注塑模具应该具备的性能特点

注塑模具应该具备的性能特点 金属表面处理 注塑

注塑模具比金属成型模具复杂,根据使用工况,注塑模具经常需要提高一些特殊的性能。

一、脱模要容易

模具及其部件的表面扰动是导致脱模的主要因素,这对表面硬度较低的钢制模具尤为明显。表面扰动是由于模具材料本身的性能(如孔隙度),,或是模具使用时间较长后性能受损所致(树脂的影响)。

二、耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性要强

对于塑料模具由于塑料成型加工是在一定的温度下进行的,模具的工作温度一般在250℃以下,并且由于某些塑料(如聚烯烃PE、PP和PB,缩醛树脂POM;聚酰胺PA;线性聚酯PC、PBT  和PET;聚芳砜/聚砜PPE、PEEK、 PAEK/PPS、PSU和PES)在成型加热时会分解出氯化氢或氟化氢气体,这些腐蚀性气体会对塑料模具表面造成腐蚀。同时,大部分塑料中都加有一定量的填料,如玻璃纤维、粉末填充剂会造成对塑料模具表面的磨损,腐蚀后的模具表面粗糙度提高又会加剧模具的磨损导致失效。因此,提高塑料模具使用寿命,便是通过采取必要的技术手段,提高其表面抗磨性、抗腐蚀性、抗热黏附性。

三、硬度和稳定性高

对于有纹理表面的塑料注塑模具以及用于加工工程塑料(包括聚酰胺和聚芳砜/聚砜)的模具,这些性能都是理想的。

注塑模具遇到的这些问题可以通过PVD涂层解决,涂层后使得注塑模具具有以下性能:

(1)耐磨性更高,模具寿命大大延长;
(2)胶料的可流动时间更长,填模效果更佳;
(3)塑胶产品表面品质提高,不良率降低;
(4)脱模更容易,甚至可避免使用脱模剂;
(5)有效防止腐蚀性原料侵蚀模具基体;
(6)模具易于清洁,且清洁周期更长。

此外,塑料模具一般采用低温回火,因此,一般高温处理的PVD涂层都不适合。这种情况下,应该采用低温PVD涂层工艺,保证模具基体涂层时不被退火。

基于PVD涂层显而易见的优点,很多科技工作者在注塑模具上采用了这一工艺。曾霞文等用非平衡磁控溅射法(PVO法),将Cr12MoV钢制作的PVC塑料注射成型模具,经常规热处理后沉积TiN膜层,使其耐磨性提高,且因耐盐雾腐蚀性能的提高,使模具表面不会发生点蚀而引起脱模时的黏模, 塑件表面光滑,质量好,使用寿命比原来提高2~4倍,提高了生产效益。有些研究人员用PVD法对塑料模具进行涂覆TIN的处理,使模具寿命得到提高。对于制造喷射成形用的丝杆,使用PVD法中的多孤法和多弧HCD并用法,使废品率几乎降到了零。用PVD法处理过的丝杆,树脂脱膜性能好,同时也减少了树脂的烧坏。另外,对模具芯子进行PVD法涂覆TIN处理,喷丸数是没有处理的3倍。

PVD涂层应用展望

PVD涂层应用展望 金属表面处理 DLC

PVD涂层的优良性能,使其现在或行将来往汽车、航空航天、精密制造、光电行业本发挥越来越重要的作用。随行这种新材料、先进制造技术的不断发展阳技术突破,也将对人类的环保事业作更多的贡献。

类金刚石薄膜作为一种新的功能材料,已经引起国内外孝行的高度重视并且住很多方面得到了应用。类金刚石薄膜在硅太阳能电池中,主要研究它作为硅太阳能电池的减反射膜和保护膜以增加硅太阳能电池的光伏转换效率。另外,类金刚行薄要在心脏外科的应用上也日渐得到重视。人工装置在人体内除了要完成其特定的功能,还直接与生物组织长期接触,可能出现一系列复杂的生物及化学物理反应,影响其完善性和产生对人体组织、血液、免疫等不良反应,造成新的疾病或痛苦。因此,材料的生物相容性已经成为开发新一代生物学人工装置的关健技术之一,越来越引起人们的重视。类金刚石薄膜在牙科方面也将获得广泛应用。牙科车针是口腔科最常用,使用量最大的小器械,但普遍存在耐磨性低、寿命短的缺点。类金刚石膜是一种非结晶的碳氢膜材料,具有良好的生物相容性、优异的耐磨性、极低的摩擦系数、高硬度及化学稳定性等优点,是一种具有广阔应用前景的医用薄膜材料。目前DLC膜工艺发展迅速,已逐渐从实验室研究向大规模应用阶段转变。

