Способ получения отливки из литейного алюминиевого сплава с вакуумно-плазменным покрытием

Авторы патента:

C23C14/02 - предварительная обработка покрываемого материала (C23C 14/04 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2597450:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" (ФГБОУ ВО "СамГТУ") (RU)

Изобретение относится к способам получения отливок из литейных сплавов алюминия с последующим нанесением на них разнофункциональных вакуумно-плазменных покрытий. Способ получения отливки из литейного алюминиевого сплава с вакуумно-плазменным покрытием включает заливку расплава в литейную форму, выдержку расплава в форме с кристаллизацией отливки, подготовку отливки путем ее охлаждения, закалки и старения, шлифования, полирования и обезжиривания ее поверхности, и последующее нанесение вакуумно-плазменного покрытия, при этом расплав выдерживают в литейной форме в течение 30 сек, отливку охлаждают после извлечения из литейной формы в воде, а старение отливки осуществляют в течение 1,5-6 часов. Техническим результатом изобретения является повышение качества вакуумно-плазменных покрытий на отливках из литейных сплавов алюминия.

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.

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_a=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).

5. Произведена механическая обработка отливки шлифованием и полированием для обеспечения заданной шероховатости ее поверхности R_a=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).

Микротвердость ионно-плазменного покрытия TiN для обоих вариантов получения изделий оказалась практически одинаковой HD_⁪50=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.

Способ получения отливки из литейного алюминиевого сплава с вакуумно-плазменным покрытием, включающий заливку расплава в литейную форму, выдержку расплава в форме с кристаллизацией отливки, подготовку отливки путем ее охлаждения, закалки и старения, шлифования, полирования и обезжиривания ее поверхности, и нанесение вакуумно-плазменного покрытия, отличающийся тем, что расплав выдерживают в литейной форме в течение 30 сек, отливку охлаждают после извлечения из литейной формы в воде, а старение отливки осуществляют в течение 1,5-6 часов.

Изобретение относится к области нанесения алмазоподобных (DLC) покрытий на металлические детали, подвергающиеся в процессе эксплуатации трению. Металлическую деталь травят в СВЧ-плазме и подвергают нанесению WC-C слоя с градиентом состава.

Способ защиты лопаток турбомашин из легированных сталей от эрозии и солевой коррозии // 2585599

Изобретение относится к области машиностроения и металлургии и может использоваться в авиационном и энергетическом турбостроении для защиты пера лопаток компрессора от эрозии и солевой коррозии при температурах эксплуатации до 800°C.

Способ получения упрочняющих многослойных покрытий // 2574542

Изобретение относится к способу получения покрытия на поверхности металлического изделия и может быть использовано для обработки поверхностей лопаток компрессора газотурбинных двигателей и установок.

Способ получения антибиотического покрытия в тлеющем разряде в парах 3-нитро-1-адамантановой кислоты // 2569644

Изобретение относится к области получения и производства полимерных материалов, обладающих антибиотическими свойствами за счет создания тонкого покрытия. Синтез тонкого покрытия на поверхности изделия осуществляют в низкотемпературной плазме тлеющего разряда в парах 3-нитро-1-адамантановой кислоты.

Способ формирования жаростойкого нанокомпозитного покрытия на поверхности изделий из жаропрочных никелевых сплавов. // 2549813

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к методам образования защитных покрытий на деталях, подверженных высоким температурам и механическим нагрузкам.

Многослойное, износостойкое покрытие // 2543643

Изобретение относится к трубопроводной арматуре и предназначено для дисковых клапанов средних и больших размеров, может быть использовано в машиностроении, агрегато- и двигателестроении при создании запорных и регулирующих конструкций для регулирования больших расходов и перепадов давлений, в частности в дисковых клапанах с улучшенными функциональными свойствами такими, как антифрикционные, прочностные, износостойкие, эрозионно стойкие и пр.

Способ нанесения покрытия на металлические заготовки в установке вакуумирования (варианты) // 2543575

Изобретение относится к вакуумной обработке поверхностей заготовок. Способ нанесения покрытия на металлические заготовки осуществляют в установке вакуумирования, содержащей выполненный в виде мишени первый электрод, который является частью источника испарения электрической дугой и через который подают дуговой разряд с током дугового разряда, посредством которого испаряют материал мишени, и второй электрод, который выполнен в виде держателя заготовок и вместе с заготовками образует электрод смещения, на который подают напряжение смещения.

Способ изготовления заготовки светоотражающего элемента для оптических систем // 2541319

Изобретение относится к способу изготовления заготовки светоотражающего элемента для оптических систем, включающему предварительную химико-механическую обработку поверхности сложнопрофильных деталей, формирование металлизированного отражающего слоя.

