一种具有复合功能的塑料管道挤出模具的制备方法
阅读说明：本技术 一种具有复合功能的塑料管道挤出模具的制备方法 (Preparation method of plastic pipeline extrusion die with composite function ) 是由 谭僖 朱晖朝 周克崧 王枫 陈志坤 张小锋 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于轻工机械塑料管道生产设备技术领域,具体涉及一种具有复合功能的塑料管道挤出模具的制备方法,所述模具进行预处理和检测后,使用热喷涂的方法在模具表面喷涂一层0.05-1.5mm含铬并加入了陶瓷颗粒的功能涂层,经后处理加工满足需求,功能涂层中包含的铬元素赋予涂层优异的耐蚀性能,功能涂层中亚微米尺寸的陶瓷颗粒赋予涂层优异的耐磨性能,后处理工艺中的元素渗透工序可以大幅提高涂层抗黏粘能力。采用本发明制备的塑料管道挤出模具可以解决传统电镀硬铬模具不耐磨、不耐蚀及物料易黏粘模具的问题,大幅延长模具的使用寿命,从而降低塑料管道挤出流程的综合成本,并提高产品质量。(The invention belongs to the technical field of light industry machinery plastic pipeline production equipment, and particularly relates to a preparation method of a plastic pipeline extrusion die with a composite function. The plastic pipeline extrusion die prepared by the invention can solve the problems that the traditional hard chromium electroplating die is not wear-resistant and corrosion-resistant and materials are easy to stick to the die, and greatly prolongs the service life of the die, thereby reducing the comprehensive cost of the plastic pipeline extrusion process and improving the product quality.)
技术领域
本发明属于轻工机械塑料管道生产设备技术领域，具体涉及一种具有复合功能的塑料管道挤出模具的制备方法。
背景技术
塑料管道以其优良的水力性能、极强的耐腐蚀性能、高安全性、安装方便等优点被广泛应用于民用建筑、市政给排水、电力通讯、燃气、消防、农业、海洋养殖等领域。聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PPR)、聚乙烯(PE)管道是主要的三类塑料管道产品，其占比超过塑料管道总量的90％，圆形塑料管道主要通过挤出工艺进行加工。
圆形塑料管道挤出设备主要包括挤管机头、定型与冷却装置、牵引装置及切断装置，其中管道的挤出定型是整个工艺最为关键的工序，因此塑料管道挤出模具是整套设备最为关键的核心部件之一。模具在生产过程因磨损、腐蚀及物料黏粘模具等原因使用寿命不长，据统计，模具相关支出占总生产支出近一成。通常而言，塑料管道挤出模具表面通过电镀等方式沉积电镀硬铬镀层，其有限的耐磨耐蚀能力导致相关模具使用寿命较短，随着中国联塑集团PVC管道用无铅钙锌复合热稳定配方体系(专利号CN201710175101.6)的开发，新的稳定体系在加工过程中存在析出问题，析出物会导致模具在更短时间内被腐蚀，导致模具方面的相关支出大幅增加，同时影响产品成型与性能。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种具有更高耐磨、耐蚀及抗黏粘能力的塑料管道挤出模具的制备方法。具体的，本发明是通过提供一种主要靠耐磨耐蚀抗黏粘复合功能涂层来达到改善模具耐磨、耐蚀及抗黏粘能力的方法。
