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科技成果名称

激光堆焊制备注塑机螺杆表面超硬耐磨耐蚀涂层关键技术

2017-02-08 发布

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(国内科技成果)

科技成果编号:

过期时间:

1970-01-01

合作方式:

技术,成果转让

发明情况:

专利情况:

资金需求:

技术类别:

  • 项目描述
  • 主要优势及技术指标
  • 应用领域
  • 市场前景及经济效益
  • 投产条件

注塑机是塑料成型行业的核心装备,也是长三角地区重点发展的先进制造装备之一。 螺杆是注塑机的关键部件,注塑机螺杆产业也呈现出明显的区域经济特色。 浙江省舟山市定海区集聚建设成为了浙江省特色注塑机螺杆产业基地。产品国内市场占有率达70%以上,被中国机械工业联合会授予“塑机螺杆之都”的称号,并成为国内主要的螺杆出口基地。 但是,当前还存在诸多影响该产业进一步发展的问题,主要体现在产品层次不高、质量水平较低、创新能力较差、品牌意识淡薄等。同时,螺杆的失效往往源于表面的损失和破坏,其表面工作层性能决定了注塑机的整体质量。因此,螺杆表面处理技术的改进是推进注塑机螺杆质量提升和促进产业转型升级、加快经济发展的现实需要和必然选择。  注塑机螺杆在工作状态下主要承担塑料的塑化与输送,它们的结构与性能直接影响到塑料机械的生产效率、注塑产品质量、服役期限及动力消耗。 由于螺杆在机筒中是作高速旋转运动,并处在一定的高温高压条件下,同时螺杆还须经受塑料颗粒与填料颗粒的摩擦与磨损。当填料是一些玻璃纤维,碳酸钙等无机硬物质时,螺杆的磨损尤为剧烈。并且塑料和填料在高温下塑化时常常分解出强腐蚀性介质,如硬聚氯乙烯分解出氯化氢气体,氟塑料分解出氟化氢气体都能强烈腐蚀螺杆表面金属。基于螺杆的服役工况,磨擦与腐蚀造成的表面失效不可避免。 设计制造出性能更加优越的螺杆,尤其是螺杆表面层性能的大幅改善和提升,是螺杆产业的发展方向。 多元硼化物金属陶瓷是一种性能优良的新型硬质合金材料,其中,三元硼化物Mo2FeB2金属陶瓷具有良好的耐磨性,其硬度和抗弯强度分别可达到78~91HRC和1.0~2.6GPa,相当于硬质合金的硬度和抗弯强度的范围,而其密度大约为普通硬质合金的3/5,几乎等同于钢的密度。另外,与硬质合金材料相比,这种金属陶瓷的热膨胀系数在一定温度范围内与钢接近。所以,三元硼化物Mo2FeB2金属陶瓷可以在各种钢表面形成综合性能优良的覆层材料,是实现螺杆表面强化的最佳候选材料。 目前,在国外已用于注射成型机的零件、钢丝冷热拉模、锅炉热交换管的保护零件等。国内对三元硼化物金属陶瓷的研究较少,中南工业大学粉末冶金厂、山东大学、济南大学和武汉科技大学等单位对此材料体系的原理、成分、制备方法、烧结工艺、力学性能以及耐磨性和耐腐蚀性等进行了探索性的实验研究,但尚未实际应用于工业领域。  综上所述,本项目开发出一种基于金属硼化物及合金粉末为原料的螺杆表面强化技术,利用激光堆焊在螺杆表面引入Mo-Fe-B三元金属陶瓷涂层,优化微观结构和成分设计,使金属陶瓷涂层热膨胀系数与钢匹配且与基体结合强度大于100MPa,产品具有强度高、耐磨耐蚀性好、使用寿命长等优点。该技术产品的产业化制造将填补螺杆产品的国内空白,技术指标达到国外同类产品的性能。同时显著提升螺杆产品的技术档次,预期改变我国高端螺杆依赖进口的局面,对推动相关行业技术转型升级和发展、提升产业水平和提高产品国际竞争力具有重要的意义。  本项目申报人前期已经对表面覆盖有三元硼化物金属陶瓷涂层的塑机螺杆进行了小规模试制,并由合作企业进行了装机实验。 前期研究结果表明:利用自主研制的金属陶瓷粉末,采用激光堆焊技术,在40Cr钢表面成功制备了Fe基合金与三元硼化物相复合的金属陶瓷涂层(主要成分为Fe,Mo,B,Ni,Cr,Si,C),涂层厚度约2mm,硬度达HRC70,可加工性良好,显示出优异的高温耐磨和耐腐蚀性能。 同时,该产品已经获得了浙江省的省级工业新产品认证,相关研究成果已经申请专利3项,获得授权1项。本项目已具备综合性的人才资源、先进的研发实验条件、扎实的前期研发成果和基础、丰富的技术资料和网络资源,预计1年内可实现产业化。 目前,注塑机螺杆的表面改性主要采用表面氮化、电镀硬铬、表面火焰淬硬、高频淬硬、激光处理、真空镀覆、化学镀Ni-P和表面喷涂、喷焊、堆焊等工艺,这些方法各有特点,主要体现在:  (1)渗氮的优点是硬度较高,耐蚀性较好,表面层硬度值可以达到HRC65~72,但表面氮化用材必须是38CrMoAl氮化钢,价格较高,且氮化层深度只有0.5mm,磨损后芯部硬度只有HV280,因此螺杆寿命很短,同时渗氮处理存在加工时间长、工人工作环境恶劣、产品在高温下易于变形等局限,利用该技术处理的产品主要应用于低端市场。  (2)电镀硬铬层的表面光洁度好,可以避免后续抛磨加工,但镀层与基体结合强度低,比较容易脱落,且处理过程环境污染严重(六价铬)。  (3)化学镀Ni-P优点是仿形性好,但其最大问题在于镀层薄,一般几十微米,同时耐磨性能较差。  (4)热喷涂工艺是表面工程领域应用较多的技术方法,如喷涂Mo, Cr, Ni, Ti, Al, Co, Nb, W, Co-Ni, Co-Cr, Cr-Ni, Co-Mo-Cr等耐磨耐蚀涂层,其优势在于在涂层材料的多样性选择和较低的基体温度,加工过程中基体没有变形问题,但同时存在很大的挑战性,如后续涂层表面抛磨的过程中,容易发生由于涂层边缘效应而导致的整体涂层失效,同时,涂层的致密性一直是一个需要解决的技术难题(对应于耐腐蚀性能的要求)。同时涂层-基体结合性能有待于进一步提高。  基于上述工艺存在的问题和挑战,新型螺杆表面的耐磨防腐技术一直是国内和发达国家的研发重点。

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