Outils pour le moulage sous pression d'aluminium pendant le dépôt de diamant.

CVD Diamond comme couche de protection dans la coulée d’aluminium

Moulage d’aluminium CVD Diamond comme couche de protection dans la coulée d’aluminium

| Auteur / éditeur: M.Sc. Thomas Helmreich, M.Sc. hons. Maximilian Göltz, M.Eng. Thomas Mengele, PD Dr.-Ing habil. Stefan Rosiwal / Nicole Kareta

Les couches de diamant cristallin appliquées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) empêchent le contact direct entre l’aluminium fondu et l’outil en acier. Dans le cadre d’un projet «Nouveaux matériaux en Bavière», la Chaire de science et technologie des matériaux (WTM) de l’Université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg (FAU) a réussi pour la première fois à recouvrir de manière adhésive divers alliages d’acier avec du diamant cristallin.

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Outils pour le moulage sous pression d’aluminium pendant le dépôt de diamant.

(Source: FAU)

La forte réactivité de l’aluminium avec le fer et d’autres métaux conduit à l’alliage d’aluminium à la surface de l’outil lorsqu’une fonte d’aluminium entre en contact direct avec un moule en acier. Cela réduit la précision dimensionnelle des pièces moulées ainsi que la démoulabilité et la durée de vie du moule. Des contre-mesures élaborées telles que des traitements par pulvérisation pour augmenter la démoulabilité ou des restrictions dans la géométrie sont actuellement nécessaires à la fois techniquement et économiquement. Les couches de diamant cristallin appliquées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) empêchent le contact direct entre l’aluminium fondu et l’outil en acier. Aux températures de coulée habituelles, le diamant cristallin ne réagit pas avec l’aluminium.

Dans le cadre d’un projet financé par la Fondation bavaroise pour la recherche, la Chaire de science des matériaux et de technologie des métaux (WTM) de l’Université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg (FAU) a réussi pour la première fois à recouvrir divers alliages d’acier avec du diamant cristallin dans d’une manière adhésive. Le premier essai industriel mondial d’outils en acier revêtus de diamant CVD en coopération avec deux partenaires industriels franconiens (Schulte & Schmidt – Nuremberg, Telsonic – Erlangen) a maintenant eu lieu dans le cadre du projet « Nouveaux matériaux en Bavière » « DiAlum – Diamant CVD contre l’usure de l’aluminium « financé par la gestion de projet Jülich et le ministère bavarois de l’économie, du développement régional et de l’énergie.

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Revêtements de diamant cristallin

Les revêtements de diamant cristallin sont produits par dépôt chimique en phase vapeur activé par fil chaud (HF-CVD) sous vide à partir d’une atmosphère d’hydrogène-méthane activé. Un revêtement de diamant adhésif direct de substrats en acier n’est pas possible en raison de la forte affinité du fer et du carbone. Aux paramètres de dépôt actuels (atmosphère contenant des hydrocarbures et températures de 750 ° C à 950 ° C), du carbure de fer métastable se formerait d’abord sur la surface de l’acier, qui se décomposerait ensuite en graphite et en fer. Pour éviter cela, une couche barrière doit être appliquée avant le revêtement diamant.

Le nitrure de titane dopé au bore (TiNB) remplit très bien le profil d’exigence en tant que couche barrière, car il ralentit fortement la diffusion du carbone dans le substrat en acier et la diffusion du fer hors de la pièce. Le système intercouche assure également un excellent ancrage mécanique de la couche de diamant en raison de sa morphologie rugueuse et en forme de plaque. Le dopage au bore permet une excellente liaison chimique en créant des sites de liaison libres pour le carbone. Le revêtement TiNB haute température est produit à plus de 1000 ° C par CVD à paroi chaude (HW-CVD). Alternativement, des couches intermédiaires à base de carbure de chrome ou de tantale sont disponibles en tant que couches barrière pour un revêtement en diamant CVD.

Le soudage sous pression est l'une des raisons les plus courantes de mauvaise qualité de coulée et d'endommagement du moule de coulée.

Les revêtements barrière CVD sont appliqués dans une usine de revêtement CVD à parois chaudes de Surmetall. Pour le revêtement diamant CVD, des systèmes de revêtement diamant haute performance (50 kW) avec des volumes de revêtement allant jusqu’à 30 000 cm³ (40 cm x 25 cm x 30 cm) sont constamment adaptés et développés au fil de l’optimisation des processus de revêtement en fonction les géométries d’outils de plus en plus complexes et de plus en plus grandes (poids unitaire max. auparavant 40 kg). Cela permet un revêtement homogène d’outils volumineux à l’extrémité supérieure de la température de la fenêtre de traitement au diamant (jusqu’à environ 950 ° C). Une unité de trempe à l’hélium intégrée garantit des taux de refroidissement élevés. Cela permet au traitement thermique du substrat en acier d’obtenir une structure de durcissement et les caractéristiques de résistance élevées associées directement dans le processus de revêtement au diamant. En ajoutant des gaz contenant du bore, le diamant peut être dopé et la conductivité électrique peut être adaptée aux exigences via la teneur en bore. Contrairement au carbone amorphe (Diamond Like Carbon – DLC), les liaisons carbone-carbone sont presque complètement hybrides sp3, résultant en une dureté et une résistance à l’usure maximales.

