Способ повышения износостойкости стальных пресс-форм для формовки изделий из пластмасс

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ ПРЕСС-ФОРМ ДЛЯ ФОРМОВКИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Чигринова Наталья Михайловна Чигринов Виталий Евгеньевич Чигринов Вадим Витальевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Способ повышения износостойкости стальной пресс-формы для формовки изделий из пластмасс, заключающийся в том, что на поверхность пресс-формы, контактирующей с обрабатываемым изделием, методом активированной электродуговой металлизации наносят слой алюминиевого порошка, который затем подвергают анодному микродуговому оксидированию с получением слоя оксидной керамики, при этом соотношение толщин алюминиевого слоя и слоя оксидной керамики составляет 51. Фиг. 1 Изобретение относится к области обработки материалов и может быть использовано для создания защитных износостойких покрытий на сложнопрофильных изделиях широкой номенклатуры, типоразмеров и назначения, изготовленных из любых токопроводящих материалов. Известен способ повышения износостойкости стальных деталей за счет нанесения защитных износостойких и коррозионно-стойких покрытий, в частности пресс-форм, посред 15172 1 2011.12.30 ством ионно-лучевой обработки поверхности металлов и сплавов. Сущность изобретения состоит в очистке поверхности облучением ионами металла в импульсном режиме, напускании азота с продолжением облучения до определенной дозы при одновременном нанесении покрытия ионами того же металла 1. К недостаткам метода относятся высокие трудоемкость и стоимость обработки, необходимость в специальном оборудовании, ограниченность типоразмеров пресс-форм, пригодных для указанной обработки, малая толщина формируемых покрытий. Известен также способ повышения износостойкости прессового инструмента за счет нанесения защитных износостойких покрытий. Сущность изобретения состоит в том, что поверхность прессового инструмента подвергают полировке, наклепу, наносят слой окисла родия, после чего проводят имплантацию ионов азота или углерода или бора, причем покрытие наносят толщиной меньшей глубины проникновения ионов. Перед нанесением покрытия наклеп поверхности проводят выглаживанием 2. К недостаткам метода относятся очень высокие трудоемкость и стоимость обработки,необходимость в специальном оборудовании, ограниченность типоразмеров пресс-форм,пригодных для указанной обработки, малая толщина формируемых покрытий. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ повышения износостойкости стальной пресс-формы для формовки изделий из пластмасс, включающий нанесение на контактную поверхность пресс-формы покрытия путем напыления на поверхность пресс-формы алюминиевого порошка методом активированной электродуговой металлизации и анодного микродугового оксидирования напыленного алюминиевого слоя, при этом соотношение толщин алюминиевого и оксидированного слоев покрытия составляет 101 3. К недостаткам данного способа относятся высокие трудоемкость и стоимость обработки, малая толщина модифицированного слоя, недостаточная для существенного продления ресурса пресс-формы, неспособность такого слоя противостоять высоким нагрузкам при прессовании, необходимость в специальном оборудовании, невозможность создания модифицированного слоя на поверхности крупногабаритных пресс-форм. Задачей изобретения является повышение износостойкости и продление срока службы стальных пресс-форм широкой номенклатуры, типоразмеров и назначения за счет создания на поверхности пресс-формы, контактирующей с обрабатываемым изделием при прессовании, модифицированного слоя, сформированного комбинированным методом активированной электродуговой металлизации (АДМ) или газотермического напыления и анодного микродугового оксидирования (АМДО). Поставленная задача решается следующим образом. В способе повышения износостойкости стальной пресс-формы для формовки изделий из пластмасс, заключающемся в том, что на поверхность пресс-формы, контактирующей с обрабатываемым изделием, методом активированной электродуговой металлизации наносят слой алюминиевого порошка, который затем подвергают анодному микродуговому оксидированию с получением слоя оксидной керамики, при этом соотношение толщин алюминиевого слоя и слоя оксидной керамики составляет 51. Сущность изобретения поясняется следующим примером. Пример 1. Перед нанесением на контактную поверхность литьевой, изготовленной из легированной стали 5 ХНМ, пресс-формы с поверхностной твердостью 44-48 , применяемой для штамповки деталей из пластмасс, модифицированного слоя, производили пескоструйную обработку этой поверхности по стандартной технологии с целью обеспечения необходимой адгезии напыляемого слоя с металлической поверхностью пресс-формы. После данной обработки производили напыление на поверхность пресс-формы алюминиевого порошка состава АД-0 методом активированной электродуговой металлизации. 