Kuumutusplaat, mis näeb abrasiivsete klaasiga täidetud polümeeride pidevat libisevat kulumist, vajab pinda, mis on kõvem kui abrasiiv ise. Elektrooniline nikeldamine on olnud selle tööjõuks pikka aega, kuid palju õhem, tumedam ja näiliselt õrnem kate -kroomnitriid, mida kantakse aurustamise teel-, on nüüd proovile pandud. MõistesCrN vs elektrooniline nikkelkattega kulumisplaatjõudluse erinevused on olulised inseneride jaoks, kes määravad plaate kulumiskindla survevalu või materjalikäsitluse rakendustes.
Kandmise väljakutse plaatidel
Klaasiga tugevdatud termoplastide (nt LFT), lehtvalusegude või abrasiivsete komposiitmaterjalide survevormimisel kasutatavad plaadid puutuvad pidevalt kokku voolavate polümeeridega, mis sisaldavad kõvasid klaaskiude (kuni 50 massiprotsenti). Kiud toimivad mikroskoopiliste lõikeriistadena, hõõrudes aja jooksul plaadi pinda. Kulunud plaat kaotab tasasuse, toodab ebaühtlasi osi ja vajab kulukat renoveerimist või väljavahetamist. Seetõttu peab pinnakate või töötlus tagama erakordse kõvaduse, väikese hõõrdumise ja termilise stabiilsuse.
Elektrivaba nikli (EN) katmine: traditsiooniline tööhobune
Elektrooniline nikeldamine on autokatalüütiline keemiline sadestamise protsess, mis annab ühtlase amorfse nikli-fosfori (Ni-P) sulamikihi. Erinevalt galvaniseerimisest ei vaja see välist vooluallikat, võimaldades keerukate kujundite ja sisemiste avade ühtlast katmist. Katte paksus on tavaliselt 25–75 µm (0,001–0,003 tolli), mis on märkimisväärne ja annab teatud määral "keha", mis on vastupidav sügavale lõikamisele.
Elektrivaba nikli kõvadus:
Ladestamisel (ilma kuumtöötluseta): umbes 500–600 HV (Vickersi kõvadus).
Pärast 1-tunnist kuumtöötlust temperatuuril 400 kraadi: Ni-P faas muutub nikkelfosfiidiks (Ni₃P), suurendades kõvadust900–1000 HV(umbes 65–69 HRC).
Edasine kuumtöötlemine võib kõvadust veidi suurendada, kuid võib põhjustada alusterase moonutusi või pehmenemist.
EN tagab hea kulumiskindluse ja suurepärase korrosioonikaitse nõrgalt happelises või aluselises keskkonnas. Sellel on mõõdukas hõõrdetegur (≈0,4–0,5 terase suhtes). Selle kõvadus on aga piiratud umbes 1000 HV-ga, mis on vaid veidi kõvem kui paljud abrasiivsed klaaskiud (naatrium-lubiklaasi puhul ≈600–800 HV). Aja jooksul võivad kiud läbi EN-kihi kriimustada ja kuluda.
Kroomnitriidi (CrN) PVD-kate: keraamiline soomus
Kroomnitriid (CrN) on keraamiline kate, mis sadestatakse füüsikalise aurustamise teel (PVD). PVD-protsessis aurustatakse kroommetall (pihustamise või kaare aurustamise teel) lämmastikurikkas vaakumkambris. Kroom reageerib lämmastikuga, moodustades substraadi pinnale tiheda kristalse CrN-kihi. Katte paksus on palju õhem kui tavaliselt EN{3}}2–5 µm(0,00008–0,0002 tolli)-kuid selle jõudlus tuleneb äärmisest kõvadusest ja madalast hõõrdumisest.
CrN-katte kõvadus:
Deponeeritud kujul:2000–2400 HV(olenevalt sadestumise parameetritest ja stöhhiomeetriast).
