CN106003490A - 一种用于塑料模具表面的防粘涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于塑料模具表面的防粘涂层，包括合金，所述合金包括第一元素和第二元素，其中第一元素为Ti而第二元素为Ni，或者第一元素为Ni而第二元素为Ti；还可适当添加第三元素甚至第四元素；其中第一元素和合金中除第一元素以外的其他元素的原子百分比为0.38：0.62～0.62：0.38。本发明的防粘涂层利用其在模具工作时温度变化导致的相变，尤其是马氏体相变，产生的表面形貌变化，典型的例如表面浮凸，促使表面粘连塑料从涂层上脱落，从而达到表面防粘的功能。相比于传统的防粘涂层和方法，本发明的防粘涂层具有智能、高效、环保的优点。

Description

一种用于塑料模具表面的防粘涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于表面工程领域，特别涉及一种利用镍钛基形状记忆合金相变时产生的表面形貌变化来防粘的涂层及其制备方法。
背景技术
在塑料模具的使用过程中，极易产生塑料在模具表面粘连的情况。不仅会影响成型精度，也会造成清理困难和生产效率降低，模具维护成本增加。因此，开发一种具有防粘功能的模具表面涂层对于提高生产效率、成型精度和降低模具维护成本，具有非常重要的实际应用价值。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提出了一种新型的用于塑料模具表面的防粘涂层。该涂层为以镍钛基形状记忆合金为主体，并适当添加第三元素甚至第四元素。利用其在模具工作时温度变化导致的相变，尤其是马氏体相变，产生的表面形貌变化，典型的例如表面浮凸，促使表面粘连塑料从涂层上脱落，从而达到表面防粘的功能。相比于传统的防粘涂层和方法，所述新型防粘涂层具有智能、高效、环保的优点。
本发明的防粘涂层包括合金，所述合金包括第一元素和第二元素，其中第一元素为Ti而第二元素为Ni，或者第一元素为Ni而第二元素为Ti；第一元素和合金中除第一元素以外的其他元素的原子百分比为0.38：0.62～0.62：0.38，优选为0.48：0.52～0.52：0.48。例如，当所述合金仅包括Ti和Ni时，其为二元合金，合金中Ti和Ni的原子百分比为0.38：0.62～0.62：0.38。
所述防粘涂层的合金除了包括Ti、Ni两种元素外，还可以进一步包括第三元素以形成三元合金，其中第三元素选自Zr、Au、Hf、Pt和Pd中的一种，第三元素占合金的原子百分数小于或等于50at.％。例如，所述三元合金为Ti50Ni50-xPtx，其中x小于或等于30。又例如，所述三元合金为Ti49Ni51-xHfx，其中x小于或等于30。再例如，所述三元合金为Ti50Ni50-xPdx，其中x小于50。
甚至，所述防粘涂层的合金还可以再进一步包括第四元素以形成四元合金，其中第三元素和第四元素选自Zr、Au、Hf、Pt和Pd中的两种，第三元素和第四元素占合金的原子百分数之和小于或等于50at.％。
所述防粘涂层具有形状记忆功能，其形状记忆功能是通过相变，尤其是奥氏体-马氏体相变而获得。相变温度在50℃～800℃范围之内，相变温度可以通过涂层的化学成分进行调节，例如通过调整合金中Ti和Ni的原子百分比，或通过掺杂第三元素和/或第四元素来调节涂层的相变温度。例如对于二元合金而言，随着Ni含量的提高，合金的相变温度有所降低。而对于掺杂了第三元素甚至第四元素的合金而言，掺杂Zr、Au、Hf一般可以使得合金的相变温度提高；而掺杂Pt、Pd时，当掺杂量小于10at.％时，合金的相变温度有所降低，而当掺杂量大于20at.％时，合金的相变温度将有所提高。