不同的注塑模具,PVD涂层应分类处理

不同的注塑模具,PVD涂层应分类处理 金属表面处理 注塑

塑料模具由于价格比较贵,故其耐用性更加受到关注。特别是塑料模具由于其结构复杂决定了加T.难度大,故造价相对较高,所以提高模具的寿命就是一个主要课题,尤其镜面和蚀纹面,就特别容易磨损,这一直是一件令人十分苦恼的 事情。例如,所生产的塑料中带有纤维,其硬度容易磨损模具表面,或脱模时需要提高润滑的性能,PVD涂层由于其独有的润滑性及超高的硬度,可以大大改善生产过程中所遇到的上述问题,但是具体情况还要根据模具的使用和特点进行。

一、铍铜模具或镶件

铍铜的特点是散热快硬度最高可达40HRC,一般的铜合金无法比拟。散热快(比合金钢快3倍)代表生产周期可以缩短,产量更高。铍铜价格昂贵,比一般塑料钢材贵5倍以上,所以任何的磨损、报废或修磨的成本都很高。基于硬度无法超过40HRC,所以表面磨损是其碰到的比较严重的问题。

二、精密模具或镶件

现今潮流消费性产品如数码相机笔记本电脑手机或PDA产品功能特别但外形向娇小玲珑方向迈进,故该类产品对精密度及材料的选择等方面的要求都大为提高。在选材方面,基于外壳的高保护性能及内部的高强度,一般采用PC+ABS+玻纤材料。而该材料对模具的磨损性或腐蚀性都非常高,所以模具的磨损比较快,而维修精密模具的价格也挺高。

三、含尼龙或大批量生产模具

透明塑料瓶是典型大批量生产的制品。其模具在高速生产的情况下,对表面的要求特别高,如表面硬度高、抛光至镜面及脱模能力良好等。一般欧美生产商都采用PVD涂层处理增强模具表面的硬度和提高润滑脱模能力。 PVD涂层的高硬度及润滑性能良好,因此能缩短生产周期,提高产量。另外一个方面就是汽车制造商需要在不影响安全、质量的情况下,不断降低汽车的总重量,从而达到省油的目的。工程塑料质轻且强度高,是汽车”零部件的良好材料。但如果碰到生产如尼龙或加玻纤的工程塑料产品时,不管是什么类型的模具钢材,其表面磨损都特别严重。温州一家大型汽车配件模具及制品生产商了解PVD涂层的好处后,其所有生产尼龙汽车配件的模具均采用了该涂层,从而提高了模具的使用寿命。

类金刚石涂层DLC在机械零部件上的应用

类金刚石涂层DLC在机械零部件上的应用 金属表面处理 DLC

机械零部件的表面需要耐磨、润滑,同时制造这些零件的材料一般都是低温回火的碳钢或者合金钢(回火温度低于200℃),这就要求涂层的时候温度一定要控制在200℃以下。物理气相沉积制备的类金刚石(DLC)涂层恰恰是最理想的选择。类金刚石涂层不光具有合适的硬度(HV1200~3000),而且摩擦低(小于0.15),同时是在低温进行涂层的。实践也证明宇这是一种非常理想的机械零部件表面防护涂层。特别是汽车行业应用该技术将更为重要。因为目前,汽车行业的长期压力是减少车辆的尾气排放,预计在未来几年,低排放的要求‘会更加严格。这将导致大力提倡使用新材料‘和新处理技术,以增加发动机和传动系统的效率。欧洲、亚洲和美洲各地政策决策者为未来的汽车时代制定新要求已不可避免。现代真空涂层技术是满足上述新要求的关键因素之一,DLC未来作为汽车零部件表面处理对于推动汽车高新技术的发展将具有重要的意义。

1、类金刚石薄膜介绍

类金刚石薄膜(Diamond-LikeCarbon)是金刚石的SP3杂化和石墨SP3杂化两种结合键作为骨架构成的非晶态碳膜。简单地讲,由纳米级的金刚石和碳混合形成,金刚石占20%~80%。由SP3结合的金刚石和SP2结合的石墨与H (氢)组成的三元相。

DLC具有一系列类似于金刚石的性质,如硬度高、热导率高、摩擦系数小、耐腐蚀、宽光谱透过率高、抗激光损伤阈值高、耐辐射等。从本质上说,类金刚石涂层/镀膜等同于将金刚石与石墨成分在微观组织结构上结合‘从而获得接近金刚石材料的硬度。无定形碳制成的DLC类金刚石镀膜比硬金属氯化物或由碳氢化合物制成的似碳金刚石镀膜硬得多,只能被天然金刚石刮擦磨损。Haikola透露无定形类金刚石涂层磨损1um的工况下,换成高硬度钢将磨损1mm。如果采用类金刚石薄膜,现代机械结构中,大部分磨损都将得到有效控制。但是最主要的例外在于活动件的扣死磨损尚未得到理想的解决。当处于超负荷运行状态时,润滑剂可能工作失效或者由于其他原因停止发挥作用,此时活动件的磨损将带来挑战。

