特殊模具涂层可实现闪亮“铸造”表面

作者：MICHAELHEUSER，KLAUSVISSING，MARCOHAESCHE，ALIREZAMOAZEZI，HEIDIWILLING，ALEXANDERPFUND

脱模剂和润滑剂可导致锌压铸件构件表面出现缺陷位置，如此一来，人们不得不费时费力地对这些缺陷位置进行后处理。在AiF-IGF项目GlossyCAST中，现已开发出一种创新的等离子模具涂层，在无需使用脱模剂的情况下，也可以直接获得更高的铸造面质量。

本文所述的工作旨在通过无脱模剂锌压铸生产工艺实现镜面般光泽表面的制造，以显著简化后处理过程。通过开发一种新型的防粘模具涂层，成功生产出了无需脱模剂的锌压铸构件。直接提高了铸件的质量和表面清洁度。通过等离子工艺生产的涂层在机械和热稳定性方面进行了优化，并在实验室测试中进行了测试。硬质薄涂层可实现最佳表面特性。同时，工业项目合作伙伴的实践测试证实了该技术的优势：

1、使用寿命高于80000次压铸周期，

2、由于省去了脱模剂喷涂过程，周期时间缩短了30%,

3、研磨和抛光等后处理步骤时间缩短了约50%。

此外，在接下来的镀铬处理之后，通过无脱模剂方式制造的铸件还具有更好的防腐蚀性能。总体而言，该工艺为锌合金压铸和电镀行业带来了经济、技术和生态方面的优势。

锌压铸领域的挑战

在锌压铸过程中，将液态锌合金在高压和高速（40-60米/秒）条件下注入到温度稳定（约160-180°℃）的铸模中。在铸件脱模时（脱模温度），铸型表面温度在190-287°C之间。由于熔液温度较低（约390℃）且锌熔体与铸型表面之间的反应性较低，因此铸型磨损相对较小，压铸模具的使用寿命可达0.5至200万件铸件。

在每个铸造周期开始之前，都需要在模具的型腔上涂抹脱模剂，以确保铸件从铸模中取出时不会发生损坏。然而，它们的使用可能会导致构件表面出现缺陷（图1），因此必须对铸件进行繁琐的后处理，才能确保铸件达到市场要求的表面质量。在铸造过程中，辅助材料的蒸发和热解可能会导致铸件表面附近形成孔隙，这是锌压铸最大的质量问题之一。因为当高温金属熔体进入模具型腔时，脱模剂中的有机成分会立即发生热分解和蒸发。在此过程中，型腔和铸造金属之间会形成气垫。熔体将吸收大量气体，这些气体会在铸件中形成孔隙。

其他因使用脱模剂而导致发生的典型铸造缺陷（见图1）包括：铸件表面出现条纹、粗糙性、流痕和脱模剂残留物。脱模剂与在压力下注入的金属熔体混合，根据局部材料流动情况的不同，它们会不均匀地沉积在铸件表面，对表面特性产生负面影响（例如变色、润湿性差或电镀或喷漆性能差）或导致铸件内部出现缺陷。对于装饰性铸件而言，这尤其关键，因为接近表面的缺陷往往只有在后续的研磨和抛光工序中才会暴露出来。有些缺陷甚至在电镀后，在闪亮、反光的表面上才会显现出来，并在整个复杂的工艺和价值创造链的最后阶段才会成为废品，这就是所谓的“贵重废料”

为此，本文中介绍的AIF-IGF项目glossyCAST旨在开发、测试和提供一种新型的、持久耐用的模具涂层技术，以用于压铸制造尺寸精确、干净的锌部件，而无需使用任何脱模剂（图2）。这种锌压铸工艺的进一步发展，可以大大缩短周期时间，节省资源，并在后处理和涂层工艺步骤中带来技术和经济上的优势，由于无需使用脱模剂，通过减少孔隙率，尤其是提高表面清洁度，可以达到更高的铸造质量。

涂层开发

该项目的研究目标是开发适用于锌压铸中长期使用的等离子聚合物脱模涂层，从而实现：

1、完全取代传统的喷涂脱模剂工艺

2、高清洁表面精度为制造薄壁精密构件提供了进一步的改进潜力，能够长期保持构件表面质量，从而简化后续表面处理步骤。

3、此外，在压铸过程中，除了制造精确的精密构件外，预计还将出现制造技术上的可能性，至少在部分区域可实现可重复的N1-N4（DINENISO1302标准）粗糙度等级（与压铸模具的抛光表面相结合）。

