RU2456112C2 - Die for hot-molding of parts from titanium alloys - Google Patents

Die for hot-molding of parts from titanium alloys Download PDF

Info

Publication number
RU2456112C2
RU2456112C2 RU2010119326/02A RU2010119326A RU2456112C2 RU 2456112 C2 RU2456112 C2 RU 2456112C2 RU 2010119326/02 A RU2010119326/02 A RU 2010119326/02A RU 2010119326 A RU2010119326 A RU 2010119326A RU 2456112 C2 RU2456112 C2 RU 2456112C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
zirconium
layer
niobium
coating
nitride
Prior art date
Application number
RU2010119326/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010119326A (en
Inventor
Юрий Михайлович Дыбленко (RU)
Юрий Михайлович Дыбленко
Анатолий Михайлович Смыслов (RU)
Анатолий Михайлович Смыслов
Марина Константиновна Смыслова (RU)
Марина Константиновна Смыслова
Аскар Джамилевич Мингажев (RU)
Аскар Джамилевич Мингажев
Геннадий Петрович Котельников (RU)
Геннадий Петрович Котельников
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология"
Научно-производственное некоммерческое партнерство "ТЕХНОПАРК АВИАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология", Научно-производственное некоммерческое партнерство "ТЕХНОПАРК АВИАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственное предприятие "Уралавиаспецтехнология"
Priority to RU2010119326/02A priority Critical patent/RU2456112C2/en
Publication of RU2010119326A publication Critical patent/RU2010119326A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2456112C2 publication Critical patent/RU2456112C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Mounting, Exchange, And Manufacturing Of Dies (AREA)

Abstract

FIELD: process engineering.
SUBSTANCE: invention relates to metal forming, particularly, to hot isothermal moulding and may be used in production of turbine vane from titanium alloys. Proposed die comprises matrix from refractory nickel alloy with multilayer hardening coating applied on die impression. Coating total thickness varies from 8 to 30 mcm. Said coating represents, at least, two alternating layers. First layer consists of zirconium, chromium, niobium or combination thereof applied by ionic-plasma deposition in vacuum of 10-3 to 10-4 mm Hg. Second layer consists of nitrides, borides or carbides of said metals applied at 10-3 to 10-4 mm Hg in atmosphere of nitrogen, boron, carbon or mixes thereof. Note here that first layer is applied on die basic material doped by implantation of zirconium ions and/or diffusion saturation by zirconium. Coating may be made up of alternating layers of zirconium and zirconium nitride, zirconium or chromium and zirconium nitride, zirconium, chromium, niobium and zirconium nitride, niobium and nitride of zirconium-niobium at thickness of every layer varying from 0.4 mcm to 2.5 mcm.
EFFECT: higher durability.
5 cl, 1 dwg, 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к штампам для горячей, изотермической штамповки деталей, и может быть использовано, например, в авиационной промышленности при изготовлении деталей из титановых сплавов, преимущественно лопаток.The invention relates to the field of metal forming, in particular to dies for hot, isothermal stamping of parts, and can be used, for example, in the aviation industry in the manufacture of parts from titanium alloys, mainly blades.

Титан и его сплавы наиболее полно удовлетворяют растущим требованиям ряда ведущих отраслей современной техники: авиации, ракетостроения, судостроения, химической промышленности, медицинской техники. Обладая такими важными эксплуатационными качествами, как высокая удельная прочность при комнатной и повышенной до 600°С температурах и коррозионная стойкость во многих химически активных средах, титан и его сплавы в то же время удовлетворяют и основным критериям технологичности. Они пластичны, удовлетворительно обрабатываются резанием, достаточно хорошо свариваются. Кроме чисто природных качеств на технологичность титановых сплавов во многом влияет правильный выбор параметров обработки. Наиболее распространенным методом производства полуфабрикатов из титановых сплавов является объемное деформирование в горячем состоянии и, в частности, такие широко применяемые процессы, как штамповка и прессование.Titanium and its alloys most fully satisfy the growing requirements of a number of leading branches of modern technology: aviation, rocket science, shipbuilding, chemical industry, medical equipment. Possessing such important operational qualities as high specific strength at room temperature and elevated up to 600 ° C and corrosion resistance in many chemically active environments, titanium and its alloys at the same time satisfy the main criteria of manufacturability. They are plastic, satisfactorily processed by cutting, weld quite well. In addition to purely natural qualities, the manufacturability of titanium alloys is largely influenced by the correct choice of processing parameters. The most common method for the production of semi-finished products from titanium alloys is volumetric hot deformation and, in particular, such widely used processes as stamping and pressing.

Известно, что титановые сплавы наряду с повышенными прочностными и усталостными свойствами проявляют сверхпластические свойства при температурах порядка 700°С-800°С. Учитывая эффективность процессов изотермической штамповки, в условиях сверхпластичности штамповки деталей из титановых сплавов, этот метод находит все более широкое применение.It is known that titanium alloys along with increased strength and fatigue properties exhibit superplastic properties at temperatures of the order of 700 ° C-800 ° C. Considering the efficiency of isothermal stamping processes, in conditions of superplasticity of stamping of parts made of titanium alloys, this method is increasingly used.

