CN109261972A - 一种双金属挤出机筒体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双金属挤出机筒体及其制备方法，该双金属挤出机筒体包括筒体基体和设置于筒体基体内壁的合金层，筒体基体和合金层采用粉末冶金的方式结合为一个整体；合金层由镍基合金粉末或钴基合金粉末烧结而成。本发明的制备方法，通过在筒体基体内壁直接制作一层耐磨耐腐的合金层，解决了目前市场上筒体使用寿命短、产品质量不稳定的技术问题；该合金筒体寿命是普通C型合金管筒体的6‑8倍，且省去了内衬套加工费用，生产成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种塑料加工技术领域，尤其涉及一种双金属挤出机筒体及其制备方法。
背景技术
随着塑料制品在人们生产生活中越来越广泛的使用，塑料制品企业对塑料粒子的用量需求日益增加，同时对塑料的功能越来越丰富，而这些功能的往往是通过在塑料中添加功能性助剂实现的，这些助剂有的硬度相当高，有的具有较强的腐蚀性，这就对普通材质的筒体产生了较大的影响，使得筒体的磨损、腐蚀特别严重，使用寿命相当的短暂。
目前市场上的筒体主要有两种类型：
一种类型是在筒体内镶嵌了两支C型合金管，C型管对拼形成“8”字型，这种筒体在拼接处有大约0.5-0.8mm的缝隙，其主要缺点是，在生产过程中，熔融塑料会在接缝处堆积，在大量摩擦热的作用下，塑料发生变质、炭化，直接影响成品塑料粒子的质量和外观；接缝处结构不稳定，容易发生变形和位移，从而与螺杆发生干涉，造成合金层崩裂、脱落，脱落的金属混入塑料原料中，严重影响塑料产品的质量；这种合金管料具有一定的耐磨性能，但耐腐蚀性能差，在腐蚀环境工况下的使用寿命极短，配件更换频繁，停机时间长，造成了生产成本高昂。
另一种类型的筒体是由椭圆形的内衬套与本体镶嵌组合而成。内衬套同45钢基体与合金层构成，合金层具有一定的耐磨性和耐腐蚀性能。如已公开专利CN105922539A公开了一种密封的单头螺旋双螺杆，其在铬钼合金筒体的内腔内壁中设置有耐腐蚀合金层，从而使机筒既具备弹性和强度，又具备耐磨耐腐蚀的性能；又如已公开专利CN104175528A公开了一种两节式双合金层螺杆机筒及其加工方法，机筒包括本体和合金层，合金层的厚度为2～6mm，该筒体使用寿命长，耐磨优势明显，其所采用的合金粉末为碳、硼、铬、钴、锰、镍、铌、硅、钨、不锈钢、铁进行混合后放入机筒内熔解浇铸而成，由于这些物质熔点差异很大，在机筒内以1150-1250℃加热时，无法充分合金化，其结果是碳、铌等高熔点物质以原始状态存在于浇铸层中，形成夹生、偏析、气孔等缺陷，涂层质量较差。而且这种类型的筒体普遍存在如下缺点，一是内衬套与筒体本体之间在镶嵌后无法紧密接触，两者之间的一定的间隙，而筒体在使用过程中需要进行冷却以带走多余的热量，冷却水道位于本体中，从内衬套内壁产生的热量需要传递到本体才可以被带走，存在于本体和内衬套的间隙大大降低了筒体的导热性能，热量积聚于内衬套中，容易出现过热现象，使塑料原料发生变质，影响产品质量；二是内衬套与本体均需加工高精度的外形以达到配合的目的，这需要经过一系列复杂的加工工序方可实现，大大增加了材料成本和加工成本。
因此，本领域技术人员现阶段亟待解决的是筒体使用寿命的问题，弥补目前市场上筒体在使用寿命短、产品质量不稳定方面的不足，进而降低塑料加工企业的生产成本，提高塑料产品的产量和竞争力。
发明内容
本发明为解决现有技术中螺杆挤出机的筒体使用寿命短、产品质量不稳定方面的缺陷，提出的一种双金属挤出机筒体及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一个方面是提供一种双金属挤出机筒体的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)提供一筒体基体和与所述筒体基体的内孔同心的内模，并分别清洗烘干；
