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立式注塑机用螺杆的表面处理及其发展趋势

浏览次数: 发布日期:2018-07-17
1 前言
机筒、螺杆是立式注塑机的关键零件,在塑料制品生产时,塑料颗粒及填料由尾部进入立式注塑机的机筒,螺杆在机筒中高速旋转运动,将塑料颗粒及填料挤压推进,在前进中混合塑化,由螺杆头部注入模腔。此时,机筒及螺杆承受一定的高温高压,不同的塑料,螺杆的工作温度也不同。
螺杆和料筒多因磨损造成间隙过大不能正常挤、注而报废。磨损加大螺棱与机筒间的间隙,这导致降低熔融速率及泵出能力,造成物料温度不均匀及压力波动,使产品质量下降,同时生产率降低、能耗增加。相对机筒来说,螺杆更易于损坏失效。
螺杆失效引起的损失是惊人的,据北美1986年的统计数据,螺杆失效损失超过25亿美金。在中国,虽没有相应的统计资料,但是,据预测,到2010年,中国立式注塑机的产量将达到30万台套,其中挤出机、立式注塑机约占80%以上。可以设想,螺杆失效将导致巨大的经济损失。尤其是近年来,随塑料制品性能的提高和种类的增加,螺杆工作环境更为恶劣,除高硬度填料的使用导致磨损加剧外,还存在不同程度的腐蚀现象,因此,如何提高螺杆的寿命,是当前螺杆选材及热处理、表面处理的一个重要课题。
2 螺杆失效机理及影响使用寿命的因素
2.1 螺杆工作条件
注射螺杆在比较恶劣的条件下工作,温度一般在200℃以上。它不仅要承受注射时的高压,同时还承受熔料的磨蚀作用和预塑时的频繁负载起动。螺杆工作过程中还承受很大的压力和扭矩。
2.2 失效机理
一般认为,螺杆因磨损失效的主要原因是“磨粒磨损”。在螺杆和料筒之间的塑料或填料颗粒,由于力的作用,对螺杆产生切削作用导致材料损失,见图1。
此外,塑料和填料在高温下塑化时常常分解出腐蚀性介质,会对螺杆表面金属产生腐蚀,腐蚀产物很容易被塑料带出,从而导致材料的损失。磨损与腐蚀的共同作用,加剧了螺杆的失效。
2.3 影响螺杆使用寿命的因素
从螺杆失效的机理分析,影响螺杆使用寿命的因素有:
(1)螺杆的设计
(2)螺杆选材
(3)表面镀金属如Cr、Ni
(4)渗氮
(5)喷涂或喷焊硬化合金
(6)料筒的选材与表面处理
(7)物料(如塑料粒度、母料性能)及操作(转速、背压等)
可见,除(1)、(7)涉及到螺杆的设计(也即改善螺杆的受力状态)和所加工的物料外,螺杆的使用寿命主要与螺杆的材质,尤其是各种表面处理技术有关。
2.4 立式注塑机螺杆的选用依据
对立式注塑机螺杆进行选择时,首先是根据所加工塑料的性质,选择或自行设计螺杆的结构,如长径比、压缩比、螺距、棱宽等。
其次是选择螺杆的材料与相应的表面处理方法。如果所加工的塑料会产生强腐蚀气体,如聚氯乙烯分解出氯化氢气体、氟塑料分解出氟化氢气体,以及某些功能性塑料含有各种助剂,如阻燃剂、抗静电、着色剂、交联剂等,它们也会分解出氯化氢气体。以SO2为主的气体硫化物及其酸性物质、甲酸、焦磷酸等腐蚀性物质,在强混炼中浸蚀螺杆、机筒表面,造成剥蚀和点蚀。
一般而言,成型温度越高,腐蚀作用越剧烈。这种情况下,需考虑选用高耐蚀螺杆。
如果所加工塑料为高强度塑料,它们常含有玻璃、硼等增强纤维。还有为获得各种特殊性能或为了降低塑料的成本,会在塑料中加入各种填充料,如硅石、重晶石、陶土、纤维素、云母、金属粉等。这些颗粒的硬度如表1所示,是很高的,会对螺杆产生严重的磨粒磨损,因此需考虑高硬度的螺杆。
一般,硬质合金可以同时满足以上两个要求,某些厂家还在此基础上进一步发展了高耐蚀兼顾硬度、以及高硬度兼顾耐蚀性的不同螺杆。
3 螺杆常用的表面处理技术
由前述可知,影响螺杆使用寿命的主要因素是螺杆的材质和相应的表面处理,而表面处理又与螺杆本身的材质及其热处理有关。本节详细介绍螺杆常用的表面处理技术。
3.1 渗氮
优点是硬度高,耐蚀性较好。但是,高温长时间处理导致变形。为保证螺杆的直线度,渗氮后还要加一道磨外圆工序。如果是氮碳共渗(即软氮化),则该工序会将局部的白亮层磨去,而渗氮螺杆的耐磨、尤其是耐蚀性取决于该白亮层。
为了获得较高的表面硬度,螺杆材料通常选用专用的渗氮钢38CrMoAl。渗氮前要对38CrMoAl进行调质处理。
3.2 热喷涂
优点是高硬度、高耐磨性,但耐蚀性差。要求专用设备,工艺操作难度较大,材料成本与工艺成本都较高。双金属处理无论是堆焊还是热喷涂,工件表面温度都很高,易于引起工件变形。厚度均匀性很差,处理后要再加工或磨削,并且难以保证螺杆的优化设计曲线。
热喷涂技术既是螺杆生产时采用的技术,也是一种可用于螺杆修复的技术。
3.3 化学镀镍
