Технические науки/ 1. Металлургия

Трефилова Н.В.

Самарский государственный технический университет, Россия

ТЕХНОЛОГИЯ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДЕФОРМИРУЕМЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ КАЧЕСТВЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ

Среди методов нанесения защитных покрытий особое место занимают вакуумно-плазменные и плазмохимические методы, которые позволяют получать покрытия из самых разнообразных материалов, обладающих высокой адгезией к подложке, износостойкостью, твердостью, коррозионной стойкостью и другими свойствами. Одним из таких методов является метод вакуумно-дугового напыления, который получил широкое применение, главным образом для увеличения износостойкости изделий.

При нанесении ионно-плазменных покрытий на алюминиевые сплавы их поверхность должна отвечать определенной структуре и свойствам, определяющим качество поверхности. Для деформируемых алюминиевых сплавов наиболее важными являются вопросы структурной однородности поверхности и ее шероховатость. Первое обеспечивает однородность свойств покрытий по поверхности изделия, а минимальная шероховатость – адгезионную прочность, стойкость при окислении и абразивном износе. Вместе с тем, при одинаковом значении шероховатости микрогеометрия поверхности после таких финишных операций как шлифование и полирование будет зависеть от ее твердости. При механической обработке при низкой твердости поверхности доля процессов срезания микровыступов будет меньше, чем доля их пластической деформации. Соответственно будет происходить загиб микровыступов от пластической деформации, а не их срезание. При загибе микровыступов под ними остаются различные загрязнения даже после тщательной очистки поверхности перед нанесением покрытий. Этим объясняется снижение качества ионно-плазменных покрытий и наличие микродуг на поверхности после их нанесения. Этот негативный эффект еще более усиливается в случае структурной поверхностной неоднородности сплавов алюминия при легировании несколькими элементами. Соответственно при нанесении декоративных ионно-плазменных покрытий на деформируемые алюминиевые сплавы важными являются вопросы обеспечения однородности структуры поверхности сплавов и повышение ее твердости. Эти вопросы могут быть решены за счет термического упрочнения деформируемых алюминиевых сплавов.

С этой целью в настоящей работе исследовали различные варианты термической обработки деформируемого алюминиевого сплава 1160 (Д16) системы Al-Cu-Mg. Сплавы этой системы характеризуются наличием вторичных фаз (CuAl₂) и (CuMgAl₂), которые могут вызвать неоднородность структурного состояния поверхности. Нагрев до температуры закалки приводит к полному растворению этих фаз в твердом растворе и при последующем быстром охлаждении формируется однородный пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Исследовались следующие варианты термической обработки сплава Д16: свежезакаленное состояние; закалка + старение; кратные закалки + старение. При этом исследованы варианты с естественным и искусственным старением. Оптимальный вариант и параметры термической обработки устанавливали из условия получения минимальной шероховатости и максимальной твердости поверхности. Шероховатость поверхности определяли на профилометре с цифровым отсчетом и индуктивным преобразователем модели 296. Шероховатость измеряли после термической обработки и полирования поверхности. Микротвердость поверхности измеряли на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 0,49 Н.

В качестве оптимальных вариантов термической обработки установлены следующие: 4-х кратная закалка при 490-500°С + искусственное старение при 115 градусах в течении 150 мин; 3-х кратная закалка + естественное старение в течении 4-х суток. Эти варианты обеспечивают одинаковые значения микротвердости (1100 МПа) и шероховатости (Ra=0,08 – 0,1 мкм).

После ТО и полирования на сплав Д16 наносили ионно-плазменное покрытие из нитрида титана (TiN). Нанесение ионно-плазменных покрытий выполнялось на модернизированной вакуумной установке ННВ-6.6 И1 по методу КИБ.

Перед нанесением покрытий образцы подвергались ультразвуковой очистке в моющем водном растворе и в бензине БР-1 с последующей сушкой и протиркой спиртом. После нагрева в сушильном шкафу до температуры 150-200°С отливки помещались в вакуумную камеру.

Технология собственно нанесения износостойких покрытий включала следующие стадии:

-ионная очистка ионами титана, до заданной температуры при следующих параметрах. Рост=1*10-3 Па; ток дуги испарения Jд=75 (А); напряжение на подложке U=1000(В); ток фокусирующей катушки Jф≈0,4(А); температура образцов Т=350°С;

-конденсация покрытий выполнялась при следующих параметрах: ток дуги испарителя Jд=75(А), напряжение на подложке Uоп=100(В), время конденсации покрытия τ=25 мин; температура изделия при конденсации Т=300-350°С, давление азота в камере РN=(3-5)*10-1Па;

Для сравнения оценивали состояние покрытия TiN, нанесенного на образцы без их термической обработки (в состоянии поставки). Покрытие имело большое количество микродуг при практически том же уровне остальных параметров.

Таким образом, рекомендуемые режимы термической обработки деформируемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg дают возможность получить качественные декоративные ионно-плазменные покрытия на изделиях из этих сплавов.