CN112981301A - 一种用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法，包括：步骤一：准备一螺纹元件基体，先对螺纹元件基体进行回火热处理，随后对螺纹元件基体的两端面之间的90°棱角进行倒圆处理，倒圆半径为0.1‑0.2mm；步骤二：将步骤一中的倒圆处理后的螺纹元件基体的表面喷砂粗化，然后采用超音速火焰喷涂法，通过喷枪将钨镍基合金粉末直接喷涂到螺纹元件基体表面，得到一层钨镍基复合涂层，喷枪在螺纹元件基体表面上方来回重复喷涂，使钨镍基复合涂层层层堆积，每一层钨镍基复合涂层的厚度为50‑100μm，堆积后的钨镍基复合涂层的总厚度为0.8‑1.0mm。本发明提高其表面硬度、耐磨性和耐蚀性，进而提高用于改性塑料特别是玻纤和碳纤改性塑料的双螺杆挤出机的生产效率。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法。
背景技术
螺杆挤出机是一种广泛应用于塑料、食品和饲料加工等行业的机械生产设备，其工作原理一般是通过螺杆的旋转产生压力与剪切力，使物料经过混合、挤压、剪切等作用后发生物理或化学变化，最后在设备终端挤出成品。
随着高分子工业的迅速发展，各种新型的填充、增强、改性及功能性高分子材料不断涌现，广泛地应用在各类高强度增强塑料中。为了减少塑料产品的生产制造成本并能提高其一定的性能，通常在塑料制品中加入各种增强性填充材料，如滑石粉和碳酸钙等强磨损物质。由于助剂的加入，在挤出生产过程中，因各种物理化学的作用，会产生各类腐蚀性介质(如氯化物、溴、硫化物等)。正因上述各类添加剂在塑料加工过程中的填入，使得螺杆受到腐蚀或磨损，或两者兼有之。
在生产过程中，挤出机的螺杆处在恶劣的高压高温环境，并且承受着巨大的摩擦力与剪切力，螺杆表面的磨损情况比较严重。螺杆的磨损使其与机筒的间距增加，影响了螺杆对物料的压缩与剪切，从而导致了产品质量的下降。另一方面，频繁更换磨损失效的螺杆既增加了成本，又耽误了生产计划，造成生产效率降低，所以减少螺杆的磨损，延长螺杆的工作寿命将大大降低设备的维护成本，保证产品的质量，给企业带来更高的经济效益。国内外提高机械零部件耐磨性的研究有很多，但挤出机螺杆的工作环境比较特殊，它并不是常见的金属与金属之间的摩擦，而是金属与高分子聚合物，农作物产品之类软磨料的摩擦，并且处在较高的温度与接触应力下，经常还会伴随各种腐蚀介质的腐蚀，这种类型的摩擦磨损机理非常复杂，行业急需开发一种对螺杆表面增强的特殊防护措施。
目前，常规的热处理对提高螺杆材料的使用性能意义不大，整体热处理技术使材料得不到充分的利用，而且存在各种缺陷。比如热渗镀，渗碳对材料选择的范围比较窄，且其制备的涂层耐磨损性能不够；使用高强度合金材料整体制造螺纹元件的成本较为高昂，且国内尚无法生产出性能优良的适用于玻纤或碳纤改性塑料生产的螺纹元件。
超音速火焰喷涂(HVOF)是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或氢气与高压氧气在燃烧室内，或在特殊的喷嘴中燃烧产生的高温、高速燃烧焰流。超音速火焰喷涂热输入适中，喷射速度高，涂层不易晶化且结构致密，是制备螺纹元件表面涂层的优选技术。目前，国内仍未见超音速喷涂钨镍基复合涂层在改性塑料生产领域应用的报道，为此本发明提出了一种用于改性塑料生产的新型双螺杆挤出机螺纹元件及其制备方法。
发明内容
本发明的目的，就是为了解决上述问题而提供了一种用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法，在满足螺纹元件的结构强度要求的同时提高其表面硬度、耐磨性和耐蚀性，进而提高用于改性塑料特别是玻纤和碳纤改性塑料的双螺杆挤出机的生产效率。
本发明的目的是这样实现的：
本发明的一种用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法，包括：
步骤一：准备一螺纹元件基体，该螺纹元件基体采用高速钢，先对螺纹元件基体进行回火热处理，随后对螺纹元件基体的两端面之间的90°棱角进行倒圆处理，倒圆半径为0.1-0.2mm；
