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螺杆是注塑机和挤出机的关键零件。随着塑料原料工业快速发展，各种增强改性的工程塑料原料不断推出，传统的螺杆已不能适应加工这些增强改性原料的需求，集中表现在，螺杆工作表面抗高温粘着磨损和抗腐蚀性能低下，螺杆工作表面快速磨损失效，失去输送能力、最终使塑机使用寿命大大缩短。为此许多塑机设备制造商采用多种方式对螺杆工作表面进行强化处理，力图提升螺杆的耐用度，但都收效甚微。常规的表面强化处理，由于存在各种缺陷，如热渗镀中的渗碳对材料选择较窄，耐磨性不够；氮化处理的氮化层太簿；镀铬、热喷涂、堆焊、硬化层耐磨性虽好，但与基体结合度较低、耐磨层易脱落等，都不能满足客户要求。
本文提出一种性价比高、具有抗高温粘着磨损 和优良抗腐蚀性能的激光合金化技术来进行螺杆的 表面强化 ，以满足成型增强改性塑料原料的需求。 从螺杆的磨损失效机理出发，采用高科技的纳米超 细合金粉，在易磨损的螺杆表面构成激光合金化复合涂层， 研究了激光合金化材料选择、 激光合金化工艺控制、影响激光合金化的主要工艺参数等对激光合金化质量的影响， 通过显微硬度测试、 金相显微组织观察以及磨损对比试验对合金化质量进行定性 、定量分析 ， 从而确定出最佳的激光合金化工艺参数 ，达到显著提高螺杆表面硬度及耐磨性的目的。
1 实验材料与方法
原注塑机螺杆材质为40C r ，热处理方式为渗氮。为与实际使用情况相吻合， 实验试样选用40 C r 为基体材料 ， 其化学成分如表1。 （图片） 根据螺杆的工况条件及磨损失效分析的结果，选择了红硬性优 、抗腐蚀性能良的 C 2超细合金粉( 1 ～5μm) ，具有良好抗粘着磨损的 A1 超细合金粉 ( 1 ～5μm) ，和纳米碳管混合合金， 其质量比为1 ： 1 ： 1 ， 组成的化学元素有 C，W， C o ， C r ， N i M o等。
试验前对试样表面进行去污、 除油处理， 去除试样表面的污渍、 氧化物等。在激光合金化中， 合金化材料的供给方式通常有 2种 ，即预沉积法和同步送粉法。由于试验中所选用合金化材料为超细自溶性 合金粉， 致密性良好， 孔隙率低， 采用人工涂刷法进行预沉积简便易行，故以预涂敷的方式预置在试样待处理面上。理想的预沉积层应厚度均匀，孔隙率低， 并且与基体有良好的粘着性， 在激光作用时无不良作用存在。试验中采用自制的吸光涂料来增强材 料表面对CO2激光的吸收率 ，吸光涂料和合金粉均以预涂敷的方式施加在试样表面，即将适量的合金粉末加人到吸光涂料里， 搅拌均匀， 调和在一起以膏状或糊状涂刷在试样待处理表面上。所选用的吸光涂料粘合性好，且易挥发。
试验采用7k W C O2横流激光器 ，激光波长10.6μm， 用 6轴 4联动数控机床控制激光头 、 工作台、 工件等做多轴运动。在制备试样时， 采取工件不动、 激光头直线运动的方式， 而在对螺杆进行激光合金化处理时， 采取激光头不动、 螺杆转动的方式。
2 实验分析
2.1合金化层显微硬度分析
表面硬度的提高有利于提高材料的抗磨损性能。图1是40Cr经激光合金化处理后处理层的显微硬度分布曲线。工艺参数为：预涂合金粉厚度为0．4mm，激光功率2kW，激光扫描速度300mm／min，单道扫描。由图1可知，试样激光处理最表层硬度达HV876，处理层显微硬度由表及里呈梯度下降，表明激光合金化处理后，显微硬度大幅度提高。（图片） 激光热处理后的马氏体具有更高的位错。由于马氏体本身硬度的提高，马氏体细化以及很高的位错密度，激光相变后的马氏体具有较高的硬度。
在激光能量密度足以使表面熔化的前提下，随着激光扫描速度的增加，合金化层和热影响区的硬度都明显增加。当扫描速度增加到某一值时，表面温度不足以使材料熔化，表面没有生成高硬树枝晶，而热影响区的温度仍足以保证相变硬化。
2.2 合金化层耐磨损试验
采用相对耐磨性的方法来评定材料的耐磨性，在一定程度上可以避免在磨损过程中由于参量变化及测量误差造成的系统误差，可以更科学而精确地评定材料的磨损性能。用精度为十万分之一的电子天平来测量磨损前后的质量变化，对磨损量进行精确测定，每次称量前试样均用丙酮清洗。
为分析激光合金化螺杆的耐磨性能，进行了盘销式磨损对比试验，标准试样取自未经激光处理的部分，试验试样取自经激光合金化处理的部分。磨损对比试验结果如及表2所示。
由表2可知，激光合金化后螺杆的相对磨损性ε相为0．449，即耐磨性比渗氮处理增强了2．2倍，从而可延长其使用寿命。（图片） 经观察，激光合金化处理后的磨损面，一些硬质相如WC，MC的存在，犁皱较窄，陶瓷相WC是主要的抗磨相，对合金化层的耐磨性有很大贡献。一Co在发生塑性变形时，可以引起面心立方向密排六方马氏体转变，密排六方具有较小的摩擦系数与较小的粘着倾向性，对提高粘着磨损有利，反应在磨面上是均匀的、细腻的。基体金属的磨面，犁皱宽大，磨削
除向沟槽边沿挤压外，还有相当一部分被拖泄下来，甚至还发现有鳞片状的尚未剥落的大块折皱，说明磨损过程中次表面发生了较大的弹塑性变形。
3 结论
(1)40Cr的主要失效方式是粘着磨损和腐蚀磨损，激光合金化是改善螺杆表面质量、提高耐磨性的有效方法。
(2)合金材料的添加方式为预涂法，预涂层的厚度对激光合金化质量的影响较大。当预涂层厚度为0.4mm时，表面硬度最高可达HV876，此时激光合金化效果最佳。
(3)利用C2超细合金粉(1～5μm)和具有良好的抗粘着磨损的Al超细合金粉(1～μxm)及纳米碳管混合合金(质量比为1：1：1)作为合金材料，使合金化层合金元素得以高度弥散均匀分布，采用优化的激光工艺参数，在工件表面获得了优良的合金化层，合金层的耐磨性提高了2．2倍左右。现场装机试验结果表明，经激光合金化强化后的螺杆使用寿命至少提高了2倍以上。
3/16/2021
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