PA CVD povlaky nástroj ke zvyšování kvality forem pro tlakové lití
VUHZ Dobrá zavedla novou progresivní technologii na povrchovou úpravu nástrojů pro opracování barevných kovů - technologii PA CVD. Tato technologie spočívá v plazmové nitridaci s následným povlakováním nástrojů technologií povlaky na bázi titanu a boru. Aplikace této technologie znamená jednak eliminaci nalepování zpracovávaného barevného kovu na povrch nástroje a jednak výrazně zvyšuje odolnost proti opotřebení. Zásadním přínosem je výrazné zvýšení odolnosti proti tepelné únavě - proti vzniku tepelných trhlin a kavit s tím spojených.
Byly vyvinuty dva typy povlaků. Jeden typ určený pro ošetření povrchu forem, jader, komor a pod. pro tlakové lití barevných kovů, tedy pro práci za tepla a jeden systém pro následné opracování barevného kovu za studena. Lze tak povrchově ošetřit nástroje v celém výrobním toku od tlakového lití až po zhotovení konečného výrobku.
Vyvinutý povlak velmi dobře funguje jak v případě tlakového lití hliníku, tak slitin na bázi zinku, hořčíku mědi atd. Ve všech těchto případech bylo dosaženo v praxi velmi dobrých výsledků životnosti ve srovnání s nepovlakovaným stavem.
Obr. 1 Několik příkladů povlakovaných částí forem pro tlakové lití
Tlakové lití barevných kovů
Formy, jádra, komory, vložky a další díly, které přichází do styku s tekutým kovem jsou namáhány cyklickým tepelným zatížením. Tento způsob namáhání vede k tepelné únavě materiálu, vzniku trhlin, „vydrolování" základního materiálu formy v kritických nejnamáhanějších místech a nalepování zpracovávaného materiálu na povrch.
Důsledkem výše uvedených problémů jsou časté odstávky výroby, kdy je nezbytné formy čistit, resp. poškozené díly opravovat nebo měnit. Řešením je povlakování forem a dalších dílů které přichází do styku s tekutým kovem povlakem na bázi Ti a B technologií PA CVD. Povlak je při teplotách lití barevných kovů chemicky i tepelně stabilní. Speciálně upravená drsnost povrchu zajišťuje ulpívání separátoru na povrchu a dále tak přispívá k omezení nalepování na jeho povrch.
Povlak je nanášen při teplotách 520 °C. Nástroj je povlakován po zušlechtění na požadovanou tvrdost a konečném vybroušení a vyleštění. Pro dosažení optimální životnosti je před povlakováním prováděna nitridace forem. Drsnost povrchu je upravena tak, aby povrch zajišťoval optimální adhezi povlaku k základnímu materiálu.
Na povrch je nanášen povlak o tloušťce 2 - 3 μm. Předností povlaku je velmi nízký koeficient tření a velmi malá adheze zpracovávaného kovu k povlaku. Nanášený povlak je extrémně tvrdý a nedochází k interakci povlaku s barevným Al, Zn, Mg, Cu apod. a to ani v roztaveném, ani v tuhém stavu. Povlak je při pracovních teplotách termodynamicky stabilní.
Technologie PA CVD povlakování garantuje rovnoměrné nanesení povlaku na celou plochu nástroje včetně průchozích i neprůchozích otvorů od průměru 5 mm. Díky nucené cirkulaci atmosféry v peci je povlak nanášen zcela homogenně na všechny plochy včetně dutin s tolerancí tloušťky povlaku 10 %. Toto je jedna ze zásadních předností - žádná jiná technologie neumí homogenně napovlakovat vnější plochy i dutiny. Povlakovat touto technologié můžeme díly až do hmotnosti 1 250 kg a max. rozměru prům. 700 x 950 mm. .
Po opotřebení napovlakovaných dílů je možná jejich repase spočívající ve vyčištění, odstranění zbytků Al, odstranění zbytků starého povlaku případně přebroušení a nové napovlakování. U tvarově náročných a tedy i drahých dílů se tato repase vyplatí. Největšího zvýšení životnosti je samozřejmě dosahováno při povlakování nových dílů. Nicméně i napovlakováním dílů, na kterých jsou již patrny trhliny a které by za normálních okolností nebylo možné použít, lze ještě dosáhnout velmi slušných výsledků životnosti.
