擠壓造粒機螺桿元件表面激光熔覆工藝研究

王立凱 ，孟巖 ，王祿 ，張廣偉

(1. 國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司烯烴一分公司，寧夏，銀川 750409 ；2. 大連橡膠塑料機械有限公司，遼寧 大連 116039)

螺桿擠壓造粒機是利用壓力使固體物料進(jìn)行團(tuán)聚的干法造粒過程。該設(shè)備通過混煉、擠壓、造粒等過程將聚合物原料制成粒料，有效地實現(xiàn)了產(chǎn)品使用性能的改進(jìn)與提高，更方便后續(xù)的計量、運輸?shù)炔僮鱗1]。作為連續(xù)混煉設(shè)備雙螺桿擠出機主要用于塑料改性，它是隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的[2]。擠壓造粒機由擠壓系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和加熱冷卻系統(tǒng)組成。擠壓系統(tǒng)包括螺桿、機筒、料斗、機頭、和模具。

螺桿是擠塑機的最主要部件, 它直接關(guān)系到擠塑機的應(yīng)用范圍和生產(chǎn)率, 由高強度耐腐蝕的合金鋼制成。螺桿擠出機是塑料成形和共混改性方面的核心裝備。在實際共混改性生產(chǎn)過程中，擠出機的螺桿都處在惡劣的高壓高溫環(huán)境，并且承受著巨大的摩擦力與剪切力。由于特殊的工作環(huán)境，擠出機螺桿并不是常見的金屬與金屬之間的摩擦，而是金屬與高分子聚合物，因此螺桿表面的磨損情況經(jīng)常比較嚴(yán)重。

螺桿的磨損使其與料筒的間距增加，影響了螺桿對物料的壓縮與剪切，從而將導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的下降。另一方面，頻繁更換磨損失效的螺桿既增加了成本，又耽誤了生產(chǎn)計劃，造成生產(chǎn)效率降低。因此對于磨損的螺桿通常進(jìn)行修復(fù)而非更換，來降低成本，提高生產(chǎn)效率。

激光熔覆技術(shù)是一種先進(jìn)的材料表面改性技術(shù)，具有稀釋率小、熔覆層組織致密、涂層與基體結(jié)合良好及工作環(huán)境無污染等優(yōu)點[3～4]，可以解決傳統(tǒng)修理方法中材料選用的局限性、工藝過程熱應(yīng)力、熱變形、材料晶體粗大、基體材料結(jié)合強度難以保證的問題。因此本文通過實驗來驗證使用激光熔覆技術(shù)修復(fù)螺桿元件的可行性。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

本次實驗選用的基體材料為38CrMoAl，規(guī)格為100 mm×50 mm×20 mm。采用1#、2#兩種激光熔覆材料。熔覆材料化學(xué)成分見表1 所示，激光熔覆工藝參數(shù)見表2 所示。

表1 激光熔覆材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 激光熔覆工藝參數(shù)

1.2 試驗方法

利用線切割在試件上進(jìn)行取樣， 規(guī)格為20 mm×15 mm×15 mm，取樣方向為堆焊層至基體截面位置。采用CLYMP VF-DEM 型光學(xué)顯微鏡觀察堆焊層的組織形貌。利用HV-3000 型顯微硬度計測量試樣硬度梯度分布。采用ML-10 磨損試驗機進(jìn)行常溫耐磨性試驗，試驗載荷為3 kg，轉(zhuǎn)速為120 r/min，磨損時間為10 min，與45#鋼淬火（51.2 HRC）試樣作對比分析。使用S-3400N 掃描電子顯微鏡觀察使用后堆焊層的組織形貌和成分變化。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 熔覆金屬組織形貌

圖1 為在光學(xué)顯微鏡不同放大倍數(shù)下的堆焊層和母材微觀組織形貌。圖1(a) 為1#式樣的組織形貌，圖1(b) 為2#式樣的組織形貌。從圖中可以明顯看到堆焊層在不同道次下的組織形貌。淺色部分為堆焊層，深色部分為母材。在界面結(jié)合處可以看到，形成了較為緊密的冶金結(jié)合，其中間有一條細(xì)小的過渡區(qū)，過渡區(qū)尺寸約為5 μm。這是由于激光熔覆過程中，母材溫度低，熔池溫度高，在熔池和基體之間形成垂直于界面的巨大溫度梯度。熔池液體沿垂直于界面的最大散熱方向快速生長，形成了明顯的樹枝晶。

