塑料挤出机螺杆机筒失效分析与改性技术

1、武汉理工大学学士学位论文武汉理工大学本科生毕业设计（论文）塑料挤出机螺杆、机筒失效分析与表面改性技术学院（系）： 材料学院 专业班级： 材料成型及控制工程专业三班学生姓名： 胡嘉浩 指导教师： 李爱农 宋体小2号，段前1段后0， 1.5倍行距，对齐方式：居中学位论文原创性声明宋体加粗小2号，段前1.5段后0.5，1.5倍行距，对齐方式：居中本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。宋体小4，1.5倍行距作者签名：胡嘉浩 2013年

2、 5 月 28 日宋体4号，1.5倍行距学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 2013 年 5 月 28 日导师签名： 年 月 日 目 录黑体小2号，段前段后1.5，1.5倍行间距，对齐方式：居中摘 要4Abstract51

3、绪论61.1塑料挤出机国内发展现状61.2塑料挤出机国际发展现状61.3塑料挤出机耐磨耐蚀性的方法72 塑料挤出机螺杆机筒失效分析92.1螺杆机筒磨损、腐蚀的原因及对策92.2双金属机筒的特点、制造及应用102.3强化耐磨损、耐腐蚀螺杆112.3.1螺杆及螺杆组件的氮化112.3.2镀铬、镀钼螺杆112.3.3塑堆焊合金螺杆123塑机筒与螺杆的设计与制造133.1螺杆设计133.1.1螺杆的结构形式133.1.2螺杆的几何结构参数143.2机筒的设计144螺杆与机筒的修复184.1修复热喷涂184.2修复电镀214.2.1电镀铬214.2.2复合电镀224.3熔覆修复235 展望与总结23参考

4、文献24致 谢25宋体5号,多倍行间距1.25摘 要黑体小2号，段前段后1.5，行间距1.5，对齐方式：居中 本文是在查阅大量国内外资料的基础上进行选择，分析了塑料挤出机的磨损原因，以及防止磨损的对策。对螺杆与机筒的设计与修复提出了可行性办法。所得结果对于研究制造塑料挤出机螺杆与机筒具有重要的指导意义。论文主要研究了塑料挤出机的磨损原理以及防止措施，提高塑料挤出机的螺杆与机筒的耐磨耐蚀性。研究结果表明：经过表面强化处理的螺杆与机筒的寿命大大提高，所以在传统工艺的基础上使用符合经济性的新工艺往往可以取得较好的效果，国外的新技术完全可以作为我们的借鉴和参考，甚至是指导。本文的特色在于：所提出的方案

5、是现阶段完全可行的方案，而且是符合经济性的方案，在最后的螺杆与机筒的修复中不仅符合经济性，也符合节约资源和能源的特色。宋体小4号，多倍行距1.25关键词：黑体4号,段前段后0.5 ，多倍行距1.25塑料挤出机；螺杆；磨损原理；机筒 ；电镀，表面处理 AbstractTimes New Roman加粗小2，段前段后1.5， 1.5倍行间距This article is based on a large number of domestic and international data, analysis causes of the wear plastic extruder, and count

6、ermeasures to prevent wear and tear. Screw and barrel for the design and feasibility of proposed restoration measures. The results for the study of manufacturing plastic extruder screw and barrel of important guiding significance. Thesis, wear plastic extruder principle and preventive measures to im

7、prove the plastic extruder screw and barrel wear and corrosion resistance. The results show that: After surface hardening of screw and barrel of life is greatly improved, so the traditional process based on the use of new technology in line with economic can often achieve better results, new technol

8、ogies abroad can be used as references to us and references, and even guidance. This feature is that: The proposed scheme is entirely feasible solution at this stage, but is in line with economic programs in the last screw and barrel repair not only economically, but also meet resource and energy sa

9、ving features.Keywords: plastic extruder, screw, wear principle, Barrel, electroplating, surface treatment 1 绪论1级标题：黑体小2号，段前段后1，1.5行间距1999年我国塑料机械具有年产10 万台套的生产能力。预测2000 年我国塑机产量达12 万台套, 到2010 年将达30 万台套, 其中挤出机、注塑机约占80 %以上。因螺杆、机筒的磨损、腐蚀, 造成的经济损失是十分可观的。据一项权威估计, 1986年北美塑机用户因塑机筒体、螺杆磨损、腐蚀而造成的损失超过25 亿美元。若能防止和

10、减缓螺杆、机筒磨和腐蚀, 提高塑机使用寿命, 将会大大降低产品成本, 给塑机用户带来巨大的经济效益。这是1999年的一份报告1。我国塑料机械生产产量2011年达到29.0427万台，与预测值相差无几！经济总量上，工业总产值达到464.51亿元，同比增长16%，与国内生产总值9.2%的增速相比，高出6.8个百分点；工业销售产值达到444.46亿元，同比增长17%。  出口方面，2011年，行业出口交货值达到80.59亿元人民币，与上年相比增长33%，创造了历史最好成绩。通过以上材料不难看出，塑料机械在国民经济增长中起到重要作用！而且由于塑机磨损腐蚀造成的损失也是相当可观的，所

