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低温下,PVD涂层依然可用

可用于模具及其部件的PVD涂层所具有的优点,早已见诸于各类文献资料中:PVD涂层可减少模具的生产周期,简化模具的充型过程,使模具具有较好的耐磨性,并减小了脱模力和增加了生产率。然而,由于电弧沉积过程产生高温,因此要在200~260℃(400~500°F)的情况下,才能在模具钢和部件上使用PVD涂层。然而模具的回火温度通常低于260℃(500°F),因此这会对模具造成损害。额外的回火工艺,会增加本钱,并降低加工过程中通常应具有的表面硬度。而一种新兴技术,可将涂层的使用温度降至200℃以下(390°F),且不会降低其性能。这一进展也为模具生产商、设计者和注塑商提供了诸多机会,使其可以为新用途选择材料。

涂有低温氮化钛涂层的PET瓶芯

常用PVD涂层

由于物理气相沉积涂层(如TiN,TiAlN和CrN)厚度仅为几微米,硬度却高于钢材,因此对模具生产商和模塑商颇具价值。高硬度使涂层具有耐磨性能,而其含有的陶瓷成分,使其具有耐腐蚀性且改善了脱模性能。固有的润滑性,更是改善了含有PVD涂层的模具的活动性,从而使其充型速度更快、模具周期更短。

PVD涂层主要用于顶出导梢、型腔和模芯,其摩擦特性可避免阻滞和腐蚀现象,且有些情况下无须使用润滑剂和脱模剂。涂层的硬度和耐磨性,还可使模具免受含有大量玻璃或矿物的填充树脂,以及PVC和CPVC等材料的热气腐蚀。

PVD涂层的涂覆操纵,通常是在电弧沉积温度为400~500℃(750~930°F)时进行的,这对回火温度较高的钢材(如M2和CPM牌号)非常合适。然而,沉积温度高使PVD涂层不能用于塑料加工中所使用的冷作模具钢、铜合金和模具钢等材料。

沉积温度低=模具材料的更优选择

目前推出的一种新型电弧技术,可使涂层在200℃(390°F)时即发生沉积。较低的沉积温度,降低了模具材料的回火阀值,且在涂覆过程中不会产生变形、降低其硬度或耐磨性。与较高温度下发生的沉积的涂层相比,PVD涂层仍能保持其性能。

该技术不仅可进步现有模具部件的产率和寿命,而且还为模具生产商、设计者和模塑商提供了更多可选材料,从而设计新型模具和其部件。采用冷作模具钢、模具钢和铜合金等廉价且易于加工的模具材料,可改善模具的耐久性、进步其表面硬度和使用温度。

本文将讨论三种采用低温电弧蒸发工艺生产的高性能氮化物涂层,它们对于模具生产商来说格外具有吸引力——氮化钛涂层、单层氮化铬涂层和纳米级的氮化铝钛涂层。

(1) 脱模性能得到改善

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来说尤为明显。表面扰动是由于模具材料的性能(如孔隙度),亦或是模具使用时间较长后性能受损所致(由于树脂的影响)。而用于氮化钛涂层的新型低温沉积工艺,可改善模具的脱模、填充和表面防护性能。

新型涂层的表面硬度为2300HV、钢摩擦系数为0.4。这些性能有助于防止树脂堆积、改善模具的耐磨性,并使模具表面易于清洗。这种沉积温度低的PVD所具有的化学惰性,对于加工线性聚酯(PC、 PBT(B)、PET(P))和苯乙烯聚合物(PS、SB、SAN、ABS和ASA)的模具来说,是一种理想材料。此外,该涂层具有生物相容性,并可安全地用于食品接触用途。

较低的沉积温度降低了模具材料的回火阀值 (此处以AISI 420 为例),
且不会由于涂覆而降低耐腐蚀性(图由Balzers Coating USA Inc提供)
(2)耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性

模具生产商或许很熟悉镀硬铬工艺。在低温下采用该工艺生产的氮化铬涂层,被广泛用于改善模具的硬度和耐腐蚀性。单层氮化铬涂层具有较好的耐腐蚀性、硬度很高(硬度为1750HV,而硬质铬为1245HV)、涂层附着力较高,且耐磨损性能得到改善。其钢摩擦系数为0.5,最高使用温度为700°C (1290°F)。

上述性能,使塑料注塑模具具有包含了耐磨损性、耐腐蚀性和抗氧化性的综合性能的上风。该涂层尤其适于加工塑料的模具,由于在加工过程中,会产生含氯、氟或其它强腐蚀性挥发成分的气体。这些塑料材料包括聚烯烃(PE、PP和PB)、缩醛树脂(POM)、聚酰胺(PA)、线性聚酯(PC、PBT(B)和PET(P)和聚芳砜/聚砜(PPE、PEEK、PAEK/PPS、PSU和PES)。

较低的沉积温度降低了模具材料的回火阀值 (此处以AISI 420为例),
且在涂覆过程中不会产生变形。
(3)硬度和稳定性

由于硬度较高,PVD有助于保护模具部件表面,使其免受含量较高的玻璃或矿物填充树脂的腐蚀。采用新型低温工艺,可使含有纳米层的氮化铝涂层的显微硬度达到3300HV,并具有很强的抗氧化性。其钢摩擦系数为0.30 - 0.35,最高使用温度为900°C (1650°F)。

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(PPE、PEEK、PAEK/PPS、PSU和PES))的模具来说,这些性能都是理想的。此外,该涂层也非常适用于玻璃纤维增强物对熔融原料的加工过程和铝制压铸模具。

较低的沉积温度降低了模具材料的回火阀值 (此处以AISI D6为例),
且不会由于涂覆使硬度降低。
小结

这些涂层的使用温度可低达200°C(390°F),且能保持PVD涂层的所有性能。较低的沉积温度,可避免在涂覆时使模具材料发生变形。而这过往一直是PVD涂层由于沉积温度高而带来的题目。这一涂层技术,为模具生产商、设计者和模塑商在不影响模具性能或寿命的条件下,提供了多种可用于设计新型模具和部件的材料。

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