ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Литье под давлением остается одним из наиболее продуктивных способов получения сложных тонкостенных отливок из алюминиевых сплавов. Однако типичными проблемами процесса являются подповерхностная газовая пористость и ухудшение шероховатости изделий из-за износа формообразующих поверхностей пресс-форм. Цель работы: проведение сравнительной оценки эффективности различных методов упрочнения рабочей поверхности пресс-форм – традиционного азотирования и нанесения износостойких покрытий (TiN и многослойного TiCN-TiN-MoN) методом катодно-ионной бомбардировки (КИБ) – для улучшения качества алюминиевых отливок. Методы исследования. Экспериментальные исследования проводились на отливках типа «ручка» из сплава АК7. Качество отливок, полученных с использованием пресс-форм с тремя типами защитных поверхностей (азотированная, с покрытием TiN, с покрытием TiCN-TiN-MoN), оценивалось по уровню объемной пористости (ГОСТ 1583–93) и изменению параметра шероховатости Ra в ходе ресурсных испытаний (до 100 тыс. циклов литья). Результаты и обсуждение. Установлено, что нанесение покрытий методом КИБ статистически значимо улучшает качество отливок по сравнению с азотированием. Многослойное покрытие TiCN-TiN-MoN продемонстрировало наилучшие результаты: снижение максимального диаметра пор на 58 %, а их общего количества – на 40 %, что позволило отнести отливки к категории с пониженной пористостью (2 балла против 3 баллов для азотирования). Ресурсные испытания показали, что пресс-форма с азотированной поверхностью обеспечивает допустимую шероховатость отливок (Ra ≤ 3,2 мкм) в течение 75 тыс. циклов, в то время как оснастка с покрытиями TiN и TiCN-TiN-MoN сохраняет этот параметр на уровне Ra ≤ 1,6 мкм вплоть до 100 тыс. циклов. Важным практическим преимуществом метода КИБ является существенно меньшая технологическая трудоемкость процесса нанесения (2…3 часа) по сравнению с азотированием (20…30 часов), что снижает операционные затраты и время простоя оборудования. Выводы. Применение многослойного наноструктурированного покрытия TiCN-TiN-MoN, нанесенного методом катодно-ионной бомбардировки, является наиболее рациональным решением для повышения эксплуатационного ресурса пресс-форм и качества алюминиевых отливок. Данная технология обеспечивает комплексное улучшение ключевых показателей (пористость, шероховатость) и обладает значительным экономическим потенциалом за счет сокращения длительности технологического цикла упрочнения оснастки.

1. Горюнов И.И. Пресс-формы для литья под давлением. – Л.: Машиностроение, 1973. – 256 с.

2. Жуков А.А., Немтырев О.В., Хасанова Л.А. Исследование коррозионной стойкости сталей для пресс-форм литья под давлением // Заготовительные производства в машиностроении. – 2014. – № 4. – С. 31–35.

3. Gavariev R.V., Gavarieva K.N. The principle of choosing the composition of the protective coating for die casting molds // Defect and Diffusion Forum. – 2021. – Vol. 410. – P. 495–500. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/ddf.410.495.

4. Белопухов А.К. Технологические режимы литья под давлением. – М.: Машиностроение, 1985. – 272 с.

5. Жуков А.А., Немтырев О.В. Исследование тепловой структурной стабильности сталей для пресс-форм литья под давлением // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2014. – № 4 (34). – С. 3–10.

6. Case-based product development of a high-pressure die casting injection subset using design science research / M.C. Tojal, F.J.G. Silva, R.D.S.G. Campilho, A.G. Pinto, L.P. Ferreira // FME Transactions. – 2022. – Vol. 50 (1). – P. 32–45. – DOI: 10.5937/fme2201032T.

7. Gavariev R.V., Soldatkina E.N., Gavarieva K.N. Coatings and lubricant to forming surfaces of molds for casting under pressure // Solid State Phenomena. – 2021. – Vol. 316. – P. 789–793. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/ssp.316.789.

8. Лившиц В.Б., Мильчакова Н.Е., Берестнев А.А. Способ упрочнения вкладышей пресс-форм для литья с кристаллизацией под давлением // Литейное производство. – 2018. – № 3. – С. 30–32.

9. Development trend in composition optimization, microstructure manipulation, and strengthening methods of die steels under lightweight and integrated die casting / Z.-J. Bao, H.-Y. Yang, B.-X. Dong, F. Chang, C.-D. Li, Y. Jiang, L.-Y. Chen, S.-L. Shu, Q.-C. Jiang, F. Qiu // Materials. – 2023. – Vol. 16 (18). – P. 6235. – DOI: 10.3390/ma16186235.

10. Experimental analysis of heat transfer at the interface between die casting molds and additively manufactured cooling inserts / P. Capela, I.V. Gomes, V. Lopes, F. Prior, D. Soares, J.C. Teixeira // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2023. – Vol. 32 (23). – P. 10934–10942. – DOI: 10.1007/s11665-023-08425-z.

