия к выпуску изделий, удовлетворяющих повышенным требованиям потребителей, при постоянной потребности в уменьшении затрат на получаемые изделия. Для этого зачастую необходимо использовать высокопроизводительные методы получения готовых изделий, к числу которых вполне можно отнести метод литья под давлением (ЛПД). Наиболее распространенными материалами отливок, получаемых методом ЛПД, являются цветные, в частности, цинковые сплавы. Литье под давлением цинковых сплавов находит широкое применение для производства оконной фурнитуры, особенно при изготовлении изделий сложной наружной конфигурации малых габаритных размеров.
Однако в ряде случаев производителям литья приходится сталкиваться с
недостаточными показателями качества поверхности получаемых отливок.
Согласно ГОСТ 4.439-86 «Система показателей качества продукции. Отливки»,
основным показателем качества поверхности отливок является их
шероховатость. По мнению большинства исследователей данного вопроса,
недостаточное качество поверхности отливок обусловлено
неудовлетворительным состоянием формообразующих поверхностей по причине циклически повторяющихся силовых и тепловых воздействий заливаемого расплава на рабочую поверхность формообразующих деталей.
Традиционно существует два основных способа повышения качества
формообразующих поверхностей, и как следствие, снижения шероховатости
поверхности отливок ЛПД: оптимизация технологических режимов ЛПД, а
также выбор материалов конструктивных элементов форм в сочетании с химико-
термической обработкой их рабочей поверхности. Первый способ не всегда
обеспечивает достижение желаемого результата, поскольку требует длительных
дополнительных исследований и наладочных работ. Второй способ часто
экономически нецелесообразен из-за того, что традиционно связан с
применением дорогостоящих сложнолегированных сталей в комбинации с
различными вариантами химико-термической обработки деталей пресс-форм, наименее затратным из которых выступает азотирование. Он широко реализуется для ЛПД алюминиевых и медных сплавов, однако требует альтернативы в случае, когда речь идет о цинковых сплавах с существенно меньшими температурами плавления.
Поисками путей повышения качества отливок ЛПД занимались: Беккер М.Б., Белов В.М., Белопухов А.К., Геллер Ю.А., Горюнов И.И., Жуков А.А., Кудрин Н.А., Петриченко А.М., Полищук Д.Я., Тимофеев Г.И. и другие. Тем не менее, вопросы воздействия заливаемых цинковых сплавов на поверхность формообразующих деталей пресс-формы, а также выбора вариантов материала деталей оснастки в сочетании с защитным покрытием по-прежнему освещены недостаточно.
При этом обращает на себя внимание целый спектр методов поверхностной обработки деталей для повышения качества поверхности формообразующих деталей, таких как лазерное легирование, плазменное облучение, электроннолучевая обработка, ионное легирование, магнетронное распыление, получивших широкое признание и до сих пор, не нашедших применения в практике литейного производства. Среди них метод катодно-ионной бомбардировки (КИБ).
В этой связи данная диссертационная работа направлена на решение
актуальной научно-технической проблемы недостаточного качества
поверхности отливок цинковых сплавов, получаемых методом ЛПД.
Тематика и содержание работы соответствуют приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники в Российской Федерации, обозначенных в Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 года», а также в государственной программе «Развитие науки и технологий» Российской Федерации на 2013-2020 годы.
Цель исследования - научно обоснованная разработка составов, метода нанесения и вида покрытий рабочих поверхностей конструктивных элементов пресс-форм ЛПД цинковых сплавов, обеспечивающих повышение качества поверхности получаемых отливок.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
обзор и анализ имеющейся информации о способах обеспечения качества поверхности отливок ЛПД;
исследование особенностей эксплуатации пресс-форм ЛПД цинковых сплавов, и выявление факторов, приводящих к снижению качества поверхности отливок;
теоретическая оценка вариантов составов, метода нанесения и вида защитных покрытий для поверхности рабочей полости пресс-формы ЛПД цинковых сплавов с точки зрения трещиностойкости конструктивных элементов;
исследование теплонапряженного состояния формообразующих деталей пресс-формы ЛПД цинковых сплавов с защитным покрытием;
экспериментальное исследование процессов зарождения и роста трещин разгара на поверхности формообразующих деталей пресс-формы с защитным покрытием в результате взаимодействия с заливаемым цинковым сплавом;
исследование шероховатости поверхности опытных цинковых отливок, полученных при рабочих режимах эксплуатации пресс-формы, для различных вариантов покрытий конструктивных элементов формы, наносимых методом КИБ;
внедрение результатов в действующее производство.
