1 前言
在塑料加工中，机器部件如挤出机螺杆的磨损和腐蚀，会影响产品质量和机器利用率。同时具备高耐腐蚀性和高耐磨性则需要复杂的制造工艺。然而，采用具有显著加工硬化能力的钢种进行打磨处理，能够实现硬度的提升，而这种硬度提升在传统工艺中需要对马氏体钢进行热处理才能达到。
1.1挤出机螺杆防止磨损和腐蚀的防护措施在生产塑料部件时，聚合物通常会含有诸如玻璃纤维或球体之类的增强材料。此外，还会将阻燃剂或着色剂等添加剂混入聚合物中。经过加工的聚合物、添加剂以及加工参数（温度、压力和螺杆转速）都会对挤出机螺杆的磨损和腐蚀产生显著影响。近年来，开发出多种磨损保护方法。坚硬且光滑的表面具有减少磨损的效果。挤出机螺杆通常由钢制成。由马氏体钢制成的渗氮螺杆是一种标准的耐磨保护方法。此外，基于铁、钴或镍的坚硬护面可以焊接在螺杆尖端。对于高磨损或腐蚀要求的情况，可以通过热等静压（HIP）制造复合材料。HIP能够制造出坚硬的螺旋面的螺杆和足够韧性的螺旋芯材料以传递扭矩。螺杆几何形状制造和实现所需的耐磨保护通常是分开的工艺步骤，这在制造过程中需要在最后进行硬加工。在文献中已经表明，奥氏体钢中的加工硬化对固体和含有矿物质磨料的浆液的耐磨性有积极作用。然而，目前加工硬化尚未用于挤出机螺杆的耐磨保护。通常采用标准形状的试样进行模型测试来评估不同螺杆材料的耐磨性。测试熔化的塑料，会使用一块由耐磨保护金属和涂层制成的小型矩形板。
1.2高间隙奥氏体不锈钢通常情况下，马氏体钢用于塑料加工的设备中，例如挤出机螺杆，因为其硬度高，具有很高的耐磨性。根据所加工的聚合物，可能还会出现耐腐蚀性的额外要求。因此，马氏体不锈钢可以得到应用，其具有一定的耐腐蚀性以及良好的力学性能。在最近的一项研究中，已表明特定等级的奥氏体不锈钢（通常具有更高的耐腐蚀性）在用于挤出机螺杆时能取得令人满意的结果。对于实心玻璃增强聚丙烯的盘片式磨损测试显示，其耐磨损性能与马氏体渗氮钢相似。这些特定的奥氏体不锈钢等级被称为高间隙奥氏体不锈钢（HIS），因为与传统的FeCrNi奥氏体相比，它们基于FeCrMn的合金体系，并含有大量（约1wt.%）间隙合金元素碳和氮。经过适当的固溶退火处理后，C和N都会完全溶解在奥氏体基体中，从而产生优异的性能，包括高强度和高韧性、良好的耐腐蚀性和强烈的加工硬化能力。后者与奥氏体高稳定性相结合，通过冷变形实现进一步强化，且几乎不会发生任何应变诱导的相变，从而可能达到与马氏体钢相当的硬度水平，同时仍保持非磁性。通过添加钼可以提高耐腐蚀性，尤其是在高冷变形程度下也能保持这种性能。HIS的一般抗表面腐蚀性能通过在硫酸中进行电位动力学测量，结果与传统FeCrNi奥氏体钢的耐腐蚀性相似，而使用NaCl溶液进行的相同试验则显示HIS的耐腐蚀性显著提高，尤其是添加了钼的合金。这归因于抑制了点蚀和增强了再钝化行为，这是由氮和钼的联合作用引起的。冷加工后FeCrNi奥氏体的耐腐蚀性降低与应变诱导的相变或钝化层稳定性的降低有关。反过来，即使在经过高强度加工的情况下，HIS仍具有高耐腐蚀性，其原因可归结为其奥氏体的高稳定性以及非常稳定的钝化层。因此，所描述的这些特性组合使得高间隙奥氏体不锈钢成为在塑料加工中有应用前景的材料。
1.3型材滚轧机上的滚压抛光滚压抛光用于对已加工的预成型件进行表面打磨，以使其表面更加光滑，并提高几何精度。深度滚压用于增强零件的强度。在车床或加工中心上，带有球头的简单滚压工具可用于对圆柱形零件进行滚压抛光。具有亚稳奥氏体结构的钢进行深度滚压时，其表面下部分会发生塑性变形。深度滚压后的钢在加工后避免了最终的热处理，这有可能缩短工艺流程。因此，通过应变诱导的马氏体转变，硬度会显著提高。此外，加工硬化还会导致工件材料硬度的显著增加。为了预测加工硬化后的硬度，在参考文献中发现了有限元分析（FEA）中计算出的塑性应变或屈服应力与测量的硬度值之间的相关性，这些相关性适用于不同的钢材。在型材滚压机上对型材进行抛光处理需要使用复杂的型材滚轮，但相比使用简单的球形工具，能实现更高的塑性变形。在参考文献中，对于轴对称和螺旋形的型材，在型材滚压机上进行抛光处理后，其硬度显著提高。
