本發(fā)明涉及塑料機械技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及復合涂層螺桿及其制備方法。

背景技術(shù)：

在當前注塑加工領(lǐng)域，隨著工程改性塑料的普遍使用，注塑機螺桿的使用壽命變短。具體的，由于工程改性塑料中通常會添加增強劑、阻燃劑等物質(zhì)，例如玻璃纖維、碳纖維、色母、磷化物、氟化物等物質(zhì)，從而加劇了金屬螺桿的磨損和腐蝕。

因而，現(xiàn)有的螺桿亟需改進，以提高螺桿的耐磨損和腐蝕性能，提高螺桿的使用壽命。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一在于提供一復合涂層螺桿，其可有效提高螺桿的耐腐蝕和磨損性能。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，一復合涂層螺桿，其包括螺桿，螺桿的表面依次附著熱噴涂重熔合金涂層和物理氣相沉積(以下簡稱“PVD”)涂層；其中，熱噴涂重熔合金涂層為包括Cr₃C₂-Ni-Cr、WC-12Co、WC-12Ni、WC-10Co-4Cr、WC-15Ni、TiC-15Ni或其組合的合金涂層，PVD涂層為包括AlCrN、CrAlN、CrN、AlTiN、TiAlN、TiAlCrN、TiSiN、TiSiAlN、TiAlWN或其組合的納米硬質(zhì)涂層。

根據(jù)本發(fā)明的另一實施例還提供了一復合涂層螺桿的制備方法，其包括如下步驟：提供螺桿；采用超音速火焰噴涂的工藝在螺桿的表面噴涂包括Cr₃C₂-NiCr、WC-12Co、WC-12Ni、WC-10Co-4Cr、WC-15Ni、TiC-15Ni或其組合的合金涂層；對附著在螺桿的表面的合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層；采用PVD工藝在重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層的表面沉積包括AlCrN、CrAlN、CrN、AlTiN、TiAlN、TiAlCrN、TiSiN、TiSiAlN、TiAlWN或其組合的納米硬質(zhì)涂層以形成PVD涂層。

本發(fā)明實施例提供的復合涂層螺桿及其制備方法，通過在螺桿本體的表面依次沉積熱噴涂重熔合金涂層和PVD涂層形成復合涂層螺桿，有效防止復合涂層螺桿在使用過程中被腐蝕和磨損，進而提高復合涂層螺桿的使用壽命。

附圖說明

圖1所示是根據(jù)本發(fā)明一實施例的復合涂層螺桿的主視圖

圖2所示是圖1所示復合涂層螺桿I處的軸向截面放大圖

圖3所示是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的復合涂層螺桿的主視圖

圖4所示是圖3所示復合涂層螺桿II處的軸向截面放大圖

具體實施方式

為更好的理解本發(fā)明的精神，以下結(jié)合本發(fā)明的部分優(yōu)選實施例對其作進一步說明。

圖1所示是根據(jù)本發(fā)明一實施例的復合涂層螺桿100的主視圖，圖2所示是圖1所示復合涂層螺桿100的I處軸向截面放大圖。

如圖1和2所示，復合涂層螺桿100包括螺桿10，螺桿10的表面10a依次附著熱噴涂重熔合金涂層12和PVD涂層14。其中，熱噴涂重熔合金涂層12為包括Cr₃C₂-Ni-Cr、WC-12Co、WC-12Ni、WC-10Co-4Cr、WC-15Ni、TiC-15Ni或其組合的合金涂層，用以強化螺桿10的耐腐蝕性能，PVD涂層14為包括AlCrN、CrAlN、CrN、AlTiN、TiAlN、TiAlCrN、TiSiN、TiSiAlN、TiAlWN或其組合的納米硬質(zhì)涂層，用以強化螺桿10的耐磨性能。

在本發(fā)明的一實施例中，熱噴涂重熔合金涂層12為包括Cr₃C₂-Ni-Cr的雙合金涂層，且PVD涂層14為包括AlCrN的納米硬質(zhì)涂層；Cr₃C₂和Ni-Cr的重量比例較佳約為75％和25％。

