Zdzisława Filipowskiego strona zawodowa

Sympozjum techniczne PLASTECH 2001: "Nowoczesne formy wtryskowe - problemy konstrukcji i użytkowania", str.285-289.

Nowe pokrycia form do tworzyw sztucznych

Współczesna inżynieria materiałowa wśród wielu nowoczesnych rozwiązań technicznych proponuje technologie nanoszenia na powierzchnie form do tworzyw sztucznych nowych warstw o bardzo cennych właściwościach. Konieczność współpracy elementów form z przepływającym stopem w warunkach wysokiej temperatury, wysokich naprężeń ścinających i wysokich ciśnień oraz wzajemnych oddziaływań mechanicznych ich ruchomych elementów, odporność na tarcie, działania erozyjne wszelkiego rodzaju a szczególnie dobre właściwości samosmarujące i antyadhezyjne są wyzwaniem dla tej gałęzi wiedzy. Osiągnięcia w tym zakresie są szybko wdrażane i znajdują zastosowania w warunkach ostrej konkurencji i przy zapotrzebowaniu przetwórców, dla których rozwój wysokowydajnych procesów jest warunkiem dalszego szybkiego zaspokajania potrzeb rynku i klientów OEM (Original Equipment Manufacturer – autentycznych producentów wyrobów).

Dużym utrudnieniem w przetwórstwie tworzyw sztucznych, zwłaszcza przy wtryskiwaniu, jest problem wyjmowania wyprasek z formy. Dotyczy to wszystkich tworzyw sztucznych, ale niektóre sprawiają pod tym względem szczególnie dużo kłopotów. W tych kłopotach wiodącą rolę odgrywają elastomery termoplastyczne a specjalnie niektóre ich rodzaje. By uzyskać lepsze oddzielanie wyprasek od powierzchni formującej dodaje się do granulatów specjalnych środków. Niestety w wielu przypadkach konieczne jest w trakcie procesu cykliczne nanoszenie na powierzchnie formujące dodatkowej warstwy środków rozdzielających. Powoduje to wzrost kosztów nie tylko na środek rozdzielający, ale przede wszystkim ze względu na wydłużenie cyklu pracy. Dodatek substancji zmniejszającej przyleganie znacznie pogarsza zdolność do obróbki powierzchniowej np. malowania, nadruku lub klejenia. Najlepszym sposobem na rozwiązanie problemu jest stworzenie powierzchni formujących w oprzyrządowaniu o bardzo małej przyczepności. Zmniejszenie przylegania wyprasek do ścianek formy skraca czas chłodzenia wyprasek gdyż zmniejsza tendencje do deformacji podczas działania wypychaczy, oraz eliminuje czas potrzebny na ewentualne smarowanie środkiem rozdzielającym, skraca więc cykl całej operacji technologicznej.

Ponieważ całkowicie wyeliminowany jest środek rozdzielający, bardzo poprawiają się warunki higieny środowiska pracy oraz użytkowania wyrobów (bardzo ważne dla zastosowań medycznych, kosmetycznych, spożywczych itp.). Konstrukcja wypraski może też być bardziej delikatna, a cienkościenna wypraska to następne oszczędności (materiał oraz dalsze zwiększenie wydajności). Bardzo często ostre tolerancje wymiarów nie pozwalają na większe pochylenia ścian. Przy antyadhezyjnych powierzchniach form, można pochylenia ścian zmniejszyć i uzyskać bardziej precyzyjny wymiarowo wyrób. Także formy i inne narzędzia są trwalsze ze względu na mniejsze zużycie elementów współpracujących i mniejsze siły potrzebne do usuwania wyprasek z gniazd.

Lepsza odporność na erozję stopu (często wzmocnionego twardym wypełniaczem), oraz oddziaływaniem korozyjnym tworzyw i agresywnych gazów to także mniejsze zużycie form, przy dłuższych czasach pracy między przeglądami i konserwacją oraz łatwiejsze ich czyszczenie.

Wykonywane kiedyś powłoki z twardego chromu technicznego od dawna ustępują miejsca nowym rozwiązaniom. Nowe materiały antyadhezyjne, poślizgowe, warstwy o dużej odporności chemicznej a przede wszystkim o dużej twardości i odporności na zużycie mechaniczne będą się coraz powszechniej stosowane. Wpłynie to na zmniejszenie kosztów ich zastosowania i spowoduje dalszy postęp.

Oferowane, znane pokrycia tego typu noszą zastrzeżone nazwy handlowe Poly-Ond® oraz Nicklon®. Posiadają one ekstremalnie niski współczynnik tarcia i bardzo dobre właściwości rozdzielające i poślizgowe przy wysokiej odporności na korozję oraz kontrolowaną dużą twardość powierzchni.

