micronite

En ny generation ytbeläggning

med

utomstående tribologiska och korrosiva egenskaper

Innovation:
Konventionell PVD beläggning är kombineras med lågfriktionsmaterial. Ämnena reagerar kemiskt så att ett nytt hårdare skikt bildas med lägre friktion samt ökad nötningsbeständighet och korrosionsmotstånd.

Utvecklat av: micromy

Introduktion:

Sedan många år har det varit ytfysikerns dröm att modifiera egenskaperna hos en given yta oberoende av dess volymmaterials egenskaper. Med andra ord möjligheten att erhålla en yta som är hård, nötningsbeständig med extremt låg friktion, korrosionsbeständig, fri från påkladdningseffekter etc. även fast det ursprungliga volymmaterialet indikerar helt andra egenskaper. Ett sätt att erhålla detta har varit att belägga ytan av ett speciellt material med ett tunt filmmaterial som i sig självt uppvisar de önskade egenskaperna. Baserat på konventionell PVD ("Plasma Vapour Deposition") teknik kombinerat med introducerandet av lågfriktionsmaterial samt dedikerade kemiska reaktioner har det varit möjligt att erhålla dessa önskade egenskaperna hos det belagda skiktet.

Vad är micronite ?

Skiktet micronite bygger på att högmolekylära ämnen med extremt låga friktionsvärden introduceras i ett PVD-skikt såsom TiN eller DLC ("Diamond Like Carbon"). Förutom den konventionella tekniken som normalt används vid PVD-beläggning, behandlas det speciella micronite-skiktet med ytterligare två oberoende processer. Innovationen vid tillverkningen av det nyutvecklade micronite-skiktet består i huvudsak av två moment nämligen: i) mikromekanisk procedur som gör det möjligt att introducera de högmolekylära ämnena i det hårda PVD-skiktet samt ii) en speciell ytbehandling av det modifierade PVD-skiktet involverande kemiska processer som leder till en ännu hårdare skiktstruktur. På så sätt kan en beläggning med förstärkt hårdhet och betydligt lägre friktionskoefficient än det ursprungliga PVD-skiktet erhållas. Fig.1 nedan visar på ett illustrativt sätt principen på kombinationsskiktet micronite.

Figurtext: Visar i princip hur de olika materialen blandas i micronite-skiktet.

Några av micronite-skiktets egenskaper:
Tribologiska studier, utförda med hjälp av en tribometer (ASTM "kula-på-disk" teknik), visar drastiska förbättringar av friktionsvärdena för micronite-skiktet jämfört med på konventionellt sätt framställt TiN-skikt, särskilt när det gäller den statiska friktionen (startfriktion). Dessa förbättringar kan observeras för såväl torr som oljesmord nötning. Fig.2 nedan presenterar en av dessa studier, visande friktionskoefficienten för ett micronite-belagt härdat stålmaterial nötande mot en safirkula. Det kan noteras att redan efter några minuters nötning med identiska parametrar, uppvisar ett konventionellt TiN-skikt belagt på ett härdat stålmaterial en dramatisk friktionsökning, medan micronite-skiktet fortfarande efter många timmars nötning inte visar några tecken på försämrade tribologiska egenskaper.

Figurtext: Friktionskoefficienten som funktion av nötningslängden för safirkula mot 420-stålprover polerade och ytbelagda med olika typer av skikt. Ra-värdet är 0.03 mm.

Relativa nötningsmätningar har utförts genom att bestämma antalet cykler som proverna roterar i tribometern innan de skär. Denna skärning, som kan observeras genom en plötslig ökning av friktionskoefficienten, sker när det pålagda skiktet just har nöts igenom. Då skikttjockleken är känd, blir bestämningen av antalet cykler tills genombrott i skiktet kan observeras således ett mått på den relativa nötningen. Dessa observationer presenteras i Fig.3 nedan, där en jämförelse mellan de olika skiktmaterialen (TiN, DLC, micronite) ges med avseende på nötningsmotstånd och friktion.

Figurtext: Den vänstra sidan i figuren visar nötningsegenskaperna, mätt med ASTM kula-på-disk teknik. Tre olika beläggningsskikt nämligen TiN, DLC och micronite undersöktes med torr nötning mot en kula av härdat 420 stål med ett Hertziskt kontakttryck av ca. 300 MPa. Den högra sidan i figuren visar de uppmätta friktionskoefficienterna för de tre olika beläggningsmaterialen. Som synes har micronite-skiktet de klart bästa tribologiska egenskaperna.

För alla substartmaterial som hittills studerats (stål, aluminium, titan, aluminiumoxid etc.) visar micronite-skiktet en drastiskt minskning av nötningen jämfört med TiN-belagda prover. Som en jämförelse kan nämnas att med kula-på-disk metoden: i) ett obelagt stålprov skär efter några sekunders nötning; ii) ett konventionell TiN-belagt stålprov skär efter några minuters nötning och iii) med ett micronite-skikt belagt stålprov, ännu efter 24 timmars nötning (motsvarande ett nötningsavstånd på ca. 10 km), ingen nämnvärd nötning kan iakttas med mikroskop.

Ythårdheten på micronite-belagda prover överstiger värdena för konventionellt belagda PVD prover. De högsta uppmätta hårdhetsvärdena för micronite-skikten ligger mellan 3.500 - 4.000 HK, medan för konventionella TiN-skikt hårdhetsvärdena ligger runt 2.000 HK. Vi tror att denna ökning av ythårdheten beror på kemiska reaktioner som äger rum i skiktet, vilket skulle kunna leda till kompositions och/eller strukturförändringar av skiktet.

Korrosionsstudier har utförts med högkorrosivt volymmaterial av kolstål. Obelagda, konventionellt TiN-belagda samt micronite-belagda prover sänktes ned i en 8%-ig saltvattenlösning. Under denna exponering luftades vattenlösningen och hölls på 25 oC medelst magnetomrörning. De så exponerade proverna observerades visuellt samt under mikroskop i intervall om 24 timmar.

För alla här observerade substratmaterial, kunde en drastisk förbättring av korrosionsmotståndet för micronite-skiktet konstateras jämfört med TiN-belagda substrat samt obelagda substrat. De obelagd kolstålsubstraten uppvisade svåra korrosionsskador redan efter några timmars exponering, medan det micronite-belagda skiktet ännu efter fyra veckors exponering i samma saltlösning inte visade några som helst tecken på korrosionsangrepp. För de konventionella TiN-belagda proverna kunde en påbörjad gropfrätning observeras på vissa ställen efter två dagars exponering i den 8%-iga saltvattenlösningen.

De ovan nämnda fakta indikerar att micronite-skiktet utgör ett utomordentligt synergistiskt koncept med exceptionellt goda tribologiska och antikorrosiva egenskaper.

Potentiella tillämpningar:

I princip är det uppenbart inom vilka områden det nya micronite-skiktet finner sin användning, nämligen överallt där ett utomordentligt högt korrosionsmotstånd kombinerat med extremt låga värden på nötning och friktion är önskvärda. Detta fält är praktiskt taget outtömligt, och det ingår ej i vår ambition att här räkna upp alla tänkbara industriella applikationer. I stället ges nedan en förkortad lista på de tillämpningsområden där micronite-skiktet bör ha goda chanser att slå igenom.

· Bil och motorindustrin.
· Plast- och gummipressindustrin.
· Medicinska implantat (micronite-skiktet är biokompatibelt).
· Pappers- och träindustrin.
· Verkstadsindustrin.
· Pumpar, ventiler samt andra tätningsproduker.
· Glidande kontaktytor.