专利名称：具有改性钢表面的塑料加工组件的制作方法
具有改性钢表面的塑料加工组件
本发明涉及塑料加工组件的改性钢表面。
已知的如此加工的塑料产品例如有汽车工业中的汽车大灯的弥散屏、仪表盘覆盖层。另一大的应用领域在于医疗技术。例如主要以这种方式通过这样的组件制备婴儿用的吸乳护罩(Bruthauben)或移液管或镜头用的弥散屏。对于这样的塑料产品，几乎总是其表面的光学特性起到了突出的作用。这需要形成这些产品的工具有好的图像逼真度。
对这样的塑料加工组件的表面提出了很高的要求:-高硬度和耐磨性-不会增长和不会变脆 -易于维修的，即可抛光、可后辐照和可焊的 -功能表面尽可能好的图像逼真度在DE 10359321中尝试着实现这些，其方法是将组件的表面用硬质层涂覆，该硬质层一方面提供了磨损保护，而另一方面保证了好的图像逼真度。选择与层材料的热扩散系数一致的层厚度，从而实现预定的光泽度，进而实现图像逼真度。
但是，其中的缺点在于，为了修理表面必须首先完全除去该层，并且接下来的涂覆需要在大多情况下费用很高的在真空条件下的涂覆方法。
另一方面，如关键词Caveo所建议的，在特殊扩散过程中将元素嵌入在表面中，这使得钢本身转化成陶瓷型的、近似无定形的覆盖层。但是没有未知的是，这样的特殊扩散过程可能看起来怎样，并且使用哪些元素用于扩散。此外，可以期望，在产生上述的陶瓷型的无定形覆盖层之后，由于该覆盖层使所述扩散过程至少几乎停滞。因此，仍然可以预测，该无定形的覆盖层的厚度限于几个微米，并且因此不能再次进行修理或后处理。
本发明的任务在于，提供表面改性，由此至少部分地克服在现有技术中的上文列出的缺点。
另一方面，已知的是对工件的金属表面进行氮化作用，从而提高耐腐蚀性和保护其抵抗磨损。这可以借助流行的等离子体氮化作用实现，其中将待氮化的工件在真空条件下置于氢和氮离子的等离子体中。从1980起已知用脉冲等离子体进行氮化作用。脉冲同时带来了一些优点:因为一方面可以通过调节脉冲时间在宽阔的范围选择过程温度，而不必改变其它过程参数例如电极之间的电压，而另一方面可以通过脉冲尽可能阻止在氮化过程中形成火花。
利用氮扩散到基本材料的表面中进行氮化作用，由此产生氮化区域，在表面附近的该氮化区域中氮与工件的材料形成化合物，或在更深的区域中氮与基本材料形成所谓的固体溶液。因此，该氮化区域通常由化合物层和扩散区域组成。在化合物层中相应地主要存在氮化物化合物。在含铁基材的情况下，可以例如在化合物层中形成ε-氮化 物(=Fe2(3) N)和/或Y'-氮化物(=Fe4N)。
到目前为止对于塑料加工组件没有使用pro 方法，因为所述的化合物层在产生后具有粗糙度，这会导致在塑料表面上的不可接受的表面粗糙度。
在改善塑料加工组件的表面改性的工作中，发明人令人惊奇地发现，可以将借助pro 法改性的钢表面的化合物层非常好地抛光和特别是高光泽性地抛光，从而实现所想要的光泽度。因此，根据本发明对表面改性而形成抗磨损保护的扩散层和陶瓷型的抛光过的覆盖层。
用这种方法可以涂覆所有在530°C基本上不显示显著变化的钢型。为此例如有1.2311,1.2738,1.2316,1.2343,1.2344,1.2379,1.2083 (二级-热处理过的)。
在进行PPD 方法时例如包括下列步骤:-在真空室中加载至少一个待氮化的基材，其中所述至少一个基材与室壁电绝缘地固定，以便所述室壁可以形成阳极，而且所述至少一个待氮化的基材可以形成至少部分的阴极-通过密封一个或多个开口关闭该室，通过该开口在所述真空室中加载至少一个待氮化的基材-将所述真空室抽真空至工作压力-让气体混合物进入所述真空室，其中该气体混合物以元素和/或键合的形式含有氢和氮-通过在阳极和阴极之间施加脉冲电压，从而将气体混合物离子化并在室中形成等离子体来进行氮化。
根据本发明，借助抛光表面将在该方法中产生的化合物层的厚度减少优选大于 5 μ m特别优选约8 μ m。
本发明的方法(PH) 方法及接着后抛光覆盖层)在最多0.4mm的扩散深度进行。 自然地，扩散过程总是伴随着梯度变化。因此，很难说出绝对的扩散深度。根据定义，在本说明书的范围适合的是，扩散层的限定是通过与扩散层中最大浓度相比较那里的氮浓度降至Ι/e。可以达到大于400μπι的扩散深度，但是这导致不经济地长的过程时间。原本最多 15 μ m厚度的覆盖层可以非常好地进行抛光，并且在抛光后优选具有约7 μ m的厚度。覆盖层的硬度为最多1200HV*，由此达到高的耐磨性。相应的表面在应用中显示了相对于未改性的表面改善的脱模行为、较低的摩擦值和较少的覆盖层形成。
本发明的表面改性主要具有下列优点:实现了加工过的塑料基本上更好的表面明亮度，特别是在透明(Klarsicht)部件中，明显改善了可脱模性和因此降低了循环时间。基本上可以处理所有几何形状和显著减少了易划性。此外，阻止或至少明显减少了以术语“桔皮”已知的现象。这种现象可能当将钢表面直接抛光和不同硬度的钢成分不同性地脱落和因此留下表面结构(通常是凹陷)时出现。通过根据本发明构造包括扩散层和陶瓷型覆盖层的表面，在抛光时不会形成这样的“桔皮”。
此外，所述表面是易修理的。特别是可以在必须的焊接操作时在焊接之前在相应的区域脱去覆盖层，从而可以将扩散层容易焊接。短暂的PPD 后处理然后重新产生可以以简单的方式后抛光的覆盖层。
在本发明特别优选的实施方式中要注意，所述覆盖层基本上仅仅含有ε -氮化物 (=Fe2(3)N)或基本上仅仅含有Y’-氮化物(=Fe4N),因为在实现两种氮化铁化合物时可能形成所不想要的多孔层。
如果在过程气体 中选择15-30体积％的氮浓度，则可以实现仅仅含有Y ’ -氮化物的化合物层。实现其受欢迎的方式是使用氨气作为过程气体。
当向过程气体中混入1-3体积％的CH4时，可以实现仅仅含有ε -氮化物的化合物层。该过程因此称为碳氮共渗法。
在本说明书的范围涉及抛光过的覆盖层。其中当然很清楚的是，主要当涉及小型的结构(如果存在的话)，结构化的表面仅仅可以不好地抛光。但是这里可以使用其它平整化的方法。其中，平整化或光滑层不是指所想要的表面结构的平整，而是指与该表面结构重叠的基本上通过覆盖层引起的粗糙度的降低。作为这种平整化的方法例如可以使用小型的、不一定球形的喷射物料进行的喷射(喷丸、喷砂)。
在本说明书的范围公开了根据本发明的具有表面的塑料加工组件，该表面设计用于在加工塑料时与塑料接触，其中该表面的基本材料由钢组成和该表面是改性的，其特征在于，所述表面附近的区域包含氮扩散层，该扩散层至少150 μ m厚，优选大于200 μ m厚和特别优选约为400 μ m,并且该表面包含光滑的基本上由铁-氮化合物形成的覆盖层。所述光滑覆盖层可以是抛光成高光泽的覆盖层。所述光滑覆盖层可以是大于4 μ m厚和优选 7 μ m 厚。
优选所述覆盖层基本上仅仅含有ε -氮化物(=Fe2(3)N)或基本上仅仅含有Y’-氮化物(=Fe4N)。