11、以对于塑机抗磨损和抗腐蚀的研究是很有必要的。宋体小4，多倍行距1.251.1塑料挤出机国内发展现状目前国内机筒主要使用38CrMoAlA钢 。 38CrMoAlA为国标推荐的机筒用优质氮化钢， 其强化渗氮后， 表面硬度可达H V 9 0 0 -1 100。氮化层深度一般为0.4-0.7 mm， 经氮化后，机筒可具有较高的耐磨性和耐疲劳强度。渗氮层的硬度随深度的增加而迅速下降。当表面层一旦开始磨损， 其磨损量就会随深度的增加而加快。值得注意的是渗氮层厚度不等于耐磨层厚度14。1.2 塑料挤出机国际发展现状 国际上主要的发达国家使用的是双金属机筒。所谓的双金属机筒即是在氮化钢、40Cr 和45#

12、钢制造的机筒内镶入耐磨损和耐腐蚀的合金内筒。该合金内筒是在普通钢材的表面离心浇铸厚度1.6-3.2 mm 的镍、铬、钴和硼等高强度合金。常用的耐磨性合金为铁- 镍- 硼(Fe-Ni-B)，其硬度为HRC58-64； 常用的耐蚀性合金为镍- 钴- 铬- 硼(Ni-Co-Cr-B)， 其硬度为HRC50-56； 而耐磨损和耐腐蚀性兼有的合金为铁- 铬- 镍- 硼+ 碳化物(Fe-Cr-Ni-B+C)，其硬度可达HRC5865。通常内筒经离心浇铸合金后， 直接进行研磨，内筒内表面粗糙度小于Ra0.8。双金属内、外筒镶套的装配通常采用热压法或冷压法。热压法是将外筒加热至500 左右（ 根据膨胀系数计算

13、出膨胀量），使内孔膨大，再将冷的内筒压入， 其公差配合为H7/P5。也可采用二段式的冷压法， 内孔前段为动配合H7/h6， 后段为过渡配合H7/js6。实践表明， 虽然双金属机筒的价格比氮化钢38CrMoAlA 机筒高出近1倍， 但 双金属机筒的使用寿命却为氮化钢机筒的3-6 倍7。 据报道， 兰泰塑机公司最新研制的CBNiCr金属陶瓷双金属衬套比Fe-Ni-B 双金属筒体的使用寿命又提高3 倍。该双金属衬套在450 时的硬度可达HRC61， 双金属结合面的剪切强度为210 MN/m2， 使用寿命可比38CrMoAlA 氮化钢机筒提高近8 倍7。1.3提高塑料挤出机耐磨耐蚀性的方法 目前关于螺

14、杆的表面耐磨处理有以下几种方法。 目前提高螺杆耐磨损和耐腐蚀的方法主要有两个方面： 一是通过热处理提高螺杆表面硬度； 二是使用硬质合金螺杆表面。当前主要使用的提高螺杆寿命的工艺有： 表面氮化、镀硬铬、表面火焰淬硬、高频淬硬、表面喷涂、喷焊、堆焊、真空镀覆和激光处理等。其各具特点10。 1、表面氮化工艺 螺杆推荐钢38CrMoAlA 的氮化技术有：盐溶液氮化、气体氮化和离子氮化。离子氮化最佳， 经离子氮化的螺杆使用寿命比气体氮化螺杆长1-2 倍。螺杆氮化时， 其表面硬度HV900-1 100，螺杆具有高耐磨损性。 2、电镀硬铬工艺 镀硬铬是提高单螺杆和锥形双螺杆表面耐磨性的一种方法。螺杆材料可选

15、用40Cr 或45#钢。镀铬层厚一般为0.05-0.2 mm， 表面硬度HV1 000-1 100。电镀硬铬层的优点是： 摩擦系数低、硬度高、化学稳定性好，在高温下能保持镀层硬度。螺杆镀铬后， 应进行热处理，这样有利于提高镀铬层的韧性和结合强度。 3、高速钢整体淬火工艺 目前制造螺杆常用牌号有W18Cr4V 和W6Mo5Cr4V2。经球化退火后其切削性能好， 淬火后整体具有较高的硬度（HV930-950） 和耐磨性。相比之下，W6Mo5Cr4V2 的韧性和耐磨性优于W18Cr4V。淬火后组织的晶粒度在10-11.5 之间， 目前常采用一次分级等温淬火工艺。 4、等离子喷镀工艺 等离子喷镀工艺常

16、用的螺杆基料一般为45#钢、40Cr 和氮化钢。表面的涂层通常是铬、钼和镍的合金。镀层厚度大约为0.20.3 mm6。 这样可使螺杆的耐磨和耐腐蚀性更好。 5、堆焊合金工艺 螺杆堆焊合金有两种形式： 一种是在螺杆螺棱上堆焊合金层， 另一种是螺杆表面全部堆焊合金。螺杆上堆焊合金可用电孤焊和等离子氩弧焊等。螺杆基体材料为38CrMoAlA 和40Cr，先进行调质处理，硬度HV250-270。焊机可采用直流钨极氩弧焊机。实验证明表面堆焊钨、铬和钴合金层的螺杆， 可比38CrMoAlA 氮化螺杆的使用寿命提高3-6 倍。 6、氧- 乙炔喷焊工艺 氧- 乙炔喷焊合金螺杆的常用基料为45#钢或38CrMo

