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      注塑機螺桿表面處理和壽命

    2. 發布日期:2016-10-12
    3. 摘要:注塑機螺桿表面處理技術和影響螺桿使用壽命的因素
      我們已多次強調:螺桿機筒是注塑機的最關鍵、最靈魂的部件,在注塑加工生產中,塑膠原料由尾部進入注塑機機筒,螺桿在機筒中告訴轉動,將塑料顆粒及其填料擠壓推進,在前進中混合塑化,由螺桿頭部注入模腔。這時,機筒和螺桿承受一定的高溫高壓不同的塑料,注塑機螺桿的工作溫度也不同。
       
      螺桿機筒多因磨損造成間隙過大不能正常擠、注而報廢。磨損加大螺棱機筒間的間隙這導致降低熔融速率及泵出能力造成物料溫度不均勻及壓力波動,使產品質量下降,同時生產率降低、能耗增加。相對機筒來說,螺桿更易于損壞失效。
       

      1. 螺桿失效機理及影響使用壽命的因素

      1.1螺桿工作條件
      注射螺桿在比較惡劣的條件下工作,溫度一般在200℃以上。它不僅要承受注射時的高壓同時還承受熔料的磨蝕作用和預塑時的頻繁負載起動。螺桿工作過程中還承受很大的壓力和扭矩。
       
      1.2失效機理
       一般認為,螺桿因磨損失效的主要原因是“磨粒磨損”。在螺桿和料筒之間的塑料或填料顆粒,由于力的作用,對螺桿產生切削作用導致材料損失,見圖1。
       

      注塑機螺桿表面處理技術和影響螺桿使用壽命的因素1

       

       此外,塑料和填料在高溫下塑化時常常分解出腐蝕性介質,會對螺桿表面金屬產生腐蝕,腐蝕產物很容易被塑料帶出,從而導致材料的損失。磨損與腐蝕的共同作用,加劇了螺桿的失效。
      1.3影響螺桿使用壽命的因素
        從螺桿失效的機理分析,影響螺桿使用壽命的因素有:
       (1)螺桿的設計
       (2)螺桿選材
       (3)表面鍍金屬如Cr、Ni
       (4)滲氮
       (5)噴涂或噴焊硬化合金
       (6)料筒的選材與表面處理
       (7)物料(如塑料粒度、母料性能)及操作(轉速、背壓等)
        可見,除(1)、(7)涉及到螺桿的設計(也即改善螺桿的受力狀態)和所加工的物料外,螺桿的使用壽命主要與螺桿的材質,尤其是各種表面處理技術有關。
      1.4注塑機螺桿的選用依據
       對注塑機螺桿進行選擇時,首先是根據所加工塑料的性質,選擇或自行設計螺桿的結構,如長徑比、壓縮比、螺距、棱寬等。其次是選擇螺桿的材料與相應的表面處理方法。如果所加工的塑料會產生強腐蝕氣體如聚氯乙烯分解出氯化氫氣體、氟塑料分解出氟化氫氣體以及某些功能性塑料含有各種助劑如阻燃劑、抗靜電、著色劑、交聯劑等,它們也會分解出氯化氫氣體。以SO2為主的氣體硫化物及其酸性物質、甲酸、焦磷酸等腐蝕性物質,在強混煉中浸蝕螺桿、機筒表面,造成剝蝕和點蝕。
       一般而言,成型溫度越高,腐蝕作用越劇烈。這種情況下,需考慮選用高耐蝕螺桿。
       如果所加工塑料為高強度塑料,它們常含有玻璃、硼等增強纖維。還有為獲得各種特殊性能或為了降低塑料的成本,會在塑料中加入各種填充料,如硅石、重晶石、陶土、纖維素、云母、金屬粉等。這些顆粒的硬度如表1所示,是很高的,會對螺桿產生嚴重的磨粒磨損,因此需考慮高硬度的螺桿。
        一般,硬質合金可以同時滿足以上兩個要求,某些廠家還在此基礎上進一步發展了高耐蝕兼顧硬度、以及高硬度兼顧耐蝕性的不同螺桿。

      注塑機螺桿表面處理技術和影響螺桿使用壽命的因素2 

       

       2. 螺桿常用的表面處理技術

       由前述可知,影響螺桿使用壽命的主要因素是螺桿的材質和相應的表面處理,而表面處理又與螺桿本身的材質及其熱處理有關。本節詳細介紹螺桿常用的表面處理技術。
      2.1滲氮
       優點是硬度高,耐蝕性較好。但是,高溫長時間處理導致變形。為保證螺桿的直線度,滲氮后還要加一道磨外圓工序。如果是氮碳共滲(即軟氮化),則該工序會將局部的白亮層磨去,而滲氮螺桿的耐磨、尤其是耐蝕性取決于該白亮層。
      為了獲得較高的表面硬度,螺桿材料通常選用專用的滲氮鋼38CrMoAl。滲氮前要對38CrMoAl進行調質處理。
      2.2熱噴涂
       優點是高硬度、高耐磨性,但耐蝕性差。要求專用設備,工藝操作難度較大,材料成本與工藝成本都較高。雙金屬處理無論是堆焊還是熱噴涂,工件表面溫度都很高,易于引起工件變形。厚度均勻性很差,處理后要再加工或磨削,并且難以保證螺桿的優化設計曲線。
       熱噴涂技術既是螺桿生產時采用的技術,也是一種可用于螺桿修復的技術。
      2.3化學鍍鎳
        關于化學鍍鎳螺桿,美國、日本、德國等均有應用方面的報道?;瘜W鍍優點是仿形性好,并且處理溫度低(88°C – 95°C), 因此無變形。此外,化學鍍鎳層具有優異的耐蝕性和很高的顯微硬度?;瘜W鍍鎳層的硬度一般為550HV,如果通過400℃×1h的熱處理,其硬度可達1000HV左右。但經過該處理,一方面耐蝕性有所下降,另一方面如基體熱處理為淬火加低溫回火,則基體硬度及強度會大幅降低。
       化學鍍鎳的最大問題在于鍍層薄,一般幾十微米。
      2.4滲硼處理
      滲硼處理滲硼是一種在金屬材料表面獲得極高硬度的技術。將40Cr鋼制成的螺桿在810°C 820°C X 16h 20h,降溫至700℃后隨罐出爐空冷。硼化物層厚0.14mm - -0.16mm硬度1400HV - 1650HV。耐磨性比滲氮的提高1 - 2倍。
      2.5電刷鍍技術
      由于螺桿失效在于局部區域的材料損失,因此采用一些表面技術對螺桿、尤其是造價高的大型螺桿進行修復,具有一定的意義。目前有大型螺桿用“電刷鍍”方法修復的成功實例修復厚度為0.48-0.68mm。

