一种注塑机螺杆表面耐磨防腐复合涂层及其制备方法

本发明属于表面改性，具体涉及一种注塑机螺杆表面耐磨防腐复合涂层及其制备方法。

背景技术：

1、塑料原料和塑料制品的广泛应用推动了塑料加工设备的发展，其中注塑机是关键工具。螺杆和机筒是注塑机的核心部件，其性能直接影响到成型效率和产品质量。在塑料加工中，与熔融塑料接触的机械部件会受到粘附、磨损和腐蚀的影响。为了实现更高性能的塑料制品，纤维增强聚合物的使用得到了推广。然而，当玻璃纤维塑料粒子超过50％时，注塑机塑化单元内部具有较大的扭力、摩擦力和腐蚀介质等苛刻的环境易造成螺杆迅速磨损失效。螺杆失效引起的损失是惊人的，据1986年的北美统计数据显示，螺杆失效已经导致了超过25亿美元的损失。虽然在中国没有相应的数据统计，但考虑到宁波舟山是中国最大的注塑机生产基地，螺杆失效必然会导致巨大的经济损失。因此，螺杆过早失效问题需亟待深入研究。

2、在玻璃填充聚合物成型过程中，注塑机的机筒和螺杆会产生相当大的磨损。聚合物原料被旋转的螺杆推动，沿着筒体移动，在这个过程中被加热和熔化。筒体和螺杆分别与固态聚合物、半熔融聚合物和熔融聚合物接触，硬质填料在聚合物中的压力和摩擦作用下，对筒体和螺杆表面产生磨损。而且，塑料在高温下通常会产生具有强腐蚀性的介质，例如硬聚氯乙烯分解时会释放氯化氢气体，而氟塑料分解时会释放氟化氢气体，这些介质会严重腐蚀螺杆表面。基于螺杆的服役条件，通常需要对其表面处理以满足下列要求：

3、(1)表面光洁度良好，对螺杆表面打磨抛光有助于减少摩擦，提升注塑生产效率，并减少能源消耗。

4、(2)高温热稳定性良好，螺杆通常长时间暴露于高温环境，通常在350℃左右，表面处理可以提高螺杆表面的高温热稳定性，使其能够在高温条件下工作。

5、(3)耐磨耐腐蚀性良好，注塑机塑化单元内部具有较大摩擦力和腐蚀介质等苛刻的环境，表面处理可以增加螺杆的耐磨性和耐蚀性，从而延长螺杆的使用寿命。

6、(4)注塑机塑化单元内部具有较大的扭力，涂层易剥落，表面处理的复合涂层必须具有良好的附着力，保证涂层于螺杆表面具有高的结合强度，以便于搅拌、混合或塑料。

7、(5)加工处理工艺应当保持尽可能的简易操作，以确保整个螺杆的制造成本低廉。

8、目前，国内外耐磨防腐复合涂层制备工艺主要为渗氮、电镀、化学镀和物理气相沉积技术。渗氮技术的其渗层深度较大，但与此同时，它的硬度相对较低，因而其耐磨性也较差。化学镀可以在螺杆表面形成均匀的涂层，且工艺简单，操作方便，生产率高，但处理工艺存在一定的污染，且硬度较低，涂层耐磨性有限。电镀硬铬工艺可以赋予螺杆极高的硬度和卓越的耐磨性，但却伴随着一个严重问题：该工艺产生大量有害的cr6+(六价铬)，其排放对环境构成污染威胁。由于环境和健康风险，电镀铬工艺已经被禁用或受到极端限制。物理气相沉积技术可以在螺杆表面形成均匀、致密的涂层且不需要溶剂，因此不会产生有害气体或溶剂废物，环保型较高。但物理气相沉积所需设备昂贵、维护价格高和沉积率低，且所沉积的涂层较薄，这限制了在螺杆复杂环境中的应用。为了提高螺杆在与50％玻璃纤维塑料粒子接触时的耐磨性、抗腐蚀性以及结合强度，同时确保环境无污染，可以探索先进的表面处理技术。