(2)在烘干后的内模表面刷涂一层高温脱模剂并晾干；
(3)将镍基合金粉末或钴基合金粉末装填到由筒体基体和内模组成的模具腔内并振实；
(4)将上述装填好镍基合金粉末或钴基合金粉末的模具送入真空烧结炉内，抽真空，使炉内真空度低于10Pa，采用梯度升温的方式升温至1020-1300℃进行真空烧结，降温、冷却；
(5)保温结束后，将工件冷却至室温后出炉，脱除内模，即得双金属挤出机筒体。
进一步地，在所述的双金属挤出机筒体的制备方法中，步骤(1)中所述筒体基体和内模的烘干温度为180-200℃、烘干温度为10-15min。
进一步地，在所述的双金属挤出机筒体的制备方法中，步骤(4)中所述梯度升温的烧结工艺为：先以5-10℃/min的升温速度升到700-850℃，保温30-60min，再以10-15℃/min的升温速度升到1020-1300℃，1020-1300℃保温30-120分钟。
进一步地，在所述的双金属挤出机筒体的制备方法中，步骤(4)中所述降温、冷却的工艺为：以10-20℃/min的降温速度降至800-900℃，随炉冷却至200℃以下出炉。
本发明的第二个方面是提供一种双金属挤出机筒体，其包括筒体基体和设置于所述筒体基体内壁的合金层，所述筒体基体和所述合金层采用粉末冶金的方式结合为一个整体；所述合金层由镍基合金粉末或钴基合金粉末烧结而成。
进一步地，在所述的双金属挤出机筒体中，按重量百分比计，所述镍基合金粉末成分包括：B:1.5-4.0％、C:0.4-1.2％、Cr:12-20％、Si：2.0-5.5％、Fe:0-25％、W:0-10％、Ni：56-84％。
进一步地，在所述的双金属挤出机筒体中，按重量百分比计，所述钴基合金粉末成分包括：C:0.8-4.0％、Cr:15-35％、Fe:0-10％、Ni：0-5％、Si:0-1.5％、W：5-20％、Co:40-60％。
进一步优选地，在所述的双金属挤出机筒体中，所述镍基合金粉末或钴基合金粉末粒度为140-325目，且经烧结后，其材料硬度为HRC54-64。
进一步优选地，在所述的双金属挤出机筒体中，由所述镍基合金粉末或钴基合金粉末烧结而成的所述合金层的厚度为1.1-4.0mm。
进一步地，在所述的双金属挤出机筒体中，所述镍基合金粉末或钴基合金粉末的纯度均大于99.9％。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)本发明的双金属挤出机筒体，通过在筒体基体内壁直接制作一层耐磨耐腐的合金层，解决了目前市场上筒体使用寿命短、产品质量不稳定的技术问题；
(2)合金材料选用镍基合金或钴基合金，并采用粉末冶金的方式使合金层与筒体基体牢固地结合在一起，使合金层在受力时不致于脱落，从而可以发挥出合金层全部的耐磨性能；
(3)由于筒体基体与合金层之不存在间隙，使得筒体温度反应更加灵敏；
(4)采用粉末冶金的方式将筒体基体与合金层形成一体式筒体，加工精度高，解决了现有筒体加工时容易变形，省去了内衬套加工费用，生产成本低；
(5)而且本发明制成的合金筒体寿命是普通C型合金管筒体的6-8倍；
(6)本发明的制备方法相比在筒体内镶嵌内衬套的方式，由于省去了内衬套的加工节，成本仅为后者的1/3。
附图说明