同时DLC类金刚石涂层还具有极低的摩擦系数。在干燥的滑动条件下,对比钢的摩擦系数,其摩擦系数只有相应钢数值的五分之一,表明这种镀膜能作为永久的干燥润滑剂使用,不但进一步降低磨损提高工件寿命,而且还有利于节约能源消耗。一个量化的效率数字可以说明效果:与通常无镀膜钢制齿轮相比,采用类金刚石镀膜齿轮的摩擦系数降低25%~30%。

类金刚石涂层还具有原子结构排布紧密的特点,避免了其他涂层内部微观结构中有较多空隙的缺陷。加上其主要成分为碳,无定形类金刚石具有抵抗酸和吸附剂的作用,化学稳定性极佳,在防腐和防止材料粘黏等应用上有良好的效果。

2、类金刚石薄膜应用

类金刚石的特点,使其能够广泛地用于机械零部件行业,具体包括以下几类。

(1)精密机械。包括精密轴承、纺织设备及零部件、压缩机螺杆、滑片、泵密封圈、叶片、缝制设备及零部件、弹簧片和精密传动机构。
(2)工量具。包括卡尺、卡规、塞规和治具等。
(3)医疗设备和器具。包括手术刀片、手术剪、心脏瓣膜、人工关节和血管支架等。
(4)内燃机工业。包括燃料喷射系统(气门挺杆、柱塞、喷油嘴),动力传动系统(齿轮、轴承,凸轮轴),活塞部件(活塞环、活塞销)门扣锁,内饰等。
(5)娱乐健身。包括扬声器振膜、移动硬盘、光盘、高尔夫球具自行车部件和剃须刀片等。
(6)光学。包括红外增透膜减反射膜、玻璃镀膜、镜片镀膜亚克力镀膜和保护膜等。
(7)装饰镀膜。包括手机外壳、高档手表室内外五金卫浴产品和饰品等。
(8)航空航天。包括飞机、导弹整流罩镀膜、卫星和太阳能电池镀膜等。

3、类金刚石涂层市场案例一

目前中国市场每年对汽车涂层挺杆需求大约在8000万件每年舍弗勒公司大约占有40%的市场份额有自主开发和制造涂层的能力。另外60%的市场中的20%~30%已由lonbond和HEF两家公司开发和生产剩余市场约为2500万件每年,可以产生每年过亿的销售额。

4.类金刚石涂层市场案例二

除了发动机和传动系统零件,对汽车内部和车身的多个部件进行类金刚石涂层也可获益。对各种塑料零件饰以各种颜色的装饰性涂层能使其在整个寿命周期内保持美观。对各外露的零件做功能性涂层可以免除维护。对于汽车门锁的类金刚石涂层,已经广泛地被大众汽车公司应用于很多车型的高配车上。目前中国涂层市场仅大众汽车公司的需求量就约为1000万件/年,涂层的收益额是巨大的。

机械零部件摩擦和磨损产生的问题

为什么我们会深入研究PVD涂层?以下就是原因。

一、摩擦

摩擦是相对运动的物体表面间的相互阻碍作用现象。摩擦可分为以下几类。1、内摩擦:在物质的内部发生的阻碍分子之间相对运动的现象。2、外摩擦:在相对运动的物体表面间发生的相互阻碍作用现象。3、静摩擦:仅有相对运动趋势时的摩擦。4、动摩擦:在相对运动进行中的摩擦。5、滑动摩擦:物体表面间的运动形式是相对滑动的摩擦。6、滚动摩擦:物体表面间的运动形式是相对滚动的摩擦。

二、磨损

磨损是由于摩擦而造成的物体表面材料的损失或转移对磨损的研究开展较晚,20世纪了50年代提出黏着理论后,60,年代在相继研制出各种表面分析仪器的基础上,磨损研究才迅速开展。磨损是运动副之间的摩擦而导致零件表面材料的逐渐丧失或迁移。磨损会影响机器的效率,降低工作的可靠性,至促使机器提前报废。

机械磨损可大致分三个阶段:磨合阶段——新的零件在开始使用时一般处于这一阶段;磨损率较高;稳定磨损阶段——属于零件正常工作阶段,磨损率稳定且较低;剧烈磨损阶段——属于零件即将报废的阶段,磨损率急剧升高。磨损的三个阶段如下图:

机械零部件摩擦和磨损产生的问题 金属表面处理 摩擦

根据磨损机理分类,大体上可概括为:1、磨粒磨损,简称磨损,是外部进入摩擦表面的游离硬颗粒或硬的轮廓峰尖所引起的磨损;2、疲劳磨损,也称点蚀,是由于摩擦表面材料微体积在交变的摩擦力作用下,反复变形所产生的材料疲劳所引起的磨损;3、黏附磨损,也称胶合,当摩擦表面的轮廓峰在相互作用的各点处由于瞬时的温升和压力发生“冷焊”后,在相对运动时,材料从个轰面迁移到另一个表面,便形成黏附磨损,4、冲蚀磨损,流体中所夹带的硬质物质或颗粒,在流体冲击力作用下而在摩擦表面引起的磨损;5、腐蚀磨损, 当摩擦表面材料在环境的化学或电化学作用下引起腐蚀,在摩擦副相对运动时所产生的磨损即腐蚀磨损;6、微动磨损,是指摩擦副在微幅运动时,由上述各磨损机理共同形成的复合磨损,微幅运动可理解为不足以使磨粒脱离摩擦副的相对运动。

机械零部件的摩擦具有普遍性和不可避免性。摩擦引起发热、温度升高和 能量损耗导致接触表面物质的损失和转移即造成接触表面的磨损。磨损使零件的表面形状和尺寸破坏,使机械的效率及可靠性降低,直至丧失原有的工作性能,型;至导致嗦件突然破坏。目前世界上工业领域中有1/3~1/2的能源以各种方式最终消耗于摩擦机械零件的损坏约有80%是由各种形式的磨损引起的。如果能够尽力减少无用的摩擦消耗,便可大量节省能源。另外,机械产品的易损零件大部分是由于磨损超过限度而报废和更换的,如果能控制和减少磨损则既减少设备维修次数和费用,且能节省制造零件及其所需材料的费用所以如何做到减小机械零部件的摩擦磨损对于工业的发展乃至于环境保护都至关重要。

刀具硬质涂层新材料的发展

刀具硬质涂层新材料的发展 金属表面处理 新材料

一、多元、复合硬质涂层材料的发展

PVD技术因其工艺处理温度可控在500℃以下,可作为最终处理工艺,非常适于高速钢刀具的涂层,大幅度提高高速钢刀具的切削性能,所以该技术从20世纪80年代得到迅速推广;到80年代末,工业发达国家高速钢复杂刀具的PVD涂层比例就超过60%;至21世纪初,工业发达国家高速钢刀具的PVD涂层比例达到50%~70%,高速钢复杂刀具的PVD涂层比例高达90%。PVD技术在高速钢刀具领域的成功应用引起了各国制造业的高度重视,在竞相开发高性能、高可靠性涂层设备的同时,对其应用领域的扩展,(尤其是在硬质合金、,陶瓷类刀具的应用)进行了深人的研究。结果表明:与CVD工艺相比,PVD工艺处理温度低,在600℃以下对刀具材料的抗弯强度无影响;薄膜内部应力状态为压应力,更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层;对环境无不利影响,符合绿色制造的发展方向。20世纪90年代后期,PVD技术已普及应用到硬质合金立铣、钻头、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具等的涂层处理。

德国欧亚咨询公司曾对我国1999年的刀具涂层市场进行分析。中国1999年的刀具涂层市场规模为7512万元。按中国机械工业年鉴的统计(范围是工具协会成员企业)高速钢刀具在中国刀具产品所占的比重最大,其产值占到85.9%,销售额占到89.8%,而同年涂层刀具所占比例仅为3%~4%。该公司预测,中国刀具涂层市场将会以每年超过20%的增长幅度发展,其中PVD刀具涂层的增长幅度将更大,到2005年中国刀具涂层市场规模预计能够达到24769万元。因为我国的刀具加工市场极其庞大,所以发展刀具涂层技术意义重大。尽管目前国内刀具涂层技术与国际先进水平相比存在较大差距,普通的TIALN涂层技术也还不成熟,但巨大的应用市场及国家对创新、绿色制造技术日益迫切的要求,已经推动了国内刀具涂层技术的创新发展。

刀具表面的硬质薄膜对材料的要求:1、硬度高、耐磨性能好;2、化学性能稳定,不与工件材料发生化学反应;3、耐热耐氧化,摩擦系数低,与基体附着牢固等。单一涂层材料很难全部达到上述技术要求。涂层材料的发展,已由最初的单一TiN涂层、TiC涂层,经历了TiC-Al,03-TiN复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层的发展阶段,现在最新发展了TiN/NBN、TiN/CN等多元复合薄膜材料,使刀具涂层的性能有了很大提高。