9、超音速火焰喷涂是一种广泛应用的材料表面处理技术，其独特之处在于它能够有效地为不同尺寸的工件提供耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化等性能优良的涂层。因此可适用于复杂形状的注塑机螺杆，它能够在螺杆表面生成坚固的复合涂层，同时维持优良的结合强度。此外，与一些其他涂层技术相比，超音速火焰喷涂沉积效率高，对基材的热影响较小，这使其不仅可用于螺杆的生产，还可用作螺杆局部修复的方法，还维护了综合成本的低廉。因此，有必要开发一种新的方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种注塑机螺杆表面喷涂耐磨防腐复合涂层及其制备方法，从而使螺杆表现出卓越的特性，包括涂层与基体的结合强度、耐磨性、抗腐蚀性和抗高温氧化性等，从而有效的减少了注塑机设备的故障率，提高了设备的运行稳定性，并且成倍的延长了螺杆的使用寿命，提高成型效率和产品质量，降低了生产成本。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明的第一个目的是提供一种螺杆表面耐磨防腐复合涂层，涂层原料粉末的质量分数配比为：钨(w)10.0～40.0wt％，钼(mo)4.0～15.0wt％，铬(cr)16.5～18.2wt％，碳(c)6.4～7.0wt％，铁(fe)0.1～1.0wt％，镍(ni)为余量。

4、进一步地，上述各原料粉末为球型颗粒分布，其粒径分布在10～50μm。

5、进一步地，所制得的耐磨防腐复合涂层的厚度为：100～250μm。

6、进一步地，制得的耐磨防腐复合涂层的表面硬度为：1000～1400hv0.3，孔隙率<1％，结合强度≥70mpa。

7、上述部分组成原料具有如下作用：

8、耐磨防腐复合涂层的组成分为硬质相wc与粘结相ni基合金，通过高温烧结，生成硬质相，使涂层获得较高的硬质和耐磨防腐性能，通过粘结使涂层具有足够的强度，同时也可以有助于涂层良好的附着性和耐腐蚀性。

9、ni既是制备耐磨防腐复合涂层的基本元素，也是作为涂层中的粘结相。ni可以提高涂层与基材的粘结强度，提高韧性和耐腐蚀性能。但当ni含量低于7.0％时，烧结过程中不能产生足够高的液相，而导致涂层与基材的结合强度降低。因此要同时获得良好的耐磨性、耐腐蚀性和强度，ni含量宜控制在7.0～18.8％。

10、cr元素也是制备耐磨防腐复合涂层的基本元素，它可以提高涂层的硬度，提高耐磨防腐复合涂层的耐磨性，也可以提高其抗氧化性。加入适量的cr后，cr溶解在粘结相中，能大幅度提高涂层的高温性能和强度。cr含量宜控制在16.5～18.2％为最佳。

11、mo元素的适量加入，可进一步改善耐磨防腐复合涂层的综合性能。mo元素可以提高耐磨防腐复合涂层的热稳定性，改善其切削性能。mo含量宜控制在4.0～15.0％左右。