步骤二：将步骤一中的倒圆处理后的螺纹元件基体的表面喷砂粗化，然后采用超音速火焰喷涂法，通过喷枪将钨镍基合金粉末直接喷涂到螺纹元件基体表面，得到一层钨镍基复合涂层，随后喷枪在螺纹元件基体表面上方来回重复喷涂，使钨镍基复合涂层层层堆积，每一层钨镍基复合涂层的厚度为50-100μm，堆积后的钨镍基复合涂层的总厚度为0.8-1.0mm；在进行超音速火焰喷涂时，超音速火焰喷涂的焰流速度大于2000m/s，喷射颗粒速度为400-500m/s，喷涂时容器外表面温度小于100℃，氧气流量为200-250L/min，送粉率25-35g/min，喷涂时喷枪距离螺纹元件基体表面200-275mm。
上述的用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法，其中，步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末的粒度范围为100-150μm。
上述的用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法，其中，堆积后的钨镍基合金复合涂层的孔隙率小于5％，涂层维氏硬度大于1000HV，涂层与基体结合力大于30MPa。
上述的用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法，其中，步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末由碳化钨和镍组成，碳化钨和镍的质量百分含量比为40％-50％﹕50％-60％。
本发明具有以下有益效果：
1.螺纹元件的90°棱角进行了倒圆处理，通过该处理步骤可降低表面应力集中系数和微裂纹的产生，从而大大提高了通过超音速火焰喷涂法喷涂的钨镍基复合涂层在螺纹元件基体的表面的附着力，钨镍基复合涂层与基体的结合力大于30MPa，大大提高了基体表面的硬度、耐磨性和耐蚀性，具有较高的服役寿命；
2.本发明的钨镍基复合涂层的界面层由细小颗粒的碳化钨相组成，且钨镍基复合涂层与螺纹元件基体呈冶金结合并伴随相互渗透现象，钨镍基复合涂层仅含较少的氧化物杂质和气孔，在受到循环应力的作用时，可有效抵抗局部疲劳断裂和扩展。且钨镍基复合涂层内部致密，缺陷和残余应力较少，韧性较好。
具体实施方式
下面将结合实施例1和对比例1-6对本发明作进一步说明。
实施例1
按以下步骤进行制备用于双螺杆挤出机的螺纹元件：
步骤一：准备一螺纹元件基体，该螺纹元件基体采用高速钢，先对螺纹元件基体进行回火热处理，随后对螺纹元件基体的两端面之间的90°棱角进行倒圆处理，倒圆半径为0.1-0.2mm；
步骤二：将步骤一中的倒圆处理后的螺纹元件基体的表面喷砂粗化，然后采用超音速火焰喷涂法，通过喷枪将钨镍基合金粉末直接喷涂到螺纹元件基体表面，得到一层钨镍基复合涂层，随后喷枪在螺纹元件基体表面上方来回重复喷涂，使钨镍基复合涂层层层堆积，每一层钨镍基复合涂层的厚度为50-100μm，堆积后的钨镍基复合涂层的总厚度为0.8-1.0mm；在进行超音速火焰喷涂时，超音速火焰喷涂的焰流速度大于2000m/s，喷射颗粒速度为400-500m/s，喷涂时容器外表面温度小于100℃，氧气流量为200-250L/min，送粉率25-35g/min，喷涂时喷枪距离螺纹元件基体表面200-275mm。
步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末的粒度范围为100-150μm。
步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末由碳化钨和镍组成，碳化钨和镍的质量百分含量比为40％-50％﹕50％-60％。
堆积后的钨镍基合金复合涂层的孔隙率为4％，涂层维氏硬度为1086HV，涂层与基体结合力为36MPa。
螺纹元件基体材质为牌号为W6Mo5Cr4V2的高速钢。