Mõned täiustatud CrN-i variandid (nt AlCrN, CrAlN) võivad ületada 3000 HV.
See on ligikaudu 2–2,5 korda kõvem kui kuumtöödeldud elektrivaba nikkel.
CrN on keraamilise soomuse mikroskoopiline kest. Selle kõvadus ületab enamiku abrasiivsete osakeste oma, sealhulgas klaaskiud (≈600 HV), räniliiv (≈1000 HV) ja isegi karastatud tööriistateras (≈700–900 HV). Järelikult libisevad abrasiivsed kiud üle katte ilma seda lõikamata või kriimustamata.
Madal hõõrdetegur
CrN-il on ka väga madal hõõrdetegur (COF). Terase või polümeeri vastu on tavaliselt kuiv libisev COF0.2–0.3, võrreldes 0,4–0,5 elektrivaba nikliga. Väiksem hõõrdumine vähendab soojuse teket libiseval liidesel, vähendab polümeeri adhesiooni (kleepumist) ja pikendab veelgi katte eluiga. Äärmusliku kõvaduse ja väikese hõõrdumise kombinatsioon muudab CrN-i eriti tõhusaks kiirete või kõrgsurveliste libisemisrakenduste jaoks.
Kõrgtemperatuuriline jõudlus: peamine eristaja
Paljud kulumisplaadid töötavad kõrgel temperatuuril -sageli 150–250 kraadi termoreaktiivse või termoplasti vormimiseks. Elektrivaba nikkel hakkab pehmenema ja kaotab kõvaduse üle ligikaudu 300 kraadi. Veelgi kriitilisem on see, et pikaajaline kokkupuude üle 200 kraadise temperatuuriga võib põhjustada difusiooni ja oksüdatsiooni, vähendades järk-järgult katte kulumiskindlust.
CrN kui keraamika säilitab oma kõvaduse ja keemilise stabiilsuse kuni700-800 kraadi. Selle mehaanilised omadused on põhimõtteliselt muutumatud plaadi tüüpilise töövahemiku piires. See muudab CrN-i parimaks valikuks kõrge temperatuuriga abrasiivsete kulumiskeskkondade jaoks.
Kompromissid: paksus ja aluspinna ühilduvus
Õhuke kate – väiksem tolerants sügavale lõikamisele
CrN kiht on vaid mõne mikroni paksune. Kuigi see on äärmiselt kõva, ei suuda see imada sügavaid kriimustusi ega katteid, mis tungivad läbi katte. Kui kõva osake (nt purunenud tööriistakild või karastatud terase tükk) tõmmatakse üle plaadi, võib see läbi lõigata õhukese CrN-kihi ja paljastada selle all oleva terase. Seevastu 50 µm elektrooniline niklikiht tagab palju paksema ohverdusbarjääri. Kuid tüüpilise kulumise korral rippuvatest klaaskiududest,{7}}mis on väikesed (10–100 µm) ja ei ole üksikute osakestena eriti agressiivsed,{10}}on CrN-kate enam kui piisav.
Substraadi temperatuuritundlikkus sadestamise ajal
PVD CrN sadestamine toimub tavaliselt kõrgendatud temperatuuridel400-500 kraadi. See temperatuur võib mõjutada all oleva terasplaadi kuumtöötlust (temperatuuri). Näiteks võib tööriistaterasest (nt H13) valmistatud plaat (karastatud ja karastatud 550–600 kraadi juures) veidi pehmeneda, kui PVD-protsess ületab karastamistemperatuuri. Seetõttu tuleb aluspinnale määrata PVD-sadestamistemperatuurist kõrgem karastamistemperatuur või plaati tuleb pärast katmist uuesti kuumtöödelda. Elektrivaba nikkel sadestatakse palju madalamatel temperatuuridel (tavaliselt 80–95 kraadi), ilma termilise mõjuta aluspinnale.