硬质涂层材料中,工艺最成熟、应用最广泛的是TiN。目前,工业发达国家TiN涂层高速钢刀具的使用率已占高速钢刀具的50%~70%,有些不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90%。由于现代金属切削对刀具有很高的技术要求, TIN涂层逐渐不能适应。TiN涂层的耐氧化性较差,使用温度达500℃时;膜层明显氧化而被烧蚀,而且它的硬度也满足不了需要。TiC有较高的显微硬度,因此该材料的耐磨性能较好。同时它与基体的附着牢固,在制备多层耐磨涂层时, 常将TiC作为与基体接触的底层膜,在涂层刀具中它是十分常用的涂层材料。TiCN和TiAlN的开发,又使涂层刀具的性能上了一个台阶。TiCN可降低涂层的内应力,提高涂层的韧性,增加涂层的厚度,阻止裂纹的扩散,减少刀具崩刃。将TiCN设置为涂层刀具的主耐磨层,可显着提高刀具的寿命。TiAlN化学稳定性好,抗氧化磨损,加工高合金钢、不锈钢、钛合金、镍合金时,比TiN涂层刀具寿命提高3~4倍。如果在TiAlN涂层中有较高的Al浓度,在切削时涂层表面会生成一层很薄的非晶态Al2O3,形成一层硬质惰性保护膜,该涂层刀具可更有效地用于高速切削加工。掺氧的氮碳化钛TiCNO具有很高的显微硬度和化学稳定性,可以产生相当于TIC+AL2O3,复合涂层的作用。一些过渡金属氮化物、碳化物、硼化物以及它们的多元复合化合物,有些具有相当高的硬度,这些材料都可以开发出来应用于涂层刀具,将会使涂层刀具的性能有新的突破。

二、低压气相合成金刚石薄膜的应用

在上述硬质薄膜材料中,显微硬度HV能够超过50GPa的有三种,金刚石薄膜、立方氮化硼CBN、氮化碳。这些为数不多的超高硬度薄膜材料的出现,为涂层刀具硬质薄膜的发展开辟了十分重要的用途,因为稀少而昂贵的天然金刚石远远满足不了现代工业的需要。20世纪50年代中,美国通用汽车公司人工合成了金刚石,得到颗粒状和粉末状金刚石。由于颗粒状金刚石加工困难,很难把它涂到刀具表面。机械行业常用的聚品金刚石刀片(PCD)也由于几何形状单一,无断屑槽和合理的几何参数,限制了其性能的发挥。70年代初采用低压化学气相沉积方法合成了金刚石薄膜,经过20多年的技术攻关,低压气相合成金刚石的技术终于有了重大突破,研究金刚石成为世界性的热门课题。

金刚石和石墨是同素异形体,金刚石晶体是立方晶系,而石墨是六角晶系。由于原子之间的键合方式不同,使其性能差异十分巨大。从热力学的理论看,石墨比金刚石更稳定。低压气相生长金刚石,在碳的相图中,是在石墨为稳态而金刚石为亚稳态的区域中进行的。然而,由于两相的化学势十分接近,两相都能生成。低压气相合成金刚石的关键技术是抑制石墨相,促进金刚石相生长。常用的合成方法有热丝法;等离子体增强化学气相沉积(PECVD),包括微波PCVD、电子回旋共振ECR-PCVD、直流和射频PCVD法;直流和高频电弧放电热等离子体法等。反应过程中输人的能量(如射频功率、微波功率等)、反应气体的激活状态和最佳配比、沉积过程的成核模式等,对于生成金刚石膜有决定性作用。衬底材料的晶型和点阵常数对金刚石膜成核生长影响很大,当金刚石相和石墨相在衬底上同时成核时,石墨相就会迅速生长。如果存在高浓度的原子氢就会对长出的石墨相起腐蚀作用而将石墨相除去,虽然它也能对金刚石相起腐蚀作用,但速度却慢得多,从而达到抑制石墨相生长的目的。许多沉积金刚石薄膜的温度要求为600~900℃,因此该技术常用于硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜。

三、立方氮化硼CBN薄膜技术尚待突破

与人工合成金刚石薄膜相比,人工合成CBN薄膜的研究工作开展得较晚。 CBN有三种异构体;CBN立方晶系闪锌矿结构;h-BN六方晶系石墨结构;w-BN六方晶系纤锌矿结构。三种异构体的性能差别很大,h-BN具有与石墨极为相似的结构,质地很软。而W-BN和CBN中,B、N原子都要彼此形成四配位结构,它们都是超硬材料。用高温高压方法得到的CBN是颗粒状晶体,最高显微硬度可达84.3GPa,CBN薄膜的最高显微硬度为61.8GPa,其综合性能并不亚于金刚石薄膜。CBN在硬度和导热率方面仅次于金刚石,热稳定性极好;在大气中加热至1000℃也不发生氧化。CBN对于铁族金属具有极为稳定的化学性能,与金刚石不宜加工钢材不同,它可以广泛用于钢铁制品的精加工、研磨等。CBN涂层除具有优良的耐磨损性能,还可以在相当高的切削速度下加工耐热钢、钛合金、淬火钢,能切削高硬度的冷硬轧辊、掺碳淬火材料和对刀具磨损非常严重的Si-Al合金等。低压气相合成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化学输运PCVD,热丝辅助加热PCVD、ECR-CVD等;PVD则有反应离子束镀、活性反应蒸镀、激光蒸镀离子束辅助沉积法等。

