Application of PVD treatment of molds for plastic injection molding and casting Al

Mezi nejpoužívanìjší technologie nanášení tenkých povlakù patøí obloukové napaøování a
magnetronové naprašování. Níže uvedené pøíklady aplikací využívají právì metodu magnetronového naprašování, která poskytuje velmi kompaktní a adhezní vrstvy s vysokou hustotou nanesených èástic a pracuje pøi nízké teplotì, èímž je šetrná k povlakovanému substrátu. V dalším textu se zamìøíme na nìkteré speciální aplikace, které mají své již reference, ale nejsou zdaleka tak rozšíøené jako napø.: povlakování vrstvami na bázi TiN. Jedná se o povlakování nástrojù používaných pøi vstøikování plastù, tlakovém lití a tváøení hliníku a jeho slitin.

Mechanismy a problémy spojené s lisováním a litím

Pøi vstøikování plastù, tlakovém lití nebo tváøení hliníku a jeho slitin se setkáváme s nìkterými spoleènými problematickými jevy:
a) zadírání a koroze tøením nìkterých pohyblivých souèástí forem (vyhazovaèe, pohyblivé èepy, tažné èásti, vodící lišty, atd.)
b) únava, abrazivní otìr (napø.: díky sklenìným vláknùm), koroze (napø.: pùsobením rozkladných nebo kondenzaèních produktù chloridových polymerù), dieselový efekt (vlivem kombinace tepla a tlaku plynu pùsobícího v uzavøených oblastech)
Kromì uvedených aspektù, které snižují životnost forem zmiòme ještì další dva kritické parametry:
c) koeficient tøení materiálu (plastu, hliníku) na povrchu formy je ve vìtšinì pøípadù nepøímo úmìrný k plnící rychlosti formy. To pøímo ovlivòuje délku lisovacího/licího cyklu a tím i náklady na jeden cyklus.
d) velmi dùležitým a známým jevem je interakce mezi povrchem formy a tváøeným materiálem. Tato interakce, která èasto vede k pøilepování materiálu na formu, se vyskytuje kromì plastù i u tlakového lití hliníku èi tváøení pryžových dílcù. V odborné literatuøe se pro tento jev zavedl pojem „sticking“.
Bez ohledu na tváøený materiál se musí èasto forma èistit agresivními chemikáliemi nebo mechanicky, popøípadì kombinací obou zpùsobù.

Dùvodem pro povrchovou úpravu forem je proto vytvoøení takové povrchové vrstvy, která bude co možná nejvíce inertní k tváøenému materiálu, bude mít vysokou otìruvzdornost a nízký koeficient tøení. Kromì toho musí vzhledem k výše pospanému efektu pøilepování splòovat dvì podmínky:
 povrchová vrstva by nemìla reagovat s èistícím chemickým médiem
 povrchová vrstva by mìla mít vysokou tvrdost, aby byla odolná vùèi mechanickému èištìní
(pískování, otryskávání, atd.)

Použití povrchových úprav

Z již zmínìného je patrné, že povrchová vrstva by mìla øešit problémy s otìrem a pøilepováním tak, aby bylo plnìní formy kvalitnìjší a vyjmutí dílce z formy snazší, krátce øeèeno: aby se zvýšila kvalita a snížily se náklady na výrobu dílce.
Aèkoliv nitridace, elektrolytické pokovování chrómem nebo niklem je stále široce rozšíøené,
povlaky na bázi PVD a PACVD se stávají efektivní náhradou tìchto povrchových úprav. Klíèem k jejich úspìchu je velmi vysoká tvrdost, velmi vysoká chemická neteènost a schopnost nemodifikovat poèáteèní drsnost povlakovaného povrchu.
Pøíklady

Vstøikování polymerù

V tomto pøíkladì se jedná o výrobu PE víèek pro lékaøské použití. Pùvodním øešením byla forma z materiálu 34NiCrMo16 s vnitøním chlazením vodou. Protože docházelo k èastému
pøilepování a výskytu dieselového efektu, bylo nutné sadu èistit (broušení + leštìní) v intervalu milion cyklù. To odpovídalo prùmìrné délce cyklu 17 vteøin.
Kompletní sada byla povlakována vrstvou CERTESS X o síle 3 μm a souèasnì byl nahrazen
materiál formy slitinou Cu-Be. Tím bylo možné eliminovat vnitøní chlazení vodou.
Toto øešení potlaèilo výskyt dieselového jevu a pøilepování bylo významnì zredukováno. Èištìní bylo provádìno v intervalu 6 milionu cyklù. Kromì toho se díky velmi slabé reakci mezi plastem a povrchem formy snížila délka cyklu ze 17 na 10 vteøin.
V druhé pøíkladì se jedná o vstøikování PE lžièek. Forma byla vyrobena z materiálu X38CrMoV 5-1. Problémem bylo špatné plnìní dutin a pøilepování na formu.
Pro zlepšení plnící rychlosti byla forma povlakována vrstvou CERTESS DLC o síle 1 μm.
Výsledkem bylo snížení doby cyklu o 30%. Došlo ke snížení tøení mezi plastem a formou,
snadnìjšímu plnìní formy a snížení potøebné výtlaèné síly. Kromì toho bylo možné zmenšit hloubku popisovacích rytin pro jejich lepší èitelnost.
To vše samozøejmì vedlo v dùsledku ke snížení nákladù.

Vstøikování elastomerù

Tento pøíklad ukazuje srovnání mezi povlakem tvrdého chrómu povlakem CERTESS na bázi Cr. Jedná se o výrobu „O“ kroužkù z pryže.
Pøi pùvodní povrchové úpravì bylo nutné èistit formu (kartáèování, popøípadì èistící roztok) v intervalu 20 000 cyklù a to díky významnému výskytu pøilepování materiálu na formu.
Aby bylo možné tento interval zvýšit, byl tvrdochrom nahrazen vrstvou CERTESS o síle 4 μm.
Výsledek hovoøí sám za sebe: interval èištìní formy se zvýšil na 100 000 cyklù.

Vysokotlaké lití hliníku

Nyní ukážeme pøíklad výroby odlitkù pomocí vysokotlakého lití z hliníku, kde jsou èasto souèástí forem jádra urèené k vytvoøení otvoru (slepého, otevøeného) do stìny odlitku.
V tomto pøípadì se jedná o Al-Si slitinu, licí teplota je 750 °C, materiál formy je opìt vysoce legovaná Ni-Cr-Mo ocel. Hlavním problémem bylo pøilepování hliníku na jádra pøi vyhazování formy.
Jádra byly povlakovány vrstvou CERTESS SD o síle 3 μm. Tento povlak poskytuje velmi vysokou teplotní odolnost, abrazivní odolnost a nízkou schopnost k pøilepování.
Výsledkem bylo zvýšení intervalu výmìny jader z 15 000 cyklù na 100 000 cyklù.

Tažení dílcù z Al slitin

Hlavním problémem, s kterým nás zákazník oslovil, bylo pøilepování a zadírání materiálu bìhem tváøení na formu, což vedlo k tvorbì trhlin na tváøeném dílci.
Dùvodem jsou velmi špatné tøecí vlastnosti slitiny, v tomto pøípadì Al-Mg slitiny.
Pùvodní øešení úpravy povrchu vyžadovalo broušení/leštìní nástroje (razidlo a forma) v intervalu 10 000 cyklù. Díky povlakování vrstvou CERTESS DLC se interval zvýšil na 60 000 cyklù.
Tento výsledek byl dán velmi nízkým koeficientem tøení povlaku DLC, vynikající odolnosti proti pøilepování a velmi vysokou odolností proti otìru, díky vysoké tvrdosti povlaku.

Shrnutí

Uvedené pøíklady názornì ukázaly pøednosti povlakù CERTESS aplikované na formy a nástroje pro vstøikování, lití a tváøení plastù, gumy a hliníku:
 snadnìjší naplnìní forem
 snížení intervalù èištìní forem a tím
 snížení poètu odstávek stroje
 zlepšení kvality povrchu tváøeného dílce/odlitku
Posledním praktickým pøíkladem budiž povlakování forem z hliníku na výrobu plastù. Použití
hliníkových forem na výrobu plastù je stále rozšíøenìjší. V tomto pøípadì budou muset procesy povrchových úprav splnit požadavek na nízkou teplotu, která by nemìla pøekroèit 150 - 200 °C, kdy dochází ke zmìnám mechanických vlastností forem.
Jako slibné se ukazují právì PVD povlaky CERTESS X a CERTESS DLC, nanášené technikou PEMS® pøi nízkých teplotách. Nìkteré aplikace jsou již v praktickém použití.