图1为本发明一种双金属挤出机筒体的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种双金属挤出机筒体的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)提供一筒体基体；为使合金按照筒体基体的形状成型，需要在筒体中加入一组与筒体基同心的内模，并将底端封住，内模与筒体基体之间的间隙应根据设计涂层厚度经计算确定；而且为了防止基体表面的水分、杂质等影响合金与基体的结合，首先需对基体表面和内模进行彻底的清洁，并烘干；
(2)为防止合金烧结后与内模具粘结，在烘干后的内模表面刷涂一层高温脱模剂，待内模充分干燥后再与筒体基体进行组装；
(3)将具有防腐耐磨功能的镍基合金粉末或钴基合金粉末装填到由筒体基体和内模组成的模具间隙中，灌粉后将工件放在振动台上振实，粉末下沉后，继续添加粉末，直至不再下沉为止，此时其密度最高；
(4)将上述装填好镍基合金粉末或钴基合金粉末的模具送入真空烧结炉内，抽真空，使炉内真空度低于10Pa，采用梯度升温的方式升温至1020-1300℃进行真空烧结，降温、冷却；
(5)保温结束后，将工件冷却至室温后出炉，脱除内模，即得双金属挤出机筒体。
于上述技术方案的基础上，步骤(1)中所述筒体基体和内模的烘干温度为180-200℃、烘干温度为10-15min。
于上述技术方案的基础上，步骤(4)中所述梯度升温的烧结工艺为：先以5-10℃/min的升温速度升到700-850℃，保温30-60min，再以10-15℃/min的升温速度升到1020-1300℃，1020-1300℃保温30-120分钟。
于上述技术方案的基础上，步骤(4)中所述降温、冷却的工艺为：以10-20℃/min的降温速度降至800-900℃，随炉冷却至200℃以下出炉。
本发明还提供一种双金属挤出机筒体，如图1所示，其包括筒体基体100和设置于所述筒体基体100内壁的合金层200，所述筒体基体100和所述合金层200采用粉末冶金的方式结合为一个整体；所述合金层200由镍基合金粉末或钴基合金粉末烧结而成。
作为本发明的一个优选技术方案，按重量百分比计，所述镍基合金粉末成分包括：B:1.5-4.0％、C:0.4-1.2％、Cr:12-20％、Si：2.0-5.5％、Fe:0-25％、W:0-10％、Ni：56-84％。所述镍基合金粉末的纯度均大于99.9％。
作为本发明的另一个优选技术方案，按重量百分比计，所述钴基合金粉末成分包括：C:0.8-4.0％、Cr:15-35％、Fe:0-10％、Ni：0-5％、Si:0-1.5％、W：5-20％、Co:40-60％。所述钴基合金粉末的纯度均大于99.9％。
上述由镍基合金粉末或钴基合金粉末烧结而成的合金层的耐磨耐腐原理是：合金金相组织中的基体相在强酸、氧化还原介质、卤族及其化合物、强还原介质、碱性介质、含氯离子的氧化还原复合介质等环境中均具有良好的耐腐蚀性能；合金金相组织中还有大量高硬度硬质相，这些硬质相能抵抗环境中的剧烈磨损，而硬质相与基体相牢固地结合在一起，韧性良好的基体相为硬质相起到了良好的支撑作用，使硬质相在受力时不致于脱落，从而可以发挥出硬质相全部的耐磨性能。
于上述技术方案的基础上，所述镍基合金粉末或钴基合金粉末粒度为140-325目，且经烧结后，由所述镍基合金粉末形成的合金材料硬度为HRC54-64，由所述镍基合金粉末形成的合金材料硬度为HRC54-62。
于上述技术方案的基础上，由所述镍基合金粉末或钴基合金粉末烧结而成的所述合金层的厚度为1.1-4.0mm；优选地，所述合金层的厚度为1.4-3.8mm；镍基合金层的厚度为2.1-3.5mm；钴基合金层的厚度为1.8-4.0mm。
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1双金属挤出机筒体的制备
