3D Konforme Präzisionsbeschichtungen für den ... · © Kunststoff-Institut Lüdenscheid Gliederung Motivation Prozesstechnologie Schichtwerkstoffe Schichtaufbau Eigenschaften §Entformungsverhalten

3D Konforme Präzisionsbeschichtungen für den Korrosionsschutz – effektive Werkzeugbeschichtungen

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Gliederung

► Motivation

► Prozesstechnologie

► Schichtwerkstoffe

► Schichtaufbau

► Eigenschaften§ Entformungsverhalten§ Korrosionsschutzpotential

► Anwendung

► Fazit

218.05.2017Branchentreff Lüdenscheid


► 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 gleich-mäßige 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

Motivation

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CVD-Technologie

► Beschichtung von Substraten mit definierten Werkstoffen zur Modifizierung, Funktionalisierung oder zum Schutz der Substrat-oberfläche

► 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

Schematischer Ablauf eines CVD-Prozesses

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Metallorganische CVD-Technologie

► Thermische CVD mittels Heißwandreaktor§ Nutzung metallorganischer Precursoren

(MOCVD)§ Nutzung von Reaktiv- und Trägergasen§ Prozesstemperatur < 520°C§ Kammergröße: Ø 210 x 600mm

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CVD-Heißwandreaktor

Branchentreff Lüdenscheid


3D Fähigkeit des Beschichtungsprozesses

Branchentreff Lüdenscheid 6

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1 2 3 4 5 6 7Aspektverhältnis

445°C/ 2mbar

480°C/ 2mbar

480°C/ 5mbarS

chic

htd

icke

/ µ

m

18.5.2017

► Modifizierte Formeinsätze undBeschichtungsvorrichtungen§ Einführung von Probekörpern

in unterschiedlichen Abstän-den zur Kavitätsöffnung

§ Messung der Schichtdickenbei verschiedenen Aspekt-verhältnissen

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� Physikalische Eigenschaften ausgewählter Materialien

� oxidkeramische Materialien für hohe mechanische und chemische Stabilität

� Zirkondioxid mit einer dem Formstahl entsprechenden Wärmedehnung� Mischung unterschiedlichster Metalloxide, Beispiel: Yttrium-stabilisiertes

Zirkoniumdioxid möglich

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Material Thermische Leitfähigkeit [W/(m�K)]

Thermischer Ausdehnungskoeffizient [10-6/K]

Al2O3 28 8SiO2 1.4 0.54TiO2 9 7Al2O3*SiO2(Mullit)

3.2 4

ZrO2 2.5 7-12Kalknatronglas 0.8 9Borosilikatglas 1.2 3.31.2344 25 12

Abscheidung oxidkeramische Schichtmaterialien



Schichtentwicklung

Single Layer Schichten

► Reine ZrO2- oder YSZ-Schichten§ Geeignet für thermische

Barriere Eigenschaften

► Al2O3, Cr2O3 und SiO2-Schichten§ amorpher Schichtaufbau § Gut geeignet für reaktive

Anwendungen:– Korrosionsschutz– Belagbildung– Mediendichtigkeit Querschnitt einer ZrO2-Schicht mit SiOx-

Schlussschicht

818.5.2017Branchentreff Lüdenscheid 8


Multilayer-Systeme

� 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)

Schichtentwicklung

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YSZPDZ



Entformungsverhalten von Zirkoniumdioxid-Schichten (POM, polierte Oberfläche)

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� Losbrech-, und Gleitmoment günstiger wie bei unbeschichteter Oberfläche� kristalline und amorphe Schicht mit günstigen Entformungsverhalten� Ähnlich für PC, Kunststoffabhängig - weiter Untersuchungen folgen


Korrosionsschutzverhalten von MultilayerZirkondioxid Schichten

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► Geringe Schichtdicken (~ 1-4 µm)

► Deutlich besseres Korrosionsverhalten gegenüber „Chemisch-Nickel-Schichten“ bei 1/8 der Schichtdicke

► Weiterentwicklung des Schutzpotentials für Schichtdicken von ca. 1µm bei sehr guter 3 D Fähigkeit

Elektrolyt: H2SO4 (10%)Ruhepotentialmessung: 3 minPotential-Scan: 10 mV/s

Stromdichtepotential-Messung an 1.2344 beschichtet mit:

A) chemisch Ni-Schicht (30 µm)

B) oxidkeramische Schicht (4 µm)

Potential [mV]

Log(i) [mA/mm2]



► Herstellung von Kunststoff-Zahnrädern (POM)§ Korrosion der Formkontur (1.2083)§ Massive Belabildung (CrN-beschichtet)§ Problem: Reinigungsinterval nach 7000 Zyklen

Anwendung von Multilayer Zirkoniumdioxid-Schichten

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� Lösung: Beschichtung der Formeinsätze mit 2-3µm Multilayer

Zahnflanke im Werkzeug mit massivem Belag

Kunststoffzahnrad POM


► 2,5 Fach verlängertes Reinigungsinterval

► Keine Korrosion im Betrieb feststellbar

Ergebnis Multilayer für POM Verarbeitung

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MOCVD


Formeinsatz vor und nach dem Beschichten

Minimaler Belag an Werkzeugoberfläche nach 18.000 Zyklen

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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


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Kontakt:Dipl.-Ing. Frank MummeKIMW GmbH

Tel: +49 2351 [email protected]

mailto:[email protected]

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