Slijtvaste coatings via droge technieken

Transcriptie

1 Slijtvaste coatings via droge technieken Protect your Product Sirris Roadshow 12, 17 and 24 februari 2015 Patrick Cosemans Smart Coating Application Lab

2 Slijtage ongewenste verandering van oppervlak en afmetingen als gevolg van wrijving gepaard gaande met materiaalafname aan het oppervlak

3 Slijtage Abrasief hoge belasting Abrasief lage belasting Adhesief Erosief Vermoeiing

4 Hoe slijtagetype bepalen

5 Slijtage Wordt bepaald door een groot aantal factoren die met elkaar interageren Samenstelling basismateriaal Hardheid, E-modulus, spanningen, rekgrens, Procesparameters Belasting, tegenlichaam, snelheid, frequentie, hoek, Omgevingsfactoren Temperatuur, vochtigheid, Oppervlak Hardheid, wrijvingsweerstand, samenstelling, ruwheid,

6 Slijtage tegengaan Smering om wrijving te verminderen? Ja, maar

7 Verschillende coating mogelijkheden Diffusielagen (in het oppervlak) Chromeren Vanaderen Kolsteriseren Nitreren Carboneren Anodiseren Fosfateren Ionenimplantatie Oppervlakteharding Deklagen (op het oppervlak) Lakken, verven Thermisch spuiten Lasercladden Oplassen Elektrolytisch proces Stroomloos proces PVD CVD Hybride coatings Sol-gel

8 Overzicht coatingtechnieken

9 Dikke coatings: vergelijking Karakteristiek Oplassen lasercladden Thermisch spuiten opmenging 5-60 % 5-10 % geen Warmte-inbreng hoog Laag (lokaal) laag hechting metallisch metallisch mechanisch porositeit Geen Geen 0,5-20 % impactbestendigheid Hoog Hoog Laag-gemiddeld Dikte basismateriaal > 5 mm > 1 mm > 0,5 mm laagdiktebereik 1 10 mm 0,1 2 mm 0,1 2mm materiaalcombinaties Elektrisch geleidend, metalen metalen metalen, legeringen, keramiek, polymeren

10 Thermisch spuiten: werkwijze Gesmolten deeltjes (van poeder of draad) worden op een oppervlak gespoten met hoge snelheid Oppervlak grondig reinigen en opruwen (mechanische hechting) Vermijden bij toepassingen met scherpe randen Manueel of gerobotiseerd Lage substraattemperatuur (geen vervorming, opmenging of structuurverandering) Verschillende technieken (temperatuur en snelheid van de deeltjes)

11 Thermisch spuiten: technieken Eigenschap Draad vlamspuiten Poeder vlamspuiten Boogspuiten (ARC) Plasmaspuiten (APS) HVOF spuiten Koud spuiten T poeder ( C) <3000 <3000 <5000 <16000 <3000 <800 T substraat ( C) Snelheid (m/s) coatingmateriaal Spuitsnelheid (kg/h) Metalen, legeringen keramisch Metalen, legeringen, keramisch, polymeren 2, metal. 1,5-2,5kera. Metalen, legeringen keramisch Metalen, legeringen keramisch Metalen, legeringen keramisch Metalen, legeringen 4, ,3-3 Hechting (MPa) > Relatieve kost (1=laag, 6=hoog)

12 Thermisch spuiten: toepassingen Afdichtingloopvlakken Kogelafsluiters Hydraulische zuigerstangen in de offshore ter bescherming van zeewatermilieu. Reparaties of maatcorrecties Lagers voor landingsgestel Procesrollen in papier, glas en staalindustrie Implantaten

13 Dunne coatings: vergelijking Karakteristiek PVD PACVD CVD laagdikte 0,5 8 µm 1-8 µm 1 50 µm depositietemperatuur C C C hechting Mechanisch - chemisch Mechanisch - chemisch Chemisch - diffusie porositeit Geen Geen Geen Type depositie Unidirectioneel multidirectioneel Multidirectioneel Hardheid HV HV HV T-stabiliteit Tot 1100 C Tot 300 C (DLC) Tot 1000 C materiaalcombinaties Metalen, keramisch Metalen, keramisch Metalen, keramisch substraatmateriaal Brede range, ook gehard Brede range, ook gehard Beperkt (hardmetalen)

