ЭКСТРУЗИОННЫЕ головки ДЛЯ ПЛАСТМАСС И РЕЗИНЫ

Выбор материалов для изготовления экструзионных головок

Материалы, используемые для изготовления экструзионных головок, должны удовлетворять определенным требованиям:

• легкость механической обработки (например, резанием или электроэрозией);

• устойчивость к воздействию высоких давлений и температур, износостойкость;

• достаточная прочность и жесткость;

• достаточная твердость поверхности;

• легкость поверхностной обработки, позволяющей получить требуемое качество поверхности (без пористости);

• предсказуемая реакция на простую термообработку (закалка, отжиг, отпуск и пр.);

• минимальная склонность к искажению формы и изменению размеров деталей при термообработке;

• коррозионная стойкость по отношению к химически агрессивным средам;

• возможности поверхностной обработки (например, хромирование, азотирование);

• хорошая теплопроводность;

• отсутствие внутренних напряжений.

Эти требования характерны для металлов, применяемых не только для экструзион­ных процессов. В той или иной форме они упоминаются в литературе, посвященной и другим методам переработки пластмасс [ 15,18,20-24], варьируясь в зависимости от конкретного технологического процесса. Однако ни один материал не может в полной мере удовлетворить всем этим требованиям. Поэтому при выборе материала для изго­товления экструзионной головки необходимо ответить на следующие вопросы [20]:

• Какой тип композиционного материала планируется перерабатывать с исполь­зованием данной экструзионной головки (диапазон рабочих температур, воз­можность коррозии, повышенного износа из-за наличия в композиции абра­зивных наполнителей)?

• Какова природа и уровень механических напряжений (см. разделы 9.1-9.3)? Наличие изгибающих напряжений имеет критическое значение для выбора материала. Прокаленные насквозь стали из-за их хрупкости не могут использо­ваться для изготовления крупных экструзионных головок [23].

• Какой способ обработки металла будет выбран для изготовления экструзионной головки? Механическая обработка возможна для материалов, механическая прочность которых достигает примерно 1500 Н/мм2 [22]. Однако лучше всего обрабатывать металлы, прочность которых лежит в диапазоне от 600до 800 Н/мм2.

• Какой вид термообработки требуется для деталей головки, и вероятно ли для него искажение формы или изменение размеров деталей?

Наряду с немногочисленными случаями применения цветных металлов для изго­товления экструзионных головок в основном используют следующие типы сталей [20-22,24]:

• цементуемые углеродистые стали;

• азотируемые;

• прокаливаемые;

• закаленные и отпущенные в состоянии поставки стали;

• коррозионно-стойкие.

Цементуемые углеродистые стали

Цементуемые (поверхностно упрочненные, науглероженные) стали доказали свою пригодность для производства экструзионных головок, так как они в наибольшей мере удовлетворяют всем предъявляемым требованиям. Они легко поддаются механиче­ской обработке, а после цементации или термообработки их поверхность становится очень твердой и износостойкой, а сердцевина — вязко-пластичной и обладающей высоким сопротивлением сжатию [20,22]. Эти стали имеют низкое содержание угле­рода (менее 0,2 %). Содержание углерода может быть повышено за счет науглерожива­ния (содержание углерода повышается до 0,8 % при глубине слоя от 0,6 до 2,0 мм), при цементации образуются карбиды с высокой степенью износостойкости. При про­ведении науглероживания те области экструзионной головки, которые не нуждаются в поверхностном упрочнении, должны быть закрыты. Информацию о соответствую­щих видах и режимах термообработки можно найти в специализированной литера­туре [например, 25-27].

Перечень цементуемых сталей, пригодных для оборудования и оснастки в области переработки пластмасс, приведен в работе [22]. В основном применяются хромо-мар­ганцевые, хромо-никелевые, хромо-молибденовые стали [24]: 1.2162(21 МпСг5), 1.274 (Х19 NiCrMo 4), 1.2341 (Х6 СгМо4).

Азотируемые стали

Азотируемые стали — это стали, в которых легирующие добавки образуют твер­дые нитриды в присутствии азота (например, газообразного аммиака) или в ванне с цианидами при температурах 450-580 °С и времени поверхностного упрочнения от 10 до 100 ч [20-22]. Образование нитридов приводит к высокой твердости поверхно­сти при пластичной сердцевине. При азотировании закалки после упрочнения не про­исходит, поэтому искажения формы детали не ожидается. Азотируемые стали по­ставляются после отпуска, то есть свободными от внутренних напряжений.

