Prof. dr. sc. Božidar Matijević 23. travnja 2014.

Fakultet strojarstva i brodogradnje

ISKUSTVA U PRIMJENI PA CVD TEHNOLOGIJE U PRAKSI

Surface Engineering

“Surface engineering is the design of surface and substrate

together as a system to give a cost effective performance of which

neither is capable on its own.”

D.A.Melford [1991]

UVOD

Postupci modificiranja

(cementiranje, nitriranje,

boriranje, površinsko kaljenje,...)

Postupci prevlačenja (npr. PVD,

CVD, PACVD), ...

CVD (Chemical Vapour Deposition) postupci 800 1000 °C PVD (Physical Vapour Deposition) postupci

200 500 °C MTCVD (Medium Temperature CVD) 700 900 °C PA CVD (Plasma Assisted CVD) 480 580 °C

-Č

elic

i (n

ako

n k

alje

nja

i

po

pu

štan

ja)

-Tv

rdi m

etal

Spojevi

-Č

elic

i (n

ako

n k

alje

nja

i

po

pu

štan

ja)

-Tv

rdi m

etal

Neoksidna keramika

- karbidi: TiC, B4C, SiC, …

- nitridi: TiN, TiAlN, CrN, …

- karbonitridi: TiCN, TiAlCN, …

Oksidna keramika - oksidi: Al2O3, TiO2, ZrO2, …

Metaloorganski spojevi - Me:CH (W97C3,...

Dijamantu slični ugljik - DLC (Diamond like Carbide)

Svojstva: visoka tvrdoća, visoka otpornost trošenju (abraziji, adheziji, tribokoroziji) otpornost koroziji, dekorativni izgleg

POSTUPCI PREVLAČENJA ČELIKA

BROJ SLOJEVA: - jedan sloj, više slojeva, gradijentni slojevi

VRSTE SLOJEVA: - homogeni, npr. TiC, TiN, Ti(C,N) mješanac

- heterogeni, npr. B4C + Al2O3 (istovremeno dvije faze!)

10 m

Osnova

TiCN

Al2O3

TiN

Nano slojna prevlaka (2 m)

(32 sloja po 90 nm)

NANOKOMPOZITNI SLOJEVI:

(nanokristalna zrna (AlTiN, AlCrN,...) usađena u

amorfnu matricu (Si3N4)): HV, OVT, OT

Jedno slojna, glatka i kompaktna prevlaka

TVRDI TANKI SLOJEVI ZA STROJNE DIJELOVE I ALATE U CILJU POVEĆAVANJA OTPORNOSTI TROŠENJA

Stabilni spojevi; najčešće kubična rešetka B1 tipa NaCl (karbidi, nitridi...)

TiCl4 + CH4 TiC + 4HCl (TiC: 3500 – 5000 HV)

2TiCl4 + N2 + 4H2 2TiN + 8HCl (TiN: 2000 – 3000 HV)

2AlCl3 + 3CO2 + 3H2 Al2O3 + 3CO + 6HCl (Al2O3: ≈ 2500 HV)

CH3SiCl3 SiC + 3HCl (SiC: ≈ 4500 HV)

PVD CVD PA CVD

Temperatura (°C) 200 - 500 800 - 1000 470 - 580

Kaljenje poslije prevlačenja ne potrebno ne

„line of sight” postupak da ne ne

Pomicanje šarže potrebno ne ne

Površina glatka gruba vrlo glatka

Poliranje poslije prevlačenja ovisno potrebno ne

Duplex proces ne ne moguće

Prionjivost na tvrde metale vrlo dobra vrlo dobra prosječno

Troškovi održavanja vrlo visoki niski niski

Troškovi pogona visoki niski niski

Troškovi ulaganja visoki niski prosječni

Uglavnom primjenjivo na… reznim alatima, TC

dijelovima gdje su

prihvatljive deformacije

veliki alati i kalupi

PA CVD je kombinacija prednosti PVD i CVD postupka

480 °C – 580°C (uobičajeno)

