本发明涉及塑料机械技术领域，特别涉及具有复合涂层的螺杆及其制备方法。
背景技术：
螺杆是常用的机械部件。特别地，螺杆属于注塑机的核心构件。据统计，每年我国具有生产能力的塑料机械超过30万台，其中注塑机和挤出机占了80％以上。然而，螺杆在注塑机的使用过程中非常容易损坏或失效。例如，1986年，料筒及螺杆的磨损和腐蚀问题给北美的注塑机用户造成了高达25亿美金的损失。
此外，为了提高塑料制品的强度，塑料制品中常常需要加入玻璃纤维、碳纤维和石棉纤维等。由于这些纤维的加入，物料会对螺杆产生更大的磨损。并且，为了制备功能性的塑料制品，塑料制品中也常常需要加入阻燃剂、抗静电剂及着色剂等。然而，由于各种助剂的加入以及注塑生产的过程中温度等因素的影响，注塑机的使用过程常常产生氯化物、溴及硫化物等具有腐蚀性的中间物。这些中间物都会对螺杆造成严重的腐蚀。
为了提高螺杆的使用寿命，现有技术处理螺杆的表面工艺包括：烧结、全硬、表面氮化、电镀硬铬、喷焊及堆焊等。这些不同的表面处理工艺均具有各自的工艺特点及工艺要求。例如，表面氮化工艺一般在500℃高温下进行。然而，长时间的高温容易造成螺杆变形。并且，氮化后磨外圆的工艺很容易磨掉螺杆表面的局部白亮层，使得失去白亮层的部位易于最先受到腐蚀。再例如，电镀硬铬工艺应用的主要原料铬酐会污染环境。而且，铬层在螺杆的使用过程中很容易脱落，造成螺杆黑点，增加了产品不良率。
因此，现有的螺杆亟需改进，以提升螺杆的磨损及腐蚀的问题，同时达到降低生产成本及节约资源的目的。
技术实现要素：
本发明的目的之一在于提供一具有复合涂层的螺杆，其具有较高的耐磨损及耐腐蚀性能，且可经由简单的工艺制造，具有生产成本低、产品性能优异及生产效率高等诸多优点。
根据本发明的一实施例，一具有复合涂层的螺杆，其包括螺纹区段。该螺纹区段包括：多个螺棱，以及设置于多个螺棱的之间的多个螺槽，其中螺槽的表面附着物理气相沉积pvd涂层，且其中螺棱的表面由内到外依次附着金属硬质陶瓷涂层和物理气相沉积pvd涂层。
根据本发明的另一实施例还提供了一具有复合涂层的螺杆的制备方法，其包括如下步骤：提供棒材；在该棒材的表面形成金属硬质陶瓷合金涂层；将该棒材加工成形为螺旋状的螺杆，其中只有该螺杆的螺棱的表面保留金属硬质陶瓷合金涂层；及采用物理气相沉积pvd工艺在整个螺杆上沉积物理气相沉积pvd涂层。
物理气相沉积pvd涂层能提升螺杆的表面硬度从而提高螺杆的耐磨损性能，金属硬质陶瓷涂层则能提升螺杆的耐腐蚀性能。然而由于金属硬质陶瓷涂层的厚度远较pvd涂层厚且表面较为粗糙，若螺槽处也附着金属硬质陶瓷涂层，当螺杆带动注塑机中的流体状塑料旋转时，螺槽处的金属硬质陶瓷涂层会对旋转的流体状塑料产生较大的摩擦力，不利于塑料的流动。
本发明实施例提供的具有复合涂层的螺杆及其制备方法，通过在最易于遭到磨损及腐蚀的螺棱的表面处由内到外依次附着金属硬质陶瓷涂层和物理气相沉积pvd涂层，以显著提高螺棱处的耐磨损及耐腐蚀性能；且在螺槽的表面附着物理气相沉积pvd涂层而不附着金属硬质陶瓷涂层，以在提供螺槽耐磨损的pvd涂层保护时也保证螺杆在带动注塑机中的流体状塑料旋转期间不会对旋转的流体状塑料产生较大的摩擦力。
此外，本发明实施例提供的具有复合涂层的螺杆还具有良好的涂层与基体之间的结合强度。因而，本发明实施例提供的具有复合涂层的螺杆具有：优异的耐磨损性能、耐高温性能、耐腐蚀性能及较佳的使用寿命，经过本发明实施例提供的螺杆的制备方法制得的具有复合涂层的螺杆完全可以取代现有的经过渗氮、喷焊或电镀等表面处理工艺获得的螺杆。本发明实施例提供的具有复合涂层的螺杆具有广阔的市场前景。
附图说明
图1所示是根据本发明一实施例的具有复合涂层的螺杆的主视图