使用实施例1中得到的螺纹元件的双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力为160吨。
对比例1：
按以下步骤进行制备用于双螺杆挤出机的螺纹元件
步骤一：准备一螺纹元件基体，该螺纹元件基体采用高速钢，先对螺纹元件基体进行回火热处理，得到螺纹元件；
螺纹元件基体材质为牌号为W6Mo5Cr4V2的高速钢。
使用对比例1中得到的螺纹元件的双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力为78吨。
对比例2：
按以下步骤进行制备用于双螺杆挤出机的螺纹元件：
步骤一：准备一螺纹元件基体，该螺纹元件基体采用高速钢，先对螺纹元件基体进行回火热处理；
步骤二：将步骤一中的回火热处理后的螺纹元件基体的表面喷砂粗化，然后采用超音速火焰喷涂法，通过喷枪将钨镍基合金粉末直接喷涂到螺纹元件基体表面，得到一层钨镍基复合涂层，随后喷枪在螺纹元件基体表面上方来回重复喷涂，使钨镍基复合涂层层层堆积，每一层钨镍基复合涂层的厚度为50-100μm，堆积后的钨镍基复合涂层的总厚度为0.8-1.0mm；在进行超音速火焰喷涂时，超音速火焰喷涂的焰流速度大于2000m/s，喷射颗粒速度为400-500m/s，喷涂时容器外表面温度小于100℃，氧气流量为200-250L/min，送粉率25-35g/min，喷涂时喷枪距离螺纹元件基体表面200-275mm。
步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末的粒度范围为100-150μm。
步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末由碳化钨和镍组成，碳化钨和镍的质量百分含量比为40％-50％﹕50％-60％。
堆积后的钨镍基合金复合涂层的孔隙率为4.5％，涂层维氏硬度为1030HV，涂层与基体结合力为32MPa。
螺纹元件基体材质为牌号为W6Mo5Cr4V2的高速钢。
使用对比例2中得到的螺纹元件的双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力为121吨。
对比例3：
按以下步骤进行制备用于双螺杆挤出机的螺纹元件：
步骤一：准备一螺纹元件基体，该螺纹元件基体采用高速钢，先对螺纹元件基体进行回火热处理，随后对螺纹元件基体的两端面之间的90°棱角进行倒圆处理，倒圆半径为0.1-0.2mm；
步骤二：将步骤一中的倒圆处理后的螺纹元件基体的表面喷砂粗化。
螺纹元件基体材质为牌号为W6Mo5Cr4V2的高速钢。
使用对比例3中得到的螺纹元件的双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力为73吨。
对比例4
按以下步骤进行制备用于双螺杆挤出机的螺纹元件：
步骤一：准备一螺纹元件基体，该螺纹元件基体采用高速钢，先对螺纹元件基体进行回火热处理，随后对螺纹元件基体的两端面之间的90°棱角进行倒圆处理，倒圆半径为0.3mm；
步骤二：将步骤一中的倒圆处理后的螺纹元件基体的表面喷砂粗化，然后采用超音速火焰喷涂法，通过喷枪将钨镍基合金粉末直接喷涂到螺纹元件基体表面，得到一层钨镍基复合涂层，随后喷枪在螺纹元件基体表面上方来回重复喷涂，使钨镍基复合涂层层层堆积，每一层钨镍基复合涂层的厚度为50-100μm，堆积后的钨镍基复合涂层的总厚度为0.8-1.0mm；在进行超音速火焰喷涂时，超音速火焰喷涂的焰流速度大于2000m/s，喷射颗粒速度为400-500m/s，喷涂时容器外表面温度小于100℃，氧气流量为200-250L/min，送粉率25-35g/min，喷涂时喷枪距离螺纹元件基体表面200-275mm。
步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末的粒度范围为100-150μm。
步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末由碳化钨和镍组成，碳化钨和镍的质量百分含量比为40％-50％﹕50％-60％。