12、一种注塑机螺杆，包括螺杆的杆体、螺杆的螺棱，其加工工艺包括如下步骤：

13、(1)选取1cr18ni9ti不锈钢制备符合尺寸要求的螺杆的杆体；

14、(2)利用车床对螺杆进行粗加工，得到粗略的外形尺寸主螺棱；

15、(3)将螺杆杆体进行正火和退火处理；

16、(4)利用高精度机床对螺杆进行精密加工，完成螺杆的最终形状，确保满足精确的尺寸和公差要求；

17、(5)对螺杆杆体进行喷丸处理以提高螺杆的表面粗糙度和清洁度，使其满足喷涂要求；

18、(6)对螺杆的螺槽、螺根和螺棱进行抛光处理，使其光洁度达到喷涂要求；

19、(7)对抛光后的螺杆进行外圆磨加工，形成复合要求的成型螺杆；

20、本发明的第二个目的是提供一种螺杆表面耐磨防腐复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

21、(1)对螺杆喷涂面进行丙酮超声清洗、除油除锈和表面喷丸；

22、(2)对螺杆的喷涂面进行预热；

23、(3)根据步骤(1)、(2)处理后，使用超音速火焰喷涂方法在螺杆基体表面喷涂1～3次球型合金粉末，其尺寸分布为10～50um，喷粉后进行350～450℃重熔处理，重复重熔2～3次，得到过程螺杆；

24、(4)根据步骤(3)处理后，对过程螺杆进行保温缓冷，最终冷却至室温；

25、(5)螺杆再次进行400～450℃热处理，时间为2～6h，并在空气中冷却至室温，冷却后螺杆表面形成一层致密的金属陶瓷硬质合金涂层，然后对螺杆进行抛光和磨削，即可获得表面具有耐磨防腐复合涂层的螺杆。

26、进一步地，所述步骤(1)中，将螺杆中螺槽、螺根和螺棱待喷涂区域用干净的纱布沾上无水乙醇或丙酮清洗，清洗后其表面无油脂、灰尘和杂质等，冷吹风吹干，随后对其喷丸处理。

27、进一步地，所述步骤(2)中，对螺杆的喷涂面进行350～400℃的预热；

28、进一步地，所述步骤(3)中超音速火焰喷涂工艺参数为：氧气流量800～900l/min，煤油流量20～50l/min，载气(氮气)流量10～20l/min，粉末供给速率50～100g/min，喷涂角度30～90°，喷枪速度20～30cm/s，喷涂距离300～500mm。

29、进一步地，所述步骤(3)中，喷枪与螺杆轴线的角度可以手动调整或机械控制，一般在45°～90°(垂直于螺杆表面)之间进行调整，确保粉末可以均匀的喷涂到螺杆表面的不同区域(包括螺槽、螺根和螺棱)；以及螺杆转速控制在50～500rpm/min，高转速有助于更加均匀的涂层分布，但也要避免转速过高而导致球形合金粉末不能熔化和粘附。

30、本发明具有以下有益效果：

31、(1)本发明方法制备的涂层致密度低、孔隙率低，是一种用于注塑机塑化单元复杂工况的多层防护涂层。其中ni作为粘结相，能够提高涂层与基材的结合强度，并且能够提供良好的耐腐蚀性能；mo可有效提高涂层的高温热稳定性、耐蚀性以及耐磨性；cr可以提高材料表面硬度，从而提高涂层的耐磨性能。

32、(2)本发明的方法通过对各原料配比的控制以及喷涂工艺参数的调控处理，使用超音速火焰喷涂方法在基材面喷涂镍基碳化钨复合合金粉末，冷却后形成一层致密的金属陶瓷硬质合金涂层。喷粉后再次预热350～450℃进行重熔，使得被喷覆的粉末可以和基材更好的结合，提高整个螺杆的耐磨和耐腐蚀性能。反复进行1～3次喷粉和2～3次重熔，可以提高涂层的致密性。

33、(3)本发明所用的设备和工艺简单，易于操作，且涂层沉积效率高，对基材的热影响较小，这使其不仅可用于螺杆的生产，还可用作螺杆局部修复的方法。

34、(4)本发明的耐磨防腐复合涂层具有综合成本低廉、制备工艺简单、效果优异、适用于螺杆等大规模机械零部件等优点，相对于目前广泛适用的渗氮、电镀铬、化学镀和物理气相沉积表面处理工艺，超音速火焰喷涂能够有效应用于注塑机塑化单元复杂的工况，提高螺杆的适用寿命。因此，具有广阔的应用前景和经济效益。