SE513219C2

SE513219C2 - Wear surface and process for making the same

Info

Publication number: SE513219C2
Application number: SE9902411A
Authority: SE
Inventors: Henrik Ljungcrantz; Torsten Rosell
Original assignee: Henrik Ljungcrantz; Torsten Rosell
Priority date: 1999-06-24
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2000-07-31
Also published as: SE9902411L; AU5863200A; WO2001000402A1; SE9902411D0

Abstract

A method for the manufacturing of a hard wear resistant surface of PVD-material on a soft foundation or on large objects, wherein a piece of metal sheet of hard material is coated by means of a PVD-method with a layer of PVD, which is harder than the metal sheet, and wherein the metal sheet or parts thereof is then glued, with the side that is facing away from the PVD-coating, at the position on the softer foundation or larger object, in which the wear resistant surface is desired. Since the meal sheet, that preferably may have the shape of a tape, is hard the layer of PVD is supported, so that the deformations at the expected point loads become so small that the layer of PVD does not fracture.

Description

15 20 25 30 513 219 2 jekt vilka skulle deforrneras av beläggningstemperaturen. 15 20 25 30 513 219 2 which would be deformed by the coating temperature.

Rätt ytbeskaffenhet: Det tunna, hårt belastade PVD-skiktet ställer också höga krav på beläggningsytans beskaffenhet, främst vad gäller ytfinhet. Vanligtvis krävs en ﬁnt slipad eller polerad yta som inte påverkats av bearbetningen, vilket kan vara svårt att åstad- komma på komplicerade geometrier. Samtidigt krävs att hela objektet är rent fràn föro- reningar som kan förångas i beläggningsprocessen.Correct surface condition: The thin, heavily loaded PVD layer also places high demands on the nature of the coating surface, mainly in terms of surface finish. Usually a slightly sanded or polished surface that is not affected by the machining is required, which can be difficult to achieve on complicated geometries. At the same time, it is required that the entire object is free of contaminants that can evaporate in the coating process.

Uppñnníngen avser att ange en metod att med PVD-skikt (t.ex. karbider, nitrider, bo- rider, oxider etc.) nötnings- och friktionsskydda även stora objekt, invändiga och skymda ytor, objekt tillverkade av mjukare konstruktionsmaterial eller av material som ej tål 200°C, samt på ytor som ej har rätt ytbeskaffenhet.The invention is intended to provide a method of using PVD layers (eg carbides, nitrides, borides, oxides, etc.) to protect against wear and friction even large objects, internal and obscured surfaces, objects made of softer construction materials or of materials such as does not withstand 200 ° C, and on surfaces that do not have the right surface condition.

Detta sker genom att istället för att applicera skiktet direkt på objekten applicera det på ett tunt metallband eller en tunn plåt, vars hårdhet ger skiktet tillräcklig bärighet, och som sedan appliceras på de ytor som utsätts för nötning eller friktion.This is done by instead of applying the layer directly to the objects, applying it to a thin metal strip or a thin sheet, the hardness of which gives the layer sufficient bearing capacity, and which is then applied to the surfaces which are subjected to abrasion or friction.

Genom att pâföra PVD-skiktet på ett band som spolas mellan två rullar framför be- läggningskällan kan stora ytor beläggas ytterst kostnadseffektivt. I den kontinuerliga processen erbjuds full kontroll över de kvalitetspåverkande faktorema såsom temperatur samt vinkel och avstånd till beläggningskälla. Därmed skapas de konstanta betingelser som är ett villkor för de mest avancerade PVD-skikten.By applying the PVD layer to a belt which is flushed between two rollers in front of the coating source, large areas can be coated extremely cost-effectively. In the continuous process, full control is offered over the quality-influencing factors such as temperature and angle and distance to the coating source. This creates the constant conditions that are a condition for the most advanced PVD layers.