Метод горячей объемной штамповки используется в основном для изготовления деталей, работающих в условиях действия значительных статических и динамических нагрузок. К таким деталям относятся, например, лопатки компрессоров ГТД и ГТУ. Лопатки компрессора являются наиболее дорогостоящими деталями, определяющими ресурс двигателя, поэтому повышение их эксплуатационной надежности является достаточно важной экономической и технической задачей.The hot forging method is mainly used for the manufacture of parts operating under conditions of significant static and dynamic loads. Such details include, for example, the blades of gas turbine engines and gas turbine compressors. The compressor blades are the most expensive parts that determine the life of the engine, so increasing their operational reliability is a rather important economic and technical task.

Процесс горячей объемной штамповки, в том числе изотермической штамповки в условиях сверхпластичности, включает пластическую деформацию металлической заготовки, происходящую под воздействием прикладываемого к ней давления штампа, имеющего гравюру, соответствующую форме получаемой детали.The process of hot volumetric stamping, including isothermal stamping under conditions of superplasticity, involves the plastic deformation of a metal workpiece that occurs under the influence of the pressure of a stamp applied to it, having an engraving corresponding to the shape of the part obtained.

Титановые сплавы, например, такие как ВТ6, ВТ3-1 и др., обладают высокой удельной прочностью и коррозионной стойкостью, поэтому они являются наиболее распространенными материалами для изготовления лопаток компрессора. Так, например, штампованные лопатки из сплава ВТ6 после стандартной термообработки имеют прочность до 1100 МПа и относительное удлинение 12…15%, а уровень усталостной прочности лопаток из сплава ВТ6 составляет около 410 МПа.Titanium alloys, for example, such as VT6, VT3-1, etc., have high specific strength and corrosion resistance, therefore they are the most common materials for the manufacture of compressor blades. For example, stamped blades of VT6 alloy after standard heat treatment have a strength of up to 1100 MPa and a relative elongation of 12 ... 15%, and the fatigue strength of VT6 alloy blades is about 410 MPa.

Наиболее распространенным методом производства деталей из титановых сплавов является объемное деформирование в горячем состоянии и, в частности, такие широко применяемые процессы, как штамповка и прессование. При изготовлении лопаток из титановых сплавов горячая объемная штамповка выполняется в условиях высоких температур, обеспечивающих структурные изменения в сплаве для получения заданных механических свойств деталей.The most common method for manufacturing parts from titanium alloys is volumetric hot deformation and, in particular, such widely used processes as stamping and pressing. In the manufacture of blades from titanium alloys, hot forging is performed at high temperatures, providing structural changes in the alloy to obtain the specified mechanical properties of the parts.

В условиях горячей объемной штамповки из-за высокого уровня напряжений, которому подвергается материал штампа при контакте с материалом заготовки, на рабочую поверхность штампа накладывают смазку, позволяющую несколько уменьшить контактные напряжения между материалом заготовки штампа. Однако, например, при прессовании титановых сплавов со смазкой матрицы выходят из строя через каждые 10-15 прессовок [М.З.Ерманок, Прессование титановых сплавов. М.: Металлургия, 1979, с.120-135, Л.А.Никольский, Горячая штамповка и прессование титановых сплавов, М.: Машиностроение, 1975, 205 с.].In the conditions of hot die forging, due to the high level of stresses to which the die material is subjected in contact with the workpiece material, a lubricant is applied to the die working surface, which allows to slightly reduce contact stresses between the die workpiece material. However, for example, when pressing titanium alloys with lubricant, the matrices fail every 10-15 compacts [M.Z. Yermanok, Pressing titanium alloys. M: Metallurgy, 1979, p.120-135, L.A. Nikolsky, Hot stamping and pressing of titanium alloys, M .: Mechanical Engineering, 1975, 205 p.].

Процесс штамповки заготовок из сплавов на основе титана характеризуется высокой температурой нагрева заготовки до 1000°С, значительными усилиями, обусловленные высоким пределом текучести материала (при t=1000°C σт>200 МПА, в то время как сталь при t=1200°C имеет σт<100 МПА, значительной величиной коэффициента трения пары «Ti - материал инструмента», склонностью Ti к адгезионному схватыванию с материалом инструмента.The process of stamping workpieces from titanium-based alloys is characterized by a high temperature of heating the workpiece to 1000 ° C, significant efforts due to the high yield strength of the material (at t = 1000 ° C σ t > 200 MPA, while steel at t = 1200 ° C has σ t <100 MPA, a significant value of the coefficient of friction of the pair “Ti - tool material”, a tendency of Ti to adhesion to the material of the tool.

Известен штамп [Коваленко B.C. и др. Лазерное и электроэрозионное упрочнение материалов. М.: Наука, 1986, с.239-245] с рабочей поверхностью, упрочненной непрерывной лазерной обработкой.Known stamp [Kovalenko B.C. et al. Laser and electroerosive hardening of materials. M .: Nauka, 1986, p.239-245] with a working surface hardened by continuous laser processing.

