Produktfamilien DLC - Tribologi by Teknologisk Institut

Tribologicentrets produkter

Tribologicentrets belægningstyper til    

stansning of formgivning af plast formgivning af plast maskin- og slidkomponenter spåntagende og skærende værktøjer

Værd at vide

Forskning og udvikling

Diverse

PRODUKTFAMILIEN DLC Diamond Like Carbon Diamond Like Carbon (DLC) er betegnelsen for en hård og glat kulstofoverflade - en slags mellemting mellem grafit og diamant. LAV FRIKTION DLC-TR er Tribologicentrets lavfriktions-PVD-belægning, som består af en funktionelt gradueret belægning (FGC) af diamantlignende kulstof. Som hovedregel kan DLC-TR anvendes på metaldele, hvor der ønskes nedsat friktion. Opbygningen som FGC-belægning giver maksimal vedhæftning af DLC-belægningen på alle stål og på de fleste andre legeringer.

stemt efter hinanden. Når det ikke kan lade sig gøre at få alt dette til at gå op i en højere enhed er resultatet som regel for stort slid eller egentlig sammenrivning af delene. Løsningen på dette problem kan være en overfladebelægning med DLC-TR. Denne kan enten bruges tørt eller i kombination med traditionel smøring. Når DLC-TR kombineres med olie eller fedt, sørger belægningen for smøring, når overfladernes ruhed alligevel træder gennem smørefilmen.

DLC-TR TIL BEVÆGELIGE VÆRKTØJSOG MASKINDELE Maskinelementer og værktøjsdele i glidende eller roterende bevægelse er næsten altid udsat for slid. Ofte er man tillige interesseret i at have så lav friktion som muligt. Disse problemer løses traditionelt med smøring enten med fedt eller med olie.

OLIE ELLER FEDT PÅ PLASTEMNER IKKE MED DLC-TR Bevægelige kerner og udstødere skal ofte smøres for ikke at rive. Denne smøring fører som regel til en vis afsmitning af smøremiddel på de færdige emner. Skal emnerne bruges til fødevarer, medicin eller som dekoration kan forurening med smøremiddel normalt ikke accepteres. Overfladebelægning med DLCTR vil normalt løse dette problem.

Fedtsmøring og især oliesmøring kræver at hastighed, belastning, geometri og smøremiddel er nøje af-

BAD-DLC IBAD-DLC er en ionstråle-assisteret udfældning af en kulstofbelægning,

For mere information, kontakt Tribologicentret Kongsvang Allé 29 8000 Aarhus C

Tlf. 72 20 15 99 Mail: tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

som især anvendes på hærdede stålværktøjer. Den samtidige ionimplantering og belægning sikrer en vis opblanding af materialerne i grænselaget mellem belægning og grundmateriale. Herved opnås en overordentlig god vedhæftning af belægningen. FORMGIVNING AF TYNDPLADE Ved minimalsmurt eller smørefri formgivning af tyndpladeprodukter er IBAD-DLC det helt rigtige valg. Formgivning uden eller næsten uden smøremiddel betyder ofte meget i emnernes videre forløb, fordi rester af smøremiddel som regel skal fjernes. SMØR MED VAND Smøring af metalkomponenter med vand er normalt ikke muligt, bl.a. på grund af vands meget lave viskositet. Hvis mindst én af glideeller lejefladerne overfladebehandles med DLC-TR er der dog ingen risiko for rivning på komponenter eller maskindele, der kører i vand heller ikke ved eventuel tørkørsel.

PRODUKTFAMILIEN DLC Diamond Like Carbon Farve: Sort PRODUKTVARIANTER

DLC-TR

IBAD-DLC

1200-1800

1300

220

Ca. 250

350

Friktionskoefficient mod stål

0,1

0,05-0,1

Fremstillingsproces

PVD

II+PVD

Behandlingstype

FGC

Standard lagtykkelse [μm]

3-5

Mikrohårdhed [HV] Procestemperatur [°C] Anvendelsestemperatur, max. [°C]

Eksempler på friktionskoefficienter

PRODUKTFAMILIEN CrN Kromnitrid CrN - EN FLEKSIBEL LØSNING TIL MANGE FORMÅL Sammenlignet med mange af Tribologicentrets øvrige belægninger er CrN mindre hård, men til gengæld har CrN en lang række andre unikke fordele, som gør belægningen meget velegnet til værktøj, sliddele og maskinkomponenter. Hårdheden af CrN er ca. to gange hårdheden af traditionel hårdkrom - og så skal den ikke slibes efter belægning. CrN er en duktil (bøjelig/elastisk) belægning og hårdheden af grundmaterialet er derfor ikke kritisk. CrN-LT - LAVTEMPERATUR CrN-processen kan udføres ved lav temperatur (ca. 150 °C) og Tribologicentret har udviklet en speciel skånsom proces, som efterlader overfladekvaliteten af polerede overflader intakt. CrN-LT gør det muligt at opnå god varmeledning og høj slidstyrke, godt slip og god produktfinish på småserieforme i let bearbejdelige materialer. Disse egenskaber gør Tribologicen-

trets CrN-LT til et optimalt valg på alle ståltyper (også lavt anløbne) samt på aluminium og kobberlegeringer. SPÅNTAGNING OG FORMGIVNING AF METAL Ved spåntagning og formgivning af metal kan CrN anvendes mod påklæbning af bløde metaller som aluminium og kobberlegeringer samt i visse tilfælde også til rustfrit stål. CrN-SD (Super Dense) Gennem en optimering af mikro- og nanostrukturen på kromnitridkrystallerne har Tribologicentret udviklet en særlig tæt belægning, CrN-SD, hvor krystallerne vokser på en mere kompakt måde end i de traditionelle CrN-belægninger. Herved opnås en mere hård og tæt belægning, som er særdeles velegnet til hårdt belastende processer med klæbende metaller. SLIPBELÆGNING TIL SPRØJTESTØBEFORME Afformning af plast er et vanskeligt problem. Grundet den meget lave polaritet har CrN og CrN-LT gode

For mere information, kontakt Tribologicentret Kongsvang Allé 29 8000 Aarhus C

Tlf. 72 20 15 99 Mail: tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

slipegenskaber over for visse plasttyper. Tribologicentret har mange års erfaring med afhjælpning af afformningsproblemer i sprøjtestøbeforme. CrN-SS (Super Slip) For at opnå optimeret slip i særlige vanskelige sprøjtestøbeværktøjer har vi udviklet en ny type kromnitrid, CrN-SS, der har klart forbedrede slipegenskaber over for de fleste vanskelige plasttyper. CrN-SS har endvidere vist, at det er muligt at afforme i et større temperaturområde, hvilket i højere grad tillader optimering af selve sprøjtestøbningsprocessen uden hensyntagen til afformningen. Dette betyder forbedret lønsomhed gennem reducerede cyklustider. AFVISNING AF KALK OG ANDRE BELÆGNINGER Den lave polaritet på Tribologicentrets CrN-belægning er årsag til, at visse stoffers tendens til at danne bindinger til overfladen reduceres. Et eksempel på denne virkning er anvendelse på dyser eller armaturer til vand, hvor CrN kan reducere kalkudfældning betydeligt.

PRODUKTFAMILIEN CrN Kromnitrid

Farve: Sølvgrå PRODUKTVARIANTER

CrN

CrN-LT

CrN-SS

CrN-SD

Mikrohårdhed [HV]

1800

2000

Procestemperatur [°C]

450

150

180-450

Anvendelsestemperatur, max. [°C]

700

300

700

Friktionskoefficient mod stål

0,5

Fremstillingsproces

PVD

II+PVD

PVD

Enkeltlag

FGC

Enkeltlag

3 Ca. 40

3 -

Behandlingstype Standard lagtykkelse [μm] Maksimal lagtykkelse [μm]

Eksempler på øget stand- eller levetid med CrN

Specifikke detaljer om driftsforhold er udeladt. Figuren er baseret på konkrete driftsdata fra vores kunder. Den forsimplede fremstilling skal opfattes som en repræsentativ illustration af den øgede funktionalitet opnået med vores belægninger.

CrN-SS SuperSlip belægning til plastværktøjer Tribologicenter på Teknologisk Institut har udviklet en og særdeles effektiv belægning til sprøjtestøbeværktøjer, som både giver slidbeskyttelse og markant bedre slip end de traditionelle PVD CrN-belægninger. Den nye kromnitrid SuperSlip belægning har fået navnet CrN-SS. Belægningen er specielt udviklet til plastformgivende dele, som f.eks. kerner. Som eksempel har A/S Kenneth Winther Værktøjsfabrik ved anvendelse af CrN-SS opnået betydeligt kortere cyklustider gennem en lettere afformning. Samtidig er det operationelle temperaturvindue blevet kraftigt udvidet, hvilket muliggør en langt mere fleksibel produktion. Belægningen bruges rutinemæssigt inden for sprøjtestøbning af en lang række medico-relaterede og andre højpræcisionsprodukter. En af Danmarks største plastproducenter konkluderer, at der ses betydelige forbedringer ved afformning med Tribologicentrets CrN-SS belægning.

Resultatet af dette er en meget glattere og tættere belægning i overensstemmelse med det indtryk, man umiddelbart får af billederne. Hertil kommer, at CrN-SS belægningens kemiske sammensætning i overfladen har yderligere optimerede slipegenskaberne over for de mest almindelige plastmaterialer. Eksempel på en række skruekerner belagt med den nye CrN SuperSlip (CrNSS). Kernerne er fremstillet og performance-dokumenteret af A/S Kenneth Winther Værktøjsfabrik.

Belægningen er fundamentalt anderledes end de standardbelægninger, der ellers tilbydes på markedet. Som det ses på nedenstående Scanning Elektron Mikroskopi (SEM) billeder er der i CrN-SS belægningen tale om en helt anden krystalmorfologi, hvor de karakteristiske større krystaller og dertil hørende korngrænser stort set undgås.

For mere information, kontakt Tribologicentret Kongsvang Allé 29 8000 Aarhus C

Tlf. 72 20 15 99 Mail: tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

Nedenfor ses SEM billede af krystalmorfologien af en traditionel CrN belægning og den nye CrN SuperSlip belægning. CrN-SS belægningen har en langt mindre krystallinsk struktur, og har derfor helt andre overfladeegenskaber.Den er endvidere ca. 10 % hårdere som følge af den tættere CrN-fase.

PRODUKTFAMILIEN TiAlN Titanaluminiumnitrid

Tribologicentret har flere forskellige varianter af TiAlN-belægningen:

TiAlN-444 TIL HÅRDT BELASTET SPÅNTAGNING Denne belægning består af en række skiftende lag med forskellige egenskaber, som har meget stor modstand mod abrasivt slid, som forekommer ved eksempelvis spåntagning under meget slidende betingelser. Eksempler på dette er bearbejdning af stål, støbejern eller fiberforstærkede polymerer.

TiAlN-nano TIL STANSNING OG FORMGIVNING TiAlN-nano er opbygget af mange nanometer tynde lag, hvilket gør belægningen meget stærk og modstandsdygtig over for de slagog indtrykningspåvirkninger, der forekommer under stansnings- og formgivningsoperationer.

TiAlN-TR TIL HØJE TEMPERATURER OG TIL PLASTFORME TiAlN-TR er en enkeltlagsbelægning. Belægningen er meget velegnet til vedvarende brug ved høje temperaturer og er fremragende mod slid på plastforme fra glas- og farvefyld. Belægningen har endvidere godt slip over for en række plasttyper.

Hele TiAlN-gruppen af PVDbelægninger er karakteriseret ved en meget stor hårdhed og stor temperaturstabilitet, hvilket gør, at TiAlN er blevet en allroundbelægning til tribologiske formål. Alle TiAlN-belægninger er velegnede til spåntagningsopgaver i stål.

For mere information, kontakt Tribologicentret Kongsvang Allé 29 8000 Aarhus C

Tlf. 72 20 15 99 Mail: tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

TiAlN-LT2 TIL TEMPERATURFØLSOMME GRUNDMATERIALER Flere værktøjer og sliddele er fremstillet af stål, som bliver anløbet ved lave temperaturer. Til sådanne emner har Tribologicentret udviklet en lavtemperaturproces (< 150 °C). Traditionelt er det vanskeligt at opnå den store hårdhed på TiAlN ved lave procestemperaturer, men med en særlig pulsteknik har Tribologicentret udviklet TiAlN-LT2, som har en hårdhed på hele 2600 HV. TiAlN-LT2 er bl.a. velegnet til forbedring af slip i plastforme og til præcisionsværktøjer og måleudstyr. Der stilles kun krav til, at materialet har en hårdhed omkring 60 HRC eller mere.

PRODUKTFAMILIEN TiAlN Titanaluminiumnitrid Farve: Blåsort PRODUKTVARIANTER

TiAlN-LT2

TiAlN-TR

TiAlN-nano

TiAlN-444

Mikrohårdhed [HV]

Ca. 2600

Ca. 3300

< 150

450

Anvendelsestemperatur, max. [°C]

800

850

800

Friktionskoefficient mod stål

0,3

Fremstillingsproces

PVD

Behandlingstype

Enkeltlag

Nanokomposit

Multilag

Lagtykkelse [μm]

1-3

3-5

Procestemperatur [°C]

Eksempler på øget stand- eller levetid med TiAlN

PRODUKTFAMILIEN TiN Titannitrid SKÆRENDE VÆRKTØJ TiN er en klassiker inden for tribologiske PVD belægninger og anvendes i standardudgaven stadig i vid udstrækning som universalbelægning til skærende værktøjer. Til spåntagende opgaver med moderat belastning er TiN et godt alternativ, men til anvendelse i forbindelse med stærkt slidende eller meget varme processer anbefales de hårdere og mere temperaturstabile TiAlN-belægninger. TiN kan anvendes til spåntagning af rustfri stål, men som regel anbefales TiCN-belægninger, da de har større modstand mod påklæbning og løsægsdannelse. PLASMA-TiN Tribologicentret råder over specielt udstyr til fremstilling af Plasma-TiN, hvor belægningen

frembringes ved plasma-CVD-metoden (PCVD), hvilket gør det muligt at slidbeskytte komplicerede geometrier, relativt dybe huller, indløb, dyser o.lign. Belægning af specielle geometrier kan undersøges på forespørgsel. METALBEARBEJDNING Plasma-CVD-metoden bevirker at Plasma-TiN-belægningen har en helt speciel opbygning, som gør den mere afvisende over for påklæbning end traditionelle TiN-belægninger fremstillet ved PVD-processen. Tribologicentret har mange års erfaring med anvendelse af PlasmaTiN til at forhindre klæbning ved bearbejdning af bløde metaller som f.eks. tin, messing, kobber og zink eller ved bearbejdning af emner, der er overfladebehandlede med disse metaller.

For mere information, kontakt Tribologicentret Kongsvang Allé 29 8000 Aarhus C

Tlf. 72 20 15 99 Mail: tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

SLIPBELÆGNING TIL PLAST TiN har på grund af sin lave polaritet gode slipegenskaber over for visse plasttyper. Til afhjælpning af særlige komplicerede afformningsproblemer har Tribologicentret udviklet en slipbelægning, N-TiN, som fremkommer ved at ionimplantere TiN-belægningen med kvælstofioner.

PRODUKTFAMILIEN TiN Titannitrid

Farve: Gylden PRODUKTVARIANTER

TiN

Plasma-TiN

N-TiN

Ca. 2200

Ca. 2000

Ca. 2200

Procestemperatur [°C]

450

520

450/520

Anvendelsestemperatur, max. [°C]

450

Friktionskoefficient mod stål

0,4

Fremstillingsproces

PVD

PCVD

II+PVD

Enkeltlag

FGC

Mikrohårdhed [HV]

Behandlingstype Standard lagtykkelse [μm]

Eksempler på øget stand- eller levetid med TiN

PRODUKTFAMILIEN TiCN Titancarbonitrid BEARBEJDNING AF RUSTFRI STÅL TiCN er en hård belægning som historisk set er udviklet som supplement til TiN beregnet til opgaver med højere mekanisk belastning. Belægningen finder i dag anvendelse til bearbejdning af stål, og specielt evnen til at modvirke klæbning gør den til en velegnet belægningstype til bearbejdning af rustfri stål. TiCN-belægningerne anvendes især til spåntagende processer som fræsning og boring, hvor påklæbning og løsægsdannelse skaber problemer som f.eks. dårlig overfladekvalitet og nedsat værktøjslevetid. Belægningerne bruges endvidere til lokke-, stanseog bukkeoperationer, hvor man har problemer med påklæbning af rustfri stål.

øges med en faktor 3, uden at det sker på bekostning af standtiden i sammenligning med et ubelagt værktøj. Ved stigende skærehastigheder og højere procestemperaturer aftager slidstyrken for TiCN og der opnås bedre levetid med TiAlN-baserede belægninger. TiCN-22 Tribologicentrets TiCN-22 er en videreudvikling af den traditionelle TiCN-belægning. Den er opbygget i flere lag med forskellige egenskaber, en såkaldt multilagsbelægning. Ved multilagsstrukturen øges styrken og sejheden og dermed evnen til at følge værktøjers deformation under belastning, uden at der opstår revner i belægningen.

Levetiden kan forbedres med op til 8 gange eller skærehastigheden kan

For mere information, kontakt Tribologicentret Kongsvang Allé 29 8000 Aarhus C

Tlf. 72 20 15 99 Mail: tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

PlasmaCarboTiN Tribologicentret råder over udstyr til fremstilling af PlasmaCarboTiN, som er en TiCN-belægning, hvor belægningen frembringes ved en plasma-CVD-proces (PCVD). Denne TiCN-belægning kan lægges på komplicerede værktøjsgeometrier og i huller med en dybde på op til mindst tre gange diameteren, hvilket er umuligt med en PVDbelægning som f.eks. TiCN-22.

PRODUKTFAMILIEN TiCN Titancarbonitrid Farve: Rødbrun PRODUKTVARIANTER

TiCN-22

Plasma CarboTiN

Mikrohårdhed [HV]

Ca. 3000

Procestemperatur [°C]

450

520

Anvendelsestemperatur, max. [°C]

600

350

Friktionskoefficient mod stål

0,3

Fremstillingsproces

PVD

PCVD

Multilag

Enkeltlag

Behandlingstype Standard lagtykkelse [μm]

Eksempler på øget stand- eller levetid med TiCN

IONIMPLANTERING Cr-Plus, N-Plus, IBAD-DLC OMLEGERING VED LAV TEMPERATUR Ved ionimplantering skydes fremmede atomer under høj hastighed ind i en overflade. Herved tvinges stoffer ind i materialer, som de ellers ikke naturligt ville vandre ind i. Dette giver mulighed for at opnå nogle helt specielle egenskaber, som kan skræddersys til en given opgave. Ionimplantering giver bedre produktkvalitet samt større slid- og korrosionsbestandighed på værktøjerne. Ofte ses standtidsforlængelser på op til 10 gange. Procestemperaturen ligger typisk under 180 °C. INGEN MÅLÆNDRING - INGEN EFTERBEHANDLING Ionimplantering anvendes på færdige værktøjer og komponenter, det vil sige hærdede, anløbne, slebne og/eller polerede emner. Ionimplantering giver ingen ændring af emnets form, dimensioner eller over-

fladefinish. Der er derfor ikke behov for nogen efterbehandling. N-Plus N-Plus er ionimplantering med kvælstof. Dette bruges bl.a. til at give slidstyrke til præcisionsstanseværktøjer og til meget skarpe knive og skær. N-Plus kombineres ofte med plasmanitrering for at opnå ekstremt lange standtider på værktøjer til bearbejdning af blik og anden tyndplade. Cr-Plus Cr-Plus er ionimplantering med krom. Med denne metode kan luftafgange på sprøjtestøbeforme korrosionsbeskyttes så godt, at et traditionelt formstål, som f.eks. W. Nr. 1.2344, opfører sig som var det syrefast. I den yderste overflade opnås der Cr-koncentrationer på op til 30 %.