Det tunna bandet eller plåten är med fördel av härdat stål, t. ex. martensitiskt rostfritt stål, vilket finns att tillgå i tunna band. De dyra legeringsämnen som behövs för att bära skiktet koncentreras då till bandet medan objektet i övrigt kan tillverkas i enklare material.The thin strip or plate is advantageously of hardened steel, e.g. martensitic stainless steel, which is available in thin strips. The expensive alloying elements needed to support the layer are then concentrated on the strip, while the object can otherwise be made of simpler materials.

Bandets yta bearbetas och värrnebehandlas effektivt till den ytbeskaffenhet och hårdhet som erfordras. Vid beläggning vänds bandet så att graderna från slittningen av bandet vänds bakåt, alternativt präglas bandet vid slittningen så att graden utjämnas.The surface of the strip is processed and heat treated efficiently to the surface condition and hardness required. When coating, the strip is turned so that the degrees from the wear of the strip are turned backwards, alternatively the strip is embossed during the wear so that the degree is evened out.

Bandets tjocklek skall vara tillräcklig för att bära skiktet men ändå så tunt att bandet kan formas till de ytor som det skall fästas på.The thickness of the strip must be sufficient to support the layer but still so thin that the strip can be formed to the surfaces to which it is to be attached.

Vid montage på slitytorna klipps bandet av i lämpliga längder och appliceras före- trädesvis med något adhesiv. Adhesivet kan påföras vid montaget eller vid bandets fram- ställning. I det senare fallet levereras bandet som en självhäftande tejp. Genom att välja ett PVD-skikt som har lägre ytenergi än bandets undersida kommer adhesivet att stanna kvar på undersidan när bandet rullas av.When mounting on the wear surfaces, the strip is cut to suitable lengths and preferably applied with some adhesive. The adhesive can be applied during assembly or during the production of the belt. In the latter case, the tape is delivered as an adhesive tape. By choosing a PVD layer that has a lower surface energy than the underside of the belt, the adhesive will remain on the underside when the belt is unrolled.

Avklippningen sker med fördel i ett I-format stansverktyg så att graden på de avklippta styckena vänds nedåt, vilket förhindrar att slitage initieras på kanten. 10 15 20 25 30 513 219 3 Genom att spirallinda bandet och klippa av det diagonalt kan det även användas för att skydda radiella ytor utvändigt och invändigt.The cutting is advantageously done in an I-shaped punching tool so that the degree of the cut pieces is turned downwards, which prevents wear from being initiated on the edge. 10 15 20 25 30 513 219 3 By spirally winding the strip and cutting it diagonally, it can also be used to protect radial surfaces outside and inside.

Genom att det PVD-skiktet bärande bandet (eller dess ytskikt) är hårt kommer detta vid punktbelastning (inom måttliga gränser) inte att deforrneras mer än vad PVD~skiktets elasticitet eller plasticitet medger och därigenom kan man undvika att PVD-skiktet, i syn- nerhet om detta har kristallin struktur brister: och förstörs. Även vid punktlaster erhålles därför en mycket god slitstyrka, låg friktionﬁoch hög hållfastliet och inga repor uppstår, resulterande i lång livslängd. Uppﬁnningen gör det möjligt att åstadkomma i synnerhet plana slitytor av näst intill godtycklig storlek eftersqm man kan använda ﬂera separat tillverkade element bredvid varandra. Eftersom såväl plåtar som band och PVD-skikt är böjliga och formbara inom vissa gränser kan man även tänka sig att åstadkomma krökta såväl konvexa som konkava ytor, där formen för ytan bestäms först vid fastlirnningen eller i en separat fonnningsprocess direkt innan. i Forrnbarheten innebär att även dubbelkrökta ytor (exempelvis sfåriska) kan åstadkom- mas om deformationen inte är för stor. Genom: en prägling av bandet eller plåten kan vidare en uppdelning av ytan i många små enheter åstadkommas så att formbarheten ökar genom att deforrnationema kan kanaliseras till det tunnare materialet i präglingarna utan att PVD- skiktets vidhäftning försämras i de mellanliggande ytoma.Because the PVD layer bearing band (or its surface layer) is hard, this will not be deformed at point load (within moderate limits) more than the elasticity or plasticity of the PVD layer allows and thus the PVD layer, in In addition, crystalline structure has shortcomings: and is destroyed. Therefore, even with point loads, a very good wear resistance, low friction ﬁ and high strength and no scratches occur, resulting in a long service life. The invention makes it possible to create in particular flat wear surfaces of almost any size as it is possible to use your separately manufactured elements next to each other. Since sheets as well as strips and PVD layers are flexible and malleable within certain limits, it is also conceivable to achieve curved both convex and concave surfaces, where the shape of the surface is determined first at the fixing or in a separate forming process immediately before. i Formability means that even double-curved surfaces (eg spherical) can be achieved if the deformation is not too great. Furthermore, by embossing the strip or sheet, a division of the surface into many small units can be achieved so that the formability increases by allowing the deformations to be channeled to the thinner material in the embossments without deteriorating the adhesion of the PVD layer in the intermediate surfaces.

