Tankoplastne prevleke za zaščito orodij za tlačno litje plastike Thin film coatings protection of tools for die casting of plastics M. Tasevski, Saturnus-Avtooprema, Letališka 17, Ljubljana V članku so predstavljene tankoplastne prevleke za zaščito jekel s katerimi smo ojačili površino kalupov za tlačno litje plastike in s tem podaljšali njihovo življenjsko dobo, ter zmanjšali stroške vzdrževanja in proizvodnje. Raziskali smo prevleke trdega kroma, kemičnega in galvanskega niklja in titan nitrida. Ker morajo biti orodja zrcalno gladka zaradi optičnih refleksijskih zahtev smo posebno pozornost namenili poliranju tankih prevlek. V delu so podani rezultati meritev hrapavosti in trdote. Ključne besede: trde prevleke, TiN galvanske Ni prevleke, netokovne Ni prevleke, orodja za tlačno litje plastike, meritve hrapavosti in trdote The paper presents thin film coatings for steel protection. We vvanted to reinforce the surface of moulds for injection moulding of plastics and to prolong their life time; this vvould reduce maintenance and production costs. Hard chrome-plating, chemical and galvanic nickel-plating and coatings of titanium nitride vvere investigated. /4s the tools must be mirror polished because of the optical reflection demands, special attention vvas paid to polishing of thin coatings. In this article are presented results of measurements of roughness and hardness. Key vvords: TiN hard coatings, electroless Ni plating coatings, galvanic Ni plating coating, tools for die coating of plastic, measurements of roughness and hardness 1 Uvod Obraba in korozija orodij za brizganje plastike povzročata visoke stroške v obratih, kjer se ta predeluje. Z obdelavo površine orodij lahko znatno zmanjšamo obrabo in korozijo. Nadomeščanje konvencionalnih materialov s plastiko stalno poteka. Zahteve pri lastnostih v uporabi pa so vedno večje, posebno pri tehničnih izdelkih. Zadovoljive mehanske, termične in kemične lastnosti je možno doseči velikokrat le z modifikacijo plastičnih mas z dodatki. Vendar pa se zaradi tega poveča obraba orodij zaradi abrazivnih polnil (npr. steklena vlakna, pigmenti barv ali mineralne snovi) lahko pa pride tudi do tvorbe razcepnih produktov, kar je pogojeno z visokimi predelovalnimi temperaturami in hitrostmi brizgov. Jeklo mora imeti dovolj veliko tlačno trdnost, da ne pride do vtiskavanja med delom. Z naknadno obdelavo orodij je možno selektivno vplivati na lastnosti orodij. Relativno mehko jeklo dovoljuje gospodarno proizvodnjo in tvori žilavo, trdno in elastično jedro orodja. Z dodatno površinsko obdelavo lahko izdelamo trde, na obrabo in korozijo odporne površine. Značilno za površinske plasti je, da morajo biti dobro oprijemljive in se kolikor je mogoče dopolnjujejo z osnovnim jeklom. Pri tankoplastnih zaščitah nas je zanimala trdota in hrapavost, ki mora biti čim manjša, ker morajo biti refleksni žarometi optično gladki. Preučevali smo nanose trdega kroma, galvanskega in netokovncga niklja in TiN na treh različnih jeklih in sicer na dveh utopih C.4742 (0.40% C, 0.40% Si, 1.90% Cr, 1.50% Mn, 0.20% Mo) in Č.4751 (0.39% C, 1.0% Si, 5.1% Cr, 0.35% V, 0.40% Mn, 1.20% Mo) in na uvoženem DIN 1.2767 (0.45% C, 0.20% Si, 0.30% Mn, 1.40% Cr, 0,25%. Mo, 4.0% Ni). Glede trd- nosti in zanesljivosti je površinska prevleka TiN gotovo najbolj ustrezna, vendar na orodja večjih dimenzij (od 30 cm naprej) v slovenskem prostoru ni moč nanesti tovrstnih plasti zaradi majhnih vakuumskih komor. 2 Trdo kronianje Površinske prevleke iz trdega kroma so najbolj poznana zaščita orodij. Tovrstne prevleke so bile izdelane v Sat-umusu, v Kemični tovarni Podnart in pri Renduliču. S trdim kromanjent dosežemo odpornost na obrabo in dobro ločevanje izdelkov od orodja. Pomanjkljivost tega postopka pa je, da se dajo komplicirane oblike samo pogojno trdo krornat in da pride do zaoblitve robov orodja, ki morajo biti naknadno obdelani. Orodje je treba po kro-manju polirati, da doseže željeno gladkost, kakršna je bila pred nanosom. To poliranje je zamudno in počasno, trdota Cr prevlek je od 800 do 1100 HV. Debeline trdega kroma so od 5 do 1000 //m. Ker so plasti trdega kroma porozne lahko pride do korozije v primeru, da pore segajo do osnovnega materiala. Bolj ko je debela plast, boljša je korozijska odpornost. Po drugi strani pa je nevarno, da pri večjih debelinah pride do odstopanja plasti. Zaradi tega so običajni nanosi debeli 30 do 50 //m. V Saturnusu smo kromirali v kopeli Cromylite SK 7504, v Podnartu pa v kopeli Kromal SK 750400. 2.1 Meritve trdote Trdoto smo merili na vzorcih nanesenih v Podnartu in v Saturnusu (tabela 1). Tabela 1. Meritve trdote trdega kroma nanesenega pri različnih tokovih na različna jekla Podnart Satumus Trdota Trdota j (A dm~z) Končna Jeklo osnovnega (HV) trdota materiala j = 40 A dni" 2 (HV) (HV) C.4742 355 1056 25 950 Č.4751 60 1080 335 844 25 890 60 1157 DIN 1.2767 506 1058 25 944 60 1085 Poliranje vpliva na meritve trdote. Spodnja plast je trša kot zgornja hrapava (tabela 2). Pri mikroskopskem pregledu smo odkrili pri nepoliranem kromu razpoke. Tabela 2. Meritve trdote na poliranih in nepoliranih vzorcih Material Trdota (HV) Obdelava DIN 1.2767 DIN 1.2767 832 887 nepoliran poliran 2.2 Meritve hrapavosti Poleg čim večje trdote naj bi imela prevleka trdega kroma čim manjšo hrapavost. Z elektrolitičnim nanosom se poveča hrapavost poliranih vzorcev, zato jih je treba nujno ponovno polirati. Če je vzorec slabše pokroman in nastane hrapava, bela površina, je treba polirati z brusnim papirjem gradacije 1200, in z diamantno pasto. Če pa je trdi krom dobro nanešen, kar se vidi kot zrcalno gladka, bleščeča površina, barva je kovinsko modra, se samo rahlo spolira z najfinejšo diamantno pasto. Hrapavost smo merili na Strojni fakulteti na merilniku Perthometer C5D. Najmanjša hrapavost na instrumentu je 0.001 //ni. Merili smo vzdolžno po vzorcu 3 krat, v redkejših primerih 5 meritev Ra (tabela 3). Tabela 3. Meritve hrapavosti Ra za galvanske prevleke trdega kroma na različnih jeklih serije 90 Vrsta jekla I (A dni-2) Ra (/tm) pred nanosom Ra (/im) trdi Cr poveč. (krat) Ra (/(tli) poliran C.4742 25 0.006 0.021 3.5 0.029 Č.4742 60 0.006 0.019 3.2 0.001 C.4751 25 0.006 0.022 3.7 0.029 C.4751 60 0.006 0.015 2.5 0.016 DIN 1.2767 25 0.005 0.023 4.6 0.022 DIN 1.2767 60 0.005 0.025 5 0.016 Na jeklih, katerih kromirana plast je bila nanešena v Podnartu so bili rezultati hrapavosti podobni. Samo pobrano jeklo je imelo srednjo hrapavost Ra = 0.016 pm. Jekli naknadno polirani v Satumusu Č.4751 in Č.4742 sta imeli Ra 0.02 in 0.027 pm. Jeklo polirano v Podnartu DIN 1.2767 pa je imelo Ra = 0.01 //m. Na 1 serijo vzorcev smo nanesli trdi krom na 2 ploščici DIN 1.2767 pri j = 40 A/dni2. To je bil najboljši krom doslej. Ob robu ima premajhen nanos kroma, ker so bile odvodne elektrode preblizu vzorcem. Debelina je bila 15 //nt, čas nanosa je bil 0.5 ure. Izboljšave: sveže čiščenje, razntaščevanje, nova kopel, nove elektrode, zato je manj vodika v plasti. Trdi Cr smo nanesli na jeklo DIN 1.2767, ki je imelo začetno hrapavost po poliranju 0.002 do 0.003 pm. Po nanosu je bil krom videti zrcalno gladek, vendar je imel hrapavost 0.022 /mi, kar je 10-krat več od začetne hrapavosti. Potem smo vzorec rahlo spolirali 10 min in smo dobili hrapavost 0.003 do 0.005 pm. To pomeni, da smo znižali hrapavost blizu tiste pred nanosom. 