17、AlA。这种技术是把火焰熔融的合金粉末与螺杆相互熔敷形成一种组织致密、具有镜面光泽的合金层。使用不同的合金粉末， 可达到耐磨、耐腐蚀、耐高温和耐冲击等不同性能的表面层。 7、化学镀Ni-P 合金层工艺11 Ni-P 合金镀层具有优异的耐磨性和抗蚀性，在螺杆表面处理中已得到广泛应用。进行化学镀Ni-P 表面处理的螺杆基料为45# 钢或40Cr。Ni-P 镀层的高硬度是镍和磷合金化的结果，在225-300 时，磷化镍开始产生，随着温度的提高镀层可达到不同的硬度值。从硬度与温度关系图中可知当温度达到350-400 时，镀层硬度可达最大值HRC69 。据国外有关资料表明： 通过热处理调整Ni-P 镀层

18、硬度可得到所需要的韧性， 这是Ni-P 合金镀层在螺杆应用中的一个显著优点。根据从Taber 研磨机测得的Ni-P 镀层研磨磨损结果 Ni-P 镀层的耐磨性随热处理温度升高而提高。在650 热处理后，耐磨性最优， 但此时镀层硬度有所下降， 而低磷含量的Ni-P 镀层能承受高负荷， 不需要为提高硬度而进行热处理。 8、激光熔覆工艺12 激光熔覆技术由于能精确控制光束， 可以处理沟、孔和槽等常规方法难以处理的螺杆表面， 而且激光熔覆工艺螺杆变形小， 合金层与基体材料结合强度高， 因此采用这种方法进行螺杆的局部修复最为理想。合金粉末为一些镍、铬和钴的合金（如Ni60）15。激光处理步骤为：黑化处理-

19、 预热工件- 激光重熔- 熔覆后立即置于炉中缓冷- 研磨表面。激光熔覆法的不足是一次加工的表面积较小， 不适用于整个螺杆加工。 9、真空镀覆工艺 真空镀覆是基于气态沉积原则发展起来的，分为化学蒸发沉积（CVD，chemical vapourdeposition） 和物理蒸发沉积（PVD）。这种覆层为超硬覆层， 硬度大于HV2 000， 并具有陶瓷的化学惰性，很难和其他物质反应。CVD处理需要高温， 易导致螺杆变形， 所以需要后续热处理。而PVD 技术则不需要后续热处理，但镀层结合力不如CVD 高CVD 处理是在800-1 100 下将涂覆合金沉积到螺杆表面， 沉积层厚度6-30um12。 螺杆

20、和机筒的表面处理技术可以大幅提高螺杆机筒的耐磨耐腐蚀性，从而可扩大注射机、挤出机的应用范围和延长其使用寿命。螺杆机筒表面处理的方法除上述已工业化应用的外，新的工艺也在继续开发涌现出来。掌握和合理利用这些工艺无疑对用户降低生产成本和提高产品的市场竞争力有益。这些技术将对我国刚刚起步的导电塑料和磁性塑料等特殊性能塑料制品的加工起到积极的推动作用， 将对我国的塑料工业作出重大贡献。总而言之，对于塑料挤出机机筒和螺杆耐磨性的研究很具有经济意义和技术储备意义。国内外的焦点也都放在了表面改性方面，能在这方面改进就要认真研究表面改性的方法与其工艺特点。 -章与章插入分页符-2塑料挤出机螺杆机筒失效分析2.1

21、 螺杆机筒磨损、腐蚀的原因及对策由于塑料的日益广泛应用，各种新型塑料不断涌现，主要有增强、改性、填充及功能塑料，其促进了塑料工业的蓬勃发展。为了提高塑料制品的强度,往往在高强度增强塑料中, 加入玻璃纤维、碳纤维、石棉纤维和硼纤维。纤维的加入大大提高了对机械的磨损，因为其硬度远远大于塑料的硬度，一般而言，短纤维比长纤维对螺杆的磨损要大一些，同时与之相反的是腐蚀的情况则要相对好一些。在工业上往往出于对经济性的考虑，同时给予塑料一些特殊性能，往往会在塑料中添加添加剂，而添加剂的加入会大大提高对螺杆的磨损，因为这些添加剂的硬度甚至与螺杆相差无几。例如，碳酸钙、滑石粉、云母、红泥、陶土、硅石灰粉、重结晶

22、粉、金属粉等等。这些物质的莫氏硬度为7：轻质碳酸钙的为2.5，重质碳酸钙的为3（相当于HV348），滑石粉的为1-2，云母的为2-3.5，高岭土的为2-2.5，二氧化硅的为7，二氧化钛的为6-6.5（相当于HV696-754），硅藻石的为6，硅灰石的为4.5，玻璃微珠的有6.5，玻璃纤维的为6.9（相当于HV800），这已经很接近螺杆的表面硬度了，至于铁磁粉的为8.8，三氧化二铝的为8.8，则远远大于了螺杆的表面硬度了。磨损在此种情况下十分剧烈。往往在塑料中添加各种助剂来制备功能塑料制品，如加入抗氧剂、偶联剂、阻燃剂、防雾滴剂、抗静电剂、着色剂等等。而这些物质的加入，在挤出过程中往往伴随着机械

