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離子氮化和真空PVD鍍層組合的應用

發布時間：2019-06-17

　　在加工塑料和彈性體材料時，采用離子氮化和硬質PVD涂層的組合工藝處理方法可有效遏制磨損、冷焊、腐蝕和材料堆積等問題。該組合工藝除了提高表面硬度和抗化學能力外，還可優化強度和韌性等性能。

　　關鍵參數包括材料的選擇、等離子熱處理工藝類型及涂層種類。等離子熱處理工藝溫度較低，工藝處理過程中工件的尺寸和韌性等變化很小，因此材料的選擇范圍很廣。涂層的工藝溫度可低至180°C。因此滲碳和PVD硬質膜涂層組合工藝也可是一種選擇。除了傳統硬質膜涂層外,W-C:H類的干式潤滑薄膜可應用于低摩擦領域。

　　等離子滲氮及PVD涂層組合工藝在大型零件上的應用如今已實現產業化。

　　1、簡介

　　進行塑料加工時如何避免磨損、腐蝕以及材料堆積問題是關鍵。因此，在具體應用中，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膜是一種有效的方法。等離子輔助化學熱處理層及涂層的組合應用在有效改善產品性能的同時還可降低單位成本。

　　同時,采用有效方式對應用于塑料加工領域的工具表面進行改性也已經變得越來越普遍。而成功的關鍵在于是否對工具及其表面特性有正確的理解。例如：金屬疲勞現象的防止要從最初階段對材料和相關熱處理工藝的選擇開始。而塑料加工應用中機械設備及模具制造狀況會直接影響到塑料材料與工具表面的化學反應狀況。

　　2、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。輝光放電等離子體中氮擴散進入膜層中從而增強工件表面硬度。工藝過程中待處理工件為陰極，通入氫氣及氮氣的混合氣體，在數百伏特及50-500Pa壓力下對陽極施偏壓。陰極勢降中，由于基體表面溫度高達450°C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散層。其表面硬度可達1000HV甚至更高。通常工件表面主要為被稱之為白層的鐵氮化合物。氮含量可以根據應用需要進行調節甚至完全抑制以便為后續的硬質材料涂層創造更好的表面條件。生成的擴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。

　　在工業化沉積硬質膜方面，電弧蒸發工藝因為其簡單便捷而占據著非常重要的地位。工藝過程中，涂層金屬因為所產生的電弧在表面邊界快速移動而獲得蒸發、電離，在工件底盤通負偏壓情況下,金屬離子加速撞擊到工件上。電弧蒸發工藝單純采用物理方法使金屬蒸發，而不包括任何中介揮發性化合物，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氣體，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（TiN約2500HV、CrN約2100HV、TiCN約3000HV、AlTiN約2800HV）、低摩擦性能和很好的化學惰性。通常當工藝溫度在180°C以上時,可以獲得高質量的涂層。因此PVD工藝也可適用于滲碳鋼。氮化和涂層技術的特點使對總體長度達4米的工件進行組合處理成為可能。同時還可組合處理直徑1.5米、長度2米的大組件。

　　沉積低摩擦涂層例如W-C:H，目前很多情況下采用濺射技術。該涂層工藝與電弧蒸發離子鍍相似，壓力范圍大約為1Pa。薄膜系統由鉻層、碳化鎢支持層和碳化鎢碳氫化合物覆蓋層組成。W-C:H鍍層硬度要低于其它典型的硬質材料鍍層,大約為1000HV。但其摩擦系數相對較低。在塑料加工領域，W-C:H鍍層經常應用于銷針和滑塊等部件。

　　3、工具疲勞

　　當材料的選擇和熱處理類型以優化工件表面的抗磨損性能為目的時，常常會損壞核心材料硬度,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，使邊界層高硬度和核心韌度的兼有成為可能。根據材料和氮化工藝，表面硬度可以達到1000HV以上。氮化硬度的深度可以通過工藝溫度和時間進行調節，根據要求其深度可以是幾個微米到幾十個毫米。大量氮的摻入使邊界層中產生殘余壓應力。來自外界的交變載荷疊加在此靜態壓應力之上。在邊界上產生的張應力減小。同樣，最大殘余張應力位移至組件的裂縫不敏感內部區域。結果反向彎曲應力下的疲勞強度增加。

　　4、磨損

　　由于典型磨損顆粒的高硬度，離子氮化不提供對磨損的持久保護。例如當氮化表面受到玻璃纖維（約1200HV）、TiO2色素（約1200HV）或Cr2O3以及Al2O3纖維（約2300HV）沖擊時。

　　PVD硬質膜的顯微硬度高達2000HV之上，因此非常適合于微型切削。硬質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荷為止。例如，窗戶玻璃是脆性的且易受到損壞，而玻璃纖維卻是柔性的,因此往往用于改進塑性材料的強度。實踐中，較小的硬質顆粒具有更高的抗磨損能力。

　　有了這些背景知識，就不必感到吃驚：只有幾個微米的硬質層在抗磨料磨損方面具有更好的表現。在極大機械應力的情況下，離子氮化和硬質涂層的組合處理便表現出極大的優勢，因為表面充分硬化的材料可能發生塑性變形，并可能壓入基層材料。離子氮化和涂層工藝為工件抗裂縫磨損能力的改善及獲得具有核心韌性的硬質表面創造了條件。圖1中的圖表所示是硬度的典型變化曲線。工件韌性通過硬化工藝獲得,在進行氮化處理后硬度增加到1000HV。表面的硬度等級直接由鍍層來決定。為了有效地遏制磨損，通常采用硬質鍍層，因為它們的硬度通常比典型硬質顆粒的硬度大。
　　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的磨損現象（圖2）。本案例為用于含35%玻纖材料聚酰胺（PA）材質制造箱的注塑模具。很短時間內在沒有鍍層的注塑工作區域便出現了大面積沖蝕現象。該工具由冷熱作鋼材料的成型模、鑲件和噴嘴組成。單個組件經過等離子氮化后表面硬度可以達到700HV1之上（維氏硬度）。氮化深度取決于鉻含量，介于0.15至0.3mm之間。離子氮化工藝溫度應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，鑲件也進行了硬質鍍層。鍍層通常為多層結構，這樣厚度可達到>6µm。這種多層結構可遏制加工PA時可能發生的腐蝕蔓延。