For mere information, kontakt Tribologicentret Kongsvang Allé 29 8000 Aarhus C

Tlf. 72 20 15 99 Mail: tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

IBAD-DLC IBAD-DLC er en hård og meget glat kulstofoverflade - en slags mellemting mellem grafit og diamant. Belægningen er ca. 1 µm tyk og giver friktionskoefficienter på helt ned til 0,05-0,1. IBAD-DLC anvendes bl.a. på hærdede stålværktøjer til smørefri masseproduktion af tyndpladeprodukter. LAVE OMKOSTNINGER Med ionimplantering kan der sættes ind præcis der, hvor problemet er. Det er muligt kun at behandle det kritiske område, f.eks. en luftafgang på en sprøjtestøbeform eller en skærekant på et stanseværktøj. Derfor vil ionimplantering ofte også være en økonomisk fordelagtig løsning. Ionimplantering er en unik overfladebehandlingsmetode, som Tribologicenteret har udviklet og vi er internationalt førende inden for området.

PLASMANITRERING PLASNIT, PLASOX, Plasmanitrokarburering Plasmanitrering kaldes også for ion-nitrering eller kort PLASNIT. Ved plasmanitrering aktiverer man ved hjælp af vakuum og elektriske felter en gasblanding, som blandt andet indeholder kvælstof. Ved at aktivere eller ionisere (som det også hedder) gassen bringes den på en form, hvor den kan trænge ind i ståloverflader. Når dette sker øges hårdheden af overfladen, fordi kvælstoffet reagerer med jern og de legeringselementer, der er i et stål. Hårdheden og hvor dybt behandlingen trænger ind i overfladen afhænger dels af hvilket stål der behandles og dels af hvor længe og ved hvilken temperatur behandlingen foretages. LAV TEMPERATUR OG LOKAL BEHANDLING På grund af plasmaaktiveringen af procesgasserne er det muligt at lave nitreringer på de fleste stål ved temperaturer helt ned til 480 °C. Dette gør risikoen for kast og deformationer minimal i forhold til andre varmebehandlinger. På

grund af de karakteristiske træk ved processen, er det relativt let at lave lokale behandlinger, således at områder der ikke må være hårde eller som efterfølgende skal bearbejdes, beskyttes mod de aktive gasser. Den skånsomme PLASNITbehandling er meget velegnet til nitrering af værktøjsdele og præcisionsmaskindele, som f.eks. plastog stanseværktøjer samt tandhjul og lignende. PROCESSEN TILPASSES I modsætning til traditionel nitrering, hvor der som regel anvendes ammoniak som procesgas, blander Tribologicenteret gasserne brint og kvælstof i netop det forhold, der passer til en given opgave. For at undgå afkulning i overfladen vil man ofte også tilsætte en kulstofholdig gas til blandingen. I en række tilfælde kan det dog være en fordel at foretage behandlingen ved højere temperaturer end 480 °C. Plasmanitrokarburering udføres f.eks. oftest ved 575 °C. Denne be-

For mere information, kontakt Tribologicentret Kongsvang Allé 29 8000 Aarhus C

Tlf. 72 20 15 99 Mail: tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

handling giver ud over det lag hvor kvælstof er vandret ind i stålet (diffusionslaget) også udskilning af et hårdt nitridlag på overfladen (compoundlag). Plasmanitrokarburering bruges oftest på konstruktionsstål og andre lavlegerede stål. KORROSIONSBESKYTTELSE MED PLASOX Ved at kombinere behandlingen med en efterfølgende kontrolleret oxidation opnår man dels en vis korrosionsbekyttelse og dels får emnerne en smuk sort farve. SOM FORBEHANDLING Da man kan kontrollere plasmanitreringen meget præcist og begrænse dannelsen af det sprøde hvide lag er behandlingen særdeles velegnet som forbehandling til en række andre overfladebehandlinger. Plasmanitrering er derfor velegnet til kombination med f.eks. PVDbelægning eller ionimplantering.

Eksempler på materialer der med fordel kan plasmanitreres MATERIALETYPE Konstruktionsstål Automatstål

Indsætningsstål

Hærdbare stål (ulegerede) Hærdbare stål (legerede) Nitrerstål

Kuglelejestål Fjederstål Ulegerede værktøjsstål High-speed stål Koldarbejdsstål

Varmarbejdsstål

Rust- og syrefaste stål

Støbejern

BESKRIVELSE St 37-2 St 60 9 S 20 9 SMnPb 28 ETG 80 ETG 100 16 MnCrS 5 Ck 15 15 CrNi 6 21 NiCrMo 2 17 CrNiMo 6 16 MnCr5 20 MnCr 5 Ck 30 Ck 45 C 60E 25 CrMo 4 42 CrMo 4 30 CrMoV 9 50 CrV 4 34 CrAl 6 34 CrAlMo 5 31 CrMoV 9 V 34 CrAlNi 7 100 Cr 6 X 102 CrMo 17 Ck 75 60 SiMn 5 58 CrV 4 C 105 W1 C 80W 2 S 12-1-4 S 6-5-2 S 18-0-1 X 165 CrV 12 29 CrMoV 9 40 CrMnMo 7 40 CrMnMoS 8-6 X 100 CrMoV 5-1 X 155 CrVMo 12-1 X 45 NiCrMo 4 90 MnCrV 8 42 Cr 13 40 CrMoV 5-1 60 WCrMoV 9-4 55 NiCrMoV 6 15 CrCoMoV 10-10-5 X 30 Cr 13 X 14 CrMoS 17 X 90 CrMoV 18 X 38 CrMoV 15 X 5 CrNi 18 10 X 10 CrNiS 18-9 X 5 CrNiMo 17 12 2 X 90 CrCoMoV 17 GG 25 CrMo

W.Nr. 1.0038 1.0062 1.0711 1.0718 1.0727 1.0727 1.7139 1.1141 1.5919 1.6523 1.6587 1.7131 1.7147 1.1178 1.1191 1.1221 1.7218 1.7225 1.7707 1.8159 1.8504 1.8507 1.8519 1.8550 1.3505 1.3543 1.1248 1.5142 1.8161 1.1545 1.1625 1.3302 1.3343 1.3355 1.2201 1.2307 1.2311 1.2312 1.2363 1.2379 1.2767 1.2842 1.2083 1.2344 1.2622 1.2713 1.2886 1.4028 1.4104 1.4112 1.4117 1.4301 1.4305 1.4401 1.4535

HÅRDHED, HV1 200-350 300-550 200-300 200-350 350-450 450-650 600-750 300-400 650-750 500-600 650-750 650-750 650-750 300-450 30-500 350-500 550-650 550-650 850-950 500-650 950-1150 950-1150 850-1000 950-1150 500-650 1000-1200 500-600 500-600 600-700 550-650 550-650 1000-1200 1000-1200 1000-1200 1000-1200 850-950 600-700 600-700 800-900 1000-1200 600-700 550-650 1000-1200 900-1200 800-900 500-600 1000-1200 950-1200 950-1200 950-1200 950-1200 950-1200 950-1200 950-1200 950-1200 600-700

NITRERDYBDE, mm max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 0,8 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 1,0 max. 0,8 max. 0,8 max. 0,8 max. 0,8 max. 0,8 max. 0,8 max. 1,0 max. 0,2 max. 1,0 max. 1,0 max. 0,8 max. 1,0 max. 1,0 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,4 max. 0,8 max. 0,8 max. 0,4 max. 0,2 max. 0,8 max. 0,8 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,6 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2 max. 0,2

Formgivning af plast Tribologicenter

FUNKTIONELLE OVERFLADER LØSER PROBLEMER VED SPRØJTESTØBNING AF PLAST

LÆNGERE LEVETID

SLIDSTÆRKE KOBBER-, BRONZE-, MESSING- OG ALUMINIUMSVÆRKTØJER

Overfladebehandlinger løser slid- og rivningsproblemer, nedsætter friktionen på bevægelige dele, beskytter bløde overflader, modvirker korrosion og giver bedre slipegenskaber ved afformning. Dette giver værktøjet længere levetid, mindre materialespild samt bedre kvalitet og slutfinish på det færdige emne.

Mange plasttyper afgiver aggressive gasser, der får formene til at korrodere, og fyld- og farvestoffer i plasten slider ofte formen. Slidstærke PVD-belægninger eller ionimplantering løser slidproblemet, og med Plasma-TiN når vi ind i selv dybe, snævre geometrier, som f.eks. indløbsporte og dyser.

Vi har udviklet lavtemperaturprocesser (<150 °C) specielt til sprøjtestøbeværktøjer, så vi også kan behandle bløde og højpolerede aluminiumsværktøjer til f.eks prototype- og småserieproduktion eller kerner af kobberlegeringer. God varmeledningsevne er derfor ikke længere ensbetydende med dårlig slidstyrke.

FORMGIVNING AF PLAST

BEHANDLING

ANVENDELSE

FARVE

TEMPERATUR

HÅRDHED HV

PROCES/ANVENDELSE

°C

PROCESTYPE

TYKKELSE μm

OPBYGNING

FRIKTIONSKOEFFICIENT MOD STÅL

CrN-SD

Til både hårde og bløde grundmaterialer. F.eks. værktøjsstål under ca. 58 HRC, samt kobberlegeringer. Kan laves i særligt tykke lag som reparation. Giver korrosionsbeskyttelse. Velegnet som slipbelægning til mange plasttyper.

Sølvgrå

1800

<450 / 700

PVD

3-5 max. 40

Enkeltlag/ multilag

0,5

CrN-LT

Som CrN-SD, men specielt til temperaturfølsomme materialer, som f.eks. hærdet aluminium og lavt anløbne stål. Kan laves i særligt tykke lag som reparation. Giver korrosionsbeskyttelse og er velegnet som slipbelægning til mange plasttyper.

Sølvgrå

1800

180* / 700

PVD

3-5 max. 40

Enkeltlag/ multilag

0,5

CrN-SS

Specielt udviklet til slip af en række plasttyper.

Sølvgrå

1800

180*-450 / 450

PVD+II

1-5

FGC

0,5

TiN

Til slidbeskyttelse og slip i visse tilfælde

Gylden

2200

450 / 450

PVD

2-3

Enkeltlag

0,4

TiAlN-TR

Ekstra hård belægning til værktøjsdele der er udsat for kraftigt slid. Til materialer med hårdhed over ca. 60 HRC. Også til slip af en række plasttyper.

Blågrå

3300

450 / 850

PVD

Enkeltlag

0,3

TiAlN-LT2

Hård belægning til værktøjsdele der er udsat for kraftigt slid. Til temperaturfølsomme materialer med hårdhed over ca. 60 HRC. Også til slip af en række plasttyper.

Blågrå

2600

180* / 800

PVD

Enkeltlag

0,3

DLC-TR

Tørsmørende belægning. Til glidende dele mod rivning.

Sort

1200-1800

220/250

PVD + PCVD

FGC

0,05 - 0,2

IBAD-DLC

Tørsmørende belægning. Til glidende dele mod rivning.

Sort

1300

<50 / 350

PVD+II

Enkeltlag

0,05 - 0,1

N-Plus

Slidreducerende overfladebehandling specielt egnet til indløb på plastforme.

Usynlig

<180 / 350

Dybde 0,3

Omlegeret

0,4 - 0,6

Cr-Plus

Fuldstændig målfast korrosionsbeskyttelse. Bruges især i f.eks. luftafgange på plastformværktøjer.

Svagt brunlig blå

<180 / 450

Dybde 0,2

Omlegeret

0,4 - 0,6

PLASNIT

Slidbeskyttelse ned i overfladen. Især velegnet til beskyttelse af sejhærdede værktøjsdele og som underlag for en senere belægning.

Grå

500-1600**

480-580 / 500

Dybde 100 - 700

Omlegeret

0,4 - 0,6

PVD Physical Vapour Deposition FGC Functionally Gradient Coating II Ionimplantering

For mere information, kontakt: Tribologicenter Telefon: 72 20 15 99 tribo@teknologisk.dk

Vores viden - din styrke

Maskin- og slidkomponenter Tribologicenter

OVERFLADEBEHANDLINGER ER IKKE KUN TIL VÆRKTØJER

FORLÆNGET LEVETID – LANGE SERVICEINTERVALLER

NEDSAT FRIKTION – INGEN OLIE ELLER FEDT

Meget ofte kan maskindeles funktion eller levetid forbedres væsentligt ved at overfladebehandle med en PVD-belægning, Plasma-CVD-belægning eller med plasmanitrering. Traditionelt har disse behandlinger været anvendt på værktøjer, men i de senere år har der været en stærkt stigende udbredelse af brugen inden for maskinelementer og sliddele.

Hvis overfladebehandlingerne vælges korrekt kan man opnå beskyttelse mod de fleste former for slid. Både slid fra hårde partikler, det såkaldte abrasive slid, og rivninger, det såkaldte adhæsive slid, kan minimeres eller helt elimineres ved hjælp af Tribologicenterets behandlinger.

Med DLC-TR kan man nedsætte friktionen mellem glidende maskinelementer og i visse tilfælde helt undgå traditionelle smøremidler som olie og fedt. Dette kan afhjælpe mange problemer, hvor man får rivninger eller hvor man har vanskeligt ved at opnå tilstrækkelig god smøring med olie eller fedt.

MASKIN- OG SLIDKOMPONENTER

ANVENDELSE

FARVE

HÅRDHED HV

TEMPERATUR PROCES/ANVENDELSE °C

PROCESTYPE

TYKKELSE μm

OPBYGNING

FRIKTIONSKOEFFICIENT MOD STÅL

DLC-TR

Tørsmørende belægning af typen DLC (diamantlignende kulstof). Særdeles velegnet til alle former for glidende maskinelementer. Kan i en række tilfælde overflødiggøre smøring og forhindre rivning.

Sort

1200-1800

220/250

PVD + PCVD

FGC

0,05 - 0,2

TiAlN-nano

Nanokomposit-belægning med meget stor slidstyrke over for slid fra partikler. Til materialer med hårdhed over ca. 60 HRC.

Blågrå

3300

450 / 800

PVD

Nanokomposit

0,3

TiAlN-TR

Hård belægning til dele der er udsat for kraftigt slid. Tåler vedvarende høje arbejdstemperaturer. Til materialer med hårdhed over ca. 60 HRC.

Blågrå

3300

450 / 850

PVD

Enkeltlag

0,3

CrN-SD

Slid- og rivningsbeskyttelse på dele fremstillet af relativt bløde grundmaterialer, som f.eks. rustfrit stål. Kan laves i særligt tykke lag.

Sølvgrå

1800

450 / 700

PVD

3-5 max. 40

Enkeltlag/ multilag

0,5

CrN-LT

Som CrN, men specielt til temperaturfølsomme materialer, som f.eks. modningshærdet aluminium og lavt anløbne stål. Kan laves i særligt tykke lag.

Sølvgrå

1800

180* / 700

PVD

3-5 max. 40

Enkeltlag/ multilag

0,5

PLASNIT

Slidbeskyttelse ned i overfladen. Især velegnet til legerede konstruktionsstål, værktøjsstål samt sintermetal.

Grå

500-1600**

480-580 / 500

Dybde 100 - 700

Omlegeret

0,4 - 0,6

Plasmanitrokarburering

Slidbeskyttelse ned i overfladen. Især velegnet til u- eller lavtlegerede konstruktionsstål samt sintermetal.

Grå

500-1600**

570-580 / 500

Dybde 100 - 700

Omlegeret

0,4 - 0,6

PLASOX

Overfladebehandling der kombinerer stor slidstyrke og relativt god korrosionsbestandighed. Velegnet til f.eks. hydraulikkomponenter og sliddele.

Sort

500-1600**

480-580 / 500

Plasox

Dybde 100 - 700

Omlegeret

0,4 - 0,6

BEHANDLING

* Kan i visse tilfælde udføres ved lavere temperatur, hvis materialet kræver det ** Hårdheden afhænger af ståltypen PVD Physical Vapour Deposition PN Plasmanitrering FGC Functionally Gradient Coating II Ionimplantering

For mere information, kontakt: Tribologicenter Telefon: 72 20 15 99 tribo@teknologisk.dk

Vores viden - din styrke

Spåntagende og skærende værktøjer Tribologicenter

STÆRKE OVERFLADER GIVER STÆRK ØKONOMI

NYE OG GAMLE VÆRKTØJER KAN BEHANDLES

SKRÆDDERSYEDE LØSNINGER ØGER VÆRDIEN

Overfladebehandlinger giver længere standtid, øgetslidstyrke,nedsatfriktion og højere skærehastighed og dermed bedre kvalitet på det færdige emne og mindre spild. Tribologicenterets overfladebehandlinger øger typisk levetiden med 3-10 gange på dine skærende værktøjer og øger dermed produktiviteten.

Vi behandler nye værktøjer, men genbehandler også renoverede og genopslebne værktøjer.

Alle Tribologicenterets overfladebehandlinger til skærende værktøjer øger levetiden, men det helt korrekte valg af overfladebehandling i forhold til anvendelsen kan mangedoble værdien.

Dette er med til at øge dit værktøjs samlede levetid yderligere.

Vores løbende procesudvikling er sammen med vores rådgivning og mangeårige erfaring din garanti for, at du får den optimale overfladeløsning.

SPÅNTAGENDE OG SKÆRENDE VÆRKTØJER

BEHANDLING

ANVENDELSE

FARVE

TEMPERATUR

HÅRDHED HV

PROCES/ANVENDELSE

°C

PROCESTYPE

TYKKELSE μm

OPBYGNING

FRIKTIONSKOEFFICIENT MOD STÅL

TiAlN-nano

Ekstremt slidstærk multilagsbelægning til spåntagningsværktøjer til meget slidende materialer,

Blågrå

3300

450 / 800

PVD

Nanokomposit

0,3

TiAlN-444

Slidstærk multilagsbelægning til spåntagningsværktøjer.

Blågrå

3300

450 / 800

PVD

Multilag

0,3

TiAlN-TR

Hård og slidstærk allroundbelægning med høj temperaturstabilitet.

Blågrå

3300

450 / 850

PVD

Enkeltlag

0,3

TiCN-22

Til spåntagning af stål og rustfrit stål. Især velegnet mod påklæbning af rustfrit stål.

Rødbrun

3000

450-520 / 600

PVD

Multilag

0,4

CrN-SD

Særlig velegnet til spåntagning af kobber og kobberlegeringer.

Sølvgrå

1800

450 / 700

PVD

3-5

Enkeltlag

0,5

TiN

Universalbelægning velegnet til moderat belastede spåntagende værktøjer.

Gylden

2200

450 / 450

PVD

2-3

Enkeltlag

0,4

DLC-TR

Tørsmørende, slidstærk belægning til spåntagning og højhastighedsbearbejdning af bløde, klæbende materialer.

Sort

1200-1800

220/250

PVD + PCVD

FGC

0,05 - 0,2

N-Plus

Slidreducerende overfladebehandling til ekstremt skarpe skær, f.eks. knive til fødevareindustrien.

Usynlig

<180 / 350

Dybde 0,3

Omlegeret

0,4 - 0,6

PVD Physical Vapour Deposition FGC Functionally Gradient Coating II Ionimplantering

For mere information, kontakt: Tribologicenter Telefon: 72 20 15 99 tribo@teknologisk.dk

Vores viden - din styrke

Stansning og formgivning af metal Tribologicenter

SKRÆDDERSYEDE LØSNINGER ØGER VÆRDIEN YDERLIGERE

ALLE VÆRKTØJER TIL FORMGIVNING OG STANSNING AF METAL BEHANDLES

STÆRKE OVERFLADER GIVER STÆRK ØKONOMI

Det korrekte valg af overfladebehandling i forhold til anvendelsen kan mangedoble værdien af dit værktøj. Vores løbende procesudvikling er sammen med vores rådgivning og mangeårige erfaring din garanti for, at du får den optimale overfladeløsning.

