CN109093975B - 一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆及其加工工艺 - Google Patents

一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆及其加工工艺 Download PDF

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Abstract

随着挤出物料中填料的增多，双螺杆挤出机螺杆的磨损日益严重，其中捏合块作为物料剪切和挤压的主要元件，磨损问题的解决非常的迫切。本发明提供了一种双螺杆挤出机耐磨螺杆，所述螺杆的捏合块包括钢质基体、氮化硅陶瓷棒和合金涂层，所述钢质基体平行于所述螺杆轴线方向的外表面均布有凹坑，所述氮化硅陶瓷棒在长度方向上的一半处于所述凹坑中，所述氮化硅陶瓷棒在长度方向上的的另一半露在所述钢质基体表面之外，所述合金涂层将所述钢质基体表面全部覆盖，所述氮化硅陶瓷棒顶端露在所述合金涂层以外。本发明的耐磨螺杆可以有效解决双螺杆挤出机螺杆的磨损问题。

Description

一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆及其加工工艺
技术领域
本发明涉及双螺杆挤出机设备，更具体涉及一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆及其加工工艺。
背景技术
螺杆是双螺杆挤出机中的重要部件，而磨损是其失效的主要原因之一。在物料挤出过程中，物料会与螺杆表面发生摩擦磨损导致螺杆和机筒之间的间隙增大，增大被挤物料前进时的漏流量，影响双螺杆挤出机的正常工作，甚至由于螺杆元件表面严重磨损导致螺杆无法使用。
目前常用的螺杆合金材料包括45钢、40Cr钢、38CrMoAlA等，并采用渗氮处理来提高其耐磨性，但为了改善物料的挤出性能，往往需要添加很多填充料，如碳酸钙、玻璃纤维和滑石粉，由于其高硬度会导致螺杆出现快速磨损，有的螺杆6个月左右就发生失效，而更换螺杆的成本很高，采用含有Cr、W、Co、B等元素的硬质合金涂层进行喷涂和堆焊修复处理可以使螺杆重新用来挤出加工。但现场经验表明修复后的螺杆使用寿命有待进一步提高，一旦其它部位出现新的磨损则螺杆就会需要再次更换，并影响生产的正常进行。而捏合块作为螺杆上直接接触、剪切和挤压有机物物料及硬质填料的主要螺杆元件，其磨损性能的优劣直接关系着整个螺杆的服役寿命。因此如何有效解决双螺杆挤出机中螺杆的磨损问题非常的紧迫。
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性能的捏合块的双螺杆挤出机螺杆，以满足苛刻条件下含有填料的有机物物料的挤出加工。
按照本发明提供的一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆，其采用的主要技术方案为：所述螺杆的捏合块包括钢质基体、氮化硅陶瓷棒和合金涂层，所述钢质基体上平行于所述螺杆轴线方向的外表面均布有凹坑，所述氮化硅陶瓷棒在长度方向上的一半处于所述凹坑中，所述氮化硅陶瓷棒在长度方向上的另一半露在所述基体表面之外，所述合金涂层将所述基体表面全部覆盖，所述氮化硅陶瓷棒顶端露在所述合金涂层以外。通过在钢质基体表面引入硬度极高的氮化硅陶瓷组分可以显著提高捏合块的耐磨性能，特别是氮化硅陶瓷棒以分散均布分方式覆盖整个捏合块外表面，承担了捏合块与物料之间的主要磨损，对捏合块整体形成有效保护。
所述基体表面的所述凹坑的横截面为圆形，其深度范围为0.3到0.5厘米，所述圆形凹坑直径为0.1到0.5厘米，凹坑的直径和深度兼顾了氮化硅陶瓷棒的稳定固定、耐磨性能的充分体现和分散均布的设计，所述基体表面的粗糙度不低于1微米，较高的表面粗糙度可以为后期合金涂层粉末的喷涂提供高的结合力。
所述氮化硅陶瓷棒为细直圆棒，长度范围为0.5到2厘米，直径比所述圆形凹坑直径小0.05到0.1毫米，所述氮化硅陶瓷棒的上下表面均垂直于其轴线，该设计可以使氮化硅陶瓷棒与基体凹坑之间形成匹配且易于安装，并未后续小粒度NiCrBSi自熔合金粉末的填充提供了可能。