在本發(fā)明的又一實施例中，熱噴涂重熔合金涂層12的厚度為0.1mm-1mm，熱噴涂重熔合金涂層12的厚度可進一步優(yōu)選為0.2mm-0.5mm。PVD涂層14的厚度為0.1μm-15μm，PVD涂層14的厚度可進一步優(yōu)選為6μm-12μm，更優(yōu)選為8μm-10μm。

在本發(fā)明的又一實施例中，PVD涂層14的表面硬度為3000HV-4000HV。PVD涂層14的表面硬度可進一步優(yōu)選為約3300HV-3800HV。

圖1所示根據(jù)本發(fā)明一實施例的復合涂層螺桿100的制備方法包括如下步驟：

提供螺桿10；

采用超音速火焰噴涂的工藝在螺桿10的表面噴涂合金涂層；

對附著在螺桿10的表面10a的熱噴涂合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層12；

采用PVD工藝在重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面12a沉積PVD涂層14，從而形成復合涂層螺桿100。

根據(jù)本發(fā)明的一實施例，熱噴涂重熔合金涂層12和PVD涂層14之間還可以增設(shè)結(jié)合層，從而進一步提高熱噴涂重熔合金涂層12和PVD涂層14之間的結(jié)合強度。

圖3所示是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的復合涂層螺桿200的主視圖，圖4所示是圖3所示復合涂層螺桿200的II處軸向截面放大圖。

如圖3和4所示，復合涂層螺桿200在復合涂層螺桿100的基礎(chǔ)上，進一步包括位于熱噴涂重熔合金涂層12和PVD涂層14之間的結(jié)合層16。

在本發(fā)明的一個實施例中，結(jié)合層16為Ti、Cr或Al金屬層或其合金層。

在本發(fā)明的又一實施例中，結(jié)合層16的厚度為0.05μm-1μm，較佳為0.05μm-0.5μm。

圖3所示根據(jù)本發(fā)明一實施例的復合涂層螺桿200的制備方法包括如下步驟：

提供螺桿10；

采用超音速火焰噴涂的工藝在螺桿10的表面噴涂合金涂層；

對附著在螺桿10的表面10a的熱噴涂合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層12；

采用PVD工藝在重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面12a沉積結(jié)合層16

采用PVD工藝在結(jié)合層16的表面16a沉積PVD涂層14，

從而形成復合涂層螺桿200。

在本發(fā)明的一實施例中，采用PVD工藝形成PVD涂層14的步驟包括：首先通入純度為99.999％的氬氣，在偏壓為800-1000V的條件下清潔熱噴涂重熔合金涂層12的表面或結(jié)合層16的表面；然后停止通入氬氣，通入純度為99.999％的氮氣，在偏壓為80-100V的條件下，打開包含用于組成PVD涂層14的金屬的靶，弧電流為120A-200A，采用PVD工藝在清潔后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面或結(jié)合層16的表面沉積形成PVD涂層14。

在本發(fā)明的一實施例中，采用PVD工藝形成結(jié)合層16的步驟包括：在偏壓400-600V、弧電流為100A的條件下，通入純度為99.999％的氬氣，然后關(guān)掉氬氣，采用包含由于組成結(jié)合層16的金屬的靶，采用PVD工藝在重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面沉積形成結(jié)合層16。

在本發(fā)明的又一實施例中，重熔處理采用激光進行重熔，所述激光的功率為500-1000W(較佳約為800W)、光斑直徑為3-5mm(較佳約為4mm)、且移動速度為0.5-3m/min(較佳約為1.5m/min)。

