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渴望寿命长久的模具吗?

作者:James R. Koelsch

使用物理汽相淀积(PVD)涂层为模腔、孔和热滴道涂层可减少注射压力、压机磨损、以及在模塑件中产生更小的残余应力。
你想有人向你提供一项技术,会使你减少注射压力,减少你的压机磨损吗?一项技术能帮助你填充模腔更快,填充压力更少,在模塑件中产生更小的残余应力吗?
那么,可能你应该考虑,用PVD为你的模腔、孔以及热滴道涂层。Balzers 工具涂层公司聚合物材料应用总裁Richard Reynolds博士指出,从数据来看,几乎所有模塑料,在PVD涂层的模腔或孔中比在未涂层的模腔或孔中填充更远,压力更少。例如,聚丙烯在同样压力下,通过涂层的方形、蛇形通道要比通过不涂层的要来得更远。而玻璃填充尼龙更远20%。
为了更好地满足需求,在过去几年开发了许多更容易使用的模具涂层。沉积的涂层颗粒越来越细,孔越来越小。较细的颗粒使涂层更光滑,光洁度和脱模性更好,而减少孔隙可以防止酸性气体在模腔积累时找到它们的通路通过涂层的孔隙。一旦盐酸或琉酸通过多孔的涂层扩散,则它就会腐蚀下面的钢基体并造成点蚀或涂层剥落。
使用模具的PVD涂层所采取的另一步骤是降低沉积温度,把在涂层中模具变形的可能性减到最少。Reynolds说:“我们现在镀TiN温度大约为850oF(约450℃),这比我们在两年前低了约100oF。事实上,我们能在更低的温度下镀层,但是我们没有选择更低温度,因为我们不愿牺牲镀层的完整性。”在大多数情况下,温度越高,黏附性越好,工艺问题越少。
PVD镀层是一种通用的镀层。积层通常大约为2mm厚,较硬(维氏2300, Rc82)并且比铬(RC69)和其他湿镀材料具有更好的化学惰性。TiN与除了一些丙烯酸类塑料以外的大多数聚合物有亲合力,并能感受到长时间的PVC化学浸蚀。当用丙烯酸类塑料时,Reynolds推荐后抛光TiN。
更多的选择
Balzers和其他涂布专家介绍许多新的涂层和淀积工艺,可以在较低的温度下淀积在基体上,而且提供所要求的模塑性能,藉此平衡了沉积温度与涂层的完整性。比较新的(WC)C的积附温度为450oF(约230℃)。Reynolds解释道∶“我们涂覆了数百个这样的零件。”如摩擦系数为0.2或更小,硬度Rc72,这样的涂层大大提高了工具的寿命。
这种涂层对於想要容器更清洁的模塑工,有更多的好处。Reynolds说∶“当干一个生产长的和细长的淀积容器活动时,我们发现,用(WC)C涂层模塑时,能透光15-20%。”
在TiAIN上溢料涂层,(WC)C也是一种重要的材料,涂覆成新的4mm厚的多层涂层,Balzers称为Hard Lube。TiAIN基涂层比大多数涂层粗糙些,但特别硬,理论硬度为Rc92。(WC)C使表面更光滑。Reynolds说∶“我们在减少顶销磨损方面已经取得一些良好结果,模腔已见到玻璃和碳填充的模塑料。”对於该公司来说,虽然这种涂层太新,不能发表具体的性能数据,但是Reynolds声称在一些初级应用中已取得良好的结果。
但是,Multi-Arc公司相信她们拥有二硫化钼和其他化合物的高级配方,并且正在对称为MST的新固态薄膜润滑剂进行选择试验以确定它是否适合於模具。该公司的发言人Mark Pellman说∶“已经有一种用於金属冲压的商业产品,这种涂层特性像固态润滑剂,它有独特的结合特性,几乎与TiN一样硬,硬度为维氏2000,但摩擦系数为0.01,与泰佛隆〈聚四氟乙烯〉差不多。”
金刚石螺柱模具
