摘要

　　在加工塑料和彈性體材料時(shí)才嘀，采用離子氮化和硬質(zhì) PVD 涂層的組合工藝處理方法可有效遏制磨損假棉、冷焊卢掖、腐蝕和材料堆積等問(wèn)題暴撼。該組合工藝除了提高表面硬度和抗化學(xué)能力外，還可優(yōu)化強(qiáng)度和韌性等性能甘有。

　　關(guān)鍵參數(shù)包括材料的選擇诉儒、等離子熱處理工藝類(lèi)型及涂層種類(lèi)。等離子熱處理工藝溫度較低亏掀，工藝處理過(guò)程中工件的尺寸和韌性等變化很小忱反，因此材料的選擇范圍很廣。涂層的工藝溫度可低至180 °C滤愕。因此滲碳和PVD硬質(zhì)膜涂層組合工藝也可是一種選擇温算。除了傳統(tǒng)硬質(zhì)膜涂層外, W-C:H類(lèi)的干式潤(rùn)滑薄膜可應(yīng)用于低摩擦領(lǐng)域。

　　等離子滲氮及PVD涂層組合工藝在大型零件上的應(yīng)用如今已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化间影。

1 米者、簡(jiǎn)介

　　進(jìn)行塑料加工時(shí)如何避免磨損、腐蝕以及材料堆積問(wèn)題是關(guān)鍵宇智。因此，在具體應(yīng)用中胰丁，表層随橘、加工面及模具表面三者之間必須合理匹配。在等離子滲氮處理后沉積合適的硬質(zhì)膜是一種有效的方法熔又。等離子輔助化學(xué)熱處理層及涂層的組合應(yīng)用在有效改善產(chǎn)品性能的同時(shí)還可降低單位成本协伴。

　　同時(shí),采用有效方式對(duì)應(yīng)用于塑料加工領(lǐng)域的工具表面進(jìn)行改性也已經(jīng)變得越來(lái)越普遍。而成功的關(guān)鍵在于是否對(duì)工具及其表面特性有正確的理解非宝。例如：金屬疲勞現(xiàn)象的防止要從最初階段對(duì)材料和相關(guān)熱處理工藝的選擇開(kāi)始杨趣。而塑料加工應(yīng)用中機(jī)械設(shè)備及模具制造狀況會(huì)直接影響到塑料材料與工具表面的化學(xué)反應(yīng)狀況。

2 券转、工藝

　　等離子滲氮是一種十分有效的生成界面膜層的熱處理方式凡搪。輝光放電等離子體中氮擴(kuò)散進(jìn)入膜層中從而增強(qiáng)工件表面硬度[1]。工藝過(guò)程中待處理工件為陰極樊悬，通入氫氣及氮?dú)獾幕旌蠚怏w轨凡，在數(shù)百伏特及50-500Pa壓力下對(duì)陽(yáng)極施偏壓。陰極勢(shì)降中谋哼，由于基體表面溫度高達(dá)450 °C以上文紧，氮離子獲得加速并撞擊基體表面從而氮元素滲入工具內(nèi)部叔三。通過(guò)這種方式可形成含鐵或鉻、鉬俭谨、鋁及鎂等的氮化物化合層及擴(kuò)散層硝拧。其表面硬度可達(dá)1000 HV甚至更高。通常工件表面主要為被稱(chēng)之為白層的鐵氮化合物葛假。氮含量可以根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)節(jié)甚至完全抑制以便為后續(xù)的硬質(zhì)材料涂層創(chuàng)造更好的表面條件障陶。生成的擴(kuò)散層從工件表面至核心幾十毫米深度其硬度降低非常平緩。