堆积后的钨镍基合金复合涂层的孔隙率为4.7％，涂层维氏硬度为1053HV，涂层与基体结合力为33MPa。
螺纹元件基体材质为牌号为W6Mo5Cr4V2的高速钢。
使用对比例4中得到的螺纹元件的双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力为137吨。
对比例5：
按以下步骤进行制备用于双螺杆挤出机的螺纹元件：
步骤一：准备一螺纹元件基体，该螺纹元件基体采用高速钢，先对螺纹元件基体进行回火热处理，随后对螺纹元件基体的两端面之间的90°棱角进行倒圆处理，倒圆半径为0.1-0.2mm；
步骤二：将步骤一中的倒圆处理后的螺纹元件基体的表面喷砂粗化，然后采用超音速火焰喷涂法，通过喷枪将钨镍基合金粉末直接喷涂到螺纹元件基体表面，得到一层钨镍基复合涂层，随后喷枪在螺纹元件基体表面上方来回重复喷涂，使钨镍基复合涂层层层堆积，每一层钨镍基复合涂层的厚度为50-100μm，堆积后的钨镍基复合涂层的总厚度为0.8-1.0mm；在进行超音速火焰喷涂时，超音速火焰喷涂的焰流速度大于2000m/s，喷射颗粒速度为400-500m/s，喷涂时容器外表面温度小于100℃，氧气流量为200-250L/min，送粉率20g/min，喷涂时喷枪距离螺纹元件基体表面150mm。
步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末的粒度范围为100-150μm。
步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末由碳化钨和镍组成，碳化钨和镍的质量百分含量比为40％-50％﹕50％-60％。
堆积后的钨镍基合金复合涂层的孔隙率为6.8％，涂层维氏硬度为925HV，涂层与基体结合力为30MPa。
螺纹元件基体材质为牌号为W6Mo5Cr4V2的高速钢。
使用对比例5中得到的螺纹元件的双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力为119吨。
对比例6：
按以下步骤进行制备用于双螺杆挤出机的螺纹元件：
步骤一：准备一螺纹元件基体，该螺纹元件基体采用高速钢，先对螺纹元件基体进行回火热处理，随后对螺纹元件基体的两端面之间的90°棱角进行倒圆处理，倒圆半径为0.1-0.2mm；
步骤二：将步骤一中的倒圆处理后的螺纹元件基体的表面喷砂粗化，然后采用超音速火焰喷涂法，通过喷枪将钨镍基合金粉末直接喷涂到螺纹元件基体表面，得到一层钨镍基复合涂层，随后喷枪在螺纹元件基体表面上方来回重复喷涂，使钨镍基复合涂层层层堆积，每一层钨镍基复合涂层的厚度为50-100μm，堆积后的钨镍基复合涂层的总厚度为0.8-1.0mm；在进行超音速火焰喷涂时，超音速火焰喷涂的焰流速度大于2000m/s，喷射颗粒速度为400-500m/s，喷涂时容器外表面温度小于100℃，氧气流量为200-250L/min，送粉率25-35g/min，喷涂时喷枪距离螺纹元件基体表面200-275mm。
步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末的粒度大于150μm。
步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末由碳化钨和镍组成，碳化钨和镍的质量百分含量比为40％-50％﹕50％-60％。
堆积后的钨镍基合金复合涂层的孔隙率为5.9％，涂层维氏硬度为994HV，涂层与基体结合力为31MPa。
螺纹元件基体材质为牌号为W6Mo5Cr4V2的高速钢。
使用对比例6中得到的螺纹元件的双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力为116吨。