所述合金涂层为自熔合金，所述合金涂层的表面粗糙度不高于0.2微米。
所述合金涂层为NiCrBSi自熔合金粉末采用喷涂和重熔的两步法制备而成，所述NiCrBSi自熔合金粉末的粒度为40到100微米，所述NiCrBSi自熔合金涂层的硬度范围为40-50 HRC，所述NiCrBSi自熔合金粉末中Ni的质量百分含量不低于80%。通过对NiCrBSi自熔合金粉末Ni含量的确定，并后期获得的合金涂层的硬度范围限定在40-50 HRC，而不是60 HRC甚至更高的硬度，主要基于NiCrBSi合金涂层的目的是固定氮化硅陶瓷棒，而不是作为硬质耐磨组分，并且在兼顾了与传统钢质基体渗氮后相当的硬度后，使得本发明螺杆的后续加工难度显著降低。
所述氮化硅陶瓷棒的外表面与所述基体的所述凹坑内表面之间的间隙填充有所述NiCrBSi自熔合金粉末，用于填充的所述NiCrBSi自熔合金粉末的粒度范围为5到10微米，通过细小粒度合金粉末的限定，使得氮化硅陶瓷棒的外表面与所述基体的所述凹坑内表面之间的间隙得到充分填充。
所述氮化硅陶瓷棒的外表面粗糙度不超过0.2微米，且所述氮化硅陶瓷棒的上表面和外表面之间的边缘进行光滑圆弧倒角处理。
本发明技术方案中一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆的加工工艺，主要包括以下步骤：
（1）采用机加工的方法制备本发明所述的螺杆的捏合块钢质基体；
（2）采用烧结工艺制备高硬度所述氮化硅陶瓷棒，并对其外表面和上表面与外表面之间的边缘进行抛光处理；
（3）将所述氮化硅陶瓷棒外表面粘附适量粒度范围为5到10微米的所述NiCrBSi自熔合金粉末；
（4）采用预埋的工艺，在所述合金涂层制备前先将上一步获得的所述氮化硅陶瓷棒安装在相应旋转卡具上，在施加一定压力的同时缓慢将其旋转放置于所述捏合块的所述基体的所述凹坑中，直至与所述凹坑底部接触；
（5）待所有所述氮化硅陶瓷棒均放置完毕后，采用热喷涂的方法在捏合块基体表面进行所述NiCrBSi自熔合金粉末喷涂处理，直至全部覆盖所述氮化硅陶瓷棒顶部，其厚度覆盖所述氮化硅陶瓷棒顶部0.1到0.5毫米，然后采用感应加热的方法进行粒度范围为40到100微米的所述NiCrBSi自熔合金粉末的重熔处理，获得光亮镜面后冷却获得所述合金涂层，在这个过程中，填充所述基体凹坑与所述氮化硅陶瓷棒之间间隙的粒度为5到10微米的所述NiCrBSi自熔合金粉末也得到充分熔化，并将凹坑内壁与氮化硅陶瓷棒外表面之间牢固结合；
（6）采用机加工的方法对所述合金涂层进行表面加工，使其尺寸和粗糙度均满足本发明的要求，并确保所述氮化硅陶瓷棒均露出所述合金涂层表面；
（7）将以上步骤获得的所述捏合块安装在所述螺杆上，获得本发明的一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆。
按照本发明提供的双螺杆挤出机的耐磨螺杆及其加工工艺，具有如下优点：
1、本发明中的双螺杆挤出机螺杆在关键螺杆元件捏合块表面引入了硬度极高的超强耐磨组分氮化硅陶瓷棒，采用分散设计的方法覆盖整个捏合块的外表面，作为主要耐磨相承担与物料和填料之间的磨损，对捏合块基体形成保护，从而显著改善了捏合块的耐磨性能，可以适应各类高硬度物料和填料的磨损。
2、本发明中的氮化硅陶瓷棒与基体之间的连接设计确保了其牢固结合，可以很好地适应双螺杆挤出机长时间的服役。首先在钢质基体上采用了圆形凹坑设计，然后将氮化硅陶瓷圆棒与凹坑进行匹配设计和预埋，确保了氮化硅陶瓷圆棒的定位，接着采用NiCrBSi自熔合金粉末对预埋氮化硅陶瓷圆棒的基体表面进行喷焊处理，使得氮化硅陶瓷棒与基体之间形成冶金结合，特别是在氮化硅陶瓷圆棒和凹坑之间的间隙采用了粒度为5到10微米的细小颗粒NiCrBSi自熔合金粉末的填充，进而最大程度上实现了氮化硅陶瓷棒与基体之间的完全紧密结合和固定。