Jest to powłoka na bazie niklu (ok. 80% wag. Ni w warstwie) osadzanego chemicznie z kąpieli fosforanowej (ok. 10% wag. P) i jednocześnie współosadzanego policzterofluoroetylenu (ok. 10 % wag. czyli ok.25 % obj. PTFE). Warstwy te można nanosić na takie metale jak stal, żeliwo, aluminium, mosiądz i brąz. Następnie w zależności od potrzeb spieka się ją w temperaturze 370⁰C do 400⁰C. Uzyskuje się twardość 50 HRC przy niespiekanej powłoce, natomiast po obróbce termicznej twardość wzrasta do 68÷70 HRC. Możliwe jest dokładne ustawienie w zakresach od 41 do 70 HRC. Współczynnik tarcia kinetycznego pod obciążeniem 200 funtów wynosi 0,06. Otrzymane powłoki mają grubość od 0,0013 do 0,75 mm (standard: 0,013 mm) i mogą pracować od –50⁰C do 290⁰C w warunkach pracy ciągłej i do 400⁰C przy pracy przerywanej. Gładkość powierzchni Ra wynosi 0,5 µm lub mniej. Odporność na mgłę solną wg ASTM-B-117: -przy 0,013 mm 650 godzin a przy powłoce 0,05 mm 1000 godzin. Powłoki można chemicznie zdejmować bez naruszania istniejącej powierzchni nawet z różnych podkładów metalicznych.

Rys 1: Wpływ pokrycia NICKLON^® na wielkość płynięcia metodą spirali

Zwiększenie płynięcia w warunkach testu (ok. 5 ÷ 8 %) może nie być bardzo zauważalne w rzeczywistych warunkach wtryskiwania wyrobów.

Te pokrycia antyadhezyjne noszą obok nazwy „chemicznej”: WS2 także handlowe: Everslik^® MS-300 (technologia Microseal^®) i Diacronite DL-5 wg producenta oferującego tą technologię także na rynku europejskim.

Są to pokrycia o mniejszej grubości ok. 0,5 µm z modyfikowanej warstwy dwusiarczku wolframu o strukturze blaszkowej związanej siłami mechanicznymi i cząsteczkowymi. Prawdopodobnie osadzanej z fazy gazowej. Powłoka jest obojętna, nietoksyczna, odporna na korozję i wysokie temperatury oraz nie przenosi się na formowaną wypraskę. Jej odporność na obciążenia jest taka sama jak odporność podłoża (ze względu na mała grubość) do wartości 350 000 psi.

Współczynnik tarcia dynamicznego powłok z WS₂ wynosi 0,03 a statycznego od 0,07 do 0,09. Pokrycia można nakładać nie tylko na metale ale także na szkło, włókna szklane, porcelanę i wiele tworzyw sztucznych.

Zastosowania tych powłok nie ograniczają się tylko do powierzchni formujących, ale także są polecane do ruchomych elementów form i innego oprzyrządowania:

Handlowa nazwa tego pokrycia stosowanego w formach wtryskowych to DiamondBLACK^®. Są to ceramiczne pokrycia o typowej grubości od 0,5 do 6 µm osadzane w stosunkowo niskiej temperaturze od 120⁰C do 230⁰C w procesie PVD (Physical Vapor Deposition - fizycznego osadzania z fazy gazowej). Są to bardzo twarde powłoki ponad 90 HRC.

Pokrycia węglika boru mają duże powinowactwo do aluminium, tytanu i niklu. Można nim pokrywać prawie wszystkie stale oraz węgliki. Powłoka jest bardzo odporna na ścieranie, erozję i korozyjne oddziaływanie gazów np. z zawartych w tworzywie sztucznym uniepalniaczy. Posiada właściwości poślizgowe które można jeszcze bardziej poprawić nakładając dodatkowo jeszcze warstwę opisanego wyżej dwusiarczku wanadu np Everslik^® MS-300 wg technologii Microseal^®. Współczynnik tarcia dynamicznego samych powłok DiamondBLACK^® wynosi 0,09 a statycznego 0,20. Odporność termiczna na utlenianie sięga 600⁰C.

Powłoki DiamondBLACK^®nie są polecane do niektórych tworzyw sztucznych takich jak: wszystkie tłoczywa; szczególnie mocznikowe, melaminowe, fenolowe, epoksydy, poliuretany i polieteroimidy (PEI, Ultem).

Pokrycia można nakładać na następujące stale i inne metale, wg zaleceń firmy, (są to oznaczenia stali amerykańskich) P-20 (1,2330), H-13 (1,2713), A-2, S-7, D-2 (1,2379), A-10, A-6, brązy berylowe (np. moldMAX, ampcoloy), aluminium i inne jego stopy.

Natomiast niektóre inne stale i inne materiały nie są kompatybilne z powłokami DiamondBLACK^® , są to: stale serii 1100 i 1200, stale i stopy z ołowiem, cyną, cynkiem, bizmutem, kadmem i magnezem. Także materiały zawierające fosfor, selen, siarkę, tellur, pokryte ceramiką tytanową, bezprądowo niklem, teflonem oraz częściowo porowate.

Od niedawna osiadamy formę wykonaną ze stopu aluminiowego z pokryciem DiamondBLACK^® , w tym konkretnym zastosowaniu nie widać jednak wszystkich zalet tej powłoki, wpływa na to specyficzna konstrukcja formy. Na ostateczną ocenę należy poczekać po dłuższej eksploatacji.