一种用于橡胶制品镜面模具的涂层及其制备方法和应用与流程

本发明涉及模具表面处理，特别是涉及一种用于橡胶制品镜面模具的涂层及其制备方法和应用。

背景技术：

1、橡胶制品通常需要在模具中进行硫化成型，使生胶在一定温度和压力下发生交联反应，从而获得具有预定形状、尺寸及使用性能的橡胶产品。在硫化过程中，橡胶材料受热软化并在压力作用下与模具型腔表面充分接触，同时可能因橡胶材料自身黏性、交联反应产物以及模具表面状态等因素，对模具表面产生较强的黏附作用。因此，硫化完成后，橡胶制品容易出现粘模、脱模困难等问题；在黏附较为严重时，强行脱模还可能造成制品拉伸变形、表面撕裂或局部破损，影响产品质量及生产连续性。

2、橡胶制品模具按照型腔表面状态通常可分为雾面模具和镜面模具。针对雾面模具，现有技术通常在模具表面设置聚四氟乙烯涂层，利用聚四氟乙烯较低的表面能和摩擦系数降低橡胶制品与模具表面之间的黏附力，从而改善脱模性能。然而，聚四氟乙烯涂层的表面形貌、涂层厚度及加工工艺容易改变模具型腔原有的镜面状态，进而影响橡胶制品表面的光洁度、透明度及外观一致性，因而难以直接适用于对表面质量要求较高的镜面模具。

3、因此，对于镜面模具，现有技术主要采用在模具型腔表面喷涂脱模剂的方式提高脱模性能。生产过程中通常需要每间隔重新喷涂脱模剂，并等待脱模剂在模具表面干燥或固化后才能继续进行硫化成型。喷涂脱模剂的方式存在：反复喷涂和等待固化会延长生产节拍，降低生产效率的缺点；同时，喷涂量、喷涂均匀性以及固化程度容易受到人工操作和工艺条件的影响，难以在模具表面形成长期稳定且厚度均匀的脱模层。

4、此外，脱模剂可能在模具表面形成局部堆积、流痕、液滴痕迹或厚度不均的残留层。在合模加压和硫化过程中，上述残留层的微观形貌会被转印至橡胶制品表面，或者脱模剂中的部分组分会迁移并附着于制品表面，由此产生斑点、雾影、油印或光泽不均等印迹。对于硅橡胶制品，特别是无色透明硅橡胶制品，上述表面缺陷更为明显；并且，部分脱模剂残留可能与硅橡胶表面发生较强吸附，或者在硫化温度下形成难以溶解除去的残留物，因而难以通过常规清洗方式彻底去除，造成产品外观不合格，降低成品良率并增加生产成本。

5、进一步地，脱模剂及橡胶析出物在模具表面的反复积累还可能形成污垢，导致模具表面状态逐渐恶化，需要频繁停机清洗、抛光或维护。长期反复喷涂、清洗及机械处理还可能对镜面模具表面造成损伤，缩短模具的有效使用周期及使用寿命。

6、因此，有必要提供一种适用于橡胶制品镜面模具的涂层，以在保持模具表面光洁度的基础上降低橡胶制品与模具表面之间的黏附作用，减少脱模剂的反复喷涂及其在制品表面形成的难清除印迹，从而提高生产效率和产品良率，并延长模具的使用周期及使用寿命。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于橡胶制品镜面模具的涂层及其制备方法和应用，用于解决现有技术中的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明是通过以下技术方案获得的。

3、本发明第一方面提供一种用于橡胶制品镜面模具的涂层，所述涂层包括氮化钛层和钛过渡层，所述钛过渡层设于所述镜面模具与氮化钛层之间；所述涂层的硬度为2200~2500hv；所述涂层表面的干态摩擦系数为0.2~0.38；