2 J Nanos plasti trdega kroma na orodje Orodje za traktorsko zadnjo svetilko 120 x 100 — rdeči del in 4 žarilce za traktorsko lečo je bilo pokromano pri Renduliču. Zarilci, ki so bili ravni, so bili kolikor toliko svetli, vendar so bili ob robu odebeljeni. Njihovo poliranje ni bilo težavno. Kalup za lečo je bil poglobljen in je imel veliko zrcalnih površin — (3/4) leče. Površina trdega kroma je bila bela, hrapava, nezrcalna. Zaradi velike površine in trdote je poliranje potekalo počasi in je trajalo približno 2 tedna. 3 Prevleke kemijskega niklja Kemijsko nanešen nikelj je relativno nov postopek za zaščito orodij. Struktura prevleke kemijskega niklja je amorfna brez kristalnih vključkov. Te prevleke so kompaktne in brez prekinitev1. Prevleke trdega kroma so kot večina elektrolitičnih nanosov izrazito kristalinične, poleg tega pa imajo lahko tudi razpoke in različne vključke". Prevleke kemijsko nanešenega niklja vsebujejo okoli 10% fosforja, ki jim zagotavlja večjo trdoto, kot je pri elektrolitskem niklju. Če pa rabimo zelo trde prevleke, lahko z naknadno termično obdelavo (npr. 1 uro pri 400°C) dosežemo celo trdoto 1000 H V. Kemijsko nanešena nikljeva plast je pri debelini 30 pm zelo dobra zaščita proti koroziji . Ker se plast nanaša brez električnega toka se lahko nanese tudi v najbolj komplicirane oblike enakomerno. Polirane ploščice smo v Podnartu najprej razmastili, dekapirali in aktivirali. Delovna temperatura v kopeli KT je bila 90°C. Ploščice smo vpeli v nosilec in nato so se stalno premikale v kopeli, da se zmanjša možnost sledov izhajajočega vodika (proge, žlebovi, luknjičavost) na površini predmetov, obenem pa se homogenizira raztopina. Pri kopeli je nujna filtracija, da preprečimo hrapave prevleke in nekontrolirano izrabljanje ali celo razpad kopeli. Filtrima črpalka prečrpa celoten volumen kopeli 5-10 krat v eni uri, filter zadrži delce, večje od 10 //m4. Po eni uri nanosa je bila debelina prevleke 20 //m. Nato smo v Satur-nusu zavili vzorce v oglje in jih greli 1 uro na 400°C. Pri tem seje površina rahlo oksidirala, vendar smo zgornji sloj odpolirali. Na ta način smo trdoto precej povečali. Niklanjc smo izvedli v dveh serijah. Glede na meritve hrapavosti so te najbolj gladke prevleke, pa tudi zelo trde s 1100 HV (tabela 4). Plast kemijskega niklja so nanesli na orodje za TAM-ovo zadnjo svetilko. To sta bila tm in skodela velikosti približno 30 cm. Orodja pred nanosom nismo spolirali, prav tako pa tudi ne po nanosu, ker je bila površina zrcalno gladka. Zaradi upada naročil orodje še ni bilo v uporabi. Tabela 4. Trdota in hrapavost kemijsko nanešenih nikljevih prevlek Serija Trdota (HV) Povp. Hrapavost Ra (/mi) 1 1168; 1168; 1097 1144 0.002; 0.001; 0.001 1* 635; 657; 642 645 0.033; 0.032; 0.03 2 1064; 1132; 1027; 1132 1089 0.002; 0.001; 0.002 2 1027; 1097; 1132; 1064 1080 .001; 0.001; 0.003; 0.001 * vzorec ni bil pregret in ni bil poliran (DIN 1.2767); ostali vzorci so bili Č.4751 4 Galvanski nanos niklja Galvanski nanos niklja od letos uporabljamo v Saturnusu za zaščito orodij, ki jih naredijo v orodjarni za firmo Haidl-mair. Uporabljajo se za korozijsko zaščito, niso pa to trde prevleke. Prva serija ni najbolj uspela. Vzorci so imeli majhne vdolbine — pike. Ponovno smo ponikljali 2 ploščici jekla DIN 1.2767 iz serije 1. Ni je bil dobro nanešen, videti je bil gladek, zrcalen. Debelina je bila 15-18 /mi. Izboljšave: čiščenje pred nanosom, nove elektrode. V