Vakuumbaseret overfladebehandling



OVERFLADEBEHANDLING.
Det er vigtigt at stille den rigtige “sliddiagnose” før man kan lave den bedste slidbeskyttelse af en maskindel eller et værktøj. I denne artikel beskrives en række løsninger, som har vist deres duelighed i industrielle applikationer.



Når slidproblemet er fastlagt kan de nyere vakuumbaserede overfladebehandlingsteknikker ofte være særdeles velegnede til at påføre slidstærke lag. Ud over slidstyrke kan disse belægninger også have andre specielle tribologiske egenskaber, som f.eks. lav friktion. Belægninger påføres med teknikkerne PVD-belægning og plasma CVD-belægning (PCVD).
Foruden belægninger som ligger oven på den oprindelige overflade, er det også muligt at lave ændringer ind i overfladen således at den bliver mere korrosionsbestandig, mere slidbestandig eller mindre tilbøjelig til at rive. Omlegering af den oprindelige overflade sker med processerne ionimplantering og plasmanitrering.

Ikke kun til spåntagning
Teknikkerne har været benyttet i en årrække, først især til spåntagende værktøjer, siden i stadigt stigende omfang på værktøjer til både massiv formgivning og pulverpresning af metaller samt til sprøjtestøbning og ekstrudering af plast. Som noget af det nyeste anvendes disse overfladebehandlinger også i stigende grad på maskinkomponenter og sliddele. Dette hænger bl.a. sammen med, at teknikkerne ikke længere er så fokuserede på værktøjsbranchen, og at de stigende krav til maskinkomponenterne betyder, at der kan ofres lidt ekstra på den enkelte del, mod til gengæld at få væsentligt forøget levetid eller at kunne gennemføre ting som ellers ikke kunne lade sig gøre.
Denne tendens giver sig også udslag i en stadig større bevidsthed om kvaliteten af de grundmaterialer der anvendes til maskinkomponenter. Ofte kan egentlige værktøjsstål med fordel anvendes til kritiske elementer på trods af deres højere pris. Dette skyldes at slidstyrken kan være væsentligt bedre end for traditionelle maskinstål. En anden grund er at disse ståltyper ofte med fordel kan kombineres med de slidstærke overfladebehandlinger, med en betragtelig forbedring af slidstyrken som resultat.

Plasma CVD-belægning (PCVD)
PCVD er en helt ny lavtemperaturvariant af en teknik, som har været brugt i ca. 30 år, nemlig termisk CVD-belægning. Ved traditionel termisk CVD sker der en udfældning af et lag på en overflade fra en kemisk aktiv dampfase. Dette foregår typisk ved temperaturer mellem 1000°C og 1100°C. Det nye ved plasma CVD-processen er, at man kan få udfældningen af det hårde lag på en ståloverflade til at ske allerede ved temperaturer fra ca. 500°C, fordi gasblandingen under vakuum udsættes for et elektrisk felt. Det betyder, at stål kan belægges uden at der sker faseændringer med deraf følgende deformationer. Det betyder også, at der er mange hyppigt anvendte stål som kan hærdes og overfladebelægges uden at hærdningen tager skade. Med denne teknik kan man bl.a. danne belægninger af TiN (titannitrid) og TiCN (titankarbonitrid), som er glimrende tribologiske belægninger på glidende og roterende maskindele til at reducere friktion og rivningstendens samt til at forøge den abrasive slidbestandighed. Behandlingen har forholdsv
is god indtrængning i huller og lignende og er derfor god til komplicerede dele. De to nævnte belægningstyper påføres typisk i lagtykkelser på 2-5 µm og har hårdheder på henholdsvis ca. 2200HV og på ca. 3000HV.