Известен также штамп, упрочненный путем нанесения на подготовленную поверхность основы износостойкого покрытия из нитрида титана с подслоем из титана (Патент РФ №2062817, МПК С23С 14/00, 14/26, опубл. 1996.06.27).A stamp is also known, hardened by applying a wear-resistant coating of titanium nitride with a sub-layer of titanium on the prepared surface of the base (RF Patent No. 2062817, IPC С23С 14/00, 14/26, publ. 1996.06.27).

Известен также штамп с многослойным покрытием, содержащий основу из твердого сплава и нанесенное на нее трехслойное износостойкого ионно-плазменное покрытие, состоящего из верхнего слоя покрытия нитрида титана и нижнего слоя карбонитрида титана (Патент РФ №23076, 7 С23С 14/32, опубл. 2002.05.20).Also known is a stamp with a multilayer coating containing a solid alloy base and a three-layer wear-resistant ion-plasma coating deposited on it, consisting of an upper layer of titanium nitride coating and a lower layer of titanium carbonitride (RF Patent No. 23076, 7 C23C 14/32, publ. 2002.05 .twenty).

Наиболее близким к предлагаемому является штамп для штамповки деталей из металлических сплавов, содержащий инструментальную основу и нанесенное на нее износостойкое упрочняющее многослойное покрытие (Патент РФ №37721, 37722, 7 С23С 14/32, опубл. 2004.05.10). Износостойкое ионно-плазменное покрытие выполнено трехслойным, состоящим из внешнего слоя покрытия нитрида титана TiN, нижнего слоя карбонитрида титана TiCN и промежуточного слоя, полученного при ионной бомбардировке. В качестве материала промежуточного слоя выбран нитрид титана-алюминия TiAlN или нитрид титана-циркония TiZrN.Closest to the proposed is a stamp for stamping parts made of metal alloys, containing a tool base and a wear-resistant reinforcing multilayer coating deposited on it (RF Patent No. 37721, 37722, 7 C23C 14/32, publ. 2004.05.10). The wear-resistant ion-plasma coating is made three-layer, consisting of an outer layer of a titanium nitride TiN coating, a lower layer of titanium carbonitride TiCN and an intermediate layer obtained by ion bombardment. As the material of the intermediate layer, titanium aluminum nitride TiAlN or titanium zirconium nitride TiZrN is selected.

Основными недостатками таких штампов является то, что их покрытия не проявляют эффект упрочнения при использовании их в условиях горячей штамповки деталей из титановых сплавов, вследствие чего имеют невысокие эксплуатационные свойства.The main disadvantages of such dies is that their coatings do not show the effect of hardening when used in hot stamping parts made of titanium alloys, as a result of which they have low operational properties.

Штампы для обеспечения процесса изотермической штамповки деталей из титановых сплавов изготавливают, как правило, из жаропрочных сплавов типа ЖС6-У, ЖС6-К, ХН77ТЮР. В условиях воздействия высоких напряжений и температур возникающие локальные адгезионные взаимодействия (схватывание, сварка и т.п.) между материалом поверхностного слоя гравюры штампа и материалом штампуемой заготовки приводят к изменению ее микрогеометрии. Ухудшение качества поверхности гравюры приводит к появлению в процессе штамповки высоких локальных напряжений, приводящих к перегревам на этих участках, что является причиной разупрочнения материала штампа на этих участках из-за растворения γ'-фазы. Далее наступает ускоренная фаза износа поверхности гравюры из-за сильной деформации ее разупрочненных участков поверхности.Stamps for ensuring the process of isothermal stamping of parts from titanium alloys are made, as a rule, from heat-resistant alloys of the type ZhS6-U, ZhS6-K, KhN77TYUR. Under the influence of high stresses and temperatures, emerging local adhesive interactions (setting, welding, etc.) between the material of the surface layer of the engraving of the stamp and the material of the stamped workpiece lead to a change in its microgeometry. Deterioration in the quality of the engraving surface leads to the appearance of high local stresses during stamping, which lead to overheating in these areas, which causes softening of the stamp material in these areas due to the dissolution of the γ'-phase. Then the accelerated phase of wear of the engraving surface sets in due to the strong deformation of its softened surface areas.

В этой связи определенный интерес представляют рабочие поверхности штампов, материал которых способен длительно работать в условиях воздействия повышенных температур за счет сохранения стабильности γ'-фазы.In this regard, the working surfaces of the dies are of particular interest, the material of which is able to work for a long time under conditions of exposure to elevated temperatures by maintaining the stability of the γ 'phase.

Техническим результатом изобретения является повышение работоспособности и стойкости гравюры штампа для горячего прессования титановых сплавов.The technical result of the invention is to increase the health and durability of the engraving of the stamp for hot pressing of titanium alloys.