Omogućuje obradu:

Kaljenih alata

Završenih (na konačnu mjeru) alata

Nsika temperatura postupka

Veliki

Teški

Komplicirani alati

Nije potrebna rotacija šarže

Prvi korak procesa

Prevlačenje cijele šarže u istim uvjetima

Sputtering

Duplex postupak

potporni sloj ispod tvrdog sloja

avoids the „egg skin effect“

Jedan proces

Niski troškovi za rad vakuum pumpe

Kratko vrijeme rada pumpe

Otpadni plinovi se obrađuju (ekološki prihvatljiv postupak bez zagađenja)

Nije potreban visoki vakuum

ZAŠTO PREVLAČIMO REZNE ALATE?

NE PREVUČENA REZNA

OŠTRICA

PREVUČENA REZNA

OŠTRICA

• NIŽE TROŠENJE • SPRIJEČAVANJE DIREKTNOG KONTAKTA IZMEĐU

MATERIJALA I ALATA • NIŽA ADHEZIJA NA POVŠINI SLOJA • LAKŠE IZBACIVANJE IZRATKA IZ ALATA/ KALUPA • SMANJENA UPOTREBA SREDSTAVA ZA PODMAZIVANJE • NIŽA KOROZIJA • SKRAĆENJE CIKLUSA

• DEKORATIVNI RAZLOZI

ZAŠTO PREVLAČIMO ALATE?

El. grijači

Dijelovi- šarža (Katoda)

ventilator

H2, N2, Ar, CH4

TiCl4, BCl3

MICROPULS ® PLASMA

GENERATOR

Proces- Parameter

PLC

PC

Vakuum retorta (Anoda)

PACVD- SHEMATSKI PRIKAZ POSTUPKA

PACVD- POSTROJENJE INSTALIRANO NA FSB-U

DUPLEX POSTUPAK

KOEFICIJENT TRENJA PA CVD SLOJEVA

Reduction

of friction

about 70% !!!

Ball on disc test

PRIMJERI PRIMJENE

PRIMJENA TiBN SLOJA

2

1

3

Nitr. + TiBN Nitr.

ALAT ZA DUBOKO VUČENJE TVRDI METAL

2

1

TiBN NE PREVUČEN

ALAT ZA DUBOKO VUČENJE ALATNI ČELIK ZA TOPLI RAD

ALAT ZA LIJEVANJE

2

1

4

6

5

3

TiN – TiB2

VIŠESLOJNA PREVLAKA

NE PREVUČEN

TLAČNI LIJEV ALUMINIJA ALATNI ČELIK ZA TOPLI RAD

2

1

3

TiBN CrN

TLAČNI LIJEV AlUMINIJA

TLAČNI LIJEV AlUMINIJA

TLAČNI LIJEV AlUMINIJA

TLAČNI LIJEV AlUMINIJA

Alat za tlačno lijevanje Al W 300

550 x 550 mm 200 kg

• Boron Nanocomp PLASTIT®

– Improvement in easy demoulding

– Increase of service life by resistance of the layer against assault through liquid AlMg alloy