　　在工業(yè)化沉積硬質(zhì)膜方面桐款，電弧蒸發(fā)工藝因?yàn)槠浜?jiǎn)單便捷而占據(jù)著非常重要的地位咸这。工藝過(guò)程中，涂層金屬因?yàn)樗a(chǎn)生的電弧在表面邊界快速移動(dòng)而獲得蒸發(fā)魔眨、電離媳维，在工件底盤(pán)通負(fù)偏壓情況下,金屬離子加速撞擊到工件上。電弧蒸發(fā)工藝單純采用物理方法使金屬蒸發(fā)遏暴，而不包括任何中介揮發(fā)性化合物侄刽，因此是一種典型的 PVD（物理氣相沉積）工藝。通過(guò)添加含氮或含碳?xì)怏w朋凉，可形成氮化物和碳化物金屬薄膜州丹。薄膜具有非常高的微硬度（TiN 約 2500 HV、CrN 約 2100 HV杂彭、TiCN 約 3000 HV墓毒、AlTiN 約 2800 HV）、低摩擦性能和很好的化學(xué)惰性嘱峦。通常當(dāng)工藝溫度在 180°C 以上時(shí),可以獲得高質(zhì)量的涂層 [2]笨墙。因此 PVD 工藝也可適用于滲碳鋼。氮化和涂層技術(shù)的特點(diǎn)使對(duì)總體長(zhǎng)度 達(dá)4 米的工件進(jìn)行組合處理成為可能侍除。同時(shí)還可組合處理直徑 1.5 米刷粒、長(zhǎng)度 2 米的大組件。

　　沉積低摩擦涂層例如W-C:H晋蛾，目前很多情況下采用濺射技術(shù)宵穆。該涂層工藝與電弧蒸發(fā)離子鍍相似，壓力范圍大約為 1 Pa艳院。薄膜系統(tǒng)由鉻層糯侍、碳化鎢支持層和碳化鎢碳?xì)浠衔锔采w層組成。W-C:H 鍍層硬度要低于其它典型的硬質(zhì)材料鍍層, 大約為 1000 HV颠恬。但其摩擦系數(shù)相對(duì)較低[4]究惨。在塑料加工領(lǐng)域，W-C:H 鍍層經(jīng)常應(yīng)用于銷(xiāo)針和滑塊等部件苇裤。

3 治拿、工具疲勞

　　當(dāng)材料的選擇和熱處理類(lèi)型以?xún)?yōu)化工件表面的抗磨損性能為目的時(shí)摩泪，常常會(huì)損壞核心材料硬度,因此工件容易形成一定程度的裂縫和破損。離子氮化作為一種邊界層熱處理方法劫谅，使邊界層高硬度和核心韌度的兼有成為可能见坑。根據(jù)材料和氮化工藝，表面硬度可以達(dá)到1000 HV 以上捏检。氮化硬度的深度可以通過(guò)工藝溫度和時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)荞驴，根據(jù)要求其深度可以是幾個(gè)微米到幾十個(gè)毫米。大量氮的摻入使邊界層中產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力贯城。來(lái)自外界的交變載荷疊加在此靜態(tài)壓應(yīng)力[5] 之上熊楼。在邊界上產(chǎn)生的張應(yīng)力減小。同樣能犯，最大殘余張應(yīng)力位移至組件的裂縫不敏感內(nèi)部區(qū)域鲫骗。結(jié)果反向彎曲應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度增加。

4 踩晶、磨損

　　由于典型磨損顆粒的高硬度执泰，離子氮化不提供對(duì)磨損的持久保護(hù)。例如當(dāng)?shù)砻媸艿讲ＡЮw維（約 1200 HV）子桩、TiO2色素（約 1200 HV）或 Cr2O3 以及 Al2O3 纖維（約 2300 HV）沖擊時(shí)杖烘。

　　PVD硬質(zhì)膜的顯微硬度高達(dá)2000HV之上，因此非常適合于微型切削奄刊。硬質(zhì)宏觀大顆粒物體通常具備高脆性特征于抬，在疲勞狀況下容易碎成小塊，直到足以承載疲勞負(fù)荷為止饱粟。例如元邻，窗戶(hù)玻璃是脆性的且易受到損壞，而玻璃纖維卻是柔性的,因此往往用于改進(jìn)塑性材料的強(qiáng)度慨蜒。實(shí)踐中，較小的硬質(zhì)顆粒具有更高的抗磨損能力畔怎。

　　有了這些背景知識(shí)歉羹，就不必感到吃驚：只有幾個(gè)微米的硬質(zhì)層在抗磨料磨損方面具有更好的表現(xiàn)。在極大機(jī)械應(yīng)力的情況下者妆，離子氮化和硬質(zhì)涂層的組合處理便表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)帅挫，因?yàn)楸砻娉浞钟不牟牧峡赡馨l(fā)生塑性變形，并可能壓入基層材料喘疹。離子氮化和涂層工藝為工件抗裂縫磨損能力的改善及獲得具有核心韌性的硬質(zhì)表面創(chuàng)造了條件抡草。圖1中的圖表所示是硬度的典型變化曲線(xiàn)。工件韌性通過(guò)硬化工藝獲得,在進(jìn)行氮化處理后硬度增加到1000HV蔗坯。表面的硬度等級(jí)直接由鍍層來(lái)決定康震。為了有效地遏制磨損燎含，通常采用硬質(zhì)鍍層，因?yàn)樗鼈兊挠捕韧ǔ１鹊湫陀操|(zhì)顆粒的硬度大腿短。

圖 1離子氮化和PVC涂層后硬度的變化

　　離子氮化和CrN鍍層的組合處理方式可有效遏制模具凹槽表面在加工玻纖含量很高的塑料時(shí)的磨損現(xiàn)象（圖2）屏箍。本案例為用于含35%玻纖材料聚酰胺（PA）材質(zhì)制造箱的注塑模具。很短時(shí)間內(nèi)在沒(méi)有鍍層的注塑工作區(qū)域便出現(xiàn)了大面積沖蝕現(xiàn)象橘忱。該工具由冷熱作鋼材料的成型模赴魁、鑲件和噴嘴組成。單個(gè)組件經(jīng)過(guò)等離子氮化后表面硬度可以達(dá)到 700 HV1之上（維氏硬度）钝诚。氮化深度取決于鉻含量颖御，介于0.15至0.3mm之間。離子氮化工藝溫度應(yīng)低于熱處理鋼的回火溫度以避免熱變形或基體硬度的降低凝颇。

圖 2用于 加工含 35 % 玻璃纖維聚酰胺材質(zhì)箱體的注塑模具潘拱，經(jīng)過(guò)離子氮化和 CrN 多層涂層組合處理。

　　之后爬账，鑲件也進(jìn)行了硬質(zhì)鍍層源相。鍍層通常為多層結(jié)構(gòu)，這樣厚度可達(dá)到> 6 μm横罪。這種多層結(jié)構(gòu)可遏制加工 PA 時(shí)可能發(fā)生的腐蝕蔓延下乱。

　　許多情況下，維持特定的表面質(zhì)量蚂悯，其針對(duì)性各不相同条肢。例如加工玻纖塑料時(shí)，表面需要具有很好的抗磨損性能蒜薇。這種情況下稀忘，我們對(duì)熱作鋼工件進(jìn)行了離子氮化和鍍層的組合處理。經(jīng)過(guò)拋光處理的表面脯堂，其粗糙度可達(dá)到 Rz < 1 Rz扣筛。從外觀來(lái)看，這樣的表面光澤度極佳颤与，這對(duì)于反射體工件加工而言至關(guān)重要水导。（圖 3）。該組合處理方式確保了光澤度的高穩(wěn)定性及持續(xù)性继找。污染物也可以被輕易地從表面去除而不會(huì)對(duì)表面造成損壞遂跟。

圖 3用于加工反射體的模具，經(jīng)過(guò)離子氮化婴渡、CrN 鍍層和拋光處理幻锁。

5 、降低摩擦系數(shù)

　　注塑工藝的特征就是頻繁地覆蓋和打開(kāi)凹模的表面,因此應(yīng)盡可能地減少銷(xiāo)針和滑塊的摩擦边臼，否則會(huì)增加潤(rùn)滑和維護(hù)的難度哄尔。在許多情況下假消，必須完全避免使用傳統(tǒng)潤(rùn)滑劑以防止?jié)櫥瑒┚砦阶⒛２考稀?/p>

　　因此，發(fā)生相對(duì)摩擦的表面往往使用干式潤(rùn)滑劑究飞。一種情況是: 上層 W-C:H 鍍層的一小部分轉(zhuǎn)移到相對(duì)的金屬層置谦，也就是實(shí)際上是干潤(rùn)滑劑與其自身相互摩擦。幾乎沒(méi)有任何摩擦亿傅，也就幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何磨損媒峡。鋼結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)向銷(xiāo)針和滑塊（圖 4）是W-C:H 鍍層的典型應(yīng)用案例。