      3. 注塑機螺桿的應用現狀

      3.1國外情況
       自上世紀70年代左右起,歐美工業發達國家紛紛采用雙金屬機筒和螺桿作為塑料擠出機和注射機的關鍵部件。應用結果表明,雙金屬機筒、螺桿比經滲氮處理的機筒、螺桿,其耐磨或耐腐蝕性提高許多倍,使用壽命大大延長,經濟效益顯著。
       目前美國,95%以上的擠出機和75%以上的注射機都采用了雙金屬機筒。由于雙金屬機筒和螺桿的制造技術難度大,因此幾家著名的專業廠商以雄厚的技術力量領先于世界,如美國的??怂_洛(XALOY)、瑞士的貝涅克斯(BERNEX)和英國的布魯克斯(BROOKES)等。
      據介紹,日本三菱重工的850NF-160注塑機螺桿采用雙金屬螺桿及料筒在螺桿螺棱及料筒內壁上,熔接厚度1.5mm-2.0mm雙金屬。雙金屬螺桿和料筒有自潤作用其耐磨性較滲氮鋼螺桿料筒高4倍。堆焊的合金材料為Cr,Co、系合金。螺桿基體為滲氮鋼。德國雷洛公司在螺桿的螺棱表面噴焊一層牌號為P48的合金,其它表面再進行離子滲氮處理,使螺桿獲得耐磨耐蝕性能。
      國外對螺桿的研究重點是螺桿、機筒金屬表面強化、耐磨損、耐腐蝕的表面處理
      技術。
      3.2國內情況
       國內通常使用的螺桿及表面處理方法見表2,有40Cr鋼螺桿鍍硬鉻、38CrMoAl鋼滲氮處理,以及不銹鋼噴涂硬質合金,其優缺點見表3。
       45、40Cr鋼鍍鉻螺桿和料筒由于鍍層不均勻,與基體結合牢度低,在工作中產生局部脫落,造成迅速磨損或腐蝕。滲氮螺桿和料筒的性能要好些,目前被廣泛使用。其不足之處是滲氮鋼價格高,滲氮層抗氯化氫腐蝕能力低表面硬度和耐磨性尚難以滿足高速擠、注和加工增強塑料的需求。不銹鋼噴涂硬質合金的螺桿具有很高的硬度但是國內技術與國外尚有一段距離質量不是很穩定耐腐蝕性能也還不夠。如前所述,目前最多采用的38CrMoAl鋼滲氮螺桿,它的綜合性能較好,故廣泛使用在注塑機上。滲氮層的硬度雖然較高(900HV-1100HV)但滲氮層較薄,一般只能達到0.4mm-0.6mm,且隨磨損量增加硬度急速降低。若采用滲氮鋼做螺桿,與原雙金屬料筒不能匹配摩擦因數大料筒磨損將更加劇。熱噴涂法生產的螺桿雖有采用,但是質量不夠穩定。

      4.注塑機螺桿的發展

      4.1等離子噴涂技術
       等離子噴涂是采用等離子弧為熱源,將金屬屑或非金屬屑加熱到熔化或半熔化狀態用高速氣流將其收成微小顆粒,噴射到經過處理的工件表面,形成牢固的覆蓋層從而使工件表面獲得不同硬度、耐磨、耐熱、耐腐蝕、潤滑、以及其他各種特殊物理化學性能。其特點是,可在金屬表面獲得高硬度和高耐蝕的陶瓷涂層,結合強度高,噴涂后涂層平整光滑,可精確控制涂層厚度,環保。
      4.2新的涂層材料
       過去是等離子噴涂Co基和Ni基合金,現更多采用碳化物。
      4.3產品的質量穩定性
      國內螺桿產品質量普遍不夠穩定,尤其是雙金屬螺桿,結合力不好,容易出現早期脫落而導致失效。這種早期脫落對螺桿壽命的影響是非常大的因為脫落下來的表面層一般硬度都很高,它們會成為磨粒,導致螺桿和料筒出現嚴重的磨粒磨損。因此,國內產品如何保證產品質量的穩定性,是今后的一個大課題。

      5.結束語

      注塑機螺桿的表面處理及發展趨勢如下:
      (1)根據塑料中有無硬的添加劑、填充劑顆粒,選擇經過不同表面處理的螺桿。
      (2)根據塑料加熱時是否會產生腐蝕性介質,選擇高耐蝕螺桿,如雙金屬螺桿。
      (3)最重要的是一旦出現早期失效要進行必要的失效分析確定失效原因。
      (4)對失效螺桿進行修復以降低成本。

      標簽: 注塑機螺桿(7)

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