Korrosioonikaitse
Elektrivaba nikkel tagab suurepärase ühtlase korrosioonikaitse isegi siis, kui kate on kergelt poorne. CrN on ka korrosioonikindel (tihe keraamika), kuid selle väga õhuke olemus tähendab, et iga auk või kriimustus paljastab terase. Väga söövitava keskkonna (nt happeline või soolane keskkond) puhul võib eelistada EN-i. Kuiva abrasiivse kulumise korral vormimisrakendustes on korrosioon siiski harva peamine probleem.
Toimivuse kokkuvõte: CrN vs. elektrivaba nikkel kulumisplaadil
| Kinnisvara | Elektrivaba nikkel (kuumtöödeldud) | CrN (PVD) |
|---|---|---|
| Paksus (tüüpiline) | 25–75 µm | 2–5 µm |
| Kõvadus (HV) | 900–1000 | 2000–2400 |
| Hõõrdetegur (kuiv) | 0.4–0.5 | 0.2–0.3 |
| Maksimaalne töötemperatuur | ~300 kraadi (pehmendub üle 200 kraadi) | >700 kraadi |
| Kulumiskindlus (klaaskiud) | Hea (aga kulub aja jooksul) | Suurepärane (kõvam kui abrasiivne) |
| Tolerantsus sügavale lõikamisele | Kõrge (paksem kate) | Madal (õhuke kate) |
| Sadestumise temperatuur | 80-95 kraadi | 400–500 kraadi (mõjutab substraadi temperatuuri) |
| Korrosioonikindlus | Suurepärane (ühtlane, paks) | Hea (õhuke, kuid tihe) |
| Suhteline kulu | Mõõdukas | Kõrgem (PVD varustus) |
Rakenduse juhised
Valige CrN PVD kate, kui:
Peamine kulumismehhanism on abrasiivne libisemine klaaskiust, mineraalsetest täiteainetest või kõvadest osakestest.
Plaat töötab kõrgendatud temperatuuridel (150–300 kraadi).
Kleepumise ja kuumenemise vähendamiseks soovitakse väikest hõõrdumist.
Aluspinna teras ühildub kõrge temperatuuriga PVD-töötlusega (nt H13, D2 või kõrge karastustemperatuuriga roostevaba teras).
Mõnevõrra kõrgem algkulu on vastuvõetav, et pikendada plaadi kasutusiga ja vähendada seisakuid.
Valige elektrivaba nikkel, kui:
Korrosioonikindlus on sama oluline kui kulumiskindlus (nt märg või happeline keskkond).
Plaadil on keerukad kujundid või sisemised läbipääsud, mis nõuavad ühtlast katmist.
Substraat ei talu 400–500 kraadi PVD protsessi.
Paksemat ohvrikihti on vaja, et taluda aeg-ajalt suurt prahti või löögikahjustusi.
Eelarvepiirangud soosivad odavamat ja tõestatud lahendust.
Järeldus
Kõige nõudlikumate abrasiivsete kulumisrakenduste jaoks tagab PVD CrN kate kõvaduse ja termilise stabiilsuse taseme, mis ületab isegi parima elektrivaba nikli, muutes plaadi pinna peaaegu mitteläbilaskvaks kilbiks. TheCrN vs elektrooniline nikkelkattega kulumisplaatvõrdlus näitab selgelt, et kuigi elektrooniline nikkel pakub head kulumiskindlust ja suurepärast korrosioonikaitset paksu, andestava kihiga, pakub CrN äärmist kõvadust (2000–2400 HV), madalat hõõrdetegurit ja silmapaistvat jõudlust kõrgel temperatuuril. Kompromissiks on palju õhem kate (2–5 µm), mis talub vähem sügavat lõikamist, ja sadestamisprotsess, mis nõuab substraadi temperatuuriga ühilduvust. Kulumiskaitse tulevik on vaid mikroni paksune ja CrN on selle trendi juhtiv näide.