CBN的合成技术,在基础研究和应用技术方面都还有不少工作要做,包括反应机制和成膜过程、等离子体诊断和质谱分析、最佳工艺条件的确定、高效率设备的开发等。

四、有可能超过金刚石硬度的氮化碳

20世纪80年代末,美国科学家I.IU和Co-hen设计了类似P-Si3N4的新型化合物P-C3N4,采用固体物理和量子化学理论,计算了它的体模量、能带和品格常数,发现氮化碳的体模量达到金刚石的数值范围。由于物质的硬度与体模量成正比,C3N4的硬度有可能达到金刚石的硬度,这引起世界各国科学家的关注。1994年,I.IU公布了研究新成果E53,他采用了可变晶格模型分子动力学(VCS-MD)从头计算法,扩展了低能量C3N,固体的理论研究,指出C,N,可能具有三种结构:六角晶系的P相、立方晶系的闪锌矿结构和三角晶系的类石墨结构。1996年,美国的Jeter和Hemley仍然采用第一性原理从头计算法,但改变了计算过程。使用初始条件时,采用共扼梯度法使电子自由度达到最小;使用边界条件时采用周期函数,将电子的波两数以平面波展开;使用了扩展标准守恒和强度守恒(ENHC) 阳势。得到了五种结构的C3N4,它们分别是n相、P相、立方相缺陷闪锌矿结构、立方相硅锌矿E结构和类石墨相。除类石墨相外,其他四种都是超硬材料。其中立方相硅锌矿E结构c一C3N4的体模量超过了金刚石。因此,氮化碳有可能具有达到或超过金刚石的硬度。

合成氮化碳的成功,是分子工程学十分杰出的范例。作为超硬材料的氮化碳,预期还有其他许多宝贵的物理化学性质,研究氮化碳成为世界材料科学领域的热门课题。合成氮化碳的主要方法有直流和射频反应溅射法。激光蒸发和离子束辅助沉积法、ECR-CVD法、双离子束沉积法等。日本冈山大学采用电子束蒸发离子束辅助沉积法获得的氮化碳薄膜,达到目前氮化碳的最高显微硬度——63.8GPa。我国清华大学也获得60.8GPa的高硬度氮化碳,武汉大学合成的氮化碳硬度达到50.0GPa9,并沉积到高速钢麻花钻上,获得非常好的钻孔性能。制备氮化碳超硬涂层的关键技术是避免石墨相的析出。

提高涂层刀具使用效果的方法

提高涂层刀具使用效果的方法 金属表面处理 刀具

刀具材料的选用取决于切削条件,也取决于被重磨的面广例如,如果刀具的前刀面被重磨,使用含钴的高速钢会更有利,因为在刀具前刀面无涂层之后,这种钢更耐月牙洼磨损。刀具材料的进步,出现了高速钢、硬质合金、各种增韧陶瓷、钴基金属陶瓷、聚晶金刚石和CBN等材质刀具的使用,大大提高了金属切削的加工效率。每种材料的刀具有各自的优缺点,因此有特定的用途。

涂层刀具对刀具几何形状提出了新的要求。一般认为,刀具几何形状的改进,如前角、排屑空间等,应集中在排屑能力上,以适应在更高的进给量和更高的速度下切削量的增加。涂层刀具有较高的加工效率,它允许有较高的进给量和切削速度(可增至原切削速度的2~3倍)。对于难加工材料,涂层对刀具性能改善较大。

具有超硬涂层的刀具之所以磨损量小,是因为膜层超硬化合物的硬度高、熔点高、热化学稳定性优良。超硬化合物多由过渡金属的氮化物、碳化物和硼化物组成。它们以强大的共价键结合;具有很低的标准生成自由能,构成了十分稳定的体系,在高温下硬度也不显若降低。这些膜层比硬质合金和高速钢等刀具材料显示出更高的耐机械磨损和耐热磨损等方面的能力。

镀膜条件、工艺参数、镀前基体预处理等对于优质涂层的制取是非常重要的。刀具表面的状态对涂层的附着力至关重要,被镀工件表面必须没有其他膜层、烧斑、锈斑、油污或其他沾污。工件要经过严格的喷砂和去油清洗,在真空中生长硬质薄膜前还要进行离子轰击清洗。