Объектом исследования являются отливки из цинковых сплавов, полученные методом ЛПД.
Предмет исследования – качество поверхности отливок из цинковых сплавов, полученных методом ЛПД.
Научная новизна работы:
сформулировано модельное представление о роли защитных покрытий в механизмах зарождения и роста трещин в поверхностной зоне конструктивных элементов пресс-формы ЛПД цинковых сплавов, контактирующих с расплавом, позволившее показать, что чередование слоев покрытия обеспечивает его многофункциональность и увеличивает ресурс конструктивных элементов пресс-формы к образованию и росту разгарных трещин, повышая тем самым качество поверхности получаемых отливок;
научно обоснован выбор вариантов составов, метода нанесения и вида многослойных покрытий конструктивных элементов с учетом функций, выполняемых каждым отдельным слоем;
выполнена экспериментальная оценка перемещения берегов трещины при ее росте в направлении, перпендикулярном ее росту, (v); критического коэффициента интенсивности напряжений (К1С); эффективного предела текучести (<тЭТ) для ряда вариантов покрытий на основе соединений Ті и Мо,
наносимых методом КИБ, включая однослойные и многослойные, подтвердившая справедливость теоретических выкладок;
установлены зависимости шероховатости отливок и эксплуатационного ресурса конструктивных элементов пресс-формы ЛПД цинковых сплавов от состава, сложности и толщины защитного покрытия;
по результатам исследования теплонапряженного состояния конструктивных элементов пресс-формы ЛПД цинковых сплавов с защитным покрытием, выполненного с использованием компьютерного моделирования, выявлен эффект снижения термических напряжений в поверхностной зоне формообразующих деталей.
Теоретическая и практическая значимость работы:
выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, по результатам которых уточнены известные представления о механизмах зарождения и роста трещин в поверхностной зоне конструктивных элементов пресс-формы применительно к ЛПД цинковых сплавов;
выявлен и подтвержден на практике эффект снижения показателей шероховатости цинковых отливок, полученных в пресс-формах ЛПД с защитным покрытием, наносимым методом КИБ;
получены регрессионные зависимости шероховатости отливок и эксплуатационного ресурса конструктивных элементов пресс-формы ЛПД цинковых сплавов от состава, сложности и толщины защитного покрытия, наносимого методом КИБ, позволяющие прогнозировать ресурс и качество поверхности отливок на стадии подготовки производства;
разработано защитное многослойное покрытие TiCN-TiN-MoN, нанесение которого методом КИБ на основу из стали марки 40Х в сравнении с вариантом штамповой стали 4Х5МФС в сочетании с применением азотирования поверхности формообразующих деталей обеспечивает: снижение показателя шероховатости цинковых отливок по Ra после 0,15 млн. запрессовок с 6,3 мкм
до 3,2 мкм, а также повышение эксплуатационного ресурса конструктивных элементов пресс-форм ЛПД на 33% (с 0,15 млн циклов до 0,2 млн. циклов);
- разработана технология изготовления формообразующих вставок пресс-
форм ЛПД цинковых сплавов с защитным многослойным покрытием,
наносимым на рабочую поверхность деталей методом КИБ, которая внедрена в
действующее производство ООО «Сатурн» (г. Набережные Челны, Республика
Татарстан, Россия) с экономическим эффектом 1435282,27 рублей в год при
производственной программе 1 млн. отливок в год.
- результаты работы используются в учебном процессе на кафедре
«Конструкторско-технологического обеспечения машиностроительных
производств» Набережночелнинского филиала КНИТУ-КАИ им А.Н. Туполева.