Tribologicenterets overfladebehandlinger anvendes bl.a. til forbedring af stanse-, snit-, bukkeoperationer samt ekstruderings-, trykstøbnings- og lukkeværktøjer. Specielle lavtemperaturprocesser gør os i stand til at behandle ved temperaturer helt ned til under 180ºC.

Overfladebehandlinger giver længere standtid, øget slidstyrke, nedsat friktion, mindre klæbning og spild og bedre kvalitet på de bearbejdede emner. Vore overfladebehandlinger øger typisk levetiden mellem 3-10 gange på værktøjer til stansning og formgivning af metal.

STANSNING OG FORMGIVNING AF METAL

BEHANDLING

ANVENDELSE

FARVE

TEMPERATUR HÅRDHED PROCES/ANVENDELSE HV °C

PROCESTYPE

TYKKELSE μm

OPBYGNING

FRIKTIONSKOEFFICIENT MOD STÅL

TiAlN-nano

Ekstremt slidstærk multilagsbelægning til stanseog formgivningsværktøjer, også til meget slidende materialer.

Blågrå

3300

450 / 800

PVD

TiAlN-TR

Hård og slidstærk allroundbelægning med høj oxidationsstabilitet. Også velegnet til varmformgivning.

Blågrå

3300

450 / 850

PVD

Enkeltlag

0,3

TiCN-22

Til formgivning af stål og rustfrit stål. Til stansning af stål og rustfrit stål.

Rødbrun

3000

450 / 600

PVD

Multilag

0,3

TiN

Slidbeskyttelse især til til klæbende bløde metaller som f.eks. messing og aluminium.

Gylden

2800

450 / 450

PVD

2-3

Enkeltlag

0,4

CrN-SD

Til bløde grundmaterialer, f.eks. værktøjsstål under ca. 60 HRC. Mod klæbning af bløde metaller som kobber- og aluminiumlegeringer.

Sølvgrå

1800

450 / 700

PVD

3-5 max. 40

Enkeltlag/ multilag

0,5

CrN-LT

Som CrN, men specielt til temperaturfølsomme materialer, som f.eks. lavt anløbne stål.

Sølvgrå

1800

180* / 700

PVD

3-5 max. 40

Enkeltlag/ multilag

0,5

N-Plus

Slidreducerende overfladebehandling til f.eks. præcisionsstanseværktøjer og meget skarpe værktøjer.

Usynlig

<180 / 350

Dybde 0,3

Omlegeret

0,4 - 0,6

IBAD-DLC

Tørsmørende belægning som i visse tilfælde kan eliminere smøremidler ved formning af tyndplade. Specielt til præcisionsformværktøjer.

Sort

1300

<50 / 350

PVD + II

Enkeltlag

0,05 - 0,1

* PVD II

Kan i visse tilfælde udføres ved lavere temperatur, hvis det kræves Physical Vapour Deposition Ionimplantering

Nanokomposit

0,3

For mere information, kontakt: Tribologicenter Telefon: 72 20 15 99 tribo@teknologisk.dk

Vores viden - din styrke

FU 04/14 - 1

Al2O3 COATINGS

Alumina coatings, with the chemical symbol Al2O3, can be electrically insulating, chemically inert, very wear-resistant and stable at elevated temperatures.

Alumina coatings, with the chemical symbol Al2O3, can be electrically insulating, chemically inert, very wear-resistant, and stable at elevated temperatures, depending on the crystalline phase and the deposition temperature. Since not all substrates tolerate a high process temperature, both a low and a high temperature version of Al2O3 have been developed. If needed, the Al2O3 coating may be combined with a TiAlN binding layer, which is converted into the Al2O3 coating. This combination results in an improved adhesion to the substrate facilitated by the TiAlN adhesion layer. Fig. 1: Cross-sectional SEM image of Al2O3 / TiAlN

PROPERTIES High-temperature HT-Al2O3

Low-temperature LT-Al2O3

Deposition temperature

~250 °C

Deposition temperature

Hardness

9-11 GPa

Hardness

19-21 GPa

Thickness

E.g. from 4-6 µm

Thickness

E.g. from 1-3 µm

Structure

Amorphous

Structure

Gamma Al2O3

Chemical stability

Not stable in alkaline solutions

Good electrically insulating properties

Tribology Centre

Chemical stability

~530 °C

High

Good electrically insulating properties and high wear resistance

Bjarke Holl Crhistensen - bhc@dti.dk, tel.: +45 7220 2082

VÆRD AT VIDE OM...

”Værd at vide om” er en serie af små artikler om væsentlige forhold ved Tribologicenterets processer. Artiklerne er tiltænkt den interesserede bruger, som ønsker et lidt dybere kendskab til overfladehandlinger, overfladekvalitet, problemafhjælpning og teknologierne bag overfladebehandlingsprocesserne..

INDHOLDSFORTEGNELSE 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13

Forbehandling Kvalitetskontrol PVD processer CVD processer Ionimplantering Plasma Anvendelse af PVD belægninger Minimering af slid og friktion Hårdhed og hårdhedsmåling Opbygning af belægninger DLC belægninger Overfladebehandling af plastformværktøjer Overfladebehandling af stanse-, snit-, og formgivningsværktøjer

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

01 FORBEHANDLING God forbehandling er vejen til stærke overflader

Korrekt forbehandling af emnerne før overfladebehandlingen har afgørende betydning for kvaliteten af behandlingen. Uden korrekt håndtering og forbehandling vil vedhæftningen, slidstyrken og holdbarheden af overfladebehandlingen ikke være acceptabel. Alle emner skal renses og forbehandles for at fjerne forurening af olie, fedt, salte, snavs, støv, hærdeskal samt korrosionsprodukter. For at sikre bedst mulig kvalitet af overfladebehandlingen har Tribologicenteret udarbejdet en standardiseret rense- og forbehandlingsprocedure, som består af følgende procestrin:     

Forrens Mekanisk forbehandling Affedtning (ultralydsrensning) Afskylning Tørring og opbevaring

Standardproceduren kan i samråd med kunden udvides med kemisk rens, hvis mekanisk rensning ikke er mulig på grund af emnets beskaffenhed, tolerancekrav, udførelse eller forureningens karakter.

Mekanisk forbehandling

Ved den mekaniske forbehandling fjernes eventuelle korrosionsprodukter, hærdeskal, og andre faste overfladeforureninger. Den mekaniske forbehandling har endvidere til formål at fjerne eventuelle grater fra funktionelle kanter. Hvis man belægger over en grat, er der et sårbart punkt under belægningen, som ved brug hurtigt vil knække af og give et hul i belægningen. I vores grundige indgangskontrol registreres emnets tilsmudsningsgrad samt krav til tolerance og overfladebeskaffenhed. På baggrund af dette fastlægges procesparametrene for den mekaniske forbehandling. Det er ligeledes i dette trin, der udføres en speciel behandling af gnistbearbejdede dele. Emnerne mikro- eller glasblæses med runde eller skarpkantede korn med en nærmere specificeret intensitet afhængig af behov og af, hvad det pågældende emne kan tåle. Den mekaniske forbehandling fastlægges i forhold til emnets funktion, tolerance, overfladebeskaffenhed og hvilke materialer, det er fremstillet af.

Forrens

Behovet for forrens kan variere fra emne til emne, men på Tribologicenteret får næsten alle emner den samme forrensning. Formålet med forrensningen er primært at fjerne de groveste urenheder, såsom olie, fedt, salte og partikler. Forrenseproceduren er automatiseret og kører efter et forprogrammeret vaskeprogram. Efterfølgende skylning foregår med demineraliseret vand for at sikre, at der ikke udfældes salte på overfladerne. Emnerne tørres til slut, for at undgå korrosionsangreb på de ubeskyttede metaloverflader.

Skarpkantede aluminiumoxidkorn til grov mikroblæsning

Rundkornede siliciumdioxidpartikler til glasblæsning

Tribologicenteret opererer normalt med op til 4 forskellige blæsemedier og -metoder, afhængig af opgaven.

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

01 FORBEHANDLING Affedtning (ultralydsrensning)

Efter emnet har været udsat for mekanisk forbehandling er næste skridt i forbehandlingsprocessen en endelig rengøring, som sikrer en dybdegående rensning for urenheder i de dybeste porer og huller samt en total affedtning af overfladerne. Det er vigtigt, at emnerne er fuldstændigt frie for fedt, olie og andet snavs. Dette skyldes dels, at en overfladebehandling ikke sidder tilstrækkeligt godt fast på emnet, hvis der er et lag fedt eller snavs imellem belægning og emne, og dels at fedtstoffer og andet snavs kan begynde at fordampe og dermed forstyrre belægningsprocessen, når delene udsættes for varme og for vakuum. For at sikre denne høje renhedsgrad bruges flere midler, afhængig af tilsmudsningsgrad, emnegeometri og materiale. • • • •

Alkaliske eller neutrale, vandbaserede sæbebade Dampstrålerensning Børster m.m. Ultralyd

Tørring og opbevaring

Afhængig af materiale, er den affedtede, rene overflade i våd tilstand meget følsom for korrosionsangreb og delene tørres umiddelbart i forlængelse af skylleprocessen. For at hindre efterfølgende korrosionsangreb opbevares emnerne efter affedtning i en temperaturreguleret ovn ved 100 °C for at forhindre luftens fugtighed i at kondensere på overfladen og starte korrosion. Emner med presse-, krympesamlinger, svejsninger eller lodninger opbevares i en vakuumovn for at trække eventuelle urenheder ud af samlingerne. Hvis der frigøres snavs ved dette trin gentages affedtningen og vakuumbehandlingen. I sjældne tilfælde kan det dog være umuligt at rense denne type samlinger godt nok til den efterfølgende overfladebehandling. Nu er emnet klar til at blive overfladebehandlet - vores viden og erfaring er din garanti for at kvaliteten af behandling er optimal – hver gang.

Ultralyd er højfrekvente vibrationer (20-40 kHz), som sender bølger gennem sæbebadene. Dette resulterer i dannelsen af store mængder mikroskopiske bobler i sæbebadene. Som følge af indbyrdes kollision og det hydrostatiske tryk, den enkelte boble udsættes for, vil boblerne implodere. Dette medfører dannelsen af trykbølger i væsken, som har en meget effektiv renseeffekt på det neddyppede emne, når de slår mod overfladen. Afskylning

Efter rengøring i sæbebadene skylles emnerne i demineraliseret vand. Dette foregår i en række vandbade efter kaskadeskylningsprincippet, således at første skyllekar har flest sæberester og sidste kar er helt frisk demineraliseret vand. Alle sæberester og andre urenheder fjernes ved denne skylningsproces, som afslutter den våde del af renseproceduren. 2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

KVALITET OG KONTROL AF OVERFLADEBEHANDLINGER

Tribologicenterets kvalitetskontrol er din sikkerhed for at behandlede emner returneres med en fejlfri belægningskvalitet, som sikrer optimal slidbeskyttelse, finish, funktionalitet og levetid. Før belægning

For at sikre det bedst mulige udgangspunkt for en perfekt overfladebehandling foretager Tribologicenteret altid en meget grundig og omfattende kontrol af de modtagne dele, inden behandlingen påbegyndes. Det er det, vi betegner som indgangskontrol. Hvis vi registrerer noget, der ikke er som forventet eller som ikke giver det bedste udgangspunkt for den efterfølgende overfladebehandling, tager vi kontakt til kunden og i en dialog med den person, der ved hvordan delene er blevet til og senere skal bruges, tager vi stilling til hvad der skal ske i det konkrete tilfælde. Ved indgangskontrollen inspiceres emnerne for grater, hærdeskal, glødeskaller eller udfældede korrosionsprodukter. Det er væsentligt, at sådanne forekomster fuldstændigt elimineres for at sikre længst mulig levetid for belægningen. Vore forbehandlingsprocedurer har bl.a. til formål at fjerne grater, korrosion, hærdeskal mm. Hvis der belægges henover grater eller lign. vil det altid udgøre et svagt punkt i belægningen. Herudover kontrollerer vi, at der ikke er skader på funktionsfladerne samt sikrer, at overfladefinish svarer til behovet i en given anvendelse.

Efter behandlingen foretager vi en kvalitetskontrol, det vi kalder udgangskontrol. Udgangskontrol består af en række test og kontroller. Da nogle af de test, der bruges til at sikre at belægningsprocessen er forløbet efter hensigten er hvad man kalder ”destruktive”, benyttes såkaldte ”dummy”-emner. At testen er destruktiv betyder, at den efterlader et mærke, som i nogle tilfælde kan ødelægge funktionen af den del, der måles på. Dummy-emner er repræsentative testemner, som placeres imellem de rigtige emner under selve belægningsprocessen. Hvis et emne har en meget kompliceret geometri anvendes dummy-emner der geometrisk og materialemæssigt er tilnærmet originaldelene. Ellers anvendes nogle standard testemner, som altid vil udgøre en kendt og sikker reference. Der foretages visuel kontrol af opstilling, fiksturer og referenceemner før og efter hver kørsel. Opstillingens detaljer fotodokumenteres som led i kvalitetskontrollen, således at en given opgave til enhver tid kan reproduceres eller kontrolleres. Efter belægning

Tribologicenterets kvalitetskontrol udgøres som minimum af: Test

Metode

Testudstyr

Generel visuel kontrol

Overfladedefekter

Surface Defect Density

Stereomikroskop

Belægningstykkelse

Kalotte-test

Kalottesliber Stereomikroskop X100

Vedhæftning

Daimler Benz Rockwell-C-test

Rockwell hårdhedsmåler Stereomikroskop X100

Maksimal procestemperatur

Bimetaltermometer

Bimetaltermometer med slæbeviser

FIB-SEM foto: Defekt forårsaget af en grat

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

KVALITET OG KONTROL AF OVERFLADEBEHANDLINGER

Der foretages to forskellige former for visuel kontrol i forbindelse med en belægningsproces. Både før og efter hver kørsel foretages visuel kontrol af opstilling, fiksturer og referenceemner for at fange eventuelle uregelmæssigheder. Ved den visuelle inspektion efter behandlingen bedømmes det generelle indtryk af kørslen. Efter processen udtages referenceemnerne og det enkelte emne kontrolleres af operatøren med henblik på at detektere uregelmæssigheder i forhold til:  farve  farvehomogenitet  mærker på emner forårsaget af arc (destruktiv gnistudladning på overfladerne)  synlig afskalning af belægning  karakterisering af huller, partikler i belægningen (Surface Defect Density, SDD) Surface Defect Density, SDD

SDD er et relativt mål for, hvor mange defekter der er på overfladen i form af støvkorn, huller eller det der hedder ”droplets”. SDD evalueres efter en skala fra 1 - 3, hvor karakteren 1 svarer til god (normal) kvalitet, og 3 er kassable i forhold til Tribologicenteret kvalitetskrav. Bemærkninger dokumenteres i udgangskontrollen.

SDD=1 (100X)

Tribologicenteret anvender DCmagnetron sputtering til alle PVD-belægninger pga. teknikkens meget begrænsede tendens til at skabe droplet-formationer i belægningen. Tribologicenterets øvrige Droplets (SEM belægningsprocesser, PCVD og 1000X) IBAD er 100 % fri for droplets. Bestemmelse af belægningstykkelse

Tykkelsesmålingen foretages ved hjælp af et kalotteslib, som opmåles med optisk mikroskop ved en forstørrelse på 100X. Testen udføres ved at lade en stålkugle med en defineret diameter rotere på referenceemnets overflade, hvorved der fremkommer et sfærisk slib gennem belægningen og ned til substratet. Under slibeprocessen tilføres en lille mængde finkornet diamantsuspension for at opnå et slib med pæne kanter. For referenceemner med plane overflader opnås et slib, hvor belægningslaget ses som et cirkulært område. På cylindriske overflader, som vist her, ses belægningslaget som et ellipseformet område. Cirklens eller ellipsens karakteristiske dimensioner bestemmes under mikroskop, hvorefter belægnings-

SDD=3 (100X)

tykkelsen kan bestemmes. Tribologicenterets systematik og viden om vore belægningsprocesser gør os i stand til at levere standardbelægninger på 3 μm +/- 20 % 2015

Droplets er ”klumper” i belægningen, som kan opstå når der sker fejl i den normale fordampningsproces. I stedet for en fordampning på atomart eller molekylært niveau løsrives der større klumper eller dråber af belægningsmaterialet.

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

KVALITET OG KONTROL AF OVERFLADEBEHANDLINGER

Bestemmelse af vedhæftning

Bestemmelsen af vedhæftningen foretages med en Rockwell-C hårdhedsmåler. Der laves et kegleformet hårdhedsindtryk i et belagt emne med en hårdhed på mindst 60 HRC. Evalueringen foretages med et optisk mikroskop med en forstørrelse på 100X. Belægningen deformeres i selve indtrykket og i de omgivende områder. De revner, der eventuelt opstår omkring indtrykket evalueres, og kan tages som et kvalitativt mål for belægningens vedhæftning. Evalueringen foretages med reference i et standard deformationsmønster og evalueres efter en 1 - 6 skala, hvor 1 er bedste resultat og 6 er dårligst med tydelige afskalninger omkring indtrykket. For at blive godkendt skal bedømmeelsen af indtrykket have karakteren 1 eller 2.

HF 2

HF 3

HF 4

HF 5

HF 6

Den maksimale substrattemperatur (Ts, maks) bestemmes ved hjælp af et bimetals-termometer. Et bimetals-termometer er opbygget af to metallegeringer med forskellige varmeudvidelseskoefficienter, som er sat sammen. Når dette sammensatte metal opvarmes vil det krumme fordi de to sider ikke udvider sig lige meget. Denne bevægelse udnyttes til at flytte en slæbeviser, som så bliver siddende i positionen for den højeste temperatur. Temperaturmålingen er din sikkerhed for, at processen gennemføres ved en lavere temperatur end materialets anløbnings- eller modningstemperatur. Tribologicenteret bestræber sig således på at give den bedste garanti for at overfladebehandlingen af dine emner opnår den absolut højeste kvalitet. Dette gør vi gennem valget af procesteknologi, procesparametre og med vores grundige kvalitetskontrol, både før og efter behandlingen,

2015

HF 1

Bestemmelse af den maksimale substrattemperatur

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 3

VÆRD AT VIDE OM...

03 PVD-PROCESSER PVD – et utal af muligheder

PVD er en tør belægningsproces og er den engelske forkortelse af Physical Vapour Deposition, men forkortelsen anvendes også på dansk. Forkortelsen er en fællesbetegnelse for en række belægningsprocesser, som bygger på en fysisk fordampning og efterfølgende udfældning af en overfladebelægning. PVD-processer opdeles ofte efter tre forskellige hovedprincipper, som adskiller sig ved måden materialet fordampes på, nemlig: vakuumfordampning, arc-fordampning og sputtering. Ved rigtigt valg af PVD-proces kan utroligt mange forskellige materialer udfældes som tynde overfladebelægninger. Ud over de hårde slidstærke keramiske belægninger, som bruges til tribologiske formål, bruges PVD-belægninger til så forskellige formål som antirefleksbehandling af brilleglas, metallisering af plastfolie til emballage og til dekorative belægninger på vandhaner, dørgreb og smykker. Vakuumfordampning

Fordampning i højvakuum er den simpleste af PVD-processerne og har været kendt siden starten af 1900-tallet. Ved denne metode opvarmes belægningsmaterialet under vakuum til det fordamper. Opvarmningen kan ske ved elektrisk opvarmning eller ved hjælp af en elektronstråle. Da der er langt mellem gaspartiklerne i højvakuum, er der stor sandsynlighed for, at belægningsmaterialet vil bevæge sig direkte til emnet og kondensere på overfladen uden at støde sammen med andre partikler. Under disse trykforhold er den frie middelvejlængde mellem 1 – 100 m. Dette betyder, at en partikel i gennemsnit kan bevæge sig over denne strækning uden at støde ind i en anden partikel. På baggrund heraf betegnes processen som værende en sigtelinieproces, hvor der kun kommer belægning på de områder, der kan ses direkte fra kilden.