Технический результат достигается тем, что штамп для горячей штамповки деталей из титановых сплавов, содержащий основу из жаропрочного никелевого сплава с нанесенным на его гравюру износостойким упрочняющим многослойным покрытием, отличающийся тем, что упрочняющее многослойное покрытие общей толщиной от 8 до 30 мкм, выполнено в виде, по крайней мере, двух чередующихся слоев, первый из которых состоит из Zr, Cr, Nb или их сочетания, нанесенных ионно-плазменным методом в вакууме от 10-4 до 10-9, а второй из нитридов, боридов или карбидов этих же металлов или их сочетаний, нанесенных ионно-плазменным методом при давлении от 10-3 до 10-4 мм рт.ст. в среде N, В, С или их смесей, причем первый слой нанесен на поверхность основного материала штампа, легированную имплантацией ионов Zr и/или диффузионным насыщением Zr.The technical result is achieved in that a stamp for hot stamping of parts made of titanium alloys containing a base of heat-resistant nickel alloy with a wear-resistant reinforcing multilayer coating deposited on its engraving, characterized in that the reinforcing multilayer coating with a total thickness of 8 to 30 microns, is made in the form at least two alternating layers, the first consisting of Zr, Cr, Nb or combinations thereof, deposited by ion-plasma method under vacuum of 10 -4 to 10 -9, and the second from nitrides, borides or carbides of the same meth llov or combinations thereof, deposited by ion-plasma method at a pressure of from 10 -3 to 10 -4 mmHg in N, B, C medium or mixtures thereof, the first layer being deposited on the surface of the base die material doped with implantation of Zr ions and / or diffusion saturation of Zr.

Технический результат достигается также тем, что штамп для горячей штамповки деталей из титановых сплавов содержит многослойное покрытие с толщиной каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм, выполненное в виде следующих вариантов чередующихся слоев: Zr и ZrN; Zr, Cr и ZrN; Zr, Cr, Nb и ZrN; Zr, Cr, Nb и ZrNbN.The technical result is also achieved by the fact that the stamp for hot stamping of parts made of titanium alloys contains a multilayer coating with a thickness of each layer from 0.4 μm to 2.5 μm, made in the form of the following alternating layers: Zr and ZrN; Zr, Cr and ZrN; Zr, Cr, Nb and ZrN; Zr, Cr, Nb and ZrNbN.

Изобретение поясняется чертежом (фиг.), на котором показан поверхностный слой штампа с многослойным упрочняющим покрытием для горячей штамповки сплавов титана.The invention is illustrated by the drawing (Fig.), Which shows the surface layer of the stamp with a multilayer reinforcing coating for hot stamping of titanium alloys.

Штамп с многослойным покрытием состоит из основного материала 1, изготовленного из жаропрочного никелевого сплава с поверхностным слоем 2, полученным в результате имплантации и/или диффузии в него Zr. На поверхностный слой 2 нанесено многослойное упрочняющее покрытие 3, состоящее, по крайней мере, из двух чередующихся слоев, первый 4 из которых состоит из Zr, Cr, Nb или их сочетания, нанесенных ионно-плазменным методом в вакууме от 10-4 до 10-9, а второй 5 из нитридов, боридов или карбидов этих же металлов или их сочетаний, нанесенных ионно-плазменным методом при давлении от 10-3 до 10-4 мм рт.ст. в среде N, В, С или их смесей.The multilayer-coated stamp consists of a base material 1 made of a heat-resistant nickel alloy with a surface layer 2 obtained by implantation and / or diffusion of Zr into it. A surface layer 2 is coated with a multilayer reinforcing coating 3, consisting of at least two alternating layers, the first 4 of which consists of Zr, Cr, Nb, or a combination thereof, deposited by the ion-plasma method in vacuum from 10 -4 to 10 - 9 , and the second 5 of nitrides, borides or carbides of the same metals or their combinations deposited by the ion-plasma method at a pressure of from 10 -3 to 10 -4 mm Hg in the environment of N, B, C or mixtures thereof.

Для осуществления предлагаемого технического решения штамп помещают в вакуумную камеру установки для ионно-плазменной и ионно-имплантационной обработки. Затем рабочую поверхность штампа (гравюру) подвергают ионной очистке ионами Zr, в результате чего происходит вначале очистка поверхности от загрязнений, а затем ее нагрев и затем насыщение поверхностного слоя Zr в результате диффузионно-стимулированной низкоэнергетической имплантации. При этом процесс ионной очистки необязательно должен производится ионами Zr, но после процесса ионной очистки насыщение поверхностного слоя должно производится Zr. Это объясняется тем, что поверхностный слой никелевого сплава штампа упрочняется за счет проникновения Zr и стабилизации за счет этого γ'-фазы. Для снижения адгезионного взаимодействия между материалом штампа и материалом заготовки, как это показали исследования, проведенные авторами данного технического решения, эффективным является многослойное покрытие, выполненное в виде, по крайней мере, двух чередующихся слоев, первый из которых состоит из Zr, Cr, Nb или их сочетания, нанесенных ионно-плазменным методом в вакууме от 10-4 до 10-9, а второй из нитридов, боридов или карбидов этих же металлов или их сочетаний, нанесенных ионно-плазменным методом при давлении от 10-3 до 10-4 мм рт.ст. в среде N, В, С или их смесей.To implement the proposed technical solution, the stamp is placed in the vacuum chamber of the installation for ion-plasma and ion-implantation processing. Then the working surface of the stamp (engraving) is subjected to ion cleaning by Zr ions, as a result of which the surface is first cleaned of contaminants, then it is heated and then the surface layer of Zr is saturated as a result of diffusion-stimulated low-energy implantation. In this case, the ion cleaning process does not have to be carried out by Zr ions, but after the ion cleaning process, the surface layer should be saturated with Zr. This is because the surface layer of the nickel alloy of the stamp is hardened by the penetration of Zr and stabilization due to this γ'-phase. To reduce the adhesive interaction between the die material and the workpiece material, as shown by studies conducted by the authors of this technical solution, a multilayer coating made in the form of at least two alternating layers, the first of which consists of Zr, Cr, Nb or their combinations deposited by the ion-plasma method in vacuum from 10 -4 to 10 -9 , and the second of nitrides, borides or carbides of the same metals, or their combinations deposited by the ion-plasma method at a pressure of from 10 -3 to 10 -4 mm Hg in the environment of N, B, C or mixtures thereof.