Наибольшая твердость поверхности достигается при глубине азотирования от 0,03 до 0,08 мм [20]. Это означает, что обрабатываемая деталь должна иметь припуск на обработку[22].

С другой стороны, при так называемом ионном азотировании, производится по­верхностное упрочнение уже обработанных деталей. Этот процесс осуществляется высоковольтным электрическим разрядом в атмосфере, насыщенной азотом, при тем­пературах от 350 до 580 °С. В ходе этого процесса происходит диффузия азота через поверхность металла.

Никакой другой дополнительной обработки, кроме полировки поверхности канала и уплотняющих поверхностей стыка, не требуется. При необходимости получить поверх­ности с высокой износостойкостью без сильного увеличения твердости азотирование может выполняться в соляной ванне (при температуре 500-550 “С, время поверхностно­го упрочнения — от 10 мин до 2 ч). Этот процесс называется мягким азотированием [20, 21]. На сегодняшний день этот процесс успешно применяется для поверхностного упроч­нения подшипников и других вращающихся деталей, таких, как например, регулировоч­ных болтов регулирующей планки в щелевых экструзионных головок.

Азотированные стали не являются полностью коррозионно-стойкими. Для повыше­ния коррозионной стойкости в них необходимо добавлять большее количество хрома.

К азотируемым сталям относятся [22, 24]: 1.2852 (33 AI СгМо 4), 1.2307 (29 CrMoV 9), 1.2851 (34 CrAl 16). Повышение твердости этих марок стали достигается формированием мартенситной структуры в результате резкого охлаждения после нагрева. Конечные значения механических свойств в значительной мере зависят от достигаемых скоростей охлаждения [22].

Прокаливаемые стали

Прокаливаемые стали отличаются высокой твердостью и повышенной износо­стойкостью. Однако их ударная вязкость невелика по сравнению с цементуемыми, закаленными и отпущенными сталями. Поскольку они чувствительны к образованию трещин и склонны к короблению, они используются редко и только для небольших головок [20, 22], в основном в тех случаях, когда существуют высокие сжимающие напряжения [24]. К числу прокаливаемых сталей, применяющихся в переработке пластмасс, относятся: 1.2344 (X40CrMoV 51), 1.2367 (Х32 CrMoV53), 1.2080 (Х210 Cr 12), 1.2379 (Х155 CrVMo 12.1), 1.2767 (X45 NiCrMo 4), 1.2842 (90 MnCrV 8). Дополнительную информацию по этому вопросу см. в [22].

Закаленные и отпущенные стали

Закаленные и отпущенные в состоянии поставки стали применяются в тех случа­ях, когда существует вероятность, что термообработка приведет к искажению формы и изменению размеров деталей, например, при изготовлении больших головок.

В процессе производства этих сталей отпуск осуществляется после упрочнения. Это снижает твердость и прочность, но повышает ударную вязкость и упругость. От­носительно низкая прочность после закалки и отпуска ухудшает износостойкость поверхностей и уменьшает способность их к полировке. Однако этот недостаток мож­но преодолеть с помощью азотирования или хромирования поверхностей [20].

Примерами закаленных и отпущенных сталей являются [24]: 1.2312 (40 CrMnMoS 86), 1.2347 (X CrMoVS51), 1.2711 (54 NiMoV 6). Дополнительную информацию см. в [22].

Коррозионно-стойкие стали

К числу коррозионно-стойких относятся стали, в составе которых содержится более 12 % хрома. Они используются, когда в процессе переработки пластмасс выде­ляются химически агрессивные вещества (например, соляная кислота), а хромирова­ние или никелирование поверхности канала экструзионной головки по технологи­ческим причинам невозможно.

Вследствие склонности хрома к соединению с углеродом, образуя карбиды (кото­рые в небольших количествах должны присутствовать для повышения твердос ти ста­ли), при температурах выше 400 °С возникает опасность образования карбидов хро­ма в результате локального перемещения атомов хрома из области вокруг атомов углерода. Это оказывает негативное влияние на свойства материала и его коррозион­ную стойкость [20]. Как правило, при экструзии такие температуры не достигаются.

К коррозионно-стойким сталям относятся [22, 24]: 1.2083 (Х40 Сг13), 1.2316 (Х36 СгМо17).

