PL178497B1 - Sposób zwiększania odporności na zużycie, zwłaszcza elementów form do odlewania ciśnieniowego - Google Patents

Abstract

Sposób zwiększania odporności na zużycie, zwłaszcza elementów form do odlewania ciśnieniowego, polegający na azotowaniu powierzchni elementów form i następującym po nimpróżniowymosadzaniupowłoki odpornej na zużycie poprzez rozpylanie powierzchni katody jonami generowanymi w niskotemperaturowej plazmie wyładowania elektrycznego, znamienny tym, że po uzyskaniu warstwy azotowanej w przypowierzchniowym obszarze obrabianego elementu formy poprzez azotowanie gazowe, a przed próżniowym osadzeniem powłoki twardej poprzez rozpylaniejonowe, mechanicznie usuwa się przypowierzchniową strefę warstwy azotowanej o grubości nie mniejszej niż 1/5 całkowitej grubości warstwy azotowanej.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zwiększania odporności na zużycie, zwłaszcza elementów form do odlewania ciśnieniowego.

Znane są sposoby osadzania powłok przeprowadzane w próżni przy wykorzystaniu zjawiska rozpylania jonowego jonami generowanymi w niskotemperaturowej plazmie wyładowania elektrycznego. Spośród najbardziej rozpowszechnionych należy wymienić rozpylanie łukowe i magnetronowe. W metodach tych rozpylana jest część robocza katody zwana tarczą. Materiał tarczy mocowany jest w chłodzonej wodą obudowie katody urządzenia, podłączonej do ujemnego bieguna zasilacza. Ciśnienie w komorze próżniowej obniża się do wartości 10‘² * 10- Pa. Pomiędzy powierzchnią tarczy będącej substratem materiału powłoki a powierzchnią obrabianego detalu wytwarza się plazmę wyładowania elektrycznego. Atomy materiału, którym jest najczęściej metal, mogą być rozpylane gazami szlachetnymi lub innymi gazami wprowadzanymi do przestrzeni roboczej komory próżniowej urządzenia.

Zastosowanie gazów szlachetnychjest cechąmetod niereaktywnych, w których wybite z metalicznej tarczy atomy osadzają się w postaci metalicznej powłoki na powierzchni obrabianego detalu, umieszczanego zazwyczaj po przeciwległej stronie katody urządzenia. W metodzie reaktywnej używa się gazów, które wchodząw reakcję chemicznąz rozpylanymi atomami katody, w wyniku czego na powierzchni detalu można osadzić powłokę materiału, będącego rezultatem reakcji chemicznej gazu z rozpylanym metalem. Tym sposobem otrzymuje się twarde powłoki tlenków, azotków, węglików i borków metali przejściowych, takichjak tytan, chrom, tantal, cyrkon, niob, wanad. W przypadku pokrywania tymi powłokami powierzchni detali stalowych, takich jak elementy form, narzędzi skrawających i szybko zużywające się części maszyn, celem jest maksymalne zwiększenie ich odporności na zużycie. Opisywane powłoki skutecznie chroniąje przed działaniem czynników zewnętrznych o niewielkich naciskach jednostkowych, jednak w przypadku, gdy obciążenia prowadzą do plastycznego odkształcenia materiału podłoża, powłoka ulega uszkodzeniu. Tym samym znika czynnik zabezpieczający podłoże przed zużyciem. Wynika z tego, że cienka, twarda powłoka może tylko w tym wypadku spełniać swoją rolę, gdy własności podłoża są ukształtowane tak, aby w sposób skuteczny zabezpieczałyjąprzed pękaniem i wykruszaniem. Przeciwzużyciowe własności powłok generalnie poprawiają się wraz ze wzrostem ich grubości,

178 497 jednak w przypadku osadzania tych powłok omawianymi metodami naprężenia powstające w układzie powłoka - podłoże limitują maksymalną grubość powłoki, przy której uzyskuje się optymalne zwiększenie odporności na zużycie pokrywanego detalu. Naniesienie zbyt grubej powłoki powoduje powstawanie dużych naprężeń, w rezultacie których powłoka ulega złuszczeniu. Optymalna grubość powłoki jest zależna od rodzaju jej materiału i zawiera się w przedziale od kilku do kilkunastu mikrometrów. Na przykład dla powszechnie stosowanej powłoki azotku tytanu naniesionej na podłoże stalowe, grubość ta nie przekracza zwykle 4 - 6 pm, zaś dla powłoki azotku chromu - 20 pm.