所述防粘涂层的表面形貌变化是通过相变获得的：在高于相变温度时呈表面较平滑的奥氏体相，在低于相变温度时呈表面较粗糙的马氏体相。
所述防粘涂层的厚度为0.5μm～5mm。所述防粘涂层可以通过激光增材制造、激光熔覆、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、喷涂、化学镀、电镀、堆焊等方法制备。
例如，通过PVD方法制备所述防粘涂层，所制备的涂层厚度为微米量级(0.5μm～100μm)，具体制备步骤如下：
步骤一、将清洗干净的基体或工件放入镀膜设备中，抽真空，使本底真空度维持在1×10-6～5×10-2Pa，通入氩气，使真空度维持在0.1～100Pa；
步骤二、开启各元素靶材电流(Ni靶、Ti靶以及第三元素、第四元素靶材电流)，对基体或工件实施负偏压清洗，以清除基体或工件表面可能残存的氧化膜、钝化膜等，获得完全洁净的表面，并获得一定的表面粗糙度；
步骤三、控制Ti靶电流以沉积一定厚度的Ti过渡层；
步骤四、根据待制备涂层中各元素的组分含量，控制各元素的靶材电流，并根据待制备涂层的厚度要求，沉积一段时间(例如0.01～2小时)以形成一定厚度的所述防粘涂层。
又例如，通过激光熔覆方式制备所述防粘涂层，所制备的涂层厚度为微米至毫米量级(1μm～5mm)，具体的制备步骤如下：
步骤一、将基体或工件打磨抛光，放置在工作台上；
步骤二、根据待制备的涂层中各元素的组分含量提供对应的金属粉末或金属丝材，金属粉末或金属丝材中各元素的组分含量与待制备的涂层中的各元素的组分含量相同；
步骤三、开启激光熔覆设备，同时进行金属粉末或丝材的供给，使供给材料熔覆在基体或工件表面，激光熔覆参数范围如下：激光熔覆功率0.5～10kW，扫描速度0.1～10mm/s，尾吹保护气体流量1～10L/min；
步骤四、激光熔覆后对熔覆表面进行清理、打磨等后续加工，使基体或工件形成最终所需要的形状。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的原子力显微镜(AFM)图像：其中(a)为高于相变温度时呈表面较平滑奥氏体相的AFM图像；(b)为低于相变温度时呈表面较粗糙马氏体相的AFM图像。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下实施例不构成对本发明的限定。
实施例1
采用PVD方法制备本发明的防粘涂层，具体步骤如下：
步骤一、将清洗干净的基体或工件放入镀膜设备中，抽真空，使本底真空度维持在1×10-6～5×10-2Pa，通入氩气，使真空度维持在0.1～100Pa；
步骤二、开启Ni靶和Ti靶的靶材电流，控制在10A，对基体或工件施加-500V的偏压清洗30分钟；
步骤三、控制偏压在-500V，控制Ti靶电流10A，沉积Ti过渡层1小时；
步骤四、控制偏压在-500V，控制Ni靶的靶材电流为20A，Ti靶的靶材电流为21A，沉积镍钛基合金防粘涂层。
实施例1得到的镍钛基合金防粘涂层的形貌如图1所示，其元素组成大约为Ti0.505Ni0.495，相变温度大约在333K(60℃)左右。如图1所示，本发明的防粘涂层表面形貌变化是通过相变获得的：在高于相变温度时呈表面较平滑的奥氏体相(a)，在低于相变温度时呈表面较粗糙的马氏体相(b)，并呈现出明显的表面浮凸，正是这种表面形貌的变化促使表面粘连塑料从涂层上脱落，从而达到表面防粘的功能。
实施例2
采用激光熔覆方法制备本发明的防粘涂层，具体步骤如下：
步骤一、将基体或工件打磨和抛光，放置在工作台上；
步骤二、将Ti、Ni、Pt的粉末以原子比为50：20：30的比例混合均匀；