目前已有较多耐磨或耐蚀或抗黏粘功能的涂层的相关研究，但本发明的不同之处在于：一、提供一种构造简单的单层涂层可以避免多层涂层较易发生界面分离的问题；二、提供一种兼具耐磨、耐蚀及抗黏粘一体化复合功能的涂层，尤其适用于塑料管道挤出模具等对上述三种性能同时需求的情况。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种具有复合功能的塑料管道挤出模具的制备方法，包括如下步骤：
(a)对模具表面进行预处理；
(b)采用检测手段对模具进行检测，确认模具不存在影响功能涂层沉积的缺陷；
(c)在无缺陷的模具表面采用热喷涂技术沉积功能涂层；
(d)对喷涂有功能涂层的模具表面进行后处理。
所述功能涂层所用的原材料中包含陶瓷颗粒；陶瓷颗粒的重量百分比>5％，陶瓷颗粒尺寸在亚微米以下；所述功能涂层厚度为0.01～1.5mm。
作为本发明一种优选的方案，步骤(a)中所述预处理包括磨抛、除油及喷砂处理；最优选地，所述磨抛操作需要去除模具表面的氧化皮及锈迹，所述除油包括但不限于火焰灼烧、酒精清洗、丙酮清洗中的一种或多种方式，所述喷砂处理所用砂粒选择10-45#的棕刚玉。
作为本发明一种优选的方案，步骤(b)中所述检测手段包括但不限于肉眼观察、光学显微镜取样观察、扫描电镜取样观察、表面粗糙度检测中的一种或多种；所述特定缺陷包括但不限于锈蚀坑、孔洞等中的一种或多种。
作为本发明一种优选的方案，步骤(c)中所述沉积功能涂层的热喷涂技术包括但不限于超音速火焰喷涂技术、大气等离子喷涂技术(APS)、低压等离子喷涂技术(LPPS)、等离子沉积-物理气象沉积技术(PS-PVD)中的一种或几种；最优选地，采用超音速火焰喷涂技术。
作为本发明一种优选的方案，步骤(c)中所述功能涂层所用的原材料主要成分选自镍基合金粉末、碳化钨基粉末、钴基合金粉末中的一种或几种。
作为本发明一种优选的方案，构成原材料主要成分的粉末中含铬元素；铬元素的质量百分含量为4％～20％。
最优选地，选用NiCr-Cr2C3、WC-10Co4Cr等粉末中的一种或多种。
作为本发明一种优选的方案，所述原材料中包含有一定重量百分比的陶瓷颗粒；最优选地，陶瓷颗粒的重量百分比>5％，陶瓷颗粒尺寸在亚微米以下(<10μm)。
作为本发明一种优选的方案，所述陶瓷颗粒包括但不限于碳化钨、碳化铬、氧化铬中的一种或几种。
作为本发明一种优选的方案，步骤(c)中所述功能涂层厚度为0.01～1.5mm；最优选地，功能涂层厚度为0.05～0.5mm。
作为本发明一种优选的方案，步骤(d)中所述后处理包括但不限于逐级抛光、元素渗透等关键工序。
作为本发明一种优选的方案，所述抛光操作根据模具具体形状使用仿形金刚石砂带、金刚石砂轮中的一种或多种作为对磨工具。
作为本发明一种优选的方案，所述逐级抛光操作采用的对磨工具粗细度逐级降低，直至模具满足图纸或工程需求(通常要求粗糙度Ra≤0.4μm)；最优选地.，粗细度按以下顺序逐级降低：5μm→2μm→1μm→0.5μm→0.2μm→0.1μm，直至模具粗糙度满足图纸或工程需求。
作为本发明一种优选的方案，所述元素渗透工序中渗透元素包括但不限于铬、碳、氮等元素中的一种或多种。
相对现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：
本发明塑料管道挤出模具表面涂覆有耐磨、耐蚀能力较优的功能涂层。功能涂层选用了含Cr元素的合金粉末作为原材料，主要用来提升功能涂层的抗腐蚀能力。功能涂层的原材料粉末中加入了一定重量百分比的陶瓷颗粒，主要用来提升功能涂层的耐磨能力。后处理工艺中包含元素渗透等关键工序，用以提升涂层的抗黏粘能力。本发明采用了与涂层相适应的前处理和后处理工艺，以获得最优的耐磨、耐蚀及抗黏粘能力。
