[发明专利]用于离子氮化铝合金部件的设备以及使用该设备的方法

说明书

技术领域

本发明的主题为一种借助于离子源所发射的氮离子束来离子氮化(ion nitriding)铝合金部件的设备。本发明也涉及一种使用该设备氮化铝合金部件的方法。

本发明可应用于例如需要处理铝合金部件用来作为生产塑料部件之量产模具的塑料技术领域。

背景技术

在塑料技术领域中，塑料部件大都是在金属模具中模塑而成。目前大部份的这些模具是用钢制成。这是因为钢是长时间有良好机械强度的耐久性材料。因此，各个钢模具可用来制作大量的塑料部件，大约500,000至1,000,000个单位。不过，钢是很难处理的材料，因此不利于产品的迅速上市。它对于形状也没有很大的弹性，但是目前的趋势是要经常改变塑料部件的形状，因此注射模具的形状也要跟着改变。基于这些理由，钢模具的机械加工成本与时间成本都相对高。

因此，在塑料技术领域中已多方努力从钢以外的金属制作出注射模具。铝合金为这些金属中之一种。铝合金的优点是具有优异的机械加工性，即容许高速机械加工。铝合金也有高热交换性能，以致塑料部件的冷却更迅速，重量也极轻，所以也比较容易处理。给定积体铝合金的成本大体与同积体之钢的成本相当。

在此领域中，必须解决的一般性问题是铝合金模具的长时间机械强度有限，以致生产量比由钢制成的模具低。铝合金模具制成的塑料部件数通常大约为1,000个单位。此外，铝合金模具领域中要解决的特殊问题为例如以下的现象：模塑表面的腐蚀、分界面(the jointplane)的钝化、或腐蚀成长比钢模更快。

铝合金注射模具的制造商一直企图通过改善此类模具的表面机械强度来解决这些问题。为此，他们已在寻找通过增加表面硬度及润滑(减少磨擦系数)以及通过加强耐腐蚀性(主要是被氯化合物侵蚀)的方法来增强耐磨性。

现有技术包括经设计成可改善铝合金模具之机械强度的各种化学或物理化学方法。

有一种已知的化学方法是使铝合金模具阳极氧化。阳极氧化是一种电解法，通过该电解法可使氧化铝(Al₂O₃)的自然层厚度增厚到大约20微米。此氧化铝层硬但非常易碎(韧度大体与玻璃相同)。此外，它有高热膨胀系数且对氯化合物敏感，这使它高度容易出现热疲劳及腐蚀。

另一种化学方法是硬镀铬(hard chroming)。这是硬化电解处理铝合金模具，以使它们硬化。然而，此方法的问题是在模具边缘会有不均匀的厚度。此外，此方法需要称作酸洗的表面处理(产生7至8微米的初给微观粗糙度(priming microroughnesses)，而酸洗的质量则取决于转包商的技术秘密，因而模具制造商对此有不良的评价。

另一种化学方法是镀镍法。此方法是均匀地沉积一层浸渍聚四氟乙烯的镍，以便润滑该表面。然而，为了用聚四氟乙烯浸渍镍，模具必须在250℃的温度下保持数小时，这对铝合金的机械性质是致命的。若无聚四氟乙烯，也就是没有润滑，则镍层容易有脱层的风险。

另一种化学方法是气相氮化铬沉积法。此方法的问题与氮化铬层的粘着性有关，该粘着性质量不良的原因在于涂布的低容许温度(超出该温度，基材的机械性质被破坏)。

有一种物理化学方法是热氮化。此方法在于用氮使金属部件表面硬化以产生高表面硬度。通常加热进行此氮化，即，在氨气流中把待处理的金属部件加热到500℃以上的温度。在此温度，氨气会溶解及扩散到合金内以形成氮化物。例如，参见文献US4,597,808(Arai Tohru等人)，其描述了上述类型的物理化学方法。不过，有另一个问题，它与待处理材料即铝合金的种类有关。此类合金含有硬化沉淀物，该硬化沉淀物是通过在120至150℃下回火得到，且有助于使这些合金有良好的机械强度。问题是，使铝合金的温度增高到500℃以上的温度(US4,597,808所述)容易移除这些沉淀物。因此US4,597,808所描述的方法就希望的铝合金强度方面不令人满意。

有其它打算用于电子工业的铝部件的氮化方法。这些方法的目标是表面处理铝，以便沉积细密层的氧化铝或氮化铝，以电子业的观点看来它的特性有吸引力，特别是有良好的隔音及导热特性，从而维持铝部件的电子性能。在文献EP1,288,329(CCR GmbHBeschichtungs-techno)与US4,698,233(Iwaki Masaya等人)中可找到数个例子，其描述了电子工业使用的铝部件的处理方法。