Valet av beläggningsmaterial, band eller plåtmaterialet liksom det använda limmet eller häftande skiktet anpassas efter användningsändårnålet. Härigenom bidrar uppfinningen till en väsentligt utökad valfrihet i materialval vid konstruerande.The choice of coating material, strip or sheet material as well as the adhesive or adhesive layer used is adapted to the end of use needle. In this way, the invention contributes to a significantly increased freedom of choice in material selection during construction.

Till följd av att PVD-skikt utöver den goda nötningsbeständigheten även har mycket låg friktion kan man tänka sig att utnyttja uppfinningen för att åstadkomma PVD-belagda lagerytor. I en del typer av lager så önskaršman traditionellt säkerställa en god vänne- överföring mellan lagerytan och den tillhörande delen för bortledande av den värme som alstras i lagret till följd av friktion. Att här anordna ett värmeisolerande limskikt mellan lagerytan och föremålet ifråga verkar vid ett första påseende helt orimligt men eftersom de med uppfinningen möjliga lagerytorna kan ges en mycket låg friktion minskar behovet av vär- metransport och ev friktionsvärme kan vidare bortledas med hjälp av Smörjmedel eller via den andra delen i lagret.Due to the fact that PVD layers, in addition to the good abrasion resistance, also have very low friction, it is conceivable to use the invention to provide PVD-coated bearing surfaces. In some types of bearings, it is traditionally desired to ensure a good friend transfer between the bearing surface and the associated part for dissipation of the heat generated in the bearing due to friction. Arranging a heat-insulating adhesive layer here between the bearing surface and the object in question seems at first sight completely unreasonable, but since the possible bearing surfaces with the invention can be given a very low friction, the need for heat transport decreases and any frictional heat can be further dissipated. the second part of the warehouse.

Ytterligare fördelar och kännetecken på uppfinningen framgår närmare av nedan- stående beskrivning av ett föredraget, på bifogad ritning visat utföringsexempel. På ritningen visas i avsevärt förstorad skala ett snitt genom fett band i enlighet med uppfinningen. 10 15 20 25 30 513 219 4 Det på ritningen visade bandet 1 kan exempelvis utgöras av rostfritt stål. På bandets uppåt vända sida har i en vakuumkamrnare pålagts ett PVD-skikt 2 av exempelvis en me- talloxid, metallnitrid, metallborid, kolnitrid, kol eller någon annan hård förening av metaller, halvledare med syre, kväve, fluor, bor etc, alternativt blandningar av sådana föreningar. På undersidan av bandet är detta fast vid ett underlag 4 med hjälp av lämpligt lirn 3.Further advantages and features of the invention will become more apparent from the following description of a preferred embodiment, shown in the accompanying drawing. The drawing shows on a considerably enlarged scale a section through fat strip in accordance with the invention. The strip 1 shown in the drawing can for instance be made of stainless steel. On the upwardly facing side of the strip, a PVD layer 2 of, for example, a metal oxide, metal nitride, metal boride, carbon nitride, carbon or any other hard compound of metals, semiconductors with oxygen, nitrogen, fluorine, boron, etc., alternatively mixtures has been applied in a vacuum chamber. of such compounds. On the underside of the belt this is fixed to a base 4 by means of a suitable line 3.