圖 4 用于注模的 W-C:H 鍍層銷(xiāo)針  

　　再來(lái)看看塑料加工機(jī)器上驅(qū)動(dòng)區(qū)域的齒輪或花鍵軸在鍍層以后的表現(xiàn)：通過(guò)W-C:H鍍層葵擎，可以避免微蝕和輪齒過(guò)早崩裂谅阿。這樣一來(lái), 齒輪還可以在低噪音狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。由于對(duì)疲勞強(qiáng)度的改善某蛆，小齒輪可以實(shí)現(xiàn)更大的扭矩碴秽，服務(wù)壽命也大為延長(zhǎng) [6]。濺射技術(shù)工藝過(guò)程中诸跳，溫度可以相對(duì)較低承叫。這樣滲碳的小齒輪也可以采用干潤(rùn)滑式 W-C:H 鍍層，而不會(huì)損壞核心材料的硬度（圖 5）彼使。

圖 5 作為驅(qū)動(dòng)組件的 W-C:H 鍍層小齒輪軸

6 织鳖、腐蝕

　　發(fā)生腐蝕的可能原因包括樹(shù)脂中殘留的水份、脫模劑以及塑性材料自身的內(nèi)部腐蝕接馏。為了防止腐蝕卷哟，通常使用高合金的材料；另一方面扇蚯，工具成本和加工成本都更高了役躬；再者，防銹和防酸材料通常硬度較低柿糖，在受到磨損時(shí)抗磨性較小纸兔。因此要實(shí)現(xiàn)防腐蝕，其它的性能必定會(huì)受到影響否副。采用鉻含量較高的材料進(jìn)行離子氮化也非最佳方案汉矿，因?yàn)槠谕挠捕冗_(dá)到了，防腐性能卻降低了副编。

　　進(jìn)行塑性材料加工時(shí)负甸，所使用的材料類(lèi)型不同流强，其腐蝕程度也不同痹届。例如，中度鉻含量的熱成形工具鋼受到裂縫腐蝕損壞的可能性更大打月。這顯然是由于工具鋼中鉻含量的局部差異性引起的队腐。離子氮化之后蚕捉，自由鉻元素轉(zhuǎn)化為氮化物，材料的抗化學(xué)性能因此獲得改善柴淘∑妊停可以通過(guò)組合處理工藝來(lái)遏制屬于電化學(xué)腐蝕類(lèi)型的裂縫腐蝕。

　　硬質(zhì)鍍層本身通常不易受到腐蝕为严，因此可以通過(guò)沉積盡可能致密的鍍層來(lái)減少腐蝕機(jī)率升筛。不同鉻含量的 Cr層和 CrN 層的復(fù)合涂層因?yàn)闉榛w提供了屏蔽作用而或多或少成為減少化學(xué)腐蝕的輔助原因之一。最后垛搏，腐蝕保護(hù)性能的優(yōu)劣還取決于造成腐蝕的材料可以滲入鍍層中殘留微型孔隙的程度柳竟。

　　PVC材料加工過(guò)程中是由塑性材料自身的化學(xué)屬性而導(dǎo)致腐蝕的典型案例之一。PVC材料在鋼材表面受到催化分解后形成氯化氫肩卡，然后與塑性材料中殘留的水份發(fā)生反應(yīng)慰乾，形成鹽酸從而對(duì)鋼材表面造成腐蝕。因?yàn)檎承运芰蠠o(wú)法進(jìn)入 CrN 多層鍍層的微型孔隙中嗦忍， PVC 催化分解對(duì)工具鋼造成的腐蝕受到阻斷殊童，從而有效地防止了腐蝕 [7-8]。CrN 多層鍍層的應(yīng)用實(shí)例包括蝸桿阿绣、薄板成型工具或螺旋分配器（圖 6 – 8）海泵。基體材料常常使用氮化鋼湖吭。通過(guò)最初的氮化處理掺厦，然后進(jìn)行鍍層之后，裂縫腐蝕的影響減小碉渡，基體材料的抗磨性能獲得增強(qiáng)聚谁。