Методология и методы исследования. В работе использовались такие теоретические и эмпирические методы научного исследования, как гипотетический, системный, формализация, моделирование, аналогирование, сравнение, анализ, математическое планирование эксперимента.
Эксперименты выполнялись с использованием высокоточного оборудования и методов определения механических показателей образцов, согласно технического регламента (ГОСТ, ОСТ, ТУ). В работе были применены: двулучевой электронно-ионный микроскоп с приставками для микроанализа ZEISS CrossBeam AURIGA с увеличением х250 000, профилометр SJ-210 (Mitutoyo, Япония) с возможностью описания рельефа неровностей высотой от 0,001 мкм, микротвердомер ПМТ-3М (Россия) с увеличением х130 и х500, а также технологическое оборудование ООО «Сатурн» (г. Набережные Челны, Республика Татарстан, Россия). Первичная и вторичная математическая обработка результатов экспериментов проводилась с применением общего программного обеспечения (Excel), расчеты с использованием пакета MathCAD, компьютерное моделирование - программа APMFEM (Аскон, Россия) на основе метода конечных элементов.
Положения, выносимые на защиту:
модельное представление о роли защитных покрытий в механизмах зарождения и роста трещин в поверхностной зоне конструктивных элементов пресс-формы ЛПД цинковых сплавов, контактирующих с расплавом;
обоснование выбора вариантов составов и вида многослойных покрытий конструктивных элементов с учетом функций, выполняемых каждым отдельным слоем;
результаты экспериментальной оценки перемещения берегов трещины при ее росте в направлении, перпендикулярном ее росту, (v); критического коэффициента интенсивности напряжений (К1С); эффективного предела текучести (<тЭТ) для ряда вариантов покрытий на основе соединений Ті и Мо,
наносимых методом КИБ, включая однослойные и многослойные;
- полученные регрессионные зависимости шероховатости отливок и
эксплуатационного ресурса конструктивных элементов пресс-формы ЛПД
цинковых сплавов от толщины, микротвердости и сложности защитного
покрытия;
выявленный эффект снижения значений шероховатости цинковых отливок, полученных в пресс-формах ЛПД с защитным покрытием, наносимым методом КИБ;
технология изготовления формообразующих вставок пресс-форм ЛПД цинковых сплавов с защитным многослойным покрытием, наносимым на рабочую поверхность деталей методом КИБ.
Личный вклад автора. В диссертационную работу вошли результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором лично, либо в соавторстве, согласно публикациям, ссылки на которые приведены в тексте.
Автору принадлежат:
анализ литературных и экспериментально-промышленных данных по изготовлению цинковых отливок и эксплуатации пресс-форм ЛПД цинковых сплавов;
выбор цели, постановка задач исследования;
проведение теоретических выкладок и выполнение экспериментальной части исследований;
разработка технологии изготовления цинковых отливок в пресс-формах ЛПД с защитным многослойным покрытием, наносимым на рабочую поверхность деталей методом КИБ.
Автор принимал участие в апробации результатов исследований и внедрении разработки в действующие производства региона.
Степень достоверности и апробация результатов. Высокая степень достоверности результатов обеспечивалась корректным использованием высокоточного оборудования и приборов, теоретических положений, методов и методик исследований, соответствующих действующим стандартам. Результаты экспериментов получены по итогам испытаний 24 формообразующих вставок при производственной программе 1 млн. отливок в год.
Работа выполнялась в период с 2012 по 2016 гг. Основные положения и
результаты диссертационной работы были представлены на Международной
научно-технической конференции «Инновационные машиностроительные
технологии, оборудование и материалы-2013» (г. Казань, 2013 г.);
Международной заочной научно-технической конференции «Технологическое
обеспечение машиностроительных производств» (г. Челябинск, 2014); XI-ой
международной научно-практической конференции «Современные
инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (г.
Курск, 2014); XII-ой Международной научно-практической конференции
«Современные инструментальные системы, информационные технологии и
инновации» (г. Курск, 2015); XII съезде литейщиков России (г. Нижний
Новгород, 2015); Международной научно-практической конференции
«Инновационные машиностроительные технологии, оборудования и материалы – 2015» (г. Казань, 2015); Международной научно-технической конференции «Инновации в металлообработке: взгляд молодых специалистов» (г. Курск, 2015).