Metallbandets (eller plåtstyckenas) tjocklek dirnensioneras för att vid de förväntade punktbelastningarna ge ett tillräckligt hårt stöd för PVD-skiktet så att detta vid en förväntad punktbelastning inte sträcks ut mer än vad dess elasticitet eller plasticitet medger så att sprickor och avskalning undvikes.The thickness of the metal strip (or sheet metal pieces) is dimensioned to provide a sufficiently hard support for the PVD layer at the expected point loads so that at an expected point load this is not extended more than its elasticity or plasticity allows so that cracks and peeling are avoided.

Metallbandet behöver inte vara homogent utan kan exempelvis vara härdat i sin mot PVD-skiktet vända yta alternativt kan metallbandet i sig innefatta ﬂera skikt, lämpligen med det hårdaste vänt mot PVD-skiktet. Även det nötningsbeständiga PVD-skiktet kan vara uppbyggt av ﬂera skikt för att åstadkomma önskade egenskaper. Limmet kan med fördel på- läggas redan vid produktionen av det belagda bandet. Härigenom kan en jämn och likformig blåsfri lirnbeläggning åstadkommas samtidigt som anbringandet på avsedd plats förenklas av- sevärt. Genom att förvara det prefabricerade slitytsbandet i form av en rule erhålles dessutom den fördelen att limskiktet håller ihop rullen och skyddas av anliggningen mot föregående varvs PVD-skikt. Rullen blir vidare oöm och lätthanterlig. Det enda som krävs är en sax eller motsvarande. Om så önskas kan naturligtvis bandet stansas upp i önskade stycken och former, vilka eventuellt kan förvaras i staplar med vid varandra häftande stycken.The metal strip does not have to be homogeneous but can, for example, be hardened in its surface facing the PVD layer, alternatively the metal strip itself may comprise ﬂ your layers, suitably with the hardest facing the PVD layer. The abrasion-resistant PVD layer can also be made up of ﬂ your layers to achieve the desired properties. The adhesive can advantageously be applied already during the production of the coated strip. In this way, an even and uniform blow-free liner coating can be achieved at the same time as the application at the intended place is considerably simplified. By storing the prefabricated wear tape in the form of a rule, the advantage is also obtained that the adhesive layer holds the roll together and is protected by the abutment against the PVD layer of the previous round. The roll also becomes tender and easy to handle. All that is required is a pair of scissors or equivalent. If desired, the strip can of course be punched into desired pieces and shapes, which can optionally be stored in stacks of adhering pieces.

Det framställda stålbandet kan sedan säljas som slityta eller lageryta på rulle och vid användningen helt enkelt klippas upp i lagom stora stycken som sedan häftas fast på rätt ställe. För att vid uppklippandet av bandet säkerställa att inga grader eller dylikt som kan leda till ytskiktets bortrivande eller skadande sker lärnpligen klippningen på så sätt att såväl bandet som ytskiktet får en krökning mot underlaget. Som ett alternativ härtill kan man tänka sig att bandet redan från början d.v.s. före beläggningen försetts med präglade spår i vilka man utan risk kan klippa. Präglingarna i stålbandet belagda yta behöver inte vara inskränkta till kommande platser för avklippning utan man kan även tänka sig en yta försedd med kanaler, antingen av estetiska skäl eller för transport av kyl och/eller Smörjmedel.The manufactured steel strip can then be sold as a wear surface or bearing surface on a roll and during use can simply be cut into reasonably large pieces which are then stapled in the right place. In order to ensure that no burrs or the like can lead to the tear-off or damage of the surface layer when cutting the strip, the learning obligation takes place in such a way that both the strip and the surface layer have a curvature against the substrate. As an alternative to this, it is conceivable that the band from the beginning, i.e. before the coating is provided with embossed grooves in which you can cut without risk. The embossments in the steel strip coated surface do not have to be limited to future places for cutting, but it is also possible to imagine a surface provided with channels, either for aesthetic reasons or for transport of refrigerant and / or lubricant.