23、变化和温度变化，会产生卤化物和硫化物等，这些物质都属于腐蚀性介质。正是由于抗氧剂、偶联剂、阻燃剂、防雾滴剂、抗静电剂、着色剂的加入，导致了塑料挤出机的机筒和螺杆的腐蚀和磨损或二者兼有的腐蚀磨损。磨损和腐蚀大致可概况为：物料磨损（磨损）和化学磨损（腐蚀）。物料磨损主要包括两个方面，一方面是螺杆表面与机筒之间的磨损（粘着磨损）；另一方面是塑料或填充剂和机筒螺杆的磨损。一般而言，磨损的原因是螺杆或者机筒的表面由于摩擦产生细小的金属颗粒或合计颗粒，它在排出的过程中沿机筒和螺杆表面之间的物料移动；两表面由于分子级的粘附、胶合; 沿螺杆和机筒表面运动的硬颗粒( 填料和增强剂) , 使螺杆和机筒表面发生磨蚀

24、或变形; 与此同时, 从螺杆或机筒表面上排出的金属微粒, 从上述过程中的任何方式, 混入物料熔体中, 又进一步加剧螺杆和机筒的磨损。而化学磨损指的就是某些塑料、助剂，其分解产生以卤化氢气体、二氧化硫气体及酸性物质甲酸等为主的腐蚀性介质，在混炼过程中容易造成螺杆机筒的腐蚀。一般而言，温度与化学反应是呈正相关关系的，简而言之就是成型温度越高，腐蚀越剧烈。就其腐蚀形式而言，主要有两大类，剥蚀和点蚀。而腐蚀的程度则主要和成型温度、被加工塑料的种类、助剂的成分以及物料的形状等有关。可知，螺杆机筒在磨损和腐蚀以后，之间导致螺杆与机筒的配合出现偏差，及所谓的间隙增大导致漏流增加，生产率降低，同时，产品的质量

25、也大打折扣，能耗也成倍增加，机器也就不能正常工作了。据相关资料介绍5：一台挤出机,当其压缩段螺纹顶部磨损深度达1. 3 mm时, 则产量由800 kg/ h 降至500 kg/ h, 其能耗增加38 %。为保证机器的正常工作, 当螺杆磨损间隙达到槽深的15 %时, 报废旧螺杆更换新螺杆; 当螺杆与机筒之间的间隙因磨损而间隙增大值达到新机间隙的2 倍时, 应更换螺杆或机筒, 这些仅作为经验, 提供参考。而近年来的研究表明：影响螺杆、机筒磨损的主要因素有: 螺杆的结构、螺杆与机筒的材质、加工塑料的性质、以及工艺操作条件等,国内外的塑料机械制造厂商, 把提高挤出机、注塑机使用寿命的重点放在螺杆、机筒

26、金属表面强化耐磨损、耐腐蚀的处理技术上, 国内外普遍采用双金属机筒和螺杆金属表面硬化技术以提高塑机的使用寿命。如美国98 %的挤出机, 75 % 的注塑机采用了双金属筒体和硬化螺杆。我国也在积极推广应用这项技术。2.2双金属机筒的特点、制造及应用我国挤出机、注塑机的机筒大部分采用38CrMoAlA 氮化技术, 以增强机筒的耐磨损。但是, 由于这种处理方法所得的耐磨损深度有限, 氮化层深度一般为0. 4-0. 7mm。硬度HV = 900-1 100, 渗氮层的硬度随深度的增加而迅速下降。因此, 当表面层一旦开始磨损, 其磨损量就会随深度的增加而加快。为克服这一缺点, 普遍采用增强机筒耐磨损、耐

27、腐蚀的强化技术。双金属筒体, 即在氮化钢、40Cr、55# 钢制造的外筒内镶入耐磨损、耐腐蚀的合金内筒。合金内筒是在普遍钢材或低合金钢坯的表面离心浇铸厚度1. 6-3. 2 mm 的镍、铬、钴、硼高强度合金。如耐磨性合金采用铁-镍-硼-( Fe-Ni-B) ,其硬度HRC 58 64; 耐腐蚀性合金为镍-钴-铬-硼( Ni-Co-Cr-B) , 其硬度HRC50- 56; 耐磨损、耐腐蚀性的合金有铁-铬-镍-硼+ 碳化物( Fe-Cr-Ni- B+ Carbide) , 其硬度HRC58-65。内筒经离心浇铸合金后, 直接进行珩磨,加工精度H7 级, 弯曲变形1/ 300 mm, 圆精度0.