Multi-Arc也已开发了三种淀积类金刚石碳涂层的工艺,并正进行注塑模具可应用性的低强度研究。Pellman说∶“我们还不确信它们是用於模型上比TiN更好的涂层,虽然它们的硬度会延长磨损表面的寿命,但我们没有任何证据可以证明,它们能够提供更好的脱模性。”
他解释道,Multi-Arc和其他涂层业厂家提供的类金刚石碳涂层比TiN和其他有关陶瓷有更高的表面能。类金刚石薄膜的表面能在40和50平方达因/厘米之间 ;它是大多数金属氮化物的20倍,泰佛隆(Teflon)的17倍。这事实很重要,因为高的表面能通常表示很好的湿润能力。
不管Multi-Arc的怀疑,非牟利的Southwest Research Institute的报告指出类金刚石碳涂层正在改进,成果实在鼓舞人心。机械和材料工程部高级研究科学家James Arps博士说∶“它对一些橡胶模塑料和一些模塑树脂好像有好的脱模性,我们的目标是更换传统喷上的脱模剂或完全取消它们。再加上外部脱模剂劳动强度较大,又昂贵,效益更会受技术人员的技术影响。而化学剂也涉及健康和法规。”
类金刚石碳涂层是用离子束助压沉积制作的几种涂层中最有希望的一种,这是一种新的混合PVC工艺,该研究所是先锋,并希望发许可证给有兴趣的涂层商或其他公司。真空工艺使用离子源,用高能离子轰击汽相淀积涂层。Arps解释说∶“我们不淀积纯碳,我们汽化一种有机初级粒子,当这先驱物凝聚在零件上时,我们用离子枪轰击它,使它破裂,强迫它变成含碳和15-25%之间氮的硬的无定形涂层。”
这样形成的1-2mm厚的涂层是密的、平滑和光滑的。其摩擦系数小於0.1,硬度在10和20GPa之间。Arps宣称∶“在一些情况下,它差不多和TiN一样硬。”
这工艺过程的主要优点是淀积温度通常低於150℃。Arps解释道∶“当涂层的沉积降低整个基体温度时,把离子束的能量正好指在表面,使涂层黏好。许多PVD过程仍需要工具在相当高的温度下以便有最好的性能。”
该研究所已经开发了离子束助压淀积的低操作温度和用其他方法淀积低应力薄的能力。它已经用陶瓷涂层在低於100℃的温度下涂覆聚合物材料,并建议用这些价格合理的快速原型制造用的涂层模具可以延长它们的使用寿命。
该工艺过程也已淀积了陶瓷如氧化铝,到模具钢上。虽然温度可能必须稍高在200℃,但该过程仍然比大多数PVD过程冷得多。Arps说∶“在材料与模具钢之间的热膨胀失配是重要的,因而热应力仍然是一个问题。所以对我们是一个正在研究的领域。”
另一个问题是离子束助压淀积是一个用视线的工艺过程,用於制作难於涂层的深孔、凹陷部位和沉割。Arps希望在可见的将来能够解决这个难题,到那时他和他的同事就可揭示一项新工艺,即离子镀层的一种先进形式。
当反应腔把他们的模具加热时会发生什么情况?当涂层磨损时将会怎样?答案决定於基体的材料。Multi-Arc的Pellman表示,钛和铝合金很难剥落,但不锈钢和大多数工具钢容易剥落。在所有情况下,最关键的还是在涂层前与涂层商检验表面情况是否合格,在基体损坏前把模具剥落并再涂层。
除掉涂层通常用三种方法∶液体剥落溶剂、等离子体剥落技术和物理喷砂技术。
要制造既精确又优质的产品及零组件,模具及切削工具的质量是其中一个决定性因素。利用先进的物理气相沉积涂层技术 (PVD coating technology),在不同物料的模具及切削工具上镀上涂层,可减少磨擦系数、提高磨损性、增加硬度、容易倒模、抗疲劳、抗热龟烈等。

 

 

 

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