Соответствие паспорту научной специальности. Диссертация
соответствует следующим пунктам паспорта научной специальности 05.16.04 – литейное производство:
- исследование тепло- и массопереноса, гидродинамических, реологических и
других процессов, происходящих в расплавах, отливках и литейных формах;
- исследование влияния обычных, наномодифицирующих, электрических,
магнитных, механических и других видов обработки на свойства расплавов,
отливок и литейных форм;
Публикации. По теме работы выпущено 12 публикаций, из них 6 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. По результатам работы получены патенты на полезные модели (№151832 РФ, №161036 РФ) и на изобретение (№2569870 РФ).
Объем и структура диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, изложенных на 181 страницах машинописного текста, включая 48 рисунков, 28 таблиц, приложение. Список литературы включает 108 источников.
Материалы пресс-форм ЛПД и требования к ним
К достоинствам цинковых сплавов можно отнести возможность переплав для повторного использования, с большой оговоркой, что при вторичном использовании ухудшается жидкотекучесть по причине насыщения сплава оксидами.
Однако существует и недостатки, наиболее значимые из которых: - понижение прочности и твердости готовых изделий при температуре более 70C; - пористость (характерна для изделий сплошной конфигурации). При литье цинковых сплавов методом литья под давлением использование горячекамерных литейных машин в сравнении с холоднокамерными является более предпочтительным, что объясняется следующими преимуществами [3,4]: - необходимо меньшее усилие прессования, так как нет необходимости устранения проблемы кристаллизации заливаемого расплава в питателях; - меньшая температура заливаемого расплава, за счет его подогрева при подаче в пресс-форму через сопло; - отсутствие необходимости обеспечения наиболее короткого времени заполнения пресс-формы; - возможность использования меньшего типоразмера горячекамерной литейной машины в сравнении с холоднокамерной, при равных показателях качества получаемых отливок; - меньшее время дозирования и запрессовки расплава; - экономия производственных площадей за счет использования интегрированной плавильно-раздаточной печи; - стабильная масса дозируемого расплава; - более постоянная температура заливаемого расплава в процессе заполнения пресс-формы; - меньший износ пресс-формы; - возможность использования центрального подвода, что не всегда возможно при холоднокамерном литье; - меньшая площадь питателей; - меньшая температура подогрева пресс-формы; - возможность использования менее эффективной системы вентиляции, при равных показателях качества получаемых отливок; - возможность получения отливок со стенками меньшей толщины.
К недостаткам использования горячекамерных литейных машин можно отнести необходимость более частого ремонта рабочей гильзы, а также повышенный износ сильфона, поршня и поршневых колец, а также высокое энергопотребление.
Для получения отливок высокого качества методом горячекамерного литья под давлением цинковых сплавов необходимо соблюдение множества параметров технологического процесса. Примерные значения для отливок массой 0,015 кг, полученных в многоместной пресс-форме могут быть следующими: температуры подогрева пресс-формы 98 С для подвижной части и 104 С для неподвижной, а также других параметров технологического процесса: температура гузнека 350 С, время заливки 1,1 сек., время кристаллизации 3 сек., время сохранения энергии 1 сек., время работы смазчика 5 сек. Также важно соблюдать задержку срабатывания рабочих узлов для обеспечения безаварийной работы и показателей давления и скорости в различных положениях (в зависимости от литейного оборудования).
Относительно низкая температура плавления, а также малая химическая активность цинковых сплавов, при условии соблюдения параметров технологического процесса дает возможность длительной эксплуатации пресс-форм, при этом минимальный период эксплуатации регламентирован ГОСТ 19946-74 и составляет не менее 150000 циклов запрессовок, при частоте профилактического ремонта каждые 9000 запрессовок. Таким образом, пресс-формы для литья под давлением цинковых сплавов работают в условиях относительно низких температур, но при более длительной эксплуатации, чем при литье алюминиевых или медных сплавов. Помимо выполнения основного требования к литейной оснастке - обеспечение необходимых параметров получаемой отливки, существует дополнительное – обеспечение особо длительной эксплуатации в умеренно агрессивной среде.