28、002 mm, 内筒内表面光洁度0.8。双金属内、外筒的镶套可采用热压法或冷压法。热压法是将外筒加热至500 摄氏度左右( 根据膨胀系数计算出膨胀量) , 使内孔膨大,再将冷的内筒压入, 其公差配合H6/ P5。也可采用二段式的冷压法, 内孔前段为动配合H7/ h6, 后段为过渡配合H7/ JS6。应用表明: 虽然双金属机筒的价格比氮化钢38CrMoAlA 氮化机筒高出近1 倍, 但双金属机筒的使用寿命却是氮化钢机筒的3-6倍，且生产塑料制品的费用降低7。兰泰塑机公司最新研制的CB-Ni-Cr 金属陶瓷双金属衬套比Fe-Ni-B 双金属筒体的使用寿命又提高3 倍, 且具有良好的耐腐蚀性能。CB

29、-Ni-Cr 金属陶瓷双金属衬套, 在室温至450 􀀁 时的硬度HRc61, 双金属结合面的剪切强度为210 MPa, 其使用寿命比38CrMoAlA 氮化钢筒体提高8 倍。根据国内外使用经验表明: 加工普通塑料38CrMoAlA 氮化机筒的正常使用寿命一般为4 a 左右, 而双金属筒体的使用寿命却达10- 14 a。然而, 加工玻璃纤维( 莫氏硬度6. 9 相当于维氏硬度HV800) 增强塑料, 因磨损严重, 使用寿命大大降低。除玻璃纤维为强磨损材料外, 高填充填料对螺杆、机筒的磨损也是相当严重的。例如, 生产填充60 %重质碳酸钙的塑料地板的挤出机, 由于重质碳酸钙的莫氏

30、硬度为3( 相当于HV348) , 磨损严重, 螺杆使用3 000 h,机筒使用6 000 h 报废。由上述可见, 为什么机筒的使用寿命高于螺杆呢? 这是由于物料在运转中, 作用于机筒的磨擦力较小, 且比较均匀, 所以磨损状态呈圆周均匀性, 另一原因是物料包裹螺杆加速螺杆磨损, 而腐蚀性气体对机筒不起多大作用, 故机筒的寿命长于螺杆1 倍以上。2.3强化耐磨损、耐腐蚀螺杆 强化螺杆耐磨损、耐腐蚀的方法, 一是通过热处理提高金属表面硬度, 二是使用硬质合金的表面。需说明一点, 螺杆表面硬度高并不等于耐磨性高。磨损实验表明,38CrMoAlA 氮化螺杆的硬度HV = 900 -1 100, 相当于

31、HRC65- 72, 而铁-镍-硼( Fe-Ni-B) 合金, 硬度HRC58- 64, 虽然后者的硬度比前者低, 但后者耐磨性却提高几倍。这是因为铁-镍-硼合金的原子间结合强度好, 有较高弹性模量的缘故。我国挤出机螺杆大多采用38CrMoAlA氮化处理螺杆及螺杆组件( 积木式螺杆的螺纹套、捏合块、齿形盘) , 为强化螺杆的耐磨损、耐腐蚀性, 可通过氮化、镀铬、镀钼、表面火焰淬硬或高频淬硬、表面喷涂、喷焊和堆焊等方法, 提高螺杆的耐磨、耐腐蚀性。在此仅介绍几种常用的方法。2.3.1 螺杆及螺杆组件的氮化38CrMoAlA 螺杆氮化技术, 有盐溶液体氮化、气体氮化或离子氮化, 其中以离子氮化为最

32、佳, 经离子氮化的螺杆使用寿命比气体氮化螺杆长2- 3 倍。螺杆氮化时, 氮原子进入钢的表面层, 并且和其中能形成氮化处的合金元素相结合形成坚硬的氮化物- 氮化铝, 其表面硬度HV900- 1 100, 从而提高螺杆、机筒的耐磨损性, 但耐腐蚀性不足8。2.3.2镀铬、镀钼螺杆镀硬铬是单螺杆、锥形双螺杆通常采用的方法。螺杆材料可选用40Cr 或45# 钢, 镀铬层一般为0. 05-0. 2 mm, 镀过硬铬的螺杆有良好的表面光洁度和较强的抵抗腐蚀的能力, 耐磨性也较好。镀层与螺杆金属基体的结合应很牢固, 否则在摩擦力和撞击力的作用下容易剥落,它会加速磨料磨损, 剥落处的凹坑会和镀层构成化学电池

33、的两极, 更加速了螺杆的腐蚀作用。因此, 螺杆镀铬前, 一般要经过磨削加工, 各处的锐边和尖角应倒圆, 尤其是螺纹脊处必须制成小圆角, 否则由于铬的边缘效应, 沉积过快, 产生粗精颗粒, 成为铬层剥落的起点。镀铬时首先用有机溶剂( 苯、丙酮) 或碱溶液清洗螺杆表面, 然后进行弱酸蚀, 清除表面上的极薄的氧化膜, 并使表面受轻微浸蚀, 呈现金属结构组织, 以增强镀层与基体金属的结合力。螺杆镀铬后, 应进行热处理, 如在热矿物油或空气中( 180- 250 摄氏度) 停留2-3 h, 这样有利于提高镀铬层的韧性和结合强度。螺杆镀铬层厚度 0. 05- 0. 2 mm，表面维氏硬度 HV1 000-

34、1 100相当于洛氏硬度 HRC 66- 77镀铬的优点是: 磨擦系数低, 硬度高, 抗氧化的化学稳定性好, 在螺杆工作范围内( 500摄氏度以下) 能保持镀层硬度, 具有良好的耐磨、耐腐蚀性。单螺杆、锥形螺杆喷镀钼, 以强化螺杆耐腐蚀、耐磨性。螺杆材料用氮化钢, 首先500摄氏度 左右将螺杆进行两次氮化处理, 氮化后的螺杆再采用等离子喷镀法, 对螺杆顶部或全螺杆表面喷镀一层厚度为0. 3 mm 的钼, 以提高螺杆的耐腐蚀、耐磨性。2.3.3 堆焊合金螺杆 螺杆堆焊合金有两种形式, 一种是在螺杆顶部堆焊合金层, 另一种是螺杆表面全部堆焊合金, 螺杆基体可以是整根螺杆, 也可以是螺杆组件。螺杆上

