進(jìn)行塑料加工時(shí)如何避免磨損、腐蝕以及材料堆積是一個(gè)關(guān)鍵的問題。因此在具體應(yīng)用中，表層、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。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。

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。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。

工藝特點(diǎn)

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。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。工藝過程中待處理工件為陰極，通入氫氣及氮?dú)獾幕旌蠚怏w，在數(shù)百伏特及50~500Pa壓力下對(duì)陽極施偏壓。陰極勢(shì)降中，由于基體表面溫度高達(dá)450℃以上，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。通過這種方式可形成含鐵或鉻、鉬、鋁及鎂等的氮化物化合層及擴(kuò)散層。其表面硬度可達(dá)1000HV，甚至更高。通常工件表面主要是被稱作為白層的鐵氮化合物。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。生成的擴(kuò)散層從工件表面至核心幾十毫米的硬度降低非常平緩。

在工業(yè)化沉積硬質(zhì)膜方面，電弧蒸發(fā)工藝因其簡(jiǎn)單便捷而占據(jù)著非常重要的地位。工藝過程中，鍍層金屬因?yàn)樗a(chǎn)生的電弧在表面邊界快速移動(dòng)而獲得蒸發(fā)、電離，在工件底盤通負(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)，而不包括任何中介揮發(fā)性化合物，因此是一種典型的PVD（物理氣相沉積）工藝。通過添加含氮或含碳?xì)怏w，可形成氮化物和碳化物金屬薄膜。薄膜具有非常高的微硬度、低摩擦性能和很好的化學(xué)惰性。通常當(dāng)工藝溫度在180℃以上時(shí),可以獲得高質(zhì)量的鍍層。因此，PVD工藝也可以適用于滲碳鋼。氮化和涂層技術(shù)的特點(diǎn)使對(duì)總體長(zhǎng)度達(dá)4m的工件進(jìn)行組合處理成為可能。同時(shí)，還可組合處理直徑1.5m、長(zhǎng)度2m的大組件。

工具疲勞

當(dāng)材料的選擇和熱處理類型以優(yōu)化工件表面的抗磨損性能為目的時(shí)，常常會(huì)損壞核心材料的硬度,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，使邊界層高硬度和核心韌度的兼有成為可能。根據(jù)材料和氮化工藝，表面硬度可達(dá)到1000HV以上。氮化硬度的深度可以通過工藝溫度和時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)其要求深度可以從幾個(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。來自外界的交變載荷疊加在此靜態(tài)壓應(yīng)力之上。在邊界上產(chǎn)生的張應(yīng)力減小。同樣，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。結(jié)果反向彎曲應(yīng)力下的疲勞強(qiáng)度增加。

磨損

由于典型磨損顆粒的高硬度，離子氮化不提供對(duì)磨損的持久保護(hù)。

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。硬質(zhì)宏觀大顆粒物體通常具備高脆性特征，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。例如，窗戶玻璃是脆性且易受到損壞，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。實(shí)踐中，較小的硬質(zhì)顆粒具有更高的抗磨損能力。

在極大機(jī)械應(yīng)力的情況下，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)，因?yàn)楸砻娉浞钟不牟牧峡赡軙?huì)發(fā)生塑性變形，并且可能壓入基層材料。離子氮化和涂層工藝為工件抗裂縫磨損能力的改善，以及獲得具有核心韌性的硬質(zhì)表面創(chuàng)造了條件。工件韌性通過硬化工藝獲得,在進(jìn)行氮化處理后硬度增加到1000HV。#p#分頁標(biāo)題#e#

表面的硬度等級(jí)由鍍層來直接決定。為了有效地遏制磨損，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。離子氮化和CrN鍍層的組合處理方式可以有效遏制模具凹槽表面在加工玻璃纖維含量很高的塑料時(shí)的磨損現(xiàn)象（見圖1）。本案例為用于含35%玻璃纖維材料聚酰胺（PA）材質(zhì)制造箱的注塑模具。很短時(shí)間內(nèi)在沒有鍍層的注塑工作區(qū)域便出現(xiàn)了大面積沖蝕現(xiàn)象。該工具由冷熱作鋼材料的成型模、鑲件和噴嘴組成。

圖1  用于加工含35%玻璃纖維聚酰胺材質(zhì)箱體的
注塑模具，經(jīng)過離子氮化和CrN多層涂層組合處理

單個(gè)組件經(jīng)過等離子氮化后表面硬度可以達(dá)到700HV1之上（維氏硬度）。氮化深度取決于鉻含量，介于0.15~0.3mm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。之后，鑲件也進(jìn)行了硬質(zhì)鍍層。鍍層通常為多層結(jié)構(gòu)，厚度>6μm。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。