Som supplement til den inaktive gas kan der tilsættes en reaktiv gas, som oftest er kvælstof, en kulbrinte eller ilt, hvilket giver mulighed for dannelse af keramiske forbindelser såsom nitrider, karbider og oxider. På denne måde kan der ved kemisk reaktion dannes hårde belægninger, som er hårdere end det fordampede udgangsmateriale alene. For eksempel kan metallisk titan fordampes i en atmosfære af kvælstof og argon, hvorved der opnås deponering af et hårdt TiN-lag (titannitrid). Arc-fordampning

Betegnelsen arc er det engelske udtryk for gnist, hvorfor processen også kunne benævnes gnistfordampning. Ved arc-fordampning sker fordampningen ved, at små gnister springer rundt på metalkilden, kaldet targetmaterialet. Arc-fordampning minder i princippet meget om vakuumfordampning, men med færre begrænsninger til placeringen af metalkilden, fordi der ikke er noget smeltet metal, da energien i gnisterne er så stor, at materialet fordamper med det samme. Der er stadig tale om sigtelinieprocesser, men det er meget lettere at få ensartede belægninger på komplicerede geometrier, når man kan placere fordampningskilderne på kammervæggene eller i loftet.

2015

For at gøre belægningen mere homogen og sprede belægningsområdet kan kammeret tilføres en inaktiv gas, f.eks. argon, ved meget lavt tryk.

Herved vil nogle partikler af belægningsmaterialet støde sammen med argonatomerne og ændre retning, hvilket medfører en spredning af belægningen. Dette har dog omkostninger i form af, at partiklerne har mindre energi, når de rammer overfladen.

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

03 PVD-PROCESSER På minussiden skal det bemærkes, at der under arc fordampning kan opstå sprøjt med små dråber af smeltet metal. Disse vil danne såkaldte droplets på de emner, der belægges. Ruheden af den færdige belægning vil derfor oftest være følbart højere end ved de øvrige processer, og processen kan af denne grund være uegnet i forhold til visse typer anvendelse. Sputtering

Denne metode adskiller sig fra de to øvrige PVD-metoder ved ikke direkte at være en fordampningsproces, men rettere en forstøvningsproces. Ved sputtering udnyttes det, at atomer med høj energi ved kollision med en fast overflade vil løsrive atomer eller molekyler fra overfladen som resultat af impulsoverførsel. På denne måde dannes atomar eller molekylær ”støv” af det faste stof, som skal bruges til belægning. Til beskydning af overfladen anvendes ioner af ædelgasser, primært argon og krypton, da de ikke reagerer med den beskudte overflade eller de løsrevne partikler. Ædelgassen benævnes også arbejdsgassen, da den ikke direkte deltager i kemiske reaktioner i processen. Ionbombardementet udføres i et plasma ved højvakuum. I plasmaet er etableret et elektrisk felt med en spændingsforskel, hvilket betyder, at frie elektroner i plasmaet accelereres. Ved accelerationen kolliderer de frie elektroner med atomer af ædelgassen, hvorved der fjernes en elektron fra det neutrale atom. Dette medfører en ionisering af ædelgassen til f.eks. Ar+-ioner, der accelereres mod den negativt ladede katode, som udgøres af targetmaterialet. Argonionerne har en så høj kinetisk energi, at partikler af targetmaterialet forstøves ved kollisionen. Partiklerne kan derefter kondensere på emneoverfladen, med en belægning som resultat.

Magnetron sputtering

Der findes en forbedret variant af sputtering-teknikken, hvor det elektriske felt er suppleret med et magnetfelt. Magnetfeltet forøger elektronernes frie middelvej, fordi de kommer til at bevæge sig i

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

03 PVD-PROCESSER spiralbaner. Den længere vej gennem plasmaet øger sandsynligheden for at elektronen støder ind i et ædelgas-atom og øger på den måde ioniseringen og dermed fordampningshastigheden. Denne teknik benævnes magnetron sputtering og det er den metode, som anvendes i Tribologicenterets PVD-anlæg.

kammerets vægge. Substratbordet er roterende emneholdere, opbygget efter et planetgearsystem, som sikrer at emnerne opnår en homogen lagtykkelse. Dynamiske emneholdere er en vigtig del af sigtelinieprocesser med henblik på at opnå homogene lagtykkelser.

Tribologicenterets PVD-overfladebelægninger giver derfor den højeste sikkerhed for glatte overflader uden droplets og samtidig god vedhæftning til overfladen.

Der kan tilføres reaktiv gas som supplement til arbejdsgassen, hvilket i de fleste tilfælde gøres i form af kvælstof, eller kulstofholdige gasser. Dette kaldes reaktiv sputtering og giver mulighed for deponering af keramiske belægninger med meget stor hårdhed. Metalkilden, som også benævnes target, kan være titan, krom, bor eller aluminium, som kombineret med de reaktive gasser giver en bred vifte af slidstærke nitrider, karbonitrider eller borider (TiN, TiCN, CrN, TiAlN TiB2). Som en specialitet kan man fordampe rent kulstof og få det deponeret som det der hedder ”diamantlignende kulstof” (f.eks. DLC-TR).

Generelt for alle Tribologicenterets PVD-teknikker gælder det, at det er lavtemperaturprocesser som kan køres ved temperaturer mellem 150 - 480 °C. Princippet for DC-magnetron sputtering er vist på nedenstående skitse. PVD-processen foregår i et vakuumkammer med roterende substratbord i centrum og flere targets (metalkilder) placeret langs

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 3

VÆRD AT VIDE OM...

04 CVD OG PLASMA-CVD PROCESSER CVD-belægning

Traditionel CVD-belægning er en termisk-kemisk belægningsproces, hvis tribologiske anvendelse ofte er begrænset af den høje temperatur, der kræves for at aktivere de kemiske processer. Forkortelsen CVD, som også anvendes på dansk, dækker over det engelske udtryk: Chemical Vapour Deposition. En dansk oversættelse kan udtrykkes som »deponering fra en kemisk aktiv dampfase«.

Principskitse af et termisk CVD-anlæg CVD-belægninger dannes ved reaktion mellem forskellige kemiske forbindelser, som enten naturligt befinder sig på gasform eller er bragt på gasform ved belægningsbetingelserne. Der vil hyppigt være behov for at tilsætte hjælpegasser, som kan danne restprodukter med de komponenter, som ikke indgår i belægningskompositionen. Som kraftigt forenklet eksempel ønskes dannet belægningen AC på baggrund af gasserne AB og C, mens hjælpegassen D reagerer med B og restproduktet BD pumpes ud af processen. AB(gas) +C(gas) + D(gas) → AC(faststof) + BD

Processen skal styres så reaktionen ikke danner belægningsproduktet spontant, når gasserne mødes. Procesparametrene vælges derfor således, at selve reaktionen og udfældningen af belægningen finder sted, når gasblandingen kommer i kontakt med en opvarmet overflade. For de belægninger, der bruges til tribologiske formål, sker denne reaktion normalt ved temperaturer på 900 - 1100 °C. De meget høje temperaturer er selvfølgelig en belastning for materialerne og på hærdede ståldele vil det altid betyde at en omhærdning med efterfølgende anløbninger er nødvendig. Dette betyder endvidere at det er vanskeligt helt at undgå kast og deformationer. Karakteristisk for disse damp- eller gasfaseprocesser er, at de har utrolig stor evne til at trænge ned i huller og spalter, hvorfor det ikke er nødvendigt at bevæge emnerne under belægningsprocessen. Der er med andre ord ikke tale om en sigtelinieproces. De høje temperaturer betyder endvidere, at der sker diffusion mellem metaloverfladen og belægningen, således at der normalt opnås en ekstremt god vedhæftning. Plasma-CVD - den fleksible proces med stor frihedsgrad

Tribologicenteret anvender en variant af den konventionelle CVD-proces, der kaldes plasma-CVD (i faglitteraturen ofte betegnet PACVD eller PECVD, Plasma Assisted CVD eller Plasma Enhanced CVD). Plasma-CVD foregår i vakuum (ca. 200 Pa). Ved det lave tryk udsættes gasblandingen for et elektrisk felt, hvilket gør at gasserne aktiveres og der dannes et lysende plasma.

Et eksempel kunne være dannelsen af titannitrid ud fra gasserne titantetraklorid (TiCl4), kvælstof (N2) og med brint (H2) som hjælpegas. 2015

2TiCl4 + N2 + 4H2 → 2TiN + 8HCl

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

04 CVD OG PLASMA-CVD PROCESSER Et plasma er en gas, hvor en større eller mindre del af partiklerne er ioniseret, det vil sige elektrisk ladede, ligesom der er et større eller mindre indhold af frie elektroner. Energien, der kræves for at de kemiske reaktioner kan forløbe, kommer fra kollisioner mellem de elektroner og ioner, der accelereres i det elektriske felt. Når gasserne er blevet aktiveret kan mange af de ovenfor skitserede processer forløbe ved væsentligt lavere temperatur. Typisk foregår plasma-CVD belægning i temperaturområdet mellem 200 °C og 600 °C. Belægning med Tribologicenterets Plasma-TiN og PlasmaCarboTiN foregår f.eks. ved 500-520 °C, hvilket betyder at de fleste af de moderne værktøjsstål kan belægges med plasma-CVD, uden at det går ud over hærdningen. Resultatet af gasfasereaktioner, absorption, desorption og overfladeprocesser bliver en deponering af det ønskede reaktionsprodukt på emneoverfladen.

Metalkilden til overfladebelægningen udgøres ofte af metalhalogenider på væskeform, mens de resterende komponenter oftest er på gasform ved normale betingelser. De mest anvendte plasma-CVD belægninger hos Tribologicenteret er de slidstærke titanbaserede belægningstyper. Udover belægningen dannes kun et restprodukt, nemlig saltsyredampe (HCl). Disse bliver neutraliseret med natriumhydroxid (NaOH, kaustisk soda). Det endelige slutprodukt af denne neutralisering er almindeligt saltvand (NaCl, natriumklorid). PlasmaCVD processerne er således meget miljøvenlige. De slidbeskyttende belægninger, som udføres hos Tribologicenteret, har en tykkelse på 2-3 µm. Den store hårdhed gør deres anvendelse udbredt til beskyttelse af værktøjs- og sliddele. Plasma-TiN og PlasmaCarboTiN anvendes hyppigt på værktøjer til f.eks. stansning, lokning, træk og buk samt på bor og fræsere. Endvidere bruges Plasma-TiN til indløb til sprøjtestøbeforme. En hyppigt overset effekt ved plasma-CVD belægninger er de antiadhæsive egenskaber, som bevirker at især klæbende metaller som f.eks. messing, zink, aluminium og rustfrit stål ikke har så stor tendens til at klæbe til værktøjet.

Belægning

Reaktanter

Produkt (restgas)

Produkt (belægn.)

Typisk lagHårdhed/[HV] tykkelse/[µm]

Titanitrid (Plasma-TiN)

2TiCl4(g) + N2(g) + 4H2(g)

8HCl(g)

2TiN(s)

2-3

2200

Titankarbonitrid (PlasmaCarboTiN)

2TiCl4(g) + 2CH4(g) + N2(g)

8HCl(g)

2TiCN(s)

2-3

2500 - 3000

Titankarbid (TiC)

TiCl4(g) + CH4(g)

4HCl(g)

TiC(s)

2-3

2800 - 4000

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

05 IONIMPLANTERING Ionimplantering er en unik overfladebehandlingsmetode, hvor Tribologicenteret har været en af pionererne inden for udvikling af den industrielle anvendelse til tribologiske formål. Vi har siden 1987 med stor succes udført ionimplantering på et meget stort antal produktionsværktøjer og andre dele for både danske og udenlandske kunder. Tribologicenteret er blandt de internationalt førende inden for området. Den usynlige styrke

Ved ionimplantering omlegeres emnets overflade. Ved hjælp af en ionaccelerator skydes ioner med stor hastighed ind i emnets overflade. Ionerne trænger ind i overfladen og omlegerer den. Overfladen bliver derved mere modstandsdygtig over for slid, rivninger og korrosion. Der er altså ikke tale om en belægning, som ved PVD- eller PCVD-behandling og der er derfor er der ingen risiko for afskalning, ligesom overfladens finish ikke ændres ved ionimplantering. Behandling sker i temperaturområdet fra ca. 50 °C til ca. 200 °C, så der er normalt heller ingen fare for deformationer, kast eller anløbning af hærdede ståldele. Ved kollisionen mellem ionerne og emneoverfladen reflekteres en del af ionerne, mens de fleste trænger ind i den yderste del af overfladen. Typisk er indtrængningsdybden 0,1 - 0,5 μm. Introduktion af fremmede ioner i materialet ændrer emneoverfladens fysiske og kemiske egenskaber, og dette er afgørende for de opnåede egenskaber af overfladen. Følgende procesparametre har indvirkning på de egenskaber, overfladelaget får efter behandlingen: • • • •

Grundmateriale Iontype Ionenergi Iondosis

I princippet kan processen forløbe med et hvilket som helst ioniseret medie, men de hyppigst an-

vendte stoffer hos Tribologicenteret er kvælstof (N-PLUS), krom (Kromox) samt den tørsmørende kombinationsproces IBAD-DLC. Implantering af kvælstof medfører en relativ høj slidstyrke, mens krom styrker korrosionsegenskaberne. Ionenergien er et mål for ionernes hastighed, hvilket har betydning for de opnåelige indskydningsdybder i et givet materiale, mens iondosis er et mål for mængden af indskudte ioner. De accelererede ioner opnår energier på 50 - 200 keV, hvilket svarer til hastigheder i størrelsesordenen 1000 - 2000 km/s. De store hastigheder gør det, som tidligere nævnt, muligt at opnå indskydningsdybder på op til 0,5 μm. I figuren er vist et eksempel på sammenhængen mellem koncentration og indskydningsdybde ved kvælstofimplantering i materialet W.Nr. 1.2379 (Sverker 21, K110).

Under nedbremsningen afgiver ionerne deres kinetiske energi som varme, hvilket kan medføre et behov for køling af emnerne. På Tribologicenterets anlæg er der monteret vandkøling på emneholderen i vakuumkammeret, hvilket gør det muligt at holde temperaturen på under 200 °C. Dette betyder, at processen kan betegnes som en lavtemperaturproces. I sjældne tilfælde skal der dog tages specielle hensyn, f.eks. når man behandler kuglelejestål, som ofte vil være anløbet ved ca. 150 °C. I sådanne tilfælde kan man styre processen så en anløbning undgås. 2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

05 IONIMPLANTERING gøres ganske præcist, da ionstrålen kan fokuseres og scannes hen over nærmere definerede områder. Dette gør dels at man kan nøjes med at ændre egenskaber på de områder, hvor man har behovet, mens resten af overfladen beholder de oprindelige egenskaber. Det gør også, at processen i mange tilfælde er relativt billig, fordi man kun behøver at behandle små områder for at opnå den ønskede gevinst.

Processen udføres ved hjælp af en ionaccelerator, om skitseret nedenfor: I ionkilden ioniseres de atomer eller molekyler, der ønskes implanteret, hvorefter de trækkes ud af ionkilden ved hjælp af et højspændingsfelt, som sørger for, at ionerne accelereres ud af kilden og videre imod et magnetisk filter. Det magnetiske filter består af en separationsmagnet, der filtrerer ionstrålen for uønskede ioner. Dette sker ved at magnetfeltet indstilles, så der lige netop sker en 90° afbøjning af den ønskede iontype, mens de øvrige ioner enten afbøjes mere eller mindre, afhængig af deres masse og elektriske ladning. Fra separationsmagneten sendes ionstrålen videre til en accelerationssøjle, som har til formål yderligere at accelerere ionerne til den ønskede energi (hastighed). Ved hjælp af et magnetisk linsesystem og nogle styremagneter rettes ionstrålen mod de områder af emnet, som skal behandles. For at undgå nedbremsning, spredning og neutralisering af ionerne under deres vej gennem acceleratoren foregår processen ved kraftigt vakuum (ned til 10-4 Pa). Egenskaber ved ionimplantering

En væsentlig fordel ved ionimplantering er muligheden for selektiv overfladebehandling. Dette kan

Da ionimplantering udføres ved hjælp af en ionstråle er processen en sigtelinieproces: Dette betyder, at den overflade, som ønskes behandlet, skal kunne rammes af ionstrålen under en vinkel på mellem 90° og 45° for at opnå den ønskede effekt. Man kan derfor ikke behandle indersiden af huller i større dybde end deres lysningsdiameter. Da det behandlede lag er en integreret del af overfladen opstår der aldrig problemer med manglende vedhæftning. Dette er eksempelvis af afgørende betydning ved N-PLUS behandling til slidbeskyttelse af knogleledsimplantater i koboltkrom (CoCr) eller titanlegeringer, som bruges til hofter, knæ o.lign.

Ionimplantering af knæimplantater

Desuden ændres overfladeruheden ikke, hvilket betyder, at et poleret emne ikke skal poleres efter overfladebehandling. Den uændrede overfladefinish betyder ydermere, at der ikke sker nogen form for makroskopiske målændringer. Dette gør ionimplantering velegnet til præcisionsværktøjer og højglanspolerede emner, som f.eks. sprøjtestøbeforme og stanseværktøj til tyndplade. 2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

06 PLASMA Tribologicenterets belægnings- og nitreringsprocesser er plasmabaserede vakuumprocesser, hvor plasmaet udgør en funktionel del af processen. Plasma er betegnelsen for en ioniseret gas, dvs. at en del af partiklerne i gassen er elektrisk ladede (elektroner, atomer og molekyler). Når en del af gassen består af elektrisk ladede partikler bliver gassen elektrisk ledende. Plasma betegnes også som den fjerde fasetilstand foruden fast stof, væske og neutral gas. Et plasma kendes f.eks. fra et lysstofrør, hvor en gas ved lavt tryk ioniseres, når der tændes for strømmen.

Plasmadannelse ved elektrisk udladning i en gas resulterer i et såkaldt lavtemperaturplasma. Dette plasma bruges bl.a. til at understøtte reaktionsprocesserne under deponering af f.eks. keramiske belægninger og plasmanitrering.

Eksempler på plasma til overfladebehandling

Dannelsen af plasmaet starter med at elektroner forlader den negativt ladede katode, når den påtrykkes en negativ spænding på nogle hundrede volt. Disse elektroner accelereres mod anoden, som er positivt ladet (har underskud af elektroner). Herved dannes en elektronstrøm fra katode til anode. Illustration af de 3 traditionelle faser og plasmatilstanden

Plasma kan dannes ved termisk ionisering, hvor atomer og molekyler går i stykker, når de udsættes for tilstrækkeligt høje temperaturer. Ioniseringen af gasser kan også ske ved en elektrisk udladning i gasser under vakuum, som det er tilfældet ved plasmabaseret overfladebehandling. Dette sker ved at påføre en relativ høj elektrisk spændingsforskel hen over gassen. Processen kræver energitilførsel for at kunne startes og for at opretholdes, hvilket bl.a. kan gøres ved at introducere en DC-spænding (jævnspænding) eller RF-spænding (pulserende spænding i radiofrekvensområdet) mellem to elektroder eller mellem vakuumkammerets væg og nogle elektroder (de emner, der skal overfladebehandles).

De accelererede elektroner ioniserer den gas de bevæger sig gennem. Dette sker som resultat af kollisioner mellem elektroner og neutrale atomer og/ eller molekyler. Efter at plasmaet er startet kan dannelsen af elektroner i princippet foregå ved to forskellige processer, nemlig: • Ioniserende kollisioner • Sekundær emission af elektroner Kollisionerne hjælper med til at holde plasmaet selvforsynende med elektroner. Dette sikrer en tilstrækkelig høj ioniseringsgrad, som er vigtig for de reaktioner, der skal foregå.