Innym sposobem polepszenia własności przeciwzużyciowychjest zastosowanie azotowania powierzchni detali. W wyniku tego, przypowierzchniowa warstwa stali uzyskuje dużą twardość i jednocześnie zwiększa się jej wytrzymałość zmęczeniowa. Struktura tej warstwy zależy głównie od składu stali. W miarę oddalania się od powierzchni detalu, w warstwie tej można wyróżnić szereg stref, w których występują, następujące fazy: ε, ε+Υ, Υ, Υ+α oraz α Rozróżnia się zwykle dwie charakterystyczne strefy: zewnętrzną zwaną „warstwą białą”, składającą się z mieszaniny twardych, lecz kruchych azotków i węgloazotków o strukturze ε i ε + Υ oraz wewnętrzną, zwaną warstwą dyfuzyjną, zawierającą mieszaninę azotków i węgloazotków typu Υ oraz fazę α. Strefa ta stopniowo przechodzi w sorbityczną strukturę rdzenia ulepszonego cieplnie.

Za granicę grubości warstwy azotowanej przyjmuje się miejsce o wyraźnej zmianie zabarwienia zgładu, lub też miejsce o twardości o 50 HV większej od twardości rdzenia.

Najczęściej stosowane są dwa sposoby azotowania: konwencjonalne w atmosferze amoniaku orazjarzeniowe w warunkach wyładowania elektrycznego pod obniżonym ciśnieniem. Metoda konwencjonalna umożliwia uzyskanie warstwy azotowanej o jednakowej grubości na podłożu o skomplikowanym kształcie, czego nie zapewnia metoda jarzeniowa. Jednak do zalet tej ostatniej należy krótki czas procesu, łatwość sterowania strukturą warstwy i jej mniejsza kruchość.

Polepszenie własności przeciwzużyciowych detalu stalowego pokrytego powłoką można też osiągnąć poprzez zastosowanie procesu dwuetapowego, polegającego na azotowaniu jarzeniowym jego powierzchni z następującym po nim pokrywaniu jej powłoką odporną na zużycie. Sposób ten jest opisany w książce T. Burakowskiego i T. Wierzchonia „Inżymeriapowierzcbni metali” WNT Warszawa, 1995 lub też w polskim opisie patentowym nr 159 325. Metoda ta, zdająca egzamin w przypadku polepszania własności detali posiadających duże, płaskie powierzchnie, staje się całkowicie nieprzydatna przy obróbce detali o skomplikowanych kształtach, takich jak elementy form do odlewania ciśnieniowego metali. W przypadku obróbki jarzeniowej wymienionych detali, ich kształt uniemożliwia uzyskanie jednakowej grubości azotowanej warstwy dyfuzyjnej. Grubość warstwy na wystających elementach detalu jest zwykle zbyt duża, co powoduje występowanie strefy ε i związaną z tym ich kruchość, natomiast na powierzchniach leżących we wgłębieniach lub powierzchniach otworów, do których plazma wyładowania jarzeniowego wpływa z trudnością, warstwa ta jest zbyt cienka lub też wcale nie występuje.

Sposób zwiększenia odporności na zużycie, zwłaszcza elementów form do odlewania ciśnieniowego, polegający na azotowaniu powierzchni elementów form i następującym po nim próżniowym osadzaniu powłoki odpornej na zużycie poprzez rozpylanie powierzchni katody jonami generowanymi w niskotemperaturowej plazmie wyładowania elektrycznego, według istoty wynalazku charakteryzuje się tym, że po uzyskaniu warstwy azotowanej w przypowierzchniowym obszarze obrabianego elementu formy poprzez azotowanie gazowe, a przed próżniowym osadzeniem powłoki twardej poprzez rozpylanie jonowe, mechanicznie usuwa się przypowierzchniową strefę warstwy azotowanej o grubości nie mniejszej niż 1/5 całkowitej grubości warstwy azotowanej.

