CN108908899B - 一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆及其加工方法 - Google Patents

Abstract

随着挤出物料中填料的增多，挤出机螺杆的磨损和腐蚀日益严重，严重制约有机物挤出行业的发展。本发明提供了一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆，所述芯杆为实心铁基金属直杆，所述芯杆的横截面为正方形，所述芯杆的四个外侧表面上均等距离分布有矩形凸台，所述芯杆的末端有轴向位移调节环块，所述螺杆元件的材质为氮化硅复合陶瓷，所述螺杆元件的底面为平面，所述底面上分布有可与所述芯杆外侧表面的所述凸台相配合的矩形内孔，所述底面为矩形，且四个所述螺杆元件组合后其所述底面刚好覆盖所述芯杆外侧表面的周长方向。本发明的耐磨螺杆可以有效解决挤出机螺杆的磨损和腐蚀问题，而且由于螺杆元件的可更换特点，可以显著提高螺杆的适用性和服役寿命。

Description

一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆及其加工方法

技术领域

本发明涉及挤出机设备，更具体涉及一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆及其加工方法。

背景技术

随着聚合物等有机产品和相关产业的日益丰富和快速发展，现有的组合螺杆已经难以很好地满足各种不同聚合物物料和加工要求，而采用一种组合螺杆对应一种特定聚合物物料或加工要求的方法，不仅成本高，而且难以很好应对生产过程的复杂性和多变性。因此，如何设计和开发一种具有全新结构的组合螺杆，使其兼顾强度、结构可调、加工成本低，特别是要有很强的适应性，这将是关系到挤出机能否不断满足聚合物物料加工质量和效率的关键所在。

磨损问题随着被挤出物料中硬质填料的增多而日渐被关注和重视，同时由于物料大多为有机材料，在挤出过程中的高温作用下会产生具有腐蚀性的物质，比如聚乙烯分解会产生氯化氢气体，从而对螺杆形成腐蚀，因此磨损和腐蚀是导致螺杆失效的两个主要问题，而传统的铁基合金基材螺杆进行表面渗氮处理很难满足日渐苛刻的加工要求。

因此针对不同加工需求，获得可便捷更换结构，且具有优异耐磨和耐蚀性能的螺杆对有机物料的挤出具有重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种具有优异耐磨耐蚀性能的挤出机螺杆，并且可以实现螺杆元件的更换，从而使螺杆具有更长的服役寿命。

按照本发明提供的一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆，其采用的主要技术方案为：包括芯杆和可拆卸的螺杆元件，所述芯杆为实心铁基金属直杆，所述芯杆的横截面为正方形，所述芯杆的四个外侧表面上均等距离分布有矩形凸台，所述芯杆的末端有轴向位移调节环块，所述螺杆元件的材质为氮化硅复合陶瓷，所述螺杆元件的底面为平面，所述底面上分布有可与所述芯杆外侧表面的所述凸台相配合的矩形内孔，所述底面为矩形，且四个所述螺杆元件组合后其所述底面刚好覆盖所述芯杆外侧表面的周长方向。所述螺杆元件底面采用矩形内孔设计，可以解决陶瓷材料圆形表面成型难度大的问题。

所述螺杆元件的底面和侧面均采用粘结剂和纯铝薄片进行包覆处理，所述螺杆元件的底面矩形内孔同样采用粘结剂和纯铝薄片进行包覆处理，所述纯铝薄片的厚度为0.1到0.2毫米。该设计可以实现对陶瓷螺杆元件表面保护，避免出现脆裂等问题，而且可以使陶瓷螺杆元件与芯杆之间的连接部分产生过渡，实现挤出过程中芯杆和螺杆元件结合部分之间变形等的匹配和协调。

所述螺杆元件中的氮化硅复合陶瓷为多层梯度分布，所述螺杆元件的上表面1-5毫米深度为氮化硅和氮化钛的硬质复合层，其中氮化钛含量为质量百分比5%-20%，所述螺杆元件的下表面5-10毫米深度为氮化硅、氮化钛和金属钛的韧性复合层，其中氮化钛含量为质量百分比5%-20%，金属钛含量为质量百分比10%-20%，余量为氮化硅，介于所述硬质复合层和所述韧性复合层之间的为过渡层，所属过渡层由氮化硅、氮化钛和金属钛组成，其中氮化钛含量为质量百分比5%-20%，金属钛含量为质量百分比5%-10%，余量为氮化硅。