图2所示是图1所示的具有复合涂层的螺杆的i处的轴向截面放大图
图3所示是图1所示的具有复合涂层的螺杆的ii处的轴向截面放大图
具体实施方式
为更好的理解本发明的精神，以下结合本发明的部分优选实施例对其作进一步说明。
如图1所示，具有复合涂层的螺杆100包括螺纹区段10。螺纹区段10包括多个螺棱12，以及设置于多个螺棱12的之间的多个螺槽14。
如图2所示，螺槽14的表面附着物理气相沉积pvd涂层(以下简称“pvd涂层”)16。
如图3所示，螺棱12的表面由内到外依次附着金属硬质陶瓷涂层18和pvd涂层16。
在本发明的一实施例中，该pvd涂层16为craln、crn、tialcrn、tisin、tisialn、tialwn、tin或其组合构成的纳米硬质涂层。在本发明的又一实施例中，该pvd涂层16的厚度为1μm～30μm，较佳为4μm～12μm，更佳为4μm～10μm。
在本发明的一实施例中，pvd涂层16的表面硬度为3000hv-4000hv。pvd涂层16的表面硬度可进一步优选为约3300hv-3800hv。
在本发明的一实施例中，该金属硬质陶瓷涂层18为包括nicr-cr3c2、wc-12co、wc-10co-4cr、wc-15ni、tic-15ni、哈氏合金或其组合的合金涂层。在本发明的又一实施例中，该金属硬质陶瓷涂层18的厚度为0.03mm～30mm，较佳为0.1mm～15mm，更佳为0.3mm～10mm。
在本发明的一实施例中，该具有复合涂层的螺杆100进一步包括位于螺棱12的表面和金属硬质陶瓷合金涂层18之间的渗氮层(未示出)以进一步强化螺棱12的表面和金属硬质陶瓷合金涂层18之间的结合度。在本发明的又一实施例中，渗氮层的厚度为0.1mm-0.5mm，渗氮层的厚度可进一步优选为不小于0.2mm。
图1所示的根据本发明一实施例的具有复合涂层的螺杆100的制备方法包括如下步骤：
提供棒材，例如，圆钢；
在棒材的表面形成金属硬质陶瓷合金涂层18；
将形成有金属硬质陶瓷合金涂层18的棒材进行例如但不限于研磨抛光等工艺，使其加工成形为螺旋状的螺杆100，其中只有螺杆100的螺棱12的表面保留金属硬质陶瓷合金涂层18；及
采用物理气相沉积pvd工艺在整个螺杆100上沉积物理气相沉积pvd涂层16。
在本发明的一实施例中，在棒材的表面形成金属硬质陶瓷合金涂层18包括采用(例如，但不限于)超音速火焰喷涂工艺在棒材的表面形成金属硬质陶瓷涂层。
在本发明的一实施例中，沉积pvd涂层16包括通过常规的pvd设备采用常规pvd工艺形成pvd涂层16。
在本发明的一实施例中，采用pvd工艺形成pvd涂层16的步骤包括：首先通入纯度为99.999％的氩气，在偏压为800-1000v的条件下清洁经研磨抛光处理后的螺杆100；然后停止通入氩气，通入纯度为99.999％的氮气，在偏压为80-100v的条件下，打开包含用于组成pvd涂层16的金属的靶，弧电流为120a-200a，采用pvd工艺在清洁后的螺杆100的表面沉积形成pvd涂层16。
在本发明的一实施例中，具有复合涂层的螺杆100的制备方法进一步包括在棒材的表面形成金属硬质陶瓷合金涂层18之前，先使棒材进行离子渗氮处理以形成渗氮层。在本发明的又一实施例中，渗氮层的厚度为0.1mm-0.5mm，渗氮层的厚度可进一步优选为不小于0.2mm。
在本发明的一实施例中，具有复合涂层的螺杆100的制备方法进一步包括在棒材的表面形成金属硬质陶瓷合金涂层18之前，先热处理棒材。
经过本发明实施例提供的具有复合涂层的螺杆100的制备方法得到的螺杆100在易于遭到磨损和腐蚀的螺棱12处有金属硬质陶瓷合金涂层18和pvd涂层16的双重保护，且在螺槽14的表面附着pvd涂层16而不附着金属硬质陶瓷涂层18以增加旋转期间塑料在螺槽间的流动性。