1.4研究目的在本次研究中，预先成型的轴对称工件在型材滚压机上进行抛光处理，以使表面光滑并使表层硬化，同时完成零件的几何形状加工。此外，还开发了一个磨损试验台，用于分析经过抛光处理的零件（其几何形状与标准板片试样不同）的耐磨性。除了在之前的研究中对固体聚合物进行的磨损测试外，还对熔融聚合物进行了磨损分析。因此，模拟了更接近挤出机条件的情况。磨损结果表明，对于腐蚀环境中的塑料加工机械，奥氏体不锈钢零件的抛光可以作为一种额外的磨损防护方法。抛光将缩短具有磨损和腐蚀防护功能的钢零件的常规工艺链。
2 试验部分
2.1抛光数值模拟在挤出机螺杆元件的基础上，定义了一个外径为34.7mm的轴对称演示器几何形状。该几何形状包含两个螺旋槽。通过有限元分析系统Ansys Academic Research Mechanical Release 19.1对滚轮抛光过程进行了模拟，以预测型材表面下区域的加工硬化情况。利用对称性，仅对演示器的一半进行了建模。
1）工件材料特性本研究中所考察的材料是一种高间隙奥氏体不锈钢，名为CN1.1Mo，其表示碳与氮的总含量（以质量百分比计）以及钼的添加量。有关制造工艺的详细信息已在之前的研究中有所描述。化学成分如表1所示。为了获得完全奥氏体结构且无不良析出的材料，试样进行了固溶退火处理（1150℃，60min），随后在水中进行淬火。该工件采用弹性塑性材料进行建模，所依据的是沃克（Voce）各向同性硬化曲线，而硬化曲线则通过拉伸测试结果的回归分析得出。
2）局部加工硬化预测在抛光过程中，三个从动滚轮与工件之间的中心距离会同步减小，这导致滚轮沿径向向工件方向进给。因此，工件开始旋转见图1（a）。在滚轮径向进给期间，工件的旋转次数在两种设置（即高进给和低进给）之间以1：2.5的比例变化。预成型工件上的材料位移导致塑性变形，从而引起工件材料的加工硬化。设计假设在抛光过程中体积保持不变。由于工艺设计的原因，在抛光层的内部产生了显著的屈服应力增加，如图1（b）所示。
3 试验测试
3.1滚轮抛光抛光试验是在三辊型材滚轧机上进行的。该机器的最大径向轧制力为400kN。由奥氏体钢CN1.1Mo制成的预成型件通过车削加工而成，随后采用高进给和低进给两种设置进行抛光，这些设置已在有限元分析中进行了研究。对于每种设置，均对三个部分进行了抛光。为了进行比较，还对淬火和回火状态下的渗氮钢31CrMoV9（+QT）进行了研究，这种钢通常用于制造挤出机螺杆。经过抛光处理后，这种渗氮钢进行了气体氮化处理。由于经过特殊处理的表面无法在常规的模型测试台上进行测试，因此专门为此项研究开发了一个测试台。
3.2磨损测试测试台由一个用于塑料挤出的双金属圆柱体组成，该圆柱体由50CrV4钢制成，表面镶嵌有三重铸造的耐磨钨碳化物和镍层。通过管道向圆柱体中填充塑料颗粒，并通过加热带和两个加热套对其进行加热。当塑料完全熔化后，线性执行器会使试样在圆柱体内产生平移运动，从而导致通过圆柱间隙的熔体体积流动。试样夹在两个导轴之间，导轴将线性执行器的轴向力传递给试样。在导轴处测量线性执行器的力，并对其进行控制以防止轴弯曲。使用了基于应变计的两个力传感器，其标称力范围为20kN。对于高粘度聚合物，第二个线性执行器可以协助第一个和拉伸驱动器，通过推力来辅助工作。控制线性执行器的力，确保拉伸力始终大于推送力。试样移动、穿过聚合物熔体所需的力被记录下来，所研究的试样和聚合物中的最大力约为2500N。一方面，记录力能够监测圆筒的填充程度。另一方面，由于热和机械损伤导致的聚合物降解可通过轴向力的降低得以识别。当轴向力低于1000N时，聚合物会部分与新添加的颗粒置换。具有相似性能（即熔化温度和流动行为（熔体体积流量，MVR））的增强型聚合物（玻璃纤维和玻璃球）被选中（表2）。聚合物的温度为200℃。每个试样在测试台上进行了5000次测试。这相当于5km的距离。试样的平均平移速度为10mm/s，以确保条件与螺杆挤出机中的条件相似。测试了两个试样，一个采用高进给的抛光方式，另一个采用低进给方式。试样与圆筒之间的圆形间隙取决于轧制部分的几何精度。在本次分析中，间隙宽度在0.14-0.16mm之间。对于矩形片状物的模型测试，报告的间隙宽度为0.2mm。
