Skruevakuumpumpe til PVD coating

Coating af overfladerne på store metalværktøjer og komponenter er Dreistegen GmbH's kerneforretning. Den bruger forskellige diffustionslagteknikker, som f.eks. nitrering, nitro opkulning eller oxidering og coatingteknikker som f.eks. fysisk dampaflejring (PVD) og kemisk dampudfældning (CVD) under anvendelse af kold plasma.

Når Dreistegen påfører hærdede, tynde lag ved brug af dampaflejring (katodebuebelægning) sætter virksomheden sin lid til en COBRA NC skruevakuumpumpe fra Busch Vacuum Solutions. Som forpumpe fungerer den med to parallelle turbomolekylære vakuumpumper for at generere vakuummet i coating kammeret.

I 2008 startede Dr. Oliver Kayser i bygninger, som tidligere husede en gammel tekstilfabrik, i byen Monschau i regionen Eifel i Tyskland. Den gamle industribygning var 200 år gammel og blev vakt til live igen af Kayser, hvis virksomhed i første omgang fokuserede på plasma nitrering og PVD coating af værktøj og komponenter. Det, som begyndte i det små i delvist faldefærdige bygninger, har nu udviklet sig til en moderne, mellemstor virksomhed med 40 medarbejdere, som påfører arbejdsemner specielle, tynde lag for at beskytte dem mod slitage og korrosion. Disse coatings bidrager ydermere til at forhindre restaflejring på overfladerne. Derved undgås parasitreaktioner med andre materialer. Mange af Dreistegens kunder er i plastforarbejdningsbranchen og bestiller virksomheden til at coate sprøjtestøbt, ekstruderet eller blæsestøbt værktøj. Dr. Oliver Kayser udviklede en speciel form for coating, som forhindrer værktøjets overflades katalystiske stimulation i at nedbryde det smeltede plastik. Som følge deraf klistrer plastikken ikke til støbeformen. For maskinarbejderen betyder dette, at materialet og farven kan ændres hurtigt, når der bruges ekstruderings- eller sprøjtestøbning. Desuden kan mængden af slipmiddel til støbeformene reduceres eller helt undgås.

Dreistegen coater også formværktøj og trykstøbeforme, primært til bilindustrien og dens leverandører. Dreistegen har et sortiment af nitrerings-, PVD- og CVD-coatings og færdigbehandlinger.

Dr. Oliver Kayser er meget involveret i moderne coatingteknikker og eksperimenterer altid med optimering af tynde lag for at give dem specifikke egenskaber, som genererer fordele for hans kunder i bestemte anvendelser. Dette indebærer også optimering af teknologien på hans fabrik.

Hans indkøbte PVD coatingsystem har en anvendelig drejediameter på 1.200 millimeter og en anvendelig højde på 1.500 millimeter og blev oprindeligt installeret med et vakuumsystem, der havde en oliesmurt lamelvakuumpumpe som forpumpe og to vakuumboostere. Dette system genererede det nødvendige vakuum til de to turbomolekylære vakuumpumper, som var i parallel drift. Kayser erstattede hele sin forvakuumenhed med en COBRA NC 400 B fra Busch. Skruevakuumpumpen opnår et sluttryk på 0,05 mbar (hPa) i et enkelt trin. Det kan således erstatte den gamle tre-trins vakuumenhed fra en anden producent i forhold til sluttryk og pumpehastighed og samtidig også opnå en meget bedre energieffektivitet.

Kayser undersøgte også omhyggeligt skruevakuumpumper fra en anden producent. De havde et etsidet lejesystem og var drevet af en speciel motor, som var svær at erstatte.

Fra fyldningen af coating kammeret til fjernelse af arbejdsemnerne tager selve katodebuebelægningsprocessen mellem 14 og 18 timer. COBRA NC vakuumpumpen kører videre i de korte pauser mellem to processer for samling og fjernelse af arbejdsemnerne. Dette betyder, at COBRA NC kører året rundt. For Kayser er den aktuelle installation til generering af procesvakuum i hans coatingsystem – bestående af kombinationen af en COBRA NC skruevakuumpumpe og to parallelle nedstrøms turbomolekylære vakuumpumper – en ideel løsning.

Arbejdsemnets grundmateriale skal overholde et bestemt overfladehårdshedsniveau, før det kan få en PVD coating. Af den grund klargør Dreistegen generelt arbejdsemnerne til coating med en plasmanitreringsproces.

Arbejdsemner, som har gennemgået en plasmanitreringsproces blæses dernæst med glasperler eller poleres let, hvis det er nødvendigt. Når arbejdsemnerne er renset, fastgøres de i holdere og læsses i coating kammeret. Det lukkede kammer evakueres derefter til et vakuumniveau på 10-5 mbar (hPa). Arbejdsemnerne i kammeret opvarmes så til maks. 450 °C.

Når procestemperaturen er nået, eroderes de naturlige oxider i en argon-glimudladningsplasma. Buefordamperne tændes dernæst og er derved flytbare. De forbliver dog forbundet med donormaterialerne af titaniumkrom eller deres legeringer på grund af de permanente magneter, der sidder bagtil. Der kan også bruges aluminiumlegeringer eller andre metaller.

I buen fordampes donormaterialet i en eksplosionslignende proces, og de individuelle damppartikler ioniseres næsten fuldstændig. Der anvendes elektrisk tænding (BIAS) til at skyde ionerne på arbejdsemnerne. Der tilføjes også reaktive gasser som nitrogen, acetylen, methan, ilt og brint. Tilføjelsen af disse gasser får trykket i coating kammeret til at stige til 10-2 mbar (hPa). De reaktive gasser, som frigives fra plasmaen, binder sig til metalionerne på arbejdsemnets overflade for at lave lagene med hård coating. Typiske blandinger inkluderer titaniumnitrid (TiN), titaniumcarbonitrid (TiCN), kromnitrid (CrN), aluminiumtitaniumnitrid (AITiN) og kromoxid (Cr2O3). I kraft af den høje partikelenergi og indtrængningsevne er den frembragte coating ekstraordinært klæbende og ensartet, selv på arbejdsemner med komplekse former. De tynde lag, som Dreistegen frembringer ved brug af dampaflejning (katodebuebelægning), opnår hårdhedsniveauer på mere end 2.000 HV (vickershårdhed).

Det eneste arbejde, der skal udføres på skruevakuumpumpen, er et årligt skift af gearolien.

Dr. Oliver Kayser understreger, at skruevakuumpumpens absolutte driftssikkerhed er meget vigtig for ham. Nedbrud af vakuumpumpen under processen ville gøre enorm skade, da det ville gøre de dyre arbejdsemner ubrugelige.

Efter to års uafbrudt drift af COBRA NC udtaler Dr. Oliver Kayser: