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陶瓷挤出机螺杆制造材料初探

来源:荣格-《国际塑料商情》     发布时间:2021-04-09
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几乎每一个从事陶瓷类物料挤出的用户都关心因挤出机极端的摩擦磨损和腐蚀磨损而导致的螺杆快速失效、挤出机核心部件使用寿命短等问题。下面就陶瓷挤出机螺杆制造材料的选择介绍相关经验供大家参考。


1、螺杆表面强化的手段有多种,包括螺杆工作表面采用合金保护层的双金属螺杆、整个螺纹元件采用硬质合金材料制造的螺杆等。以德国著名陶瓷挤出机生产厂ETC公司为例,他们的陶瓷挤出机螺杆制造材料按成本配置从低至高的排序,分别有1.4112马氏体不锈钢淬火型、粉末冶金高温等静压PM-HIP铸造型以及全钨钢硬质合金型等。


2、由于陶瓷物料在挤出过程中的排气十分重要,因此陶瓷挤出机一般需要采用中间排气的双阶挤出机形式,物料从上阶挤出机挤出后经过真空排气再进入到下阶挤出机。在物料运行的过程中,物料作用在挤出机螺杆上的磨损和腐蚀在不同的位置是有差异的,因此组合式的螺纹元件在不同位置上的磨损失效也是不同的。针对这个差异,性价比更好的方法是针对螺杆不同位置而功能化配置不同制造材料的螺纹元件,详见图1所示。


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3、有用户提出是不是可以在螺杆表面增加陶瓷涂层的工艺方法来提高螺杆的使用寿命,例如增加氧化铝涂层(Alumina Coating)螺杆,作为从事挤出机行业三十年以上、尤其是专业的挤出机核心部件制造材料研发的公司,我们并不建议采用这个涂层的方法,理由是:


A、理论上无论是氧化铝涂层,纳米级氧化铝涂层,还是氧化铝-氧化钛涂层,甚至是碳化物涂层等,都属于陶瓷类“涂层”,涂层的成型工艺方法有气相沉积和液相沉积二种。致命的问题是无论采用哪一种沉积工艺方法,涂层的厚度都是非常有限。一般气相沉积的涂层厚度仅仅0.006mm,而液相沉积的涂层厚度虽然可以达到0.02mm,但是也真的是非常薄。试想陶瓷挤出机的物料整个就是氧化铝(虽然有少量有机物粘接剂),大量氧化铝物料在剪切摩擦螺杆表面仅仅厚度即便为0.02mm的涂层,这个涂层能够经得起这个摩擦磨损吗?可以下结论的是,无论螺杆采用哪一种涂层强化,在陶瓷挤出机的特殊工况条件下的使用寿命一定都是非常有限的;


B、所有挤出机在工作状态下都存在二大类磨损,一类是上面提到的螺杆的螺棱在推动物料作正向位移时螺杆剪切物料的“剪切磨损”,另一类是由于螺杆悬臂安装在机筒内,螺杆螺棱表面与机筒内壁之间存在的“接触磨损”,也称之为金属材料之间的“匹配磨损”。理论上同种金属材料之间的匹配磨损系数最大,也就是最容易互相被“摩擦掉”。在运行氧化铝物料的陶瓷挤出机上,如果一定要选择涂层加强,也绝对不可以选择氧化铝涂层,最佳选择只能是碳化钨涂层。


下面列举了四种金属之间材料的匹配磨损系数,可以看到差异之大(图2)。
4、陶瓷挤出机的螺杆制造成本,在挤出机报价中所占比例非常高。如果螺纹元件全部采用钨钢型硬质合金材料制造,计算的螺杆制造成本几乎将占到挤出机报价的40%以上。因此,世界上几乎所有著名挤出机制造公司在面对挤出机极端磨损工况条件下,一般都采用螺纹元件组合的“功能化配置”方法,例如德国W&P公司、德国ETC公司等。

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5、原元康在陶瓷挤出机螺杆组合的功能化配置方面,一般上阶挤出机的螺纹元件全部采用1.4112马氏体不锈钢制造,而下阶挤出机除了在靠近承受大背压、摩擦磨损十分尖锐的机头段,编号1、编号2和编号3(见图1的螺纹元件配置图)采用PM-HIP成型的WR14粉末钢以外,其它元件基本也都采用1.4112马氏体不锈钢制造。


WR14材料是一种从欧洲进口的高铬高钒含量、具有高耐磨损耐腐蚀性能的粉末合金工具钢。由于金属成分中均匀分布的大量坚硬的碳化物的存在,同时材料在高温高压下成型而取得的极高的致密性,因此WR14钢材具有出色的耐磨损性能和良好的韧性,又由于合金成分中含有大量的铬元素而使得WR14同时具有优良的抗腐蚀性能。WR14粉末钢的形态、元素成份、机械性能及其抗磨损抗腐蚀特性见图3。


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我们的经验是:有针对性的采用上述不同制造材料螺纹元件的功能化配置方法,可以得到十分理想的陶瓷挤出机的性价比。


来源:荣格-《国际塑料商情》


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