工艺方法的选择

为了满足项目要求，在即使脱模涂层能够形成光滑的光学表面（Rz≤25纳米）的情况下，涂层本身也必须光滑且无组织结构（Sa<0.5纳米，Sq<0.5nm）。为了满足这些要求，我们采用了冷等离子工艺，即PE-CVD（等离子增强化学气相沉积）工艺。该工艺不仅能够使高反应性等离子体保持低温（室温），而且能够使待加工工件保持温热。该工艺的优势在于，通过改变等离子体条件，可以形成梯度层。一方面，这可以形成对产品主体非常好的层粘附性；另一方面，可以在产品方面提供非常好的防粘特性，并具有有利的物理特征。

从要求功能稳定的锌压铸脱模层方面来看，寻找机械性能强度增加的涂层系统是非常必要的工作。因此，技术目标设定为弹性模量约为20吉帕。

操作方式

针对该项目，我们首先选定了系统装置，其特点在于自给偏压可以保持在0伏（电极和接地面积相近）。这可以在半波高频放电（13.56兆赫兹）中将超热离子加速到表面。与带偏压的结构相比，这种结构可以降低离子密度。这是基于模型设想，即过度的离子轰击会对防粘特性产生不利影响。根据Brenner的说法，在形成的等离子聚合物层中，撞击的超热离子会形成径向（表面过程），从而扩大网络系统。如果该层中存在大量碳氢化合物，同时等离子体中没有过量的氧离子，则与过氧化物形成的氧化硅（SiO）桥接相比，更倾向于形成烷基链。LEIIC机制（低能离子诱导交联）的条件已满足（图3）。

最初的研究重点在于，探究能否以及如何制备具有高弹性模量的有机层。为此，我们选择将六甲基二硅氧烷（HMDSO）与氧气（O_₂）比例为2.54:1作为工艺气体供应，并进行了功率变化实验。结果表明，弹性模量值范围为2.5吉帕至大于30吉帕，且可通过调节功率输出进行控制。密度也从约1.2克/立方厘米增加到1.5克/立方厘米。所有层结构均具有疏水性特点，这为后续的压铸试验奠定了基础。

压铸技术研究

涂层变体的铸造技术评估分为两个部分。首先，我们在弗劳恩霍夫IFAM研究所技术中心（位于不来梅）实施了压铸试验，以便能够快速评估更多涂层方案。由此，我们选定了一些涂层，随后，我们在接近批量生产的条件下，在不同的工业客户处进行了后续的实践试验。

实验室试验

实验室试验旨在快速鉴定不同等离子聚合物涂层在光滑和轮廓分明的铸型几何形状上的脱模效果。此外，在试验过程中，我们还对涂层的使用寿命和耐热性进行了测试和评估。此外，我们还研究了高光泽表面在铸型使用过程中会向铸件转移的程度。

为了确保对脱模层进行系统性评估，我们首先开发和制造了铸型镶件，以便轻松检测无脱模剂锌压铸和生成光泽表面的不同涂层系统。为此，我们在弗劳恩霍夫IFAM研究所现有铸型镶件上增加了两个模块化铸型镶件，以确保了零件部分（可更换型芯）的快速安装与拆卸。通过这些试件，可以改变表面特性（例如不同抛光表面）、不同的脱模涂层和几何参数（包括蜂窝和狭缝结构），并进行经验测试。图4示出了一个平整的可更换型芯处于生产状态下以及抛光和喷涂后状态下。镶件和可更换型芯的设计和制造工作由西格弗里德·穆勒（SiegfriedMüller）公司和霍佩（HOPPE）公司完成。

针对性铸造试验是使用FRECHDAK250-34型冷室压铸机完成的。试验过程中完成没有使用任何脱模剂。但必须对铸造活塞进行润滑，在安装前也必须对顶出器进行润滑。其他铸造参数如下：

1、铸型温度：大约190℃至200℃（在铸型开启后），

2、活塞速度：大约4.5米/秒，

3、熔液温度：大约450℃（冷室压铸）

4、锌合金：ZnAl4Cu1（由格里罗（Grillo）公司提供）。

可更换型芯设计有5个不同的涂层（表1），并且它们被安装在铸型镶件中。在生成高光泽表面的试验中，表面（平整的可更换型芯）首先由Bestenlehrer公司进行抛光处理，然后在IFAM进行涂层处理。对技术高光泽（N2，Ra：0.05毫米）和高光泽（N1，Ra：0.02毫米）表面进行了选择性研究。对于有轮廓设计的可更换型芯，我们评估了在无脱模剂生产中模具几何形状对脱模性能的影响。