Способ импульсно-периодической ионной очистки поверхности изделий из диэлектрического материала или проводящего материала с диэлектрическими включениями // 2526654

Изобретение относится к ионной очистке поверхности изделий из диэлектрического материала или проводящего материала с диэлектрическими включениями. Изделия размещают на проводящем держателе, генерируют плазму с импульсно-периодическим ускорением ее ионов путем прохождения плазменного потока через ускоряющий зазор и с обеспечением поочередного облучения поверхности изделий потоком ускоренных ионов и плазмой при подаче на проводящий держатель высокочастотных короткоимпульсных потенциалов смещения.

Способ изготовления термического барьера, покрывающего металлическую подложку из жаропрочного сплава, и термомеханическая деталь, полученная этим способом изготовления // 2526337

Изобретение относится к способу изготовления термического барьера, содержащего, по меньшей мере, подслой и керамический слой, покрывающие металлическую подложку из жаропрочного сплава.

Способ изготовления исходной заготовки из алюминиевого сплава для горячей объемной штамповки деталей // 2595154

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано в кузнечных цехах металлургических и машиностроительных заводов при изготовлении полуфабрикатов из слитков алюминиевых сплавов.

Контейнеры, изготовленные из переработанного алюминиевого лома методом ударного прессования // 2593799

Изобретение относится к алюминиевым сплавам для использования в производственной технологии ударного прессования для создания формованных контейнеров и других изделий промышленного производства.

Полуфабрикат из алюминиевого сплава с улучшенной микропористостью и способ изготовления // 2590744

Изобретение относится к полуфабрикатам из алюминиевого сплава, изготовленным полунепрерывной вертикальной разливкой с прямым охлаждением, которые могут быть использованы для изготовления конструкционных элементов для авиационно-космической промышленности.

Способ изготовления биметаллической заготовки из антифрикционного сплава // 2590464

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изготовлению биметаллических заготовок из алюминиево-оловянных антифрикционных сплавов путем изменения их физической структуры сочетанием термической обработки и пластической деформации, и может быть использовано, например, в производстве подшипников скольжения.

Сплав на основе алюминия и способ получения из него деформированных полуфабрикатов // 2590403

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия, и может быть использовано при получении деформированных полуфабрикатов в виде прессованных профилей, прутков, труб, катаных плит и листов, предназначенных для использования в строительстве, судостроении, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности.

Высокопрочные кованые изделия из алюминиевого сплава // 2580261

Изобретение относится к высокопрочным кованым изделиям из алюминиевых сплавов и способам их получения. Кованое изделие, выполненное из деформируемого алюминиевого сплава, упрочняемого термообработкой, имеет кристаллическую микроструктуру, содержащую зерна первого типа с отклонением зерен от ориентации текстуры ≤3°, имеющие среднее отношение размеров в плоскости LТ-ST по меньшей мере 3,5:1, и зерна второго типа, отличные от зерен первого типа, причем зерна первого типа содержатся в количестве от 5 об.% до 50 об.%, при этом максимальная интенсивность текстуры по графику ODF составляет по меньшей мере 30.

Способ получения деформированных полуфабрикатов из сплава на основе алюминия // 2579861

Изобретение относится к области металлургии, в частности к деформируемым сплавам на основе алюминия системы Al-Fe-Si в виде тонколистового проката, фольги, листов, плит, прессованных профилей, проволоки и др.

Способ изготовления листовой заготовки из алюминиево-магниевого сплава // 2575264

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, более конкретно к способам изготовления листовых заготовок из деформируемых термически неупрочняемых алюминиево-магниевых сплавов с добавками переходных металлов.

Малодеформационная закалка алюминиевых сплавов // 2574928

Изобретение относится к области термической обработки металлов и сплавов, а именно к закалке сложноконтурных деталей и полуфабрикатов из сплавов на основе алюминия, широко используемых в авиационной и ракетной технике и других изделиях машиностроения в качестве конструкционных основных элементов.

Способ получения изделий из алюминиевых сплавов // 2573543

Изобретение относится к области металлургии, а именно к технологии получения изделий методом горячей деформации алюминиевых сплавов, преимущественно высокопрочных и жаропрочных, для использования главным образом в авиакосмической технике и транспортном машиностроении.

Способ получения деформированного изделия из алюминиевого сплава с вакуумно-плазменным покрытием // 2597451

Изобретение относится к способам получения изделий из сплавов алюминия обработкой давлением с последующим нанесением на них разнофункциональных вакуумно-плазменных покрытий. Способ получения деформированного изделия из алюминиевого сплава с вакуумно-плазменным покрытием включает подготовку заготовки путем горячей деформации, охлаждения после деформации, закалки, старения, шлифования, полирования и обезжиривания ее поверхности, при этом горячую деформацию осуществляют при температуре 380-450 °С, охлаждение заготовки после окончания деформирования проводят в воде, выдержку при температуре закалки проводят в течение 10-20 мин, а старение осуществляют при температуре 100-150 °С в течение 2-3 часов. Техническим результатом изобретения является повышение качества вакуумно-плазменных покрытий на деформированных изделиях из сплавов алюминия.