上述的熱噴涂重熔處理，即利用熱源將熱噴涂重熔合金涂層12所包含的合金中最容易熔化的金屬熔化，產(chǎn)生的液相有助于擴散過程的強化和成分的滲透，熔化的過程使熱噴涂重熔合金涂層12與螺桿10的表面10a的結(jié)合區(qū)由原來堆疊的層狀組織變?yōu)橹旅芎洼^均勻的組織，孔隙減少甚至消失，從而提高了熱噴涂重熔合金涂層12和螺桿10之間的結(jié)合度以及熱噴涂重熔合金涂層12的內(nèi)在質(zhì)量，進一步提高了熱噴涂重熔合金涂層12的耐腐蝕性和耐磨性。

復合涂層螺桿200在復合涂層螺桿100的基礎(chǔ)上增設(shè)位于熱噴涂重熔合金涂層12和PVD涂層14之前的結(jié)合層16，通過結(jié)合層16形成熱噴涂重熔合金涂層12和PVD涂層14之間的過渡，可進一步增強PVD涂層14與熱噴涂重熔合金涂層12之間的結(jié)合度。

本發(fā)明實施例可通過常規(guī)的超音速火焰噴涂設(shè)備采用常規(guī)的噴涂工藝形成熱噴涂重熔合金涂層12、以及通過常規(guī)的PVD設(shè)備采用常規(guī)PVD工藝形成結(jié)合層16和PVD涂層14。

在本發(fā)明的另一實施例中，復合涂層螺桿在復合涂層螺桿100或復合涂層螺桿200的基礎(chǔ)上，進一步包括位于螺桿的表面和熱噴涂重熔合金涂層12之間的滲氮層以進一步強化螺桿的表面和熱噴涂重熔合金涂層12之間的結(jié)合度。滲氮層的厚度為0.1mm-0.5mm，滲氮層的厚度可進一步優(yōu)選為不小于0.2mm。根據(jù)本發(fā)明的一個實施態(tài)樣，滲氮層的制備工藝為：在采用超音速火焰噴涂的工藝在螺桿的表面噴涂以形成熱噴涂合金涂層之前，先使螺桿進行離子滲氮處理以形成滲氮層。

以下結(jié)合本發(fā)明的部分更優(yōu)選實施例對其作進一步說明。

實施例1

提供螺桿10，螺桿10為圓鋼或根據(jù)不同的壓縮比來設(shè)計的螺旋狀鋼材；

采用超音速火焰噴涂的工藝在螺桿10的表面噴涂Cr₃C₂-Ni-Cr合金以形成厚度為0.3mm的熱噴涂合金涂層；其中，Cr₃C₂和Ni-Cr的重量比例為75％和25％；

對附著在螺桿10的表面10a的熱噴涂合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層12，重熔處理采用激光重熔，設(shè)定功率為800W，光斑直徑為4mm，移動速度為1.5m/min；

通入純度為99.999％的氬氣(即高純氬氣)，在偏壓800-1000V的條件下，清潔重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面，然后關(guān)掉氬氣，通入純度為99.999％的氮氣(即高純氮氣)，在偏壓80-100V的條件下，打開CrAl靶，弧電流為120A-200A，采用PVD工藝在清潔后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面12a沉積AlCrN合金形成厚度為7-9μm的PVD涂層14，從而形成復合涂層螺桿100。復合涂層螺桿100的表面硬度為3800HV左右。

實施例2

提供螺桿10，螺桿10為圓鋼或根據(jù)不同的壓縮比來設(shè)計的螺旋狀鋼材；

采用超音速火焰噴涂的工藝在螺桿10的表面噴涂Cr₃C₂-Ni-Cr合金以形成厚度為0.3mm的熱噴涂合金涂層；其中，Cr₃C₂和Ni-Cr的重量比例為75％和25％；

對附著在螺桿10的表面10a的熱噴涂合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層12，重熔處理采用激光重熔，設(shè)定功率為1000W，光斑直徑為5mm，移動速度為0.5m/min；