Korzystne jest, gdy po usunięciu warstwy przypowierzchniowej poleruje się powierzchnię elementu formy do uzyskania chropowatości poniżej 0.3 pm.

Dalsze korzyści osiąga się, gdy po polerowaniu myje się chemicznie powierzchnie elementu formy.

Korzyści osiąga się też, gdy mycie chemiczne przeprowadza się w ultradźwiękach.

178 497

Zaletą wynalazku jest sposób wytworzenia warstwy przeciwzużyciowej, która zapewnia zwiększenie odporności na zużycie pokrytych nią przedmiotów stalowych, zwłaszcza elementów form do odlewania ciśnieniowego, pracujących w warunkach charakteryzujących się zmiennymi naciskami o dużej wartości oraz wysokimi skokami temperatury, prowadzącymi do intensywnego zużycia ich powierzchni roboczych.

Sposobem według wynalazku wytwarza się cienkie laminaty kompozytowe takie jak azotki, węgliki, borki metali przejściowych + warstwa azotowana.

Charakteryzują się one małym rozrzutem grubości na całej powierzchni elementów form i doskonałymi własnościami przeciwzużyciowymi. Laminaty te pozwalają kilkudziesięciokrotnie zwiększyć odporność na zużycie elementów form do odlewania ciśnieniowego metali w stosunku do stosowanych dotychczas w tym celu elementów form azotowanych lub powlekanych twardymi powłokami.

Sposób wynalazku przedstawiony jest w przykładzie wykonania.

Przykład. Do pieca do azotowania gazowego wprowadzono formę wykonaną ze stali WCL o wadze ok. 50 kg stosowaną do ciśnieniowego odlewania aluminiowego przełącznika pneumatycznego stosowanego w układach automatyki przemysłowej. Proces azotowania przeprowadzono w temperaturze 540°C w atmosferze amoniaku w czasie 8 godzin, w wyniku czego na powierzchni formy uzyskano warstwę azotowaną o grubości 0.07 mm. Następnie, po powolnym schłodzeniu formy w czasie 6 godzin do temperatury pokojowej wszystkie powierzchnie robocze formy zostały przeszlifowane na głębokość 0.015 mm. Powierzchnie te następnie zostały wypolerowane przy użyciu pasty diamentowej do gładkości 0.2 pm i w trakcie trzyetapowego mycia chemicznego w kąpieli ultradźwiękowej przygotowane do pokrywania. Jako medium czyszczące zastosowano trójchloroetylen o temperaturze 85°C. Tak przygotowaną formę włożono do zbiornika próżniowego urządzenia łukowego, który odpompowano do ciśnienia 6 x 10'³Pa. Po podgrzaniu formy w ciągu 2 godzin do temperatury 320°C, przeprowadzono w czasie 30 minut proces osadzania powłoki węgloazotku tytanu Ti(C,N) z trzech źródeł łukowych przy ciśnieniu 0.9 Pa, prądzie rozpylania 100 A i napięciu na obrabianej formie -150 V. Następnie formę chłodzono w próżni w ciągu 18 godzin. Trwałość tak obrobionej formy wzrosła dwudziestokrotnie w porównaniu z taką samą formą azotowaną.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz.

Cena 2,00 zł.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób zwiększania odporności na zużycie, zwłaszcza elementów form do odlewania ciśnieniowego, polegający na azotowaniu powierzchni elementów form i następującym po nim próżniowym osadzaniu powłoki odpornej na zużycie poprzez rozpylanie powierzchni katody jonami generowanymi w niskotemperaturowej plazmie wyładowania elektrycznego, znamienny tym, że po uzyskaniu warstwy azotowanej w przypowierzchniowym obszarze obrabianego elementu formy poprzez azotowanie gazowe, a przed próżniowym osadzeniem powłoki twardej poprzez rozpylanie jonowe, mechanicznie usuwa się przypowierzchniową strefę warstwy azotowanej o grubości nie mniejszej niż 1/5 całkowitej grubości warstwy azotowanej.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po usunięciu warstwy przypowierzchniowej poleruje się powierzchnie elementu formy do uzyskania chropowatości poniżej 0.3 pm.
3. 3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że po polerowaniu myje się chemiczne powierzchnie elementu formy.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że mycie chemiczne przeprowadza się w ultradźwiękach.