圖1 熔覆金屬焊態(tài)組織形貌

同時，隨著熔覆金屬中的B、W 等合金元素的增加，其組織也發(fā)生了變化，細(xì)小的硬質(zhì)相化合物均勻彌散分布在枝晶狀的馬氏體周圍，起到彌散強化的作用。

2.2 熔覆金屬成分

圖2(a) 為試件從堆焊層到基體的線掃描區(qū)域劃分。圖2(b) 為各元素隨位置不同的含量變化。

圖2 熔覆金屬成分分析

從Fe 元素的含量變化看，過渡層較薄，堆焊層的稀釋率非常低，說明激光堆焊工藝有助于控制稀釋率。Cr、Ni 元素的含量變化不大，元素?zé)龘p較少。

2.3 硬度測試

表3 和表4 為兩種熔覆金屬表面硬度分布，選取了3 個范圍，每個范圍取5 點，計算出平均值。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知，1#熔覆金屬的表面硬度在HRC50～52之間，2#試件的表面硬度在HRC54～57 之間，且兩種熔覆金屬的硬度變化范圍差異性不大，說明激光熔覆對硬度的波動性影響很小。2#試件硬度高于1#試件，說明2#試件內(nèi)部面的硬質(zhì)強化相增多，耐磨性能也能夠增加。

表3 1#激光熔覆試樣表面硬度

表4 2#激光熔覆試樣表面硬度

2.4 耐磨性測試

試驗是在ML-10 型圓盤銷式磨粒磨損試驗機上進(jìn)行。試樣規(guī)格為Φ6×25 mm，試驗載荷為3 kg，剛玉砂紙20#，轉(zhuǎn)速為120 r/min，磨損時間為10 min，用45#鋼淬火（51.2 HRC）試樣作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。其中1#和2#為熔覆金屬試樣，3#為45#鋼淬火試樣。磨損試驗數(shù)據(jù)如表5 所示。

表5 磨損試驗結(jié)果

從表5 中可知，在同等磨損條件下，1#試樣平均失重比為2.063 9%，2#試樣的平均失重比為1.097 3%，是45 鋼淬火試樣的失重的68% 和36%。同時2#熔覆金屬材料的耐磨性能高于1#試件，說明這兩種新型耐磨材料具有良好的耐磨性能。

3 螺旋元件修復(fù)

選取需要修復(fù)的螺旋元件進(jìn)行驗證試驗（磨損量按≤4 mm 選?。謩e使用1#、2#激光熔覆粉末進(jìn)行修復(fù)，并進(jìn)行探傷檢測和尺寸檢測，其結(jié)果如表5，圖3 所示。

經(jīng)過檢測分析，采用上述工藝和材料制定的螺桿元件經(jīng)過PT 探傷檢測后無裂紋，其內(nèi)孔花鍵尺寸變化基本在0.12 mm 以內(nèi)（表6），符合原工藝設(shè)計要求。因此，采用激光熔覆修復(fù)螺桿原件的工藝方法是可行的。

表6 內(nèi)孔花鍵修復(fù)前后尺寸對比

4 結(jié)論

（1）熔覆金屬熔覆金屬與基體結(jié)合良好，主要是以枝晶狀馬氏體為主，枝晶間彌散分布著硬質(zhì)碳化物。

（2）在熔覆層與基體之間其形成細(xì)小的5 um 的熱影響區(qū)，熔池液體沿垂直于界面的最大散熱方向快速生長，形成了明顯的向上生長的胞狀晶、樹枝晶。

（3）1#熔覆金屬硬度平均在50～52 HRC，2#熔覆金屬的硬度平均在54～57 HRC 之間，磨損失重是45#淬火鋼的68% 和36%。

（4）通過成品零件試焊，且檢查零件尺寸變形量平均在0.12 mm 以內(nèi)，均符合公差要求。