Beschichtungen von Werkzeugen erhöhen die Verfügbarkeit in einem Spritzgießprozess. Beschichtungen, die den Verschleißschutz erhöhen, werden meist mittels Physical Vapour Deposition (PVD) appliziert. Damit lassen sich gute Eigenschaften erreichen, was Schichthärte, Haftung und Verschleißfestigkeit betrifft. Da es sich um ein gerichtetes Verfahren handelt, können verdeckte Bereiche damit allerdings kaum oder gar nicht beschichtet werden.
Die Lücke lässt sich mit einem anderen Verfahren füllen, der Chemischen Gasphasenabscheidung oder Chemical Vapour Deposition, kurz CVD: Sie ist 3D-fähig, ermöglicht also auch das Beschichten hinterschnittiger Konturen. Die Schichtdicken im einstelligen µm-Bereich beeinflussen die komplexen und auf Maß gearbeiteten Spritzgießwerkzeuge kaum. Schichtdicke, Kristallinität, Phase und Dichte hängen von den Prozessparametern ab.
Prozesstemperatur begrenzen, um das Gefüge beizubehalten
Werden im Prozess metallorganische Precursoren eingesetzt, lässt sich die Prozesstemperatur auf 350 °C begrenzen. Das ist wichtig, da so keine Gefügeveränderungen am Stahl zu erwarten sind und die mechanischen Kennwerte erhalten bleiben. Im Reaktor werden solche Vorläufer in die Gasphase überführt und reagieren auf der Werkzeugoberfläche zur gewünschten Schicht.
Geeignete Precursoren und passende Prozessparameter haben die Fachleute in der Forschungsstelle des Kunststoff-Instituts Lüdenscheid zunächst aus Literaturquellen zusammengestellt. Dabei zeigte sich, dass Wolframcarbid bei Temperaturen bis 350 °C auf den betrachteten Werkzeugen abgeschieden werden kann, um den Verschleißschutz zu verbessern. Darüber hinaus bietet die Beschichtung guten Korrosionsschutz, was erste Tests an Probekörpern bestätigten.
Die richtige Wahl der Parameter ist allerdings die zentrale Herausforderung beim Entwickeln von Beschichtungen. Denn sowohl der Precursorzufluss, der Reaktandenzufluss, die Gaszufuhr, der Druck und die Temperatur im Reaktor als auch die Verdampfertemperatur beeinflussen das Ergebnis. Sie lassen sich aber präzise regeln, so dass die 3D-Konformität und Spaltgängigkeit der Beschichtungen variiert werden kann.
Der erste Schritt zu den Prozessparametern waren Simulationen für eine kleine Pilotanlage. Die Simulations-Software Comsol Multiphysics zeigte mehrere gekoppelte physikalische Probleme. Im kleinen Reaktorraum ist eine schnelle Prozessführung mit hohen Schichtwachstumsraten bei minimalem Stoffumsatz möglich, was den zeitlichen und finanziellen Rahmen klein hält. Mit steigenden Volumen im Reaktorraum ändern sich aber insbesondere die Strömungsverhältnisse. Für eine homogene Beschichtung ist es daher sehr wichtig, für eine laminare Strömung zu sorgen und Turbulenzen zu minimieren.
Tests zu den Verschleißeigenschaften der Schichten zeigten, dass die 3D-fähige CVD-Wolframcarbidschicht (W2C) mit bekannten PVD-Schichten wie Titannitrid (TiN) oder einer Diamond-like-carbon-Schicht (DLC) vergleichbar ist. Gegenüber unbehandelten Werkzeugoberflächen ist der Abriebvergleichswert, kurz AV-Wert, um den Faktor 4 besser. Die Härte von Dünnschichten wird in der Forschungsstelle mittels Nano-Indentation bewertet. Die Untersuchung der W2C-Beschichtung ergab eine Schichthärte von etwa 1900 HV.
Praxistest für die Beschichtung in zwei Spritzgießwerkzeugen
Was die Beschichtung unter Prozessbedingungen leistet, zeigten Versuche mit zwei Spritzgießwerkzeugen: einer Serienform mit zwei Kavitäten für ein Bauteil aus dem PKW-Innenraum sowie einem seriennahen Testwerkzeug mit insgesamt acht Kavitäten. Zwei davon blieben unbeschichtet, sechs waren beschichtet.
- Beim Verarbeiten des Materials PA6 GF50 für den PKW-Innenraum veränderten sich weder Rauigkeits- noch Glanzgrad.
- An dem Werkzeug mit Einsätzen aus 1.2379 (60-61 HRC) wurden die Schichtdicken im Angussbereich vermessen, in der Kavität und den Auswerferbohrungen visuell bewertet. Die Analyse des Verschleißes nach gut 32 000 Schuss mit hochabrasivem, metallgefüllten Polyamid (PA12 NdFeB) zeigte bei allen Beschichtungen erwartungsgemäß starken Verschleiß.
- Speziell im Angussbereich war am Übergang vom Tunnel zur Kavität keine Schicht mehr nachweisbar. Allerdings war die CVD-Schicht bis in die Auswerferbohrungen hinein auch nach Belastung erkennbar.
Insgesamt bleibt festzuhalten, dass sich verschleißfeste 3D-Schichten mit angestrebter Härte und Abriebfestigkeit abscheiden lassen. Die Haftfestigkeit soll noch verbessert werden. Die Validierung unter Prozessbedingungen beeinflusste das Entformungsverhalten positiv.
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