Для повышения износостойкости и коррозионной стойкости экструзионных го­ловок вместе с азотированием применяют следующие меры:

• нанесение защитного слоя хрома (прочное хромирование);

• нанесение защитного покрытия из никеля или сплавов с высоким содержани­ем никеля;

• нанесение покрытий из карбида титана;

• использование специальных вкладышей в экструзионную головку.

Прочное хромирование позволяет получить коррозионно-стойкие, износостойкие

полированные поверхности, прилипание расплавов к которым незначительно, и ко­торые, вследствие этого, легко поддаются очистке [18,19]. Хромовое покрытие тол­щиной от 0,015 до 0,03 мм наносится электролитическим способом. Для получения равномерной толщины покрытия анод должен быть точно подогнан по форме поверх­ности канала. Недостаточная толщина покрытия или острые кромки поверхности могут приводить к образованию в покрытии напряжений, а в дальнейшем к его отсла­иванию или шелушению. Следовательно, во многих случаях нанесенное покрытие должно периодически обновляться [19, 20,22].

Никелевые покрытия и никелевые сплавы иногда используются в головках, предназначенных для экструзии ПВХ. Их основным преимуществом считается высокая коррозионная стойкость к воздействию соляной кислоты [19, 28]. Одна­ко проблемой применения никелирования является то, что некоторые свинцовые стабилизаторы химически реагируют с никелевыми покрытиями, которые в ре­зультате такого взаимодействия могут быть полностью уничтожены, несмотря на то что покрытие наносится методом наварки твердым слоем [19], а затем подвер­гается повторной чистовой обработке. Покрытия являются относительно толсты­ми (приблизительно 1 мм) и последовательно наносятся в несколько слоев. Кро­ме того, метод наварки твердым слоем может использоваться для ремонта таких экструзионных головок.

Головки, изготовленные из сплавов с содержанием никеля 95 %, используются при переработке ПВХ. Тем не менее потенциальная вероятность химической реакции все же остается [19].

Покрытия из карбида титана (толщина слоя — от 6 до 9 мкм), отличающиеся высо­кой износо - и коррозионной стойкостью, наносятся на поверхность детали головки в специальном реакторе, где реагируют газообразные химические продукты. В данном случае рекомендуется, чтобы выбранный для изготовления экструзионной головки ма­териал обладал достаточной твердостью, так как само покрытие является очень твердым. Рекомендуется также уделить внимание искажению (поводке) геометрической формы головки, поскольку реакция протекает при 900 °С [24]. Об успешном применении этого метода в кабельных головках сообщается в работе [29]. Проблема износа экструзионных головок может решаться также путем использования специальных вкладышей из изно­состойких материалов, например, твердосплавных или алмазных вставок, которые при­меняются при изготовлении кабельной изоляции (см. раздел 5.3.2.4). Такие вкладыши применяются на участках головки, наиболее опасных сточки зрения износа.

В настоящее время применяют также и так называемые «биметаллические» щеле­вые головки. В таких головках участки канала до выхода из головки, наиболее под­верженные износу, состоят из износостойкого материала [32].

Если поверхность канала должна обладать высокой степенью чистоты (без порис­тости), рекомендуется использовать стали, выплавленные в вакуумных электропечах, с устранением дефектов за счет высокой степени чистоты. Хотя эти стали чрезвычай­но дороги, большинство экструзионных головок, предназначенных для изготовления листов и плоских пленок из жесткого ПВХ, на сегодняшний день изготавливаются именно из них.

Благодаря высокой теплопроводности алюминия [29,30] и медно-бериллиевых сплавов [31 ], они также иногда применяются для изготовления головок, предназна­ченных для экструзии профилей.

Износостойкость алюминия можно повысить до значений, превышающих значе­ния для хромированной стали путем анодирования. Кроме того, анодирование повы­шает еще и коррозионностойкость материала, поэтому анодированные алюминиевые головки могут применяться для экструзии ПВХ. В то же время анодированные алю­миниевые головки характеризуются худшими характеристиками налипания распла­ва, что повышает время пребывания по сравнению с хромовым покрытием. Кроме того, низкие механическая прочность и ударная вязкость являются явными недо­статками анодированного алюминия [28].

Обозначения

Индексы

а — внешний

х — внутренний

г — радиальный

и — окружной

w — на стенке

t — общий (полный) шах — максимум

А — на выходе

р — допустимый

Е — на входе

Ър — индекс, относящийся к решетке

5 — индекс, относящийся к сетке