关于化学镀镍螺杆,美国、日本、德国等均有应用方面的报道。化学镀优点是仿形性好,并且处理温度低(88℃~95℃),因此无变形。此外,化学镀镍层具有优异的耐蚀性和很高的显微硬度。化学镀镍层的硬度一般为550HV,如果通过400℃×1h的热处理,其硬度可达1000HV左右。但经过该处理,一方面耐蚀性有所下降,另一方面如基体热处理为淬火加低温回火,则基体硬度及强度会大幅降低。
化学镀镍的最大问题在于镀层薄,一般几十微米。
3.4 渗硼处理
渗硼是一种在金属材料表面获得极高硬度的技术。将40Cr钢制成的螺杆在810℃~820℃×16h~20h、降温至700℃后随罐出炉空冷。硼化物层厚0.14mm~0.16mm,硬度1400HV~1650HV。耐磨性比渗氮的提高1~2倍。
3.5 电刷镀技术
由于螺杆失效在于局部区域的材料损失,因此采用一些表面技术对螺杆、尤其是造价高的大型螺杆进行修复,具有一定的意义。目前有大型螺杆用“电刷镀”方法修复的成功实例,修复厚度为0.48mm~0.68mm。
4 立式注塑机螺杆的应用现状
4.1 国外情况
自上世纪70年代左右起,欧美工业发达国家纷纷采用双金属机筒和螺杆作为塑料挤出机和注射机的关键部件。应用结果表明,双金属机筒、螺杆比经渗氮处理的机筒、螺杆,其耐磨或耐腐蚀性提高许多倍,使用寿命大大延长,经济效益显著。
目前美国95%以上的挤出机和75%以上的注射机都采用了双金属机筒。由于双金属机筒和螺杆的制造技术难度大,因此几家著名的专业厂商以雄厚的技术力量领先于世界,如美国的埃克萨洛(XALOY)、瑞士的贝涅克斯(BERNEX)和英国的布鲁克斯(BROOKES)等。
据介绍,日本三菱重工的850NF-160立式注塑机螺杆采用双金属螺杆及料筒,在螺杆螺棱及料筒内壁上,熔接厚度1.5mm~2.0mm双金属。双金属螺杆和料筒有自润作用,其耐磨性较渗氮钢螺杆料筒高4倍。堆焊的合金材料为Cr、Co系合金。螺杆基体为渗氮钢。德国雷洛公司在螺杆的螺棱表面喷焊一层牌号为P48的合金,其它表面再进行离子渗氮处理,使螺杆获得耐磨耐蚀性能。
国外对螺杆的研究重点是螺杆、机筒金属表面强化、耐磨损、耐腐蚀的表面处理技术。
4.2 国内情况
国内通常使用的螺杆及表面处理方法见表2,有40Cr钢螺杆镀硬铬、38CrMoAl钢渗氮处理,以及不锈钢喷涂硬质合金,其优缺点见表3。
45、40Cr钢镀铬螺杆和料筒由于镀层不均匀,与基体结合牢度低,在工作中产生局部脱落,造成迅速磨损或腐蚀。渗氮螺杆和料筒的性能要好些,目前被广泛使用。其不足之处是渗氮钢价格高,渗氮层抗氯化氢腐蚀能力低,表面硬度和耐磨性尚难以满足高速挤、注和加工增强塑料的需求。不锈钢喷涂硬质合金的螺杆具有很高的硬度,但是国内技术与国外尚有一段距离,质量不是很稳定,耐腐蚀性能也还不够。如前所述,目前最多采用的38CrMoAl钢渗氮螺杆,它的综合性能较好,故广泛使用在立式注塑机上。渗氮层的硬度虽然较高(900HV~1100HV),但渗氮层较薄,一般只能达到0.4mm~0.6mm,且随磨损量增加,硬度急速降低。若采用渗氮钢做螺杆,与原双金属料筒不能匹配,摩擦因数大,料筒磨损将更加剧。热喷涂法生产的螺杆虽有采用,但是质量不够稳定。
5 立式注塑机螺杆的发展
5.1 等离子喷涂技术
等离子喷涂是采用等离子弧为热源,将金属屑或非金属屑加热到熔化或半熔化状态,用高速气流将其收成微小颗粒,喷射到经过处理的工件表面,形成牢固的覆盖层,从而使工件表面获得不同硬度、耐磨、耐热、耐腐蚀、润滑、以及其他各种特殊物理化学性能。其特点是,可在金属表面获得高硬度和高耐蚀的陶瓷涂层,结合强度高,喷涂后涂层平整光滑,可精确控制涂层厚度,环保。
5.2 新的涂层材料
过去是等离子喷涂Co基和Ni基合金,现更多采用碳化物。
5.3 产品的质量稳定性
国内螺杆产品质量普遍不够稳定,尤其是双金属螺杆,结合力不好,容易出现早期脱落而导致失效。这种早期脱落对螺杆寿命的影响是非常大的,因为脱落下来的表面层一般硬度都很高,它们会成为磨粒,导致螺杆和料筒出现严重的磨粒磨损。
因此,国内产品如何保证产品质量的稳定性,是今后的一个大课题。
6 结束语
立式注塑机螺杆的表面处理及发展趋势如下:
(1)根据塑料中有无硬的添加剂、填充剂颗粒,选择经过不同表面处理的螺杆。
(2)根据塑料加热时是否会产生腐蚀性介质,选择高耐蚀螺杆,如双金属螺杆。
(3)最重要的是,一旦出现早期失效,要进行必要的失效分析,确定失效原因。
(4)对失效螺杆进行修复以降低成本。
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