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

06 PLASMA skydes med ioner, foregår de ioniserende kollisioner i selve plasmaet. Før plasmaet er anvendeligt til at udføre belægnings- eller nitreringsprocesser er det nødvendigt, at udladningen er selvforsynende. Når plasmaet er i gang begynder det at udsende et karakteristisk lys. Årsagen til dette er, at atomer, som rammes af elektroner, men ikke ioniseres, i stedet får tilført energi fra den elektron, den støder sammen med. Et atom med ”forhøjet energiniveau” siger man er exiteret. Når et exiteret atom falder tilbage til sin oprindelige energitilstand udsendes en foton (lys) med en bølgelænde som er karakteristisk for det pågældende stof. En elektrisk udladning af denne type kaldes også en glimudladning på grund af det dannede lys. Glimudladningen er koncentreret omkring katoden, men spredes også til resten af plasmaet.

Eksempel på ionisering af argon, som det foregår ved f.eks. magnetron sputtering processen (PVD-belægning)

Dannelsen af ladede partikler (ioner) kan foregå enten ved en ioniserende kollision eller en dobbelt ioniserende kollision, som vist her ovenfor. Den sekundære elektronemission optræder, når katoden rammes af positive ioner. Antallet af elektroner, som frigives ved kollisionen karakteriseres ved parameteren γ, som betegnes emissionsudbyttet. For hver ionkollision mod katoden frigives γ elektroner ved sekundær emission. For de fleste metaller er γ ≈ 0,1.

Den frie middelvejlængde er en vigtig parameter i forbindelse med vakuum- og plasmaprocesser. Den frie middelvejlængde (λ) er den gennemsnitlige afstand en partikel kan bevæge sig i plasmaet, før den kolliderer med en anden partikel. Sandsynligheden for sammenstød afhænger af trykket, størrelsen af partiklerne, og partiklernes energi, dvs. deres hastighed. I omstående tabel ses den frie middelvejlængde for forskellige kollisionstyper i et plasma med argon (Ar) ved ≈ 660 mPa (6,6 10-3 mbar), 300 K (27°C) og en elektronenergi på 5 eV: Jo kortere den frie middelvejlængde er, des større er sandsynligheden for at den givne kollision finder sted. Til sammenligning kan det oplyses at den frie middelvejlængde for partiklerne i atmosfærisk luft ved et tryk på en atmosfære og stuetemperatur er i størrelsesorden 0,1 µm.

Mens dannelsen af elektroner ved sekundær emission foregår på overfladen af det materiale, der be2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

06 PLASMA Kollisionstype

Frie middelvejlængde

Elektron – elektron

40 m

Elektron - argon (ingen ionisering - kun impulstab)

50 cm

Elektron - argon (ionisering)

Elektron - argon-ion (dobbelt ionisering)

100 m

Argon - argon

2 cm

Udskudt neutralpartikel - argon

5 cm

Udskudt neutralpartikel - elektron (ionisering)

400 m

For at sikre høj ioniseringsgrad af plasmaet og dermed stor aktivitet under processerne, kan man gøre nogle kunstgreb for at øge den frie middelvejlængde. En måde er at introducere magnetfelter i plasmaet. Disse ”fanger” elektronerne i spiralbaner, således at deres vej bliver væsentligt længere end ellers. Når elektronens vej gennem plasmaet forøges, stiger sandsynligheden for at den støder sammen med en anden partikel og dermed ioniserer denne. Tribologicenterets PVD-processer anvender derfor såkaldte magnetron sputter katoder, som vha. af et magnetfelt sender elektronerne på en lang omvej fra katode til anode. Hermed øges sandsynligheden for en kollision og dermed ioniseringsgraden, som i dette tilfælde øger belægningseffektiviteten væsentligt.

Gnistudladning kaldes også ”arc” eller lysbue. Det er en strømudladning, som afsættes på overfladen af de emner der skal behandles. Emnet vil typisk få et ”ar” efter en sådan lysbue, da energitætheden i strømudladningen er så stor, at materialet smelter og/eller fordamper øjeblikkeligt. Normalt kontrolleres dette ved hjælp at meget avancerede strømforsyninger, men selv under velkontrollerede procesforhold kan der opstå ”arc”. Det kan f.eks. ske, hvis der er dårlig elektrisk kontakt til de emner, der skal behandles, eller hvis rengøring og forbehandling af delene af den ene eller anden grund er utilstrækkelig. Vores årelange erfaring med behandling af mere end 1,5 mill. emner er din sikkerhed for, at dine dele ikke lider overlast under plasmaprocessen.

Indflydelse på overfladekvaliteten

For at sikre at overfladen ikke lider overlast under påvirkningen af plasmaet er det vigtigt at styre forholdet mellem strøm og spænding i glimudladningen inden for det såkaldte ”abnormal område”. Uden for dette område er aktiviteten enten for lille eller udladningen ustabil og risikoen for dannelsen af en gnistudladning er stor.

PlasmaCVD-belægning af spåntagende værktøjer

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 3

VÆRD AT VIDE OM...

07 ANVENDELSE AF PVD BELÆGNINGER PVD (Physical Vapour Deposition) er en bred betegnelse for en række forskellige metoder til fysisk pådampning af overfladebelægninger. Tribologicenterets metode hedder magnetron sputtering. Den foregår under vakuum og ved temperaturer mellem 150 ºC og 450 ºC og bruges til lagtykkelser mellem 1 µm og 40 µm. Ved metoden opnås hårdheder mellem 1500-4000 HV.

tivitet af processen og dermed lavere emnepris. Vores operatører er altid behjælpelige med design og fremstilling af optimerede fiksturer til dine emner. I tilfælde, hvor visse af emnets flader ikke ønskes belagt, kan vi problemløst afdække disse, så kun ønskede funktionsflader PVD belægges.

Hvor kan PVD-belægninger anvendes?

Der er næsten ingen grænser for hvilke emner, der kan behandles og der kan belægges med mange forskellige materialer. Blandt hyppigt forekommende anvendelsesområder kan nævnes:  Slip og beskyttelse på plastforme  Lavfriktionsbelægninger  Anti-fouling på dyser (aflejring af kalk m.m.)  Spåntagende og formgivende værktøjer til metal  Reduceret klæbning af bløde metaller til værktøjer  Tørsmøring på sliddele og værktøjer  Beskyttelse på værktøj udsat for kraftigt slid  Øget slidstyrke på bløde metaller som messing, kobber og aluminium  Korrosionsbeskyttelse  Temperaturfølsomme materialer  Dekorative belægninger  Kalibrering og måltilpasing af nye samt renoverede værktøjer og maskindele Deponeringsprocessen er begrænset af sigtelinien mellem targets og emner, hvilket det er strengt nødvendigt at tage højde for ved procesplanlægning og ved procesopstilling. Procesopstillingen (også kaldet batchningen) er uhyre vigtig for at sikre ensartet og høj kvalitet af alle emner. Den høje kvalitet tilsikres samtidig ved anvendelse af multiple targets fordelt i kammeret og roterende emnefiksturer med op til 4 rotationsakser.

Optimal batching giver stærke overflader

Sigtelinieprocesser indebærer i visse tilfælde en fysisk begrænsning i forhold til deponering i smalle spor, dyser og dybe hulgeometrier. Krav til underlag og overfladefinish

Det eneste principielle krav der stilles til emnet ved PVD belægning er, at de indgående materialer ikke smelter eller fordamper ved processens temperatur og det lave tryk. Eksempelvis kan zink og cadmium fra lodninger ikke accepteres i kammeret. På emner, som indeholder legeringer af zink, som f.eks. messing, vil materialets egnethed blive vurderet i de enkelte tilfælde.

2015

Ved specialemner, som belægges i større kvantum, giver emnetilpassede fiksturer ofte en højere effek-

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

07 ANVENDELSE AF PVD BELÆGNINGER Før der vælges belægning betaler det sig ofte at tage den praktiske anvendelse af belagte værktøjer og komponenter til overvejelse i sammenhæng med materialevalg, hærdeproces og overfladefinish.

Centerets mange forskellige PVD-belægninger er alle udviklet til forskellige anvendelser, så det er muligt at finde den bedste løsning til et givet problem.

Det er værd at fastslå, at belægning og vedhæftning ikke stiller krav til emnets overfladefinish. PVD belægninger kan udføres på såvel højglanspolerede dele som på ru eller porøse emner, hvis vakuumudgasning kan rengøre emnet tilstrækkeligt for evt. smøremiddelrester.

Sprøjtestøbeværktøj med CrN-SS for beskyttelse mod slid og markant forbedrede slipegenskaber

Skånsomme lavtemperaturprocesser fra 150 °C

Specielle belægninger

Vores normale belægningstemperatur er op til 450 °C, men vi har udviklet specielle lavtemperaturprocesser, som sikrer at også temperaturfølsomme materialer kan behandles uden at dimensioner, overfladefinish eller hårdhed ødelægges. Disse processer kan arbejde ved temperaturer helt ned til 150 °C. Samtidig er vores lavtemperaturprocesser gjort så skånsomme, at bløde materialer og højglans polerede overflader kan belægges uden problemer.

Plungere af rustfrit stål med CrN til modvirkning af rivninger og beskyttelse mod slid

Maskindele med selvsmørende DLC-TR belægning

Fræsere med TICN-22 til fræsning i rustfrit stål

Lokkenåle med TiAlN-nano, til lokning i stål eller støbejern

2015

Tribologicenteret fremstiller PVD-belægninger til bl.a. produktionsværktøjer, maskindele og til færdige produkter. Belægningerne bruges mod slid, friktion og som slip-let-belægninger eller til dekoration.

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

08 MINIMERING AF SLID OG FRIKTION Dette er ikke godt nok! Hvordan kan vi gøre det bedre? Eller værre endnu!

til hinanden, at der opstår direkte sammensvejsning. Afhængig af hvor alvorlig skaden er, kaldes det i daglig tale koldsvejsning, rivning eller mikrosvejsning.

Det virker ikke! Hvordan får vi det til at fungere? Disse eller lignende spørgsmål må de fleste konstruktører af maskiner, værktøjer eller andre mekaniske indretninger stille sig selv og sine kolleger med jævne mellemrum. Ofte opstår problemerne, når man ønsker at optimere en eksisterende konstruktion for at opnå større ydelse, bedre virkningsgrad eller lavere produktionsomkostninger. Ikke sjældent ser man, at problemerne kan henføres til områder, hvor der er kontakt mellem konstruktionsdetaljerne eller mellem maskindele og de omgivende medier. I tilfælde med belastede kontakter under relativ bevægelse mellem to overflader eller mod omgivende medier taler man om tribologiske fænomener. I daglig tale handler det om slid, smøring og friktion. Slid koster penge

Især slidfænomener er ansvarlige for meget store tab i samfundet, både i form af direkte materialetab, men også som følge af mistet produktion og utilfredsstillende funktion. I den vestlige verden taler man om at værditab, som følge af tribologiske problemer, udgør op imod ½ - 1% af bruttonationalproduktet. Ofte forbindes slidproblemer med mistet materiale, men ser man på de ”finere” konstruktionsdetaljer er det største problem ofte det tribologiske fænomen, der kaldes adhæsivt slid, hvor der faktisk ikke umiddelbart tabes materiale. Fire slidtyper

Netop ved adhæsive slidfænomener er det af afgørende betydning at have et stort kendskab til materialernes natur og til de muligheder, der er for at modificere materialerne med overfladebehandlingsteknikker. Dette skyldes, at årsagen til fænomenet skal findes i materialernes indbyggede evne til at danne mere eller mindre stærke bindinger til hinanden. Ud over adhæsivt slid opererer man med mindst tre andre slidtyper, nemlig abrasivt slid, korrosivt slid og udmattelsesslid. Abrasivt slid opstår, når hårde partikler eller overflader ”bearbejder” en overflade, således at der fjernes materiale ved en skrabe-, slibe- eller polereproces. Materialetabet ved denne form for slid kan være ganske voldsomt, hvis materialer, varmebehandling og overflader ikke er optimeret til den aktuelle anvendelse. Der kan dog også være tale om næsten

2015

Adhæsivt slid dækker over det fænomen, at materialer under relativ bevægelse kan binde sig så stærkt

Adhæsivt slid på klippeværktøj

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

08 MINIMERING AF SLID OG FRIKTION umålelige påvirkninger, som gennem tid alligevel fører til nedsat funktion og kassation.

Abrasivt slid på fremtrækshjul

Den hyppigste årsag til abrasivt slid er udefra kommende hårde partikler i form af støv og snavs fra omgivelserne. Udmattelsesslid adskiller sig lidt fra de to ovenfor nævnte slidformer, da det ikke nødvendigvis starter fra den yderste overflade, men kan begynde lidt under overfladen. I tilfælde, hvor der er tale om punkteller linieformede kontaktzoner, f.eks. fra en rulle, optræder den største belastning fra kontakten et lille stykke under overfladen. Afhængig af belastning og kontaktgeometri kan der være tale om dybder fra få µm til flere millimeter.Hvis udmattelsesstyrken i denne dybde overskrides bliver resultatet udmattelsesrevner i den aktuelle dybde. Før eller siden udvikler disse sig til afskalning af overfladen (pitting). Man taler om korrosivt slid, når der tillige med én eller flere at de tre nævnte slidtyper sker et kemisk angreb på en overflade. Påvirkningen kommer fra det omgivende miljø og der kan f.eks. bare være tale om reaktion med fugt og ilt i atmosfæren men i kombination med f.eks. udmattelsesslid kan der opstå betydelig skade i form af det, der kaldes fretting.

Slid eller friktion

I mange tilfælde hører man udsagnet ”vi har et friktionsproblem”, mens det i virkeligheden viser sig, at der er tale om et slidproblem. Det er nemlig en meget almindelig misforståelse, at lav friktion mellem overflader også giver en lille slidrate og tilsvarende modsat. Dette er imidlertid ikke tilfældet. Et godt eksempel på at det ikke forholder sådan er materialet PTFE (f.eks. kendt under betegnelsen Teflon). PTFE er et materiale med en lang række gode egenskaber, heriblandt lav friktion mod andre materialer. Problemet med dette materiale er blot, at det i sig selv ikke er særlig slidstærkt, da det er et blødt og mekanisk svagt plastmateriale. Mange kender dette fra de tidlige udgaver af overfladebelagte stegepander. En løsning på dette problem har været at forstærke det bløde plastmateriale med andre, hårdere og mere abrasionsresistente materialer. Men der naturligvis en grund til denne umiddelbare fornemmelse af en sammenhæng mellem slid og friktion, som mange har. Hvis der er en kraftig vekselvirkning mellem materialerne, f.eks. i form af adhæsive slidmekanismer eller abrasivt slid mellem to overflader, vil den bearbejdning der sker af overfladerne under bevægelsen give indtryk af, at friktionen er høj. Det er blot vigtigt at bemærke, at det er sliddet, der øger friktionen og ikke friktionen, der øger sliddet. Fundamentale forudsætninger for smøring

Korrekt smøring kan løse mange slid- og friktionsproblemer, men det er dog langt fra alle tilfælde, der giver mulighed for etablering af en korrekt smøring. Og det er altafgørende at smøremidlet er egnet til den givne anvendelse. For at sikre optimal smøring er der nogle fundamentale forudsætninger, der skal være tilstede. I første omgang drejer det sig om, at geometrien og belastningstypen er egnet til smøring. Endvidere er det vigtigt, at hvis der smøres med olie 2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

08 MINIMERING AF SLID OG FRIKTION eller fedt, skal disse medier være helt rene. Selv små mængder af hårde partikler, f.eks. støv fra omgivelserne, kan føre til slid og reduceret levetid for de smurte komponenter. Smøring med flydende smøremidler i form af olier og mange typer fedt forudsætter, foruden korrekt geometri, en hvis bevægelseshastighed for at kunne opnå en tilstrækkelig tyk smørefilm til at forhindre overfladerne i at komme i kontakt med hinanden. Kan dette ikke lade sig gøre, f.eks. fordi der er tale om afbrudt, langsom eller reciprokerende bevægelse, kan man enten løse problemet med en smørefedt tilsat et fastsmøremiddel (f.eks. MoS2) eller med en passende selvsmørende overfladebelægning som f.eks. DLC-TR. DLC står for Diamant Lignende Kulstof (Carbon), hvilket er en tynd overfladebelægning som kombinerer grafits gode glideegenskaber med diamants store hårdhed og slidstyrke Man ser ikke sjældent, at der opstår problemer, fordi man forsøger at undgå smøring med olie eller fedt af hygiejniske eller miljømæssige grunde. Også i disse tilfælde kan der mange gange findes løsninger ved brug af de nyeste materialer og overfladebehandlinger. Viden betyder alt

Der er to forskellige tidspunkter, hvor man kan drage den tribologiske ekspertise ind i arbejdet. Før eller efter, det går galt! Dette er selvfølgelig sat på spidsen, men har man blot den mindste mistanke om, at det man er i gang med, kan give tribologiske problemer, er det som regel klogt at drage nytte af den erfaring en specialist på området har. Dette kan ofte spare mange ærgrelser (og penge).

Som det fremgår af tabellen er der ofte flere forskellige løsningsmuligheder til et givet problem. For at finde den bedst mulige løsning på et givet tribologisk problem, er det afgørende at få stillet den korrekte diagnose i form af en identificering af den fremherskende slidmekanisme. Dette kan i mange tilfælde ske på forkant ved at fastlægge den aktuelle belastning, både mekanisk og fra det omgivende miljø og sætte dette i relation til de materialer, der er påtænkt. Ikke sjældent kan den erfarne tribolog her se, at det vil være nødvendigt at overveje alternativer eller se om konstruktionen på anden vis kan ændres. Tribologisk problem

Typisk løsning

Adhæsivt slid

Ændret materialevalg Overfladebehandling Smøring Ændret overfladetopografi Ændret konstruktion eller dimensionering

Abrasivt slid

Ændret materialevalg Overfladebehandling

Korrosivt slid

Ændret materialevalg Overfladebehandling

Udmattelsesslid

Ændret materialevalg Ændret konstruktion eller dimensionering Overfladebehandling

Friktion for høj (eller for lav)

Smøring Ændret materialevalg Overfladebehandling

I mange tilfælde kan de konstaterede eller forventede problemer løses uden væsentlige konstruktive ændringer blot ved et ændret materialevalg og/eller ved en overfladebehandling af de aktive områder.

2015

Er skaden sket, kan der være utrolig megen information at hente i en ”obduktion”. En havarianalyse eller en undersøgelse af slidte maskin- eller værktøjsdele kan ofte være med til at give svaret på de to spørgsmål, der blev stillet i begyndelsen af denne lille artikel.

I tabel 1 ses en summarisk oversigt over nogle tribologiske problemtyper og den vej man kan gå for at finde en løsning.

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 3

VÆRD AT VIDE OM...

08 MINIMERING AF SLID OG FRIKTION Simulering og test

Når der skal afprøves nyt område inden for den tribologiske verden kan man komme meget langt med at bygge på den allerede eksisterende viden. Det er dog af og til sådan, at der er så mange faktorer der spiller ind, at det kan være nødvendigt at udføre en praktisk prøve. I disse tilfælde er det meget vigtigt, at testen så nøje som muligt simulerer de aktuelle driftsbetingelser. Dette skyldes, at selv relativt små ændringer i et tribologisk system kan ændre slidmekanismerne radikalt.

Brug Tribologicenteret

Essensen er, at det meget ofte kan betale sig at tage en erfaren tribolog med på råd enten under nyudvikling, optimering eller i forbindelse med udredning af egentlige havarier. Især hvis der viser sig behov for simulering af mekaniske kontakter eller egentlig slidratemåling, kan der være meget at hente. Især da den ofte nødvendige acceleration af testen rummer store faldgruber. Nye materialer og overfladebehandlinger samt utraditionelle anvendelser af kendte materialer giver mange muligheder for at minimere slid og eventuelt friktion ofte også uden at gå på kompromis med de kendte krav om f.eks. større ydelse, bedre virkningsgrad eller lavere produktionsomkostninger.