14 PVD (Physical Vapour Deposition) Target Materiaal Verdampen Sputteren Proces in vacuümkamer Reactief proces door toevoeging van gas (O 2, N 2 ) Oxide & keramische slijtvaste coatings Line-of-sight technologie roteren van 3D-producten nodig geen nabewerking nodig Coating dikte typisch 1-5 µm Prijs afhankelijk van #producten /batch Ag Au Cu Pt Ni Co Mg Cr Mn Al Mo V Zr Ta Ti W Si C

15 PVD (Physical Vapour Deposition) ARC evaporatie Hoge energie Snel Druppelvorming o.a. slijtvast Magnetron sputteren Lagere energie Trager Hoge kwaliteit o.a. optisch HIPIMS Hoge energie Inwendig coaten Zeer hoge kwaliteit o.a. 3D geometrieën

16 PVD (Physical Vapour Deposition) Typische coatings slijtvast Coating TiN TiCN TiCrN CrN AlCrN AlTiN AlTiCrN Hardheid HV Wrijvingscoëf. Tegen staal 0,55 0,3 0,55 0,55 0,55 0,55 0,55 Gebruikstemp Hot hardness

17 PVD (Physical Vapour Deposition) Toepassingen extrusie spuitgieten Snijgereedschappen machinecomponenten Omvormgereedschappen

18 CVD (Chemical Vapour Deposition) Coatings worden aangebracht vanuit een gasmengsel. Voordeel van conforme 3D coating, intern en complexe vormen Thermisch CVD is bekendste maar nadeel van hoge temperatuur beperkte set van substraten Toepassingen in snijgereedschappen, omvormen Beperkte set van slijtvaste coatings TiN Ti(B,C,N) TiCN Ti(C)N-TiC-TiN Al 2 O

19 CVD (Chemical Vapour Deposition) WC-coatings CVD depositie bij C Gewone staalsoorten komen in aanmerking om gecoat te worden CVD WC

20 PACVD (plasma assisted vapour deposition) depositie vanuit organometallische gassen en koolwaterstofgassen (silaan, acethyleen, ) in gesloten reactor Plasma zorgt voor activatie gas Deklaagdikte enkele µm Depositietemperatuur C diamantachtige lagen, polymeerlagen sirris info@sirris.be 20

21 PACVD DLC (Diamond-like carbon) Combinatie van slijtvastheid en lage wrijving Combinatie met PVD mogelijk Decoratief Lagere gebruikstemperatuur (350 C)

22 PACVD: de ene DLC is de andere niet

23 PACVD + PVD: toepassingen Piston pin Bearing pins Cam shafts Fuel injection pump parts Sirris info@sirris.be

24 Analyse technieken Labotesten Abrasietester (slijtage) Krastester (hechting, spanningen) Calotester (dikte) HRC-indentatie (hechting, spanningen) Fieldtesten blijven de ultieme test Specifieke omgevingsfactoren procesparameters

25 Om te onthouden Welk slijtagemechanisme zit in mijn proces Wat zijn de materiaalkarakteristieken en omgevingsfactoren tijdens gebruik (temperatuur, gehard staal, belasting, ) Zeer veel variatie in coatings en eigenschappen Het is niet omdat een testcoating faalt dat coatings geen oplossing kunnen zijn Laat u bij de keuze bijstaan door experten (kenniscentra en bedrijven)

26 Referenties Corrosiebestendige en slijtvaste oppervlaktelagen door oplassen en thermisch spuiten vm 108 Oerlikon Balzers Hauzer Techno Coating Advanced Coating Scratch-Tester ASM Specialty handbook: Tool Materials Hardide Coating Advanced Surface Technology, Per Moller & LP Nielsen,

27 Patrick Cosemans Senior Project Engineer Smart Coating Application Lab

28 #sirris