附图说明
图1为电镀硬铬镀层及涂覆本发明所述功能涂层的扫描电镜观察图，其中图1a为电镀硬铬镀层，图1b为本发明所述功能涂层。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明实施例的一部分，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种具有复合功能的塑料管道挤出模具模芯的制备方法，包括如下步骤：
(a)对模具表面进行磨抛处理，去除模具表面的氧化皮及锈迹；然后使用乙醇、丙酮等物质除去模具表面的油渍，使用45#棕刚玉，0.5MPa的压力对上述模具进行喷砂。
(b)使用肉眼检测模具，看模具是否存在锈蚀坑等缺陷；
(c)使用NiCr-Cr2C3基颗粒(含有88％NiCr和12％Cr2C3)作为原料粉末，使用HVAF在模具表面喷涂厚度为0.25mm的功能涂层；
(d)使用金刚石仿形砂轮带对涂层模具进行逐级抛光，直至表面粗糙度Ra≤0.4μm；；然后通过渗氮工艺对涂层进行最终处理，即得。
实施例2
一种具有复合功能的塑料管道挤出模具定径套的制备方法，包括如下步骤：
(a)对模具表面进行磨抛处理，去除模具表面的氧化皮及锈迹；然后使用乙醇、丙酮等物质除去模具表面的油渍，使用45#棕刚玉，0.5MPa的压力对上述模具进行喷砂。
(b)使用肉眼检测模具，看模具是否存在锈蚀坑等缺陷；
(c)使用WC基颗粒(含有86％WC、10％Co及4％Cr)作为原料粉末，使用HVAF在模具表面喷涂厚度为0.5mm的功能涂层；
(d)使用金刚石砂轮对涂层模具进行逐级抛光，直至表面粗糙度Ra≤0.4μm，即得。
对比例1
采用电镀硬铬技术制备的与实施例1和实施例2同尺寸、同型号塑料管道挤出模具模芯及定径套。
验证例
采用本发明实施例1制备的模芯和对比例1的电镀模芯；采用本发明实施例2制备的定径套和对比例1的电镀定径套，用于PVC塑料管道生产。
结果显示：连续生产7天后，对比例1电镀模已出现锈蚀斑点，同时模具表面出现中度物料黏粘情况，对比例1电镀定径套部分位置电镀层已严重磨损，极个别位置出现镀层剥落等现象，因模具涂层的失效导致生产的管道出现横纹等缺陷，无法满足产品要求。
而本发明实施例1制备得到的功能涂层模芯在连续生产7天后表面无锈斑，无物料黏粘模具的情况，可继续使用；连续生产1个月后出现轻度物料黏粘情况而无腐蚀现象发生；经再次磨抛后可继续使用。由此可见，本发明的功能涂层模芯较常规电镀模芯使用寿命提高至4倍以上。
本发明实施例2制备得到的功能涂层定径套连续生产7天后表面无磨损、锈蚀等现象，可继续使用；连续生产接近1个月后，功能涂层定径套表面粗糙度Ra>0.8μm，定径套表面涂层无明显磨损迹象、无脱落，可经再次抛光后可继续使用。由此可见，本发明的功能涂层模芯较常规电镀模芯使用寿命提高至4倍以上。
如图1a所示，对比例1中模具电镀层中因制备过程中的“氢脆”现象导致镀层中存在微裂纹及贯穿性裂纹，生产过程中钙锌稳定体系析出物具有较高的腐蚀性，会沿着贯穿性渗入涂层中与模具基材接触，从而导致模具出现锈蚀坑；而图1b为实施例1中模具功能涂层示意图，从中可以看到涂层致密无贯穿性裂纹，同时涂层中的Ni、Cr等元素与腐蚀性物质接触后形成氧化镍、氧化铬薄膜层，会阻碍腐蚀性物质对涂层的进一步腐蚀，从而具有更优的抗腐蚀性能。抗腐蚀性能的提升使得模具表面相对较为光洁，不易成为析出物的附着点，从而也在一定程度上提升了模具的抗黏粘能力。此外，经摩擦磨损测试，相同条件下对比例1中涂层电镀层磨损量为实施例2中模具功能涂层的10倍以上，这是实施例2中涂覆功能涂层的定径套使用寿命较对比例1中电镀定径套更长的原因，模芯、分流板等部件在镀铬层防护的情况下在使用过程中容易出现物料黏粘的情况，为此，实施例1在后处理工艺中包含了渗氮工艺，经测量渗氮后涂层表面能有所降低，这就改善了涂层与物料黏粘的情况。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。