作者：James R. Koelsch
使用物理汽相淀積(PVD)涂層為模腔、孔和熱滴道涂層可減少注射壓力、壓機(jī)磨損、以及在模塑件中產(chǎn)生更小的殘余應(yīng)力。
你想有人向你提供一項(xiàng)技術(shù)，會(huì)使你減少注射壓力，減少你的壓機(jī)磨損嗎？一項(xiàng)技術(shù)能幫助你填充模腔更快，填充壓力更少，在模塑件中產(chǎn)生更小的殘余應(yīng)力嗎？
那么，可能你應(yīng)該考慮，用PVD為你的模腔、孔以及熱滴道涂層。Balzers 工具涂層公司聚合物材料應(yīng)用總裁Richard Reynolds博士指出，從數(shù)據(jù)來看，幾乎所有模塑料，在PVD涂層的模腔或孔中比在未涂層的模腔或孔中填充更遠(yuǎn)，壓力更少。例如，聚丙烯在同樣壓力下，通過涂層的方形、蛇形通道要比通過不涂層的要來得更遠(yuǎn)。而玻璃填充尼龍更遠(yuǎn)20%。
為了更好地滿足需求，在過去幾年開發(fā)了許多更容易使用的模具涂層。沉積的涂層顆粒越來越細(xì)，孔越來越小。較細(xì)的顆粒使涂層更光滑，光潔度和脫模性更好，而減少孔隙可以防止酸性氣體在模腔積累時(shí)找到它們的通路通過涂層的孔隙。一旦鹽酸或琉酸通過多孔的涂層擴(kuò)散，則它就會(huì)腐蝕下面的鋼基體并造成點(diǎn)蝕或涂層剝落。
使用模具的PVD涂層所采取的另一步驟是降低沉積溫度，把在涂層中模具變形的可能性減到最少。Reynolds說：“我們現(xiàn)在鍍TiN溫度大約為850oF（約450℃），這比我們?cè)趦赡昵暗土思s100oF。事實(shí)上，我們能在更低的溫度下鍍層，但是我們沒有選擇更低溫度，因?yàn)槲覀儾辉笭奚儗拥耐暾�。”在大多�?shù)情況下，溫度越高，黏附性越好，工藝問題越少。
PVD鍍層是一種通用的鍍層。積層通常大約為2mm厚，較硬(維氏2300, Rc82)并且比鉻(RC69)和其他濕鍍材料具有更好的化學(xué)惰性。TiN與除了一些丙烯酸類塑料以外的大多數(shù)聚合物有親合力，并能感受到長時(shí)間的PVC化學(xué)浸蝕。當(dāng)用丙烯酸類塑料時(shí)，Reynolds推薦后拋光TiN。
更多的選擇
Balzers和其他涂布專家介紹許多新的涂層和淀積工藝，可以在較低的溫度下淀積在基體上，而且提供所要求的模塑性能，藉此平衡了沉積溫度與涂層的完整性。比較新的(WC)C的積附溫度為450oF（約230℃）。Reynolds解釋道∶“我們涂覆 了數(shù)百個(gè)這樣的零件�！比缒Σ料禂�(shù)為0.2或更小，硬度Rc72，這樣的涂層大大提高了工具的壽命。
這種涂層對(duì)於想要容器更清潔的模塑工，有更多的好處。Reynolds說∶“當(dāng)干一個(gè)生產(chǎn)長的和細(xì)長的淀積容器活動(dòng)時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，用(WC)C涂層模塑時(shí)，能透光15-20%�！�
在TiAIN上溢料涂層，(WC)C也是一種重要的材料，涂覆成新的4mm厚的多層涂層，Balzers稱為Hard Lube。TiAIN基涂層比大多數(shù)涂層粗糙些，但特別硬，理論硬度為Rc92。(WC)C使表面更光滑。Reynolds說∶“我們?cè)跍p少頂銷磨損方面已經(jīng)取得一些良好結(jié)果，模腔已見到玻璃和碳填充的模塑料。”對(duì)於該公司來說，雖然這種涂層太新，不能發(fā)表具體的性能數(shù)據(jù)，但是Reynolds聲稱在一些初級(jí)應(yīng)用中已取得良好的結(jié)果。
但是，Multi-Arc公司相信她們擁有二硫化鉬和其他化合物的高級(jí)配方，并且正在對(duì)稱為MST的新固態(tài)薄膜潤滑劑進(jìn)行選擇試驗(yàn)以確定它是否適合於模具。該公司的發(fā)言人Mark Pellman說∶“已經(jīng)有一種用於金屬?zèng)_壓的商業(yè)產(chǎn)品，這種涂層特性像固態(tài)潤滑劑，它有獨(dú)特的結(jié)合特性，幾乎與TiN一樣硬，硬度為維氏2000，但摩擦系數(shù)為0.01，與泰佛隆〈聚四氟乙烯〉差不多�！�
金剛石螺柱模具