本发明公开的具有复合涂层的螺杆100不仅具有优异的耐磨损及耐腐蚀的性能要求，较佳的使用寿命，而且与现有的螺杆表面涂层处理工艺得到的螺杆相比，本发明公开的螺杆100具有良好的涂层与基体之间的结合强度；由于螺槽处不存在表面较粗糙的金属硬质陶瓷涂层，因而不会对旋转的流体状塑料产生较大的摩擦力；及生产工艺简单，制造成本低、生产效率高等诸多优点。
以下结合本发明的部分更优选实施例对其作进一步说明。
实施例1
提供棒材，例如，圆钢。
对棒材进行热处理。然后，采用超音速火焰喷涂工艺在棒材的表面喷涂nicr-cr3c2合金以形成厚度为约0.3mm的金属硬质陶瓷涂层18，其中，cr3c2和nicr的重量比例为75％和25％。接着，对喷涂有金属硬质陶瓷涂层18的棒材进行研磨抛光，将棒材加工成如图1所示的螺旋状的螺杆100。
然后，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压为800-1000v的条件下，清洁螺杆100的表面。停止通入氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压为80-100v的条件下，打开cral靶，弧电流为120a-200a，采用pvd工艺在清洁后的螺杆100的表面沉积craln合金形成厚度为约8μm的pvd涂层16，从而在比较容易磨损的螺棱12上形成具有pvd涂层16和金属硬质陶瓷涂层18的复合涂层，且在螺槽14处形成pvd涂层16。所制得的具有复合涂层的螺杆100的表面硬度为约3800hv左右。
实施例2
提供棒材，例如，圆钢。
对棒材进行热处理。然后，采用超音速火焰喷涂的工艺在棒材的表面喷涂wc-12co合金以形成厚度为约0.3mm的金属硬质陶瓷涂层18，其中，wc和co的重量比例为88％和12％。接着，对喷涂有金属硬质陶瓷涂层18的棒材进行研磨抛光，将棒材加工成如图1所示的螺旋状的螺杆100。
然后，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压为800-1000v的条件下，清洁螺杆100的表面。停止通入氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压为80-100v的条件下，打开cr靶，弧电流为120a到200a，采用pvd工艺在清洁后的螺杆100的表面沉积crn合金形成厚度为约4μm的pvd涂层16，从而在比较容易磨损的螺棱12上形成具有pvd涂层16和金属硬质陶瓷涂层18的复合涂层，且在螺槽14处形成pvd涂层16。所制得的具有复合涂层的螺杆100的表面硬度为约3500hv左右。
实施例3
提供棒材，例如，圆钢。
对棒材进行热处理。然后，采用超音速火焰喷涂的工艺在棒材的表面喷涂wc-10co-4cr合金以形成厚度为约0.3mm的金属硬质陶瓷涂层18，其中，wc、co和cr的重量比例为86％、10％和4％。接着，对喷涂有金属硬质陶瓷涂层18的棒材进行研磨抛光，将棒材加工成如图1所示的螺旋状的螺杆100。
然后，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压为800-1000v的条件下，清洁螺杆100的表面。停止通入氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压为80-100v的条件下，打开tial靶和cr靶，弧电流为120a到200a，采用pvd工艺在清洁后的螺杆100的表面沉积tialcrn合金形成厚度为约8μm的pvd涂层16，从而在比较容易磨损的螺棱12上形成具有pvd涂层16和金属硬质陶瓷涂层18的复合涂层，且在螺槽14处形成pvd涂层16。所制得的具有复合涂层的螺杆100的表面硬度为约3600hv左右。