Det er imidlertid ofte umuligt at teste under virkelige driftsbetingelser, enten fordi det er for dyrt eller fordi det tager for lang tid. Man er derfor tit nødt til at lave accelererede prøvninger under laboratorieforhold. Til dette formål kan et såkaldt tribometer af Pin-On-Disc-typen være et nyttigt instrument i de rette hænder. I dette apparat kan man simulere kontakten mellem materialer under kontrollerede forhold, hvor parametre som hastighed, kontakttryk, overfladeruhed, luftfugtighed, smøring og meget andet kan styres og varieres. Resultatet af en sådan test kan enten være absolutte eller relative slidrater eller man kan bestemme friktionskoefficienten under de givne betingelser. 2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 4

VÆRD AT VIDE OM...

09 HÅRDHED OG HÅRDHEDSMÅLING Hvad er hårdhed?

Et materiales hårdhed kan defineres som materialets modstand mod plastisk (blivende) deformation, når det udsættes for indtryk, kradsende eller skærende påvirkning. Det følgende koncentrerer sig om hårdheden af metalliske konstruktions- og værktøjsmaterialer samt metalliske og keramiske overfladebehandlinger. Hårdheden af et materiale er ikke en indbygget grundlæggende egenskab som f.eks. massefylde eller varmeledningsevne. Hårdheden er derimod en egenskab, hvis værdi afhænger af måden, den måles på. Der findes mange forskellige metoder til at angive et materiales hårdhed. De mest anvendte til metallerne er Brinell-hårdhed, Rockwell-hårdhed og Vickers-hårdhed. Brinell-hårdhed

Brinell-hårdhed er den ældste af de hårdhedsmålinger, der i dag er almindeligt brugt til metaller. Metoden stammer tilbage fra år 1900. Brinell-hårdheden måles ved at man trykker en ståleller hårdmetalkugle ned i det materiale, der skal måles. Normalt bruges en kugle med en diameter på 10 mm og en belastning på 3000 kg. Belastningen holdes en hvis tid afhængig af materialetypen. For bløde stål og støbejern er holdetiden 30 sekunder, mens den for lidt hårdere stål er 10 sekunder. Brinell-hårdheden (HB) er kraften i kilopond (kp) divideret med overfladearealet i kugleindtrykket

(mm2). HB bestemmes ved at man opmåler middeldiameteren af det indtryk, der laves i prøveemnet og sætter denne værdi ind i nedenstående formel.

Brinell-hårdhed bruges mest i forbindelse med relativt bløde materialer, som f.eks. konstruktionsstål, uhærdede værktøjsstål, rustfrie stål samt aluminiumog kobberlegeringer. For stål er der en forholdsvis god tilnærmet sammenhæng mellem Brinell-hårdheden og brudstyrken. Rmt ~ 3,6 ⋅ HB Rmt ~ 3,4 ⋅ HB

for kulstofstål for krom-nikkelstål

Rockwell-hårdhed

Rockwell-metoden benyttes især til hærdede stål. Rockwell C, som denne metode kaldes, er hurtig og simpel at anvende, men forholdsvis grov i angivelsen af hårdheden. Nøjagtigheden er dog tilstrækkelig til langt de fleste formål på hærdede stål. Til Rockwell C måling bruges en diamantkegle med en topvinkel på 120° og med en rundingsradius på spidsen på 0,2 mm. Til forskel fra både Brinell- og Vickers-måling er det ved Rockwell-måling dybden af et indtryk, der angiver hårdheden og ikke kraften i forhold til arealet af det tilsvarende indtryk. Dette gør metoden meget følsom over for, hvor godt prøvestykket ligger an mod underlaget og det er vigtigt, at både prøveemne og anlæg er rene. Først påtrykkes diamanten en kraft på 10 kp (10 kg). Dette kaldes forlasten. Forlasten sikrer at emnet ligge nogenlunde an mod underlaget og den giver et lille indtryk, så diamanten er trykket lidt under overfladen, inden selve målingen påbegyndes. 2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

09 HÅRDHED OG HÅRDHEDSMÅLING Dette er udgangspunktet for dybdemålingen og dermed hårdhedsmålingen. Et måleur nulstilles og hovedlasten på 150 kg påføres og holdes i 15 - 20 sekunder. Herefter fjernes hovedlasten igen, mens forlasten forbliver på. På denne måde fjedrer materialet elastisk tilbage og det er kun den blivende (plastiske) deformation der måles. Dybden (e) måles i enheder af 0,002 mm (2 µm) og hårdheden findes efter denne formel:

HRC = 100 - e Hvis indtryksdybden (e) er større end 0,2 mm (100 enheder) bliver HRC negativ, hvilket selvfølgelig ikke giver mening, så til bløde materialer skal vælges en anden måleprocedure end Rockwell C. I praksis bruges HRC-skalaen i området HRC 20 til HRC 70.

man ønsker. Normalt brugte belastninger er: 30, 10, 5, 3, 1, 0,5, 0,2 kg, men man kan måle med belastninger helt ned til få gram. Når lasten og diamanten fjernes, efterlades et kvadratisk indtryk på overfladen. Til beregning af Vickers-hårdheden benyttes diagonalen af indtrykket, som opmåles i et mikroskop. Hårdheden er som for Brinell-målingen givet ved forholdet mellem den anvendte kraft (F) i kilopond (kp) og arealet (A) af indtrykket i mm2.

Da overfladen ikke altid er perfekt plan og glat, er indtrykket i praksis ikke altid helt kvadratisk. Derfor opmåler man begge diagonaler og tager gennemsnittet. Hvis det er nødvendigt for at få tilstrækkeligt sikre resultater tager man middelværdien af diagonalerne fra 3 til 5 indtryk.

Rockwell C indtrykket bruges endvidere til kvalitetskontrol af hårde overfladebelægninger på hærdede stål. (Se Værd at vide om… 02: Kvalitet og kontrol af overfladebehandlinger). Vickers-hårdhed

Vickers-metoden er den mest alsidige af de her nævnte hårdhedsmålemetoder. Metoden kan bruges til alle metaller og i vid udstrækning også til keramiske materialer. Som indtrykningslegeme (indenter) bruges en firesidet diamantpyramide, med en topvinkel på 136° mellem to modstående sider. Diamanten trykkes mod overfladen med en kraft, der afhænger af, hvor hårde materialer man måler på og hvor stort indtryk 2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

09 HÅRDHED OG HÅRDHEDSMÅLING Det er almindeligt at bruge forskellige belastninger ved Vickers-måling, afhængig af om man måler på hårde eller mindre hårde emner eller om man måler på overfladen i stedet for på grundmaterialet. Værdier målt med meget små belastninger kan ikke helt sammenlignes med værdier målt ved større laster. Derfor ser man ofte hårdheden angivet med en vægtbetegnelse, som fortæller ved hvilken last, målingen er foretaget. Der kan f.eks. stå HV30 eller HV0,5. Forskellige materialers hårdhed

Hårdheden af forskellige materialer varierer meget og det er kun én egenskab ud af en lang række, der er med til at beskrive et materiale. Brudstyrke og sprødhed er for metallerne normalt egenskaber, der vokser når hårdheden stiger. En egenskab, som helt klart er relateret til hårdheden, er modstanden mod abrasivt slid. Større hårdhed giver større modstand mod slid fra hårde partikler eller andre hårde overflader. (Se Værd at vide om… 09: Minimering af slid og friktion). På figuren overfor ses omtrent i hvilke hårdheder forskellige materialer og overfladebehandlinger kan fås. Sammenligning af hårdheder

De forskellige hårdhedsbetegnelser bruges hyppigt i flæng. Derfor er det ofte nyttigt at have en omsætningstabel eller kurve. Det er ikke alle hårdhedsværdier, der let kan omsættes til hinanden. Dette skyldes dels de forskellige definitioner, dels forskellige belastninger (indtryksstørrelse) og dels at forskellige materialer kan reagere forskelligt på belastningen afhængigt af om den påføres f.eks. med en Brinell-kugle eller en HRC-diamant-kegle. På den efterfølgende tabel og tilhørende kurve findes en hurtig omsætning mellem Brinell-, Vickers- og Rockwell-hårdhed for stål.

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 3

VÆRD AT VIDE OM...

09 HÅRDHED OG HÅRDHEDSMÅLING Vickers

Rockwell

Brinell

Vickers

Rockwell

Brinell

Vickers

Rockwell

Brinell

HRC

76,0

240

20,3

228

500

49,1

475

80,7

245

21,3

233

510

49,8

485

85,5

250

22,2

238

520

50,5

494

90,2

255

23,1

242

530

51,1

504

100

95,0

260

24,0

247

540

51,7

513

105

99,8

265

24,8

252

550

52,3

523

110

105

270

25,6

257

560

53,0

532

115

109

275

26,4

261

570

53,6

542

120

114

280

27,1

266

580

54,1

551

125

119

285

27,8

271

590

54,7

561

130

124

290

28,5

276

600

55,2

570

135

128

295

29,2

280

610

55,7

580

140

133

300

29,8

285

620

56,3

589

145

138

310

31,0

295

630

56,8

599

150

143

320

32,2

304

640

57,3

608

155

147

330

33,3

314

650

57,8

618

160

152

340

34,4

323

660

58,3

165

156

350

35,5

333

670

58,8

170

162

360

36,6

342

680

59,2

175

166

370

37,7

352

690

59,7

180

171

380

38,8

361

700

60,1

185

176

390

39,8

371

720

61,0

190

181

400

40,8

380

740

61,8

195

185

410

41,8

390

760

62,5

200

190

420

42,7

399

780

63,3

205

195

430

43,6

409

800

64,0

210

199

440

44,5

418

820

64,7

215

204

450

45,3

428

840

65,3

220

209

460

46,1

437

860

65,9

225

214

470

46,9

447

880

66,4

230

219

480

47,7

456

900

67,0

235

223

490

48,4

466 2015

Brinell-hårdheder bruges normalt ikke i det højere hårdhedsområde (de grønne tal)! Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo

VÆRD AT VIDE OM...

09 HÅRDHED OG HÅRDHEDSMÅLING

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 5

VÆRD AT VIDE OM...

10 OPBYGNING AF BELÆGNINGER De tidlige belægninger

Første generation af tørre tribologiske belægninger var enkeltlagsstrukturer fremstillet ved højtemperatur-CVD og blandt disse bruges stadig eksempelvis TiN og TiC. En stor del af disse anvendelser belægges dog i dag primært med PVD eller PCVD. I starten af 80’erne kom de første kommercielle PVD-belægninger på markedet til tribologiske formål. De nye plasmabaserede teknologier åbnede muligheder for deponering ved lavere temperaturer og med stærkt forbedret vedhæftning, hvilket øgede anvendelsesmulighederne. Sammen med udviklingen af PVD-teknologien fulgte også belægninger med en mere kompleks komposition, som f.eks. TiAlN, der både er hårdere og mere temperaturstabil end de tidligere, mere simple belægningstyper. Betegnelse

Principiel Struktur

Nutidens belægninger

Inden for de seneste 10 år er en række nye bølgebelægningstyper fremkommet og blandt de mest interessante er nanolags- og nanokompositbelægninger, ”Functional Gradient Coatings (FGC)” samt kombinationsprocesserne. Alle disse nyere belægningssystemer skaber mulighed for ”synergieffekter” i forhold til egenskaberne for de enkelte indgående komponenter. I det følgende gives en kort oversigt over de hyppigst forekommende belægningsbetegnelser:

Beskrivelse

Belægningseksempler

Enkeltlag

2-5 μm tykt enkeltlag deponeret ved krystalvækst fra substrat

CrN, TiAlN-TR, PlasmaTiN

Multilag

Skiftevis deponering 0,2-1 μm tykke enkeltlag i kombination

TiCN-22, TiAlN-444 KorroFlex

Nanolag

Skiftevis deponering af 10 nm - 100 nm tykke enkeltlag i kombination

TiAlN-nano KorroNoX, KorroTiN

Nanokomposit

Samtidig deponering af individuelt uopløselige keramer i kompositgitter

FGC Functional Gradient Coating

Deponering med gradvis skift i materialekompositionen i vækstretningen

DLC-TR IBAD-DLC

Kombi-behandling

Deponeret enkeltlag efterfulgt af ionimplantering i belægningens overflade

N-CrN, N-TiN IBAD-DLC

Duplex

Plasmanitrering af substrat efterfulgt af belægning vha. PVD eller PCVD

Plasnit + PVD Plasnit + PCVD

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

10 OPBYGNING AF BELÆGNINGER Følgende fordele ved nanolagsbelægninger kan nævnes: Øget hårdhed

Som et eksempel på opnåelige synergieffekter kan nævnes en øget hårdhed ved optimalt afstemt periodelængde [i nm-størrelse] mellem 2 lag med forskellige egenskaber. Vælges disse lagtykkelser rigtigt kan den resulterende hårdhed af belægningen være mere end dobbelt så stor, som den hårdeste af de enkeltvis indgående belægninger. Tribologicenterets belægninger KorroNox, KorroTiN og TiAlN-nano er eksempler på nanolagsbelægninger.

Eksempel på hårdhedsforøgelse ved tilpasning af periodelængden af nanolag

Øget slidstyrke mod abrasion

Ved abrasivt slid (slid fra hårde partikler) udviser nanolags- og multilagsbelægninger et ændret slidmønster, som kan føre til 2-3 gange længere levetid sammenlignet med de respektive enkeltlag. Slidmekanismen ændrer sig, så en mikrorevne opstået ved sliddet ikke kan udbrede sig hele vejen ned gennem belægningen til grundmaterialet, men i stedet vil udbrede sig langs grænsen mellem to lag, som i stedet løsner sig (delaminering). Hvis belægninger er opbygget af mange tynde lag kan man principielt forestille sig lige så mange tilfælde af delaminering, før belægningen er slidt op. Det kræver en nærmere analyse af slidproblemet at opnå hele denne gevinst.

I mere sjældne tilfælde er der dog risiko for at levetiden kan nedsættes i forhold til enkeltlag af samme tykkelse. Det er således ikke altid simpelt at vælge den optimale løsning og Tribologicenterets eksperter rådgiver derfor gerne om den bedste belægningsopbygning til dit specifikke slidproblem. Øget korrosionsbeskyttelse

Når belægningerne dannes sker det ofte ved krystalvækst, hvor belægningen vokser som søjleagtige krystaller fra substratet. Herved kan der opstå defekter kaldet ”pinholes”, som er gennemgående mikroskopiske huller langs krystalgrænserne. Forekomsten af disse ”pinholes” kan begrænses gennem valg af parametre under belægningsprocessen, men kan kun sjældent elimineres totalt for de belægninger, der er interessante til tribologiske formål. Det betyder, at der ved enkeltlagsbelægninger næsten altid forekommer et antal små, åbne huller fra overfladen ned til substratet, som derved er lokalt ubeskyttet i forhold til kemisk angreb fra det omgivende medie (gas eller væske). Både multilag, nanolag og FGC giver øget korrosionsbeskyttelse i forhold til enkeltlagsbelægninger, fordi der opnås en meget tættere forsegling af overfladen. Dette skyldes at udbredelsen af et ”pinhole” ofte afbrydes ved et lagskifte eller forsvinder gradvist henover en graduering. Sandsynligheden for at der til slut findes en intakt labyrint af ”pinholes”, der når helt ned til substratet, nedsættes således ganske enormt ved disse metoder. FGC giver hårdhed, fleksibilitet og vedhæftning

2015

Tribologicenteret bruger bl.a. funktionel graduering af belægningen, når vi laver DLC-TR (Diamond Like Carbon). Dette gøres fordi en direkte deponering af det funktionelle DLC-lag på en metaloverflade ikke får tilstrækkelig vedhæftning og belægningen får vanskeligt ved at arbejde sammen med det metal, den ligger på, fordi de mekaniske egenskaber er meget forskellige. Ved at anvende en metallisk overgangsfase, som gradvist opblandes med kvæl-

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

10 OPBYGNING AF BELÆGNINGER stof og kulstof og som til sidst afslutter belægningsfasen i et næsten rent kulstofbasseret DLC-lag med en tykkelse på ca. 1 μm opnås derimod et stabilt og slidstærkt system. Billederne herunder viser tydeligt belægningens ydre kulstoflag, det inderste bindingslag samt overgangslaget som sammenføjer de 2 ellers ikke kompatible systemer.

Samtidig PVD-belægning og ionimplantering

IBAD-DLC er en særlig kombibehandling, hvor kulstof deponeres samtidig med, at der sker en ionimplantering af overfladen. Under denne belægningsproces sker der bl.a. en opblanding af atomer i overfladen (mix-zone), hvilket sammen med den store energitæthed i ionstrålen sikrer god vedhæftning og mulighed for at lave nogle helt specielle belægninger. Fremtiden

Kalotteslib (venstre) og tværsnit (højre) i FGC-belægningen DLC-TR

Kombibehandlinger til slip af f.eks. plast

Ved ionimplantering af henholdsvis CrN- eller TiN-overflader med kvælstof-ioner, kan der ændres væsentligt i kemien og strukturen i overfladen. Bl.a. kan de indskudte ioner kile sig ind i mellem de enkelte atomer i overfladen og dermed øge afstanden mellem de punkter, hvor der kan dannes stærke bindinger mellem overfladen og et vedhæftende materiale (f.eks. plast). Dette betyder at den resulterende vedhæftning reduceres væsentligt. Tribologicenterets kombibehandlinger N-CrN og N-TiN bruges derfor over for særlige typer slipproblemer.

På Tribologicenteret udvikles løbende nye forbedrede belægninger til at løse industriens problemer inden for slid, slip, vedhæftning, smøring, korrosion, m.m. Vores arbejde indbefatter bl.a. nye keramiske kompositioner, nye kombinationer af nanolag og nanokompositter, test og modellering af egenskaber, således at danske virksomheder stedse kan tilbydes velafprøvede, state-of-the-art belægninger.

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 3

VÆRD AT VIDE OM...

11 DLC BELÆGNINGER Diamantlignende kulstofbelægninger med lav friktion og stor slidstyrke Hvad er DLC?

Gennem de senere år har der været talt meget om de såkaldte DLC-film eller -belægninger, men hvad er det egentlig og hvad kan de bruges til? DLC betyder ”Diamond Like Carbon” eller på dansk ”diamantlignende kulstof”. Betegnelsen DLC kommer af at grundstoffet kul (C) på fast form har to naturlige krystalformer med meget forskellige egenskaber, nemlig henholdsvis grafit og diamant. Diamant er kendt af de fleste som et meget hårdt materiale, ja, faktisk er diamant det hårdest kendte materiale overhovedet med en hårdhed på op til 10.000 HV. Når kulstofatomerne er bundet som diamant er de arrangeret i et kubisk gitter, hvor alle bindinger mellem kulstofatomerne er meget stærke, de såkaldte sp3-bindinger. Det er netop denne meget stærke struktur, der er med til at give diamant sin hårdhed. På figur 1 ses diamantgitret.

