PVD a PACVD povlakování

Skupina H.E.F. Groupe vznikla v roce 1953 z institutu pro tribologické zkoušky a výzkum různorodých tribologických systémů. V současné době má přes 1200 zaměstnanců, kteří pracují ve více než 40 podnicích skupiny H.E.F. Groupe a specializuje se v oblasti povrchového inženýrství.

Díky výzkumnému a vývojovému centru vyvinula řadu technologií, procesů, povlaků a druhů povrchových úprav, které jsou schopny poskytnout řešení pro většinu problémů spojených s třením, korozí a otěrem v automobilovém průmyslu, leteckém průmyslu, stavebnictví a během transformace materiálu (lisování, vytlačování, hluboké tažení, atd.).

V 80. letech dvacátého století se H.E.F. zapojila do vývoje povlaků a od té doby vyvíjí a ve svých povlakovacích centrech nabízí povlaky na bázi PVD a PACVD. Jedinečná technika magnetronového naprašování s nezávislým řízeným iontového toku a iontové energie, která byla patentována pod značkou PEMS® (Plasma Enhaced Magnetron Sputtering), vytváří kompaktní tenké vrstvy při nízké teplotě (150 - 300 °C) s vynikající adhezí a vysokou hustotou molekul ve vrstvě na většině substrátů.

Pod obchodní značkou CERTESS se tak nachází většina dnes již běžných povlaků na bázi TiN, TiCN, TiAlN, TiAlCN, CrN, ale i povlaky ne tak rozšířené na bázi TiBN, CrXnY (s možností libovolného nastavení poměru X:Y) a DLC (s možností nastavení libovolného poměru obsahu uhlíku ve formě grafitu a ve formě diamantu). Celkový přehled povlaků a jejich základních charakteristik naleznete zde.

Na posledně jmenované speciální povlaky bychom se zde chtěli více zaměřit. Jejich použití nalezneme v oblasti lisování a lití.

Mechanismy a problémy spojené s lisováním a litím

Při vstřikování plastů, tlakovém lití hliníku a jeho slitin nebo tváření hliníku a jeho slitin se setkáváme s řadou společných problémů:
· zadírání a koroze třením některých pohyblivých součástí forem (vyhazovače, pohyblivé čepy, tažné části, vodící lišty, atd.)
· únava, abrazivní otěr (např.: díky skleněným vláknům), koroze (např.: díky rozkladu nebo kondenzaci chloridových polymerů), dieselový efekt (díky kombinaci tepla a tlaku působící v plynu v uzavřených oblastech).

Kromě uvedených aspektů, které snižují životnost forem zmiňme ještě další dva kritické parametry:
· plnící rychlost formy je ve většině případů nepřímo úměrná ke koeficientu tření materiálu (plastu, hliníku) na povrchu formy. To přímo ovlivňuje délku lisovacího/licího cyklu a tím i náklady na jeden cyklus.
· velmi důležitým a známým jevem je interakce mezi povrchem formy a tvářeným materiálem. Tato interakce, která často vede k přilepování materiálu na formu, se vyskytuje kromě plastů i u tlakového lití hliníku či tváření pryžových dílců. V odborné literatuře se pro tento jev zavedl pojem „sticking“. Bez ohledu na tvářený materiál se musí díky tomuto jevu často forma čistit agresivními chemikáliemi nebo mechanicky, popřípadě kombinací obou způsobů.

Důvodem pro povrchovou úpravu forem je proto vytvoření takové povrchové vrstvy, která bude co možná nejvíce inertní k tvářenému materiálu, bude mít vysokou otěruvzdornost a nízký koeficient tření. Kromě toho musí vzhledem k výše pospanému efektu přilepování splňovat dvě podmínky:
· povrchová vrstva by neměla reagovat s čistícím chemickým médiem
· povrchová vrstva by měla mít vysokou tvrdost, aby byla odolná vůči mechanickému čištění (pískování, otryskávání, atd.)

Použití povrchových úprav

Z již zmíněného je patrné, že povrchová vrstva by měla řešit problémy s otěrem a přilepováním tak, aby bylo plnění formy kvalitnější a vysazení dílce z formy snazší, krátce řečeno: aby se zvýšila kvalita a snížily se náklady na výrobu dílce.

Ačkoliv nitridace, elektrolytické pokovování chrómem nebo niklem je stále široce rozšířené, povlaky na bázi PVD a PACVD jsou stále více a více s úspěchem používány. Klíčem k jejich úspěchu je velmi vysoká tvrdost, velmi vysoká chemická netečnost a schopnost nemodifikovat počáteční drsnost povlakovaného povrchu.