PVD-belægning
PVD-belægning adskiller sig på flere måder fra plasma CVD-teknikken. Dannelsen af det hårde lag sker ved en proces man kan kalde en fysisk fordampningsproces, hvor mindst ét af de stoffer, der skal til for at danne belægningen, bringes ind i et vakuumkammer i fast form, f.eks. som en plade af metallet titan (Ti). På grund af dette og fordi PVD-belægning sker ved et væsentligt lavere tryk end plasma CVD er PVD-processen det, man kalder en sigtelinieproces. Herved forstås at de partikler der fordampes bevæger sig i rette linier fra fordampningskilden, til de rammer en overflade, hvor de kan udfældes. Dette betyder, at der ikke kommer belægning rundt om hjørner og på bagsiden, medmindre man bevæger emnet. Det er derfor meget vigtigt ved PVD-belægning, at emnerne hele tiden bevæges i forhold til fordampningskilden, for at man kan få en ensartet belægning. Da partiklerne helst skal ramme overfladen i en vinkel, som er mellem 45° og 90°, kan man heller ikke belægge længere ned i huller end ca. lysningsdiameteren (se fig. 1).

 



Figur 1: Model af en sigtelinieproces, hvor der kommer behandling med fuld tykkelse lysningsdiameteren ned i et hul.


Procestemperaturen afhænger af hvilken type proces der benyttes. Tribologicenteret benytter sig af en proces, som kaldes magnetron sputter-teknikken. Behandlingstemperaturerne ved denne procestype er under 200°C, 350°C eller 450°C, afhængig af, hvad det grundmateriale der skal belægges, kan tåle. Til brug på komponenter og sliddele er det oftest PVD-belægninger af typerne CrN (kromnitrid) og TiAlN (titanaluminiumnitrid) der benyttes. CrN er en hård, slidstærk og samtidig forholdsvis duktil (sej) belægningstype, som påføres i lagtykkelser på 5-20 µm. Den kan i mange tilfælde bruges som alternativ til traditionel hårdforkromning og fornikling. CrN har en hårdhed på ca. 1800HV, mens hårdkrom er ca. 900HV. Herudover udfældes CrN jævnt på de tilgængelige flader, hvilket betyder, at der ikke kommer skæg på kanter og en forøgelse af ruheden, som skal efterbearbejdes ved slibning. TiAlN er endnu mere slidstærk og rivningsresistent end CrN, men stiller til gengæld større krav til hårdheden af det grundmateriale, som s
kal belægges for at få den fornødne understøtning. TiAlN benyttes oftest i lagtykkelser på 2-3 µm.

 
Dyser der er belagt med PlasmaCVD TiN

PVD-belagte brændejern til ispinde


Ionimplantering
Ionimplantering er i modsætning til PVD og PCVD ikke en belægningsproces. Derimod er ionimplantering en metode til at omlegere overfladen ved at tvinge fremmede stoffer ind i overfladen på et emne. Med hastigheder på op til ca. 1500 km pr. sekund skydes fremmede partikler (ioner) ind i den overflade, der skal behandles. De accelererede ioner har form som en stråle, og med denne stråle kan man “bestryge” den overflade, der skal behandles. Da ionerne kommer i en stråle, som helst skal ramme overfladen med en vinkel på mellem 45° og 90° er ionimplantering en sigtelinieproces (se fig. 1) På grund af ionernes høje energi er det med denne metode muligt at lave overfladelegeringer eller komponere overfladeegenskaber, som det ikke kan lade sig gøre at lave ved traditionel overfladebehandling som f.eks. gasnitrering. Ved ionimplantering af stålkomponenter benyttes oftest ioner af kvælstof (N) eller krom (Cr), men der kan opnås specielle egenskaber med en række andre stoffer. Dybden af det behandlede lag er typisk op
til ca. 0,5 µm, og behandlingen foregår normalt ved temperaturer på under 200°C. Ionimplantering er fuldstændig målfast og benyttes derfor ofte på præcisionsemner.
Kvælstofimplantering (N) bruges mod mildt abrasivt og adhæsivt slid på følsomme dele, mens ionimplantering med krom (Cr) bruges til lokal korrosionsbeskyttelse, idet man kan oplegere ståloverfladen, så den får op til 25% Cr i den yderste overflade, hvilket gør den korrosionsbestandig, hvor den er behandlet. Endelig kan man med en variant af ionimplanteringsteknikken (IBAD) lave belægning med DLC (DiamantLignende kulstof (C)). Denne belægningstype er delvis selvsmørende og kan f.eks. benyttes til bevægelige maskinkomponenter, hvor man har behov for meget lav friktion, men ikke har mulighed for særlig god smøring. Friktionskoefficienten mod stål er ca. 0,1. Lagets tykkelse er ca. 1 µm, og det har en hårdhed på ca. 1800HV.

