一种具有pvd涂层的螺杆及其表面处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于表面处理技术领域，涉及一种塑料挤出机中的螺杆表面处理，特别是 一种螺杆的PVD表面处理方法。
【背景技术】
[0002] 塑料原料和塑料制品的生产，都离不开塑料机械。塑料机械是塑料工业发展的重 要支柱，是塑料工业发展的基础，也受塑料工业发展的影响。从世界范围看，塑料机械的三 大类品种依次是注塑机、挤出机和吹塑机，它们占了塑料机械总产值的80%以上。螺杆和机 筒是塑料机械中两个最核心的部件，这两个零件的组合工作质量，对物料的塑化、制品的质 量和生产效率，都有重要影响。因高速和高产量可使投资者获得更高的回报，使高速成为塑 料机械改进的主要方向之一。但是螺杆转速高速化使螺杆磨损加剧反而会造成产品质量的 下降。目前螺杆表面因各种原因产生的磨损导致停机是塑料挤压机械故障中的主要原因。
[0003] 为了提高螺杆的耐腐蚀、耐磨损和抗粘着能力，目前国内外主要采用渗氮、渗金 属、电镀、化学镀等技术来强化螺杆的表面。渗氮技术渗层较深，但硬度低，耐磨较差；化学 镀镍磷具有表面镀层均匀和镀深孔的能力，但处理工艺存在一定程度的污染，并且硬度较 低。电镀铬螺杆具有较好的耐磨性能，但由于电镀铬过程中的主要原料铬酐具有剧毒，是致 癌物，会导致严重的环境污染，电镀铬已列入禁止或逐步禁止。为此又有人进行了螺杆陶瓷 化技术的研宄，但其是螺杆整体采用陶瓷制造，成本过高，难以在普通场合应用。
[0004] 物理气相沉积（PVD，PhysicalVaporDeposition)是在现代物理、化学、材料学、 电子学等多学科基础上建立起来的一门先进的工程技术。它是将靶材（所镀薄膜材料）在 真空环境下，经过物理过程而沉积在衬底（需镀膜工件）表面的过程。使用物理气相沉积 技术在廉价的金属材料表面制造硬质陶瓷涂层是近年来研宄的热点，在工具和模具上已经 取得了成功的应用，解决了刀具的磨损和耐高温问题。电弧离子镀和磁控溅射是PVD方法 中最为常用的硬质陶瓷涂层的制造技术，目前刀具和模具上常用的TiN、CrN等涂层就是采 用电弧离子镀技术制造的。但常规电弧离子镀制造的陶瓷涂层如TiN、CrN等其硬度只有渗 氮的两倍，并且耐以获得致密、厚的涂层使得螺杆耐蚀耐磨寿命有限，在螺杆表面使用时具 有很大的局限性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种经PVD表面处理的螺 杆。
[0006] 本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种具有PVD涂层的螺杆，其特征在 于，包括螺杆基体，所述的螺杆基体上由内而外依次附着有结合层、功能层，其特征在于，所 述的结合层是厚度为〇. 1~〇. 5ym的Ti、Cr、Al金属层或其合金层，所述的功能层包括Ti、 Cr、Al、Si、Ni或其合金沉积的若干个依次循环的支撑层、耐磨层。
[0007] 在上述的具有PVD涂层的螺杆中，所述的功能层中支撑层、耐磨层的循环周期为 5~20次。
[0008] 在上述的具有PVD涂层的螺杆中，所述的支撑层单层厚度为50~500nm。
[0009] 在上述的具有PVD涂层的螺杆中，所述的耐磨层单层厚度为100~500nm。
[0010] 在上述的具有PVD涂层的螺杆中，所述的功能层厚度为3~20ym。
[0011] 本发明的另一目的在于提供一种上述螺杆的表面处理方法，其特征在于，包括如 下步骤：
[0012] a、首先将基体材料放置于真空镀膜设备中，调节设备真空度到5. 0XKT4~ 1. 0X10_3Pa，加热温度 200 ~400°C;