通过实施例1及对比例1-6可以看出，运用本发明进行表面处理得到的螺纹元件，由于表面锐利的棱角经过了倒圆处理，并限制了倒圆半径，大大提升了钨镍基复合涂层的结合强度和螺纹元件使用寿命；分别单独比较实施例1与对比例1-6可以发现，使用超音速火焰喷涂法喷涂钨镍基复合涂层、进行倒圆处理、对倒圆半径进行限定、对送粉率和喷涂距离的限定以及对钨镍基合金粉末粒度的限定，都极大提升了双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力；同时结合比较实施例1、对比例1、对比例2和对比例3，可以发现单独使用倒圆处理对于双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力提升不够明显，但是单独使用超音速火焰喷涂法喷涂钨镍基复合涂层，对双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力有一定提升，在使用超音速火焰喷涂法的基础上使用倒圆处理，此时倒圆处理才能发挥更大的作用，极大提升双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力；结合比较实施例1、对比例4、对比例5和对比例6，说明本发明技术方案中对于倒圆半径、送粉率、喷涂距离以及钨镍基合金粉末粒度范围的限定对于提升双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力起着重要作用，对比例4-6分别由于倒圆半径的改变、送粉率和喷涂距离的改变以及钨镍基合金粉末粒度的改变，导致双螺杆挤出机加纤PC改性塑料的极限生产能力相较实施例1而言有着明显的下降。
本发明采用超音速火焰喷涂法，并对参数进行设置，使得钨镍基合金粉末撞击螺纹元件基体表面的速度得到极大提升，进一步确保了致密度、结合强度，钨镍基复合涂层的孔隙率小于5％，维氏硬度大于1000HV，钨镍基复合涂层与螺纹元件基体的结合力大于30MPa；并且在采用超音速火焰喷涂法的基础上运用倒圆处理工艺，使本发明的螺纹元件的在玻纤和碳纤改性PC塑料双螺杆挤出机中的生产能力为普通螺纹元件的2倍以上。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。
Claims (4)
1.一种用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
步骤一：准备一螺纹元件基体，该螺纹元件基体采用高速钢，先对所述螺纹元件基体进行回火热处理，随后对所述螺纹元件基体的两端面之间的90°棱角进行倒圆处理，倒圆半径为0.1-0.2mm；
步骤二：将所述步骤一中的倒圆处理后的螺纹元件基体的表面喷砂粗化，然后采用超音速火焰喷涂法，通过喷枪将钨镍基合金粉末直接喷涂到螺纹元件基体表面，得到一层钨镍基复合涂层，随后喷枪在螺纹元件基体表面上方来回重复喷涂，使钨镍基复合涂层层层堆积，每一层钨镍基复合涂层的厚度为50-100μm，堆积后的钨镍基复合涂层的总厚度为0.8-1.0mm；在进行超音速火焰喷涂时，超音速火焰喷涂的焰流速度大于2000m/s，喷射颗粒速度为400-500m/s，喷涂时容器外表面温度小于100℃，氧气流量为200-250L/min，送粉率25-35g/min，喷涂时喷枪距离螺纹元件基体表面200-275mm。
2.如权利要求1所述的用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法，其特征在于，所述步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末的粒度范围为100-150μm。
3.如权利要求1所述的用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法，其特征在于，堆积后的钨镍基合金复合涂层的孔隙率小于5％，涂层维氏硬度大于1000HV，涂层与基体结合力大于30MPa。
4.如权利要求1所述的用于双螺杆挤出机的螺纹元件的制备方法，其特征在于，所述步骤二中喷涂到螺纹元件基体表面的钨镍基合金粉末由碳化钨和镍组成，碳化钨和镍的质量百分含量比为40％-50％﹕50％-60％。
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