Преимущество заявленного технического решения заключается в том, что поверхностный слой основного материала штампа, полученный в результате легирования имплантацией в него ионов Zr и/или диффузионным насыщением Zr, за счет распределения Zr вокруг границ γ'-фазы приводит к снижению или предотвращению процесса растворения γ'-фазы или разупрочнения поверхностного слоя гравюры, который наблюдается в штампах без легированного Zr поверхностного слоя. Другим преимуществом заявленного изобретения является то, что наряду с эффектом упрочнения поверхностного слоя снижение адгезионного взаимодействия между материалами штампа и детали приводит к уменьшению вероятности схватывания или сварки этих материалов и нарушению геометрии гравюры штампа. При этом сочетание легирования поверхностного слоя Zr и нанесение износостойкого, антиадгезионного многослойного покрытия приводит к синергизму, когда, с одной стороны, снижение эксплуатационных дефектов в виде выровов, возникающих в результате схватывания контактирующих при штамповке материалов, приводит к снижению локальных перегревов поверхности гравюры штампа и способствует сохранению в поверхностном слое гравюры γ'-фазы, а с другой - сохранение упрочняющей γ'-фазы в поверхностном слое предотвращает сильную деформацию поверхностного слоя гравюры и сохраняет, тем самым, целостность покрытия.An advantage of the claimed technical solution lies in the fact that the surface layer of the main die material obtained by doping with Zr ions by implantation and / or Zr diffusion saturation due to the distribution of Zr around the boundaries of the γ'-phase reduces or prevents the γ 'dissolution -phase or softening of the surface layer of the engraving, which is observed in stamps without Zr-doped surface layer. Another advantage of the claimed invention is that along with the hardening effect of the surface layer, a decrease in the adhesive interaction between the stamp materials and the part reduces the likelihood of setting or welding of these materials and violates the geometry of the stamp engraving. In this case, the combination of alloying the surface layer of Zr and applying a wear-resistant, anti-adhesive multilayer coating leads to synergism, when, on the one hand, the reduction of operational defects in the form of grooves resulting from the setting of materials that are in contact during stamping reduces local overheating of the surface of the stamp engraving and contributes to preservation of the γ'-phase engraving in the surface layer, and on the other hand, the preservation of the strengthening γ'-phase in the surface layer prevents severe deformation th layer prints and saves thereby coating integrity.

Пример конкретного использованияCase Study

Штамповая оснастка из сплава ЖС6У (пуансон и матрица) была подготовлена к нанесению покрытия. Для этого вначале провели их промывку ультрозвуковым методом в моющем растворе, далее промыли в горячей (60°С-90°С) воде, просушили в струе горячего воздуха и протерли поверхности этиловым спиртом. Затем подготовленную под нанесение покрытий штамповую оснастку поместили в вакуумную камеру ионно-плазменной установки. Покрываемые поверхности детали имели шероховатость поверхности приблизительно Ra 1,2-2,5 мкм. Пуансон и матрица закрытых штампов для изотермической штамповки обрабатывали одновременно за одну загрузку. При этом расположение рабочих поверхностей пуансона и матрицы при нанесении покрытия обеспечивало получение однородного по толщине и свойствам покрытия. Для формирования покрытий на основе нитридов, боридов, карбидов и карбонитридов металлов осуществляли нагрев обрабатываемых деталей до температуры порядка 300°С-400°С. Далее проводили ионную очистку и легирование поверхности. Ионная очистка проводилась в целях удаления окислов, активации и нагрева обрабатываемой поверхности. Процесс ионной очистки совмещали с процессом легирования поверхностного слоя ионами Zr (за счет эффекта радиационно-стимулированной ионной имплантации). Ионная очистка проводилась в вакууме 10-3 Па. При подаче электрического напряжения на деталь порядка 1000 В включали циркониевые электродуговые испарители. В таблице 1 приведены режимы ионной очистки штамповой оснастки из жаропрочных никелевых сплавов.JS6U alloy punching equipment (punch and die) was prepared for coating. To do this, first they were washed with an ultrasonic method in a washing solution, then they were washed in hot (60 ° C-90 ° C) water, dried in a stream of hot air and wiped the surfaces with ethyl alcohol. Then, the prepared dies for coating were placed in the vacuum chamber of the ion-plasma installation. The surfaces to be coated on the part had a surface roughness of approximately Ra 1.2-2.5 μm. The punch and the matrix of closed dies for isothermal stamping were processed simultaneously in one load. At the same time, the arrangement of the working surfaces of the punch and die during coating provided a coating that was uniform in thickness and properties. To form coatings based on nitrides, borides, carbides and carbonitrides of metals, the workpiece was heated to a temperature of about 300 ° С-400 ° С. Next, ion cleaning and surface alloying were performed. Ion cleaning was carried out in order to remove oxides, activation and heating of the treated surface. The ion cleaning process was combined with the process of doping the surface layer with Zr ions (due to the effect of radiation-stimulated ion implantation). Ion purification was carried out in a vacuum of 10 -3 Pa. When applying an electric voltage to the part of the order of 1000 V, zirconium electric arc evaporators were turned on. Table 1 shows the modes of ionic cleaning of die tools from heat-resistant nickel alloys.

