Ionimplantering kan løse mange produktionsproblemer
Ionimplantering er en gruppe af overfladebehandlinger, som har deres udspring i avanceret partikelfysik, men som hos Teknologisk Instituts Tribologicenter er videreudviklet og perfektioneret til en række konkrete, industrielle anvendelsesmuligheder.
Tribologicentret har to avancerede ionacceleratorer, der primært anvendes til industriel overfladebehandling af produktionsværktøjer, men også til forsknings- og udviklingsopgaver. Udviklingsarbejdet er især rettet mod at finde nye metoder til at ændre materialeoverfladers fysiske og kemiske egenskaber. Tribologicentret har mange års erfaring med ionimplantering af en lang række grundstoffer til forskellige industrielle anvendelser.
Ved ionimplantering accelereres ioner (elektrisk ladede atomer) op til høje hastigheder i et elektrisk felt på op til 200.000 V. Ionerne skydes ind i en overflade, som derved tilføres nye egenskaber. Procestemperaturen er altid under 150 ˚C, og processen er derfor velegnet til mange typer af materialer.
Standardbehandlinger med ionimplantering
Tribologicentrets overfladebehandlinger til produktionsværktøjer omfatter bl.a. følgende:
IBAD-DLC
IBAD-DLC er en enestående, selvsmørende lavfriktionsbelægning, som giver nedsat friktion ved formgivning af f.eks. blikemballage til fødevarer og industriprodukter. Desuden bruges IBAD-DLC-belægninger for at beskytte den lak-, polymer- eller tinbelægning, der hindrer direkte kontakt og korrosion mellem emballage og produkter.
Figur 1: IBAD-DLC-belagt værktøj, der anvendes til stans af metallåg til fødevareemballage. Værktøjet er forinden belagt med titannitrid (TiN).
Værktøjet er monteret inde i et vakuumkammer.
Figur 2: Værktøj til formgivning af åbningsringe på dåser.
CrN-SS – SuperSlip
CrN-SS kombinerer en PVD-belægning (CrN-SD) med en efterfølgende ionimplantering, hvor der skydes ioner ind i det yderste overfladelag. Herved ændres overfladens tilstand og kemi. Dette giver markant forbedrede slipegenskaber ved plastsprøjtestøbning, samtidig med, at formdelenes levetid forlænges.
Figur 3: Plastværktøj, der er ionimplanteret for at forbedre slipegenskaber.
Cr-Plus
Cr-Plus er en ionimplantering med kromioner. Processen bruges især til korrosionsbeskyttelse af luftafgange på sprøjtestøbeværktøjer. Ved at implantere store mængder af krom i den yderste overflade oplegeres ståloverfladen lokalt til en ekstremt høj korrosionsbestandighed med op til 35 % Cr i det yderste af overfladen.
N-Plus
N-Plus er ionimplantering med kvælstof. Denne behandling bruges til at give øget slidstyrke til præcisionsstanseværktøjer og til ekstremt skarpe knive, hvor selv en meget tynd, hård PVD-belægning vil runde knivsæggen så meget, at kniven vil opleves som sløv.
Fordele ved ionimplantering
- Reduceret friktion, især ved formgivning af metalemballage
- Reduceret korrosion omkring luftafgange i sprøjtstøbeforme
- Ingen geometrisk formændring
- Bibeholdelse af den oprindelige overfladefinish
- Lav procestemperatur. Temperaturen kan styres afhængigt af emne og materiale
- Processen udføres lokalt og på emner, som allerede er færdigbearbejdede
- Kan anvendes på metaller, polymerer og elastomerer
- Muligt at implantere en lang række forskellige grundstoffer
- Ingen risiko for afskalning, da der ikke er tale om en belægning, men om en behandling der mixes/blandes ind i overfladen
- Særdeles god vedhæftning, da IBAD-DLC-belægningen delvist er skudt ind i overfladen.
Eksempler på brugsområder
Plastbranchen: Forbedret slip ved sprøjtestøbning samt eliminering af korrosion i luftafgange.
Medikoindustrien: Slidbeskyttelse af medicinalprodukter, f.eks. kunstig brusk, knæ- og skulderled.
Emballageindustrien: Værktøjer til stansning og formgivning af bl.a. blikemballage. Beskytter mod vedhæftning og slid.
Ionimplantering af polymerer: Forøget hårdhed af en række polymerer, bl.a. silikoner, polyetylener m.fl.
Ionimplantering af metaller: Forøget hårdhed af titanlegeringer, aluminiumslegeringer, forskellige ståltyper, ædelmetaller som f.eks. guld.
Procesdetaljer
Ionimplantering er en proces, hvorved en stråle af ioner med høj energi (50-200 keV) skydes ind i overfladen på et givent materiale. Ionerne implanteres herved i overfladen, hvor de afhængigt af iontype og basismateriale kan indgå i nye kemiske strukturer og faser. Resultatet er ændrede fysiske og kemiske egenskaber i den behandlede overflade, som f.eks. kan føre til forøget hårdhed, ændrede slipegenskaber og/eller forbedret korrosionsresistens. Ionimplantering har bl.a. den fordel, at man kan implantere stoffer, som normalt ikke kan diffunderes ind i eller er uopløselige i grundmaterialet. Da ionimplantering ikke er en belægning, men en ændring i grundmaterialets struktur og kemi i en dybde på mindre end en mikrometer, er der ikke risiko for afskalning.
Top foto: Tribologicentrets nyeste ionaccelerator