Для определения отличительных особенностей литья цинковых сплавов необходимо рассмотреть процессы литья других заливаемых материалов, наиболее часто встречающихся на производстве, каковыми являются: алюминиевые, магниевые и медные сплавы.
Процесс литья под давлением алюминиевых сплавов осуществляют на холоднокамерных литейных машинах, что объясняется достаточно широким интервалом кристаллизации 593 С – 538 С для сплава АЛ32, 582 С – 574 С для сплава АЛ2, 596 С – 577 С для сплава АЛ4, 621 С – 535 С для сплава АЛ27.
Пресс-формы для литья под давлением алюминиевых сплавов должны обладать комплексом положительных качеств. Это объясняется несколькими факторами, один из которых это высокая физическая и химическая активность алюминиевых сплавов, исходя из этого, пресс-формы должны обладать защитным слоем, либо специальной смазкой, в противном случае, алюминий диффундирует в поверхностный слой формообразующих деталей, ухудшая тем самым пластические и механические свойства. Другим, не менее важным фактором ограничивающим ресурс пресс-форм при литье алюминия является температура плавления, составляющая 660 С, что больше, чем у цинковых, но меньше, чем у медных сплавов.
Компьютерное моделирование процесса литья под давлением в пресс-формы с защитным покрытием
Существует несколько возможных методик для определения теплостойкости материала, наиболее распространенной из которых является [19-22] нагрев исследуемого материала до определенной температуры в течение 4 часов, при которой сохраняется рабочая твердость HRC 45…50. Исходя из полученной температуры, материалу присваивается соответствующая группа теплостойкости: 1 - полутеплостойкие стали при нагреве в интервале температур 400…500С сохраняют твердость HRC 45; 2 - умеренной теплостойкости: HRC 50 при 575…625С; 3 - высокой теплостойкости: HRC 50 при 650…800С.
При этом указанная методика оценки теплостойкости отражает свойства материала лишь в начальный период эксплуатации и не учитывает циклическое воздействие температурно-силовых воздействий. Данный недостаток устранен в методике [20], в которой теплостойкость материала оценивается уменьшением длины рабочей части образца А/ в условиях температурно-силовых воздействий. Согласно указанной работы, коэффициент смятия (усм =M/N) для стали 5ХНМ в начальный период эксплуатации может быть в несколько раз меньше, чем при дальнейшем использовании. Специфика процесса литья под давлением, а также конструктивные особенности пресс-форм в виде подвижных сопрягаемых поверхностей делают неизбежным повышенный износ формообразующих элементов пресс-форм. По данной причине ухудшается как чистота формообразующих поверхностей, так и чистота получаемых отливок. При длительной эксплуатации пресс-форм происходит снижение чистоты отливок до уровня минимальных требований. То есть количество циклов до момента получения первой отливки негодной по показателю чистоты поверхности и обуславливает износостойкость пресс-форм ЛПД.
Процесс износа при ЛПД является сложным процессом, так как добавляются факторы циклического гидродинамического, температурного и физико-химического воздействий со стороны заливаемого расплава. То есть помимо негативного воздействия силы трения, формообразующие элементы пресс-форм ЛПД испытывают эффекты коррозии, эрозии, адгезии, кавитации, а также гидравлического уноса металла, которые значительно снижают эффективность их использования.
Для описания и оценки работоспособности пресс-форм ЛПД при циклических температурно-силовых воздействиях в работах [6,7,14,19-21] используются термины: «термостойкость» и «разгаростойкость». При этом в работе [21] термин «разгаростойкость» используется как характеристика материала, определяющая способность материала сопротивляться появлению трещин в условиях циклического нагрева и охлаждения, этот же автор приводит зависимость разгаростойкости от скорости развития трещин, что не стыкуется с предыдущим утверждением. Термин «термостойкость» в работах [6,7,14] используется, как способность материала сопротивляться появлению трещин термической усталости.
