OVERFLADEBEHANDLING MED VAKUUMMETODER

Transkript

1 OVERFLADEBEHANDLING MED VAKUUMMETODER FMV temadag 5 November 2009 Henrik Horup Reitz Civilingeniør Teknologisk Institut, Tribologicenter

2 TEKNOLOGISK INSTITUTS ROLLE I VIDENSYSTEMET Videnudvikling Vi udvikler ny viden gennem forsknings- og udviklingsaktiviteter på linje med universiteter og andre forskningsinstitutioner Videnanvendelse Vi anvender ny og eksisterende viden i serviceydelser på kommercielle vilkår fx laboratorietests, prøvning og certificering Videnoverførsel Vi overfører ny viden gennem rådgivning, uddannelse og fx operatøropgaver på kommercielle vilkår og i fri konkurrence

3 Divisioner DIVISIONER og centre OG GEOGRAFISK PLACERING BYGGERI Beton Byggeproces Fugt og Indeklima Murværk og Byggekomponenter Nyindustrialisering Svømmebadsteknologi Træ og Tekstil ENERGI OG KLIMA Energieffektivisering og Ventilation FEM-Sekretariat Installation og Kalibrering Køle- og Varmepumpeteknik Rørcentret Vedvarende Energi og Transport ERHVERVSUDVIKLING Analyse og Erhvervsfremme Arbejdsliv Idé & Vækst Teknologisk Partnerskab LIFE SCIENCE Fødevareteknologi IT-Udvikling Kemi- og Vandteknik MATERIALER OG PRODUKTION Materialeprøvning Mikroteknologi og Overfladeanalyse Måling og Kvalitet Plastteknologi Produktudvikling Tribologicenter DANISH MEAT RESEARCH INSTITUTE Hygiejne og Konservering Målesystemer Råvarekvalitet Slagteriteknologi PRODUKTIVITET OG LOGISTIK Automobilteknik Emballage og Transport Produktion Produktivitet Robotteknologi Kolding Hirtshals Århus UDDANNELSE IT Konferencer Ledelse INTERNATIONALT CENTER DANFYSIK Roskilde Odense Taastrup Göteborg Jyllinge Karlskrona Polen Warszawa

4 TRIBOLOGICENTERET BESKÆFTIGER SIG MED: Forskning og udvikling indenfor: Slid Smøringsmekanik Overfladebehandling PVD PCVD Ionimplantering Plasmanitrering Generel tribologisk rådgivning herunder slidprøvning og prøvning af smøremidler Kommerciel produktion af overfladebehandlinger

5 Kommerciel overfladebehandling Test af slid, friktion og smøremidler TRIBOLOGICENTER F&U vakuumbasseret overfladebehandling m.m. Konsulentbistand 13 medarbejdere

6 Tribologicenterets teknologier Plasmanitrering Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition (PACVD) PVD Physical Vapour Deposition: Ionimplantering Ion-Beam Assisted Deposition (IBAD) Duplexbehandlinger (kombinationer af ovenstående)

7 PVD - Physical Vapor Deposition: Udfældelse af en overfladebelægning ved en fysisk fordampningsproces PVD er en hel familie af overfladebehandlingsmetoder Mindst en af de indgående komponenter fordampes direkte fra fast fase PVD er altid en sigtelinieproces PVD er den største gruppe af vakuum overfladebehandlingsmetoderne

8 Opdeling af PVD-teknikker Ikke -reaktive Reaktive Fordampning Modstand Induktion Elektronstråle Lysbue (arc) Laser Modstand Induktion Elektronstråle Lysbue Laser Sputtering Simpel DC-diode RF-diode Magnetron Dual-magnetron DC-diode RF-diode Magnetron Dual-magnetron

9 Vakuumfordampning elektronstrålefordampning Metal

10 Reaktiv vakuumfordampning Reaktiv gas Metal N 2 Ti + N TiN

11 MAGNETRONSPUTTER PVD Principskitse: Vakuumkammer Reaktiv gas (N 2, O 2, ) Pumpesystem Magnet- system S N + Plasma N S Inaktiv gas (Ar) Katode N S S N S N + + N S Target Substratbord Magnetfeltlinier

12 Procesparametre - PVD Sputtergasser Ar or Kr Reaktive gasser - N 2, O 2, C 2 H 2, etc. Procestemperatur C Basistryk 10-5 mbar Procestryk 10-3 mbar Procestid 3 20 h Belægningstykkelse 1 30 µm (3-5 µm er standard) Belægningsfamilier TiN, TiAlN, CrN, TiCN, AlN, Al 2 O 3, DLC, etc.

13 Lagstruktur Enkelt lag Flere lag Nano lag Nanokompositter

14 Typiske funktionsmæssige ændringer i overfladeegenskaberne Forøget abrasiv slidstyrke Hårdhed op til 3600 HV Forøget modstand mod rivning og adhæsivt slid Nedsat friktion Forbedrede slipegenskaber Ændring af fysiske og kemiske egenskaber på overfladen (f.eks. vædeevne) Forbedrede korrosionsegenskaber Selektiv behandling ved afmaskning

15 Belægningssystemer under udvikling og markedsmodning Al 2 O 3 til slid og højtemperaturapplikationer TiO 2 til selvrensende overflader (fotokatalyse) YSZ og CGO til brændselsceller Strukturerede overflader Nye DLC-belægninger f.eks. med indlejrede nanokrystaller

16 KOMMERCIELLE BELÆGNINGSSYSTEMER DLC

17 DIAMOND-LIKE CARBON (DLC) DLC er et metastabil amorft netværk af kulstof (a-c) eller brintholdigt amorft kulstof (a-c:h) med et signifikant indhold af sp 3 bindinger DLC-belægningers materialeegenskaber: Lav friktion og tørsmørende egenskaber Høj hårdhed (a-c:h HV, ta-c op til 8000 HV) Stor slidbestandighed (abrasionsresistens) Relativt kemisk inerte (bredt ph-interval) Relevante deponeringsparametere: Metal- og kulstof-targets Ar/C 2 H 2 atmosfære DC substrat bias-spænding Deponeringstemperatur < 200 C Basislag af f.eks. CrN Belægningstykkelse ca. 3 µm Kilde: J. Robertson, Mat. Sci. Eng. R 37 (2002) 129 Diamant Grafit

18 DLC-TR DLC DLC-lag Overgangslag CrC Grundmateriale CrN Substrat Procestemp.: 200 C Hårdhed: 2000 HV Friktionskoefficient: ,15

19 TYPISKE ANVENDELSER AF DLC-TR Bevægede værktøjsdele Udstødere, kæber, styr Formgivende værktøsdele Bevægede maskindele Stempler, ventiler, føringer, styr Bruges generelt til at forhindre rivning på maskindele af: Hærdet stål Blødt stål Rustfrit stål Rumfartsapplikationer