3. 本发明中的后续加工难度不高，便于推广。在现有的螺杆表面采用含有Cr、W、Co、B等元素的硬质合金涂层进行喷涂和堆焊修复处理中，由于难熔硬质相的存在，后续加工难度很大，而本发明中NiCrBSi自熔合金粉末的主要作用是将氮化硅陶瓷圆棒和钢质基体之间进行牢固结合，并不主要承担耐磨的任务，因此不需要添加W等硬质难熔合金元素，且限定所述NiCrBSi自熔合金粉末中Ni的质量百分含量不低于80%，确保其其硬度范围为40-50 HRC，加工难度与传统的渗氮钢质螺杆相当，较容易获得本发明的耐磨螺杆，也便于进行推广。
附图说明
图1是本发明的双螺杆整体结构示意图。
图2是本发明的单个捏合块的结构示意图。
具体实施方式
参见图1和图2，按照本发明提供的一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆，其采用的主要技术方案为：所述螺杆1的捏合块2包括钢质基体3、氮化硅陶瓷棒4和合金涂层5，所述钢质基体3上平行于所述螺杆1轴线方向的外表面均布有凹坑6，所述氮化硅陶瓷棒4在长度方向上的一半处于所述凹坑6中，所述氮化硅陶瓷棒4在长度方向上的的另一半露在所述基体3表面之外，所述合金涂层5将所述基体3表面全部覆盖，所述氮化硅陶瓷棒4顶端露在所述合金涂层5以外。通过在钢质基体3表面引入硬度极高的氮化硅陶瓷组分可以显著提高捏合块的耐磨性能，特别是氮化硅陶瓷棒以分散均布分方式覆盖整个捏合块外表面，承担了捏合块与物料之间的主要磨损，对捏合块整体形成有效保护，可以显著改善捏合块的耐磨性能，从而使得螺杆适应各类高硬度物料和填料的磨损。
所述基体3表面的所述凹坑6的横截面为圆形，其深度范围为0.3到0.5厘米，所述圆形凹坑6直径为0.1到0.5厘米，凹坑6的直径和深度兼顾了氮化硅陶瓷棒的稳定固定、耐磨性能的充分体现和分散均布的设计，所述基体表面的粗糙度不低于1微米，较高的表面粗糙度可以为后期合金涂层粉末的喷涂提供高的结合力。
所述氮化硅陶瓷棒4为细直圆棒，长度范围为0.5到2厘米，直径比所述圆形凹坑6直径小0.05到0.1毫米，所述氮化硅陶瓷棒6的上下表面均垂直于其轴线，该设计可以使氮化硅陶瓷棒4与基体凹坑6之间形成匹配且易于安装，并为后续小粒度NiCrBSi自熔合金粉末的填充提供了可能。
所述合金涂层5为自熔合金，所述合金涂层5的表面粗糙度不高于0.2微米。
所述合金涂层5为NiCrBSi自熔合金粉末采用喷涂和重熔的两步法制备而成，所述NiCrBSi自熔合金粉末的粒度为40到100微米，所述NiCrBSi自熔合金涂层的硬度范围为40-50 HRC，所述NiCrBSi自熔合金粉末中Ni的质量百分含量不低于80%。通过对NiCrBSi自熔合金粉末Ni含量的确定，并后期获得的合金涂层的硬度范围限定在40-50 HRC，而不是60 HRC甚至更高的硬度，主要基于NiCrBSi合金涂层的目的是固定氮化硅陶瓷棒，而不是作为硬质耐磨组分，并且在兼顾了与传统钢质基体渗氮后相当的硬度后，使得本发明螺杆的后续加工难度显著降低。所述NiCrBSi合金涂层的化学成分按照质量百分含量分别为：C：0%～0.80%，Si：2.0%～4.0%，B：1.5%～4.5%，Cr：5.0%～15.0%，Cu：5.0%～15.0%，Fe≤5.0%，余量为镍。
所述氮化硅陶瓷棒4的外表面与所述基体3的所述凹坑6内表面之间的间隙填充有所述NiCrBSi自熔合金粉末，用于填充的所述NiCrBSi自熔合金粉末的粒度范围为5到10微米，通过细小粒度合金粉末的限定，使得氮化硅陶瓷棒的外表面与所述基体的所述凹坑内表面之间的间隙得到充分填充。
所述氮化硅陶瓷棒4的外表面粗糙度不超过0.2微米，且所述氮化硅陶瓷棒4的上表面和外表面之间的边缘进行光滑圆弧倒角处理。
本发明技术方案中一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆的加工工艺，主要包括以下步骤：
（1）采用机加工的方法制备本发明所述的螺杆的捏合块钢质基体；
（2）采用烧结工艺制备高硬度所述氮化硅陶瓷棒，并对其外表面和上表面与外表面之间的边缘进行抛光处理；
（3）将所述氮化硅陶瓷棒外表面粘附适量粒度范围为5到10微米的所述NiCrBSi自熔合金粉末；
（4）采用预埋的工艺，在所述合金涂层制备前先将上一步获得的所述氮化硅陶瓷棒安装在相应旋转卡具上，在施加一定压力的同时缓慢将其旋转放置于所述捏合块的所述基体的所述凹坑中，直至与所述凹坑底部接触；
