CC BY
325
УДК 621.74
Гавариев Р.В., Савин И.А., Леушин И.О.
К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ПРЕСС-ФОРМ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ЦИНКОВЫХ СПЛАВОВ
Аннотация. Рассмотрены способы повышения стойкости пресс-форм, причины возникновения напряжений I, II и III родов. Экспериментально определено, какой род напряжений в большей степени влияет на зарождение и рост трещин разгара.
Ключевые слова: стойкость пресс-форм, напряжения, трещины, рост трещин, дефекты.
Одним из возможных способов повышения эффективности процесса литья под давлением является увеличение эксплуатационной стойкости пресс-форм. Повысить стойкость оснастки возможно за счет оптимальной конструкции пресс-формы для конкретной детали, улучшения технологии литья, а также за счет использования материалов с определенными, заранее заданными свойствами [1]. Однако, прежде всего, необходимо иметь полную информацию по дефектам, возникающим на формообразующих деталях.
Наибольший процент вышедших из строя пресс-форм вызван появлением и развитием трещин разгара. Так, в условиях отдельных производств данное значение может доходить до 50%, что является недопустимым с экономической точки зрения. Однако решение проблемы трещин разгара невозможно без определения механизма их возникновения и развития.
Любая из пресс-форм, даже находясь в ненагру-женном состоянии, испытывает влияние напряжений, вызванных различными факторами. Первыми по очередности возникновения являются напряжения, образованные при механическом изготовлении деталей пресс-форм. Помимо остаточных напряжений, на пресс-форму во время работы постоянно действуют напряжения, вызванные силовыми и температурными воздействиями, и если влияние остаточных напряжений можно уменьшить или исключить введением дополнительной операции термической обработки, то силовых и температурных напряжений избежать невозможно. В конечном итоге именно они и вызывают разрушение формообразующих поверхностей пресс-форм.
Общепринятой классификацией напряжений является разделение их на: напряжения I, II и III родов [2]. Напряжения I рода возникают под действием сил, вызванных формовкой отливки. Влияние данных напряжений зонально согласно геометрическим участкам формообразующих поверхностей. Касательно литья под давлением цинковых сплавов можно сказать, что благодаря низкой температуре плавления рабочего сплава период образования и роста напряжений I рода значительно увеличен, по сравнению, например, с алюминиевыми сплавами. Тем не менее, пренебрегать значениями данных напряжений нельзя,
так как если учесть достаточно продолжительный минимальный срок службы пресс-форм для литья цинковых сплавов согласно ГОСТ 19946-74, то напряжения могут весьма пагубно сказаться на продолжительности работы пресс-формы. Тем более, при наличии значительно выступающих участков напряжения I рода могут привести к необратимой деформации деталей пресс-формы.
Напряжения II рода образуются в результате фазовых превращений, различных включений и анизотропии свойств, т.е. если соседние зерна металла формообразующих вкладышей имеют различную ориентацию или же на их границе имеется инородное включение, то все это вызывает разность напряжений и, как следствие, пластическую деформацию. Влияние данных напряжений можно рассматривать в рамках одного или нескольких зерен металла. Данный род напряжений подходит для зарождения трещин II типа, образующихся внутри металла пресс-формы.
Напряжения III рода являются субмикроскопическими, то есть их влияние распространяется на атомы. Именно данные напряжения, вызванные внедрением или же отсутствием атомов на границе атомной решетки зарождают трещины, которые, в конечном счете, разрастаются в различные сетки и петли разгара.
Таким образом, учитывая разную природу возникновения и различные участки воздействия на формообразующих деталях, невозможно однозначно определить какой род напряжений в большей степени влияет на зарождение и рост трещин разгара. Прояснить данную картину возможно лишь экспериментальными данными.
