当代注塑生产商在注塑化合物中添加越来越多的矿物添加剂和玻璃纤维以改进材料特性。这些混合物对塑化组分的耐磨性能产生了重大要求。一种新型螺杆系统可以大大提高其抗磨损性能。
一般使用塑化组分来加工标准塑料，主要采用渗氮或渗硼硬化表面。当需要增加更高含量的填充物时，则使用含量更高的合金工具钢，真空硬化可提供更长的使用寿命。在此背景下，Engel Austria GmbH公司于2000年推出了“Marathon（马拉松）”螺杆系统，虽然其对机械影响更敏感，但是可提供卓越的硬金属耐磨损性能。
奥地利注塑机制造商材料中心对所选的注塑机进行了为期两年的项目开发及广泛试验后，研发出一种商标名为“Engel Onyx”的硬金属镀层，并已对其提出专利申请（图1）。这种新系统可以根据需要改进镀层韧度和附着力，还可将这些特性提升300%。同时，在试验中，还可在水平本已极高的粉末冶金钢解决方案中提高产品的耐磨性能。自2009年4月以来，Onyx螺杆的供货直径范围可达25至70毫米。
潜在的开裂倾向
在加工填充物含量高的高性能塑料时，采用硬质金属镀层塑化螺杆的使用寿命更长（图2）。同时，硬金属镀层还可提供所需的耐磨性能；以下钢材可以支撑机械负载，此外，它的韧度高，对于冲击的承受力很高。
图2. 与我们所熟悉的硬质螺纹表面不同，这种新型螺杆的整个传送道（包括螺纹）
被厚度仅有十分之几毫米的硬金属镀层保护
虽然理论上看似清晰简单，但是实际操作证明技术难度很大，因为钢芯和硬金属镀层具有的材料特性不同。与钢不同，硬金属的韧性低，不能完全满足钢的弹性变形要求，因此它可能会开裂。硬金属的另一个特性是在钢元件上的附着性差，这就存在镀层剥落的风险。局部应变或机械损坏所产生的裂纹会导致这种剥落现象出现。Engel材料技术开发的目的是提高硬金属/钢的附着力，以及硬金属在实际应用中的耐磨损性能。
当矩阵的硬度与碳含量及其类型相匹配时，可产生硬度和碳含量最高的低缺陷镀层，硬金属的耐磨性达到最佳（图3）。镀层中的缺陷，如孔隙、裂纹和非金属物质（如氧化物或残渣）等是磨损的薄弱点，磨损由此而生。因此，若要保证长期的使用寿命，则需将制造工艺减至最低并尽量避免这些缺陷。开发用于塑化螺杆的新型防磨损系统可以达到该要求。
图3. 与其它材料（例如粉末冶金钢）相比，Onyx系统的耐磨性至少可翻倍
热性粒子束生成均匀镀层
只有平直和无应力的杆材料才可用于螺杆生产。通过铣削或旋转加工可使杆具有结实的螺杆轮廓。但是，若削减大量体积则会暴露内部应力。只有通过反复淬火和拉直才能制造出几乎完全平直的无应力螺杆坯料。
然后将螺杆坯料置入涂敷机中，并点燃燃烧器。为消除所有的残余湿气，将燃烧器沿着纵轴在坯料表面移动数次，接着粉末才会被激活。在燃烧器中，硬金属粉末被加热至大约1,200℃，且被加速至音速或超音速（300米/秒至2,000米/秒）。部分液化微粒以这一高速冲击表面并键入粗糙表面。热的粉末喷射很难被聚集—冲击表面的直径约为10毫米至20毫米。由于螺杆坯料具有复杂的三维几何形状且在90°的入射角度时涂敷最有效，因此需要倾斜燃烧器。
在充分的微粒速度下，即使粒子束边缘的入射角度略微偏离90°，也可进行低微孔的涂敷。炽热的粉末微粒被快速从1,200℃淬火至大约150℃，由此产生的体积缩小使镀层具有拉伸应力。较高动能的后续微粒遇到这种情况会在冲击和聚积压缩应力下造成镀层塑性变形。在30至60个行程中将高度均匀的镀层涂敷到整个螺杆轮廓上—螺纹棱面、螺纹侧面、从螺纹过渡至根部的半径面以及螺杆根部直径面。
将镀层置于惰性气体或真空烤炉内加工。为了防止翘曲或旋转，将螺杆悬挂起来。整个涂敷的螺杆坯料被慢慢地均匀加热；其产生的温度间隔较小，最低程度降低了热应力。加热将立方体结构的铁酸盐转化为立方体面心的奥氏体—镀层仍未改变。在停留期间，处于热动态极不均匀状态的镀层合金元素将均衡扩散。
基底材料的边界层也发生了变化，增加了其附着力。在保持时间之后，钢在多个阶段被冷却。冷却速率大大影响螺杆基底材料的结构转化和属性。如果冷却太慢，铁酸盐的结构将会极软，那么聚合物塑化期间注塑机内的机械特性则不足以承受注塑压力和扭力。快速冷却会导致基底材料的长度发生变化，同时基底材料和镀层之间会产生强大的热应力。这样会导致镀层开裂及螺杆翘曲。
设置所需的钢材性能
在阶段性冷却工艺中恰当地改变冷却速率可以从源头上避免这些错误，还可以优化镀层和基底材料特性，使得制造的螺杆几乎没有裂纹或翘曲。由于受到冷却控制，螺杆在拉直的过程中受到限制，因为其大部分需保持直度。后续400℃至650℃（取决于所使用的基底材料）的单一或重复的热处理及淬火设置了所需的钢材特性。然后对螺杆进行加工，以形成塑化所需的表面韧度—对外径进行圆形打磨，对螺纹轮廓打磨并对螺纹的进料口和出口进行成型和抛光。
镀层的主要特征是改进了螺杆的耐用性。这一结果被车间操作或将其作为备件被运输时所进行的模拟机械影响的“落锤撞击实验”确认。与其它镀层相比，其出现第一个裂纹时下降能量将增加300%（图4）。
图4. 在表面出现第一个裂纹时Onyx镀层的下落高度
（下落能量）比HVOF涂层螺杆高几倍
另外，通过热处理可以大幅提高附着力。虽然HVOF（高速氧燃料）标准镀层的附着力为90MPa至110MPa之间，但是，Onyx镀层可以达到250MPa至350Mpa（图5）。这一测量数值的提高大大降低了镀层开裂和剥落的风险。
图5. 新镀层的附着力比标准HVOF镀层的附着力大约高300%
长期稳定的操作范围
结合了韧性基底材料和高度耐磨镀层的材料引起了人们极大的兴趣，因为它可以量身定制其中的某个局部，使用寿命更长。由于螺杆通道的形状很均匀，塑化螺杆的新型防磨损系统可以确保长期稳定的操作，即使是加工填充物含量较高的聚合物。
Engel Austria GmbH
Ludwig-Engel-Strasse 1
A-4311 Schwertberg
Austria
电话：+43 50 620-0
传真：+43 50 620-3009
网址：www.engelglobal.com （完）
作者简介
Dl GOTTFR1ED POCKL博士生于1967年，负责奥地利Schwertberg市Engel Austria GmbH公司材料开发；
电子邮件：gottfried.poeckl@engel.at。
DIPL.-ING. ERICH HOCHREI TER生于1969年，负责Engel公司塑化系统技术开发；
电子邮件：erich.hochreiter@engel.at。
DI GEORG STEINBICHLER博士生于1955年，负责Engel公司的整个研发；
电子邮件：georg.steinbichler@engel.at
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