Табл.1Table 1 No. ПокрытиеCoating Ускоряющее напряжение на штампе, кВAccelerating voltage on the stamp, kV Ток дуги, АArc current, A Частота вращения штампа при ионно-плазменной обработке, мин -1 The frequency of rotation of the stamp during ion-plasma treatment, min -1

1one ZrNZrn 0,9-1,10.9-1.1 110-130110-130 5-85-8 22 ZrCZrc 8-108-10 33 ZrBZrb 10-1210-12 4four ZrCNZrcn 0,9-1,00.9-1.0 5-85-8 55 (Zr/Nb)N(Zr / Nb) N 66 (Zr/Nb)C(Zr / Nb) C 77 (Zr/Nb)CN(Zr / Nb) CN 8-108-10 88 (Zr/Nb)B(Zr / Nb) B 99 (Zr/Nb)CB(Zr / Nb) CB 1010 (Zr/Nb) BN(Zr / Nb) BN 11eleven (Zr/Nb+Cr)N(Zr / Nb + Cr) N

Figure 00000001
Figure 00000001
5-85-8 1212 (Zr/Nb+Cr)C(Zr / Nb + Cr) C 8-108-10 1313 (Zr/Nb+Cr)B(Zr / Nb + Cr) B 10-1210-12 14fourteen (Zr/Nb+Cr)CB(Zr / Nb + Cr) CB 5-85-8 15fifteen (Zr/Nb+Cr)CN(Zr / Nb + Cr) CN 1616 (Zr/Nb+Cr)BN(Zr / Nb + Cr) BN 1717 (Zr/Nb+Cr)CBN(Zr / Nb + Cr) CBN *В числителе ток дуги испарителя с Zr и Nb, в знаменателе ток дуги испарителя Cr.* In the numerator, the arc current of the evaporator with Zr and Nb, in the denominator, the arc current of the evaporator Cr.

Нанесение покрытий. После окончания процесса ионной очистки на деталь подавали опорное напряжение (таблица 2), при этом электродуговые испарители продолжали работать, формируя подслой Zr заданной толщины. После нанесения подслоя в вакуумную камеру напускали реактивные газы требуемого состава. После нанесения покрытия матрицу и пуансон охлаждали в вакуумной камере до температуры 160°С-180°С при давлении в камере 10-3 Па. В таблице 2 приведены основные параметры процесса напыления. Толщины полученных на штампах покрытий составляли от 8 до 30 мкм. Также наносились покрытия как двуслойные, так и в виде чередующихся слоев, толщиной каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм по следующим вариантам: Zr и ZrN; Zr, Cr и ZrN; Zr, Cr, Nb и ZrN; Zr, Cr, Nb и ZrN.Coating. After the ion cleaning process was completed, a reference voltage was applied to the part (Table 2), while the electric arc evaporators continued to work, forming a sublayer Zr of a given thickness. After applying the sublayer, reactive gases of the required composition were introduced into the vacuum chamber. After coating, the matrix and the punch were cooled in a vacuum chamber to a temperature of 160 ° C-180 ° C at a pressure in the chamber of 10 -3 Pa. Table 2 shows the main parameters of the spraying process. The thicknesses obtained on the stamps of coatings ranged from 8 to 30 microns. Also, coatings were applied, both bilayer, and in the form of alternating layers, the thickness of each layer from 0.4 μm to 2.5 μm according to the following options: Zr and ZrN; Zr, Cr and ZrN; Zr, Cr, Nb and ZrN; Zr, Cr, Nb and ZrN.

