Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет39224810.17212/1994-6309-2026-28.1-101-113TECHNOLOGYТЕХНОЛОГИЯResearch ArticleEnhancing the efficiency of the die casting process in metal moldsПовышение эффективности процесса литья под давлением в металлические формыhttps://orcid.org/0000-0001-8653-996057090084700B-5061-20169077-2534SavinIgor A.СавинИгорь Алексеевич
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

igorsavin1964@inbox.ruhttps://www.researchgate.net/profile/Igor-Savin-3https://orcid.org/0000-0002-6009-990926636765900AAT-3721-20211037-8317YusubovN. D.ЮсубовНизами Дамир
Azerbaijan

D.Sc. (Engineering), Professor

доктор техн. наук, профессор

nizami.yusubov@aztu.edu.azhttps://www.researchgate.net/profile/Nizami-Yusubovhttps://orcid.org/0000-0003-3417-967057090795600Y-4765-20187398-2083GavarievR. V.ГавариевРенат Вильсорович
Russian Federation

Ph.D. (Engineering)

канд. техн. наук

gavarievr@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0407-527557219798659AAT-2222-20212759-5304AbbasovaHeyran M.АббасоваХейран Муршуд
Azerbaijan

Ph.D. (Engineering)

канд. техн. наук

abbasova.heyran@aztu.edu.azhttps://www.researchgate.net/profile/Heyran-AbbasovaKazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev – KAIКазанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева – КАИAzerbaijan Technical UniversityАзербайджанский технический университет15032026281VOL 28, NO1 (2026)ТОМ 28, №1 (2026)10111307032026Copyright ©; 2026, Savin I.A., Yusubov N.D., Gavariev R.V., Abbasova H.M.Copyright ©; 2026, Савин И.А., Юсубов Н.Д., Гавариев Р.В., Аббасова Х.М.2026Savin I.A., Yusubov N.D., Gavariev R.V., Abbasova H.M.Савин И.А., Юсубов Н.Д., Гавариев Р.В., Аббасова Х.М.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/392248

Introduction. Die casting remains one of the most productive methods for producing complex thin-walled castings from aluminum alloys. However, typical problems of the process include subsurface gas porosity and the deterioration of product surface roughness due to the wear of the mold cavity surfaces. The purpose of the work is to conduct a comparative assessment of the effectiveness of various methods for strengthening the working surface of molds – traditional nitriding and the deposition of wear-resistant coatings by cathode-ion bombardment (TiN and multilayer TiCN–TiN–MoN) – to improve the quality of aluminum alloy castings. Research Methods. Experimental studies were conducted on “Handle”-type castings made of AK7 alloy. The quality of castings obtained using molds with three types of protective surface coatings (nitriding, TiN, and TiCN–TiN–MoN) was evaluated based on the level of volumetric porosity (in accordance with GOST 1583-93) and the change in the roughness parameter Ra during durability tests (up to 100,000 casting cycles). Results and Discussion. It was established that the application of coatings using the CIB (cathode-ion bombardment) method statistically significantly improves the quality of castings compared to nitriding. The multilayer TiCN–TiN–MoN coating demonstrated the best results: a reduction in the maximum pore diameter by 58% and in their total number by 40%, which allowed the castings to be classified in the reduced porosity category (Grade 2 vs. Grade 3 for nitriding). Durability tests showed that the mold with a nitrided surface ensures acceptable casting roughness (Ra ≤ 3.2 µm) for 75,000 cycles, while the molds with TiN and TiCN–TiN–MoN coatings maintain this parameter at Ra ≤ 1.6 µm up to 100,000 cycles. An important practical advantage of the CIB method is the significantly lower processing time of the deposition process (2–3 hours) compared to nitriding (20–30 hours), which reduces operating costs and equipment downtime. Conclusions. The application of the multilayer nanostructured TiCN–TiN–MoN coating deposited by cathode-ion bombardment is the most rational solution for increasing the service life of molds and improving the quality of aluminum alloy castings. This technology ensures a comprehensive improvement of key indicators (porosity, roughness) and offers significant economic potential due to the reduction in the duration of the mold strengthening process.

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.

Die castingProtective coatingsCathode-ion bombardmentPorosity reductionAluminum alloysЛитье под давлениемЗащитные покрытияКатодно-ионная бомбардировкаУменьшение пористостиАлюминиевые сплавыThis work was supported by the Azerbaijan Science Foundation under Grant No. AEF-MGC-2024-2(50)-16/01/1-M-01.Работа выполнена при поддержке Азербайджанского научного фонда – грант № AEF-MGC-2024-2(50)-16/01/1-M-01.

Funding

This work was supported by the Azerbaijan Science Foundation under Grant No. AEF-MGC-2024-2(50)-16/01/1-M-01.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Азербайджанского научного фонда – грант № AEF-MGC-2024-2(50)-16/01/1-M-01.

Горюнов И.И. Пресс-формы для литья под давлением. – Л.: Машиностроение, 1973. – 256 с.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.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.Белопухов А.К. Технологические режимы литья под давлением. – М.: Машиностроение, 1985. – 272 с.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.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.Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. – М.: Машиностроение, 1993. – 336 с.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.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.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.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.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.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.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.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.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.