无脱模剂生产。为此，对于不同（部分涂层厚度不同）的涂层（D44，D83，D71，共聚物，D105），我们在锌压铸过程中对其稳定性和脱模性能进行了研究。在100-230次压铸周期中，有涂层的铸型镶件在平整的可更换型芯上未出现脱模问题。除了软涂层类型（D71和共聚物）外，所有涂层（可从干涉色识别）在压铸试验结束后仍然完全存在。经典的锌压铸脱模剂具有良好的脱模和润滑效果。虽然研究中的涂层具有良好的脱模效果，但润滑效果并不够理想。在设计无脱模剂生产用铸型时，应考虑到这一点。

高光泽表面

针对锌压铸工艺中直接产生高光泽表面而进行的研究表明，这在原则上是可行的。为此，将具有不同抛光表面（技术光泽、高光泽）和涂层的可更换型芯装配到压铸模具中，并使用锌压铸工艺进行压铸。在此过程中，模具内衬的高表面质量直接转移到铸件上，从而获得高光泽的构件区域（图5）。尽管采用无脱模剂的生产工艺，但在高光泽构件区域仍能看到流动结构，这些结构取决于锌合金熔液的流动条件。特别是，硬度较高的涂层（例如类型为D83和D44的涂层）在100次压铸循环结束后仍具有良好的光泽传递性和涂层稳定性。相反，硬度较低涂层（例如共聚物涂层）在经过几次压铸后就呈现出哑光外观。

涂层硬度和厚度。除了涂层硬度外，涂层厚度尤其会对脱模行为产生影响。以涂层类型D105为例，在试验几何形状相同的情况下，我们对涂层厚度分别为2.3微米和0.31微米的涂层。结果表明，在该研究中，涂层较厚的涂层在大约100次压铸循环后就出现了轻微的流动结构，而涂层较薄的涂层在大约220次压铸循环后，在铸型镶件上就出现了轻微的流动结构。，而涂层较薄的铸型镶件在经过大约220个压铸周期后，涂层的干涉色仍然清晰可见，没有受到任何影响。最终，硬质和薄涂层，特别是D83类型涂层（涂层厚度约为0.26微米）在锌压铸过程中首先表现出了很高的稳定性，被选用于后续与行业合作伙伴进行的实践测试。

工业领域的实践试验

在实验室研究的基础上，AiF-IGF研究项目glossyCAST在锌合金压铸领域进行了实践性试验，以评估等离子聚合物脱模涂层的有效性。因此，所有工业合作伙伴都有意识地放弃了使用传统的脱模剂。铸造试验是在参与项目的工业合作伙伴的热室压铸机上完成的，试验中选择了不同形状和尺寸的铸件。在喷涂等离子聚合物涂层之前，对压铸模具的部分区域进行了高光抛光处理，抛光工作由参与项目委员会的Bestenlehrer公司完成。

在工业合作伙伴公司进行的实践试验中，我们使用了D83涂层。图6示出的是所用压铸模具带涂层的铸型定模（喷嘴侧）。型腔（小猪形状、金币形状）经过了高光抛光处理。同时，并未对压铸模具的其他型腔未进行抛光和涂层处理，以便对一个铸造周期的铸件表面加以比较。

铸件的脱模过程非常顺利，模具表面没有金属粘附物。为了优化低润滑剂的铸件顶出过程，我们使用了涂覆有DLC的顶出销，这样做的依据是，实验室和实践试验均表明，润滑剂会被输送到铸造型腔中。在铸造过程中可能会发生热降解，因此，这些辅助材料将会是一个问题所在。在铸型表面会形成坚固、不可溶解的黑色涂层。这些残留物很难清除，需要使用强效化学剂和费时的清洁程序。因此，应优先选择无润滑剂或至少低润滑剂的顶出器解决方案。

在经过了14000次脱模处理后，弗劳恩霍夫IFAM研究所对压铸模具和涂层进行了特性分析。分析表明，涂层在铸造试验中未受损坏，且在表面上仍可辨别出。除了在铸造过程中本身具有的优势外，铸件的涂层试验表明，抛光后的铸造型腔和无脱模剂生产相结合，可以制造出高质量的铸件表面，从而无需进行打磨和抛光等后处理步骤。铸件表面因此满足了直接镀高光铬的高质量要求。图7a示出了采用这种方法制造的铸件。

在另一项试验中，单次浇铸批次即可制造出80,000件锌零件，无需使用脱模剂，也无需对压铸铸型进行维护或清洁。这凸显了该工艺的高效性和铸型的卓越品质。在传统工艺中，在这些周期内需要多次清洁铸型。