通入純度為99.999％的氬氣(即高純氬氣)，在偏壓800-1000V的條件下，清潔重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面，然后關(guān)掉氬氣，通入純度為99.999％的氮氣(即高純氮氣)，在偏壓80-100V的條件下，打開AlTi靶，弧電流為120A-200A，采用PVD工藝在清潔后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面12a沉積TiAlN合金形成厚度為4-8μm的PVD涂層14，從而形成復合涂層螺桿100。復合涂層螺桿100的表面硬度為3300HV左右。

實施例3

提供螺桿10，螺桿10為圓鋼或根據(jù)不同的壓縮比來設(shè)計的螺旋狀鋼材；

使螺桿10在400℃的氮氣環(huán)境下進行離子滲氮處理以形成滲氮層，滲氮層的厚度為0.25mm；

采用超音速火焰噴涂的工藝在滲氮層的表面噴涂Cr₃C₂-Ni-Cr合金以形成厚度為0.3mm的熱噴涂合金涂層；其中，Cr₃C₂和Ni-Cr的重量比例為75％和25％；

對附著在滲氮層的表面的熱噴涂合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層12，重熔處理采用激光重熔，設(shè)定功率為500W，光斑直徑為3mm，移動速度為3m/min；

在偏壓400-600V、弧電流為100A的條件下，通入純度為99.999％的氬氣(即高純氬氣)，然后關(guān)掉氬氣，采用Cr金屬靶，在重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面12a采用PVD工藝沉積Cr金屬以形成厚度為0.5μm的結(jié)合層16；

通入純度為99.999％的氮氣(即高純氮氣)，在偏壓80-100V的條件下，打開CrAl靶，弧電流120A到200A，采用PVD工藝在結(jié)合層16的表面16a沉積AlCrN合金形成厚度為7-9μm的PVD涂層14，從而形成復合涂層螺桿200。復合涂層螺桿200的表面硬度為3700HV左右。

實施例4

提供螺桿10，螺桿10為圓鋼或根據(jù)不同的壓縮比來設(shè)計的螺旋狀鋼材；

使螺桿10在400℃的氮氣環(huán)境下進行離子滲氮處理以形成滲氮層，滲氮層的厚度為0.3mm；

采用超音速火焰噴涂的工藝在滲氮層的表面噴涂WC-10Co-4Cr合金以形成厚度為0.3mm的熱噴涂合金涂層；其中，WC、Co和Cr的重量比例為86％、10％和4％；

對附著在滲氮層的表面的熱噴涂合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層12，重熔處理采用激光重熔，設(shè)定功率為800W，光斑直徑為4mm，移動速度為1.5m/min；

通入純度為99.999％的氬氣(即高純氬氣)，在偏壓800-1000V的條件下，清潔重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面，然后關(guān)掉氬氣，通入純度為99.999％的氮氣(即高純氮氣)，在偏壓80-100V的條件下，打開CrAl靶，弧電流為120A-200A，采用PVD工藝在清潔后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面12a沉積AlCrN合金形成厚度為7-9μm的PVD涂層14，從而形成復合涂層螺桿100。復合涂層螺桿100的表面硬度為3750HV左右。

實施例5

提供螺桿10，螺桿10為圓鋼或根據(jù)不同的壓縮比來設(shè)計的螺旋狀鋼材；

采用超音速火焰噴涂的工藝在螺桿10的表面噴涂WC-10Co-4Cr合金以形成厚度為0.3mm的熱噴涂合金涂層；其中，WC、Co和Cr的重量比例為86％、10％和4％；

對附著在螺桿10的表面10a的熱噴涂合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層12，采用激光重熔，設(shè)定功率為800W，光斑直徑為4mm，移動速度為1.5m/min；

在偏壓400-600V、弧電流為100A的條件下，通入純度為99.999％的氬氣(即高純氬氣)，然后關(guān)掉氬氣，采用Cr金屬靶，在重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面12a沉積Cr金屬以形成厚度為0.5μm的結(jié)合層16；

通入純度為99.999％的氮氣(即高純氮氣)，在偏壓80-100V的條件下，打開CrAl靶，弧電流120A到200A，采用PVD工藝在結(jié)合層16的表面16a沉積AlCrN合金形成厚度為7-9μm的PVD涂層14，從而形成復合涂層螺桿200。復合涂層螺桿200的表面硬度為3800HV左右。