Grafit er derimod et forholdsvist blødt mineral, som bl.a. kan bruges som smøremiddel. I et grafitkrystal er kulstofatomerne arrangeret på en helt anden måde end i diamant. De er bundet

forholdsvis stærkt til hinanden i lag, de såkaldte sp2-bindinger, men de enkelte lag er ikke bundet stærkt (se fig. 1), hvilket betyder at lagene meget let kan glide på hinanden. Det er denne mekanisme der udnyttes til at give den lave friktion, som gør materialet smørende. Man taler også om et tørsmørende materiale, fordi der ikke er en væske til stede, som det kendes fra f.eks. olie og fedtsmøring. I materialet DLC er der ingen overordnet krystalstruktur, dvs. materialet er det man kalder amorft. I stedet er kulstofatomerne bundet til hinanden med en blanding af diamant- og grafitbindinger (sp3 og sp2). Man kan altså sige, at en DLC-belægning indeholder kulstof i en tilstand som er en mellemting mellem diamant og grafit. Dette betyder at DLC-belægningerne arver noget fra begge ”forældre”, de er nemlig ikke kun smørende som grafit, men også hårde (dog ikke lige så hårdt som diamant). Det der til gengæld også ligger i denne amorfe struktur er, at den kan være sammensat på mange forskellige måder, idet forholdet mellem sp3og sp2-bindinger kan variere. Hertil kommer at selve strukturen ikke er specielt stabil, hvorfor der ofte tilsættes andre stoffer (metaller) for at stabilisere belægningen. Endvidere kan DLCmaterialet indeholde brint i varierende mængder afhængig af fremstillingsmetoden. Og sidst men ikke mindst er det vanskeligt at få DLC til at binde direkte på de fleste almindelige konstruktionsmaterialer, heriblandt stål, hvorfor man som regel lægger et bindelag mellem grundmaterialet og det egentlige DLC-lag. Alle disse forskellige forhold gør, at DLC i virkeligheden er en stor familie af forskellige be2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

11 DLC BELÆGNINGER lægninger med forskellige egenskaber, men med den fællesnævner, at de er forholdsvis hårde og har lav friktion mod de fleste andre materialer. Hvordan laves DLC?

DLC kan fremstilles på en række forskellige måder, som alle tilhører gruppen af tørre vakuumbaserede processer. De mest anvendte er plasma-CVD- og PVD-teknikker, men også laser- og ionstråleteknikker bruges. Som nævnt ovenfor har fremstillingsmetoden en stor indflydelse på egenskaberne af den færdige belægning. Tribologicenteret benytter to forskellige teknikker til at producere to forskellige DLCbelægninger, kaldet DLC-TR og IBAD-DLC.

duktil og ved at have gode korrosionsegenskaber. Senere i belægningsprocessen tilføres gradvist mere kulstof og mængden af kvælstof (N) reduceres. Herved får man en belægning, der ændrer sig fra at være CrN helt inde ved grundmaterialet til at blive Cr(C,N) og CrC for så til sidst at blive en ren DLC-belægning. For at give de helt rigtige egenskaber suppleres PVDprocessen med en plasma-CVD-proces ved dannelse af det afsluttede kulstoflag. På figur 2 ses et kalotteslib, hvor der er slebet med en kugle igennem belægningen, således at man kan se, hvordan sammensætningen ændrer sig ned gennem belægningen. Den samlede lagykkelse er ca. 3µm.

DLC-TR fremstilles med en PVD-teknologi kaldet magnetron sputterteknik. Med denne metode fordampes belægningsmaterialet (kulstof) direkte fra fast form (grafit) ved at en grafit plade bombarderes med argonioner (Ar+). Når kulstoffet kommer på dampform kan man få det til at kondensere i form af DLC på de overflader der skal belægges, hvis bl.a. de rigtige tryk- og temperaturbetingelser er til stede.

Fig. 2: Mikroskopfoto af et kalotteslib i en FGC-opbygget DLCbelægning

Tribologicenterets anden DLC-belægning, IBAD-DLC, laves på en helt anden måde. Til denne belægning bruges en ionstråleproces, hvor den overflade der skal belægges, bliver beskudt med metalioner i en ionaccelerator samtidig med at der pådampes et kulstofholdigt me2015

Som tidligere nævnt kræver det nogle kunstgreb at sikre god vedhæftning til de fleste grundmaterialer, ligesom den rene DLC-belægning både kan være sprød, spændingsfyldt og ustabil. Derfor er Tribologicenterets DLC-TR opbygget, som det, der hedder en FGC. FGC betyder ”Functional Gradient Coating”, hvilket vil sige at belægningen skifter sammensætning og egenskaber igennem sin tykkelse. I praksis betyder det, at man starter med et lag af CrN, som har fremragende vedhæftning på stort set alle teknisk anvendte materialer. Denne grundbelægning udmærker sig endvidere ved at være meget

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

11 DLC BELÆGNINGER die ved hjælp af en slags PVD-proces. Hele denne proces forløber ved en meget lav temperatur og metoden giver en DLC-belægning med en meget lav friktion mod de fleste andre materialer. Nogle egenskaber ved DLC

De fleste DLC-belægninger har forskellige egenskaber, men fælles for dem alle er at de normalt har gode tribologiske egenskaber. Dette betyder i praksis at de udviser gode glideegenskaber og lave friktionskoefficienter mod de fleste andre tekniske materialer. Herudover er de som regel også forholdsvis hårde, hvilket gør dem modstandsdygtige overfor det, der kaldes abrasivt slid (slid fra hårde partikler og ru overflader). På figur 3 ses en række vejledende friktionskoefficienter for forskellige overfladekom-

Fig. 3: Eksempler på friktionskoefficienter mellem forskellige overflaader

binationer. Der er i alle tilfælde tale om tørre, rene materialeoverflader, som er ”kørt til”. Nogle DLC-belægninger fungerer dårligt i vandigt miljø, men er fremragende til tørre kontakter eller i kombination med mere traditionelle smøremidler. Dette gælder dog ikke DLC-TR og IBAD-DLC, som begge fungerer fint under næsten alle tænkelige tribologiske forhold,

så længe temperaturen er under hhv. 400 °C og 350 °C, hvor de begynder at dekomponere. I tabel 1 ses en række egenskaber for overfladebelægningerne DLC-TR og IBAD-DLC. Hvorfor reducere friktionen?

Der er flere gode grunde til at reducere friktionen i bevægede maskindele. Der kan være et ønske om at mindske kræfterne i konstruktionen, minimere opvarmningen, mindske energiforbruget eller i det hele taget blot at kunne opnå den ønskede funktion. Den traditionelle måde at gøre dette på er ved at smøre med olie eller fedt. I mange tilfælde er traditionel smøring dog ikke mulig, enten fordi man ikke kan acceptere det ”griseri” det fører med sig, fordi delene ikke bevæger sig på en sådan måde, at man kan opbygge en smørefilm, eller fordi flydende smøremidler ikke er forenelige med funktionen af delen, f.eks. kan det blive skyllet væk. Når der ikke kan bruges olie eller fedtsmøring er det velkendt at bruge smørende overflader. Det er i de fleste tilfælde forskellige varianter af PTFE (Teflon). PTFE har i sig selv gode glideegenskaber, men det er ikke mekanisk stabilt og har kun ringe slidstyrke. Dette betyder at TFE som regel forstærkes af andre polymere, metaller eller keramer, men selv i de tilfælde kan der i en række tilfælde være problemer med den mekaniske styrke eller slidstyrken. Det er i disse situationer de hårde, tynde DLC-belægninger kan være interessante alternativer, fordi lagtykkelser på få mikrometer lægges direkte på de færdige komponenter og giver glideegenskaber, der som regel er sammenlignelige med både traditionel smøring og PTFE-baserede overfladebelægninger. 2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 3

VÆRD AT VIDE OM...

11 DLC BELÆGNINGER Mod rivninger

Rivning, koldsvejsning eller adhæsivt slid, som det også kaldes, er kendte slidfænomener, som ofte forveksles med friktionsproblemer. Årsagen har ikke direkte noget med friktionen mellem to overflader at gøre, men ikke desto mindre kan man ofte løse problemet med en DLClavfriktionsbelægning. Det skyldes, at DLC-belægningen er meget passiv og ikke giver de rene metaloverflader mulighed for at binde sig direkte til hinanden. Yderligere betyder den nedsatte friktion, at der afsættes mindre energi i kontaktpunkterne, så temperaturerne bliver lavere end ved en ren, usmurt metal-mod-metal kontakt. Rivning kendes fra mange forskellige metalmetal-kontakter, hvor f.eks. rustfrie stål har meget dårlige glideegenskaber og river for et godt ord. Det samme gælder for aluminiumog titanlegeringer. Jo dårligere mulighed der er for at smøre, f.eks. fordi hastighederne er lave eller fordi det er vand der skal fungere som smøremiddel, desto større er risikoen for at få rivninger. Ved kontakter mellem materialer med tendens til rivning kan man i mange tilfælde eliminere rivningstendensen ved at lægge f.eks. DLC-TR på den ene af parterne. Typiske anvendelseseksempler

På figur 4-7 ses en række eksempler på brug af selvsmørende lavfriktionsbelægninger. Figur 4 viser nogle bolte af rustfrit stål, der er behandlet med DLC-TR for at forhindre rivning. På samme måde bruges DLC-TR til at forhindre rivning af rotorer (se fig. 5), der skal køre i en blok af rustfrit stål (AISI 304). På fig. 6 ses et formværktøj til tyndplade, der er belagt med IBAD-DLC for for at mindske frik-

tionen, øge slidstyrken, og modvirke påklæbninger. Figur 7 viser en højttalermembran, der er belagt med DLC-TR dels for at øge membranensn stivhed, så den færdige højttaler lyder bedre, dels som en dekorativ coating

Fig 4

Fig 5

Fig 6

Fig 7

2015

Fælles for de ovenfor anførte eksempler er, at olie- eller fedtsmøring ikke har været acceptabel. Til en lang række lejer, føringer og styr af forskellig type vil man ofte også have gavn af DLC-TR eller IBAD-DLC, selvom man godt kan smøre med olie eller fedt. Det skyldes at både olie- og fedtsmøring er det man kalder væskesmøring. Denne smøremekanisme virker kun perfekt, når den relative hastighed mellem overfladerne har en vis størrelse og når den geometriske udformning af kontakten er ideel. Er dette ikke tilfældet, f.eks. på grund af reciprokerende, langsom eller sjælden bevægelse, vil en DLCbelægning virke smørende når væskefilmen bryder sammen eller ikke kan opbygges.

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 4

VÆRD AT VIDE OM...

12 OVERFLADEBEHANDLING AF PLASTFORMVÆRKTØJER

Plastformværktøjer er som regel dyre og komplicerede og består ofte af mange forskellige dele, som bevæger sig i forhold til hinanden og i forhold til plastmaterialet. Dette giver meget store belastninger på materialernes overflader og der stilles tit krav om ensartet og perfekt funktion gennem hele værktøjets levetid. Slid (abrasion), rivning, korrosion, klæbning og udmattelse er blandt de almindeligst forekommende problemtyper, som oven i købet ofte optræder samtidigt. Gennem de seneste år har mange værktøjsleverandører og plastproducenter med stor succes indført Tribologicenterets tørre overfladebehandling på forskellige formdele med det resultat, at værktøjerne fungerer bedre og at mange renoveringer undgås. De behandlinger, der benyttes er: PVD-belægning, ionimplantering, plasmaCVDbelægning og plasmanitrering. Der er store beløb at spare ved at vælge den rette behandling til et givet problem og Tribologicenteret har stor erfaring med at forbedre formdeles ydeevne ved hjælp af forskellige teknikker til overfladebehandling. Eksempler på problemløsninger: Korrosion

Lokal korrosion kan opstå ved luftafgangene på sprøjtestøbeforme på grund af aggressive gasser fra den varme plast. Denne form for korrosion kaldes også for ”brændinger” eller ”dieseleffekt”.

Sådanne skader er ødelæggende for formen og medfører, at kvaliteten på de støbte emner forringes, fordi der dannes finner eller lignende. Den nedenfor viste formplade er fremstillet i et traditionelt hærdet formstål, som efterfølgende er blevet Kromox-behandlet (ionimplanteret med krom) ved luftafgangene omkring de 24 runde huller. Denne behandling øger kromindholdet i den yderste overflade til 25 - 30 %. Herved gøres stålet lokalt syrefast i overfladen uden at der ændres på mål eller andre egenskaber ved materialet eller formen.

Luftafgange i formplade korrosionsbeskyttet med Kromox

Kromox-behandling af sprøjtestøbeværktøjer, der er udsat for tærende gasser fra plasten, kan øge formenes levetid 3 til 10 gange eller mere. Herved kan sikres konstant produktkvalitet gennem lang tid og behovet for værktøjsrenoveringer mindskes markant. Behandlingen foretages udelukkende på de områder, der er udsat for korrosionsangreb, hvorfor behandlingstiderne kan være korte og prisen for behandlingen dermed relativt lav. Værktøjet ændrer ikke mål og form, da ionimplantering dels udføres ved lave temperaturer (typisk under 180 °C) og dels ikke fylder noget. Skulle renoveringer af værktøjet senere være påkrævet, vil

2015

Overfladebehandling af plastformværktøjer spiller en afgørende rolle for at opnå en konstant høj produktkvalitet kombineret med de lavest mulige produktionsomkostninger. Tribologicenterets overfladebehandlinger sikrer bl.a. sammen med materialevalget, at dine plastformværktøjer fungerer optimalt m.h.t. standtider, cyklustider, overfladefinish og funktionelle egenskaber.

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 1

VÆRD AT VIDE OM...

12 OVERFLADEBEHANDLING AF PLASTFORMVÆRKTØJER ionimplanteringen ikke besværliggøre dette. Hele kaviteter og kerner kan med fordel korrosionsbeskyttes med PVD-belægningerne CrN, CrNLT eller KorroNox.

I tilfælde af mild abrasion kan N-PLUS (ionimplantering) være en effektiv behandling og den kommer især i betragtning, når der er tale om meget små slidende partikler.

Rivning

Ved kraftigere abrasivt slid, vil TiAlN-TR eller TiAlN-LT-belægninger på hårde ståldele (over ca. 58 HRC) være den bedste løsning mod små og mellemstore slidpartikler, mens 10µm CrN eller CrN-SD er en bedre løsning ved større abrasive partikler.

Et af de mest udtalte problemer på værktøjer til sprøjtestøbning af plast er slid på de bevægelige dele, som f.eks. kerner og udstødere. Den gentagne bevægelse af dele i direkte metal-modmetal kontakt giver anledning til, at delene mikrosvejser og river mod hinanden ofte med store skader til følge. Disse problemer kan ofte afhjælpes ved at smøre med fedt eller olie, men smøremidler har en tendens til at vandre til de støbte emner, hvor det dels giver hygiejniske problemer og dels umuliggør senere dekoration ved tryk eller lakering.

Hvis grundmaterialet er blødere end ca. 58 HRC er den bedste løsning oftest en PVD-belægning med CrN, CrN-LT eller CrN-SD. Slipproblemer

Slip og friktion mod plastemnet er vanskelige problemer ved sprøjtestøbning. Plasttype, værktøjsmateriale, overfladestruktur, procesparametre eller endog farven på plasten kan være bestemmende for,

Den mest elegante løsning på dette problem er at overfladebelægge med den tørsmørende belægning DLC-TR. Denne lavfriktionsbelægning løser i næsten alle tilfælde rivningsproblemer på de bevægelige dele, specielt når produkternes renhed kræver, at der ikke smøres med traditionelle smøremidler. Abrasion

Kerne med CrN-SS (SuperSlip)

om plastmaterialet klæber til værktøjsoverfladen eller ej. Tribologicenteret har sat erfaringer og teori i system gennem parametermodeller og empiriske målinger af 2015

Mange plastmaterialer indeholder hårde partikler som f.eks. glasfibre og farvepigmenter, der forårsager mere eller mindre alvorligt abrasivt slid på alle de dele, de kommer i berøring med. Et korrekt valg af slidbestandig overfladebelægning kan mindske eller fjerne denne type slid.

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

12 OVERFLADEBEHANDLING AF PLASTFORMVÆRKTØJER bl.a. overfladeenergier og topografiske karakteristika, så vi har fundet en lang række løsninger til specifikke problemer. Det er en løbende aktivitet Fleksible lavtemperaturbelægninger ved Tribologicenåbner nye muligheder for bespareteret at udvikle nye selser på plasstformværktøjer modeller og overfladeløsninger, som kan reducere slip-problemer.

Overfladeløsninger til bløde materialer

Blandt hyppigt anvendte løsninger til slip kan nævnes TiAlN-TR, CrN-SD eller kombinationsbehandlingen CrN-SS, SuperSlip, hvor PVD belægningen efterfølges af en ionimplantering med kvælstof-ioner. CrN-SuperSlip forbedrer slipegenskaberne markant og kan ind imellem muliggøre støbeprocesser, der er umulige med traditionelle midler!

God varmeledning og gode slipegenskaber er derfor ikke længere ensbetydende med dårlige slidegenskaber.

PROBLEM

Kaviteter og kerner

PVD-belægning med CrN, CrN-LT eller CrN-SD

Mild abrasion

N-PLUS (ionimplantering med kvælstof)

Moderat og kraftig abrasion

Hårde slidstærke PVD-belægninger Selvsmørende DLC-TR eller IBAD-DLC belægninger giver lav friktion og forhindrer rivning, ofte også når der ikke kan smøres.

Kobber- og aluminiumlegeringer

Slidbeskyttes med CrN, CrN-LT eller CrN-SD

Uhærdede eller sejhærdede stål

Plasmanitreres eller PVD-belægges med CrN Overfladens affinitetsegenskaber ændres ved PVD-belægning eller ved kombineret PVD-belægning og ionimplantering, CrN-SuperSlip 2015

Slipproblemer og aflejringer

LØSNING

Luftafgange

Rivninger (adhæsivt slid) Slid på bløde materialer

Med CrN-LT er det samtidig muligt at fremstille prototypeforme og sprøjtestøbeforme til små og mellemstore serier i let bearbejdelige materialer. Efterfølgende kan man så uden problemer øge slidstyrken og sikre kvaliteten af de støbte emner.

Kromox-behandling (ionimplantering med krom), som omlegerer overfladen og giver meget høj lokal korrosionsbestandighed

Korrosion

Abrasion (Slid fra partikler)

Tribologicenteret har udviklet en række lavtemperaturprocesser (< 150 °C) specielt til temperaturfølsomme materialer, som f.eks. modningshærdet aluminium og kobberlegeringer samt til lavt anløbne stål. CrN er langt mere duktil (bøjelige/elastiske) end de øvrige hårde belægninger og de kan derfor anvendes på materialer med andre elastiske egenskaber og med hårdhed mindre end ca. 58 HRC. Dette bruges f.eks. til at øge slidstyrken på formdele af aluminiums- og kobberlegeringer.

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 3

VÆRD AT VIDE OM...

13 OVERFLADEBEHANDLING AF SNIT-, STANSE- OG FORMGIVNINGSVÆRKTØJER Effektiv og rentabel produktion af pladedele kræver meget af hele produktionskæden og ikke mindst det ypperste af værktøjerne. Det betyder, at det altid er nødvendigt at optimere værktøjerne til den aktuelle produktion, således at stoptid til renovering minimeres så der sikres ensartet og høj produktkvalitet gennem hele værktøjets levetid. Det er ikke altid nødvendigt at lave Rolls Royceværktøjer, men det er afgørende, at værktøjet fungerer problemfrit i den forventede levetid. Dette ligger dels i selve konstruktionen, men det er i denne forbindelse også nødvendigt både at foretage bevidste materialevalg samt at overveje behovet for overfladebehandling og i givet fald vælge den bedst mulige behandling til den forestående opgave. Typiske problemer

Der er en række standardproblemer i forbindelse med bearbejdning af plade. Ofte er det problemer, som er kædet tæt til samspillet mellem værktøjsoverflade og pladematerialet. Først er der abrasivt slid fra selve pladen, hårde

2015

Snitring til tyndplade, plasmanitreret og N-PLUS-behandlet Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo

VÆRD AT VIDE OM...