通过使用等离子聚合物脱模涂层，使循环时间缩短，研磨和抛光等后处理时间减少了50%，效果令人印象深刻。总体而言，这些结果表明，精心设计的铸型、表面处理操作和高效的铸造工艺相结合，可生产出高品质锌零件。

涂层开发成果

根据获得的结果，可在项目后续工作中进一步开发脱模涂层。在此背景下，降低了层极性，提高了脱模率。特别适合的涂层具有高弹性模量（28-32吉帕）和高密度（1.5克/立方厘米）的特点。其莫氏硬度为5.5，与玻璃或搪瓷相当。此外，所选的不粘涂层还具有低表面能（<28毫牛/米）和低极性（<1.5毫牛/米）的特点。所选的沉积条件甚至可以实现镜面般光滑的表面。粗糙度值可达Sa=0.32纳米，Sq=0.40纳米。目前，此类涂层已申请注册了名称为UltraPLAS的商标。

技术性和经济性评估

项目成果表明，用开发的等离子聚合物脱模涂层进行无脱模剂的锌压铸件生产具有显著优势。更高的表面清洁度和更低的孔隙率提高了铸件质量。材料和工艺时间的节省以及维护周期的延长，大大提高了该工艺的经济性。然而，针对构件几何形状复杂的情况，需仔细设计铸模的热学和几何形状，以确保脱模过程的可靠性。通过无脱模剂生产提高锌压铸件的表面质量，再加上装饰性电镀涂层，可进一步降低生产成本、生产时间和材料消耗。以下将沿着生产链将潜在的节省与额外成本进行对比：

模涂层的使用寿命。影响经济性的一个重要因素是使用寿命，即最大脱模周期数。在项目期间，无法最终评估Ultraplas涂层的使用寿命。实践试验表明，该涂层在经过了80,000次浇铸周期后仍保持稳定，并未出现明显磨损。据此推断，该涂层的使用寿命可达250,000至100多万次压铸周期。脱模涂层成本。UltraPlas涂层的成本在2,500至5,000欧元之间，具体取决于尺寸、复杂程度和清洁状况。

铸型的清洁。使用等离子聚合物脱模层并减少润滑剂的使用，可将清除铸型表面锌和润滑剂残留物的清洁间隔延长5倍。这提高了产量，并减少了机器停机时间。

周期时间。通过使用UltraPlas脱模涂层，在铸造过程中发现了其他吸引人的节省潜力。一个重要的因素是节省了脱模剂成本，尤其是喷涂脱模剂的时间。这使循环时间缩短了10-30%。

打磨和抛光工作。经过抛光处理的铸型表面（粗糙度等级N1-N2）喷涂了等离子聚合物脱模层，可制造出粗糙度等级为N2的光滑、干净的锌压铸构件。因此，研磨和抛光工作减少了50%。完全无需进行清洁工艺来清除锌压铸件表面的脱模剂残留物。

模具抛光成本。模具型腔抛光成本取决于主要手工操作所耗费的时间。影响因素包括待抛光型腔的复杂程度、抛光面积和目标表面质量。具体来说，该项目对“小猪形状”的型腔进行部分抛光，共花费了约50个小时的工作时间。对模柄的型腔进行抛光处理共花费了10个小时的工作时间。在这种情况下，只对可见面进行抛光处理，即只对两个模具半模中的一个进行了抛光处理。

电镀涂层。无脱模剂制造的锌铸件表面质量良好，可减少（方式和时间）各个电镀预处理和工艺步骤。由于零件表面的污染明显减少了，可以省去煮沸脱脂工序。同样地，也可以省去平整的亮铜镀层，并将氰化铜镀层和亮镍镀层所需的镀层厚度分别减少50%。因此，在材料使用、能源成本和工艺时间方面可实现显著的节省。涂层方面的总节省潜力估计为20-50%。

总体而言，整个生产链都表现出了明显的节省潜力。这些潜力不仅限于光亮构件。节省仅相当于适度的涂层成本。

总结

通过AiF-IGF项目GlossyCAST可以看出，使用等离子聚合物脱模涂层，可以实现无脱模剂的锌压铸件批量生产。利用该技术，可以制造出粗糙度等级为N2的、从铸造技术层面上看更干净的构件。所开发的技术具有经济、技术和生态方面的优势，可被同时应用于锌压铸和电镀技术领域。未来的工作应侧重于优化涂层、铸模和放弃使用润滑剂，因为这些方面的弱点现在已无法通过脱模剂来掩盖。