Таким образом, в настоящее время, однозначного разделения данных терминов нет, при этом в работе [30] сделана попытка разграничений указанных параметров, оценка поведения материала в условиях термической усталости до появления трещин характеризуется параметром термостойкость, а стадия дальнейшего их роста описывается параметром разгаростойкость. В этой же работе приведен результат анализа производственных данных, согласно которого срок эксплуатации пресс-форм ЛПД можно разделить на два условных периода: первый - до момента появления первых трещин; второй – до момента разрастания трещин до критических размеров, при этом в дальнейшем основной упор делается на рассмотрении второго периода.
Подобное разделение на два периода эксплуатации с граничным моментом в виде образования первых трещин выглядит оправданным для пресс-форм, в которые заливают расплавы с высокой температурой плавления (медные сплавы, сталь) по причине относительно малой продолжительности второго периода. Однако в случае литья под давлением цинковых сплавов, указанные периоды могут различаться в несколько десятков раз. Поэтому логичнее разделить срок эксплуатации на три периода: N1 - до появления первых трещин, N2 - до образования сетки трещин, N3 - до разрастания сетки трещин до критических размеров [24]. Для повышения эксплуатационного ресурса пресс-форм для литья под давлением цинковых сплавов в указанных периодах важным является анализ механизма роста трещин.
Физическая сущность метода катодно-ионной бомбардировки и оборудование для его нанесения
В основе метода КИБ лежит генерация вещества, проводимая в парах материала катода, при помощи вакуумного дугового сильноточного, низковольтного разряда [67,68]. При подаче в вакуумное пространство газов-реагентов (метана, азота, ацетилена и др.) под воздействием ионной бомбардировки происходит конденсация покрытий из карбидов или нитридов на покрываемых поверхностях за счет протекания плазмохимических реакций. В случае образования нитридных соединений плазмохимическая реакция выглядит следующим образом Me++N+ MeN.
Все процессы нанесения покрытия протекают в вакуумной камере, токопроводящий корпус которой служит анодом, при этом катодом является испаряемое вещество. Испаряющийся материал проявляет высокую химическую активность и преобразуется в ионизированный поток низкотемпературной плазмы. Ионы испаряемого вещества интенсивно бомбардируют конденсат, что вызывает его частичное распыление при повышении температуры зоны формирования. Это приводит к повышению подвижности атомов на покрываемой поверхности, а также к активации химической реакции между компонентами реакционных газов и конденсатом. Важной особенностью процесса нанесения покрытий методом КИБ является возможность создания отрицательного заряда на покрываемой поверхности, что обеспечивает возможность повышения скорости потока ионов.
Использование в качестве основы покрытий электропроводящих материалов, в том числе тугоплавких металлов IV-VI групп Периодической системы возможно за счет высокой плотности энергии катодного пятна.
Процесс нанесения покрытий методом КИБ можно разделить на две условные составляющие - ионная бомбардировка и конденсация покрытия. Важным параметром процесса нанесения покрытий методом КИБ является энергия ионов, определяемая строением атома испаряемого материала катода, ускоряющим напряжением на покрываемой поверхности UП , кратностью заряда ионов: ЕИ = ЕО + zllП, гдеЕО- энергия иона в катодном пятне, z - заряд ионов. В зависимости от продолжительности воздействия энергии ионов ЕИ изменяется температура покрываемой поверхности, которая в значительной мере влияет на создание необходимых условий для термического активирования и плазмохимических реакций. Учитывая направленность плазменного потока, важным является правильное расположение покрываемых поверхностей относительно указанного потока. Увеличение плотности ионного потока возможно за счет использования плазмооптических устройств [68].
С точки зрения воздействия потока ионов на покрываемую поверхность процесс нанесения покрытия можно рассмотреть как физический трех стадийный процесс [67].
На первой стадии происходит разрушение поверхностных пленок на покрываемой поверхности, при этом интенсивность разрушения зависит от нескольких параметров: энергии ионов, времени воздействия, угла между покрываемой поверхностью и направления потока, поверхностного рельефа пленок.
