1    前言

        机筒、螺杆是立式注塑机的关键零件，在塑料制品生产时，塑料颗粒及填料由尾部进入立式注塑机的机筒，螺杆在机筒中高速旋转运动，将塑料颗粒及填料挤压推进，在前进中混合塑化，由螺杆头部注入模腔。此时，机筒及螺杆承受一定的高温高压，不同的塑料，螺杆的工作温度也不同。

        螺杆和料筒多因磨损造成间隙过大不能正常挤、注而报废。磨损加大螺棱与机筒间的间隙，这导致降低熔融速率及泵出能力，造成物料温度不均匀及压力波动，使产品质量下降，同时生产率降低、能耗增加。相对机筒来说，螺杆更易于损坏失效。

        螺杆失效引起的损失是惊人的，据北美1986年的统计数据，螺杆失效损失超过25亿美金。在中国，虽没有相应的统计资料，但是，据预测，到2010年，中国立式注塑机的产量将达到30万台套，其中挤出机、立式注塑机约占80％以上。可以设想，螺杆失效将导致巨大的经济损失。尤其是近年来，随塑料制品性能的提高和种类的增加，螺杆工作环境更为恶劣，除高硬度填料的使用导致磨损加剧外，还存在不同程度的腐蚀现象，因此，如何提高螺杆的寿命，是当前螺杆选材及热处理、表面处理的一个重要课题。

2    螺杆失效机理及影响使用寿命的因素

2.1    螺杆工作条件

        注射螺杆在比较恶劣的条件下工作，温度一般在200℃以上。它不仅要承受注射时的高压，同时还承受熔料的磨蚀作用和预塑时的频繁负载起动。螺杆工作过程中还承受很大的压力和扭矩。

2.2    失效机理

        一般认为，螺杆因磨损失效的主要原因是“磨粒磨损”。在螺杆和料筒之间的塑料或填料颗粒，由于力的作用，对螺杆产生切削作用导致材料损失，见图1。

        此外，塑料和填料在高温下塑化时常常分解出腐蚀性介质，会对螺杆表面金属产生腐蚀，腐蚀产物很容易被塑料带出，从而导致材料的损失。磨损与腐蚀的共同作用，加剧了螺杆的失效。

2.3    影响螺杆使用寿命的因素

        从螺杆失效的机理分析，影响螺杆使用寿命的因素有：

        (1)螺杆的设计

        (2)螺杆选材

        (3)表面镀金属如Cr、Ni

        (4)渗氮

        (5)喷涂或喷焊硬化合金

        (6)料筒的选材与表面处理

        (7)物料(如塑料粒度、母料性能)及操作(转速、背压等)

        可见，除(1)、(7)涉及到螺杆的设计(也即改善螺杆的受力状态)和所加工的物料外，螺杆的使用寿命主要与螺杆的材质，尤其是各种表面处理技术有关。

2.4    立式注塑机螺杆的选用依据

        对立式注塑机螺杆进行选择时，首先是根据所加工塑料的性质，选择或自行设计螺杆的结构，如长径比、压缩比、螺距、棱宽等。

        其次是选择螺杆的材料与相应的表面处理方法。如果所加工的塑料会产生强腐蚀气体，如聚氯乙烯分解出氯化氢气体、氟塑料分解出氟化氢气体，以及某些功能性塑料含有各种助剂，如阻燃剂、抗静电、着色剂、交联剂等，它们也会分解出氯化氢气体。以SO2为主的气体硫化物及其酸性物质、甲酸、焦磷酸等腐蚀性物质，在强混炼中浸蚀螺杆、机筒表面，造成剥蚀和点蚀。

        一般而言，成型温度越高，腐蚀作用越剧烈。这种情况下，需考虑选用高耐蚀螺杆。

        如果所加工塑料为高强度塑料，它们常含有玻璃、硼等增强纤维。还有为获得各种特殊性能或为了降低塑料的成本，会在塑料中加入各种填充料，如硅石、重晶石、陶土、纤维素、云母、金属粉等。这些颗粒的硬度如表1所示，是很高的，会对螺杆产生严重的磨粒磨损，因此需考虑高硬度的螺杆。

        一般，硬质合金可以同时满足以上两个要求，某些厂家还在此基础上进一步发展了高耐蚀兼顾硬度、以及高硬度兼顾耐蚀性的不同螺杆。

3    螺杆常用的表面处理技术

        由前述可知，影响螺杆使用寿命的主要因素是螺杆的材质和相应的表面处理，而表面处理又与螺杆本身的材质及其热处理有关。本节详细介绍螺杆常用的表面处理技术。

3.1    渗氮

        优点是硬度高，耐蚀性较好。但是，高温长时间处理导致变形。为保证螺杆的直线度，渗氮后还要加一道磨外圆工序。如果是氮碳共渗(即软氮化)，则该工序会将局部的白亮层磨去，而渗氮螺杆的耐磨、尤其是耐蚀性取决于该白亮层。

        为了获得较高的表面硬度，螺杆材料通常选用专用的渗氮钢38CrMoAl。渗氮前要对38CrMoAl进行调质处理。

3.2    热喷涂

        优点是高硬度、高耐磨性，但耐蚀性差。要求专用设备，工艺操作难度较大，材料成本与工艺成本都较高。双金属处理无论是堆焊还是热喷涂，工件表面温度都很高，易于引起工件变形。厚度均匀性很差，处理后要再加工或磨削，并且难以保证螺杆的优化设计曲线。

        热喷涂技术既是螺杆生产时采用的技术，也是一种可用于螺杆修复的技术。

3.3    化学镀镍

        关于化学镀镍螺杆，美国、日本、德国等均有应用方面的报道。化学镀优点是仿形性好，并且处理温度低(88℃～95℃)，因此无变形。此外，化学镀镍层具有优异的耐蚀性和很高的显微硬度。化学镀镍层的硬度一般为550HV，如果通过400℃×1h的热处理，其硬度可达1000HV左右。但经过该处理，一方面耐蚀性有所下降，另一方面如基体热处理为淬火加低温回火，则基体硬度及强度会大幅降低。

        化学镀镍的最大问题在于镀层薄，一般几十微米。

3.4    渗硼处理

        渗硼是一种在金属材料表面获得极高硬度的技术。将40Cr钢制成的螺杆在810℃~820℃×16h～20h、降温至700℃后随罐出炉空冷。硼化物层厚0.14mm～0.16mm，硬度1400HV～1650HV。耐磨性比渗氮的提高1～2倍。

3.5    电刷镀技术

        由于螺杆失效在于局部区域的材料损失，因此采用一些表面技术对螺杆、尤其是造价高的大型螺杆进行修复，具有一定的意义。目前有大型螺杆用“电刷镀”方法修复的成功实例，修复厚度为0.48mm~0.68mm。