Miljövänliga ytbeläggningssystem med potential att forma plåt utan användning av smörjoljor

Per Carlsson, universitetsadjunkt i materialteknik vid Högskolan Dalarna, lägger fram sin avhandling "Surface Engineering in Sheet Metal Forming" vid Uppsala universitet, Institutionen för teknikvetenskaper.

Disputationen äger rum fredag den 18 februari 2005, kl 13.00 i Teknikdalens aula, Forskargatan 3, Borlänge.

Mikael Olsson, professor i materialvetenskap, inriktning ytteknik, har varit handledare.

Per Carlsson har i sin avhandling studerat tribologiska (läran om friktion, nötning och smörjning) egenskaper hos olika funktionella ytbeläggningssystem med syfte att kunna forma metalliserad tunnplåt under torra formningsoperationer. Genom att använda ”självsmörjande” ytbeläggningar kan användandet av smörjoljor minskas vilket leder till mer miljövänliga verkstadsmiljöer. Resultaten ger ökad förståelse för vilka tribologiska mekanismer som uppkommer vid en glidande kontakt mellan plåt och verktyg.

Samhället ställer allt högre krav på miljövänliga produkter och tillverkningsprocesser. Vid plåtformning används vanligen smörjoljor för att kontrollera friktionen mellan plåt och formningsverktyg. Förutom att formningsverkstäderna blir förorenade, så måste oljan efter formningsoperationen avlägsnas med hälsovådliga avfettningsmedel.

I doktorsarbetet har två olika funktionella ytbeläggningssystem undersökts. Det första systemet innebär att man belägger plåten med ett tunt (ca 1 µm) smörjande organiska skikt. Förutom att det organiska skiktet ska smörja vid formning har det ytterligare funktioner såsom korrosionsskydd, skydd mot fingeravtryck och god vidhäftning. Det andra systemet innebär att man applicerar ett självsmörjande PVD-skikt som har ett högt nötningsmotstånd på formningsverktyget. De material som ingått i försöken är Zn- och 55%Al-Zn-belagd plåt, vilka är svåra att forma under osmorda förhållanden eftersom de har stor tendens att kleta på verktyget. De tunna organiska beläggningarna är transparenta och är komponerade av olika polymerer för att optimera egenskaper som vidhäftning, smörjning och processvänlighet. De PVD beläggningar som studerats är kromnitrid, titannitrid och diamantlikt kol. Arbetet har innefattat tribologisk provning (repprovning och kula-skiva-provning) och de nötta ytorna har studerats med olika avancerade ytanalysmetoder (SEM/EDS, AES och ToF-SIMS). Från dessa resultat har olika tribologiska mekanismer kunnat identifierats, vilka styr friktionen och påkletningstendensen mellan plåt och verktyg.

Resultaten visar att tunna organiska beläggningar har potential att användas vid torra formningsoperationer. De parametrar som i huvudsak påverkar prestandan är kemisk sammansättning och tjockleksfördelning hos den organiska beläggningen. Substratets topografi har också visat sig ha stor inverkan. Avhandlingen visar vidare att PVD skiktens prestanda beror i huvudsak på kemin och topografin. Genom att välja en DLC beläggning kan låga och stabila friktionskoefficienter erhållas i glidande kontakt mot Zn. Initialt erhålls dock höga friktionskoefficienter på grund av ytojämnheter hos beläggningen, men efter en inkörningsperiod eller genom att polera DLC skiktet uppnås låga friktionskoefficienter.

Kombinationen av avancerade analystekniker som svepelektronmikroskopi (SEM), energidispersiv röntgenanalys (EDS), Augerelektron spektroskopi (AES) och löptidssekundärjonmasspektrometri (ToF-SIMS) har givit värdefull information om friktions- och nötningsegenskaper hos de nötta ytorna.