步骤三、开启激光熔覆设备，同时供给上述混合均匀的粉末，以使之熔覆在基体或工件表面，激光熔覆参数范围如下：激光熔覆功率8kW，扫描速度5mm/s，尾吹保护气体流量5L/min。
步骤四、激光熔覆后对熔覆表面进行清理、打磨等后续加工，使基体或工件形成最终所需要的形状。
实施例2得到的镍钛基合金防粘涂层掺杂了第三元素Pt，使得其元素组成大约为Ti50Ni20Pt30，相变温度大约在893K(620℃)左右。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或有限的试验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于塑料模具表面的防粘涂层，其特征在于，所述防粘涂层包括合金，所述合金包括第一元素和第二元素，其中所述第一元素为Ti而所述第二元素为Ni，或者所述第一元素为Ni而所述第二元素为Ti；所述第一元素和所述合金中除所述第一元素以外的其他元素的原子百分比为0.38：0.62～0.62：0.38。
2.如权利要求1所述的防粘涂层，其特征在于，所述合金进一步包括第三元素，所述第三元素选自Zr、Au、Hf、Pt和Pd中的一种，所述第三元素占所述合金的原子百分数小于或等于50at.％。
3.如权利要求1所述的防粘涂层，其特征在于，所述合金进一步包括第三元素和第四元素，其中所述第三元素和所述第四元素选自Zr、Au、Hf、Pt和Pd中的两种，所述第三元素和所述第四元素占所述合金的原子百分数之和小于或等于50at.％。
4.如权利要求1-3中任一项所述的防粘涂层，其特征在于，所述防粘涂层的厚度为0.5μm～5mm。
5.如权利要求1-3中任一项所述的防粘涂层，其特征在于，所述防粘涂层表面可发生奥氏体-马氏体相变，相变温度为50℃～800℃，在高于所述相变温度时呈奥氏体相，在低于所述相变温度时呈马氏体相。
6.如权利要求1-3中任一项所述的防粘涂层，其特征在于，所述防粘涂层是通过激光增材制造、激光熔覆、物理气相沉积、化学气相沉积、喷涂、化学镀、电镀或堆焊的方法制备得到的。
7.如权利要求6所述的防粘涂层，其特征在于，采用所述物理气相沉积方法制备所述防粘涂层的步骤如下：
步骤一、将清洗干净的基体或工件放入镀膜设备中，抽真空，使本底真空度维持在1×10-6～5×10-2Pa，通入氩气，使真空度维持在0.1～100Pa；
步骤二、开启各元素靶材电流，对所述基体或工件实施负偏压清洗；
步骤三、控制Ti靶电流以沉积一定厚度的Ti过渡层；
步骤四、根据待制备所述防粘涂层中各元素的组分含量，控制各元素靶材电流，并根据待制备所述防粘涂层的厚度要求，沉积一段时间以形成一定厚度的所述防粘涂层。
8.如权利要求7所述的防粘涂层，其特征在于，所述防粘涂层的厚度为0.5μm～100μm。
9.如权利要求6所述的防粘涂层，其特征在于，采用所述激光熔覆方法制备所述防粘涂层的步骤如下：
步骤一、将基体或工件打磨抛光，放置在工作台上；
步骤二、根据待制备所述防粘涂层中各元素的组分含量提供相应的金属粉末或金属丝材，所述金属粉末或所述金属丝材中各元素的组分含量与待制备所述防粘涂层中的各元素的组分含量相同；
步骤三、开启激光熔覆设备，同时进行所述金属粉末或所述金属丝材的供给，使之熔覆在所述基体或工件表面，所述激光熔覆的参数范围如下：功率0.5～10kW，扫描速度0.1～10mm/s，尾吹保护气体流量1～10L/min；
步骤四、对熔覆表面进行清理、打磨，使所述基体或工件形成所需要的形状。
10.如权利要求9所述的防粘涂层，其特征在于，所述防粘涂层的厚度为1μm～5mm。
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