35、堆焊合金, 可用电孤焊、等离子氩弧焊。堆焊前先将螺杆基体合金38CrMoAlA 进行调质处理, 其硬度HV250-270。堆焊的合金有: 国产焊丝112, 丝113,英国的钴基硬质合金丝, 美国的RCoCr-A, RCoCr-B 焊丝。焊机可采用NSA4-300 型直流钨极氩弧焊机, 选直径为3 mm 铈钨电极( 型号WCo20) , 喷嘴孔经18 mm, 堆焊电流95-105 A, 氩气流量16 L/ min。38CrMoAlA 氮化钢的可焊性差, 易形成热裂缝, 所以在焊前对螺杆元件要预热550-600摄氏度, 并在螺杆旋转表面预堆焊一层塑性、韧性好的Cr25Ni13 或Ni112 Ni

36、93 % -94%, Ti 3 %, No2 % - 3 % , Al 1. 0 % 过渡层, 其厚度为1 mm, 然后堆焊硬质合金层, 该合金层堆焊三层, 堆焊层厚度1. 5-2 mm。预热及层间温度控制在550-600摄氏度 之间, 焊后立即置于SCr-5-10 电炉中清除应力退火处理, 加热温度650摄氏度 , 保温1 h, 然后按冷却, 消除应力退火处理后就可进行堆焊层的磨削。 磨削用碳化硅砂轮, 粒度TL35#粗磨: V 砂= 30 m/ s, V 工= 14 m/ min进给量f = 0. 2 mm/ r, 切削深度0. 05 mm精磨: V工= 4. 5 m/ min, 进给量f

37、 = 0. 05 mm/ r仔细修磨砂轮, p= 0. 02 mm光磨: 进刀5 次, 进行无火花磨削。经表面堆焊钨、铬、钴合金层的螺杆经耐磨性实验证明, 它比38CrMoAlA 氮化螺杆使用寿命可提高3-6 倍83机筒与螺杆的设计与制造 3.1螺杆设计 挤出机螺杆是机器的核心。一般螺杆是与所加工树脂相匹配定设计的部分。螺杆材料使用合金钢，不锈钢或工具钢。不等不说的是钢种的选择和所加工的材料息息相关。材料的选择取决以下因素31）屈服强度2）耐磨性3）耐腐蚀性4）容易加工5）材料的成本通常通过硬化螺杆表面提高耐磨性。经过渗氮过程可以获得非常硬的表面。离子渗氮是目前更受欢迎的形式，因为它优于气体渗

38、氮过程。离子渗氮很昂贵，但由于加工温度较低，变形很小。高磨损情况下，磨损主要是螺棱顶面，这可以焊接特殊坚固合金加以保护。这些合金中最受欢迎的是钴铬钨硬质合金和高镍含铬合金。有时螺杆镀铬或镀镍，大多数情况下电镀是用来改善耐腐蚀性的。电镀的原理和操作在修复环节加以说明。螺杆是挤出机最主要的部件，通过螺杆的传动，对机筒内的塑料产生挤压作用，使塑料发生移动，得到增压，获得由摩擦产生的热量。螺杆的结构形式对挤出成型有重要影响，直接关系到挤出机的应用范围和生产率3。3.1.1螺杆的结构形式 螺杆是一根笔直的有螺纹的金属圆棒。一般螺杆的结构如下图所示3 螺杆是用耐热、耐腐蚀、高强度的合金钢制成的，其表面应有

39、很高的硬度和较低的表面粗糙度，以减少塑料与螺杆的表面摩擦力，使塑料在螺杆与机筒之间保持良好的传热与运转状况。螺杆的中心有孔道，可通过冷却液，目的是防止螺杆长时间运转并与塑料摩擦而使塑料过热，同时使螺杆表面温度低于机筒，防止物料粘附其上，有利于物料的传送。螺杆用推力轴承悬支在机筒的中央，与机筒中心线吻合，不应有明显的偏差。螺杆与机筒的间隙很小，使塑料受到强大的剪切作用而塑化并向前推动。螺杆由电动机通过减速机构传送，转速一般为10-120r/min，要求无级变速6。3.1.2螺杆的几何结构参数 螺杆的几何结构参数有直径、长径比、压缩比、螺槽深度、螺旋角、螺杆与机筒的间隙等。1） 螺杆直径。指螺杆的

40、公称直径，一般用D表示（见上图）。2） 螺杆的长径比是指螺杆的工作长度L与螺杆的外径D之比，即L/D。一般为15-25，最大可达到40，甚至更大。较大的L/D，能改善塑料的温度分布，使混合更均匀，并减少挤出时的逆流和漏流，提高挤出机的生产能力。对于硬质材料、粉状材料要求塑化时间长，应选比较大的长径比。但长径比太大会造成热敏性材料的受热时间过长而易分解，同时螺杆的自重增加，制造和安装都会困难，也增大了挤出机的功率消耗。3） 螺杆的压缩比是指螺杆加料段第一个螺槽的容积与均匀段最后一个螺槽的容积之比，它表示塑料通过螺杆的全过程被压缩的程度。压缩比一般2-5.4） 螺槽深度会影响塑料的塑化及挤出效率，