所述螺杆元件采用预压制、烧结和渗氮处理的工艺制备而成。

所述螺杆元件的原始粉末由硅粉、氮化硅粉、钛粉和氮化钛粉组成，所述原始粉末的粒度为5到20微米。

所述螺杆元件的上表面可加工为外螺纹模块化元件、主副螺纹分离型元件、沟槽屏障型元件和销钉分流型元件。根据不同类型元件的结构组合可以使螺杆实现好的挤出效果，很好地满足各种不同聚合物物料和加工要求。

一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆的加工工艺，主要包括以下步骤：

（1）采用机加工的方法制备本发明所述螺杆的正方形横截面芯杆；

（2）按照本发明所述螺杆元件的多层梯度分布要求进行所述原始粉末的配比和混合，在一定温度和压力条件下使用与本发明中的螺杆元件外形一致的模具将原始粉末预先压制成特定形状的胚料，然后再进行加热氮化和烧结处理，使全部硅粉转为氮化硅，部分钛粉转化为氮化钛，具体工艺如下：粉末胚料的压制压力20-70 MPa，充满高纯氮气条件下，以1-5℃/min的速度将温度缓慢增加到1300-1400℃并保温1-4小时，在保温期间不同位置的螺杆元件表面暴露在氮气气氛中的时间各不相同，螺杆元件上表面及侧面1-5毫米深度的外表面始终暴露在氮气气氛中，中间部分的外表面暴露在氮气气氛中的时间为整个保温时间的70-80%，下表面及其侧面距离下表面5-10毫米深度暴露在氮气气氛中的时间为整个保温时间的50-60%，通过不同表面在氮气中暴露的时间长短不同来控制原始粉末中硅粉和钛粉的化学反应比例，从而获得相应的多层梯度分布氮化硅复合陶瓷螺杆元件；

（3）将以上步骤获得的螺杆元件进行表面研磨处理，获得表面粗糙度不超过0.8微米；

（4）采用粘结剂和纯铝薄片对以上步骤获得的螺杆元件的底面、侧面和底面内孔进行包覆处理，从而对芯杆和螺杆元件，以及螺杆元件与螺杆元件之间接触面的保护，防止出现陶瓷材料螺杆元件的脆断等问题，并协调这些不同部件之间的变形；

（5）将螺杆元件与螺杆进行匹配安装，并采用芯杆端部的轴向位移调节环块进行轴向位移调节，通过产生一定的预紧力确保螺纹元件相互紧密贴合，牢固的安装在芯杆表面上；

（6）获得本发明可随时更换螺杆元件的挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆。

按照本发明提供的挤出机的耐磨螺杆及其加工工艺，具有如下优点：

1、本发明中的挤出机螺杆采用金属芯杆和氮化硅复合陶瓷材质的可拆卸的螺杆元件相结合的新结构，实现了螺杆综合强度和耐磨耐蚀性能的优势结合。结构上，充分利用了金属芯杆的优异承载性能、疲劳性能、韧性，以及优异的机械加工性能，金属芯杆的横截面采用方形设计，可以确保陶瓷螺杆元件的易加工性和与金属芯杆之间的紧密配合，螺杆元件采用可拆卸的块状陶瓷结构，充分利用了陶瓷材料的烧结和化学反应来获得优异的成型和耐磨耐蚀性能。所述螺杆元件的上表面可加工为外螺纹模块化元件、主副螺纹分离型元件、沟槽屏障型元件和销钉分流型元件，根据不同类型元件的结构组合可以使螺杆实现好的挤出效果，实现采用同一根螺杆就可以对应多种聚合物物料或不同的加工要求，显著提高了挤出机的加工效率和加工能力。

2、本发明中的螺杆元件均采用了氮化硅复合陶瓷，从螺杆元件的底面到顶面之间进行了成分的多层梯度分布，从而兼顾了其韧性和耐磨性能。所述螺杆元件的上表面1-5毫米深度为氮化硅和氮化钛的硬质复合层，其中氮化钛含量为质量百分比5%-20%，所述螺杆元件的下表面5-10毫米深度为氮化硅、氮化钛和金属钛的韧性复合层，其中氮化钛含量为质量百分比5%-20%，金属钛含量为质量百分比10%-20%，余量为氮化硅，介于所述硬质复合层和所述韧性复合层之间的为过渡层，所属过渡层由氮化硅、氮化钛和金属钛组成，其中氮化钛含量为质量百分比5%-20%，金属钛含量为质量百分比5%-10%，余量为氮化硅。氮化硅复合陶瓷螺杆元件的制备采用了硅粉、氮化硅粉、钛粉和氮化钛粉进行复合，其中氮化硅和氮化钛的存在可以促进氮化的进行，并使氮化形成的氮化硅、氮化钛和原始粉末中的氮化硅和氮化钛等各相之间的结合更加的致密，而氮化处理过程中不同表面在氮气气氛中保持接触的时间也确保了不同金属钛的含量，在表层的硬质复合层中无金属钛的设计可以显著提高螺杆元件的耐磨性能，使其很好地承担与物料和填料之间的磨损；在底面的韧性复合层中不仅存在金属钛，而且其含量最高，通过提高Ti的含量来改善其韧性，并结合纯铝薄片包覆层的设计，进一步改善其与所述芯杆之间的变形等物理特性匹配；而在过渡层中降低了金属钛的含量，可以实现耐磨性能和韧性从表面到底面之间的逐渐过渡，使所述螺杆元件具备良好的综合性能。