tabeli 5 so poprečne hrapavosti 5 meritev Ra. Vzorce smo rahlo spolirali s diamantno pasto 1 //m. Drugi vzorec smo spolirali še z diam. pasto 0.25 //m, ki je najfinejša. Vendar je bilo prvo poliranje najboljše, nato pa smo vzorec v bistvu prepolirali. Z rahlim poliranjem smo uspeli hrapavost zmanjšati za faktor 10. Tabela S. Trdota in hrapavost Ra (um) galvansko nanešenega niklja Vzorec Trdota Ra v //m Ra v //m (HV) pred polir. po polir. I 696 0.03 0.003 2 698 0.01 0.005 5 Titan nitrid prevleke Te prevleke so po splošnem mnenju najboljše. Prednosti so velika trdota — okrog 2300 HV in žilavost, majhen koeficient trenja, kemijska stabilnost, kompaktnost in izredna obrabna obstojnost. Tako na primer TiN trde prevleke povečajo obrabno obstojnost orodja in strojnih delov od 3 do 20-krat5 6. To trdo prevleko, smo začeli preučevati pred dvemi leti. Žena začetku smo naleteli na težave zaradi hrapavosti. Na-fiarili smo trn za Tomosov žaromet. Izdelan je bil iz jekla C.4831. Trn smo pred naparevanjem nanovo fino spolirali, tako da je imel zrcalen odboj. Po nanosu TiN, ki ima zlato barvo, pa je odboj postal difuzen, površina je imela mat sijaj. Vendar se ta mat sijaj ne vidi toliko na samem trnu, kot bolj na plastičnem odlitku, oziroma po naparevanju Al na izdelanem žarometu. Žaromet je imel drobne pikice na površini, vendar je zaradi večje rezerve odgovarjal zahtevanim optičnim predpisom. Zaradi dodatne raze smo (zelo težko) spolirali TiN iz orodja. Leto dni kasneje smo na orodje ponovno nanesli TiN, spolirali in orodje od takrat uspešno deluje. Zaradi problemov s hrapavostjo ni bilo smiselno nadaljevati poskuse na orodjih, ampak smo nadaljevali raziskave na manjših testnih ploščicah. Najprej smo ugotovili, da se hrapavost ne poveča med čiščenjem v topilih in ultrazvoku. Možno bi bilo, da se polima pasta zapolira v osnovno podlogo6 in po čiščenju bi lahko ostala bolj hrapava površina. Ravno tako se je hrapavost le za malenkost povečala po pregrevanju v vakuumu na 500°C, kar je tudi sestavni del postopka nanašanja TiN. V tabeli 6 so prikazane poprečne vrednosti Ra in sicer meritve hrapavosti pred nanosom TiN na 6 vzorcih po 3 meritve na vsakem v vzdolžni smeri. S TiN smo nanesli 4 vzorce vsakega jekla, polirali pa smo le po en vzorec. Rezultati poliranja so bili zelo vzpodbudni . Po naparevanju se je hrapavost povečala za 4-krat. Po ponovnem poliranju pa je bila površina TiN skoraj tako gladka, kot je bila površina jekla pred naparevanjem. Statistično razmerje za vsa tri jekla s spoliranim TiN proti spoliranim jeklom je le 1.06, oziroma hrapavost sc je povečala le za 6%. Tabela 6. Meritve hrapavosti Ra titan nitridne prevleke Jeklo Pred TiN Hrapavost Hrapavost nanosom pred polir. po polir. Č.4742 0.0057 0.02 0.037 0.006 Č.4751 0.006 0.018 0.021 0.004 DIN 1.2767 0.0053 0.033 0.043 0.008 Trdoto smo pomerili na merilniku za mikrotrdoto pri standardni obtežbi 0.25 N na Strojni fakulteti. Z naparevanjem TiN se trdota zelo poveča. Trdota je odvisna tudi od trdote podlage. Jeklo Č.4751 smo v Saturnusu poboljšali na 500° C in s tem povečali začetno in končno trdoto. Razmere prikazuje tabela 7, kjer so povprečni rezultati na več vzorcih, na vsakem pa je bilo več meritev. Tabela 7. Mikrotrdota (HV) TiN na različnih jeklih Vrsta HV osnovni HV HV jeklo material naparjen i trdota TiN Č.4742 355.2 355.3 2334 Č.4751 334.9 355.3 2330 DIN 1.2767 506.3 410.7 2626 Č.4751* 561 560 2700 * poboljšan Iz. tabele 7 se še vidi, da se jc jeklo DIN zaradi vakuumskega čiščenja-pregrevanja in naparevanja pri 500° C zmehčalo za 20%. Vendar se je potem bistveno