Вторая стадия описывается контактом покрываемой поверхности с ионным потоком, а также кинетической энергией переданной бомбардируемыми частицами. Заряженные ионы избирательно воздействуют на покрываемую поверхность. Вначале разрушаются различные гребешки микронеровностей, границы зерен, дефектные области покрываемой поверхности, поры, то есть наиболее слабые поверхностные структуры. В дальнейшем происходит увеличение удельной поверхности, обеспечивающее благоприятные условия для сцепления покрытия с покрываемой поверхностью. Для третьей стадии характерно значительное разрушение поверхности матрицы. В наибольшей степени происходит воздействие на границы зерен, связывающие фазы и поры. Глубина поверхности, на которую воздействуют ионы Ti и Mo составляет 0,01-0,1 нм, при этом нарушение приповерхностных слоев указанными металлами производится за счет теплового воздействия, по причине относительно малой атомной массы. Важным является эффект диффузионной миграции ионов в направлении поверхностных дефектов с частичным или полным «залечиванием», за счет создания напряжений сжатия в «устье» и «кончике трещин».
Процесс нанесения покрытий методом КИБ характеризуется высокой производительностью за счет возможности ускорения ионного потока путем создания отрицательного потенциала на покрываемой поверхности или же повышением плотности данного потока.
Не менее важными положительными качествами метода КИБ являются: экологическая чистота процесса, за счет проведения операций в вакууме, экономичность, возможность автоматизированного управления, высокая прочность сцепления покрытия с поверхностью, а также возможность воспроизведения процессов нанесения покрытий, которые делают данный метод весьма конкурентным в сравнении с иными способами повышения эксплуатационных свойств поверхности.
Процесс нанесения покрытия производится в вакуумной камере, в которой анодом являлся металлический корпус, а катодом металл, являющийся основой для наносимого покрытия. Принципиальные схемы вакуумно-плазменных установок показаны на рисунке 3.3.
Существует несколько тысяч различных установок для нанесения покрытий методом КИБ, при этом наиболее распространенными являются: «Булат – 3Т», «Булат - 6», «ННВ-6.6-И1», «Пуск» [67]. В большинстве случаев установки отличаются друг от друга по следующим параметрам: скорость нанесения покрытия, полное время процесса, температура изделия, число испарителей, габариты вакуумной камеры, мощность установки.
Исследование качества поверхности отливок
На рисунке 4.12 видно, что использование стали 3Х2В8Ф в сочетании лишь с термической обработкой [4, 6] не обеспечивает высокого качества поверхности получаемых отливок. При этом видно, что в начальный период эксплуатации (до 5000 циклов) все кривые имеют эквивалентные результаты, но далее происходит их резкое расхождение. Сравнение показателей отливок, полученных из формообразующих поверхностей с покрытием TiCN - TiN – MoN (кривая №4, 5) и азотированием (кривая №1) показало, что изменение шероховатости имеют схожий характер для обоих случаев. Однако на любом этапе эксплуатации, показатели шероховатости отливок, полученных из вставок с покрытием TiCN - TiN – MoN почти в два раза меньше аналогичных показателей отливок, полученных из вставок с азотированием. То есть нанесение покрытия TiCN - TiN – MoN обеспечивает снижение шероховатости получаемых отливок в сравнении с азотированием. После 150000 запрессовок, отливки, полученные из азотированных вставок обладают шероховатостью Ra=6,3 мкм, а у отливок, полученных из вставок с покрытием TiCN - TiN – MoN - Ra=3,2 мкм.
Важным является, что изменение графиков шероховатости отливок в начальный период эксплуатации схож для всех вставок с покрытиями КИБ. Отличаются они лишь периодом резкого повышения шероховатости отливок, что и определяет их преимущество относительно друг друга.
Помимо экспериментальных исследований отливок по параметру шероховатости производилось сравнение отливок по наличию поверхностных дефектов на протяжении всего эксплуатационного ресурса (рис. 4.13). Для отливок, полученных со вставок с азотированием характерны узорчатость и задиры, при этом на отливках, полученных со вставок с покрытием TiCN - TiN – MoN указанные дефекты заметны в значительно меньшей степени. Это является подтверждением правильности исследований шероховатости отливок.