选用镍基合金粉末，其化学成分为B:2.5％、C:0.7％、Cr:15％、Si：3.8％、Fe:14％、W:0.5％、Ni：63.5％；粉末规格为140/325目，硬度HRC55。筒体基体选用75型，内孔直径为成品尺寸加3.6mm，表面粗糙度Ra1.6um，根据内孔尺寸设计加工内模。具体包括如下步骤：
(1)基体清洁：提供一筒体基体和内模，并对筒体基体和内模表面进行彻底的清洁；
(2)模具组装：在内模表面刷涂一层耐高温涂料，待充分干燥后与筒体基体进行组装；
(3)灌粉：将镍基合金粉末灌入内模与筒体基体之间的间隙中，灌粉后将工件放在振动台上振实，粉末下沉后，继续添加粉末，直至不再下沉为止；
(4)真空烧结：将准备好的工件放入烧结炉中，抽真空，使炉内真空度低于10Pa，然后按设计的烧结工艺进行烧结；具体烧结工艺为：先以10℃/min的升温速度升到750℃，保温40min，再以12℃/min的升温速度升到1080℃，在1080℃保温50分钟,再以18℃/min的降温速度降至860℃，随炉冷却至200℃以下出炉
(5)取模加工：保温结束后，将工件冷却至室温后出炉，脱除内模，加工合金层到要求尺寸，即得双金属挤出机筒体。
采用本实施例制作的筒体合金层硬度HRC56，上机生产后得到使用效果数据，产量较工具钢筒体提高了7.5倍。其生产成本相比相比镶嵌合金内衬套的筒体成本下降65％，经济效果显著。
实施例2双金属挤出机筒体的制备
选用镍基合金粉末，其化学成分为B:3.5％、C:0.9％、Cr:16％、Si：4.5％、Fe:13.0％、W:5.0％、Ni：57.1％；粉末规格为140/325目，硬度HRC61。筒体基体选用75型，内孔直径为成品尺寸加3.6mm，表面粗糙度Ra1.6um，根据内孔尺寸设计加工内模。具体包括如下步骤：
(1)基体清洁：提供一筒体基体和内模，并对筒体基体和内模表面进行彻底的清洁；
(2)模具组装：在内模表面刷涂一层耐高温涂料，待充分干燥后与筒体基体进行组装；
(3)灌粉：将镍基合金粉末灌入内模与筒体基体之间的间隙中，灌粉后将工件放在振动台上振实，粉末下沉后，继续添加粉末，直至不再下沉为止；
(4)真空烧结：将准备好的工件放入烧结炉中，抽真空，使炉内真空度低于10Pa，然后按设计的烧结工艺进行烧结，具体烧结工艺为：先以7℃/min的升温速度升到800℃，保温30min，再以10℃/min的升温速度升到1100℃，在1100℃保温70分钟,再以15℃/min的降温速度降至880℃，随炉冷却至200℃以下出炉；
(5)取模加工：保温结束后，将工件冷却至室温后出炉，脱除内模，加工合金层到要求尺寸，即得双金属挤出机筒体。
采用本实施例制作的筒体合金层硬度HRC62，上机生产后得到使用效果数据，产量较工具钢筒体提高了6.4倍。其生产成本相比相比镶嵌合金内衬套的筒体成本下降68％，经济效果显著。
实施例3双金属挤出机筒体的制备
选用钴基合金粉末，其化学成分为C:2.5％、Cr:32％、Fe:2.0％、Ni：3.0％、Si:0.8％、W：17.0％、Co:42.7％；粉末规格为140/325目，硬度HRC56。筒体基体选用75型，内孔直径为成品尺寸加3.6mm，表面粗糙度Ra1.6um，根据内孔尺寸设计加工内模。具体包括如下步骤：
(1)基体清洁：提供一筒体基体和内模，并对筒体基体和内模表面进行彻底的清洁；
(2)模具组装：在内模表面刷涂一层耐高温涂料，待充分干燥后与筒体基体进行组装；
(3)灌粉：将镍基合金粉末灌入内模与筒体基体之间的间隙中，灌粉后将工件放在振动台上振实，粉末下沉后，继续添加粉末，直至不再下沉为止；
