Підвищення термічної витривалості деталей прес-форм лиття під тиском

Анотація

Анотація. Постановка проблеми. Застосування плазмових покриттів, створених на основі зносостійких матеріалів, відкриває широкі можливості для покращення експлуатаційних властивостей деталей, що працюють в умовах інтенсивного зношування та термічних навантажень. Серед найбільш перспективних методів особливу увагу приділяють хімічному осадженню з газової фази (CVD) та методу конденсації матеріалу в умовах іонного бомбардування. Ці методи дозволяють досягти високої якості покриттів із заданими параметрами товщини, міцності та адгезії. У даному дослідженні було обрано сталі 4Х5МФС і 5ХНМ для виготовлення прес-форм, призначених для лиття під тиском мідних сплавів. Вибір цих матеріалів обґрунтований їхньою високою термічною витривалістю, міцністю та зносостійкістю. Мета та задачі дослідження. Мета – встановити закономірності впливу плазмових покриттів на термостійкість матеріалу. Для досягнення мети необхідно: 1. Дослідити покриття на поверхні сталі, нагрітої до 500 °С під час іонного бомбардування. 2. Визначатиме максимальну активність зчеплення з підкладкою та вплив на підвищення теплового опору сталей 4Х5МФС та 5ХНМ. 3. Провести рентгенівський аналіз покриття в матеріалі матриці. 4. Застосувати теорію фракталів для аналізу поверхні покриття нітриду титану та дослідити вплив фрактальної розмірності поверхні на твердість. Матеріали та методики дослідження. Нанесення покриття здійснювалося на поверхню сталі, розігріту до 500 °C під час іонного бомбардування. Даний режим сприяв утворенню високоякісної адгезії між підкладкою та покриттям, що є важливим фактором для довговічності отриманих покриттів. Максимальна адгезійна активність покриттів до підкладки та їхній позитивний вплив на термічну витривалість сталей 4Х5МФС і 5ХНМ були досягнуті при товщині покриття в межах 2–5 мкм. Процес нанесення покриття тривав від 12 до 30 хвилин, що забезпечувало оптимальне співвідношення між якістю покриття та витратами часу на його формування. В ході аналізу структури покриттів було зафіксовано осадження фази α-Ti, яка характеризується високою твердістю та термічною стабільністю. Однак мікрорентгеноспектральний аналіз показав, що глибоке проникнення титану в підкладку не відбулося, що свідчить про контрольований процес формування покриття без небажаних дифузійних процесів. Результати досліджень та їх обговорення. Після проведення іонного бомбардування було зафіксовано значне підвищення жорсткості поверхневого шару. Спочатку цей показник становив 480–500 МПа, а після обробки він зріс до 1050 МПа. Таке підвищення жорсткості сприяє збільшенню опору матеріалу до механічного зношування та покращенню експлуатаційних характеристик прес-форм у реальних виробничих умовах. Дослідження фрактальної структури поверхні покриттів показало, що фрактальна розмірність поверхні покриття з нітриду титану завтовшки 4 мкм, нанесеного на сталь 4Х5МФС, зросла з 1,856 до 1,914 у порівнянні з поверхнею після термообробки. Аналогічно, для сталі 5ХНМ після іонного бомбардування титаном цей параметр збільшився з 1,829 до 1,897. Зростання фрактальної розмірності свідчить про зміну мікрорельєфу поверхні, що може бути пов’язано з покращенням механічних властивостей покриття. Таким чином, отримані результати підтверджують існування взаємозв’язку між фрактальною структурою покриття та його фізико-механічними характеристиками, що відкриває перспективи для подальших досліджень у цій галузі. Висновки. В результаті проведених досліджень встановлено:

1. Покриття наносили на поверхню сталі, нагріту до 500 °C під час іонного бомбардування. Аналіз показав осадження фази α-Ti. У той же час мікрорентгеноспектральний аналіз не виявив глибокого проникнення титану в підкладку. Після іонного бомбардування твердість поверхневого шару зростає з 480–500 МПа до 1050 МПа. 2. Максимальна адгезійна активність до основи та вплив на підвищення термостійкості сталей 4Х5МФС і 5ХНМ досягаються при товщині покриття в межах 2–5 мкм, час нанесення варіюється від 12 до 30 хв. 3. Під час процесу нанесення покриття титан і азот не виявляються в матеріалі матриці, а розподіл базових елементів залишається незмінним. Таким чином, структура вихідного металу, з якого виготовлені деталі форми, не змінюється. Рентгенівський аналіз показав наявність у покритті залишкової напруги стиску, величина якої становить 1800 МПа. 4. Фрактальна розмірність поверхні покриття нітриду титану товщиною 4 мкм для сталі 4Х5МФС зросла порівняно з поверхнею після термообробки з 1,856 до 1,914. Також фрактальна розмірність поверхні сталі 5ХНМ після бомбардування іонами титану зросла з 1,829 до 1,897. Підвищення твердості поверхневого шару від 480–500 МПа до 1050 МПа вказує на можливість існування нових зв’язків між фрактальною структурою та властивостями.