轮胎模具表面处理方式研究

轮胎模具作为汽车轮胎生产的终端成型设备，在很大程度上决定了轮胎的质量和外观。轮胎模具受化学腐蚀环境以及热、压力、摩擦作用的影响，使用过程中不可避免地出现积碳、粘胶、脱模难等问题，破坏轮胎模具表面完整性，影响制备轮胎的质量和外观。因此轮胎模具表面必须定期采用机械、化学、电化学、激光、干冰、超声等方法进行清洗，影响轮胎生产效率，提高生产成本，还不可避免地造成环境污染和模具表面性能的衰退。而我国又是轮胎和轮胎模具生产大国。有资料显示，2011 年我国轮胎总产量4.2 亿条，轮胎模具产量三万余套(销售收入近20 亿元)。因此为轮胎生产提供具有良好表面性能的轮胎模具具有重要意义。

好的轮胎模具需要具有耐磨损、防粘、易脱模、易清洗、硫化质量好、寿命长等表面工作性能，而模具表面工作性能取决于其表面完整性。耐磨损、寿命长则要求模具表面具有较高的硬度和较小的摩擦系数。硬度越高，模具表面越不容易被磨损，寿命越长;摩擦系数越小，模具表面摩擦阻力越小，模具表面磨损量越小，寿命越长。防粘、易脱模、易清洗则需要模具表面具有一定的疏水性，疏水性越好，表面能越小，表面粘附力越小。硫化质量的好坏取决于橡胶在模具表面的流动性，模具表面摩擦系数越小，橡胶流动阻力越小，硫化质量越好。因此根据以上对轮胎模具表面工作性能分析， 提出轮胎模具表面完整性表征参数：粗糙度、疏水性、硬度、摩擦系数等。我们可通过分析轮胎模具表面完整性表征参数， 评价轮胎模具质量的优劣。

为了提高轮胎模具表面工作性能， 制备良好质量的橡胶制品， 不同企业对轮胎模具进行喷砂、抛光、渗氮、CrN 涂层、Teflon 涂层等不同的表面处理，不同的表面处理获得的模具表面完整性表征参数值不同，模具表面工作性能也不同。本文主要通过分析喷砂、抛光、渗氮、CrN 涂层、Teflon 涂层等不同的表面处理方式对钢制轮胎模具表面完整性表征参数值的影响， 确定表面处理方式对轮胎模具表面工作性能的影响。

1 试件的加工与表面处理方式

1.1 试件的加工流程

轮胎模具的加工工艺主要有数控铣加工和电火花加工两种。两种加工各有优缺点，数控铣加工轮胎模具的速度快、表面粗糙度小，但加工过程中存在较大的切削力， 加工精度低， 不适用于复杂花纹的加工;电火花加工虽然不存在切削力、加工精度高，但其加工速度太慢， 影响生产效率。因此采用数控铣粗加工和电火花精加工两种工艺结合加工轮胎模具， 既保证了加工速率又保证了加工精度。轮胎模具具体加工处理流程如图1 所示。本文主要研究不同表面处理方式对轮胎模具表面性能影响， 因此表面完整性参数测量小试件的加工需仿照图1 所示轮胎模具的加工处理流程进行加工， 然后采用线切割和数控铣将其加工成表面完整性表征参数测量试件需要的尺寸。

1.2 试件的表面处理

对上述已加工好的喷砂小试件进行抛光、渗氮、 Teflon 涂层、GrN 涂层等表面处理， 具体处理工艺分为四个步骤。

(1) 抛光处理

采用400#～2000# 砂纸对喷砂后的试件进行交错打磨， 然后采用Al2O3 粉末和抛光机对打磨后的试件进行抛光。

(2) 渗氮处理

采用气体渗氮法，首先加热试件至250℃，并且在250℃保温1～2h，确保试件受热均匀。同时在加热和保温过程中通入氨气，排出炉内的空气(排气口完全处于打开状态)。继续加热至450℃时，通入甲醇促进渗氮速度，关闭一部分排气口，并在出气孔点火，燃烧掉氨气分解的氢气，防止爆炸。继续加热至 550～560℃并保温5～7h，使渗氮完全。试件渗氮完全之后，停止通甲醇，但要继续通氨气以保持炉内正压，防止空气进入炉内与氢气燃烧爆炸。同时使用鼓风机使试件快速冷却至200℃后出炉， 氮化完全之后出炉的试件应为银灰色。

(3) Teflon 涂层制备

本实验采用分散体涂层的方法制备Teflon 涂层即，具体工艺如图2 所示。在制备Teflon 涂层过程中，高温固化和冷却尤为重要。高温固化过程中固化深度、固化速度、固化温度都对涂层的质量起着决定性作用。固化过深则会使涂层老化以致涂层破裂、脱落，固化深度不够则粘结力不足，也会造成涂层脱落。高温固化之后试件冷却速度对涂层寿命也有一定的影响， 因为涂层与基体的冷却收缩速度不同，因此需将试件在烘炉中缓慢冷却。

