CC BY
151
Коэффициент ковариации этого уравнения показывает, что химический состав чугуна лишь на 13,5% определяет стойкость изложниц и не является определяющим в стойкости изложниц.
Температура заливки при ее увеличении слабо сказывается на стойкости изложниц (рис. 5).
1150 1170 1190 1210 1230 Температура заливки, °С
Рис. 5. Влияние температуры заливки чугуна на стойкость изложниц
Анализ влияния изменения химического состава чугуна ваграночной плавки на стойкость изложниц, проведенный по значительному массиву данных в условиях стабильной работы литейного цеха, показал, что имеющие место колебания изменения содержания контролируемых элементов не оказывают существенного влияния на стойкость изложниц. Химический состав чугуна при значительном изменении пределов колебаний отдельных элементов без модифицирования чугуна всего на 13,5 % определяет стойкость изложниц. Более существенное значение имеют параметры эксплуатации изложниц.
Сведения об авторах
Миляев Александр Федорович - канд. техн. наук, проф. института металлургии, машиностроения и материалообработ-ки ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Тел.: (3519) 29-85-30. Email: profmiljaev@gmail.com.
Никитин Юрий Петрович - ООО «Новые технологии-ИЦ». Тел.: +7(3519) 58-60-90. E-mail: mail@novtexn.ru.
Кадников Сергей Владимирович - гл. инженер ООО «Новые технологии-ИЦ». Тел.: 7(3519) 58-60-90. E-mail: mail@novtexn.ru.
Тимофеев Владимир Андреевич - гл. сталеплавильщик ЗАО «Волгоградский металлургический завод "Красный Октябрь"». E-mail: v_timofeev@vmkko.ru.
Матвеев Анатолий Николаевич - ведущий инженер отдела технологии сталеплавильного производства ЗАО «Волгоградский металлургический завод "Красный Октябрь"».
♦ ♦ ♦
УДК 621.74
Гавариев Р.В., Савин И.А., Леушин И.О.
К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕСС-ФОРМ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ НАНЕСЕНИЕМ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ
Аннотация. Исследуется проблема повышения эксплуатационной стойкости пресс-форм для литья под давлением с помощью нанесения твердых покрытий методом КИБ. Описывается эксперимент по определению конкретных количественных и качественных характеристик твердых покрытий в зависимости от их состава.
Ключевые слова: пресс-форма, литье под давлением, многофункциональные покрытия, метод КИБ.
Существует множество способов и методов улучшения эксплуатационных характеристик поверхностного слоя [1], однако наибольший интерес представляют методы физического (ФОП) и химического осаждения (ХОП). В сравнении с ними остальные методы физического и механического упрочнения или химико-термической обработки с меньшей эффективностью решают проблему повышения эксплуатационной стойкости изделий. Твердым покрытиям, полученным методами ХОП и ФОП, присуще хорошая адгезия с материалом пресс-формы. Однако для области литья под давлением весьма перспективным
выглядит использование метода ФОП, а в частности метод конденсации вещества в вакууме с ионной бомбардировкой (метод КИБ), по нескольким причинам. Одна из них - сравнительно низкая температура конденсации (200-800°С), тогда как в методе ХОП рабочая температура процесса составляет 1000°С. Помимо этого методом КИБ возможно нанесение многослойных покрытий с использованием различных химических элементов. Существует огромное количество видов покрытий, таких как нитрид титана (ТЫ), карбонитрид титана (ТЮЫ), нитрид молибдена (МоЫ), нитрид титана и молибдена(Т,Мо)Ы, нитрид
титана и железа (Т^е)^ нитрид титана и алюминия (Л,А1^ и другие. Помимо указанных покрытий, возможно их использование в различных комбинациях. Несмотря на огромную номенклатуру, для литья под давлением цинковых сплавов практически нет рекомендаций по выбору конкретного вида твердого покрытия.
Одним из главных преимуществ защитных покрытий является повышение способности материала сопротивляться образованию и росту трещин, увеличивая период работы пресс-формы до появления первичных трещин на формообразующих поверхностях. Увеличение данного параметра зависит главным образом от состава покрытия. Наилучшими эксплуатационными показателями среди твердых покрытий, нанесенных методом КИБ, обладают многослойные покрытия [2]. Это объясняется тем, что в многослойных покрытиях сочетаются плюсы сразу нескольких однослойных покрытий. Чередование множества тонких слоев покрытий обеспечивает замедление роста трещин, образующихся как в покрытии, так и в материале пресс-формы. Все это в сумме дает повышенную микротвердость, низкий коэффициент трения, малый коэффициент отслоения покрытия от металла пресс-формы, малую теплопроводность и т.д. При этом схема для всех многослойных покрытий будет примерно одинакова. Нижний слой обеспечивает сцепление с материалом пресс-формы, верхний слой взаимодействует с заливаемым сплавом, то есть, изменяя его состав, возможно управление характеристиками процесса литья, а также средний слой, служащий преградой для роста трещин, возникающих как в материале пресс-формы, так и в покрытии. Также возможно использование дополнительных слоев для улучшения адгезии между слоями.