許多情況下，維持特定的表面質(zhì)量，其針對(duì)性各不相同。例如加工玻璃纖維塑料時(shí)，表面需要具有很好的抗磨損性能。這種情況下，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)過拋光處理的表面，其粗糙度可達(dá)到Rz<1Rz。從外觀來看，這樣的表面光澤度極佳，這對(duì)于反射體工件加工而言至關(guān)重要（見圖2）。該組合處理方式確保了光澤度的高穩(wěn)定性及持續(xù)性。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。

圖2  用于加工反射體的模具，經(jīng)過離子氮化、CrN鍍層和拋光處理

降低摩擦系數(shù)

注塑工藝的特征就是頻繁地覆蓋和打開凹模的表面,因此應(yīng)盡可能地減少銷針和滑塊的摩擦，否則會(huì)增加潤(rùn)滑和維護(hù)的難度。在許多情況下，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Ｒ虼耍l(fā)生相對(duì)摩擦的表面往往使用干式潤(rùn)滑劑。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，也就是實(shí)際上是干潤(rùn)滑劑與其自身相互摩擦。幾乎沒有任何摩擦，也就幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何磨損。鋼結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)向銷針和滑塊是W-C:H鍍層的典型應(yīng)用案例。

再來看看塑料加工機(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W-C:H鍍層，可以避免微蝕和輪齒過早崩裂。這樣一來，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，小齒輪可以實(shí)現(xiàn)更大的扭矩，服務(wù)壽命也大為延長(zhǎng)。濺射技術(shù)工藝過程中，溫度可以相對(duì)較低。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。

腐蝕

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

進(jìn)行塑性材料加工時(shí)，所使用的材料類型不同，其腐蝕程度也不同。離子氮化之后，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。可以通過組合處理工藝來遏制屬于電化學(xué)腐蝕類型的裂縫腐蝕。

硬質(zhì)鍍層本身通常不易受到腐蝕，因此可以通過沉積盡可能致密的鍍層來減少腐蝕幾率。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，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。

PVC材料加工過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，然后與塑性材料中殘留的水份發(fā)生反應(yīng)，形成鹽酸從而對(duì)鋼材表面造成腐蝕。因?yàn)檎承运芰蠠o法進(jìn)入CrN多層鍍層的微型孔隙中，PVC催化分解對(duì)工具鋼造成的腐蝕受到阻斷，從而有效地防止了腐蝕。CrN多層鍍層的應(yīng)用實(shí)例包括蝸桿、薄板成型工具或螺旋分配器（見圖3、4）。基體材料常常使用氮化鋼。通過最初的氮化處理，然后進(jìn)行鍍層之后，裂縫腐蝕的影響減小，基體材料的抗磨性能獲得增強(qiáng)。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖3  采用離子氮化和PVD CrN 多層鍍層的蝸桿，用于PVC擠壓加工

材料堆積

硬質(zhì)鍍層因含有很多共價(jià)鍵通常表現(xiàn)為高惰性。因此，硬質(zhì)鍍層不太容易與其他固體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不太容易集結(jié)塑性沉積。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)例為聚碳酸酯（PC）材料的加工。聚碳酸脂在越來越多地取代玻璃。液體PC加工中,塑化工具及凹模表面易于形成塑性堆積。這些堆積物不時(shí)地剝落，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。

圖4  CrN多層鍍層成型模具，用于PVC擠壓加工

多年來的實(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（見圖5）從而確保加工過程的順利進(jìn)行。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。為了避免熱變形，鍍層過程中可采用250℃的工藝溫度。

圖5  TiN鍍層螺桿,用于PC注塑

在彈性體的加工過程中，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。高粘性堆積物常常只可以通過大量的機(jī)械處理方式，如噴砂工藝來去除。工具上的磨損不是由注模或硫化工藝本身造成的，而是由這些高強(qiáng)度的清潔工藝造成。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，并確保凹模的外形在高強(qiáng)度機(jī)械清潔處理過程中受到保護(hù)。

目前已開發(fā)出新型的CrN基鍍層來進(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。針對(duì)某些特定的應(yīng)用需求,可將該新型涂層設(shè)計(jì)成無組織晶體表面結(jié)構(gòu)。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。同時(shí)，表面微觀粗糙度的減小進(jìn)一步降低了機(jī)械鎖定的幾率。

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。通常情況下，可以采用這種鍍層來大大減小材料的堆積現(xiàn)象。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。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。