3.3抛光及磨损分析后的试样制备在抛光完成后，如图2（b）所示的演示部件被从中间分开，从而形成了两个半体，每个半体各有一个螺旋面。使用M1C 010硬度测试仪对演示部件一半的轴向切片进行了硬度测试。为每个抛光部件各制备了三个抛光试样，从而产生了九次硬度测量重复。之后，使用V2A酸蚀剂在50℃下对试样进行蚀刻，以分析钢的微观结构。演示部件的另一半则用作磨损测试的试样。在磨损测试后，大多数试样中都发现了刀尖一侧的磨损现象。这可能是由于测试台中试样和圆柱体的中心未对齐所致。这种对齐偏差可能源于测试过程中的横向力和导轨的弹性弯曲。由于试样数量和初始质量的原因，在极低磨损的情况下无法测量质量损失。因此，在磨损测试前后，使用卡尔蔡司公司制造的三维坐标测量设备测量了外径圆的形状。此外，在磨损测试前，在两个圆周位置测量了轴向轮廓。为了进行定量磨损评估，使用了图2（a）中所示的磨损深度Δx。最大磨损深度是理想轮廓和磨损轮廓之间的最大差异。然而，磨损深度在磨损圆弧内的试样圆周上沿角度η而变化。有关每个理想试样轮廓和磨损深度的信息用于通过公式（1）计算体积损失。
其中，xA为外半圆的直径，Aj为理想轮廓与磨损轮廓之间的面积，而 Narc是在磨损弧长 xAη内、角增量的最大值ηj。面积Aj是通过公式（2）计算得出的。
其中，xi是与轴向增量zi相对应的坐标，Nz是磨损轮廓宽度内最大增量的数量。坐标每间隔ηj=0.05°和zi=0.05mm进行测量。类似的方法在文献中用于热机械磨损测试中也有体现。质量损失通过将钢的密度（31CrMoV9+QT 为7.73kg/dm3，CN1.1Mo为7.63kg/dm3）与体积损失相乘来计算。关于光学评估，使用扫描电子显微镜（SEM）对磨损痕迹的有限区域（如图2（c）所示）进行了分析。
4 结果与分析
对抛光后的零件所测硬度值与通过有限元分析计算得出的屈服应力值进行了比较。此外，还对参考钢31CrMoV9+QT与奥氏体不锈钢CN1.1Mo之间的磨损痕迹和磨损程度进行了比较。
4.1加工硬化与微观结构为了将测量得到的硬度值与计算出的屈服应力进行比较，在试样的轴向截面上定义了三条路径，即顶端、侧边和根部，详见图1（b）。如图3（a）所示，根部的屈服应力约为初始屈服应力600MPa，表面附近略有增加。然而，在侧边和顶端区域，屈服应力显著增加。顶端和侧边的曲线显示，在零件表面以下有最大屈服应力。图3（b）中所示的硬度曲线与图3（a）中所示的屈服应力曲线高度相关。屈服应力约为硬度的三倍。约300HV1的初始硬度在顶端增加到约580HV1。在侧边，最大值约为520HV1。对于这两条曲线，硬度在超过2.4mm的表面距离内都有所增加。在根部，靠近试样表面处硬度略有增加至310HV1。在所研究的参数范围内，滚轮进给对表面硬度的影响可以忽略不计。低进给量的硬度曲线可在参考文献中找到。通过在单个试样的尖端表面附近施加较低的测试力来测量硬度，以对比CN1.1Mo与渗氮马氏体钢31CrMoV9+QT。在表面距离0.25mm以内，31CrMoV9+QT的抛光和渗氮层下的部分比抛光的CN1.1Mo更硬，其硬度为590HV1。在这一范围内，渗氮钢的最大硬度比CN1.1Mo的硬度高出约40%。通过CN1.1Mo的硬度测量以及加工硬化状态下 CN1.1Mo的微观结构观察显示的大量位错移动迹象证实，HIS具有强烈的冷加工硬化能力，这与传统的FeCrNi马氏体不锈钢相比是一个显著的优势，并且是由不同的变形机制引起的。特别是，电子构型（自由电子密度）和层错能的差异导致了HIS中的平面位错滑动，而FeCrNi马氏体不锈钢则表现为波浪状滑移。此外，奥氏体稳定性增强能够防止在高变形程度下形成α马氏体（在最近的研究中仅能发现极少量的ε马氏体），从而保持了HIS的非磁性特性。
