К вопросу качества алюминиевых отливок, получаемых литьем под давлением

Язык труда и переводы:
УДК:
621.74
Дата публикации:
26 мая 2022, 09:46
Категория:
Литейное и сварочное производство
Авторы
Аннотация:
Рассмотрена проблема недостаточного качества алюминиевых отливок получаемых под давлением. Указаны традиционные способы решения за счет выбора технологических режимов процесса литья. Предложен универсальный способ повышения качества отливок за счет нанесения защитных покрытий на формообразующие поверхности пресс-форм методом PVD катодно-ионной бомбардировкой. Представлены результаты экспериментальных исследований, доказывающих эффективность применения износостойких покрытий, полученных методом катодно-ионной бомбардировки.
Ключевые слова:
алюминиевые сплавы, литье под давлением, отливка, пористость
Основной текст труда

Введение

При изготовлении изделий методом литья под давлением (ЛПД) одними из наиболее распространенных дефектов отливок являются газовая подкорковая пористость, образуемая попаданием воздуха при течении расплава по пресс-форме и недостаточное качество поверхности, определяемое по высокой шероховатости, а также газовой шероховатости [1].

Производители отливок на практике применяют различные методы повышения качества отливок, однако, в большинстве случаев, они сводятся к оптимизации технологических режимов литья, что связано с необходимостью длительных и дорогостоящих испытаний и наладочных работ, что не всегда экономически целесообразно [2, 3]. Поэтому существует необходимость в разработке способа повышения качества получаемых отливок, который будет эффективным при различных условиях процесса литья и минимально зависящим от технологических режимов. Одним из таких способов может быть применение многослойных покрытий для формообразующих поверхностей пресс-форм, нанесение которых осуществляется методом катодно-ионной бомбардировки (КИБ). 

Теоретическая часть

В работе [4] приведены сведения, согласно которых можно сделать предположение, что многослойные защитные покрытия дают возможность получение алюминиевых отливок высокого качества благодаря снижению коэффициента трения между заливаемым расплавом и пресс-формой, а также путем оптимизации составляющих теплового баланса между металлической формой и отливкой.

Перспективным представляется использование трехслойного покрытия TiCN–TiN–MoN, которое обладает рядом достоинств: химическая инертность к воздействию со стороны алюминиевого расплава, пониженный коэффициент трения (f = 0,26–0,28), небольшая толщина покрытия (до 10 мкм), не влияющая на линейные размеры формообразующей полости, повышенное сопротивление образованию и росту трещин, достигаемая за счет слоев переменной твердости, а также хорошее сцепление слоев между собой и всего покрытия с материалом пресс-формы [5].

Методика проведения экспериментов

Для подтверждения эффективности использования покрытия TiCN–TiN–MoN, нанесенного на формообразующую поверхность пресс-формы с целью повышения качества получаемых алюминиевых отливок были проведены экспериментальные исследования, в рамках которых сравнивались показатели пористости и шероховатости у отливок двух видов.

Первый вид отливок был изготовлен в пресс-формах с различными покрытиями КИБ: однослойное TiN толщиной 3 мкм и многослойное TiCN–TiN–MoN толщиной 6 мкм. Второй вид отливок был получен по «традиционной» технологии с использованием формообразующих плит из стали 4Х5МФС с азотированным слоем толщиной 0,1 мм.

Поскольку дефект газовой пористости в большинстве случаев возникает при литье толстостенных отливок [1], то поэтому в качестве исследуемой отливки было выбрано изделие типа «Ручка» из сплава АК7 (ГОСТ 1583–93) с толщиной стенки до 1 мм и массой 0,1 кг. К данной отливке прописаны жесткие требования по качеству видовой поверхности — Ra 1,6 мкм, кроме этого в процессе работы она должна выдерживать крутящий момент 25 Н·м.

Оценка пористости отливок производилась по ГОСТ 1583–93, согласно которого в центре объема отливки выполнялся микрошлиф. При этом стоит учитывать тот факт, что для ЛПД наибольшая пористость характерна для зоны на небольшой глубине от наружной поверхности алюминиевой отливки [2], исходя их этого на отливке было выбрано несколько срезов для выявления наиболее пористого из них (рисунок 1).