Влияние защитных покрытий на механизм разрушения исследовалось на образцах, полученных из формообразующих поверхностей пресс-форм, вышедших из строя (рис 4.14).
Выбор образцов для исследований механизма разрушения конструктивных элементов пресс-форм ЛПД
Исследование образца № 1 (рис. 4.15) при помощи растровой микроскопии позволило выявить особенности разрушения конструктивных элементов пресс-форм ЛПД с защитным покрытием. Наиболее важными моментами данного исследования являлись точки №4, 5, 7, 10.
В точке №5 (рис. 4.16) фактура поверхности покрытия полностью повторяет профиль шероховатости формообразующей детали. Это свидетельство малой толщины покрытия, но при этом следы механического истирания отсутствуют. Следовательно, защитная функция покрытия против истирания выполняется в полном объеме. Дефектные участки покрытия в виде очень мелких пор не оказывают существенного влияния на его работоспособность.
На границах отпечатка твердости в зоне значительной пластической деформации, основное разрушение формообразующей поверхности с покрытием проявляется в виде радиальных и концентричных трещин. Сколы и отслоения происходят на очень малых участках. Это дополнительно подтверждает малую толщину покрытия. Данные по химическому составу (рис. 4.16в) отдельных точек поверхности можно трактовать в основном на качественном уровне, поскольку в аналогичных по морфологии точках он колеблется в пределах 3…5%. На поверхности покрытия это объясняется отчасти его малой толщиной, поскольку присутствует значительный фон элементов стального вкладыша. В одном случае зафиксировано сильное окисление, очевидно, локальное обнажение основы произошло еще во время работы матрицы.
Исследование точки №7 (рис 4.17) выявило, что на отдельных участках рабочей полости формообразующей детали заметен налет серого цвета. По мере роста увеличения видно, что это – наслоения, имеющие иную текстуру поверхности. В этих зонах видны значительные нарушения сплошности покрытия. В основном они распространяются вдоль впадин шероховатости основы. Очевидно, это вызвано слабым сцеплением покрытия с материалом пресс-формы из-за трудности предварительной очистки поверхности. В химическом составе локальных налипов появляются следы цинка и алюминия из материала заливаемого расплава, а также значительное количество кислорода. Это прямые свидетельства потери работоспособности пресс-формы.
В точках №4 и №10 (рис. 4.18) в отличие от участков поверхности с большими радиусами закругления в зонах сопряжения наблюдаются скопление локальных дефектов. Вероятнее всего на их месте находились капельные включения катода, которые еще на стадии приработки пресс-формы были захвачены металлом отливки и вырваны из покрытия. Таким образом, на достаточно больших рабочих поверхностях получить однородные слои покрытия в неоднородном электромагнитном поле весьма затруднительно. Тем не менее, значительных по площади отслоений и сколов покрытия не наблюдается.
Механизм повышенной работоспособности пресс-форм ЛПД с покрытием можно представить следующим образом. Взаимодействие жидкого расплава с поверхностью стали наиболее активно происходит в точках локальных дефектов финишной обработки (царапины, микросколы в результате случайных ударов). В процессах резания при температурах 300…500 С активно происходит адгезия – сваривание микрообъемов металлов [67]. При выталкивании затвердевшей отливки адгезионные мостики рвутся. В результате начинают появляться и расширяться зоны усталостного разрушения. Это приводит к заметным дефектам поверхности отливки, а пресс-форму придется заменять задолго до выработки ею предельного размерного износа.
Покрытия, нанесенные методом КИБ являются химически инертными веществом, они не вступают во взаимодействие даже с царской водкой [67]. Поэтому покрытие подавляет процесс адгезии, но в точках локальных дефектов покрытия жидкий металл получает возможность схватываться с материалом рабочей поверхности. При разрыве адгезионных мостиков неизбежны их механические зацепления за края покрытия. Очаг разрушения покрытия начинает расширяться. Эффективность покрытия будет определяться плотностью его локальных дефектов и качеством сцепления с основой. Можно предположить, что тщательно отработанная технология покрытия позволит при получении цинковых отливок сделать формообразующие поверхности практически безизносными. При этом толщина покрытия должна быть не более 8 мкм.