Эксперимент проводился с использованием восьмиместной пресс-формы, изготовленной по традиционной технологии с азотированием формообразующих поверхностей, с целью подтверждения теоретических знаний в области трещинообразования и износа формообразующих поверхностей вкладышей и вставок. Материалом заливки являлся сплав ЦА4М1 (ГОСТ 25140-93) с температурой плавления 380-386°С. В ходе эксперимента фиксировались дефекты и изменения размеров, а также контролировалось качество получаемых отливок по наиболее распространенным дефектам, таким как пористость, облой, на-
личие раковин, чистота поверхностного слоя. Завершение эксперимента могло быть вызвано двумя причинами: выходом из строя пресс-формы или негодностью получаемых отливок. Планирование эксперимента проводилось по общепринятой методике [2], согласно которой через ух был выражен параметр ширины трещин на формообразующих поверхностях, а через у2 - параметр плотности расположения трещин. После вычисления коэффициента их корреляции г была определена взаимосвязь между данными факторами.
N
Е (У 1м - Ух)(У2м - У2)
дЁ (У\и - У1)2 "Е (У2м - У2)2
V м=1 м=1
где N - количество опытов; У1 и У2 - среднее арифметическое двух указанных выше параметров, и -текущий номер опыта. Также в проводимом эксперименте уровень степени свободы был равен f=6, так как изначально имелось восемь формообразующих вставок. Значение коэффициента корреляции оказалось примерно равным +1, что означает линейную зависимость между рассматриваемыми параметрами.
Тем не менее, все статистические методы прогнозирования эксперимента закладывают определенную степень риска, поэтому для полного исключения вероятности ошибки было необходимо проведение эксперимента от момента ввода пресс-формы в эксплуатацию до окончательного момента ее выхода из строя.
Поскольку минимальное количество циклов запрессовок пресс-форм, работающих с цинковыми сплавами, начинается от ста тысяч циклов, то снятие показаний проводилось не чаще, чем каждые пять тысяч циклов, за исключением момента ввода пресс-формы в эксплуатацию.
В результате проведенных экспериментов выяснилось, что в течение первых двух тысяч циклов были сформированы трещины разгара, образовавшие сетку разгара на формообразующей поверхности, т.е. трещины 1 типа. Данные трещины образуются по причине неравномерности распределения температуры в объеме пресс-формы в процессе заливки расплавленного металла, а также при охлаждении в промежутках между заливками. Данные значения подтверждают уже существующие теории трещинообразования в пресс-формах.
Указанный период работы пресс-формы, как практически у любого рабочего механизма, является приработкой, то есть в этот период работы пресс-формы начинают сказываться внутренние напряжения, оставшиеся от механической обработки металла при изготовлении пресс-формы. Аналогичный период приработки при литье, например, алюминиевых сплавов занимает менее тысячи циклов, что объясняется
их более высокой температурой плавления (примерно 660°С) и большей химической активностью к металлу пресс-формы.
Дальнейший ход эксперимента показал, что рост данных трещин разгара значительно замедлился. Это указывает на то, что пресс-форма достигла рабочей фазы, то есть своего нормального состояния, когда внешние воздействия и внутренние напряжения не превышают предела текучести материала пресс-формы. В течение рабочего периода закон роста трещин принимает практически линейный характер, однако именно в течение рабочего периода пресс-формы формируются внутренние и магистральные трещины, которые, в конечном счете, и приводят к окончательному разрушению формообразующих поверхностей.
В течение всего эксперимента возникали дефекты, которые решались слесарным вмешательством. В частности, на формообразующих поверхностях образовывался нарост рабочего сплава, а также значительно ухудшалась шероховатость указанных поверхностей. Данные дефекты соответствующим образом влияли и на состояние получаемых отливок. Указанные проблемы устранялись при помощи дополнительной полировки формообразующих поверхностей. Данная операция позволяет лишь на непродолжительный срок увеличить период работы пресс-формы, и, достигнув отметки в сто восемьдесят тысяч запрессовок, эксперимент достиг своей первой критической отметки, при которой в получаемых отливках количество пор, шероховатость поверхностных слоев и об-лой достигли критических значений и дальнейшее их увеличение означало завершение эксперимента. При этом состояние формообразующих поверхностей все еще можно было оценить как удовлетворительное.