Табл.2Table 2 No. Вид покрытияType of coating Давление реакционных газов, ПаReaction gas pressure, Pa Ток дуги, АArc current, A Ускоряющее напряжение на штампе, ВAccelerating voltage on the stamp, V Температура штампа, °СStamp temperature, ° С Повышение стойкости штампа, разIncreasing the resistance of the stamp, times 1one ZrNZrn (3-5)·10-1 (3-5) · 10 -1 110-130110-130 170-180170-180 350-400350-400 2,12.1 22 ZrCZrc 320-400320-400 2,22.2 33 ZrBZrb 350-400350-400 2,32,3 4four ZrCNZrcn (5-8)·10-2 (5-8) · 10 -2 320-400320-400 2,42,4 55 (Zr/Nb)N(Zr / Nb) N (3-5)·10-1 (3-5) · 10 -1

Figure 00000002
Figure 00000002
130-150130-150 350-400350-400 1,91.9 66 (Zr/Nb)C(Zr / Nb) C 320-400320-400 2,02.0 77 (Zr/Nb)CN(Zr / Nb) CN (5-8)·10-2 (5-8) · 10 -2 320-400320-400 1,81.8 88 (Zr/Nb)B(Zr / Nb) B (3-5)·10-1 (3-5) · 10 -1 350-400350-400 1,81.8 99 (Zr/Nb)CB(Zr / Nb) CB (5-8)·10-2 (5-8) · 10 -2 1,91.9 1010 (Zr/Nb)BN(Zr / Nb) BN (5-8)·10-2 (5-8) · 10 -2 2,32,3 11eleven (Zr/Nb+Cr)N(Zr / Nb + Cr) N (3-5)·10-1 (3-5) · 10 -1 2,02.0 1212 (Zr/Nb+Cr)C(Zr / Nb + Cr) C 320-400320-400 1,91.9 1313 (Zr/Nb+Cr)B(Zr / Nb + Cr) B 350-400350-400 1,81.8 14fourteen (Zr/Nb+Cr)CB(Zr / Nb + Cr) CB (5-8)·10-2 (5-8) · 10 -2 1,71.7 15fifteen (Zr/Nb+Cr)CN(Zr / Nb + Cr) CN 320-400320-400 2,12.1 1616 (Zr/Nb+Cr)BN(Zr / Nb + Cr) BN 350-400350-400 2,22.2 1717 (Zr/Nb+Cr)CBN(Zr / Nb + Cr) CBN 2,02.0

Как показами проведенные авторами исследования, нанесение на рабочие поверхности штамповой оснастки ионно-плазменных покрытий из карбидов и нитридов тугоплавких металлов позволяет приблизительно в 1,7-2,4 раза повысить стойкость штампов из жаропрочных никелевых сплавов (ЖС6-У, ЖС6-К) за счет снижения адгезионного взаимодействия материалов штампа и штампуемой детали, а также за счет резкого снижения процессов разупрочнение материала поверхностного слоя, возникающего в результате растворения γ'-фазы. Испытания проводились на образцах и натурных штампах в производственных условиях при штамповке лопаток из титановых сплавов.As the studies conducted by the authors show, applying ion-plasma coatings of carbides and nitrides of refractory metals to the working surfaces of die tooling can increase the resistance of stamps made of heat-resistant nickel alloys (ZhS6-U, ZhS6-K) by about 1.7-2.4 due to a decrease in the adhesive interaction of the stamp materials and the stamped part, as well as due to a sharp decrease in the processes of softening of the surface layer material resulting from the dissolution of the γ'-phase. The tests were carried out on samples and full-scale dies under industrial conditions when stamping blades made of titanium alloys.

Claims (5)

1. Штамп для горячей штамповки деталей из титановых сплавов, содержащий основу из жаропрочного никелевого сплава с нанесенным на его гравюру износостойким упрочняющим многослойным покрытием, отличающийся тем, что упрочняющее многослойное покрытие общей толщиной от 8 до 30 мкм выполнено в виде по крайней мере двух чередующихся слоев, первый из которых состоит из циркония, хрома, ниобия или их сочетания, нанесенных ионно-плазменным методом в вакууме от 10-4 до 10-9 мм рт.ст., а второй - из нитридов, боридов или карбидов этих же металлов или их сочетаний, нанесенных ионно-плазменным методом при давлении от 10-3 до 10-4 мм рт.ст. в среде азота, бора, углерода или их смесей, причем первый слой нанесен на поверхность основного материала штампа, легированную имплантацией ионов циркония и/или диффузионным насыщением цирконием.1. A stamp for hot stamping of parts made of titanium alloys containing a base of heat-resistant nickel alloy with a wear-resistant reinforcing multilayer coating deposited on its engraving, characterized in that the reinforcing multilayer coating with a total thickness of 8 to 30 microns is made in the form of at least two alternating layers the first of which consists of zirconium, chromium, niobium, or a combination thereof, deposited by the ion-plasma method in vacuum from 10 -4 to 10 -9 mm Hg, and the second of nitrides, borides or carbides of the same metals or their soche REPRESENTATIONS deposited by ion-plasma method at a pressure of from 10 -3 to 10 -4 mmHg in an environment of nitrogen, boron, carbon, or mixtures thereof, the first layer deposited on the surface of the base die material doped with implantation of zirconium ions and / or diffusion saturation of zirconium. 2. Штамп по п.1, отличающийся тем, что многослойное покрытие выполнено в виде чередующихся слоев циркония и нитрида циркония при толщине каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм.2. The stamp according to claim 1, characterized in that the multilayer coating is made in the form of alternating layers of zirconium and zirconium nitride with a thickness of each layer from 0.4 μm to 2.5 μm. 3. Штамп по п.1, отличающийся тем, что многослойное покрытие выполнено в виде чередующихся слоев циркония, хрома и нитрида циркония при толщине каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм.3. The stamp according to claim 1, characterized in that the multilayer coating is made in the form of alternating layers of zirconium, chromium and zirconium nitride with a thickness of each layer from 0.4 μm to 2.5 μm. 4. Штамп по п.1, отличающийся тем, что многослойное покрытие выполнено в виде чередующихся слоев циркония, хрома, ниобия и нитрида циркония при толщине каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм.4. The stamp according to claim 1, characterized in that the multilayer coating is made in the form of alternating layers of zirconium, chromium, niobium and zirconium nitride with a thickness of each layer from 0.4 μm to 2.5 μm. 5. Штамп по п.1, отличающийся тем, что многослойное покрытие выполнено в виде чередующихся слоев циркония, хрома, ниобия и нитрида циркония-ниобия при толщине каждого слоя от 0,4 мкм до 2,5 мкм. 5. The stamp according to claim 1, characterized in that the multilayer coating is made in the form of alternating layers of zirconium, chromium, niobium and zirconium-niobium nitride with a thickness of each layer from 0.4 μm to 2.5 μm.
RU2010119326/02A 2010-05-13 2010-05-13 Die for hot-molding of parts from titanium alloys RU2456112C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010119326/02A RU2456112C2 (en) 2010-05-13 2010-05-13 Die for hot-molding of parts from titanium alloys