Povlakování PA CVD má také příznivý efekt na kvalitu odlitku. Povrchová kvalita odlitků je na podstatně vyšší úrovni než v případě kdy nástroje nejsou povlakované. Snižují se tak náklady na jejich další opracování.
Volbou optimálního materiálu pro výrobu, tepelného zpracování, nitridace a povlakování lze životnost dále zvyšovat. Pro dosažení optimální kombinace vlastností a maximální životnosti je důležité zajistit výroby nástroje řízenou v celém výrobním toku. Z toho důvodu mnohé nástroje pro tlakové lití nejen povlakujeme, ale zajišťujeme i kompletní výrobu. Týká se to zejména komor přítlakové lití, ale i jader.
Opracování barevných kovů za studena
Povlak PA CVD byl testován i na nástrojích pro zpracování barevných kovů za studena. Jedná se zejména o nástroje pro tváření za studena - protlačovací matrice kde byl uplatněn zejména velmi nízký koeficient tření PA CVD povlaku. Aplikací PA CVD povlaku na bázi TiB2 bylo možné násobně prodloužit životnost protlačovacích matric pro protlačování Al slitin. Tento přínos byl potvrzen jak v případě tvrdých tak i měkkých slitin na bázi Al. Kombinace vysoké tvrdosti povlaku 4 500 HV0.03 a nízkého koeficientu tření 0,1 - 0,2 a velmi dobré adheze povlaku k základnímu materiálu umožnila dosáhnout zvýšení životnosti cca 5x ve srovnání s nepovlakovaným stavem.
Povlakování střižných nástrojů pro opracování barevných kovů znamená zejména výrazné snížení nalepování kovu na povrch nástrojů a zvýšení životnosti střižné hrany 5 - 8x ve srovnání s nepovlakovaným stavem. V případě povlakování fréz na opracování mědi a mosazi došlo ke zvýšení životnosti 6x.
Povlakováním ostřihovacích nástrojů pro opracování tlakově litých odlitků se eliminuje problematika nalepování na povrch nástrojů. Není nutné nástroj čistit. V případě že po čase dojde k nalepení Al na povrch nástrojů je možné Al z povrchu chemicky odstranit s tím, že vlastní nástroj nebude chemicky narušen.
Obr.2 Několik příkladů povlakovaných nástrojů pro zpracování barevných kovů za studena
Zásadní výhodou PA CVD povlaků je:
- Poškození v důsledku tepelné únavy vzniká 10x později než u dílů které byly pouze nitridovány
- Abrazivní opotřebení se objevuje 5x později než u nitridovaných forem
- Obdobných efektů je dosahováno i při tlakovém lití i jiných barevných kovů Zn, Mg, Cu.
- Povlak je při teplotách tlakového lití termodynamicky stabilní.
- Povlak lze aplikovat na dokončené formy až po zušlechtění. Při povlakování nedochází kžádným rozměrovým změnám.
- Při povlakování nedochází ke změnám vlastností povlakovaných materiálů.
- Nanášený povlak je extrémně tvrdý a nedochází kinterakci povlaku se zpracovávaným kovem a to ani vroztaveném, ani vtuhém stavu.
- Povlak si své vlastnosti zachovává i po tepelně cyklickém namáhání.
- Čištění formy je snadné.
- Povlakováním se sníží spotřeba separátorů.
- Povlaky na bázi Ti a B sníží abrazivní opotřebení
Proč povlakovat formy :
- Snížení výrobních nákladů na odlévání
- Snížení nákladů na údržbu forem
- Zvýšení životnosti nástrojů
- Ochrana forem, jader, vložek a komor proti opotřebení a abrazi
- Zabránění vzniku kavit, trhlin vznikajících v důsledku tepelné únavy základního materiálu
- Snížení náchylnosti ke korozi a oxidaci povrchu
- Významné omezení nalepování taveniny na povrch forem, jader apod.
Výstavba povlakovny PA CVD byla spolufinancována Evropskou unií a Moravskoslezským krajem v rámci Společného regionálního operačního programu.
Ing. Slavomír Hořejš, CSc. - VÚHŽ a.s. Coating centrum
Ing. Pavel Carbol - VÚHŽ a.s. Coating centrum
