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保护螺杆和机筒的方法
作者:Flite Technology公司 Ron Anderson
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塑料挤出机展厅
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为防止螺杆和机筒被腐蚀性、磨蚀性和耐高温树脂损害,最好的办法是选择合适的材料制造螺杆和机筒,并建立预防性的维护方案,本文就这两个方面给出了一些建议。

腐蚀性、磨蚀性和耐高温的树脂有可能在不知不觉中损害螺杆和机筒。例如,部分工程材料、热塑性弹性体和生物高分子材料,有时会形成一种腐蚀性环境。另外,增强材料(如玻璃纤维、玻璃球等)、某些填料以及添加剂,都具有磨蚀性。

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高度抛光的FTXC-4000双金属螺杆,带有整体碳化铬涂层

为避免影响生产效率和产品质量,加工商必须密切监测这些材料可能会对设备造成的危害。为了保持较高的加工标准,建立一种预防性的维护方案(以下简称“PM方案”)非常必要。在需要的时候,应该对螺杆和机筒进行检查和测量,并将螺杆拉出来,重新进行安装或更换,因为极小的磨损也会影响产品质量。

保护设备免遭腐蚀性和磨蚀性树脂的损害,最好的办法是选择合适的材料来制造螺杆和机筒。为应对腐蚀性、磨损性和耐高温的熔体而制造耐耗损机筒和螺杆,其加工成本超过标准的聚烯烃用螺杆约3~4倍。这是因为耐耗损合金的价格比较昂贵,并且很难加工。但它们能提供更长的使用寿命,并且维修的间隔可以更长。

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图1 这根采用常规4140HT钢制成的进料螺杆,其表面的点腐蚀是因为加工高度腐蚀性聚合物造成的

耐耗损材料

在加工过程中,当金属受到能溶解氧化物涂层的酸性液体(或气体)攻击时,就会发生腐蚀性磨损,如机筒和螺杆表面的点腐蚀。腐蚀性很强的聚合物,包括产生盐酸的聚氯乙烯、产生甲酸的缩醛以及产生氢氟酸的含氟聚合物,而其他腐蚀性熔体中,一般含有阻燃剂和发泡剂。复合钢、氮化钢或工具钢制成的标准机筒,可以在很短的时间内被含氟聚合物严重损坏。

通常,树脂制造商会为改进加工设备提供一些建议。杜邦公司指出,当加工Teflon含氟聚合物时,挤出设备中所有接触到该熔体的部件必须使用特殊的耐腐蚀材料制造,材料可以选用不受酸影响的镍基合金。

另外,杜邦公司还指出,加工含氟聚合物可以使用硬化镀镍板,但不建议使用镀铬机筒和螺杆,同时需注意,镀镍板中的小孔、缺口或裂纹会影响产品的性能。

NatureWorks公司是Ingeo生物塑料的制造商,该公司建议对所有的加工设备使用不锈钢,以尽量减少腐蚀。同时,该公司指出,PLA(聚乳酸)不应该在熔融温度下,被长时间放在挤出机、高分子过滤器、传输线或挤出系统的其他部分中。

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图2 如果机筒和螺杆的热膨胀系数存在差异,就会产生咬合现象,这会对螺纹造成严重损害

耐腐蚀材料具有比标准钢更低的热膨胀系数(CTE),这可能会在加工高温树脂(如含氟聚合物)的过程中产生麻烦。当机筒的热膨胀系数与螺杆不同时,螺杆与机筒的间隙会发生变化,最终产生螺杆咬合和机筒损坏的问题。因此,保持螺杆和机筒的匹配很重要。螺杆和机筒的制造商可以在选配这些部件时,提供专业知识的建议。

坚韧的增强材料和其他硬质颗粒对机筒和螺杆表面产生的磨损,可以通过使用坚硬的耐磨损合金和涂层来减轻。例如,用于机筒内衬和螺杆硬化表面的钨合金可以提供极好的保护。

碳含量会影响合金的硬度。对于螺杆,中碳热处理钢通常被用来作为底层,将其硬化表面与螺纹顶部焊接起来。

螺杆常常用硬化钴或镍基焊件进行表面处理,也可以使用表面硬化或贯穿硬化的工具钢制造。Colmonoy 56是一种镍/铬/硼合金,通常用于防止螺杆免遭轻度腐蚀性和轻度磨损树脂的损伤。Colmonoy 83表面硬化可以提供更多的保护,但同时价格也更高。

耐磨合金的双金属机筒内衬可在各种磨损情况下提供保护,并提供一系列的成本/性能选项,其中在耐腐蚀方面,性能最好的是用于注塑和挤塑的热等静压机筒(以下简称“HIP机筒”)。甚至是含氟聚合物都对该类机筒没有威胁。该类机筒上有一层富含镍的硼合金保护层,同时在该保护层中,含有钼以及硼化物和碳化物的基体。

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图4 这根螺杆表面受到的严重侵蚀是由机筒和螺杆不匹配造成的

据称,当使用耐腐蚀螺杆时,HIP机筒大大减少了从机筒内腔中吸收的铁粒子数量。当然,这种级别的保护需要更高的价格。只要机筒出料端用铬/镍/铁合金(以下简称“Inconel”)浇铸,并且换能器孔和凸缘的表面也用Inconel制造,就可以使用镍/铬合金和钨制造机筒。同时,这些机筒的价格要比HIP机筒的价格低。

预防性维护

过度磨损会给加工商带来很严重的损失。螺杆螺纹和机筒表面之间过多的间隙,会影响机器的性能、效率和能源消耗。在挤塑中,磨损的发生可能会使挤出量更低,因此需要更高的螺杆转速和能源用量。同时,这也通常伴随着更高的熔融温度以及更多的质量问题。

通过良好的PM计划,对关键的螺杆/机筒间隙进行仔细检测,可以确保最大化的加工挤出量,同时,也不会有非计划的停机时间。当生产对质量要求很高的部件时,PM计划变得更加重要,例如生产用于医疗器械的医用导管和组件。

检测的过程是,将螺杆拉出并进行彻底清洗,同时趁热检查螺纹的外径(OD)和机筒的内径(ID)。螺杆和机筒表面上的塑料材料,可以用钢丝刷和铜丝网去掉。精密磨损测量仪器可实现准确测量并易于使用,并且有各种规格和功能可供选择。

首先,将机筒中的塑料清除,然后将一个电子孔径计插入机筒,在每一个测量位置上读取ID数据。螺杆的螺纹直径和深度可以通过螺纹测微计进行测量,同时该数字型号的测试器提供液晶读数,将数据记录到计算机中。

为了能够预测螺杆或机筒将何时需要更换或修理,并把停机安排在一个有利的时间,需要进行定期测量。对尺寸为5.08cm的一对新的螺杆和机筒来说,推荐的间隙范围为0.01016~0.01524cm。

有一条经验法则是,螺杆与机筒的合理间隙一般是尺寸的1/1000。当超过允许的最大间隙时,应重新组装螺杆。相对于完全更换,维修服务能够以更低的成本使磨损部件重新投入使用。另外,注塑机筒在磨损部分,可以重新更换衬套,而挤出机机筒通常是将整个衬套换掉,所以维修费用更加昂贵,从而不具有成本效益。

一旦螺杆在某一点被磨损,熔体就会回到螺纹,导致螺杆和机筒的磨损进一步加快。严重的磨损会导致大量的树脂被浪费,并使生产率降低。但是,通过定期的PM检测,可以防止严重磨损的发生。最好的维护策略,就是使螺杆/机筒间隙一直保持在合理的范围之内。
文章内容仅供参考 (投稿) (10/17/2012)
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