41、深槽螺杆可对塑料产生较大的剪切速率，有利于传热与塑化，宜用于热敏性塑料，但挤出生产率降低。深槽螺杆宜用于熔体粘度低和热稳定性较好的塑料。5） 螺旋角是螺纹与螺杆横截面之间的夹角，随着螺旋角的增大，挤出机的生产能力提高，但螺杆对塑料的挤压剪切作用减少。为了机械的加工的方便，通常取D=S，螺旋角为17度26分6。6） 螺杆与机筒的间隙的大小会影响挤出机的生产能力和物料的塑化。间隙值大，生产效率低，且不利于热传导并降低剪切速率，不利于物料的熔融和混合；但若间隙值过小，强烈的剪切作用易引起物料的降解。3.2机筒的设计 机筒是一个受热受压的金属圆筒。物料的塑化和压缩都在机筒中进行的。挤出成型时的工作温度

42、一般为180-290摄氏度，机筒内的压力可达60MPa。在机筒的外面设有加热和冷却装置，以便对机筒加热和冷却。加热一般分3-4段控温，常用电阻或电感加热器，也有采用远程红外线加热的。冷却的目的是防止塑料过热或停车时对塑料快速冷却而使塑料降解。冷却一般用风冷或水冷。机筒要承受很高的压力，要求具有足够的强度和刚度，内壁光滑。机筒一般用耐磨、耐腐蚀、高强度的合金钢或低碳钢内衬合金钢来制造5。标准的机筒由高温级气体氮化钢制成，或具有双金属内衬。目前的趋势是使用双金属机筒。双金属机筒经离心铸造制成的，在合金钢外壳内有耐磨的衬里材料。衬里深度大约为1.5-2.0mm，反之渗氮总深度大约为0.4mm。一般，

43、氮化机筒的耐磨损和耐腐蚀性没有双金属机筒好。气体氮化机筒通常没有双金属机筒的寿命长。应避免使用气体氮化机筒，这里耐化学性是一个重要因素。氮化表面的一个附加缺点是一旦薄的氮化层被磨损，磨损将迅速加快。在机筒加料的1.5D-3D长度上安装耐磨衬套，下图为常见的耐磨衬套的装配。为增加机筒的寿命，衬套可更换。衬套与机筒之间应正确配合，这对确保良好的热传递非常重要。 机筒的加热使用电阻加热，主要优势有（与流体加热或蒸汽加热相比较）5：1） 成本低；2） 容易维护；3） 安全风险低；4） 温度范围宽；5） 容易控制；6） 效率高；7） 所要求的结构空间小；8） 容易进行能量传递；9） 干净。电阻元件是电阻

44、加热器，使用铝加热器，因为其更可靠，有更长的寿命和更高的功率密度，有良好的热传递性能。挤出机的冷却采用强制冷却，下图为空气冷却系统布置图4。通过可控制的冷却空气分布，可以达到机筒轴向和径向上的均匀冷却效果6。4螺杆与机筒的修复4.1修复热喷涂修复热喷涂的特点：维修表面强化，使抗磨图层的质量好，成本低，效率高，且应用广泛。热喷涂的基本过程包括：（1） 使喷涂材料（金属材料、陶瓷、塑料等）成为液态或熔融状；（2） 使液状或熔融状的材料细化，颗粒为数十微米到数百微米；（3） 将液态或熔融状颗粒喷涂到基本材料上并形成涂层。对于聚氯乙烯的加工的单螺杆塑料挤出机的螺杆使用不锈钢耐腐蚀钢粉末进行喷涂。喷涂的

45、薄皮由于受急冷的微粒构成，硬度高，在喷涂过程中还会形成合金过饱和状态，薄片还会形成一层氧化膜，造成喷涂层的硬度变高，硬度提高对提高耐磨性有益。为了保证喷涂的性质和质量，应该控制涂层的孔隙率，喷涂过程中应该尽量提高喷涂颗粒温度，尽量提高喷涂速度，尽可能减小喷涂速度。影响热喷涂层的质量的因素（1） 工件表面的准备 凹切、清理、表面粗化，非喷涂部位的屏蔽保护；凹切是指为提供容纳热喷涂的空间在基体材料或零件上车掉或磨掉的尺寸，清理即清除油污、铁锈、漆层，使工件表面清洁，表面粗化常用的粗化方法有喷砂、开槽、车螺纹、滚花等，非喷涂部位的屏蔽保护的常用方法有胶带保护、化合物保护、机械保护。（2） 热喷涂的工

46、艺参数2 1） 热源 火焰喷涂一般使用乙炔做燃气，温度约为3100摄氏度，电弧喷涂最高温度为5538摄氏度至6649摄氏度，等离字喷涂的最高温度为11093摄氏度。可见对快速加热和提高粒子传送速度来说，等离子喷涂最佳、电弧喷涂居次、氧炔焰喷涂最差。2） 喷涂材料 电弧喷涂和火焰喷涂时，喷涂材料金属丝直径与热源功率要匹配，以获得最佳涂层。3） 喷涂距离 喷枪到工件的距离直接影响喷涂粒子和基体撞击时的速度和温度。火焰喷涂的喷涂距离一般为100至200mm；等离子喷涂取50至100mm；电弧喷涂为180至200mm。4） 喷涂角度 即喷射流锥面的中心与基体被喷面之间的夹角。喷涂角度以90度为最佳，但