3. 本发明中的了氮化硅复合陶瓷可以实现便捷的更换，显著延长螺杆的更换周期和服役寿命。由于采用可更换的设计，即使出现个别螺杆元件破坏的情况，只需要将相应螺杆元件进行快速更换即可，有利于本发明螺杆的推广应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构截面示意图。

图2是本发明的芯杆主体结构的示意图。

图3是本发明的螺杆元件的结构示意图。

具体实施方式

参见图1-图3，按照本发明提供的一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆，其采用的主要技术方案为：包括芯杆1和可拆卸的螺杆元件2，所述芯杆1为实心铁基金属直杆，所述芯杆1的横截面为正方形，所述芯杆1的四个外侧表面上均等距离分布有矩形凸台11，所述芯杆1的末端有轴向位移调节环块，所述螺杆元件2的材质为氮化硅复合陶瓷，所述螺杆元件2的底面为平面，所述底面上分布有可与所述芯杆1外侧表面的所述凸台11相配合的矩形内孔24，所述底面为矩形，且四个所述螺杆元件2组合后其所述底面刚好覆盖所述芯杆1外侧表面的周长方向。

所述螺杆元件2的底面和侧面均采用粘结剂和纯铝薄片3进行包覆处理，所述螺杆元件2的底面矩形内孔24同样采用粘结剂和纯铝薄片3进行包覆处理，所述纯铝薄片3的厚度为0.1到0.2毫米。

所述螺杆元件2中的氮化硅复合陶瓷为多层梯度分布，所述螺杆元件的上表面1-5毫米深度为氮化硅和氮化钛的硬质复合层22，其中氮化钛含量为质量百分比5%-20%，所述螺杆元件的下表面5-10毫米深度为氮化硅、氮化钛和金属钛的韧性复合层21，其中氮化钛含量为质量百分比5%-20%，金属钛含量为质量百分比10%-20%，余量为氮化硅，介于所述硬质复合层和所述韧性复合层之间的为过渡层23，所属过渡层23由氮化硅、氮化钛和金属钛组成，其中氮化钛含量为质量百分比5%-20%，金属钛含量为质量百分比5%-10%，余量为氮化硅。

所述螺杆元件2采用预压制、烧结和渗氮处理的工艺制备而成。

所述螺杆元件2的原始粉末由硅粉、氮化硅粉、钛粉和氮化钛粉组成，所述原始粉末的粒度为5到20微米。所述合金粉末可根据不同铺放位置预先进行相应成分原始粉末的机械混合和球磨搅拌，然后按要求分层铺放在所述螺杆元件的预压腔室或模具内。

所述螺杆元件2的上表面可加工为外螺纹模块化元件、主副螺纹分离型元件、沟槽屏障型元件和销钉分流型元件。由于所述螺杆元件2的整体结构不发生改变，只需要对其上表面按照相应类型元件进行加工即可获得具有相应类型元件的可拆卸可组合式的螺杆元件，而且这几种不同类型元件可以在所述芯杆1的轴向和周向实现任意组合，从而获得不同的剪切、挤压和输送效果。

一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆的加工工艺，主要包括以下步骤：

（1）采用机加工的方法制备本发明所述螺杆的正方形横截面芯杆；

（2）按照本发明所述螺杆元件的多层梯度分布要求进行所述原始粉末的配比和混合，在一定温度和压力条件下使用与本发明中的螺杆元件外形一致的模具将原始粉末预先压制成特定形状的胚料，然后再进行加热氮化和烧结处理，使全部硅粉转为氮化硅，部分钛粉转化为氮化钛，具体工艺如下：粉末胚料的压制压力20-70 MPa，充满高纯氮气条件下，以1-5℃/min的速度将温度缓慢增加到1300-1400℃并保温1-4小时，在保温期间不同位置的螺杆元件表面暴露在氮气气氛中的时间各不相同，螺杆元件上表面始终暴露在氮气气氛中，中间部分的外表面暴露在氮气气氛中的时间为整个保温时间的70-80%，下表面暴露在氮气气氛中的时间为整个保温时间的50-60%，通过控制氮化反应的时间和程度，从而获得相应的多层梯度分布氮化硅复合陶瓷螺杆元件；