圖 6采用離子氮化和PVD CrN 多層鍍層的蝸桿，用于 PVC 擠壓加工

圖 7 CrN 多層鍍層成型模具滞诺，用于 PVC 擠壓加工

圖 8離子氮化形导、拋光及 CrN 多層鍍層螺旋分頻器，用于箔加工

7 习霹、材料堆積

　　硬質(zhì)鍍層因含有很多共價(jià)鍵而通常表現(xiàn)為高惰性[7]朵耕。因此，硬質(zhì)鍍層不太容易與其它固體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)淋叶，也不太容易集結(jié)塑性沉積阎曹。常常在塑料上發(fā)現(xiàn)材料堆積現(xiàn)象從另一方面表明塑料與鋼材之間發(fā)生了熔解反應(yīng)。

　　典型的應(yīng)用實(shí)例是聚碳酸酯 (PC)材料的加工煞檩。聚碳酸脂在越來(lái)越多地取代玻璃处嫌，如汽車(chē)工業(yè)中的大燈玻璃以及側(cè)窗和后窗玻璃。而 CD 架也常常是由注塑 PC 制成。液體 PC加工中, 塑化工具及凹模表面易于形成塑性堆積熏迹。這些堆積物不時(shí)地剝落檐薯，從而對(duì)制模產(chǎn)品造成污染。這就增加了廢品率和質(zhì)保工作量挫勿。

　　多年來(lái)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)TiN 鍍層可以避免 PC 材料加工中堆積物的形成（圖 9）從而確保加工過(guò)程的順利進(jìn)行上辖。基體采用二級(jí)熱處理冷作鋼或氮化鋼可為鍍層提供很好的支撐琴哗。為了避免熱變形绎探，鍍層過(guò)程中可采用250 °C的工藝溫度。

圖 9 TiN 鍍層螺桿,用于 PC 注塑

　　在彈性體的加工過(guò)程中吟叙，常常會(huì)發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)硬質(zhì)鍍層的抗粘性能不是十分理想雪奠。高粘性堆積物常常只可以通過(guò)大量的機(jī)械處理方式例如噴砂工藝來(lái)去除。工具上的磨損不是由注姆し耍或硫化工藝本身而造成的踪启，而是由這些高強(qiáng)度的清潔工藝造成的。離子氮化和鍍層的組合處理方式將極大地延緩堆積物的形成慢俄，并確保凹模的外形在高強(qiáng)度機(jī)械清潔處理過(guò)程中受到保護(hù)茧天。

　　目前已開(kāi)發(fā)出新型的 CrN 基鍍層來(lái)進(jìn)一步改善堆積現(xiàn)象。不同之處是在傳統(tǒng)涂層基礎(chǔ)上添加適當(dāng)?shù)钠渌匾员銣p小表面能量[9]妄结。針對(duì)某些特定的應(yīng)用需求,可將該新型涂層設(shè)計(jì)成無(wú)組織晶體表面結(jié)構(gòu)磨夕。這樣表面會(huì)特別光滑，因?yàn)閱蝹€(gè)柱狀晶體的不同增長(zhǎng)率造成的微觀粗糙度受到限制蔓姚。同時(shí)表面微觀粗糙度的減小進(jìn)一步降低了機(jī)械鎖定的機(jī)率捕虽。

　　該新型涂層在很多的應(yīng)用場(chǎng)合中被證實(shí)有非常好的效果，例如：擠壓模坡脐、用做襯墊材料加工的注塑模和用于生產(chǎn)各種日常用品的硫化模以及汽車(chē)零件（圖 10 – 11）泄私。通常情況下，可以采用這種鍍層來(lái)大大減小材料的堆積現(xiàn)象备闲。涂層前對(duì)材料的離子氮化處理為涂層提供了有利的支撐晌端。同時(shí),避免了高強(qiáng)度機(jī)械清洗工藝對(duì)工具外形的破壞。

圖 10 CrN mod鍍層成型模具恬砂，用于彈性墊片的制造咧纠。

圖 11采用CrN mod鍍層的硫化模具,制造過(guò)程中其分離性能獲得顯著改進(jìn)。

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