11. Enhanced cooling channel efficiency of high-pressure die-casting molds with pure copper linings in cooling channels via explosive bonding / S.-S. Shin, S.-K. Lee, D.-K. Kim, B. Lee // Journal of Materials Processing Technology. – 2021. – Vol. 297. – P. 117235. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2021.117235.

12. Clark L.D., Davey K., Hinduja S. Novel cooling channel shapes in pressure die casting // International Journal for Numerical Methods in Engineering. – 2001. – Vol. 50 (10). – P. 2411–2440. – DOI: 10.1002/nme.126.

13. Schuchardt T., Müller S., Dilger K. A near-surface layer heat treatment of die casting dies by means of electron-beam technology // Metals. – 2021. – Vol. 11 (8). – P. 1236. – DOI: 10.3390/met11081236.

14. К вопросу пористости алюминиевых отливок, полученных литьем под давлением / Р.В. Гавариев, И.А. Савин, И.О. Леушин, К.Н. Гавариева // Цветные металлы. – 2021. – № 8. – С. 76–82. – DOI: 10.17580/tsm.2021.08.12.

15. Akkaya E., Kay?r Y. The effect of aluminium injection parameters on the mechanical properties of the material produced by high pressure die-casting // Gazi University Journal of Science, Part C: Design and Technology. – 2023. – Vol. 11 (2). – P. 421–430. – DOI: 10.29109/gujsc.1211920.

16. Effect of injection parameters and vacuum on the strength and porosity amount of die-casted A380 alloy / B. Yalçin, M. Koru, O. Ipek, A.E. Özgür // International Journal of Metalcasting. – 2017. – Vol. 11 (2). – P. 195–206. – DOI: 10.1007/s40962-016-0046-2.

17. Concer D., Marcondes P.V.P. Experimental and numerical simulation study of porosity on high-pressure aluminum die casting process // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2017. – Vol. 39. – P. 3079–3088. – DOI: 10.1007/s40430-016-0672-x.

18. Nourian-Avval A., Fatemi A. Characterization and analysis of porosities in high-pressure die cast aluminum by using metallography, X-ray radiography, and micro-computed tomography // Materials. – 2020. – Vol. 13 (14). – P. 3068. – DOI: 10.3390/ma13143068.

19. Study on the influence of injection velocity on the evolution of hole defects in die-cast aluminum alloy / H. Cao, Q. Zhang, W. Zhu, S. Cui, Q. Yang, Z. Wang, B. Jiang // Materials. – 2024. – Vol. 17 (20). – P. 4990. – DOI: 10.3390/ma17204990.

20. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 336 с.

21. Юсубов Н.Д., Аббасова Х.М. Полнофакторная матричная модель точности выполняемых размеров на многоцелевых станках с ЧПУ // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 4. – С. 6–20. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.4-6-20.

22. Yusubov N.D., Abbasova H.M. Models of cutting forces in the matrix theory of multitool machining accuracy // Key Engineering Materials. – 2024. – Vol. 979. – P. 27–38. – DOI: 10.4028/p-bW48Sb.

23. Yusubov N., Abbasova H., Khankishiyev I. Development of a planning theory for multi-tool machining with the possibilities of modern CNC machine tools // Forschung im Ingenieurwesen. – 2021. – Vol. 85 (2). – P. 661–678. – DOI: 10.1007/s10010-021-00478-7.

24. Gavariev R.V., Savin I.A., Gavarieva K.N. Determination of properties of wear-resistant coatings of metal forms // Solid State Phenomena. – 2021. – Vol. 316. – P. 732–737. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/ssp.316.732.

25. Tribological and wear performance of nanocomposite PVD hard coatings deposited on aluminum die casting tool / J.M. Paiva, G. Fox-Rabinovich, E. Locks Junior, P. Stolf, Y.S. Ahmed, M.M. Martins, C. Bork, S. Veldhuis // Materials. – 2018. – Vol. 11 (3). – P. 358. – DOI: 10.3390/ma11030358.

26. Gopal S., Lakare A., Shivpuri R. Evaluation of thin film coatings for erosive–corrosive wear prevention in die casting dies // Surface Engineering. – 1999. – Vol. 15 (4). – P. 297–300. – DOI: 10.1179/026708499101516632.

27. Experimental evaluation of ceramic coatings for die protection in low-pressure die-casting process / A. López-Ortega, O. Areitioaurtena, E. Fuentes, A. Igartua, L. Merchán, E. Pardo, J. Montero, R. Granado, I. Martinez de la Pera, J. Mendizabal, B. Zabala // Coatings. – 2024. – Vol. 14 (5). – P. 643. – DOI: 10.3390/coatings14050643.

28. Study of wear phenomena of coatings for die-casting / G. Gautier, M. Faga, V. Tebaldo, G. Martra, F. Cartasegna // Applied Mechanics and Materials. – 2013. – Vol. 302. – P. 520–524. – DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.302.520.

29. Performance enhancements of die casting tools through PVD nanocoatings / M. Rosso, D. Ugues, E. Torres, M. Perucca, P. Kapranos // International Journal of Material Forming. – 2008. – Vol. 1, suppl. 1. – P. 1259–1262. – DOI: 10.1007/s12289-008-0131-z.