不同涂层材料的刀具,使用效果是不一样的。低速切削,TiC涂层占有优势;高速切削,TiN较合适;HfN的热化学稳定性比TiN更高,适合于在更高的切削速度下工作。TiN和Al2O3涂层相比,高速切削时Al2O3,涂层占有明显优势,而低速切削时TiN涂层刀具的使用寿命更长。

刀具寿命与膜厚也有一定的关系。若以后刀面磨损为基准,随膜厚的增加刀具寿命也会增加,但膜厚为5um时达到饱和,即寿命不再明显增加;但如果以前刀面月牙洼深度为刀具寿命的基准,刀具寿命与膜厚成正比,未发现饱和观象。膜层太厚时易引起剥离,现在车刀的涂层厚度多为单面5~10um。

对于铣刀的硬质涂层,膜厚的影响却不相同。对钢制工件进行铣削加工时, 无论采用哪种膜层,膜厚大约2um时刀具寿命最长,膜厚再增加时寿命反而下降。但是对冲击作用较小的铸铁等进行加工时,最佳膜厚向更厚的方向变化。在铣削中,TiC涂层具有最好的效果,而Al2O3涂层却显示不出在车削加工中的优势。

硬质合金刀具通常采用CVD法镀膜,但PVD镀膜处理几乎不造成刃口强度下降,PVD镀层硬质合金铣刀比CVD镀层更耐用。对于一般高速钢刀具品耐磨损性能,CVD涂层要优于PVD涂层,但精密的、形状复杂、价格昂贵不可重磨的高速钢刀具多为PVD镀膜。要提高涂层刀具的使用效果、充分发挥硬质涂层的作用是一相当复杂的技术。为了达到优化组合,建立涂层刀具数据库,对不同的工件,通过计算机选择刀具涂层材料和加工参数,情况就变得简单有效,从而真正达到优质、高效、低成本的加工目标。

铝合金压铸模具表面的PVD涂层处理

根据铝合金压铸模具的失效形式,采用PVD涂层是一种非常好的保护手段。下表列出了PVD涂层对于铝合金压铸模具的保护效果。

铝合金压铸模具表面的PVD涂层处理 金属表面处理 PVD

一般采用表面涂层的方法能够防止铝合金‘压铸模具龟裂的产生,大大延长模具的寿命。但是涂层的选择要保证以下几点:1、涂层能够耐高温;2、涂层的化学稳定性高,不会与铝合金发生化学反应;3、涂层非常致密,能阻挡A1原子的扩散。在表面涂层中,CrN和AlCrN是最理想的选择。它们不但能耐700℃的高温,而且化学惰性高,非常致密,在模具表面能形成严密的保护层,很好地防止AI原子渗透到基体。最早都是采用电镀Cr形成涂层,但由于电镀的涂层不均匀、比较厚以及突起部位不易镀上和对环境的污染等致命的缺点, 已经逐渐被淘汰了,而以PVD方法取代。

注塑模具通常遇到的问题和PVD涂层起到的作用

注塑模具通常遇到的问题和PVD涂层起到的作用 金属表面处理 PVD

随着玻璃、金属纤维增强的工程塑料和难燃树脂的广泛采用以及塑料制批量增加,塑料模具的工况日趋恶劣,其型腔表面常发生严重磨损、腐蚀, 影响产品外观质量和造成脱模困难,并大大缩短模具型腔的使用寿命。

实践证明,运用表面强化技术提高模具及相对运动件的表面硬度、耐磨性、减摩、耐蚀性及抗疲劳作用是避免模具早期失效,提高寿命的有效途径,同时还可在一定程度上弥补模具材料的不足,降低模具制造成本,提高生产率。

一套注塑模具常是由几个不同部件组合装配而成,对不同用途的模具,其要求也不相同。如对塑料喷注模具应具有下述特点:第一,承受压制引起的作用力。第二,无润滑的几种金属运动件,其在工作条件下会受到:1、咬合擦伤;2、腐蚀磨损,塑料粉末受热带来腐蚀和制品碎粒引人的磨损。另外有些模具区域要承受:1、疲劳;2、由于有些制品会加人玻璃纤维而引起的磨粒磨损;3、由于含氯聚合物分解引起的腐蚀和制品碎粒引起的磨损;4、在部件某些密封配合区域由于受热和受压双重作用会产生可燃废气的“内燃影响”(diesel effect),有时还会引起闪火或烧焚等。