实施例4
提供棒材，例如，圆钢。
对棒材进行热处理。然后，采用超音速火焰喷涂的工艺在棒材的表面喷涂nicr-cr3c2合金以形成厚度为约0.3mm的金属硬质陶瓷涂层，其中，cr3c2和ni-cr的重量比例为75％和25％。接着，对喷涂有金属硬质陶瓷涂层18的棒材进行研磨抛光，将棒材加工成如图1所示的螺旋状的螺杆100。
然后，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压为800-1000v的条件下，清洁螺杆100的表面。停止通入氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压为80-100v的条件下，打开cr靶，弧电流为120a到200a，采用pvd工艺在清洁后的螺杆100的表面沉积crn合金形成厚度为约4μm的pvd涂层16，从而在比较容易磨损的螺棱12上形成具有pvd涂层16和金属硬质陶瓷涂层18的复合涂层，且在螺槽14处形成pvd涂层16。所制得的具有复合涂层的螺杆100的表面硬度为约3500hv左右。
实施例5
提供棒材，例如，圆钢。
对棒材进行热处理。然后，采用超音速火焰喷涂工艺在棒材的表面喷涂nicr-cr3c2合金以形成厚度为约0.3mm的金属硬质陶瓷涂层18，其中，cr3c2和ni-cr的重量比例为75％和25％。接着，对喷涂有金属硬质陶瓷涂层18的棒材进行研磨抛光，将棒材加工成如图1所示的螺旋状的螺杆100。
然后，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压为800-1000v的条件下，清洁螺杆100的表面。停止通入氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压为80-100v的条件下，打开tial靶和cr靶，弧电流为120a到200a，采用pvd工艺在清洁后的螺杆100的表面沉积tialcrn合金形成厚度为约8μm的pvd涂层16，从而在比较容易磨损的螺棱12上形成具有pvd涂层16和金属硬质陶瓷涂层18的复合涂层，且在螺槽14处形成pvd涂层16。所制得的具有复合涂层的螺杆100的表面硬度为约3600hv左右。
实施例6
提供棒材，例如，圆钢。
对棒材进行热处理。然后，采用超音速火焰喷涂的工艺在棒材的表面喷涂wc-12co合金以形成厚度为约0.3mm的金属硬质陶瓷涂层18，其中，wc和co的重量比例为88％和12％。接着，对喷涂有金属硬质陶瓷涂层18的棒材进行研磨抛光，将棒材加工成如图1所示的螺旋状的螺杆100。
然后，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压为800-1000v的条件下，清洁螺杆100的表面。停止通入氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压为80-100v的条件下，打开cral靶，弧电流为120a-200a，采用pvd工艺在清洁后的螺杆100的表面沉积craln合金形成厚度为约8μm的pvd涂层16，从而在比较容易磨损的螺棱12上形成具有pvd涂层16和金属硬质陶瓷涂层18的复合涂层，且在螺槽14处形成pvd涂层16。所制得的具有复合涂层的螺杆100的表面硬度为约3800hv左右。
实施例7
