合金层达标是双金属机筒(衬套)的技术条件首选

来源:国际塑料商情

发布时间:2020年4月30日下午 03:04:51

作为国内双金属机筒和双金属螺杆的研发单位,上海原元康机械设备有限公司(以下简称“上海原元康”)常常被用户问到一些有关双金属机筒(衬套)合金保护层缺陷的问题,例如为什么合金层的硬度偏低或硬度不均匀?为什么较厚的合金层其硬度表现往往偏低?耐磨损性能下降许多?为什么合金层会开裂,甚至会剥落?
作为国内双金属机筒和双金属螺杆的研发单位,上海原元康机械设备有限公司(以下简称“上海原元康”)常常被用户问到一些有关双金属机筒(衬套)合金保护层缺陷的问题,例如为什么合金层的硬度偏低或硬度不均匀?为什么较厚的合金层其硬度表现往往偏低?耐磨损性能下降许多?为什么合金层会开裂,甚至会剥落?
 
从理论上进一步搞清楚双金属合金层的成型方法,有助于用户找到上述合金层缺陷产生原因的答案,有助于双金属技术能够沿着正确的方向前行,有助于塑胶制品行业挤出机核心部件使用寿命的提升。
 
众所周知,合金成份因比重而偏析是铸造中三大类元素偏析之一,尤其当铸造受到一定外力作用的情况下,这个比重偏析发生的概率更高,情况更严重。双金属机筒(衬套)的合金保护层是怎么成型的呢?它恰恰是在离心力的作用下铸造成型的(图1)。合金层之所以能够贴合在机筒内孔壁上,利用的就是离心力。在离心力的作用下,液化的比重较大的合金材料被“推压”在机筒内孔壁冷却而形成合金保护层,比重较小的杂质则被留在了合金层的表面被最终加工掉。
 
 
图1 正在离心铸造的熔胶筒
 
合金层之所以耐磨损,是由于层内的各合金元素在高温下液化相变后分别与碳原子结合,形成了不同种类的碳化物,这些碳化物微小颗粒硬度非常高,因此被称之为“硬质相”。例如,上海原元康早期研发而目前被广泛使用的耐磨铁基Ω101合金材料,元素液化后就分别形成了碳化镍,碳化铬,碳化锰,
 
碳化硼和碳化硅等(图2)。正是由于这些硬质相的抗磨损作用,使得合金层可以真正名副其实地成为机筒(衬套)的“保护层”。
 
 
图2 上海原元康早期研发而目前被广泛使用的耐磨铁基Ω101合金材 料,元素液化后就分别形成了碳化镍,碳化铬,碳化锰,碳化硼和碳化硅等
 
那么,符合什么样标准的合金层才是可以真正起到保护作用的呢?上海原元康认为,只要满足二个基本技术条件就可以,一是合金保护层的厚度应该在1.5~2.5mm区间,且其硬度,例如Ω101合金的HRC58~64,在整个合金层内应该均匀表现;二是合金层与母材结合界面在微观上应该金相互锁,在宏观上合金层与母材的交界面则应该清楚如图2。
 
由于受到较大的离心力的作用,合金层比重偏析的矛盾就突显了。上面提到的各元素形成的碳化物比重,按碳化镍,碳化铬,碳化锰,碳化硼和碳化硅的顺序依次递减。首位的碳化镍比重比末尾的碳化硅甚至大了3.3倍。这些碳化物微小颗粒因其比重较大的差异,若离心铸造工艺掌控不当,极易造成局部离心工作层碳化物的偏析,形成各类碳化物数量沿固-液界面平行呈带状的不同富集区。
 
为了了解合金层内各类碳化物成份偏析情况,上海原元康采用了EDAX-9100能谱仪对用户提供的问题双金属衬套进行了分析,结果显示,碳化镍硬质相因其比重相对较高,受离心力作用而富集于合金保护层与母材的交界区域。从这个区域由里而外的分布,则依次是碳化铬→碳化锰→碳化堋→碳化硅...等。这真的是一个可怕的现象,这些硬质相的分布所造成的硬度梯度,不但严重地损失了合金保护层理论上应该具有的高抗磨损性能,而且埋下了碳化物带状富集区中尖锐片状石墨这个应力源,合金层的裂纹极易沿尖锐片状石墨扩展,最终造成合金层的剥离。学界认为碳化物的局部富集是裂纹的萌源地,也是裂纹扩展速率最高的相分,得到了实践的论证。
 
国内许多双金属机筒生产商受条件限制而往往采用一般低功率电炉来加热机筒,低功率电炉的固有缺陷是加热机筒速度慢,时间长,这就为合金层内硬质相颗粒的烧损和转移创造了条件。与合金层交界的含碳量仅为0.45左右的45钢母材熔质原子,在持续高温条件下接受了合金层富碳的“潜移默化”而降低了熔点,这些游离于固液相之间的原子因比重较小,受离心力作用由里而外地向合金层转移和扩散,并且不断吸附新的碳原子,降低着合金层原有的含碳量。反之,合金层内比重较大的合金元素则受离心力的作用而由外而里地向固-液界面转移,于是在母材和合金层的固-液界面之间形成了一个新的扩散区间(图3),这个区间把比重相对较小的铁原子吸引了过来,同时把比重较大的碳化物硬质相也吸引了过来,其结果是降低了合金层内碳化物硬质相的比例,降低了合金层理论上应该具有的硬度,降低了合金层的耐磨损性能。由于这个扩散区的存在,导致不达标的合金层在宏观上几乎无法用肉眼清楚判断其与母材的交界线,合金层的这个交界线不清楚的现象可以帮助我们简单地判断合金层内碳化物是否转移,合金层硬度和耐磨损性能是否达标这个问题。
 
防止和降低比重偏析,尽可能保持合金层内的硬质相数量、保持合金层的抗磨损性能,这需要严格遵守双金属机筒(衬套)的铸造成型工艺规范。这些规范包括严格控制机筒在炉内的加热时间,控制机筒在离心机上的冷却时间,控制机筒所承受的离心力等。
 
 
图3 合金层与母材之间存在扩散区域,因此重偏析而降低了合金层内碳化物的正常比例,降低了合金层硬度

 

本文由上海原元康机械设备有限公司供稿

 

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