Многослойные покрытия могут состоять как из одного материала, слои которого будут отличаться в зависимости от параметров нанесения покрытия, так и из разных. При этом наиболее перспективным выглядит использование различных составов для определенных слоев покрытия. При этом не существует определенной методики по выбору составов покрытий, а также по их количественным и качественным характеристикам.
Учитывая условия процесса литья под давлением [3], можно сказать, что покрытия должны удовлетворять следующим требованиям:
- выдерживать прерывистые, циклически повторяющиеся температурные воздействия, вызывающие появление трещин,
- препятствовать появлению трещин как в материале пресс-формы, так и в самом покрытии,
- препятствовать росту образовавшихся трещин,
- обладать низким коэффициентом трения для уменьшения износа поверхностного слоя, взаимодей-
ствующего с расплавленным металлом.
Однако для определения конструкции многослойного покрытия, удовлетворяющего вышеуказанным требованиям, необходимо иметь полную информацию по работе каждого покрытия по-отдельности. Наиболее высокими показателями среди однослойных обладают многокомпонентные покрытия, так как в этом случае имеется возможность варьирования материалов с целью получения определенных свойств взаимодействующих слоев покрытие - материал пресс-формы. Также важным моментом является то, что по сравнению с простыми двухкомпонентными соединениями возможно получение аномально высоких эксплуатационных показателей. Однако при использовании сложных составов имеется проблема невозможности получения комплекса необходимых свойств, самым частым случаем является невозможность получения покрытия с высоким показателем сцепления с материалом пресс-формы при высоком значении твердости. Стоит отметить, что большинство рабочих параметров покрытий определяют экспериментально, поэтому составление наиболее оптимальной конструкции твердого многослойного покрытия возможно только после проведения сравнительного эксперимента, целью которого является выявления сильных и слабых сторон наиболее распространенных однослойных покрытий.
Составы однослойных покрытий выбирались из соображений микротвердости и максимальных значений адгезии между взаимодействующими слоями материал пресс-формы - покрытие. Исследовались следующие составы покрытий: ТЮ^ Мо^ (Т^Мо)^ а также, в качестве сравнения, изготовленная по традиционной технологии поверхность с азотированным слоем толщиной 11=0,08-0,12 мм. Нанесение покрытий осуществлялось на установке «Булат-6». Производилась сравнительная оценка скорости появления и роста трещин на формообразующих поверхностях пресс-форм для литья под давлением цинковых сплавов. Согласно работам [4, 5] известно, что разрушение формообразующих поверхностей начинается с появления напряжений как на поверхности, так и в глубине материала пресс-формы, при этом причины их возникновения могут быть совершенно различны. Это могут быть напряжения, возникшие на стадии изготовления пресс-формы, также могут влиять тепловые и силовые факторы, действующие в период приработки. Далее, под воздействием циклических термодинамических нагрузок, менее чем за тысячу циклов, напряжения преобразуются в первые трещины на формообразующих поверхностях. Поэтому одним из требований для покрытия является отсрочка момента появления первых трещин. Так, для покрытия TiN период до появления первых трещин увеличивается в 2,2 раза по сравнению с азотированным слоем, для MoN - в 2,3 раза, для TiCN - в 2,4 раза, для (К,Мо^ - 2,6 раз (рис. 1).
/V, кол-Ьо циклоб
200015001000500
0051
1710
1805
'775'
о б 5 г д Рис.1. Количество циклов работы пресс-формы
до появления первых трещин в зависимости от покрытия: а - азотированная поверхность; б - ТЫ; в - МоЫ; г - ПСЫ; д - (Т1,Мо}Ы
Таким образом, можно сделать вывод, что все покрытия по сравнению с азотированным слоем увеличивают период работы пресс-формы до появления первых трещин более чем в 2 раза, при этом покрытия сложного состава дают наибольшую трещиностой-кость.
По мере работы пресс-формы отдельные трещины образуют сетку трещин, приводящих к разрушению как покрытия, так и материала пресс-формы. При этом происходит увеличение размеров трещин как в длину, так и ширину. Период работы пресс-формы с момента появления первых трещин до превышения ими критических размеров является самым длительным и для литья цинковых сплавов под давлением может составлять до 97%. При этом преобладает усталостный износ, при котором в процессе циклических нагрузок мелкие трещины объединяются, что приводит к отделению мелких слоев металла. Учитывая это, дополнительной задачей является определение такого состава покрытия, на которое минимально будет влиять наличие трещин в материале пресс-формы. Количество циклов до полного разрушения у покрытий различно и зависит от конструкции (рис.2).
/V, кол—Ею циклод
250 200 150 100 50
208,9
-141,1
145,,
158,1
64.5
Рис.2. Количество циклов работы пресс-формы с момента появления первых трещин до начала разрушения покрытия: а - азотированная поверхность; б - ТЫ; в - МоЫ; г - ПСЫ; д - (Т1,Мо}Ы
Если проанализировать периоды стойкости покрытий (см. рис. 1,2), то можно сказать, что чем сложнее покрытие, тем большее количество циклов оно выдерживает до момента начала разрушения. Это можно объяснить их более высоким уровнем остаточных сжимающих напряжений.