(4)真空烧结：将准备好的工件放入烧结炉中，抽真空，使炉内真空度低于10Pa，然后按设计的烧结工艺进行烧结。烧结工艺为：先以10℃/min的升温速度升到720℃，保温45min，再以15℃/min的升温速度升到1250℃，在1250℃保温80分钟,再以18℃/min的降温速度降至850℃，随炉冷却至200℃以下出炉。
(5)取模加工：保温结束后，将工件冷却至室温后出炉，脱除内模，加工合金层到要求尺寸，即得双金属挤出机筒体。
采用本实施例制作的筒体合金层硬度HRC58，上机生产后得到使用效果数据，产量较工具钢筒体提高了6.0倍。其生产成本相比相比镶嵌合金内衬套的筒体成本下降60％，经济效果显著。
实施例4双金属挤出机筒体的制备
选用钴基合金粉末，其化学成分为C:3.5％、Cr:26％、Fe:2.0％、Ni：2.0％、Si:0.8％、W12.0％、Co:53.7％；粉末规格为140/325目，硬度HRC56。筒体基体选用75型，内孔直径为成品尺寸加3.6mm，表面粗糙度Ra1.6um，根据内孔尺寸设计加工内模。具体包括如下步骤：
(1)基体清洁：提供一筒体基体和内模，并对筒体基体和内模表面进行彻底的清洁；
(2)模具组装：在内模表面刷涂一层耐高温涂料，待充分干燥后与筒体基体进行组装；
(3)灌粉：将镍基合金粉末灌入内模与筒体基体之间的间隙中，灌粉后将工件放在振动台上振实，粉末下沉后，继续添加粉末，直至不再下沉为止；
(4)真空烧结：将准备好的筒体放入烧结炉中，抽真空，使炉内真空度低于10Pa，然后按设计的烧结工艺进行烧结，烧结工艺为：先以10℃/min的升温速度升到850℃，保温60min，再以12℃/min的升温速度升到1280℃，在1280℃保温80分钟,再以20℃/min的降温速度降至860℃，随炉冷却至200℃以下出炉；
(5)取模加工：保温结束后，将工件冷却至室温后出炉，脱除内模，加工合金层到要求尺寸，即得双金属挤出机筒体。
采用本实施例制作的筒体合金层硬度HRC64，上机生产后得到使用效果数据，产量较工具钢筒体提高了8.0倍。其生产成本相比相比镶嵌合金内衬套的筒体成本下降62％，经济效果显著。
对比例1以已公开专利CN105922539A所披露的具有耐腐蚀合金层的铬钼合金筒体为对比例1，耐腐蚀合金层的材质为FeNiCrB或NiCrWcCoB。
对比例2以已公开专利CN104175528A所披露的双合金层螺杆机筒对比例2，机筒包括本体和合金层，合金层的厚度为2～6mm。
对比例3以本公司现有的镍基合金合金筒体为对比例3，其制备方法包括如下步骤：
(1)提供一套具有模具外壳、内腔、底板、内模的模具，并对该模具表面进行彻底的清洁；
(2)将模具外壳及内模具清洗，烘干后在模具表面刷涂一层高温脱模济并晾干，然后将烘干后的模具内芯按定位孔位置插入并固定位置；
(3)将镍基合金粉末按重量百分比：B:2.40、C:1.20、Cr:15.00、Fe:9.00、Si:3.20、Ni-余量，装填到模具形腔内并震实；
(4)将上述装好镍基合金粉的模具送入真空烧结炉内，按照5℃/min的升温速度，加热到1200℃左右并保温80min；
(5)保温结束后将工件冷却到室温后出炉，脱除烧结模具，按产品尺寸要求精加工至最终成品，即得镍基合金合金筒体。
性能测试：
以本发明实施例1-4制得的双金属挤出机筒体为试验例，以对比例1-3制得的合金筒体对照例，同等条件下分别进行硬度、磨损量以及耐磨性相对倍数以及使用寿命测试，具体测试结果如下表1所示：
表1各实施例和对比例的性能检测数据
| 序号 | 试验磨损量g | 耐磨性相对倍数 |
| 实施例1 | 0.0060 | 1.7 |
| 实施例2 | 0.0050 | 2.04 |
| 实施例3 | 0.0054 | 1.89 |
| 实施例4 | 0.0045 | 2.27 |
| 对比例1 | 0.0152 | 1.02 |