Příklady

Vstřikování polymerů

V tomto příkladě se jedná o výrobu PE víček pro lékařské použití. Původním řešením byla forma z materiálu 34NiCrMo16 s vnitřním chlazením vodou. Protože docházelo k častému přilepování a výskytu dieselového efektu, bylo nutné sadu čistit (broušení+leštění) v intervalu milion cyklů. To odpovídalo průměrn délce cyklu 17 vteřin.
Kompletní sada byla povlakována vrstvou CERTESS X o síle 3 μm a současně byl nahrazen materiál formy slitinou Cu-Be. Tím bylo možné eliminovat vnitřní chlazení vodou.

Toto řešení potlačilo výskyt dieselového jevu a přilepování bylo významně zredukováno. Čištění bylo prováděno v intervalu 6 milionu cyklů. Kromě toho se díky velmi slabé reakci mezi plastem a povrchem formy snížila délka cyklu ze 17 na 10 vteřin.

V druhé příkladě se jedná o vstřikování PE lžiček. Forma byla vyrobena z materiálu X38CrMoV 5-1. Problémem bylo špatné plnění dutin a přilepování na formu.

Pro zlepšení plnící rychlosti byla forma povlakována vrstvou CERTESS DLC o síle 1 μm. Výsledkem bylo snížení doby cyklu o 30%. Došlo ke snížení tření mezi plastem a formou, snadnějšímu plnění formy a snížení potřebné výtlačné síly. Kromě toho bylo zmenšit hloubku popisovacích rytin pro jejich lepší čitelnost.

To vše samozřejmě vedlo v důsledku ke snížení nákladů.

Vstřikování elastomerů

Tento příklad ukazuje srovnání mezi povlakem tvrdého chrómu a povlakem CERTESS na bázi Cr. Jedná se o výrobu O kroužků z pryže.

Při původní povrchové úpravě bylo nutné čistit formu (kartáčování, popřípadě čistící roztok) v intervalu 20 000 cyklů a to díky významnému výskytu připlepování materiálu na formu.

Aby bylo možné tento interval zvýšit, byl tvrdochrom nahrazen vrstvou CERTESS o síle 4 μm.

Výsledek hovoří sám za sebe: interval čištění formy se zvýšil na 100 000 cyklů.

Vysokotlaké lití hliníku

Nyní ukážeme příklad výroby odlitků pomocí vysokotlakého lití z hliníku, kde jsou často součástí forem čepy určené k vytvoření otvoru (slepého, otevřeného) do stěny odlitku.

V tomto případě se jedná o Al-Si slitinu, licí teplota je 750 °C, materiál formy je opět vysoce legovaná Ni-Cr-Mo ocel. Hlavním problémem bylo přilepování hliníku na čepy při vyhazování formy.

Čepy byly povlakovány vrstvou CERTESS SD o síle 3 μm. Tento povlak poskytuje velmi vysokou teplotní odolnost, abrazivní odolnost a nízkou schopnost k přilepování.

Výsledkem bylo zvýšení intervalu výměny čepu z 15 000 cyklů na 100 000 cyklů.

Tažení dílců z Al slitin

Hlavním problémem, s kterým nás zákazník oslovil, bylo přilepování a zadírání materiálu během tváření na formu, což vedlo k tvorbě trhlin na tvářeném dílci. Důvodem jsou velmi špatné třecí vlastnosti slitiny, v tomto případě Al-Mg slitiny.

Původní řešení úpravy povrchu vyžadovalo broušení/leštění nástroje (razidlo a forma) v intervalu 10 000 cyklů. Díky povlakování vrstvou CERTESS DLC se interval zvýšil na 60 000 cyklů.

Tento výsledek byl dán velmi nízkým koeficientem tření povlaku DLC, vynikající odolnosti proti přilepování a velmi vysokou odolností proti otěru, díky vysoké tvrdosti povlaku.

Shrnutí

Uvedené příklady názorně ukázaly přednosti povlaků CERTESS aplikované na formy a nástroje pro vstřikování, lití a tváření plastů, gumy a hliníku:
· snadnější naplnění forem
· snížení intervalů čištění forem a tím
· snížení počtu odstávek stroje
· zlepšení kvality povrchu tvářeného dílce/odlitku

Posledním praktickým příkladem budiž povlakování forem z hliníku na výrobu plastů. Použití hliníkových forem na výrobu plastů je stále rozšířenější. V tomto případě budou muset procesy povrchových úprav splnit požadavek na nízkou teplotu, která by neměla překročit 150 - 200 °C, kdy dochází ke změnám mechanických vlastností forem.
Jako slibné se ukazují právě PVD povlaky CERTESS X a CERTESS DLC, nanášené technikou PEMS® při nízkých teplotách. Některé aplikace jsou již v praktickém použití.