13 OVERFLADEBEHANDLING AF SNIT-, STANSE- OG FORMGIVNINGSVÆRKTØJER grater fra stansning og afklip samt fra snavs som

Rivninger på et klippeværktøj

følger med pladerne. (Se Værd at vide om… 08: Minimering af slid og friktion). Det abrasive slid medfører at skærekanter bliver sløve og at geometrien i øvrigt ændrer sig, fordi der fjernes materiale. Jo voldsommere denne effekt er, des hyppigere skal værktøjet genopslibes og jo kortere total levetid får det. Det abrasive slid angribes bedst ved at bruge så hårdt værktøjsmateriale som muligt under hensyn til sprødheden. Brug gerne et stål med højt indhold af fint fordelte karbider eller eventuelt hårdmetal. Løser dette ikke problemet kan man med fordel overfladebehandle både formgivnings- og stanseværktøjer med en hård PVD-belægning som f.eks. TiAlN-nano eller TiCN-22. Både stål- og hårdmetalværktøjer kan overfladebelægges med disse processer. Langt det hyppigst forekommende slidproblem på pladeværktøjer er dog at materialet klæber til værktøjet og eventuel giver rivninger på både emner og værktøj. Denne form for slid kaldes adhæsivt slid og den forhindres i mange tilfælde ved at smøre med et egnet smøremidel. (Se Værd at vide om… 09: Minimering af slid og friktion). Ofte er det dog ikke nok at smøre eller smøremidler er ikke acceptable i den givne situation. I disse tilfælde kan man med fordel bruge en af Tribologicenterets overfladebelægninger. Rivninger og påklæbning

Ved milde påklæbningsproblemer ses det undertiden

at man kan finde en løsning gennem materialevalget, idet højkarbidholdige stål og hårdmetal i visse tilfælde kan have en afvisende effekt. Et andet forhold som kan være afgørende ved problemer med påklæbning af metaller på værktøjerne er overfladeruheden. Jo finere overfladen er des vanskeligere har metalpartiklerne ved at starte påklæbningen. En slebet overflade er bedre end en drejet eller fræset overflade og en poleret overflade er normalt bedre end en slebet overflade. Har man svære påklæbningsproblemer er den bedste løsning som regel en kombination af et velegnet grundmateriale og en overfladebehandling. Her er det meget vigtigt at man vælger den rigtige overfladebehandling i forhold til det materiale, der skal formes eller stanses. Det skyldes at de forskellige materialer og overfladebehandlinger har forskellig affinitet til hinanden. Det betyder at ikke alle materialer er lige villige til at ”klæbe” til alle overflader, så ved at kombinere rigtigt kan man finde en overflade, der er passiv i forhold til det materiale der skal

Lukkeværktøjer til hvidblik belagt med TiN mod påklæbning af metallet tin.

bearbejdes. Lokkenål med påbklæbet aluminium (venstre). Til højre samme type lokkenål belagt med vores CrN belægning 2015

Klæbende metaller Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 2

VÆRD AT VIDE OM...

13 OVERFLADEBEHANDLING AF SNIT-, STANSE- OG FORMGIVNINGSVÆRKTØJER Et klassisk problem er bearbejdning af rustfri stålplade. Både austenitiske og feritiske rustfrie stål er meget hårde ved værktøjerne. Dels deformationshærder de kraftigere end almindelige stål og dels har de en udpræget tendens til at klæbe til værktøjerne, når den beskyttende hinde af kromoxid på overfladen nedbrydes under bearbejdningen.

for fremstillingsprocessen.

Til lokning og stans er det bedste valg af overfladebehandling normalt PVD-belægning med TiCN-22. Ved formning af tyndere rustfri plade er det også nogle gode løsninger. Ved trækoperationer i tykkere plade er der dog ofte ingen vej uden om en såkaldt højtemperatur CVD-belægning. Ulempen er dog her at værktøjerne skal omhærdes i forbindelse med overfladebelægningen, hvilket dels fordyrer behandlingen og dels sætter en grænse for hvor fine tolerancer man kan opnå.

Som det ses er der utroligt mange kombinationsmuligheder, når der både skal tages hensyn til værktøjsmateriale, overfladebelægning, plademateriale og eventuelt smøremiddel. Derfor stiller Tribologicenteret sig gerne til rådighed med vejledning og gode råd, hvis der er noget der driller.

Til de blødere og ofte meget klæbende metaller, som f.eks. aluminium, er det som hovedregel PVDbelægningen CrN-SD der løser påklæbningsproblemnerne.

I en række tilfælde kan man undgå oliesmøring ved at bruge overfladebelægninger. F.eks. kan man fint undvære olie ved træk i fortinnet hvidblik eller lakeret plade, når blot værktøjsoverfladerne er belagt med den selvsmørende IBAD-DLC-belægning. Oversigt

I tabellen på næste side er der dog en vejledende oversigt, som giver et godt fingerpeg om hvilke problemtyper der kan løses med hvilke overfladebehandlinger. Hvis værktøjerne er fremstillet af stål med en lav anløbningstemperatur, kan CrN-SD erstattes af CrNLT og TiAlN-nano erstattes af TiAlN-LT. IBADDLC fremstilles altid lav temperatur og den kan derfor lægges på alle materialer, hvis de geometrisk er egnede.

Til messing og andre kobberlegeringer giver CrNSD normalvis den bedste afvisning. Udover at de forskellige pladematerialer har varierende klæbningstendenser, komplicerer det yderligere sagen at pladerne kan være overfladebehandlede. Pladerne kan for eksempel være dekorerede med lak eller korosionsbekyttede med metallag som f.eks. tin, aluzink eller zink. Uden smøring

2015

I mange tilfælde vil man gerne undgå de smøremidler der bruges for at forhindre påklæbning og mindske slid på værktøjerne. Det skyldes som regel at smøremidlerne skal vaskes af produkterne igen efter bearbejdning, hvilket er fordyrende og forsinkende

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 3

VÆRD AT VIDE OM...

13 OVERFLADEBEHANDLING AF SNIT-, STANSE- OG FORMGIVNINGSVÆRKTØJER Tabel over egnede overfladebehandlinger til stansning og formgivning af metal

BEHANDLING

ANVENDELSE

FARVE

HÅRDHED

TEMPERATUR PROCES / ANVENDELSE

PROCESTYPE

TYKKELSE

OPBYGNING

FRIKTIONSKOEFFICIENT MOD STÅL

TiAlN-nano

Ekstremt slidstærk multilagsbelægning til stanseog formgivningsværktøjer, også til meget slidende materialer.

Blågrå

3300

450 / 800

PVD

TiAlN-TR

Hård og slidstærk allroundbelægning med høj oxidationsstabilitet. Også velegnet til varmformgivning.

Blågrå

3300

450 / 850

PVD

Enkeltlag

0,3

TiCN-22

Til formgivning af stål og rustfrit stål. Til stansning af stål og rustfrit stål.

Rødbrun

3000

450 / 600

PVD

Multilag

0,3

PlasmaCarboTiN

Slidstærk belægning som er særligt velegnet mod påklæbning af rustfrit stål og andre jernmetaller. Til komplicerede geometrier og huller.

Rødbrun

3000

500-520 / 350

PCVD

2-3

Enkeltlag

0,3

Plasma-TiN

Til komplicerede geometrier og huller. Især til klæbende bløde metaller som f.eks. messing.

Gylden

2000

500-520 / 450

PCVD

2-3

Enkeltlag

0,4

CrN

Til bløde grundmaterialer, f.eks. værktøjsstål under ca. 60 HRC. Mod klæbning af bløde metaller som kobber- og aluminiumlegeringer.

Sølvgrå

1800

450 / 700

PVD

3-5 max. 40

Enkeltlag/ multilag

0,5

CrN-LT

Som CrN, men specielt til temperaturfølsomme materialer, som f.eks. lavt anløbne stål.

Sølvgrå

1800

180* / 700

PVD

3-5 max. 40

Enkeltlag/ multilag

0,5

N-Plus

Slidreducerende overfladebehandling til f.eks. præcisionsstanseværktøjer og meget skarpe værktøjer.

Usynlig

<180 / 350

Dybde 0,3

Omlegeret

0,4 - 0,6

IBAD-DLC

Tørsmørende belægning som i visse tilfælde kan eliminere smøremidler ved formning af tyndplade. Specielt til præcisionsformværktøjer.

Sort

1300

<50 / 350

PVD + II

Enkeltlag

0,05 - 0,1

Nanokomposit

0,3

2015

Tribologicenter - Kongsvang Allé 29 - 8000 Århus C - Tel. 72 20 15 99 - tribo@teknologisk.dk - www.teknologisk.dk/tribo 4

FU 04/14 - 2

Al2O3 COATINGS

BINDING LAYER Alumina coatings can be supplied with and without a binding layer on electrically conducting substrates as well as on insulating substrates.

Fig. 2: XRD patterns of high temperature (blue) and low temperature (red) Al2O3 / TiAlN coatings

Tribology Centre Kongsvang AllĂŠ 29 DK-8000 Aarhus C Phone +45 72 20 15 99 tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

190214

APPLICATIONS Al2O3 coatings are well suited as electrical insulators â&#x20AC;&#x201C; especially in applications where electric insulation is needed in a sliding configuration. Other application areas could be sealing faces moved relative to each other or in connection with valve seats. Alumina coatings are also known to have non-stick properties towards various liquids and melted metals due to hydrophobic surface properties.

FU 02/13 - 1

CGO COATINGS

CGO barrier layer for fuel cell applications

Introduction Gd2O3-doped CeO2, abbreviated CGO, is an electrically insulating ceramic coating with high oxygen ion conductivity. A combination of these properties make a CGO coating well-suited as ion conducting electrolyte barriers in solid oxide fuel cells (SOFC) or oxygen separating membranes for gas purification. Novel SOFCs are typically based on an yttria-stabilized zirconia (YSZ) electrolytes and a lanthanum strontium cobaltite (LSC) or lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF) cathode. Strontium from the cathode reacts readily with zirconium in YSZ forming strontium zirconate (SrZrO3) which is a poor ion conductor. To prevent this reaction a barrier layer is applied between the YSZ electrolyte and the cathode. CGO is excellent for this purpose as it effectively stops strontium (Sr) diffusion. The present CGO coating is well characterized and reproducibly deposited by a reactive physical vapour deposition (PVD) process. The CGO thin films can be deposited on both metallic and ceramic SOFC components and oxygen separation membranes. Depending on the substrate morphology the thickness of the applied CGO film is typically between 0.5 - 3 Âľm.

Applications CGO is known to effectively prevent the formation of strontium zirconates (SrZrO3) in the electrolyte/ cathode interface which otherwise cause severe deactivation of Sr/Zr-based SOFCs. Moreover, the ionic conductance of CGO is one to two orders of magnitude better than for YSZ. By PVD a thin and dense CGO coating can be deposited. Significant improvement of cell performance has been observed by applying the CGO coating technology developed at the Tribology Centre, Danish Technological Institute [1].

Figure 1: Scanning electron micrograph and energy-dispersive X-ray (EDS) linescan across the CGO barrier obtained after fuel cell operation. EDS show the chemical composition across the barrier. Note the top red line shows the Sr content to be high in the LSC cathode but the CGO barrier successfully blocks Sr diffusion to the Sc-doped YSZ electrolyte.

Tribology Centre

Bjarke Holl Christensen, email: bhc@dti.dk, tel.: +45 7220 2082

FU 01/12 - 2

CGO COATINGS - PROPERTIES CGO Sample sizes

Typically 13×13 cm2 but up to 21×40 cm2

Deposition temperature

400 °C

Composition

Ce0.9Gd0.1O2−δ

Thickness

From 0.5 - 3 µm depending on application and substrate

Crystal structure

Highly crystalline, cubic structure

Performance

Area specific resistance (ASR) of SOFC with CGO barrier measured at 650°C: 0.27 Ωcm2 ASR of similar system without barrier: 0.56 Ωcm2 [1]

Application temperature

Typically below 1000 °C as a barrier between YSZ and LSC

Table 1: Overview of characteristic performance parameters. [1] J. of Power Sources 196 (2011) 9459–9466.

Figure 3: Scanning electron micrograph showing a SOFC cross section. The micrograph shows the deposited CGO film sandwiched between an YSZ electrolyte and a cathode. The CGO barrier is dense and defect free and effectively prevents strontium from the cathode from reacting with zirconium in the electrolyte.

Tribology Centre Kongsvang Allé 29 DK-8000 Aarhus C Phone +45 72 20 15 99 tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

110113

Figure 2: X-ray diffractograms of CGO coatings deposited on Si(001) (red curve) and YSZ electrolyte (blue curve). The diffractograms shows the films are crystalline and cubic. When depositing on YSZ the film is randomly orientated just as the substrate.

FU 05/17 - 1

COATING INSIDE TUBES

Thin film deposition inside tubes for high-end applications

INTRODUCTION

APPLICATIONS

The Tribology Centre at Danish Technological Institute has set up a PVD coating facility capable of coating thin films on the inside of both conducting and nonconducting tubes. The thin film is deposited by magnetron sputtering by moving a sputtering cathode and anode inside the tube.

So far, ceramic Al2O3 tubes for storage ring/accelerator facilities have been coated with titanium on the inner wall to achieve a target specification of the flange-to-flange electrical resistance of 5.3 ÎŠ at a deposition temperature of 150 oC. Figure 1 shows the Al2O3-tube mounted in the tube-coater whereas Figure 2 shows the tube after the titanium layer has been deposited.

The coating facility can handle tubes with a length up to one meter and dimensions down to 22 x 40 mm2. Titanium coatings are readily available, but other metals can be deposited on request.

The present tube is for an injection kicker magnet for the Synchrotron-Light source for Experimental Science and Applications (SESAME) in Jordan. Figure 2: Ceramic Al2O3 tube after coating the inside with titanium. The tube has been coated by titanium until the flange-toflange electrical resistance has reached 5.3 ÎŠ at 150 oC. The tube is for an injection kicker magnet for the SESAME synchrotron.

Figure 1: 40 cm long Al2O3 ceramic tube during inside coating by titanium at 150 oC. The ceramic tube is wrapped in aluminium foil to obtain a homogenous surface temperature.

Tribology Centre

Bjarke Holl Christensen, email: bhc@dti.dk, tel.: +45 7220 2082

FU 05/17 - 2

COATING INSIDE TUBES - PROPERTIES Thin film coating Inner tube dimensions (L x W x H)

<1000 mm x (20-200 mm) x (44-200 mm)

Deposition temperature

Ambient temperature to 180 °C

Base pressure

~10-7 mbar or ~10-5 Pa

Flange to flange resistance

~2 Ω to 100 Ω, depending on geometry

Figure 3: The actual titanium thickness meeting the specifications of a tube flange-to-flange resistance of 5.3 Ω depends critically on the actual surface roughness of the tube. Thus, the titanium thickness is gradually increased by moving the sputtering source back and forth during deposition until meeting the specifications.

Tribology Centre Kongsvang Allé 29 DK-8000 Aarhus C Phone +45 72 20 15 99 tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

FU 01/12 - 1

TiO2 COATINGS

Titanium oxide or titania (TiO2), in the form of nanocrystalline thin films and coatings, has within recent years found a wide range of potential applications due to its interesting physical and chemical properties.

Introduction TiO2 forming the anatase crystal structure is known for its photocatalytic property upon UV light exposure and it is

Cross section of an

therefore capable of forming OH radicals and super oxides

anatase TiO2 coating

on the surface. Due to these properties TiO2 is suitable for

seen with a scan-

applications in self-cleaning and antibacterial coatings for

ning electron micro-

industrial products.

scope. The coating

thickness is about

The Tribology Centre is able to deposit TiO2 thin film

1 µm.

coatings either as rutile TiO2 or anatase TiO2 or a mixture hereof. The coating can be deposited on basically all types of substrate materials such as stainless steel, glass, copper, aluminium, silicon and different polymer-based substrates (e.g. PC, PMMA, etc.). In the case of polymer substrates, it might be necessary to deposit a barrier layer between the photocatalytic coating and the underlying organic substrate to avoid degradation hereof. Substrate size is limited to a dimension corresponding to a cylinder with Ø400 mm and height 400 mm.

Applications Photocatalytic PVD TiO2 coatings are well suited as protective coatings in applications where additional benefits can be obtained through self-cleaning, anti-bacterial effects upon UV light exposure either from the sun or through exposure to artificial UV light. This could for instance be in connection with medical applications where surfaces are UV-sterilized, outdoor lamps, signs, water or air cleaning units, cleaning units based on ozone (O3) or other clean-tech applications.

The image shows TiO2 coatings with different thicknesses

on steel substrates. The different colours are due to interference effects caused by the different coating thicknesses.

Tribology Centre

Klaus Pagh Almtoft, email: kpa@dti.dk, tel.: +45 7220 1589

FU 01/12 - 2

TIO2 COATINGS - PROPERTIES

Photocatalytic activity can be measured by photocatalytic conversion of acetone to water and CO2. By measuring the increase in CO2 concentration, it is possible to evaluate the efficiency of degrading acetone and thereby the photocatalytic activity. The figure illustrates that 2 µm PVD TiO2 is more active than 1 µm PVD TiO2, which is more active than Pilkington ActivTM. Tribology Centre Kongsvang Allé 29 DK-8000 Aarhus C Phone +45 72 20 15 99 tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo

090713

X-ray diffractograms from 1 µm TiO2 coatings deposited on stainless steel substrate. The diffractograms reveal coatings consisting of the crystal phases anatase (buttom), anatase + rutile mixture (middle) and rutile (top), respectively.

FU 03/15 - 1

TOXICITY TESTED COATINGS

Toxicity tested coatings: CrN, DLC-TR and graphite-TR coatings Conclusion: Non-toxic

Whenever materials and coatings come into contact with

The test was designed to com-

cells and living tissue, it is important to quantify the cyto-

ply with the methods described

toxicity of the material. This is especially essential when

in the ISO 10993-5 standard

materials and coatings are used in connection with produc-

for Elution tests and the United

tion of medical devices, medical accessories, implants, etc.,

States Pharmacopeia: <87>

but also of high importance when the coatings are used in

Biological Reactivity Tests, In

components and devices directly in contact with food or

vitro (Elution Test), with the

during food processing.

exception that triplicate cultures were used for each test. The extract of the test item

The cytotoxicity of several of the commercially available

was prepared in compliance with Part 12 of the ISO 10993

coatings from the Tribology Centre has been tested accor-

standard. The requirement for determining the cytotoxicity

ding to ISO 10993-5 in compliance with the OECD Principle

of a medical device was followed as addressed in Part 1 of

of Good Laboratory Practice. The toxicity was quantified

the ISO 10993 standard.

using mammalian L929 mouse fibroblast cells.

RESULT Grade Coating type

Undiluted extraction

Diluted extraction

Conclusion

Diamond-like carbon, DLC-TR

Non-toxic

Graphite-TR

Non-toxic

Chromium nitride

Non-toxic

Table 1: Toxicity grade based on undiluted and diluted (1 part extract + 3 parts fresh cell culture) extractions obtained when being in contact with 6 cm2 coating per mL extraction medium (HAM F12 with 10% foetal bovine serum and 50 Âľm/mL gentamycin).

Tribology Centre

Klaus Pagh Almtoft - kpa@dti.dk, tel.: +45 7220 1589

FU 03/15 - 2

TOXICITY TESTED COATINGS

The toxicity grade is quantified according to Table 2 below:

Toxicity grade

Reactivity

Cell response

None

Discrete intracytoplasmic granules; no cell lysis

Slight

Not more than 20% of the cells are round, loosely attached, and without intracytoplasmic granules; occasional lysed cells are present

Mild

Not more than 50% of the cells are round and devoid of intracytoplasmic granules; no extensive cell lysis and empty areas between cells

Moderate

Severe

Not more than 70% of the cell layers contain rounded cells or are lysed Nearly complete destruction of the cell layers

Table 2: The test is passed if the cytotoxicity grade is 2 or less.

CONCLUSION Based on the requirements of ISO 10993-5 it can be concluded that the coatings DLC-TR, Graphite-TR and CrN are non-toxic and clearly fulfill the requirements of having cytotoxicity grades less than 2.

Tribology Centre Kongsvang AllĂŠ 29 DK-8000 Aarhus C Phone +45 72 20 15 99 tribo@teknologisk.dk www.teknologisk.dk/tribo