| 对比例2 | 0.0083 | 1.22 |
| 对比例3 | 0.0102 | 1 |
综上，采用本实施例制备的双金属挤出机筒体的硬度HRC54-64，经上机生产后得到使用效果数据显示，产量较工具钢筒体提高了至少6.0倍。其生产成本相比相比镶嵌合金内衬套的筒体成本下降40-62％，经济效果显著。此外，与现有其他技术如对比例1-3相比，本发明提供的双金属挤出机筒体耐磨性能提高了1.7-2.2倍，有效提高了塑料加工企业的社会经济效益。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种双金属挤出机筒体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)提供一筒体基体和与所述筒体基体的内孔同心的内模，并分别清洗烘干；
(2)在烘干后的内模表面刷涂一层高温脱模剂并晾干；
(3)将镍基合金粉末或钴基合金粉末装填到由筒体基体和内模组成的模具腔内并振实；
(4)将上述装填好镍基合金粉末或钴基合金粉末的模具送入真空烧结炉内，抽真空，使炉内真空度低于10Pa，采用梯度升温的方式升温至1020-1300℃进行真空烧结，降温、冷却；
(5)保温结束后，将工件冷却至室温后出炉，脱除内模，即得双金属挤出机筒体。
2.根据权利要求1所述的双金属挤出机筒体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述筒体基体和内模的烘干温度为180-200℃、烘干温度为10-15min。
3.根据权利要求1所述的双金属挤出机筒体的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述梯度升温的烧结工艺为：先以5-10℃/min的升温速度升到700-850℃，保温30-60min，再以10-15℃/min的升温速度升到1020-1300℃，1020-1300℃保温30-120分钟。
4.根据权利要求1所述的双金属挤出机筒体的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述降温、冷却的工艺为：以10-20℃/min的降温速度降至800-900℃，随炉冷却至200℃以下出炉。
5.一种如权利要求1-4所述方法制备的双金属挤出机筒体，其特征在于，包括筒体基体和设置于所述筒体基体内壁的合金层，所述筒体基体和所述合金层采用粉末冶金的方式结合为一个整体；所述合金层由镍基合金粉末或钴基合金粉末烧结而成。
6.根据权利要求5所述的双金属挤出机筒体，其特征在于，按重量百分比计，所述镍基合金粉末成分包括：B:1.5-4.0％、C:0.4-1.2％、Cr:12-20％、Si：2.0-5.5％、Fe:0-25％、W:0-10％、Ni：56-84％。
7.根据权利要求5所述的双金属挤出机筒体，其特征在于，按重量百分比计，所述钴基合金粉末成分包括：C:0.8-4.0％、Cr:15-35％、Fe:0-10％、Ni：0-5％、Si:0-1.5％、W：5-20％、Co:40-60％。
8.根据权利要求6或7所述的双金属挤出机筒体，其特征在于，所述镍基合金粉末或钴基合金粉末粒度为140-325目，且经烧结后，其材料硬度为HRC54-64。
9.根据权利要求6或7所述的双金属挤出机筒体，其特征在于，由所述镍基合金粉末或钴基合金粉末烧结而成的所述合金层的厚度为1.1-4.0mm。
10.根据权利要求5所述的双金属挤出机筒体，其特征在于，所述镍基合金粉末或钴基合金粉末的纯度均大于99.9％。
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