提供棒材，例如，圆钢。
对棒材进行热处理。然后，采用超音速火焰喷涂的工艺在棒材的表面喷涂wc-12co合金以形成厚度为约0.3mm的金属硬质陶瓷涂层18，其中，wc和co的重量比例为88％和12％。接着，对喷涂有金属硬质陶瓷涂层18的棒材进行研磨抛光，将棒材加工成如图1所示的螺旋状的螺杆100。
然后，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压为800-1000v的条件下，清洁螺杆100的表面。停止通入氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压为80-100v的条件下，打开tial靶和cr靶，弧电流为120a到200a，采用pvd工艺在清洁后的螺杆100的表面沉积tialcrn合金形成厚度为约8μm的pvd涂层16，从而在比较容易磨损的螺棱12上形成具有pvd涂层16和金属硬质陶瓷涂层18的复合涂层，且在螺槽14处形成pvd涂层16。所制得的具有复合涂层的螺杆100的表面硬度为约3600hv左右。
实施例8
提供棒材，例如，圆钢。
对棒材进行热处理。然后，采用超音速火焰喷涂的工艺在棒材的表面喷涂wc-10co-4cr合金以形成厚度为约0.3mm的金属硬质陶瓷涂层18，其中，wc、co和cr的重量比例为86％、10％和4％。接着，对喷涂有金属硬质陶瓷涂层18的棒材进行研磨抛光，将棒材加工成如图1所示的螺旋状的螺杆100。
然后，通入纯度为99.999％的氩气(即高纯氩气)，在偏压为800-1000v的条件下，清洁螺杆100的表面。停止通入氩气，通入纯度为99.999％的氮气(即高纯氮气)，在偏压为80-100v的条件下，打开cral靶，弧电流为120a-200a，采用pvd工艺在清洁后的螺杆100的表面沉积craln合金形成厚度为约8μm的pvd涂层16，从而在比较容易磨损的螺棱12上形成具有pvd涂层16和金属硬质陶瓷涂层18的复合涂层，且在螺槽14处形成pvd涂层16。所制得的具有复合涂层的螺杆100的表面硬度为约3800hv左右。
下表为本发明各实施例的具有复合涂层的螺杆与常用的普通螺杆的性能参数对比
注：
●双合金螺杆采用42crmo类调质钢，表面进行约0.27mm厚度(0.27mm为实施例1-8中螺杆10表面的涂层的平均厚度)的镍基合金喷焊处理。
●粉末合金不锈钢螺杆采用进口粉末合金不锈钢材质。
●抗腐蚀性的测试是螺杆的涂层在温度为40℃的10％hcl溶液中浸泡10h，测量单位时间单位表面积的失重率。
●参照标准iso8251－87和jish8682标准，用磨擦轮磨耗试验机测定在规定的试验条件下，使涂层与胶接在磨擦轮外缘上的研磨砂纸作平面往复运动，每双行程后磨擦轮转动一小角度(0.9°)，经规定的若干次研磨后，涂层质量(mg)的减少作为衡量耐磨性的标准。
由上表可知，相较于常用的普通螺杆(即双合金螺杆及粉末合金不锈钢螺杆)，本发明实施例提供的具有复合涂层螺杆有效提高了螺杆的表面硬度和抗腐蚀性，从而提高了螺杆的品质及使用寿命。
此外，双合金螺杆主要利用镍的耐腐蚀特性，工艺管控比较困难，表面的双合金层结合度低，容易脱落，导致螺杆使用过程中品质急速下降。而本发明实施例提供的具有复合涂层螺杆具有良好的涂层与基体之间的结合强度，进一步提高复合涂层螺杆的品质，延长其使用寿命。
相较于价格较高的粉末合金不锈钢螺杆，本发明实施例提供的具有复合涂层的螺杆在提高上述性能的同时，具有生产工艺简单、生产成本低及生产效率高的优点。
本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求书所涵盖。