在模具中,经受苛刻工况的一些部件有注塑喷口、运动挺杆、拉拔杆、导杆或导轨等。经受疲劳、磨损和腐蚀的工况会在模具上产生缺陷,这些缺陷将会降低模具寿命,也会带来模具作业的恶化:1、塑料充型速度和模具操作速度一般与模具部件滑动的摩擦系数成反比,模具的缺陷肯定影响作业速度,从而也直接影 响模具操作的费用;2、模具表面和注人模具材料之间的物理化学作用会引起塑料、橡胶或铝合金的“结瘤”弊病,或可叫做恶性“黏附”。如某注塑工厂,采用的塑料模具原用钢材为35NCD16(35Ni4CrMo钢)制造,内通水进行冷却。模具因黏瘤和“内燃影响”,需要在加工一百万件后进行清理和抛光,每件作业平均耗时17s,严重降低了生产效率。该厂模具后来采用一种PVD涂层处理, 单面膜后3um,具有高耐磨性,同时模具材料改用为导热性良好的Cu-Be合金(铍青铜),可以不用水进行冷却。经这种处理后的模具不发生“内燃影响”,黏瘤现象大为减轻,使清理工作可在每六百万次注塑后进行。另外由于模具涂层与塑料之间的化学亲和性小,每件作业平均耗时由17s减至10s。第二个实例为聚苯乙烯塑料药匙模具,模具材料为高合金钢Z38CDV5(1.2343,相当于美国H2钢)。存在的问题是塑料注人型腔的充填性差和出模黏瘤现象。”为了提高充型速度,模具采用某种PVD涂层处理,取得了惊人的好结果,作业时间减少30%。因为塑料和钢之间的摩擦减轻,脱模力减少,模具花纹雕刻不必太费神。第三个实例是合成橡胶O形橡皮圈模具,原采用电镀硬铬,现采用铬基PVD涂层。当采用镀硬铬时,由于严重的“结瘤”,模具在作业每两万次后要进行清理(在清理溶液中刷除和剔除)。为了减小维修费用和生产停滞费工,将硬铬层改为单面4um厚的铬基PVD涂层。这样取代后的结果很明显:清理工作可在每十万件后进行,停滞工时减少5倍。

铝合金压铸模具的失效模式及分析

铝合金压铸模具的失效模式及分析 金属表面处理 压铸

铝合金在现代制造业中具有举足轻重的作用,主要原因如下:

(1)压铸件的尺寸精度高、表面质量好;
(2)材料利用率高;
(3)可以生产出形状复杂、轮廓清晰、深腔薄壁的压铸件;
(4)压铸件组织致密,具有较高的强度和硬度;
(5)生产效率高,易实现机械化和自动化生产。
(6)经济效益好,在压铸件上可直接嵌铸其他材料的零件,节省贵重材料,特别是汽车工业已经大量采用铝合金制造零部件已达到减重、节能的目的。

压铸模具对于铝合金成型有极为重要的作用。铝的熔化温度为680℃,由于压铸时的温度高,再加上充型时的压力大,使得铝合金压铸模具的寿命非常低。根据现场统计发现,压铸模常见的失效形式有龟裂、开裂、冲蚀、黏附和变形等,其中龟裂、开裂、冲蚀和黏附主要发生在模具型腔表面。

1.龟裂

在每个压铸循环过程中,由于存在着剧烈的热交换,模具温度变化剧烈,由此产生的热应力导致摸具型腔表面产生热疲劳,形成微裂纹。随着压铸循环次数的增加,微裂纹进一步扩展,形成龟裂。这是铝合金压铸模失效的主要形式。

2.开裂

在压铸生产中,除了热应力,由于铝液的高压冲击在模具内部还产生了其他应力。当这些应力超过模具材料的疲劳极限时便产生了开裂,特别是容易产生应力集中的尖角部位,开裂的可能性更大此外,如果模具加工过程中产生的应力没有彻底消除,则模具更易开裂。

3.冲蚀

铝液高速充填型腔时摩擦生热使得在模具型腔表面朝向内浇道处的区域的表面温度高,加上受到铝液的猛烈冲击,因此该部位的表面保护层容易被破坏,铝液进一步与裸露的金属基体发生反应,生成较硬的化合物。在去除这些化合物的过程中,易带走基体材料,并暴露出新鲜表面,如此周而复始,加剧了型腔表面的损坏,形成严重的冲蚀。

4.黏附

铝合金充填型腔压射过程中,型腔表面的瞬间温度在600℃以上,此时模具材料与铝液的亲和力大黏附力强,易形成型腔黏附。

5.变形

在压铸过程中,压铸模承受锁模力压射反压力等多种应力的作用,如果模板刚度不够,模具则在这些应力的长期作用下产生弯曲变形。

6.运动障碍

在压铸生产中,由于模具内外温差大,模具上各部分的热变形量不同。不同的热变形量导致模具各零件尺寸的不同变化,从而改变了模具零件相互之间的配合关系。这种配合关系的改变可能会使得有相对运动的模具零件产生明显的运动障碍。