15172 1 2011.12.30 Поскольку толщина создаваемого покрытия должна быть достаточной для обеспечения повышенной износостойкости пресс-формы (не менее 40-50 мкм), а также с учетом соблюдения необходимого соотношения толщин порошкового и оксидо-керамического слоев 51, режимы и продолжительность процесса напыления должны быть такими, чтобы обеспечить толщину порошкового слоя в указанном диапазоне. Данное соотношение толщин 51 определяется особенностями процесса АМДО, при котором формирование оксидной керамики сопровождается растворением поверхностных слоев оксидируемой детали. Обычно при АМДО компактных алюминиевых сплавов скорость растворения металла, определяемая его составом и химической активностью поверхности, а также степенью кислотностиэлектролита и режимами обработки, составляет 3-5 от общей толщины изделия. При этом скорость растворения тем больше, чем выше химическая активность указанной поверхности. Химическая активность порошкового материала существенно выше данного параметра компактного. Кроме того, поверхностная активность возрастает в процессе пескоструйной и последующей активированной электродуговой металлизации, в результате чего процент растворяемого при АМДО поверхностного слоя возрастает на порядок. В связи с этим для гарантированного обеспечения необходимой и достаточной толщины работоспособного оксидо-керамического слоя, как правило, в 40-50 мкм на поверхности пресс-формы, обладающего требуемой износостойкостью, соотношение толщин создаваемого порошкового слоя и оксидо-керамического должно быть 51. Для получения порошкового слоя на поверхности стальной пресс-формы использовалась малогабаритная камера сгорания пропано-воздушной смеси с ручным металлизатором АДМ-10. Максимальная скорость истечения газовой струи реализовывалась за счет использования сверхзвукового сопла Лаваля. Скоростной напор потока при гиперзвуковой или активированной электродуговой металлизации составлял 23,5104 кг/мс 2, что втрое больше, чем при плазменном напылении. Скорость движения частиц расплавленного металла в потоке составляла около 500 м/с. Это позволило формировать подслой с прочностью сцепления с основным металлом до 60 МПа. Кроме того, в условиях высокоскоростного напыления увеличивается коэффициент сосредоточенности материала в струе, поскольку угол расхождения двухфазных сверхзвуковых струй меньше, чем дозвуковых, и составляет 57. Вследствие этого уменьшается диаметр пятна напыления, возрастает коэффициент использования материала. Ионизация межэлектродного промежутка снижает ток дуги на 10-15 при той же производительности, что и у традиционной электрометаллизации. Толщина напыленного порошкового подслоя составляла 250 мкм. Следующим этапом получения модифицированного трехкомпонентного покрытия является микродуговое оксидирование сформированного на поверхности стальной прессформы порошкового алюминиевого слоя толщиной 250 мкм. Для этого использовалась серийная установка МДО (изготовитель Филиал ВНИПТИЭМ г. Вильнюс) и специально сконструированная оснастка, позволяющая подавать электролит непосредственно в рабочую зону пресс-формы с порошковым алюминиевым слоем на поверхности. Такой способ оксидирования позволяет обрабатывать изделия любых форм, типоразмеров и конфигурации. Электролит на основе слабощелочного водного раствора с активирующими процесс добавками под давлением подают в рабочую зону пресс-формы, с напыленным порошковым слоем. Процесс МДО осуществляют в гальваностатическом режиме при 15 А/дм 2. Поскольку скорость прироста 1 мкм покрытия при проведении процесса на указанных режимах на порошковом слое составляет 0,7 минуты, то для обеспечения требуемого соотношения порошкового и оксидного слоев 51 продолжительность АМДО для получения оксидной керамики толщиной в 50 мкм должна быть не менее 35 минут. Проведение АМДО с плотностью тока более при 15 А/дм 2 приведет к более быстрому формированию оксидной керамики требуемой толщины, однако при этом показатели шероховатости формируемого покрытия по параметрубудут превышать требуемые значения. 3 15172 1 2011.12.30 Осуществление оксидирования с первоначальной плотностью тока менее 15 А/дм 2 сделает процесс нетехнологичным, т.к. его продолжительность будет превышать несколько часов. В результате на обрабатываемой поверхности создается модифицированное покрытие(фиг. 1)основы напыленный порошковый алюминиевый слой - оксидная керамика на основе сочетаний износостойких -23, -23 оксидов и ряда А-содержащих фаз 3, 24, 38 (табл. 1). Шероховатость поверхностисоставляла не более 0,32 мкм. Испытания на износостойкость полученного модифицированного трехслойного покрытия проводились по стандартной методике на машине трения СМТ-1, согласно Методическим указаниям РД 50-662-88 в диапазоне давлений, испытываемых исследуемой пресс-формой (120 кг/см 2) (табл. 2 и 3). Испытания производили при температуре 22 С и относительной влажности 60 . Таблица 1 Фазовый состав АМДО-покрытия в модифицированном трехслойном покрытии Фазы в АМДО-покрытии Режимы проведения испытаний Нагрузка Р, МПа Скорость , об/мин Температура Т, С 1 120 МПа постоянная 200 об/мин 25 С Другие рабочие переменные Диск из ШХ 15 ( 60), контробразец из ШХ 15 ( 60) Таблица 3 Испытательное оборудование и средства измерения Наименование испытательного оборудования, средств измерений Машина трения СМТ-1 Весы ВЛР-200 4 15172 1 2011.12.30 Регистрацию результатов испытаний осуществляют с помощью системы сбора и обработки данных. Система сбора и обработки данных представляет собой ПЭВМ, на которой установлена многофункциональная аналого-цифровая платафирмы. Полученные данные обработаны программой, позволяющей производить оценку, статистическую обработку, расчет и графическую визуализацию данных. Образцы в виде дисков, диаметром 15 мм, толщиной 14 мм, испытывали при постоянной скорости скольжения 15 об/мин. В большинстве случаев контртелами служили шарики диаметром 10 мм, изготовленные из стали ШХ 15 с твердостью 55-63(фиг. 2 подвижный образец фиг. 3 - неподвижный образец). Результаты испытаний на износостойкость пресс-форм из разных сталей с полученным,согласно предлагаемому способу, покрытием и типовой пресс-формы показали существенное преимущество модифицированной пресс-формы, износостойкость которой по сравнению с типовым изделием возросла более чем в 10 раз (табл. 4). Таблица 4 Результаты испытаний на износ Марка материала Метод формирования Износ образца, п/п К тр. подложки покрытия м/м 10-8 1 Сталь 5 ХНМ АДМАМДО 0,17 0,1675 2 Сталь 40 Х АДМАМДО 0,20 0,2133 3 Сталь 5 ХНМ Без покрытия 1,87 2,1352 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5