При всем вышесказанном толщина защитного покрытия практически не влияет на динамику роста трещин в материале пресс-формы, но критична для трещин в покрытии. Толщина покрытий определяется в диапазоне от 3 до 10 мкм и зависит от нескольких факторов. При определении толщины покрытия существуют два противоречивых момента. Минимальные значения обеспечивают наилучшую сцепляемость с материалом пресс-формы. В свою очередь, максимальная толщина дает наибольшую износостойкость. Тем не менее, по результатам исследований процесса литья под давлением цинковых сплавов удалось определить оптимальные значения для конкретных составов покрытий по значениям износа на формообразующей поверхности (рис. 3).
Д мкм
Рис.3. Зависимость величины износа от толщины покрытия: 1 - ТЫ, МоЫ; 2 - ПСЫ; 3 - (Л, Мо}Ы
Для простых однослойных покрытий типа ТГЫ, MoN оптимальной толщиной является 5-6 мкм, для покрытий ТЮ^ (Л, Мо^ и (Л, - 6,5-8 мкм.
Таким образом, толстые покрытия обладают большей износостойкостью, при этом наилучшие показатели соответствуют покрытиям со сложными составами. Так, износостойкость покрытия (Л, Мо^ в 1,3 раза больше, чем у ЛМ
Исходя из данных проведенных экспериментов, можно сказать, что покрытия, нанесенные методом КИБ, значительно увеличивают эксплуатационную стойкость формообразующих поверхностей в сравнении с азотированием. При этом по параметрам тре-щиностойкости и износостойкости многокомпонентные однослойные покрытия в сравнении с простыми показывают более лучшие результаты по общему сроку службы пресс-формы до критического износа. Из исследуемых покрытий наиболее выгодным с точки зрения соотношения затрат на получение слоя и собственно срока службы пресс-формы выглядит покрытие состава (11, Мо)№
Список литературы
1. Савин И.А. Формирование базы данных вариантов материала режущей части инструмента и метода его поверхностного упрочнения // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева / НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Нижний Новгород, 2012. №3. С. 97-105
2. Табаков В.П., Смирнов М.Ю., Циркин А.В. Работоспособность торцовых фрез с многослойными износостойкими покрытиями. Ульяновск: УлГТУ, 2005. 152 с.
3. 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.
4. 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.
5. Денисов В.Ю. Взаимодействие сплавов алюминия с материалами пресс-форм и повышение их стойкости функциональными покрытиями: автореф. дис. . канд. техн. наук. Тюмень, 2005. 16 с.
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
♦ ♦ ♦
УДК 621.74.045:621.742.001.57 Савинов А.С., Тубольцева А.С.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В КРИСТАЛЛИЗУЮЩЕМСЯ СЛОЕ СТЕНКИ ОТЛИВКИ
Аннотация. Описаны причины усадки литой детали при затвердевании и охлаждении ее в форме. Ключевые слова: усадка, отливка, деформация растяжения.
Одним из наиболее характерных факторов, сопутствующих формированию отливок, следует считать процесс усадки литой делали при затвердевании и охлаждении ее в форме. Металл, залитый в форму с более низкой температурой, уменьшается в объеме (усаживается). Причиной зависимости действительной усадки от номинального размера кроме деформации формы при заливке может быть неравномерность усадки по длине (рис. 1), обнаруженная при проведении экспериментов, выполненных инженером М.Ю.Ершовым [1].
Установлено, что в основе описанного явления лежат особенности теплового расширения высохшей корки литейной формы [2].
Такое поведение сухой корки относится к периоду времени, когда залитый в форму металл
ад
Ü
i 1
V' \ 1
i
ХГ
-г
Номер участка
Рис.1. Изменение усадки по длине образца
находится в жидком состоянии и следует за расширяющейся формой. Размеры отливки в рассматриваемом продольном направлении увеличиваются, т.е. формируется предусадочное расширение.
Затем образуется твердая корка отливки, которая плотно прилегает к форме. Сухая корка формы продолжает расширяться, а твердая корка отливки должна сокращаться (усаживаться). Между отливкой и формой возникают силы трения. В первые моменты после образования твердая корка имеет малые толщину и прочностные свойства и поэтому растягивается более прочной расширяющейся сухой коркой формы. Деформация растяжения неодинакова по всей длине отливки. Если бы сухая корка формы не расширялась, то твердая корка отливки, не имея возможности сокращаться из-за сил трения, претерпела бы деформацию растяжения, равную усадке. Именно такая обстановка складывается за пределами концевых участков, где расширение сухой корки полностью затруднено. Концевые же участки сухой корки расширяются, поэтому деформация растяжения отливки на этих участках превысит усадку. Это означает, что предусадоч-ное расширение продолжает нарастать и после обра-