實施例6

提供螺桿10，螺桿10為圓鋼或根據(jù)不同的壓縮比來設(shè)計的螺旋狀鋼材；

采用超音速火焰噴涂的工藝在螺桿10的表面噴涂WC-12Ni合金以形成厚度為0.3mm的熱噴涂合金涂層；其中，WC和Ni的重量比例為88％和12％；

對附著在螺桿10的表面10a的熱噴涂合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層12，采用激光重熔，設(shè)定功率為800W，光斑直徑為4mm，移動速度為1.5m/min；

在偏壓400-600V、弧電流為100A的條件下，通入純度為99.999％的氬氣(即高純氬氣)，然后關(guān)掉氬氣，采用Cr金屬靶，在重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面12a沉積Cr金屬以形成厚度為0.5μm的結(jié)合層16；

通入純度為99.999％的氮氣(即高純氮氣)，在偏壓80-100V的條件下，打開CrAl靶，弧電流120A到200A，采用PVD工藝在結(jié)合層16的表面16a沉積AlCrN合金形成厚度為7-9μm的PVD涂層14，從而形成復合涂層螺桿200。復合涂層螺桿200的表面硬度為3800HV左右。

實施例7

提供螺桿10，螺桿10為圓鋼或根據(jù)不同的壓縮比來設(shè)計的螺旋狀鋼材；

采用超音速火焰噴涂的工藝在螺桿10的表面噴涂WC-12Co合金以形成厚度為0.3mm的熱噴涂合金涂層；其中，WC和Co的重量比例為88％和12％；

對附著在螺桿10的表面10a的熱噴涂合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層12，采用激光重熔，設(shè)定功率為800W，光斑直徑為4mm，移動速度為1.5m/min；

在偏壓400-600V、弧電流為100A的條件下，通入純度為99.999％的氬氣(即高純氬氣)，然后關(guān)掉氬氣，采用Ti金屬靶，在重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面12a沉積Ti金屬以形成厚度為0.5μm的結(jié)合層16；

通入純度為99.999％的氮氣(即高純氮氣)，在偏壓80-100V的條件下，打開AlTi靶，弧電流120A到200A，采用PVD工藝在結(jié)合層16的表面16a沉積TiAlN合金形成厚度為4-8μm的PVD涂層14，從而形成復合涂層螺桿200。復合涂層螺桿200的表面硬度為3200HV左右。

實施例8

提供螺桿10，螺桿10為圓鋼或根據(jù)不同的壓縮比來設(shè)計的螺旋狀鋼材；

采用超音速火焰噴涂的工藝在螺桿10的表面噴涂Cr₃C₂-Ni-Cr合金以形成厚度為0.3mm的熱噴涂合金涂層；其中，Cr₃C₂和Ni-Cr的重量比例為75％和25％；

對附著在螺桿10的表面10a的熱噴涂合金涂層進行重熔處理以形成熱噴涂重熔合金涂層12，采用激光重熔，設(shè)定功率為800W，光斑直徑為4mm，移動速度為1.5m/min；

在偏壓400-600V、弧電流為100A的條件下，通入純度為99.999％的氬氣(即高純氬氣)，然后關(guān)掉氬氣，采用Cr金屬靶，在重熔處理后的熱噴涂重熔合金涂層12的表面12a沉積Cr金屬以形成厚度為0.5μm的結(jié)合層16；

通入純度為99.999％的氮氣(即高純氮氣)，在偏壓80-100V的條件下，打開AlTi靶和Cr靶，弧電流120A到200A，采用PVD工藝在結(jié)合層16的表面16a沉積TiAlCrN合金形成厚度為7-9μm的PVD涂層14，從而形成復合涂層螺桿200。復合涂層螺桿200的表面硬度為3600HV左右。