47、无论如何，喷涂角度不得小于45度，否则会产生阴影效应。5） 喷射的面速度 即基体表面与喷枪的相对速度，一般取30至100m/min。喷涂操作中，为了防止产生局部热点和表面氧化，应采取较高的面速度。面速度的控制宜自动化或半自动化，或喷枪移动或基体移动。6） 预热温度 大多数情况下，喷涂前都应对工件喷涂部位稍加预热，旨在除掉表面的潮气，降低涂层收缩应力，避免涂层产生裂纹。预热温度往往控制在70至150摄氏度，最高不超过270摄氏度。7） 冷却 为防止过热和较大变形，在喷涂全过程中，基体的整体温度应保持在70至80摄氏度以下。方法一：控制喷涂面速度；方法二：增加冷却介质；方法三：间歇喷涂，但间歇时间

48、不得太长。一般TIG焊接是在挤出机螺杆的制造和修复中最常用的方法。在氧乙炔焊接工艺中，通过点燃可控的氧气和乙炔气体混合物，生成剧烈火焰（如下图）2。氧乙炔焊接的优势在于，它可提供非激光方法的基础材料稀释。一层沉积物通常足以达到所需的硬度。 钨极惰性气体保护焊是一种氩弧熔化焊接工艺，通过在无损耗、焊炬钨电极和工件之间的电弧产生剧烈的热（如下图）。通过焊炬导入惰性保护气体，通常为氩气，用于保护焊接区域免受环境污染。TIG焊接是在挤出机螺杆的制造和修复中最常用的方法。有必要采用第二层，以达到表面硬化材料的完全硬度2。 PTA焊炬的结构为中心有一个电极，其周围是双壁管，该管输送金属粉末。氩气经过这一环

49、流道在焊接区周围循环，以便在氩弧区四周提供一个保护气罩，同时，经过管内壁的孔将金属粉末计量输出。这两者通过电极和工件之间的电弧到达工件上（如上图）。4.2修复电镀 修复电镀的特点：不需要镀刷，设备简单，工艺灵活，镀液种类多，沉积速率高，特别适于在现场施刷镀，经济效率高，具有广泛的发展前景。 电刷镀技术的基本原理4 由上图可以看出，电刷镀技术采用一专用的直流电源设备，电源的正极接镀笔，作为刷镀时的阳极，电源的负极接工件，作为刷镀时的阴极。镀笔通常采用高纯细石墨块做阳极材料，石墨块外面包裹上棉花和耐磨的涤棉套。刷镀时使浸满镀液的镀笔以一定的相对运动速度在工件表面上移动，并保持适当的压力。这样在镀笔

50、与工件接触的那些部位，镀液中的金属离子在电场力的作用下扩散到工件表面，在表面获得电子被还原成金属原子，这些金属原子沉积结晶就形成了镀层。4.2.1电镀铬 镀铬层具有抗磨、减磨、防腐等优良性能，因此在相当大的程度上能改善修复零件的质量，特别是提高表面耐磨性。 镀铬的电解液是以铬酸为基本成分，以硫酸为不可缺少的添加剂所组成。其用量由铬酐和硫酸之比值来确定。使用铅或铅锑合金作阳极，这种阳极在镀铬过程中不溶解，属于不溶性阳极。镀铬需在电解液温度一定范围内进行，温度高低对镀层性能影响很显著。 镀铬修复一根螺杆的工艺步骤4：1） 将螺杆放置在一台车床上，并找到中心。同时检查螺杆的不直度和同轴度。2） 抛光

51、螺杆，准备剥去已有的铬。3） 将整根螺杆浸入酸池，出去镀铬。4） 将螺杆移至研磨机处，将其研磨至常规尺寸之下。5） 用表面硬化材料焊接螺杆的螺棱。6） 焊接之后，将螺杆再次移至研磨机进行粗磨，同时检验不直度。7） 使用螺棱研磨机对螺棱的侧面进行修整。8） 将螺杆移至抛光车间，进行抛光。9） 检查螺杆，如果需要，擦拭螺杆准备镀铬。10） 对整个底部和轴表面采用镀铬。11） 在电镀后，擦拭螺杆。12） 研磨螺杆至最终的外径规格。13） 根据需要，可以进行最终抛光和擦拭。14） 研磨螺杆的推力面，确认尺寸，研磨螺杆外径。15） 最终检查。4.2.2复合电镀 复合电镀是在电镀液中加入某些化学惰性的固态颗粒，并使其在溶液中呈悬浮分散状态，在电镀时固态微粒与金属共沉积，形成具有某些独特性能电镀层的一种电镀技术9。据对镀层的观察与分析可知，当加入镀液中的固态微粒是导电的，共沉积时，金属原子同时在微粒的表面上和阴极基体表面沉积，此时，微粒很容易包容产生共沉积；