3D Konforme Präzisionsbeschichtungen für den Korrosionsschutz effektive Werkzeugbeschichtungen

Transkript

1 3D Konforme Präzisionsbeschichtungen für den Korrosionsschutz effektive Werkzeugbeschichtungen

2 Gliederung Motivation Prozesstechnologie Schichtwerkstoffe Schichtaufbau Eigenschaften Entformungsverhalten Korrosionsschutzpotential Anwendung Fazit Branchentreff Lüdenscheid

3 Motivation Die Beschichtungstechnik erlaubt die Modifizierung der Werkzeugoberfläche zur Generierung neuer Eigenschaften, z.b.: Härte Abriebfestigkeit Korrosionsschutz Gängige Methoden zur Werkzeugbeschichtung: Physikalische Gasphasenabscheidung Nachteile: Schlechte Spaltgängigkeit, keine gleichmäßige Beschichtung komplexer Formen möglich Galvanik Nachteile: Gewünschte Funktionalität erst ab relativ hoher Schichtdicke erreichbar, Probleme mit engen Toleranzen im Werkzeugbau Aufgabe: Entwicklung einer Methode zur Beschichtung von Formeinsätzen, die eine 3D-Fähige Beschichtung ermöglicht Branchentreff Lüdenscheid

4 CVD-Technologie Schematischer Ablauf eines CVD-Prozesses Beschichtung von Substraten mit definierten Werkstoffen zur Modifizierung, Funktionalisierung oder zum Schutz der Substratoberfläche Das Material wird im Reaktor durch eine kontrollierte chemische Reaktion aus der sogenannten Vorstufe (Precursor) gebildet Schichteigenschaften (Dicke, Kristallinität, Phase, Dichte) hängen größtenteils von der Parametrierung des Prozesses ab Branchentreff Lüdenscheid

5 Metallorganische CVD-Technologie Thermische CVD mittels Heißwandreaktor Nutzung metallorganischer Precursoren (MOCVD) Nutzung von Reaktiv- und Trägergasen Prozesstemperatur < 520 C Kammergröße: Ø 210 x 600mm CVD-Heißwandreaktor Branchentreff Lüdenscheid

6 3D Fähigkeit des Beschichtungsprozesses Modifizierte Formeinsätze und Beschichtungsvorrichtungen Einführung von Probekörpern in unterschiedlichen Abständen zur Kavitätsöffnung Messung der Schichtdicken bei verschiedenen Aspektverhältnissen 1,4 Schichtdicke / µm 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 445 C/ 2mbar 480 C/ 2mbar 480 C/ 5mbar Aspektverhältnis Branchentreff Lüdenscheid

7 Abscheidung oxidkeramische Schichtmaterialien Physikalische Eigenschaften ausgewählter Materialien Material Thermische Leitfähigkeit [W/(m K)] Al 2 O SiO TiO Al 2 O 3 *SiO 2 (Mullit) ZrO Kalknatronglas Borosilikatglas Thermischer Ausdehnungskoeffizient [10-6 /K] oxidkeramische Materialien für hohe mechanische und chemische Stabilität Zirkondioxid mit einer dem Formstahl entsprechenden Wärmedehnung Mischung unterschiedlichster Metalloxide, Beispiel: Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid möglich Branchentreff Lüdenscheid

8 Schichtentwicklung Single Layer Schichten Reine ZrO 2 - oder YSZ-Schichten Geeignet für thermische Barriere Eigenschaften Al 2 O 3, Cr 2 O 3 und SiO 2 -Schichten amorpher Schichtaufbau Gut geeignet für reaktive Anwendungen: Korrosionsschutz Belagbildung Mediendichtigkeit Querschnitt einer ZrO 2 -Schicht mit SiO x - Schlussschicht Branchentreff Lüdenscheid

9 Schichtentwicklung Multilayer-Systeme PDZ YSZ Mehrschichtsystem durch Nutzung verschiedener Precursoren zur Minimierung von Schichtspannungen und Darstellung maßgeschneiderten Schichteigenschaften YSZ à yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (kristallin) PDZ à phosphordotiertes Zirkoniumdioxid (amorph) Stabil auch bei großen Schichtdicken (>20µm) Branchentreff Lüdenscheid

10 Entformungsverhalten von Zirkoniumdioxid- Schichten (POM, polierte Oberfläche) Losbrech-, und Gleitmoment günstiger wie bei unbeschichteter Oberfläche kristalline und amorphe Schicht mit günstigen Entformungsverhalten Ähnlich für PC, Kunststoffabhängig - weiter Untersuchungen folgen Branchentreff Lüdenscheid

11 Korrosionsschutzverhalten von Multilayer Zirkondioxid Schichten Geringe Schichtdicken (~ 1-4 µm) Deutlich besseres Korrosionsverhalten gegenüber Chemisch- Nickel-Schichten bei 1/8 der Schichtdicke Stromdichtepotential-Messung an beschichtet mit: Log(i) [ma/mm 2 ] Potential [mv] Elektrolyt: H 2 SO 4 (10%) Ruhepotentialmessung: 3 min Potential-Scan: 10 mv/s A) chemisch Ni-Schicht (30 µm) B) oxidkeramische Schicht (4 µm) Weiterentwicklung des Schutzpotentials für Schichtdicken von ca. 1µm bei sehr guter 3 D Fähigkeit Branchentreff Lüdenscheid

12 Anwendung von Multilayer Zirkoniumdioxid- Schichten Herstellung von Kunststoff-Zahnrädern (POM) Korrosion der Formkontur (1.2083) Massive Belabildung (CrN-beschichtet) Problem: Reinigungsinterval nach 7000 Zyklen Zahnflanke im Werkzeug mit massivem Belag Kunststoffzahnrad POM Lösung: Beschichtung der Formeinsätze mit 2-3µm Multilayer Branchentreff Lüdenscheid

13 Ergebnis Multilayer für POM Verarbeitung MOCVD Formeinsatz vor und nach dem Beschichten 2,5 Fach verlängertes Reinigungsinterval Keine Korrosion im Betrieb feststellbar Minimaler Belag an Werkzeugoberfläche nach Zyklen Branchentreff Lüdenscheid

14 Fazit Entwicklung einer neuartiger MOCVD Prozesstechnologie für Formwerkzeuge 3D-fähig bis zu Aspektverhältnis von 1:60 Abscheidung keramischer Single- und Multilayer Schichten auf Stahl (<500 C) Dichte Schichten ab einer Schichtdicke von 1µm Entwicklung von oxidkeramische Schichten für die Kunststoffverarbeitung Verbesserung der Entformung Reduzierte Belagbildung Hohes Korrosionsschutzpotential durch amorphen Schichtaufbau Branchentreff Lüdenscheid

15 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Dipl.-Ing. Frank Mumme KIMW GmbH Tel: