DE102008060494A1

DE102008060494A1 - Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Plastifizierschnecke

Info

Publication number: DE102008060494A1
Application number: DE102008060494A
Authority: DE
Inventors: Hans Berger-Steiner; Johann Mittmannsgruber; Gottfried Dl Dr. Pöckl
Original assignee: Engel Austria GmbH
Current assignee: Engel Austria GmbH
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2009-06-18
Also published as: CN101457335A; AT506261B1; AT506261A1; CN101457335B

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Plastifizierschnecke (1) zum Spritzgießen oder Extrudieren von Kunststoff, wobei zumindest die Verschleißoberflächen der Plastifizierschnecke (1) mit einer metallbasierten Legierung (2) beschichtet werden, umfassend die folgenden Schritte: - Beschichten mindestens der Verschleißoberflächen mit der Legierung (2) - Erhitzen der beschichteten Plastifizierschnecke (1) zum Verschmelzen der Legierung (2) mit der Plastifizierschnecke (1) - Abkühlen der beschichteten Plastifizierschnecke (1) wobei, wie an sich bekannt, beim Verschmelzen die gesamten beschichteten Verschleißoberflächen gleichzeitig einer Temperatur, welche über der Schmelztemperatur der Legierung (2) liegt, ausgesetzt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Plastifizierschnecke zum Spritzgießen oder Extrudieren von Kunststoff, wobei zumindest die Verschleißoberflächen der Plastifizierschnecke mit einer metallbasierten Legierung beschichtet werden, umfassend die folgenden Schritte:

– Beschichten mindestens der Verschleißoberflächen mit der Legierung
– Erhitzen der beschichteten Plastifizierschnecke zum Verschmelzen der Legierung mit der Plastifizierschnecke
– Abkühlen der beschichteten Plastifizierschnecke.

Aufgrund der hohen Materialbeanspruchung, wie beim Fördern, Pressen und Schmelzen von Kunststoffen in Spritzguss- und Extrusionsverfahren, haben die dort verwendeten Plastifizierschnecken einen hohen Verschleiß und dadurch bedingt nur eine begrenzte Lebensdauer. Eine Erhöhung der Lebensdauer wird ermöglicht durch Beschichten der Verschleißoberflächen mit einer metallbasierten Legierung, wie in der EP 0 542 631 beschrieben wird. Dort wird ein Verfahren zum Auftragen einer nickelbasierten Legierung, die Carbitteilchen enthält, die in der Matrix der Legierung dispergiert sind, auf Plastifizierschnecken angegeben. Dabei sind mehrere Erhitzungsvorgänge nötig, wobei insbesondere das Verschmelzen der Legierungen mit dem Substrat durch lokale Wärmeeinwirkung erfolgt, was sich nachteilig auf das Spannungsgefüge im Werkstoffverbund auswirken kann und die Gefahr von oberflächennahen martensitischen Gefügeumwandlungen mit sich bringt. Da weiters das Verschmelzen in einer Drehvorrichtung in horizontaler Position bei gleichzeitiger Rotation der Plastifizierschnecke erfolgt, ist ein Verzug zu erwarten, der zu einer Ungeradheit der Schnecke führt und somit Richtvorgänge nötig macht, die nachfolgend eine Schädigung der Schicht durch Rissbildung bewirken.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, eine Plastifizierschnecke mit einer hochverschleißbeständigen Beschichtung zu versehen, welche eine hohe Haftfestigkeit zum Grundwerkstoff aufweist und defektfrei bzw. defektarm hergestellt werden kann, wobei die Herstellung schneller und einfacher erfolgen soll als beim Stand der Technik.
Dies wird beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass beim Verschmelzen die gesamten beschichteten Verschleißoberflächen gleichzeitig einer Temperatur, welche über der Schmelztemperatur der Legierung liegt, ausgesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat also realisiert, dass metallbasierte Legierungen die Verschleißproblematik von Plastifizierschnecken verbessern können. Durch den im Wesentlichen gleichzeitigen Verschmelzungsprozess der Legierung mit dem Substrat auf der gesamten Verschleißoberfläche der Plastifizierschnecke kann eine lokale Wärmezufuhr und die dabei auftretenden Temperaturdifferenzen und Spannungen vermieden werden. Diese Vermeidung thermischer Spannungen ermöglicht eine weitgehende schwachstellenfreie Beschichtung, was wiederum zu einer Erhöhung der Lebensdauer führt.
Weitere vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Als Grundmaterial der Plastifizierschnecke, die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegt, dienen vorzugsweise gerade und spannungsfreie Stahlstäbe. Vorzugsweise werden dabei höher legierte Stähle mit einem Kohlenstoff von mehr als 0,3% verwendet und die einen höheren Gehalt an den Legierungselementen Chrom, Molybdän, Vanadium, Wolfram, Kobalt, Silizium, Mangan, Aluminium oder Nickel aufweisen, welche unter anderem eine bessere Härtbarkeit und Härteannahme beim Abkühlen erwirken. Je nach Stahl wird durch mehrmaliges Anlassen bei Temperaturen von 400°C bis 600°C der spröde Martensit entspannt bzw. Restaustenit umgewandelt.
Im weiteren Verlauf wird die Schneckenkontur gefräst oder gewirbelt, wodurch innere Spannungen des Materials entzwei geschnitten werden. Die beim vorzugsweise nachfolgenden Spannungsarmglühen bei 550°C bis 650°C häufig auftretende Ungeradheit des Materials wird gemessen und gegebenenfalls durch mechanisches Richten beseitigt. Ein neuerliches Glühen kann die dabei durch die geringfügigen plastischen Verformungen aufgetretenen mechanischen Spannungen wieder entfernen. Durch eventuell mehrmaliges Glühen und Richten erreicht man insgesamt einen spannungsarmen, geraden Plastifzierschneckenrohling.
Die Plastifzierschnecke, insbesondere deren Verschleißoberflächen, können, falls erforderlich, vor dem eigentlichen Beschichtungsvorgang gereinigt und vorzugsweise mit Alkohol entfettet werden. Um die Haftungseigenschaften der Legierung auf dem Substrat zu verbessern, kann es weiters vorgesehen sein, dass die Verschleißoberflächen der Plastifizierschnecke durch Sandstrahlen etwa mit hochreinem Korund Aluminiumoxid aufgeraut werden.
Zum Auftragen der Legierung wird die Plastifizierschnecke in eine geeignete Werkzeugmaschine, zB in den Drehtisch einer Beschichtungsanlage gespannt. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Legierung in Pulverform umfassend ein Spray-and-Fuse-Pulver sowie ein Hartphasenpulver in einem Brenner auf eine Temperatur von beispielsweise 1.200°C erwärmt und beschleunigt, sodass sie mit einer hohen Geschwindigkeit auf die eventuell aufgerauten Verschleißoberflächen der Plastifizierschnecken treffen. Dabei kann es auch vorgesehen sein, dass der Brenner vor der Pulverzufuhr zum Entfernen von eventuell vorhandener Restfeuchtigkeit über die Verschleißoberflächen geführt wird und diese damit aufheizt. Pro Sprühdurchgang werden dabei etwa 5 μm bis 20 μm Schichtdicke abgetragen. Da die Plastifizierschnecke eine komplexe Geometrie aufweist, kann die Abfolge der zu besprühenden Flächen und die Sprührichtungen optimiert werden. In mehreren Durchgängen dieser Abfolge wird schließlich die gesamte Legierung auf die Plastifizierschnecke aufgetragen, wie in EP 0 801 690 B2 beschrieben.
Eine ausreichende Geschwindigkeit der auftreffenden Legierungsteilchen stellt dabei sicher, dass eine porenfreie Schicht auch dann entsteht, wenn im Randbereich des Strahls kein optimaler Auftreffwinkel vorliegt. Durch den auftreffenden Strahl von Legierungsteilchen wird Wärme der Plastifizierschnecke zugeführt, was zu einer Erhöhung der Oberflächentemperatur führt. Dabei kann vorgesehen sein, mittels einer Kühlvorrichtung, etwa Luftkühlen, eine konstante Oberflächentemperatur der Plastifizierschnecke von 120°C bis 170°C sicherzustellen. Eine zu geringe Temperatur könnte zu Problemen mit der Feuchtigkeit führen, wogegen eine zu hohe Temperatur zu Spannungen zwischen Schicht und Grundwerkstoff und nachfolgend zur Rissbildung beim Abkühlen nach dem Beschichten führen könnte. Nach dem Auftrag einer möglichst homogenen Schicht mit einer Dicke von vorzugsweise 0,3 mm bis 0,5 mm über die gesamte Kontur der Plastifizierschnecke kann diese auf Raumtemperatur gekühlt und anschließend vermessen und protokolliert werden. Das Verschmelzen der Schicht mit dem Substrat, wodurch die mechanische Verbindung in eine metallurgische Verbindung umgewandelt wird, erfolgt durch Erhitzen in einem Ofen, etwa einem Schutzgas- oder Vakuumofen. Vorzugsweise wird dabei die gesamte Plastifizierschnecke erhitzt und in einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens dabei hängend gelagert und nicht bewegt. Dadurch können ein Verzug der Schnecke sowie Drehbewegungen vermieden werden. Um eine möglichst homogene Temperaturverteilung einerseits entlang der Längsachse der Plastifizierschnecke, andererseits im Inneren zwischen Außendurchmesser und Kern der Plastifizierschnecke zu gewährleisten und große Temperaturdifferenzen zu vermeiden, kann die beschichtete Plastifizierschnecke nach einem vorgegebenen Erhitzungsprofil erwärmt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Erhitzung zunächst möglichst gleichmäßig erfolgt und vor dem eigentlichen Verschmelzungsprozess zur Temperaturvergleichmäßigung die Plastifizierschnecke für vorzugsweise 30 min einer Temperatur von 950°C ausgesetzt wird. Danach wird die Plastifizierschnecke auf die bereits vorher festgelegte Verschmelzungstemperatur von 1.000°C bis 1.150°C weiter erhitzt. Es ist verständlich, dass die Temperaturanstiegszeiten, Temperaturverweilzeiten und die Verschmelzungstemperatur abhängig von der Masse und dem Material des Substrats bzw. der Legierung etwa dem Legierungsgehalt des Spray-and-Fuse-Pulvers und von Anteil und Zusammensetzung der Hartphasen sind. Für jede Legierungsmischung gibt es dabei eine optimale Verschmelzungstemperatur, die beispielsweise anhand einer Probenserie bestimmt werden kann.
Nach einer Haltezeit von vorzugsweise 30 min oder mehr bei größeren Abmessungen zur Harmonisierung der Temperaturverteilung erfolgt die Abkühlung der erhitzten Plastifizierschnecke. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist dabei vorgesehen, die Abkühlung nach einem vorher festgelegten Abkühlungsprofil in vorzugsweise mehreren Stufen erfolgen zu lassen. Die Erstarrungsgeschwindigkeit der während der Erstarrung der aufgeschmolzenen Legierung ablaufenden Transportvorgänge in der Schmelze bestimmt die Gefügefeinheit, welche einen wichtigen Einfluss auf die Härte der Schicht hat. Auch die weitere Abkühlgeschwindigkeit hat wesentlichen Einfluss auf die Schichthärte und damit die Verschleißbeständigkeit und die Bruchdehnung der Schicht sowie auch auf die Gefügeumwandlung und die Eigenschaften des Grundwerkstoffs der Plastifizierschnecke. Eine zu langsame Abkühlung führt dabei zu weichem ferritischem Gefüge, welches den hohen Spritzdrücken und Drehmomenten bei der Plastifizierung von Kunststoff in Spritzgießmaschinen nicht standhalten kann. Eine zu rasche Abkühlung andererseits führt zu großen thermischen Spannungen zwischen Grundwerkstoff und Beschichtung. Dies führt zur Bildung von Rissen, die die Lebensdauer der Plastifizierschnecke verkürzen, sowie zum Verzug der Plastifizierschnecke. Ein optimiertes Abkühlprofil, vorzugsweise mit mehreren Stufen und variabler Abkühlgeschwindigkeit je nach ablaufendem Vorgang, ermöglicht eine nahezu rissfreie Beschichtung sowie nahezu verzugsfreie Plastifizierschnecken, wodurch ein mechanisches Richten der Plastifizierschnecken nur in sehr geringem Ausmaß nötig werden kann.
Das nachfolgende Beispiel erläutert das Verschmelzen der Legierung mit dem Grundwerkstoff sowie den nachfolgenden Abkühlungsvorgang im erfindungsgemäßen Verfahren anhand eines konkreten Beispiels für eine Plastifizierschnecke mit einem Durchmesser von 35 mm bestehend aus dem Grundwerkstoff 31 CrMoV9.
Zunächst wird die nach dem oben beschriebenen Verfahren beschichtete Plastifizierschnecke in einem Ofen auf eine Temperatur von ca. 1095°C erwärmt. Bei einer Haltezeit von ca. 30 min erfolgt das Verschmelzen der Legierung mit dem Grundwerkstoff. Danach folgt der mehrstufige Abkühlungsprozess. Zunächst wird mit einer Sinkrate von etwa 200°/h auf eine Temperatur von ca. 950° gekühlt. Danach erfolgt ein Abkühlen mit etwa 500°/h bis die Plastifizierschnecke eine Temperatur von 550°C erreicht, wo sie zur Harmonisierung der Temperaturverteilung für ca. 1 h gehalten wird. Schlussendlich wird die Plastifizierschnecke mit einer Rate von ca. 400°/h auf Raumtemperatur gekühlt.
Es versteht sich von selbst, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf dieses konkrete Ausführungsbeispiel beschränkt ist, noch durch dieses eingeschränkt werden soll.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung werden anhand der nachfolgend beschriebenen Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Plastifizierschnecke,
2 eine Detailansicht des in 1 mit einem Kreis markierten Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Plastifzierschnecke,
3 eine Seitenansicht des Vorgangs der Beschichtung einer Plastifizierschnecke mit der Legierung und
4 eine Draufsicht des Vorgangs der Beschichtung einer Plastifzierschnecke mit der Legierung.
1 zeigt in einer Seitenansicht eine erfindungsgemäße Plastifzierschnecke 1. Der mit einem Kreis markierte Ausschnitt wird in einer Detailansicht in 2 gezeigt. Hier kann man die ausgetragene Legierung 2 erkennen. 3 zeigt schematisch den Vorgang des Beschichtens der Plastifizierschnecke in einer Seitenansicht. In dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Legierung 2 in Pulverform einem Brenner 3 zugeführt und dann auf die rotierende Plastifizierschnecke aufgesprüht. In der Draufsicht in 4 ist zusätzlich die Gaszufuhr für einen vorzugsweise verwendeten Brenner dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0542631 [0002]
- EP 0801690 B2 [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Plastifizierschnecke zum Spritzgießen oder Extrudieren von Kunststoff, wobei zumindest die Verschleißoberflächen der Plastifizierschnecke (1) mit einer metallbasierten Legierung (1) beschichtet werden, umfassend die folgenden Schritte: – Beschichten mindestens der Verschleißoberflächen mit der Legierung (2) – Erhitzen der beschichteten Plastifizierschnecke (1) zum Verschmelzen der Legierung (2) mit der Plastifizierschnecke (1) – Abkühlen der beschichteten Plastifizierschnecke (1) dadurch gekennzeichnet, dass beim Verschmelzen die gesamten beschichteten Verschleißoberflächen gleichzeitig einer Temperatur, welche über der Schmelztemperatur der Legierung (2) liegt, ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte beschichtete Plastifizierschnecke (1) gleichzeitig einer Temperatur, welche über der Schmelztemperatur der Legierung (2) liegt, ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifizierschnecke (1) während des Erhitzens zum Verschmelzen im Wesentlichen lotrecht gelagert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifizierschnecke (1) während des Erhitzens zum Verschmelzen nicht bewegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Erhitzens nach einem vorgegebenen Erhitzungsprofil erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, der die Plastifizierschnecke (1) während des Verschmelzens ausgesetzt ist, in einem Bereich von 1000 bis 1150°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifizierschnecke (1) vor dem eigentlichen Verschmelzen einer Temperatur von ca. 950°C, vorzugsweise für ca. 30 min, ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, der die Plastifizierschnecke während des Verschmelzens ausgesetzt ist, für ca. 30 min aufrecht erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abkühlungsprozess nach einem vorgegebenen Abkühlungsprofil erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung der Plastifizierschnecke (1) durch Aufsprühen eines Pulvers, welches die Legierung (2) umfasst, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufsprühen nach einer vorher festgelegten Abfolge der zu besprühenden Verschleißoberflächen der Plastifizierschnecke (1) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver in einem Brenner (3) vor dem Aufsprühen erhitzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Brenner (3) vor dem Beschichten mindestens einmal ohne Pulverzufuhr über die Oberfläche der Plastifizierschnecke (1) geführt wird, um die Restfeuchtigkeit zu entfernen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die durch das Aufsprühen des Pulvers zugeführte Wärme sowie gegebenenfalls Kühlen eine Oberflächentemperatur der Plastifizierschnecke (1) von 120°C bis 170°C sicherstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifizierschnecke (1) nach dem Beschichten auf Raumtemperatur gekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißoberflächen der Plastifizierschnecke (1) vor dem Beschichten gereinigt werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung eine Entfettung der Verschleißoberflächen der Plastifizierschnecke (1) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißoberflächen der Plastifizierschnecke (1) durch Sandstrahlen aufgeraut wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißoberflächen der Plastifizierschnecke (1) durch Sandstrahlen mittels hochreinem Korund Aluminiumoxid aufgeraut wird.