4、所述涂层采用多弧离子镀工艺沉积得到，具体包括：对模具基材进行真空处理、加热处理及氩离子轰击清洗；在不通入氮气的条件下启动钛弧源，使钛靶材蒸发并离化，在模具基材的待镀表面沉积形成钛过渡层；保持钛弧源工作状态并通入氮气，使钛离子与氮反应，在钛过渡层表面沉积形成氮化钛层；冷却后得到所述涂层。

5、如所述涂层的硬度可以为2300~2500 hv，2310~2450 hv；如所述干态摩擦系数可以为0.2~0.33，0.26~0.38。所述钛过渡层用于提高镜面模具与所述氮化钛层的结合力。

6、本技术中涂层的硬度和干态摩擦系数均是十分重要的参数，能够影响最终的技术效果。在本技术提供的涂层硬度合适，既具有一定硬度以保证耐磨性，同时也不至于因脆性过大而导致涂层出现裂纹或剥落。同时，本技术涂层的干态摩擦系数较低，更有利于防粘和脱模。

7、优选地，所述涂层的厚度为2~6μm。如所述涂层的厚度可以为2~5μm，2~3μm。

8、本技术中所述涂层的厚度会影响最终的使用效果。如果涂层的厚度过薄，则可能会导致涂层的耐磨性和耐腐蚀性明显下降，无法有效抵御橡胶材料、配合剂以及脱模过程中带来的机械磨损和化学侵蚀，导致模具镜面使用寿命缩短。同时，过薄的涂层难以形成完整、无针孔的连续膜层，局部覆盖不足会直接造成粘模、脱模困难，甚至在制品表面复制出缺陷。如果涂层过厚，则会显著增加涂层内部的应力，在反复开合模及热胀冷缩过程中更容易出现开裂、剥落或起皮现象。此外，过厚涂层还可能导致导热性能降低，影响橡胶硫化过程中的热传递效率，造成硫化不均等后果。

9、优选地，所述钛过渡层的厚度为80~120 nm。如可以为90~110nm，95~105nm。

10、本发明第二方面提供一种如上所述的涂层的制备方法，包括如下步骤：

11、提供橡胶制品镜面模具，对模具基材进行预处理使得模具基材表面光洁、无污染物残留；

12、采用多弧离子镀工艺沉积涂层，包括依次对预处理后的模具基材进行真空处理、加热处理和氩离子轰击清洗，以去除模具基材表面的氧化层与污染物；

13、氩离子轰击清洗完成后，进行钛过渡层的沉积，包括：在不通入氮气的条件下启动钛弧源，使钛靶材蒸发并离化，在所述模具基材的待镀表面沉积形成钛过渡层；再在所述钛过渡层表面沉积形成氮化钛层：在形成所述钛过渡层后，保持所述钛弧源处于工作状态，并通入氮气，使钛离子与氮反应，在所述钛过渡层表面沉积形成氮化钛层，冷却后得到所述涂层。

14、优选地，所述预处理包括抛光处理、碱性脱脂处理、纯水清洗、乙醇脱水处理和干燥处理。

15、优选地，所述抛光处理后模具基材表面的粗糙度ra≤0.4μm。如可以为0.1~0.4μm，可以为0.2~0.3μm。

16、优选地，采用碱性除油剂在超声环境中以进行碱性脱脂处理，处理时的温度为50~60℃，处理时间为15~20min，超声的频率为30~50 khz。

17、如所述处理温度可以为52~58℃，可以为56~57℃；如所述处理时间可以为15min、16min、17min、18min、19min、20min；如所述超声的频率可以为35~45 khz，38~42 khz。

18、所述碱性除油剂可以采用本领域常规的碱性除油剂，其组分可以包括碱性物质和/或表面活性剂。更具体地，所述碱性物质可以包括碳酸钠、磷酸三钠中的一种或多种，所述表面活性剂可以包括非离子表面活性剂。

19、优选地，所述干燥处理的温度为110~140℃，时间为60~90min。如干燥温度可以为110~130℃，可以为115~125℃，干燥时间可以为70~90min，可以为75~85min。