Med hjälp av uppfinningen blir det möjligt att t.o.m. använda ytor av s.k. gummidia- mant (kolnitrid) i en mängd applikationer där detta tidigare varit fullständigt omöjligt att tänka sig. Även om det är väsentligt att PVD-skiktets underlägg är hårt så kan man tänka sig att materialet formas även efter beläggningen exempelvis genom böjning till cirkulära former 513 219 5 med slitytan antingen vänd utåt eller inåt beroende pá ändamålet.With the help of the invention it becomes possible to t.o.m. use surfaces of so-called rubber diamond (carbon nitride) in a number of applications where this has previously been completely impossible to imagine. Although it is essential that the substrate of the PVD layer is hard, it is conceivable that the material is formed even after the coating, for example by bending into circular shapes with the wear surface either facing outwards or inwards depending on the purpose.

För de fall att en stum lagring önskas :användes ett mycket tunt lim under det att i andra fall kan en viss elasticitet vara önskad for lagringen som helhet varvid limskiktet kan vara tjockare och elastiskt, exempelvis skumarjtat.In cases where a dull storage is desired: a very thin adhesive is used while in other cases a certain elasticity may be desired for the storage as a whole, whereby the adhesive layer may be thicker and elastic, for example foam-marbled.

Claims

10 15 20 25 30 513 219 6 PATENT REQUIREMENTS

Method for producing a hard wear surface of PVD material on a soft surface, characterized in that a piece of sheet metal of harder material than the substrate by means of a PVD method on one side is coated with a PVD layer which in turn is harder than the metal sheet and that the sheet or parts of it are then glued with their side facing away from the PVD coating fixed where the wear surface is desired on the softer surface.

Method for producing a hard wear surface of PVD material on a large object, characterized in that a piece of sheet metal of hard material is coated by means of a PVD method on one side with a PVD layer which in turn is harder than the metal plate and then gluing the plate or parts thereof with its side facing away from the PVD coating fixed where the wear surface is desired on the intended object.

Method according to Claim 1 and / or 2, characterized in that the plate has the shape of an elongate strip.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the PVD coating consists of several layers.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the plate facing the PVD coating is hardened or plated before the PVD coating is applied in order to obtain the required hardness.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface of the plate facing away from the PVD layer is coated with adhesive so that the plate becomes self-adhesive.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that parts of the desired shape are punched out of the material, in particular in such a way that the degree arising during the punching is turned away from the coated surface.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sheet material is bent, bent or embossed to the desired shape before or after the coating.

Method according to claims 6 and 8, characterized in that the adhesive surface is provided with protective release paper or the like so that shaping in tools can take place after the application of the adhesive.

10. lO. Wear part, characterized in that it consists of a steel plate or equivalent which is coated on one side with a PVD coating and on the other side with an adhesive plate.

11. ll. Wear part according to claim 10, characterized in that it comprises a substrate consisting of a sheet, which in itself is hard, surface hardened or plated.

Wear part according to Claim 10 or 11, characterized in that the plate on its PVD coating is coated on an opposite side with a self-adhesive glue, which is optionally covered by a protective paper until the application.

Wear part according to claim 10, 11 or 12, characterized in that the plate has the shape of a strip or strip, for example in the form of a roller,

Wear part according to one or more of Claims 10 to 13, characterized in that an even harder PVD layer is applied to its hardened or hardened surface, for example carbon nitride (rubber diamond) or diamond-like carbon (DLC), optionally with metal inclusions.