下表為本發(fā)明各實施例的復合涂層螺桿與常用的普通螺桿的性能參數(shù)對比

注：

●雙合金螺桿采用42CrMo類調(diào)質(zhì)鋼，表面進行約0.27mm厚度(0.27mm為實施例1-8中螺桿10表面的涂層的平均厚度)的鎳基合金噴焊處理。

●粉末合金不銹鋼螺桿采用進口粉末合金不銹鋼材質(zhì)。

●PVD涂層螺桿為僅附著有PVD技術(shù)沉積涂層的螺桿。

●抗腐蝕性的測試是螺桿的涂層在溫度為40℃的10％HCl溶液中浸泡10h，測量單位時間單位表面積的失重率。

●參照標準ISO8251－87和JISH8682標準，用磨擦輪磨耗試驗機測定在規(guī)定的試驗條件下，使涂層與膠接在磨擦輪外緣上的研磨砂紙作平面往復運動，每雙行程后磨擦輪轉(zhuǎn)動一小角度(0.9°)，經(jīng)規(guī)定的若干次研磨后，涂層質(zhì)量(mg)的減少作為衡量耐磨性的標準。

由上表可知，相較于常用的普通螺桿(即雙合金螺桿、粉末合金不銹鋼螺桿及PVD涂層螺桿)，本發(fā)明實施例提供的復合涂層螺桿，通過在螺桿的表面設(shè)置熱噴涂重熔合金涂層和PVD涂層，有效提高了復合涂層螺桿的表面硬度和抗腐蝕性，從而提高了復合涂層螺桿的品質(zhì)及使用壽命。

此外，雙合金螺桿主要利用鎳的耐腐蝕特性，工藝管控比較困難，表面的雙合金層結(jié)合度低，容易脫落，導致螺桿使用過程中品質(zhì)急速下降。而本發(fā)明實施例提供的復合涂層螺桿，可通過對熱噴涂重熔合金涂層的重熔處理及/或在熱噴涂重熔合金涂層和PVD涂層之間增設(shè)結(jié)合層來提高螺桿的表面的涂層的結(jié)合度，有效避免涂層脫落，從而進一步提高復合涂層螺桿的品質(zhì)，延長其使用壽命。

相較于價格較高的粉末合金不銹鋼螺桿，本發(fā)明實施例提供的復合涂層螺桿在提高上述性能的同時，價格也有所降低，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

雖然PVD技術(shù)是一門已知的在現(xiàn)代物理、化學、材料學、電子學、力學等多學科基礎(chǔ)上建立起來的工程技術(shù)，即將金屬或非金屬靶材(所鍍膜材料)在真空環(huán)境下，經(jīng)過物理過程沉積在需要鍍膜工件表面的過程。但僅采用PVD技術(shù)在螺桿10表面直接沉積涂層所得到的螺桿，其耐腐蝕性和耐磨性還是無法滿足螺桿的使用要求。而本發(fā)明實施例提供的復合涂層螺桿，將超音速火焰噴涂工藝與PVD工藝相結(jié)合，在螺桿上分別形成熱噴涂重熔合金涂層和PVD涂層，提高了復合涂層螺桿的耐腐蝕性能和耐磨性能。同時，通過對熱噴涂合金涂層的重熔處理來確保熱噴涂重熔合金涂層與螺桿之間、熱噴涂重熔合金涂層與PVD涂層之間的結(jié)合度，或者通過在熱噴涂重熔合金涂層和PVD涂層之間增設(shè)結(jié)合層來進一步加強熱噴涂重熔合金涂層與PVD涂層之間的結(jié)合度，實現(xiàn)不同工藝形成的涂層之間的有效結(jié)合。

本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)特點已揭示如上，然而熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可能基于本發(fā)明的教示及揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換及修飾。因此，本發(fā)明的保護范圍應不限于實施例所揭示的內(nèi)容，而應包括各種不背離本發(fā)明的替換及修飾，并為本專利申請權(quán)利要求書所涵蓋。