20、优选地，将预处理后的模具基材放入多弧离子镀设备的真空腔体内以进行真空处理，真空腔体抽本底真空至≤4.0×10-3pa。如可以为3.0×10-3~4.0×10-3 pa，可以为2.0×10-3~3.0×10-3 pa。

21、优选地，所述加热处理的温度为220~280℃，加热时间为20~40min。如所述加热温度可以为240~260℃，可以为230~270℃。从而活化基材表面，去除模具表面微量水汽及洗涤剂等残留杂质，避免后续镀膜过程产生针孔缺陷。

22、优选地，冷却的温度小于120℃。如所述温度可以为0~100℃，可以为10~50℃，可以为15~30℃。

23、优选地，进行氩离子轰击清洗时，包括以下特征中的一种或多种：

24、向腔体中通入氩气；

25、工作气压为0.1~0.5 pa；

26、向所述模具基材施加基体脉冲负偏压，为-1000~-500v；

27、脉冲负偏压的占空比为25~35%；

28、刻蚀清洗的时间为10~20 min。

29、如所述工作气压可以为0.2 pa、0.3 pa、0.4 pa；如所述基体脉冲负偏压可以为-900~-700v，-1000~-600v；如所述脉冲负偏压的占空比可以为28~32%，可以为27~33%；如所述刻蚀清洗的时间可以为13~18min，为14~16min。

30、优选地，进行钛过渡层的沉积时包括以下特征中的一种或多种：

31、钛弧源电流 60~80 a；

32、向所述模具基材施加基体脉冲负偏压，为-300~-100v；

33、沉积时间为1~8min；

34、所述钛靶材的纯度不低于99.9%。

35、如所述电流可以为68~72 a，65~75 a；如所述基体脉冲负偏压可以为-200~-150v，-250~-120v；沉积时间可以为2~7min，3~6min。

36、优选地，进行氮化钛层沉积时，包括以下特征中的一种或多种：

37、所述钛靶材的纯度不低于99.9%；

38、所述钛弧源电流60~80 a；

39、所述氮气的流量为22~32 sccm，工作气压为0.18~0.30 pa；

40、模具基材的沉积温度为210~250℃；

41、向所述模具基材施加基体脉冲负偏压，为-280~-100v；

42、脉冲负偏压的占空比为20~30%；

43、沉积时长为30~70min；

44、沉积速率为0.045~0.065 μm/min。

45、如所述电流可以为70~75 a，68~77 a；如所述氮气的流量可以为22~30 sccm，25~28 sccm；如所述工作气压可以为0.18~0.25 pa，0.22~0.24 pa；如所述模具基材的沉积温度可以为210~240℃，220~230℃；如所述基体脉冲负偏压可以为-220~-120v，-170~-150v；如所述脉冲负偏压的占空比可以为22~28%，可以为24~26%；如所述沉积时长可以为40~54min，30~60min；如所述沉积速率可以为0.045~0.055 μm/min，0.045~0.050 μm/min。

46、优选地，所述模具基材选自钢基材。具体地，选自s136模具钢、nak80模具钢、4cr13模具钢、p20模具钢和h13模具钢中的至少一种。

47、本发明第三方面提供一种如上所述的涂层或如上所述的制备方法制得的涂层氮化钛在橡胶制品镜面模具中的应用，所述应用包括：用于减少橡胶制品与模具表面之间黏附作用和用于延长模具的使用寿命中的一种或两种。

48、有益效果：

49、本技术提供一种用于橡胶制品镜面模具的涂层，该涂层硬度高，耐磨性好，在长期的硫化环境中稳定性好，不易出现龟裂、脱落等现象，从而能够明显提高涂层的使用寿命，进而延长镜面模具的使用寿命，提高生产效率。且该涂层表面的干摩擦系数较低，使用具有该涂层的镜面模具进行脱模时，无需使用任何脱模剂，既能够顺利脱模，产品避免无印迹，良率高。