– decrease of separating agent

TLAČNI LIJEV AlUMINIJA- MAGNEZIJA

• Diminished abrasion

• Lower friction

• Less adhesion propensity

• Avoidance of chemical corrosion

EXTRUDIRANJE AlUMINIJA

PRIMJERI PRIMJENE HLADNO OBLIKOVANJE

PRIMJERI PRIMJENE HLADNO OBLIKOVANJE

Material: SKH51

PRIMJERI PRIMJENE HLADNO OBLIKOVANJE

Material: SKH51

PRIMJERI PRIMJENE HLADNO OBLIKOVANJE

2000

89000

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

unbeschichtet TiCN

POVEĆAVA TRAJNOST ALAT

SMANJUJE UPOTREBU SREDSTAVA ZA

ODVAJANJE IZRAĐEVINE

SMANJUJE VRIJEME CIKLUSA

PRIMJERI PRIMJENE HLADNO OBLIKOVANJE

Material: WC

PRIMJERI PRIMJENE HLADNO OBLIKOVANJE

Material: SKH51

PRIMJERI PRIMJENE HLADNO OBLIKOVANJE

18000

336000

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

400000

unbeschichtet TiCN

DIN 1.2379

300 x 200 mm

PRIMJERI PRIMJENE HLADNO OBLIKOVANJE

POVEĆAVA TRAJNOST ALAT

SMANJUJE UPOTREBU SREDSTAVA ZA

ODVAJANJE IZRAĐEVINE DO 54 %

SMANJUJE VRIJEME CIKLUSA

PRIMJERI PRIMJENE

PRERADA POLIMERA

• Easier to demould

• Decrease of separating agent

• Less adhesion propensity

• More handling safety

• Avoidance of deposits

PRIMJERI PRIMJENE

PRIMJERI PRIMJENE

PRERADA POLIMERA ALAT ZA PROIZVODNJU CD-a

PRIMJERI PRIMJENE

10000 830000

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

unbeschichtet TiN

8 x service time increase

Rubber cutting lines

PRIMJERI PRIMJENE

PRERADA POLIMERA ALAT ZA PROSIJECANJE

PRIMJERI PRIMJENE

Boron Nanocomp

– increase of service time up to 70 %

PRIMJERI PRIMJENE

Boron Nanocomp PRIMJERI PRIMJENE

ALATI ZA REZANJE

Alat za rezanje izrađen iz WC

PRIMJERI PRIMJENE

Nož za rezanje izrađen iz 1.2379

KONSTRUKCIJSKI DIJELOVI PRIMJERI PRIMJENE

ŠTO MORA ZNATI CENTAR ZA PREVLAČENJE?

KVALITETA

DIN Nr. (e.g. 1.2343)

OPIS, STANDARDE, TRGOVAČKO IME

ČELIK

ERODIRANJE -> post treatment

ZAVARIVANJE ?

KORIŠTENI DIJELOVI ?

ČIŠĆENJE PRIJE PREVLAČENJA

OBRADA POSTUPAK I PRESUDNE TEMPERATURE

TEMPERATURE POPUŠTANJA

POSTUPAK NITRIRANJA I TEMPERATURA

TOPLINSKA OBRADA

PRIMJENJOVOST RAZLIČITIH KVALITETA ČELIKA

High hardness High tempering temp. Chrome content about 5 %

BRZOREZNI ČELICI

NIJE POTREBNO NITRIRATI MOGUĆE PREVLAČENJE PRI VIŠIM

TEMPERATURAMA, (530 °C), DOBRA ADHEZIJA SLOJA

VISOKI SADRŽAJ KROMA NE PREVLAČITI NISKO

LEGIRANE ALATNE ČELIKE ZA HLADNI RAD

ALATNI ČELICI ZA HLADNI RAD

POTREBNA SPECIFIČNA TOPLINSKA OBRADA

POTREBNO ČIŠĆENJE (Sputtering) PRIJE PREVLAČENJA

TEMPERATURA POPUŠTANJA> 510 °C

TVRDOĆA JEZGRE > 60 HRC

UOBIČAJENA TVRDOĆA (- 54 HRC) KOD TEMPERATURA POPUŠTANJA > 550°C

SADRŽAJ KROMA OKO 5 %

ALATNI ČELICI ZA TOPLI RAD

POTREBNO NITRIRANJE ZA UVJETE VISOKOG TROŠENJA

BEZ ZONE SPOJEVA (=Duplex Treatment) VISOKA TEMPERATURA PREVLAČENJA (530

°C) DOBRA ADHEZIJA SLOJA

ZNAČAJKA PRIMJEDBA

ŽELJENA SVOJSTVA SLOJEVA UZETI U OBZIR PRI ODABIRU ČELIKA!!!!!!!

Zahvaljujem na pozornosti