utrdilo. Te meritve smo izvedli na zadnji strani ploščic, kjer TiN ni bil naparjen. Slika 1. Orodje za traktorsko lečo naparjeno s TiN. Poleg trna za Tomosov žaromet smo naparili še orodje — skodelo za traktorsko lečo — rumeni del, kjer je zrcalne površine 1/4 skodele (slika 1). Tudi tu smo spolirali orodje pred nanosom. Ker je bila skodela velika približno 30 crn so nanesli TiN v eksperimentalni napravi na IJS. Naknadno smo zrcalno površino še enkrat rahlo spolirali. Poleg orodja za plastiko smo nanesli TiN tudi na orodja za preoblikovanje pločevine, to je za delo v hladnem. Narejena so iz jekla Č.4150 (OCR 12), ki ni najbolj primemo za nanos TiN, ker mu pade trdota po naših meritvah iz 62 na 54 Rc, vendar zaradi novo nastale plasti postane zopet trši in obstojnejši. Bolj ustrezno je jeklo Č.4850, ker ima višjo temperaturo popuščanja in večjo trdoto. Orodje izdelano iz tega jekla je bil centrirni obroč za vlek pločevine s premerom 225 mm. Zaradi velikosti je bil naparjen v eksperimentalni napravi na IJS. Po naparevanju se je v kotu orodja v najbolj nedostopnem območju za poliranje odluščil TiN 2 mm široko po celem obodu obroča. Predvidevali smo, da je nastala tako imenovana mrtva plast zaradi prehitrega poliranja in s tem premočnega pregrevanja. Vzrok take slabe adhezije je lahko tudi z.apoliranje ostankov lepila in papirja v jeklo. TiN smo odbrusili in jeklo smo znova skrbno spolirali. Potem smo znova naparili TiN, vendar se je luščenje v kotu orodja v sicer malo manjši meri znova pojavilo. Potem smo to napako pustili, ker orodje preoblikuje pločevino predvsem na robovih. Orodje od takrat uspešno deluje. 6 Zaključek Če primerjamo različne nanose glede hrapavosti glede na naše rezultate je najbolj gladek kemijsko nanešen nikelj z Ra = 0.001 /mi, potem sledi galvansko nanešen nikelj z Ra = 0.003 /mi, trdi krom z Ra = 0.004 /trn in TiN z Ra = 0.006 /im. Ker so bili poskusi z TiN narejeni najprej in osnovne ploščice še niso bile najbolj polirane, je možno da bi TiN imel manjšo hrapavost. Glede trdote je najboljši TiN z 2700 HV, potem sta enaka trdi krom in kemijski nikelj z 1100 HV in končno galvanski nikelj z 700 HV. Ker so skoraj vsa nova orodja nikotrirana, je bolj kot trdota pomembna korozijska zaščita. Ponovljivost rezultatov galvanskih nanosov je problematična. Zahvala Avtor se zahvaljuje Mitji Gvardjančiču in Ludviku Sev-emiku, galvana Satumus za izdelavo vzorcev trdega kroma in galvanskega niklja; dipl. inc. Silvu Vovku za nanos trdega kroma, dipl. ing. Janezu Semetu za nanos kemičnega niklja, oba iz kemične tovarne Podnart; Janezu Rajglu in Krope za nanos kemičnega niklja na orodje, dr. Borisu Navinšku in dipl. ing. Petru Panjanu iz IJS za vakuumsko nanašanje vzorcev s TiN, mag. Mariji Kesin za meritve mikrotrdote in mag. Jožetu Jurkoviču za meritve hrapavosti, oba s Strojne fakultete v Ljubljani, in sodelavcem orodjarne Saturnus za pripravo, popuščanje in poliranje vzorcev. 7 Literatura 1 J. Seme: Hemijsko niklovanje i tvrdo hromiranje kao dop-unski ili alternativni postupci. Površinska zaščita 1987, zbornik strokovnih referatov. Bled 13-14 maj 1987. str. 55-63. " S. Jerič, M. Kocmur: Netokovno nanašanje prevlek Ni-P na Al in zlitine. Vakuumist 27 (1992) 2. str. 20-22. * P. Thienel, R. Sati, Ludenscheid: OberHaechenbehandlun-gen von SpritzgieBvverkzeugen. Kunststoffe 81 (1991) 7, str. 591-602. 4 Kemična tovarna Podnart: Navodilo za uporabo, kemični nikelj KT-739800. 5 Institut Jožef Štefan: Zakaj Jostin? prospekt. 6 R. Wild: PVD hard coating prerequesites and use in plas-tics processing. Plastverarbeiter nr. 4/1988.