（5）待所有所述氮化硅陶瓷棒均放置完毕后，采用热喷涂的方法在捏合块基体表面进行所述NiCrBSi自熔合金粉末喷涂处理，直至全部覆盖所述氮化硅陶瓷棒顶部，其厚度覆盖所述氮化硅陶瓷棒顶部0.1到0.5毫米，然后采用感应加热的方法进行粒度范围为40到100微米的所述NiCrBSi自熔合金粉末的重熔处理，获得光亮镜面后冷却获得所述合金涂层，在这个过程中，填充所述基体凹坑与所述氮化硅陶瓷棒之间间隙的粒度为5到10微米的所述NiCrBSi自熔合金粉末也得到充分熔化，并将凹坑内壁与氮化硅陶瓷棒外表面之间牢固结合；
（6）采用机加工的方法对所述合金涂层进行表面加工，使其尺寸和粗糙度均满足本发明的要求，并确保所述氮化硅陶瓷棒均露出所述合金涂层表面，从而在服役过程中优先承担与物料和填料之间的磨损；
（7）将以上步骤获得的所述捏合块安装在所述螺杆上，获得本发明的一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆。
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 (2)

1.一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆，其特征在于，所述螺杆的捏合块包括钢质基体、氮化硅陶瓷棒和合金涂层，所述钢质基体上平行于所述螺杆轴线方向的外表面均布有凹坑，所述氮化硅陶瓷棒在长度方向上的一半处于所述凹坑中，所述氮化硅陶瓷棒在长度方向上的另一半露在所述钢质基体表面之外，所述合金涂层将所述钢质基体表面全部覆盖，所述氮化硅陶瓷棒顶端露在所述合金涂层以外；
所述钢质基体表面的所述凹坑的横截面为圆形，其深度范围为0.3到0.5厘米，所述圆形凹坑直径为0.1到0.5厘米，所述钢质基体表面的粗糙度不低于1微米；
所述氮化硅陶瓷棒为细直圆棒，长度范围为0.5到2厘米，直径比所述圆形凹坑直径小0.05到0.1毫米，所述氮化硅陶瓷棒的上下表面均垂直于其轴线；
所述合金涂层为自熔合金，所述合金涂层的表面粗糙度不高于0.2微米；所述合金涂层为NiCrBSi自熔合金粉末采用喷涂和重熔的两步法制备而成，所述NiCrBSi自熔合金粉末的粒度为40到100微米；
所述氮化硅陶瓷棒的外表面与所述钢质基体的所述凹坑内表面之间的间隙填充有细粒度的所述NiCrBSi自熔合金粉末，用于填充的所述NiCrBSi自熔合金粉末的粒度范围为5到10微米；
所述NiCrBSi自熔合金涂层的硬度范围为40-50 HRC，所述NiCrBSi自熔合金粉末中Ni的质量百分含量不低于80%；
所述氮化硅陶瓷棒的外表面粗糙度不超过0.2微米，且所述氮化硅陶瓷棒的上表面和外表面之间的边缘进行光滑圆弧倒角处理。
2.一种上述权利要求1所述的一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆的加工工艺，主要包括以下步骤：
（1）采用机加工的方法制备所述的螺杆的捏合块钢质基体；
（2）采用烧结工艺制备高硬度所述氮化硅陶瓷棒，并对其外表面、和上表面与外表面之间的边缘进行抛光处理；
（3）将所述氮化硅陶瓷棒外表面粘附适量粒度范围为5到10微米的所述NiCrBSi自熔合金粉末；
（4）采用预埋的工艺，在所述合金涂层制备前先将上一步获得的所述氮化硅陶瓷棒安装在相应旋转卡具上，在施加一定压力的同时缓慢将其旋转放置于所述捏合块的所述钢质基体的所述凹坑中；
（5）待所有所述氮化硅陶瓷棒均放置完毕后，采用热喷涂的方法在捏合块钢质基体表面进行所述NiCrBSi自熔合金粉末喷涂处理，直至全部覆盖所述氮化硅陶瓷棒顶部，其厚度覆盖所述氮化硅陶瓷棒顶部0.1到0.5毫米，然后采用感应加热的方法进行粒度范围为40到100微米的所述NiCrBSi自熔合金粉末的重熔处理，获得光亮镜面后冷却获得所述合金涂层；
（6）采用机加工的方法对所述合金涂层进行表面加工，使其尺寸和粗糙度均满足要求，并确保所述氮化硅陶瓷棒均露出所述合金涂层表面；
（7）将以上步骤获得的所述捏合块安装在所述螺杆上，获得一种双螺杆挤出机的耐磨螺杆。
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