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010119326/02A RU2456112C2 (en) 2010-05-13 2010-05-13 Die for hot-molding of parts from titanium alloys

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010119326A RU2010119326A (en) 2011-11-20
RU2456112C2 true RU2456112C2 (en) 2012-07-20

Family

ID=45316428

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010119326/02A RU2456112C2 (en) 2010-05-13 2010-05-13 Die for hot-molding of parts from titanium alloys

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2456112C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2585570C1 (en) * 2014-12-01 2016-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Method for production of multi-layer coating for cutting tool

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1794579A1 (en) * 1991-02-19 1993-02-15 Nii T Mash Method for increasing endurance of die set tooling
EP1614655A1 (en) * 2004-06-18 2006-01-11 Hitachi Tool Engineering Ltd. Hard coating and its production method
RU2296813C2 (en) * 2004-07-13 2007-04-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" Tool strengthening method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1794579A1 (en) * 1991-02-19 1993-02-15 Nii T Mash Method for increasing endurance of die set tooling
EP1614655A1 (en) * 2004-06-18 2006-01-11 Hitachi Tool Engineering Ltd. Hard coating and its production method
RU2296813C2 (en) * 2004-07-13 2007-04-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" Tool strengthening method

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2585570C1 (en) * 2014-12-01 2016-05-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Method for production of multi-layer coating for cutting tool

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010119326A (en) 2011-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU74845U1 (en) MULTI-LAYER DEFORMATION TOOL
CA2981388A1 (en) Process for setting the thermal conductivity of a steel, tool steel, in particular hot-work steel, and steel object
CN107354438A (en) A kind of composite Nano coating on saw blade surface
US6194088B1 (en) Stainless steel coated with intermetallic compound and process for producing the same
KR20120036971A (en) Coated tooling
JP4771223B2 (en) Durable hard material coated mold for plastic working
JP2002307129A (en) Coating tool for warm and hot working having excellent lubricant adhesion and wear resistance
US8956722B2 (en) Layer system for the formation of a surface layer on a surface of a substrate and coating method for the manufacture of a layer system
JP6489412B2 (en) Hard coating layer and cold plastic working mold
RU2456112C2 (en) Die for hot-molding of parts from titanium alloys
JPWO2014192730A1 (en) Manufacturing method of cold working mold
JP6806304B2 (en) Covered cold mold
RU2423547C2 (en) Procedure for production of wear-resistant coating for cutting tool
Onan et al. Effect of WC based coatings on the wear of CK45 sheet metal forming dies
RU2478139C2 (en) Method of ion-plasma application of coating in vacuum to surface of die impression from heat-resistant nickel alloy
JP2000343151A (en) Punch press die and manufacture thereof
WO2011067751A1 (en) Coated article and method for making a coated article
WO2016181813A1 (en) Hard coating and hard coating-covered member
JP7340040B2 (en) Method for making improved cold-formed tools and cold-formed tools for high-strength and ultra-high-strength steels
RU2631573C1 (en) Method of applying multilayer ion-plasma coating on stamp engraving surface from heat-resistant nickel alloy
JP2018158355A (en) Mold for press of titanium plate and method for press-molding titanium plate
JP2018158354A (en) Mold for press of titanium plate and method for press-molding titanium plate
RU2631572C1 (en) Method of applying multilayer ion-plasma coating on stamp engraving surface from heat-resistant steel
CN113260731B (en) Method for manufacturing core
JPH0957506A (en) Corrosion-resisting clad material for cutter and manufacture thereof

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140514