Для оценки отливок по параметру пористости за основу была использована методика, указанная в ГОСТ 1583–93, согласно которой место для выполнения микрошлифа выбирается в центре объема отливки.Однако учитывая, что зона наибольшей пористости для алюминиевых отливок, полученных ЛПД расположена на определенной глубине от наружной поверхности [1], было выполнено нескольких срезов с целью выявления наиболее пористого из них (рисунок 1). Срез осуществлялся фрезерованием вдоль наиболее «пористого» слоя с целью подготовки трех макрошлифов площадью S = 1 см2 с шероховатостью не менее 3,2 мкм. На основе визуального осмотра производилась оценка пористости путем подсчета количества и диаметра пор с присвоением баллов от 1 до 5 по ГОСТ 1583–93, где 1 соответствует мелкой пористости, а 5 – высокой пористости.

 

Рисунок 1. Сечение отливки для определения пористости

 

Обсуждение результатов

Исследование выполненных срезов показало, что для исследуемых отливок наиболее пористым является слой на глубине от 1 до 4 мм от наружной поверхности, поэтому срез для выполнения макрошлифов на всех образцах производился на глубине 3 мм.

  

Рисунок 2. Макрошлиф отливки типа «Ручка», полученной в пресс-форме: а — с азотированием; б — с покрытием TiN; в — с покрытием TiCN–TiN–MoN

 

Согласно полученным данным было выявлено, что образцы, изготовленные путем литья в пресс-формы с азотированием соответствуют третьему баллу пористости, согласно которому их можно классифицировать как отливки средней пористости. Отливки, полученные в пресс-формах с покрытием КИБ обладают лучшими показателями максимального диаметра и количества пор и соответствуют второму баллу — отливки пониженной пористости.

Выявлено, что шероховатость поверхности отливки имеет примерно одинаковые значения вне зависимости от места замера, и в начале периода эксплуатации пресс-формы составляет менее Ra 0,8 мкм независимо от вида обработки формообразующей поверхности.

 

 

Рисунок 3.  Значения шероховатости отливок, полученных в пресс-формах: 1 — с азотированием; 2 — с покрытием TiN; 3 — с покрытием TiCN–TiN–MoN

На графике (рисунок 3) показано, что отливки, полученные во вставках с азотированием, достигают предельно допустимой шероховатости 3,2 мкм после 75 тыс. циклов запрессовок. При аналогичных показаниях периода эксплуатации пресс-формы с покрытиями КИБ значения шероховатости отливок были почти в 2 раза меньше. Пресс-форма с азотированием формообразующих поверхностей обеспечивает получение годных отливок по показателю шероховатости в течение 75 тыс. циклов запрессовок; пресс-форма с покрытиями КИБ обеспечивает получение аналогичных по качеству поверхности отливок в течение 100 тысяч циклов запрессовок. При этом многослойное покрытие TiCN–TiN–MoN обладает несколько лучшими результатами, чем однослойное TiN.

Заключение

Таким образом, проблема недостаточного качества отливок из алюминиевых сплавов, получаемых литьем под давлением, по параметрам пористости и высокой шероховатости может быть решена путем использования многослойных защитных покрытий, наносимых методом КИБ на формообразующие поверхности пресс-форм. В сравнении с традиционно используемым азотированием, покрытия КИБ позволяют снизить балл пористости на одну единицу и уменьшить шероховатость на протяжении всего периода эксплуатации пресс-формы, при увеличении эксплуатационного ресурса пресс-формы с 75 до 100 тыс. циклов запрессовок.

Литература
  1. Горюнов И.И. Пресс-формы для литья под давлением. Ленинград, Машиностроение, 1973, 256 с.
  2. Белопухов А.К. Технологические режимы литья под давлением. Москва, Машиностроение, 1985, 272 с.
  3. Батышев К.А., Батышев А.И. Способы получения отливок из алюминиевых сплавов. Литейное производство, 2020, № 3, с. 12–15.
  4. Гавариев Р.В., Савин И.А., Панкратов Д.Л. К вопросу определения свойств износостойких покрытий металлических форм. Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева, 2019, № 3, с. 81–84.
  5. Gavariev R.V., Savin I.A., Leushin I. O. Improvement of zinc castings surface quality by laminated protective coating. Tsvetnye Metally, 2017, no. 5, pp. 84–88. https://doi.org/10.17580/tsm.2017.05.13
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.