(4) CrN 涂层制备

本实验主要采用阴极弧沉积工艺制备CrN 涂层。制备CrN 涂层时首先采用乙醇、丙酮对基体试件进行15～20 min 的超声波清洗，用氮气吹干后放入真空室。然后抽真空至5×10-3 Pa，采用-200V 负偏压对基体试件进行预处理30min。最后通入氮气制备CrN 涂层， 薄膜制备条件为： 沉积压强5Pa， 弧工作电流200A， 衬底偏压-60V， 衬底温度450～ 480℃。

2 试件表面检测方法

采用AxioLab.A1 金相显微镜在对各表面处理方式表面形貌进行观察。粗糙度采用TR200 手持式粗糙度测量仪进行测量，取3 个试件，每个试件取5 个点进行测量，取其总平均值。采用OCA15EC 接触角测量仪测量水接触角， 测量时注射液滴的体积为 2uL，液滴在试件表面铺展的时间均为10s 左右。每种表面处理方式选取3 个试件， 每个试件选取不同位置进行多次测量，并求其平均值。采用MMU-10G 端面摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验， 试验过程中用已硫化橡胶作为上摩擦副，各种表面处理方式试件为下摩擦副。试验条件：温度180℃(硫化温度)，试验力420N(硫化压力2.2MPa，接触面积190mm2 左右)，转速15 r/min。采用FM-800 显微硬度计测量试件硬度， 测量时硬度计的压头为维氏压头， 载荷 P=300N，加压时间15 s，通过测量菱形压痕两对角线长度d1、d2，取其平均值d，用公式1854.4P/d2 计算维氏硬度。

3 结果与讨论

3.1 表面形貌和粗糙度表征

表面形貌和粗糙度主要决定着制备橡胶的表面质量， 表面越光滑， 制备的轮胎表面凹点等缺陷越少。另外表面形貌和粗糙度对疏水性和摩擦系数也有一定影响。不同表面处理方式处理后的表面形貌和粗糙度分别如图3 和图4 所示。图3(a)所示的喷砂处理试件由于100# 砂的轰击作用，使表面均匀分布着30μm 左右的凹坑。喷砂试件经过抛光处理后凹坑基本被磨平，只有少数较深凹坑未被磨平，直径约5μm，表面变得平整光滑，如图3(b)所示，粗糙度也由1.246μm 降至0.039μm 如图4 所示， 粗糙度等级有较大的提高。而喷砂试件经渗氮、CrN 涂层处理之后， 粗糙度则分别增至2.216μm 和2.006μm，主要是因为渗氮是不断将氨气分解的活性氮原子吸附于表面，而喷砂试件表面凹凸不平，致使在吸附过程中存在“尖端效应”，即涂层沿凹坑向外扩散生长，使表面凹坑直径增大至50μm 左右，如图3(c)所示，致使表面粗糙度增大。GrN 涂层制备工艺采用电弧气相沉积， 电弧沉积会产生较大的微米级团簇在基底表面沉积且在沉积过程中也存在“尖端效应”致使 表面凹坑直径增大至50μm 左右，如图3(d)所示，粗糙度也随之增大。相比渗氮和GrN 涂层， 由于 Teflon 涂层采用分散体涂层制备， 喷涂过程中具有较好的流动性， 对喷砂基体的凹坑具有一定的填补作用，可使凹坑数量和直径有一定的减小，使表面平坦，如图3(f)所示，粗糙度也有一定的减小。

3.2 疏水性表征

良好的疏水性是模具实现易脱模、防粘、自清洁等功能的前提。表面能越小，疏水性越好，轮胎模具对橡胶等杂质的吸附力越小， 轮胎的脱模力也越小，轮胎模具表面污染物也越容易清洗。而且良好的疏水性可有效降低橡胶与轮胎模具的粘着摩擦力，提高硫化质量，减小磨损量。表面疏水性与表面微观结构和表面化学成分有重要关系。Wenzel 确定液体直接与结构化的固体表面接触时， 接触角θ 会变成θω，即当固体表面为疏水性表面(水接触角大于 90°)时，在表面微观结构化之后ω>1，固体表面变的更疏水; 当固体表面为亲水性表面(水接触角小于 90°)时，在表面微观结构化之后ω<1，固体表面变的更亲水。由图4、5 可看出，喷砂试件经过抛光后，粗糙度由1.246μm 减小至0.039μm，而钢表面活性强属于亲水性表面，水接触角随粗糙度减小而增加，所以喷砂试件经过抛光后水接触角由54.28°增至 93.33°，使表面具有一定的疏水性。渗氮、CrN 涂层、 Teflon 涂层主要是通过改变模具表面化学组成成分来提高表面疏水性。表面张力决定于分子间形成化学键能的大小，一般情况下化学键越强，表面张力越大，表面活性越强，水接触角越小。γ(金属键)>γ(离子键)>γ(极性共价键)>γ(非极性共价键)，表面化学成分不同，形成的化学键不同，表面张力有所改变。渗氮和CrN 涂层虽然粗糙度相对于喷砂试件有所增加，但是表面化学成分发生了很大的改变。渗氮使试件表面非金属元素氮的含量增加， 铁的含量相对减少， 试件表面的离子键随之增加， 金属键随之减少，总键能减小，水接触角增大。GrN 涂层处理则是将CrN 涂覆于喷砂表面，CrN 涂层试件表面主要是由铬元素、氮元素以及少量的铁元素组成，因此表面化学键主要以离子键为主，水接触角也较渗氮的大。 Teflon 涂层表面则主要是以-CF3、-CF2、-CF 等共价含氟基团为主，键能较小，而且含氟材料又是自然界中表面能最低的材料，因此Teflon 涂层具有较好的疏水性。

3.3 硬度表征

表面处理方式对试件表面硬度影响如图6 所示，抛光只是在喷砂的表面进行打磨、抛光，硬度基本没有变化。渗氮、CrN 涂层处理后表面硬度均有所增加， 特别是CrN 涂层， 硬度提高了2～3 倍。而 Teflon 涂层实质属于工程塑料，硬度相对与金属、硬质涂层较小，因此试件经过涂覆Teflon 涂层之后表面硬度急剧下降。轮胎模具表面硬度直接影响其寿命，硬度越小，模具磨损越严重，表面完整性越容易被破坏，寿命越短。因此有资料显示Teflon 喷涂一次只能使用2 个月左右(硫化2000～3000 次)，需要重复喷涂和频繁清洗。

3.4 摩擦性能表征

由于橡胶是一种弹性模量低， 粘弹性很高的材料， 因此橡胶的摩擦不同于金属和一般聚合物。橡胶与刚性表面的滑动摩擦主要由两部分组成： 一是粘着摩擦， 主要是由于橡胶与刚性对偶接触面之间粘着的不断形成和破坏引起的;二是滞后摩擦，主要是由于对偶表面的微凸体对橡胶表面产生周期性变形过程中能量耗散引起的。粘着摩擦主要与表面能有关，一般而言，摩擦系数随表面能的增加而增大。而滞后摩擦则主要与表面粗糙度有关，表面粗糙度越大，滞后摩擦力越大，如图7 所示。抛光和Teflon 涂层摩擦系数较低，主要原因有两方面：抛光和Teflon 涂层处理后表面较为平坦， 滞后摩擦力较小;抛光和Teflon 涂层属于疏水性表面，表面能较小，粘着摩擦力也相对较小，且粘着摩擦力随表面能减小而减小， 因此Teflon 具有更小摩擦系数。而喷砂、渗氮处理后表面不仅具有较大的粗糙度，而且两者水接触角均小于90°属于亲水性表面，因此具有较大的滞后摩擦力和粘着摩擦力，摩擦系数也相对较大，且两者以滞后摩擦力为主，摩擦系数随粗糙度增大而增大。而CrN 涂层虽然具有较大的水接触角， 但是对于无水乙醇的接触角几乎为0， 因此CrN 涂层虽然具有较好的疏水性，但是对橡胶等有机物具有一定的粘附性，而且CrN 涂层表面粗糙度也比较大， 所以CrN 涂层处理后表面不仅具有较大的滞后摩擦力， 而且对于橡胶还具有很大的粘着摩擦力，使总体摩擦力也很大，摩擦系数也是最大的。

4 结论

(1) 喷砂试件经抛光、Teflon 涂层后表面平坦光滑，摩擦系数明显降低，硫化时橡胶具有较好的流动性， 而且抛光、Teflon 涂层处理后表面都属于疏水面，特别是Teflon 涂层，水接触角达到106°，能很好解决轮胎模具粘胶、污染、积碳等问题。但是Teflon 涂层硬度只有5.2 HV，寿命短，在实际应用中硫化2000～3000 次之后就要重新喷涂。

(2) 喷砂试件经过渗氮、CrN 涂层处理后硬度都有所增加，特别是CrN 硬质涂层处理后，硬度提高到原来的2～3 倍，可具有较长的使用寿命。但是CrN 涂层表面凹凸不平， 且相对橡胶摩擦系数较大，硫化过程中橡胶阻力较大，硫化质量较差。