（3）将以上步骤获得的螺杆元件进行表面研磨处理，获得表面粗糙度不超过0.8微米；

（4）采用粘结剂和纯铝薄片对以上步骤获得的螺杆元件的底面、侧面和底面内孔进行包覆处理；

（5）将螺杆元件与螺杆进行匹配安装，并采用芯杆端部的轴向位移调节环块进行轴向位移调节，通过产生一定的预紧力确保螺纹元件相互紧密贴合，牢固的安装在芯杆表面上；

（6）获得本发明可随时更换螺杆元件的挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆，包括芯杆和可拆卸的螺杆元件，其特征在于，所述芯杆为实心铁基金属直杆，所述芯杆的横截面为正方形，所述芯杆的四个外侧表面上均等距离分布有矩形凸台，所述芯杆的末端有轴向位移调节环块，所述螺杆元件的材质为氮化硅复合陶瓷，所述螺杆元件的底面为平面，所述底面上分布有可与所述芯杆外侧表面的所述凸台相配合的矩形内孔，且四个所述螺杆元件组合后其所述底面刚好覆盖所述芯杆外侧表面的周长方向；

所述螺杆元件的底面和侧面均采用粘结剂和纯铝薄片进行包覆处理，所述螺杆元件的底面矩形内孔同样采用粘结剂和纯铝薄片进行包覆处理，所述纯铝薄片的厚度为0.1到0.2毫米；

所述螺杆元件中的氮化硅复合陶瓷为多层梯度分布，所述螺杆元件的上表面1-5毫米深度为氮化硅和氮化钛的硬质复合层，其中氮化钛含量为质量百分比5％-20％；所述螺杆元件的下表面5-10毫米深度为氮化硅、氮化钛和金属钛的韧性复合层，其中氮化钛含量为质量百分比5％-20％，金属钛含量为质量百分比10％-20％，余量为氮化硅；介于所述硬质复合层和所述韧性复合层之间的为过渡层，所属过渡层由氮化硅、氮化钛和金属钛组成，其中氮化钛含量为质量百分比5％-20％，金属钛含量为质量百分比5％-10％，余量为氮化硅。

2.如权利要求1所述的一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆，其特征在于，所述螺杆元件采用预压制、烧结和渗氮处理的工艺制备而成。

3.如权利要求1所述的一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆，其特征在于，所述螺杆元件的原始粉末由硅粉、氮化硅粉、钛粉和氮化钛粉组成，所述原始粉末的粒度为5到20微米。

4.如权利要求1所述的一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆，其特征在于，所述螺杆元件的上表面可加工为外螺纹模块化元件、主副螺纹分离型元件、沟槽屏障型元件和销钉分流型元件。

5.一种上述权利要求1-4任意一项所述的一种挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆的加工工艺，主要包括以下步骤：

(1)采用机加工的方法制备所述螺杆的正方形横截面芯杆；

(2)按照所述螺杆元件的多层梯度分布要求进行原始粉末的配比和混合，在一定温度和压力条件下使用与螺杆元件外形一致的模具将原始粉末预先压制成特定形状的胚料，然后再进行加热氮化和烧结处理，使全部硅粉转为氮化硅，部分钛粉转化为氮化钛，具体工艺如下：粉末胚料的压制压力20-70MPa，充满高纯氮气条件下，以1-5℃/min的速度将温度缓慢增加到1300-1400℃并保温1-4小时，在保温期间不同位置的螺杆元件表面暴露在氮气气氛中的时间各不相同，螺杆元件上表面及侧面1-5毫米深度的外表面始终暴露在氮气气氛中，中间部分的外表面暴露在氮气气氛中的时间为整个保温时间的70-80％，下表面及其侧面距离下表面5-10毫米深度暴露在氮气气氛中的时间为整个保温时间的50-60％，从而获得相应的多层梯度分布氮化硅复合陶瓷螺杆元件；

(3)将以上步骤获得的螺杆元件进行表面研磨处理，获得表面粗糙度不超过0.8微米；

(4)采用粘结剂和纯铝薄片对以上步骤获得的螺杆元件的底面、侧面和底面内孔进行包覆处理；

(5)将螺杆元件与螺杆进行匹配安装，并采用芯杆端部的轴向位移调节环块进行轴向位移调节，通过产生一定的预紧力确保螺纹元件相互紧密贴合，牢固的安装在芯杆表面上；

(6)获得可随时更换螺杆元件的挤出机的耐磨防腐陶瓷螺杆。

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