Однако, не достигнув отметки в двести тысяч циклов, эксперимент был остановлен по причине негодности получаемых отливок. Так как конечным звеном любой технологии является получаемое изделие (в нашем случае именно отливка), то параметры пресс-формы, на которой были получены негодные детали, являются критическими и их значения приведены в соответствующих зависимостях (рис.1, 2).
В, им
г
1,5
0,5
и 25 50 75 100 1£5 150 175 £С0 тысяч циклов
Рис. 1. Зависимость ширины трещин разгара от количества циклов.
Ко/1-ьо мме м
0,3 0,2 0,1
0 25 50 75 IDO 125 150 175 200 N, тысяч циклов
Рис.2. Зависимость плотность сетки трещин разгара от количества циклов.
Также стоит добавить, что размеры трещин в глубину достигали на отдельных участках 4 мм.
Таким образом, в результате проведенных экспериментов при обобщении значений обоих графиков выяснилось, что имеются три ярко выраженных периода работы пресс-формы при литье цинковых сплавов: период приработки, рабочий период, период критического износа. Критическими параметрами трещин для последнего периода при литье под давлением цинковых сплавов являются: ширина трещины 2 мм и плотность сетки трещин - 0,4 трещины на квадратный миллиметр. Количество циклов в эксперименте составило примерно двести тысяч, несмотря на то, что данное значение удовлетворяет минимальным требованиям по стойкости, требуются мероприятия по увеличению рабочего периода формообразующих деталей [5]. Учитывая возникающие дефекты при работе пресс-формы, наиболее подходящим выглядит использование защитных покрытий.
Имеется достаточное количество исследований нитридов из соединений с хромом, титаном, молибденом в качестве защитных покрытий для режущего инструмента [4], однако их применение в области литья под давлением для цинковых сплавов изучено весьма слабо, поэтому в теории отсутствуют точные рекомендации по выбору и применению данных покрытий.
Практически все нитридные покрытия обладают высокой адгезией к материалу пресс-формы, химической устойчивостью к цинковым сплавам, окалино- и разгаростойкостью, низким коэффициентом трения, устойчивостью к гидродинамическим ударам, вызванным явлением кавитации в потоке расплавленного металла. Тем не менее, защитные покрытия на основе молибдена выгодно отличаются от остальных тем фактом, что данное покрытие работает, как твердая смазка и имеет аномально низкий коэффициент трения между формообразующей поверхностью и расплавленным металлом. В свою очередь, уменьшение коэффициента трения означает уменьшение теплообмена между отливаемым расплавом и металлом пресс-формы. Однако при литье под давлением цинковых сплавов данное предположение практически не проверялось.
Обычная толщина покрытия не превышает 6 мкм, что практически не влияет на конечные размеры
вставок, полученных после обработки резанием. Нанесение покрытия возможно методом осаждения из плазменной фазы с ионной бомбардировкой (метод КИБ) на установке типа «Булат 6».
Одним из преимуществ метода КИБ является то, что при этом способе нанесения покрытия образуется до нескольких десятков слоев, наращенных друг на друга. Данная особенность увеличивает сопротивление покрытия образованию и росту трещин первого и второго типа. Однако наиболее эффективным способом по защите от роста трещин является чередование твердых и мягких слоев покрытия [4]. В случае такого чередования при прохождении через граничные слои рост трещин значительно замедляется в мягком слое. Различные виды покрытий позволяют варьировать значения микротвердости в достаточно больших диапазонах: от 22 до 50 ГПа по Виккерсу. Для этого необходимо произвести подбор слоев, наиболее полно удовлетворяющих требованиям литья под давлением.
Первый (нижний) слой должен быть мягким и обеспечивать максимально долгий контакт с формообразующей поверхностью пресс-формы, что в свою очередь увеличит период защиты основного материала пресс-формы. При этом уровень остаточных напряжений на данном слое должен быть невысок, чтобы уменьшить скорость роста трещин I типа на границе слоев. Именно по этой причине покрытие нитридом молибдена поверх материала пресс-формы будет недолговечным. Тем не менее, регулирование остаточных напряжений возможно за счет регулировки температуры осаждения покрытия. Поэтому в качестве материала первого слоя можно использовать кар-бонитрид молибдена как материал, достаточно близкий по составу к поверхностному слою вставок пресс-форм.