Multi-Arc也已開發(fā)了三種淀積類金剛石碳涂層的工藝，并正進(jìn)行注塑模具可應(yīng)用性的低強(qiáng)度研究。Pellman說∶“我們還不確信它們是用於模型上比TiN更好的涂層，雖然它們的硬度會(huì)延長磨損表面的壽命，但我們沒有任何證據(jù)可以證明，它們能夠提供更好的脫模性。”
他解釋道，Multi-Arc和其他涂層業(yè)廠家提供的類金剛石碳涂層比TiN和其他有關(guān)陶瓷有更高的表面能。類金剛石薄膜的表面能在40和50平方達(dá)因/厘米之間 ；它是大多數(shù)金屬氮化物的20倍，泰佛隆(Teflon)的17倍。這事實(shí)很重要，因?yàn)楦叩谋砻婺芡ǔ１硎竞芎玫臐駶櫮芰Α?BR> 不管Multi-Arc的懷疑，非牟利的Southwest Research Institute的報(bào)告指出類金剛石碳涂層正在改進(jìn)，成果實(shí)在鼓舞人心。機(jī)械和材料工程部高級(jí)研究科學(xué)家James Arps博士說∶“它對(duì)一些橡膠模塑料和一些模塑樹脂好像有好的脫模性，我們的目標(biāo)是更換傳統(tǒng)噴上的脫模劑或完全取消它們。再加上外部脫模劑勞動(dòng)強(qiáng)度較大，又昂貴，效益更會(huì)受技術(shù)人員的技術(shù)影響。而化學(xué)劑也涉及健康和法規(guī)�！�
類金剛石碳涂層是用離子束助壓沉積制作的幾種涂層中最有希望的一種，這是一種新的混合PVC工藝，該研究所是先鋒，并希望發(fā)許可證給有興趣的涂層商或其他公司。真空工藝使用離子源，用高能離子轟擊汽相淀積涂層。Arps解釋說∶“我們不淀積純碳，我們汽化一種有機(jī)初級(jí)粒子，當(dāng)這先驅(qū)物凝聚在零件上時(shí)，我們用離子槍轟擊它，使它破裂，強(qiáng)迫它變成含碳和15-25%之間氮的硬的無定形涂層�！�
這樣形成的1-2mm厚的涂層是密的、平滑和光滑的。其摩擦系數(shù)小於0.1，硬度在10和20GPa之間。Arps宣稱∶“在一些情況下，它差不多和TiN一樣硬。”
這工藝過程的主要優(yōu)點(diǎn)是淀積溫度通常低於150℃。Arps解釋道∶“當(dāng)涂層的沉積降低整個(gè)基體溫度時(shí)，把離子束的能量正好指在表面，使涂層黏好。許多PVD過程仍需要工具在相當(dāng)高的溫度下以便有最好的性能�！�
該研究所已經(jīng)開發(fā)了離子束助壓淀積的低操作溫度和用其他方法淀積低應(yīng)力薄的能力。它已經(jīng)用陶瓷涂層在低於100℃的溫度下涂覆聚合物材料，并建議用這些價(jià)格合理的快速原型制造用的涂層模具可以延長它們的使用壽命。
該工藝過程也已淀積了陶瓷如氧化鋁，到模具鋼上。雖然溫度可能必須稍高在200℃，但該過程仍然比大多數(shù)PVD過程冷得多。Arps說∶“在材料與模具鋼之間的熱膨脹失配是重要的，因而熱應(yīng)力仍然是一個(gè)問題。所以對(duì)我們是一個(gè)正在研究的領(lǐng)域�！�
另一個(gè)問題是離子束助壓淀積是一個(gè)用視線的工藝過程，用於制作難於涂層的深孔、凹陷部位和沉割。Arps希望在可見的將來能夠解決這個(gè)難題，到那時(shí)他和他的同事就可揭示一項(xiàng)新工藝，即離子鍍層的一種先進(jìn)形式。
當(dāng)反應(yīng)腔把他們的模具加熱時(shí)會(huì)發(fā)生什么情況？當(dāng)涂層磨損時(shí)將會(huì)怎樣？答案決定於基體的材料。Multi-Arc的Pellman表示，鈦和鋁合金很難剝落，但不銹鋼和大多數(shù)工具鋼容易剝落。在所有情況下，最關(guān)鍵的還是在涂層前與涂層商檢驗(yàn)表面情況是否合格，在基體損壞前把模具剝落并再涂層。
除掉涂層通常用三種方法∶液體剝落溶劑、等離子體剝落技術(shù)和物理噴砂技術(shù)。
要制造既精確又優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品及零組件，模具及切削工具的質(zhì)量是其中一個(gè)決定性因素。利用先進(jìn)的物理氣相沉積涂層技術(shù) (PVD coating technology)，在不同物料的模具及切削工具上鍍上涂層，可減少磨擦系數(shù)、提高磨損性、增加硬度、容易倒模、抗疲勞、抗熱龜烈等。