公开了根据本发明的制备塑料加工组件的方法，其包括下列步骤:-在真空室中加载至少一个待氮化的基材，其中所述至少一个基材与室壁电绝缘地固定，以便所述室壁可以形成阳极，而且所述至少一个基材可以形成至少部分的阴极-通过密封一个或多个开口关闭该室，通过该开口在所述真空室中加载所述至少一个待氮化的基材-将所述真空室抽真空至工作压力-让气体混合物进入所述真空室，其中该气体混合物以元素和/或键合的形式含有氢和氮-通过在阳极和阴极之间施加脉冲电压，从而将气体混合物离子化并在室中形成等离子体来进行氮化，其特征在于，所述基材为塑料加工组件，并且在另一步骤中通过表面抛光来减小在该方法中产生的化合物层的厚度。
在所述另一步骤中可以通过表面抛光而将厚度减小大于5 μ m特别优选约8 μ m。
在该方法中，所述气体混合物可以含有15-30体积％的氮浓度，从而基本上在覆盖层中仅仅实现Y’-氮化物。
在该方法中，可以向所述气体混合物混入1-3体积％的CH4,从而基本上仅仅实现 ε -氮化物(=Fe2(3)N)。这优选在氮浓 度> 30体积％的情况下发生。
权利要求
1.具有表面的塑料加工组件，该表面设计用于在加工塑料时与塑料接触，其中该表面的基本材料由钢组成和该表面是改性的，其特征在于，所述表面附近的区域包含氮扩散层， 该扩散层至少150 μ m厚，优选大于200 μ m厚和特别优选约为400 μ m,并且该表面包含光滑的基本上由铁-氮化合物形成的覆盖层。
2.根据权利要求1的塑料加工组件，其特征在于，所述光滑覆盖层是抛光成高光泽的覆盖层。
3.根据上述权利要求之一的塑料加工组件，其特征在于，所述光滑覆盖层大于4μm厚和优选7μπ 厚。
4.根据上述权利要求之一的塑料加工组件，其特征在于，所述覆盖层基本上仅仅含有 ε -氮化物(=Fe2(3)N)或基本上仅仅含有Y ’ -氮化物(=Fe4N)。
5.制备塑料加工组件的方法，包括下列步骤:-在真空室中加载至少一个待氮化的基材，其中所述至少一个基材与室壁电绝缘地固定，从而所述室壁可以形成阳极，而且所述至少一个基材可以形成至少部分的阴极-通过密封一个或多个开口关闭该室，通过该开口在所述真空室中加载所述至少一个待氮化的基材-将所述真空室抽真空至工作压力-让气体混合物进入所述真空室，其中该气体混合物以元素和/或键合的形式含有氢和氮-通过在阳极和阴极之间施加脉冲电压，从而将气体混合物离子化并在室中形成等离子体来进行氮化，其特征在于，所述基材为塑料加工组件，并且在另一步骤中通过表面抛光来减小在该方法中产生的化合物层的厚度。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，在所述另一步骤中通过表面抛光而将厚度减小大于5 μ m特别优选约8 μ m。
7.根据权利 要求5或6之一的方法，其特征在于，所述气体混合物的氮浓度为15-30体积％。
8.根据权利要求5或6之一的方法，其特征在于，向所述气体混合物中混入1-3体积％ 的 CH4。
全文摘要
本发明涉及用于塑料加工的组件，其中该组件的表面是改性的。该表面基本材料是钢，其中根据本发明在钢中氮优选最多扩散到400μm的厚度并因此形成扩散层，并且其中该表面包含平整化的基本上含有氮-铁化合物的覆盖层。
文档编号B29C45/60GK103221571SQ201180058022
公开日2013年7月24日 申请日期2011年11月23日 优先权日2010年12月1日
发明者M.聪凯勒-奈德林格, G.佩耶尔 申请人:欧瑞康贸易股份公司(特吕巴赫)