　　許多情況下，維持特定的表面質量，其針對性各不相同。例如加工玻纖塑料時，表面需要具有很好的抗磨損性能。這種情況下，我們對熱作鋼工件進行了離子氮化和鍍層的組合處理。經過拋光處理的表面，其粗糙度可達到Rz<1Rz。從外觀來看，這樣的表面光澤度極佳，這對于反射體工件加工而言至關重要。（圖3）。該組合處理方式確保了光澤度的高穩定性及持續性。污染物也可以被輕易地從表面去除而不會對表面造成損壞。
　　5、降低摩擦系數

　　注塑工藝的特征就是頻繁地覆蓋和打開凹模的表面,因此應盡可能地減少銷針和滑塊的摩擦，否則會增加潤滑和維護的難度。在許多情況下，必須完全避免使用傳統潤滑劑以防止潤滑劑卷吸到注模部件上。

　　因此，發生相對摩擦的表面往往使用干式潤滑劑。一種情況是:上層W-C:H鍍層的一小部分轉移到相對的金屬層，也就是實際上是干潤滑劑與其自身相互摩擦。幾乎沒有任何摩擦，也就幾乎不會產生任何磨損。鋼結構中的導向銷針和滑塊（圖4）是W-C:H鍍層的典型應用案例。
　　再來看看塑料加工機器上驅動區域的齒輪或花鍵軸在鍍層以后的表現：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下運轉。由于對疲勞強度的改善，小齒輪可以實現更大的扭矩，服務壽命也大為延長。濺射技術工藝過程中，溫度可以相對較低。這樣滲碳的小齒輪也可以采用干潤滑式W-C:H鍍層，而不會損壞核心材料的硬度（圖5）。
　　6、腐蝕

　　發生腐蝕的可能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，在受到磨損時抗磨性較小。因此要實現防腐蝕，其它的性能必定會受到影響。采用鉻含量較高的材料進行離子氮化也非最佳方案，因為期望的硬度達到了，防腐性能卻降低了。

　　進行塑性材料加工時，所使用的材料類型不同，其腐蝕程度也不同。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。這顯然是由于工具鋼中鉻含量的局部差異性引起的。離子氮化之后，自由鉻元素轉化為氮化物，材料的抗化學性能因此獲得改善。可以通過組合處理工藝來遏制屬于電化學腐蝕類型的裂縫腐蝕。

　　硬質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機率。不同鉻含量的Cr層和CrN層的復合涂層因為為基體提供了屏蔽作用而或多或少成為減少化學腐蝕的輔助原因之一。最后，腐蝕保護性能的優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屬性而導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生反應，形成鹽酸從而對鋼材表面造成腐蝕。因為粘性塑料無法進入CrN多層鍍層的微型孔隙中，PVC催化分解對工具鋼造成的腐蝕受到阻斷，從而有效地防止了腐蝕。CrN多層鍍層的應用實例包括蝸桿、薄板成型工具或螺旋分配器（圖6–8）。基體材料常常使用氮化鋼。通過最初的氮化處理，然后進行鍍層之后，裂縫腐蝕的影響減小，基體材料的抗磨性能獲得增強。
　　7、材料堆積

　　硬質鍍層因含有很多共價鍵而通常表現為高惰性。因此，硬質鍍層不太容易與其它固體發生化學反應，也不太容易集結塑性沉積。常常在塑料上發現材料堆積現象從另一方面表明塑料與鋼材之間發生了熔解反應。

　　典型的應用實例是聚碳酸酯(PC)材料的加工。聚碳酸脂在越來越多地取代玻璃，如汽車工業中的大燈玻璃以及側窗和后窗玻璃。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。這些堆積物不時地剝落，從而對制模產品造成污染。這就增加了廢品率和質保工作量。

　　多年來的實踐經驗證實TiN鍍層可以避免PC材料加工中堆積物的形成（圖9）從而確保加工過程的順利進行。基體采用二級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°C的工藝溫度。


　　在彈性體的加工過程中，常常會發現傳統硬質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械處理方式例如噴砂工藝來去除。工具上的磨損不是由注模或硫化工藝本身而造成的，而是由這些高強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，并確保凹模的外形在高強度機械清潔處理過程中受到保護。

　　目前已開發出新型的CrN基鍍層來進一步改善堆積現象。不同之處是在傳統涂層基礎上添加適當的其它元素以便減小表面能量。針對某些特定的應用需求,可將該新型涂層設計成無組織晶體表面結構。這樣表面會特別光滑，因為單個柱狀晶體的不同增長率造成的微觀粗糙度受到限制。同時表面微觀粗糙度的減小進一步降低了機械鎖定的機率。

　　該新型涂層在很多的應用場合中被證實有非常好的效果，例如：擠壓模、用做襯墊材料加工的注塑模和用于生產各種日常用品的硫化模以及汽車零件（圖10–11）。通常情況下，可以采用這種鍍層來大大減小材料的堆積現象。涂層前對材料的離子氮化處理為涂層提供了有利的支撐。同時,避免了高強度機械清洗工藝對工具外形的破壞。

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