[0013]b、离子轰击，打开Ti、Cr、A1靶或其合金靶中的一种，弧电流40~80A，轰击电压 300~1000V，轰击时间1~20分钟，达到清洁基体的目的，
[0014] c、单开Ti、Cr、Al靶中的一种，通入纯度为99. 999的高纯氩气，弧电流60~100A， 电压100~300V，时间1~20分钟；在基体表面形成结合层；
[0015] d、单开Ti、Cr、Al靶中的一种，通入纯度为99. 999的高纯氮气，弧电流60~100A， 电压100~300V，形成厚度为50~500nm的支撑层，起到对耐磨层的硬度过渡和支撑的作 用，并形成很好的耐磨层生长界面；
[0016] e、开启Ti、Cr、Al、Si、Ni合金靶，通入纯度为99. 999的高纯氮气，弧电流60~ 100A，电压100~300V，形成厚度100~500nm的耐磨层。
[0017] 上述的步骤d、e循环若干个周期形成功能层。
[0018] 支撑层起到对耐磨层的硬度过渡和支撑的作用，并形成很好的耐磨层生长界面； 耐磨层是主要的工作层，耐磨层具有极高的硬度、耐腐蚀和抗磨损性能；
[0019] 功能层具有纳米周期调制结构，通过支撑层和耐磨层的循环组合，达到消除涂层 柱状晶结构的目的，涂层致密性高；而且消除了耐磨层过大的内应力，使得涂层整体内应力 低，韧性高，能够实现厚的涂层生产，厚度达到l〇ym以上，超过一般电弧陶瓷涂层厚度小 于5ym极限，有效延长螺杆的使用寿命。
[0020] 与现有技术相比，本注射机螺杆通过真空镀膜技术在基体表面沉积一层纳米金属 陶瓷涂层，达到提升螺杆硬度、耐磨性、抗高温、与塑料的低亲和性等性能的目的，从而提高 螺杆的使用寿命和产品质量、生产效率。
【附图说明】
[0021] 图1是本具有PVD涂层的螺杆的剖视结构示意图。
[0022] 图中，1、基体；2、结合层；3、功能层；31、支撑层；32、耐磨层。
【具体实施方式】
[0023] 以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述， 但本发明并不限于这些实施例。
[0024] 实施例1
[0025]本实施例提供的是〇45单螺杆注塑机中的螺杆，螺杆材料为38CrMoAl，加工材料 为PA66+33%GF，其包括基体和基体外附着的结合层和功能层。具体处理工艺如下：
[0026] a、首先将基体材料放置于真空镀膜设备中，调节设备真空度到8. 0Xl(T4Pa，加热 温度300°C;
[0027] b、离子轰击，打开电弧Ti、TiAl合金革E，弧电流80A，轰击电压1000V，轰击时间10 分钟，达到清洁基体的目的，
[0028] c、单开Ti靶，通入纯度为99. 999的高纯氩气，弧电流100A，电压300V，时间3分 钟；在基体表面形成结合层；
[0029] d、单开Ti靶，通入纯度为99. 999的高纯氮气，弧电流100A，电压100V，形成厚度 为100nm的支撑层；
[0030] e、开启TiAl合金靶，通入纯度为99. 999的高纯氮气，弧电流100A，电压100V，厚 度500nm的耐磨层；
[0031] 上述步骤d、步骤e为一组，循环工作5个周期，膜层厚度达到3微米，涂层硬度 2800HV，与钢材的干摩擦系数为0. 35。使用效果与氮化钢相比，加工770h，氮化钢磨损 0.2mm，而使用本发明涂层的螺杆未明显磨损，并且无任何粘料现象。
[0032] 实施例2
[0033]本实施例提供的是〇45单螺杆注塑机中的螺杆，螺杆材料为38CrMoAl，加工材料 为PA66+33%