CN114606420B - 一种提高挤出机效率的双螺杆表面激光熔覆材料及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能提高挤出机生产效率的双螺杆激光熔覆材料，按质量百分比由以下组分组成：Cr₃C₂粉10～15%，TiC粉1～5%，WC粉1～5%，CeO₂粉0.5～2%，B粉1～3%，Si粉1～3%，MoS₂粉10～15%，WS₂粉8～13%，其余为NiCr粉，以上各组分重量百分比之和为100%。还公开了一种能提高挤出机生产效率的双螺杆激光熔覆工艺，采用超高速激光熔覆设备配合制备的激光熔覆粉末进行螺杆元件表面的激光熔覆，所得螺杆元件表面成型较好，熔融塑料粘附减少，生产效率提高。

Description

一种提高挤出机效率的双螺杆表面激光熔覆材料及方法

技术领域

本发明属于金属结构表面改性修复领域，特别涉及一种有助于提高挤出机效率的双螺杆表面激光熔覆材料及方法。

背景技术

螺杆是挤出机极其重要的组成部件，其设计和制造质量直接影响挤出制品质量和产量。在具体生产过程中，螺杆对塑料原料进行的输送、压实、熔化、搅拌和施压等加工过程，都是通过螺杆在料筒内的旋转完成的，最终，原料会以一定压力和流量从机头中挤出。

常用的螺杆挤出机有单螺杆挤出机和双螺杆挤出机。双螺杆挤出机是在单螺杆挤出机基础上发展起来的，由于具有良好的加料性能、混炼塑化性能、排气性能和挤出稳定性，目前已被广泛应用于挤出制品的成型加工。

近年来，塑料原料工业迅速发展，不断推出各种增强改性工程塑料原料，传统的普通螺杆已无法满足加工这些增强改性原料的要求，具体的原因主要是以下几点：

1.螺杆工作时需要承受相当高的剪切应力，以剪断、分散坚韧和难以扩散的填料、增强材料等；

2.处于物料剪切段的螺杆上的熔融塑料，由于粘度较高，常常粘附在螺杆上，清理较困难，严重影响生产效率；

3. 由于下料口处的温度相对较低，位于此处的塑料没有完全融化，硬度较高，容易导致对螺杆元件的磨损。

针对以上的问题，采用常规的热处理对提高螺杆元件的使用性能意义不大，而热渗镀、渗碳对材料选择的范围比较窄，且其制备的涂层耐磨性能不够；热喷涂、镀铬等工艺所得到的涂层与基体结合强度较低，涂层易发生分离、剥落。

后来，随着电子束、激光、等离子等技术的应用，表面处理技术领域终于得到飞跃性的进展。其中以激光熔覆技术的应用最为广泛。激光熔覆技术是指通过高能束激光束辐照扫描，将熔覆材料与基材表面薄层材料与放置在其表面的熔覆材料一起快速熔凝，形成与基体呈冶金结合，具有硬度高、抗腐蚀、耐磨性好的涂层。考虑螺杆材料的物理特性和使用工况，激光熔覆技术是进行其表面改性最理想的选择。

挤出机工作时常出现的两大问题为：1. 熔融塑料粘附于螺杆（材料为38CrMoAl钢）表面，清理困难，严重降低挤出机生产效率；2. 螺杆表面磨损严重，降低了塑料配混质量。针对这种情况，为了提高生产效率以及螺杆元件使用寿命，本申请研究的主题是得到一种有助于提高挤出机效率的双螺杆表面激光熔覆材料及方法。

发明内容

本发明提供一种提高挤出机效率的双螺杆表面激光熔覆材料及方法，其目的在于现阶段挤出机效率低，产品质量低的问题。

为达到目的，本发明采用的第一个技术方案是：

一种提高挤出机效率的双螺杆表面激光熔覆材料，其特征在于：由以下重量百分比原料组成：

Cr₃C₂粉10-15%；

TiC粉1-5%；

WC粉1-5%；

CeO₂粉0.5-2%；

B粉1-3%；

Si粉1-3%；

MoS₂粉10-15%；

WS₂粉8-13%；

其余为NiCr粉；

其中，各组分重量百分比之和为100%。

其中，各组分的粉末粒度为270-500目。

本发明采用的第一个技术方案是：一种提高挤出机效率的双螺杆表面激光熔覆方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，打磨螺杆元件的表面去除粘附的塑料，并用酒精和/或丙酮去除表面污渍；

步骤2，按质量百分比称取Cr₃C₂粉10-15%，TiC粉1-5%，WC粉1-5%，CeO₂粉0.5-2%，B粉1-3%，Si粉1-3%，MoS₂粉10-15%，WS₂粉8-13%，其余为NiCr粉，其中，各组分重量百分比之和为100%，进行2-4小时的机械混合；

步骤3，将混合后的粉末置于真空环境下150-180℃加热保温0.5-2小时，以去除粉末中的结晶水，接着-270目～+500目过筛，装入送粉器，通过送粉熔覆头送粉；

步骤4，设定激光对螺杆基体的入射角为-30°～30°，激光熔覆功率为2～4kW，激光光斑直径0.5～2mm，送粉速度50～100g/min，熔覆层搭接率70～80％，熔覆线速度30～50m/min，氩气氛围，然后对螺杆基体进行超高速激光熔覆；

步骤5，熔覆结束后用保温棉包裹最后熔覆区域，实现熔覆层的缓冷，避免裂纹出现；

步骤6，最后用刷子去除螺杆熔覆层上的浮粉，得到表面激光熔覆的双螺杆。

其中，步骤4中，在进行超高速激光熔覆之前，先用火焰加热的方式对螺杆预热，预热温度为150℃～180℃，以此减少熔覆时的温度梯度，降低开裂敏感性。

其中，优选激光的入射角为-10°～10°。

本发明设计原理和效果是：

（1）本发明方法采用超高速激光熔覆工艺进行螺杆工作表面的改性处理，超高速激光熔覆效率高、熔覆层薄、熔覆层与基体结合质量好；此外，超高速激光熔覆冷却速度较传统的激光熔覆冷却速度更快，因此所得的熔覆层硬度更高。

（2）本发明提出的螺杆元件表面激光熔覆粉末，以NiCr粉为主，Ni、Cr合金与螺杆基体Fe（38CrMoAl钢）的焊接性较好，可以保证熔覆层较好的冶金结合；在NiCr粉末的基础上，添加了Cr₃C₂、TiC和WC硬质粉末，可以有效提高熔覆层的耐磨性能，具体体现在：

①螺杆表面激光熔覆材料以NiCr粉末为主，螺杆基体材料（38CrMoAl钢）为Fe，根据Fe-Ni和Cr-Fe二元相图可知，Ni、Cr元素与Fe基体之间不生成脆性金属相，且这两个元素与Fe之间的焊接性较好。Ni基材料的塑韧性较好，Cr元素可以在高温下形成Cr2O3，保护熔池。当熔覆层以Ni、Cr元素为主时，所得的相主要为奥氏体相，耐蚀、耐高温性能均较好；

②螺杆表面激光熔覆材料中添加了Cr₃C₂粉末，该粉末的硬度较高，是一种较强的抗氧化性碳化物，耐蚀、耐磨性能优异。在Cr₃C₂粉末的基础上，为了弥补单一硬质相提高熔覆层强度所存在的局限性，复合添加了TiC和WC粉末，协同提高熔覆层的硬度；

③螺杆表面激光熔覆材料中添加了B、Si粉末，这两种粉末可以改善液态熔池与螺杆基体的润湿性，提高熔池的流动性。此外，Si还可以起到脱氧的作用，降低熔池中的氧含量，从而减少气孔缺陷的产生；

④螺杆表面激光熔覆材料中添加了CeO₂稀土粉末，稀土元素的存在可以净化熔覆层中奥氏体晶界，提高晶界结合强度，细化奥氏体晶粒，提高熔覆层的综合力学性能；

⑤螺杆表面激光熔覆材料中添加了一定含量的MoS₂和WS₂粉，这两种粉末是常用的固体润滑剂。螺杆元件在工作时主要与熔融塑料发生剪切、挤压作用，当熔覆有上述粉末的螺杆进行工作时，熔融的塑料在与螺杆表面挤压接触时，由于螺杆表面存在MoS₂和WS₂自润滑粉末，熔融塑料与螺杆表面的结合力减小，可以保证熔融塑料与螺杆表面较易脱离，从而省去了后续螺杆表面的清理步骤，显著提高生产效率。

（3）本发明提出的螺杆元件表面激光熔覆粉末，添加了WS₂和MoS₂固体润滑剂，当螺杆在使用过程中，这部分润滑剂的存在可以保证熔融的塑料较易与螺杆表面脱离，从而减少或免除了对挤出机设备停机进行螺杆元件的清理工作。

（4）本发明针对螺杆元件尺寸进行激光熔覆工艺设计，保证熔覆过程中激光的入射方向尽量与螺杆表面保持垂直（即入射角为-30°至+30°），从而提高熔覆层质量。

附图说明

图1为本发明方法中螺杆表面进行激光熔覆剖面示意图；

图2为本发明实施例2制备的螺杆表面激光熔覆层的横截面形貌；

图3为本发明实施例2制备的螺杆表面激光熔覆层的低倍显微组织；

图4为本发明实施例2制备的螺杆表面激光熔覆层的高倍显微组织；

图5为本发明实施例2制备的螺杆工作面激光熔覆层进行摩擦磨损实验后的扫描电镜观察形貌。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1

步骤1：对螺杆工作表面进行打磨，去除粘附的塑料，用酒精、丙酮去除表面污渍；

步骤2：按质量百分比称取合金粉末：Cr₃C₂粉10%，TiC粉1%，WC粉1%，CeO₂粉0.52%，B粉1%，Si粉1%，MoS₂粉10%，WS₂粉8%，其余为NiCr粉，以上各组分重量百分比之和为100%。

步骤3：步骤2中配好的粉末进行机械混合，混合时间为2h；混合后的粉末放置于真空加热箱内加热，加热温度150℃，保温时间0.5h，以去除粉末中的结晶水，加热后粉末过筛（-270目~+500目）后装入送粉器中；

步骤4：使得激光入射方向尽量与螺杆表面保持垂直，激光入射角度范围为-30°~30°（如图1所示）；

步骤5：用火焰加热对螺杆元件进行预热，预热温度150℃，预热的目的是减少熔覆时的温度梯度，降低开裂敏感性；

步骤6：超高速激光熔覆，设置激光熔覆功率为2kW，激光光斑直径0.5mm，送粉速度50g/min，熔覆层搭接率70％；保护气选用氩气（纯度99.999%），熔覆线速度30m/min。熔覆结束后用保温棉包裹最后熔覆区域，实现熔覆层的缓冷，避免裂纹出现。

步骤7：用刷子去除螺杆熔覆层上的浮粉，测量熔覆后螺杆的尺寸精度，满足要求的螺杆投入塑料配混生产。

通过上述激光熔覆处理后，螺杆使用性能明显提高（具体见表1所示）：螺杆的硬度由原先的HRC43提高到HRC52；使用寿命由原先的3年增加到6年2个月；螺杆表面粘附的熔融塑料量也减小，按周计算，螺杆表面粘附塑料的清洗次数从原先的20次/周降低到3次/周，生产效率大大提高。

实施例2

步骤1：对螺杆工作表面进行打磨，去除粘附的塑料，用酒精、丙酮去除表面污渍；

步骤2：按质量百分比称取合金粉末：Cr₃C₂粉15%，TiC粉5%，WC粉5%，CeO₂粉2%，B粉3%，Si粉3%，MoS₂粉15%，WS₂粉13%，其余为NiCr粉，以上各组分重量百分比之和为100%。

步骤3：步骤2配好的粉末进行机械混合，混合时间为4h；混合后的粉末放置于真空加热箱内加热，加热温度180℃，保温时间2h，以去除粉末中的结晶水，加热后粉末过筛（-270目~+500目）后装入送粉器中；

步骤4：使得激光入射方向尽量与螺杆表面保持垂直，激光入射角度范围为-30°~30°（如图1所示）；

步骤5：用火焰加热对螺杆元件进行预热，预热温度180℃，预热的目的是减少熔覆时的温度梯度，降低开裂敏感性；

步骤6：超高速激光熔覆，设置激光熔覆功率为4kW，激光光斑直径2mm，送粉速度100g/min，熔覆层搭接率80％；保护气选用氩气（纯度99.999%），熔覆线速度50m/min。熔覆结束后用保温棉包裹最后熔覆区域，实现熔覆层的缓冷，避免裂纹出现。

步骤7：用刷子去除螺杆熔覆层上的浮粉，测量熔覆后螺杆的尺寸精度，满足要求的螺杆投入塑料配混生产。

通过上述激光熔覆处理后，螺杆使用性能明显提高（具体见表1所示）：螺杆的硬度由原先的HRC43提高到HRC53；使用寿命由原先的3年增加到6年9个月；螺杆表面粘附的熔融塑料量也减小，按周计算，螺杆表面粘附塑料的清洗次数从原先的20次/周降低到2次/周，生产效率大大提高。

图2为本发明实施案例2制备的螺杆表面激光熔覆层的横截面形貌，从图中可以看出，熔覆层厚度均匀，气孔较少；

图3为本发明实施案例2制备的螺杆表面激光熔覆层的低倍显微组织，从图中可以看出，熔覆层主要以γ奥氏体胞状树枝晶为主，组织均匀；图4为熔覆层高倍显微组织，从图中可以看出，枝晶间和枝晶内存在TiC、TiW等硬质析出相；

图5为本发明实施案例2制备的螺杆工作面激光熔覆层进行摩擦磨损实验后的扫描电镜观察形貌，可以看出，熔覆层磨损深度较浅，以粘着磨损和磨粒磨损机制为主，耐磨性能好。

实施例3

步骤1：对螺杆工作表面进行打磨，去除粘附的塑料，用酒精、丙酮去除表面污渍；

步骤2：按质量百分比称取合金粉末：Cr₃C₂粉13%，TiC粉3%，WC粉3%，CeO₂粉1%，B粉2%，Si粉2%，MoS₂粉13%，WS₂粉10%，其余为NiCr粉，以上各组分重量百分比之和为100%。

步骤3：步骤2配好的粉末进行机械混合，混合时间为3h；混合后的粉末放置于真空加热箱内加热，加热温度160℃，保温时间1.0h，以去除粉末中的结晶水，加热后粉末过筛（-270目~+500目）后装入送粉器中；

步骤4：使得激光入射方向尽量与螺杆表面保持垂直，激光入射角度范围为-30°~30°（如图1所示）；

步骤5：用火焰加热对螺杆元件进行预热，预热温度160℃，预热的目的是减少熔覆时的温度梯度，降低开裂敏感性；

步骤6：超高速激光熔覆，设置激光熔覆功率为3kW，激光光斑直径1mm，送粉速度70g/min，熔覆层搭接率75％；保护气选用氩气（纯度99.999%），熔覆线速度40m/min。熔覆结束后用保温棉包裹最后熔覆区域，实现熔覆层的缓冷，避免裂纹出现。

步骤7：用刷子去除螺杆熔覆层上的浮粉，测量熔覆后螺杆的尺寸精度，满足要求的螺杆投入塑料配混生产。

通过上述激光熔覆处理后，螺杆使用性能明显提高（具体见表1所示）：螺杆的硬度由原先的HRC43提高到HRC55；使用寿命由原先的3年增加到7年2个月；螺杆表面粘附的熔融塑料量也减小，按周计算，螺杆表面粘附塑料的清洗次数从原先的20次/周降低到1次/周，生产效率大大提高。

实施例4

步骤1：对螺杆工作表面进行打磨，去除粘附的塑料，用酒精、丙酮去除表面污渍；

步骤2：按质量百分比称取合金粉末：Cr₃C₂粉11%，TiC粉4%，WC粉4%，CeO₂粉0.8%，B粉2.5%，Si粉2.5%，MoS₂粉12%，WS₂粉9%，其余为NiCr粉，以上各组分重量百分比之和为100%。

步骤3：步骤2配好的粉末进行机械混合，混合时间为2.5h；混合后的粉末放置于真空加热箱内加热，加热温度170℃，保温时间1.5h，以去除粉末中的结晶水，加热后粉末过筛（-270目~+500目）后装入送粉器中；

步骤4：使得激光入射方向尽量与螺杆表面保持垂直，激光入射角度范围为-30°~30°（如图1所示）；

步骤5：用火焰加热对螺杆元件进行预热，预热温度170℃，预热的目的是减少熔覆时的温度梯度，降低开裂敏感性；

步骤6：超高速激光熔覆，设置激光熔覆功率为2kW，激光光斑直径0.8mm，送粉速度60g/min，熔覆层搭接率72％；保护气选用氩气（纯度99.999%），熔覆线速度45m/min。熔覆结束后用保温棉包裹最后熔覆区域，实现熔覆层的缓冷，避免裂纹出现。

步骤7：用刷子去除螺杆熔覆层上的浮粉，测量熔覆后螺杆的尺寸精度，满足要求的螺杆投入塑料配混生产。

通过上述激光熔覆处理后，螺杆使用性能明显提高（具体见表1所示）：螺杆的硬度由原先的HRC43提高到HRC54；使用寿命由原先的3年增加到7年6个月；螺杆表面粘附的熔融塑料量也减小，按周计算，螺杆表面粘附塑料的清洗次数从原先的20次/周降低到2次/周，生产效率大大提高。

实施例5

步骤1：对螺杆工作表面进行打磨，去除粘附的塑料，用酒精、丙酮去除表面污渍；

步骤2：按质量百分比称取合金粉末：Cr₃C₂粉14%，TiC粉4.5%，WC粉1.5%，CeO₂粉1.8%，B粉2.3%，Si粉1.3%，MoS₂粉14.5%，WS₂粉12.7%，其余为NiCr粉，以上各组分重量百分比之和为100%。

步骤3：步骤2配好的粉末进行机械混合，混合时间为3.7h；混合后的粉末放置于真空加热箱内加热，加热温度175℃，保温时间1.8h，以去除粉末中的结晶水，加热后粉末过筛（-270目~+500目）后装入送粉器中；

步骤4：使得激光入射方向尽量与螺杆表面保持垂直，激光入射角度范围为-30°~30°（如图1所示）；

步骤5：用火焰加热对螺杆元件进行预热，预热温度155℃，预热的目的是减少熔覆时的温度梯度，降低开裂敏感性；

步骤6：超高速激光熔覆，设置激光熔覆功率为4kW，激光光斑直径2mm，送粉速度90g/min，熔覆层搭接率79％；保护气选用氩气（纯度99.999%），熔覆线速度48m/min。熔覆结束后用保温棉包裹最后熔覆区域，实现熔覆层的缓冷，避免裂纹出现。

步骤7：用刷子去除螺杆熔覆层上的浮粉，测量熔覆后螺杆的尺寸精度，满足要求的螺杆投入塑料配混生产。

通过上述激光熔覆处理后，螺杆使用性能明显提高（具体见表1所示）：螺杆的硬度由原先的HRC43提高到HRC56；使用寿命由原先的3年增加到7年3个月；螺杆表面粘附的熔融塑料量也减小，按周计算，螺杆表面粘附塑料的清洗次数从原先的20次/周降低到3次/周，生产效率大大提高。

表1 螺杆表面激光熔覆处理后的性能数据

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种提高挤出机效率的双螺杆表面激光熔覆材料，其特征在于：由以下重量百分比原料组成：

Cr₃C₂粉10-15%；

TiC粉1-5%；

WC粉1-5%；

CeO₂粉0.5-2%；

B粉1-3%；

Si粉1-3%；

MoS₂粉10-15%；

WS₂粉8-13%；

其余为NiCr粉；

其中，各组分重量百分比之和为100%。

2.根据权利要求1所述的激光熔覆材料，其特征在于：各组分的粉末粒度为270-500目。

3.一种提高挤出机效率的双螺杆表面激光熔覆方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1，打磨螺杆元件的表面去除粘附的塑料，并用酒精和/或丙酮去除表面污渍；

步骤2，按质量百分比称取Cr₃C₂粉10-15%，TiC粉1-5%，WC粉1-5%，CeO₂粉0.5-2%，B粉1-3%，Si粉1-3%，MoS₂粉10-15%，WS₂粉8-13%，其余为NiCr粉，其中，各组分重量百分比之和为100%，进行2-4小时的机械混合；

步骤3，将混合后的粉末置于真空环境下150-180℃加热保温0.5-2小时，以去除粉末中的结晶水，接着-270目～+500目过筛，装入送粉器，通过送粉熔覆头送粉；

步骤4，设定激光对螺杆基体的入射角为-30°～30°，激光熔覆功率为2～4kW，激光光斑直径0.5～2mm，送粉速度50～100g/min，熔覆层搭接率70～80％，熔覆线速度30～50m/min，氩气氛围，在进行超高速激光熔覆之前，先用火焰加热的方式对螺杆预热，预热温度为150℃~180℃，以此减少熔覆时的温度梯度，降低开裂敏感性，然后对螺杆基体进行超高速激光熔覆；

步骤5，熔覆结束后用保温棉包裹最后熔覆区域，实现熔覆层的缓冷，避免裂纹出现；

步骤6，最后用刷子去除螺杆熔覆层上的浮粉，得到表面激光熔覆的双螺杆。

4.根据权利要求3所述的激光熔覆方法，其特征在于：激光的入射角为-10°～10°。