De nombreux processus de fabrication avec des surfaces métalliques en contact avec le produit n'ont pu être résolus que de manière insatisfaisante, même avec des surfaces métalliques hautement raffinées.

Une réduction des contraintes résiduelles de refroidissement thermique entre le diamant et l’outil en acier après le revêtement au diamant est décisive pour une adhérence fiable du revêtement au diamant. Celles-ci sont causées par les coefficients de dilatation thermique très différents du revêtement en diamant céramique et du substrat en acier métallique. Les différences de déformation à température ambiante peuvent être considérablement réduites en utilisant de manière ciblée l’expansion volumique de l’acier pendant le refroidissement à partir de la température de revêtement au diamant, qui se produit pendant la transition de phase de l’austénite à la ferrite / bainite / martensite. Des températures de revêtement de diamant très élevées supérieures à 900 ° C sont donc nécessaires pour obtenir une austénitisation suffisante (par exemple dissolution du carbure de chrome). La mesure des paramètres thermomécaniques, tels que les coefficients de dilatation thermique en fonction de la température, les points de transformation de phase ainsi que les transformations de phase en fonction du temps au moyen de la dilatométrie dans un projet de recherche DFG mené en parallèle, a permis une meilleure compréhension de la processus en cours et a permis un nouvel ajustement des paramètres de revêtement de diamant.

Revêtement et essais

Dans le cadre du projet DiAlum, le revêtement au diamant CVD de différents outils en acier pour le moulage sous pression en aluminium a été réalisé comme décrit ci-dessus. La durée de vie des broches centrales (Fig. 2) pourrait être quintuplée par un revêtement en diamant comme indiqué sur la Fig. 3. Le revêtement en diamant cristallin fonctionne également mieux qu’un revêtement PVD disponible dans le commerce. Le démoulage facilité réduit les contraintes mécaniques sur le moule. Le revêtement en diamant a pu augmenter la durée de vie des noyaux centraux de 2 800 coups à au moins 5 800 coups (Fig. 4). La qualité des composants et des surfaces était excellente sur toute la série, car aucun endommagement de l’insert n’est survenu pendant la période d’essai.

Couverture du livre blanc: Vogel Communications Group

Les noyaux de soupape à glissière non revêtus ont montré des adhérences d’aluminium après seulement environ 500 tirs. Un revêtement de diamant (Fig. 5) a pu empêcher l’adhérence sur toute la série (19 000 plans). Le projet a également revêtu avec succès des inserts de moule de grandes dimensions (Fig. 6). Les tests industriels ne se limitaient pas aux outils de moulage. Des revêtements diamantés électriquement conducteurs ont été appliqués pour remplir les électrodes de niveau. L’effet antiadhésif du diamant a l’avantage qu’aucune goutte ne se forme et que le niveau de remplissage du creuset peut ainsi être déterminé avec précision. Ainsi, un niveau de remplissage constant de la poche est atteint et les coups vides sont efficacement empêchés. Une énorme prolongation de la durée de vie de l’outil (Fig. 9) a été obtenue par le revêtement au diamant CVD des couteaux de poinçonnage (Fig. 8). Le revêtement en diamant empêche de manière fiable la formation d’arêtes accumulées, de sorte qu’au lieu d’un changement d’outil de deux semaines, les couteaux de poinçonnage sont utilisés pendant des mois.

Résumé

Les revêtements diamantés peuvent être utilisés dans le moulage sous pression en aluminium de différentes manières. La durée de vie des moules peut être considérablement augmentée, car à la fois les réactions chimiques de l’aluminium fondu avec le moule et les processus abrasifs sont efficacement empêchés par la couche extrêmement dure et inerte. Des dommages aux installations dus à des chambres de coulée insuffisamment remplies, par exemple, peuvent être évités en utilisant des électrodes de coulée diamantées. En augmentant la durée de vie, l’efficacité économique du revêtement de diamant est garantie, car les coûts de revêtement doivent être mis en balance avec les coûts de moule supplémentaires ainsi que les coûts d’installation et les temps d’arrêt. Cela a pu être démontré à l’échelle industrielle dans le projet « DiAlum – Diamant CVD contre l’usure de l’aluminium » avec une durée de vie de plusieurs années.

Contact: PD Dr.-Ing. habil. Stefan M. Rosiwal (Courriel: stefan.rosiwal@fau.de)

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