Для наружного слоя покрытия должны быть созданы условия, при которых будет минимальная вероятность появления трещин как первого, так и второго типа. Поскольку трещины в основном материале пресс-форм возникают из-за значительных температурных воздействий в течение короткого промежутка времени, то следует уменьшить данное воздействие за счет уменьшения коэффициента трения между расплавленным металлом и покрытием. Наиболее полно данным условиям соответствует нитрид молибдена.
Между наружным и нижним слоями должен находиться дополнительный слой с твердостью значительно выше, нежели у указанных. Также данный материал должен обеспечивать достаточную прочность с нижележащим материалом. Таким слоем может являться многокомпонентный материал: ^Мо^ Таким образом, покрытие для литья под давлением цинковых сплавов должно состоять из: первого слоя карбо-нитрида молибдена, промежуточного слоя нитрида металлов молибдена и титана и поверхностного слоя нитрида молибдена.
Чередование слоев покрытия именно в таком по-
рядке образует следующую структуру слоев: мягкий -твердый - мягкий. Данная структура является более предпочтительной по сравнению со структурой твердый - мягкий - твердый по нескольким причинам. Одна из них заключается в том, что с точки зрения усилий, действующих на покрытие, в наружном мягком слое преобладают растягивающие напряжения, частично компенсируемые прижатием потока расплавленного металла. В случае же верхнего слоя с повышенной твердостью преобладают сдвиговые напряжения, стремящиеся сдвинуть поверхностный слой относительно последующих, тем самым нарушая целостность покрытия. Те же самые напряжения действуют и на границе между материалом пресс-формы и нижним слоем покрытия. Второй, не менее важной, причиной является то, что мягкий слой по сравнению с твердым в большей степени замедляет рост трещин, направленных от верхнего слоя покрытия к материалу пресс-формы. Таким образом, для литья под давлением цинковых сплавов, по усилиям и напряжениям, действующим на покрытия, а также из-за особенности роста трещин второго типа в материалах с различной твердостью наиболее предпочтительным выглядит покрытие со структурой слоев мягкий - твердый -мягкий.
Справедливость данных рассуждений может подтвердить лишь дополнительный эксперимент, од-
нако использование износостойких покрытий в других отраслях машиностроения увеличивают показатели эксплуатационной стойкости в 2-5 раз.
Список литературы
1. Гавариев Р.В., Леушин И.О., Савин И.А. Проблема прогнозирования эксплуатационного ресурса пресс-форм литья под давлением цинковых сплавов и некоторые пути ее разрешения // Справочник. Инженерный журнал (с приложением). М., 2013. №6.
2. Березин Д.Т. Повышение эксплуатационной стойкости пресс-форм литья под давлением на основе анализа теп-лонапряженного состояния и моделирования процессов термоусталостного разрушения: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Рыбинск, 2002. 28 с.
3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при оптимальных условиях. М.: Наука, 1976. 277 с.
4. Табаков В.П., Смирнов М.Ю., Циркин А.В. Тонкопленочные многослойные покрытия побеждают трещины // Фундаментальные основы инженерных наук. 2007.
5. Гавариев Р.В., Савин И.А. Особенности проектирования технологической оснастки для получения отливок сплавов цветных металлов // Вестник КГТУ им. А.Н. Туполева. 2012. №4, вып. 2. С. 41-43.
Сведения об авторах
Леушин Игорь Олегович - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Литейно-металлургические процессы и сплавы» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева». E-mail: igoleu@mail.ru. Савин Игорь Алексеевич - канд. техн. наук, доц., зав. кафедрой КТМП НЧФ КГТУ им. А.Н. Туполева. Гавариев Ренат Вильсорович - ассистент кафедры КТМП НЧФ КГТУ им. А.Н. Туполева. E-mail: Gavarievr@mail.ru.
♦ ♦ ♦