Plasmanitrering
Plasmanitrering er en moderne vakuumbaseret variant af den traditionelle gasnitrering. Ved almindelig gasnitrering spalter man som regel ammoniak på en ståloverflade, der er varmet op til 500°C - 580°C. Ammoniak har den kemiske sammensætning NH3, hvilket betyder, at et ammoniakmolekyle består af et kvælstofatom (N) og tre brintatomer (H). Når man spalter ammoniak, har man altså altid en gasblanding, der består af 1 del kvælstof og 3 dele brint. De høje temperaturer gør, at den frigjorte kvælstof diffunderer ind i ståloverfladen, den såkaldte diffusionszone. Hermed sker der en kraftig forøgelse af overfladens hårdhed, dels fordi der bliver optaget kvælstof i stålet, og dels fordi der bliver udskilt hårde metal-kvælstofforbindelser (nitrider).
Ved plasmanitrering bruger man i stedet for ammoniak en gasblanding af kvælstof (N2), brint (H2) og ved den såkaldte plasmanitrokarborering også methan (CH4). Man kan derfor blande procesgassen efter behov. I stedet for at spalte ammoniak på den varme ståloverflade, aktiveres gasblandingen ved hjælp af et elektrisk felt, på samme måde som ved plasma CVD. Denne metode betyder, at man kan skræddersy gasblandingen til alle ståltyper, også f.eks. korrosionsfaste stål, som normalt ikke kan gasnitreres. Plasmanitrering giver endvidere mulighed for at man kan sænke behandlingstiden og -temperaturen. Som noget af det vigtigste kan man minimere eller undgå dannelse af det sprøde “hvide lag”, som altid dannes ved en gasnitrering.
De hårdheder og dybder man kan opnå er meget afhængige af hvilke stål der behandles. Som en slags tommelfingerregel kan man sige, at jo højere et stål er legeret, jo hårdere bliver det i overfladen. Til gengæld er den maksimalt opnåelige nitrerdybde som hovedregel aftagende med stigende legeringsindhold. På de højtlegerede værktøjs- og nitrerstål kommer hårdheden i den yderste del af diffusionszonen op på 1200-1400HV, mens ulegerede konstruktionsstål kun får hårdheder på 400-500HV. Afhængig af ståltype og behandlingstid vil nitrerdybden være fra 0,05 mm til 0,7 mm.

* Uhærdet stål har en hårdhed på ca. 200-300HV, mens hærdet stål typisk kan være 400-800HV

** Afhænger af grundmaterialet

Duplex-behandling
Fælles for de hårdeste af de omtalte overfladebelægninger er at de kræver en vis hårdhed af grundmaterialet for at blive understøttet tilstrækkeligt. Hvis denne hårdhed ikke er til stede, vil effekten være som en vinduesrude der ligger på en madras; hvis der er én der sætter sig på den, vil den knække. Lægger man derimod ruden på et plant bord eller gulv, er der ikke noget i vejen for at sidde på den. For at opnå den nødvendige hårdhed under f.eks. en PVD- eller plasma CVD-belægning bruger man ofte at plasmanitrere først. Det er denne kombination, der ofte benævnes duplex-behandling.
I tabel 1 ses en kortfattet oversigt over nogle af de karakteristiske egenskaber af de omtalte overfladebehandlinger. I den sidste artikel i denne lille serie vil der blive fokuseret på valg af overfladebehandling. Som det fremgår af denne og den foregående artikel er der mange muligheder, og det er afgørende for resultatet at der vælges den rigtige behandling i forhold til det tribologiske problem der er konstateret eller forventet.