4.2滚压成型试样和磨损试样的表面形态对图2（c）中所示的顶行侧边与尖端之间的过渡区域的扫描电子显微镜图像观察，以及底行中尖端中间位置的表面轮廓进行了观察。在初始表面（即在进行磨损测试之前），加工痕迹沿圆周方向排列。31CrMoV9+QT钢的渗氮表面在复合层上出现了孔隙，这些孔隙局部破裂。经过抛光处理后，CN1.1Mo部件的表面变得光滑，粗糙度深度为Rt=1.6μm。渗氮处理使粗糙度增加了1μm，这与文献中给出的数值一致。在玻璃纤维增强聚丙烯中进行的磨损测试会导致测试台中试样移动方向上的尖端出现磨损痕迹，这些痕迹与测试台中的试样旋转轴平行。31CrMoV9+QT背面的加工痕迹因聚合物流动而变平滑。然而，磨损尖端与加工侧面之间的边界清晰可见。尽管粗糙度深度几乎相同，CN1.1Mo的表面比渗氮钢的表面具有更明显的凹槽。在玻璃球增强聚丙烯材料中进行测试后，磨损痕迹更加明显。显然，玻璃球会随着试样在试样与圆柱体之间的圆形间隙中的移动而移动。当表面渗氮处理时，Rt=2.7μm处的粗糙度深度小于CN1.1Mo（Rt=5μm）的情况下的粗糙度深度。据推测，CN1.1Mo的粗糙度更高是由于犁削造成的。相比之下，在渗氮表面，微切削被认为是无显著变形的磨料磨损形式。进入和离开间隙会导致类似河流三角洲的形状磨损痕迹，对于高间隙钢经过玻璃球增强聚丙烯磨损测试后的表面形态显示的CN1.1Mo犁削磨损痕迹而言，这种痕迹更为显著。因此，玻璃球与玻璃纤维相比，在侧面的周向加工痕迹与尖端的轴向磨损痕迹之间的过渡范围更大。
4.3磨损除了形貌分析外，还测量了试样旋转尖端的几何变化，即磨损深度，该数值用于计算体积和质量损失（第3.3节）。鉴于径向进给对试样近表面硬度没有明显影响，磨损程度通过两个试样（低进给和高进给）的平均值来评估。图4（a）对间隙宽度和最大磨损深度进行比较。PPGS40 测试试样和其他试样仅存在 0.02mm 的间隙偏差，该差异对磨损性能结果影响较小。在更硬的渗氮钢表面，玻璃纤维增强材料的磨损深度小于奥氏体不锈钢。玻璃球增强材料的磨损深度在30-80μm之间。玻璃球在磨损损失方面造成的磨损深度较小，但会导致表面变形。与玻璃纤维相比，奥氏体钢的表面变形更明显。这可能是由于玻璃球的显著犁削作用所致，但不会造成材料损失。玻璃增强聚丙烯测试后的的体积损失包含了试样尖端磨损深度在圆周方向上的不均匀分布情况。然而，体积损失值与磨损深度值结果处于同样的排列顺序。对于CN1.1Mo材料而言，两种塑料的体积损失差异均小于最大磨损深度的差异。由于材料密度的细微差异，质量损失的数值排列顺序与体积损失的顺序相同。
5 结论
1）在本次研究中，在型材滚轧机上抛光后制备出了高间隙奥氏体不锈钢零件。通过对奥氏体不锈钢进行抛光处理，其硬度从初始值300HV1提升到了平均值580HV1。
2）抛光过程的有限元分析预测了局部的加工硬化现象。计算得出的屈服应力曲线与表面距离上的硬度值相符，但线性系数假设仍需后续试验进一步验证。
3）本研究开发了一个模拟塑料挤出机条件的磨损试验台，并用于研究抛光后的钢样在玻璃增强聚合物熔体中的磨损情况，也完成了不同钢材的磨损性能对比测试。
4）对渗氮钢表面和抛光奥氏体钢表面的磨损情况进行比较。结果表明，在玻璃球增强聚丙烯介质中，渗氮钢与抛光奥氏体钢磨损程度相近，即便渗氮钢硬度更高；渗氮钢表面主要发生明显微切削作用，而奥氏体钢因表面粗糙度上升，呈现出典型犁削磨损特征。
5）抛光后的奥氏体不锈钢部件的性能可能会使其更广泛的应用于具有磨损防护要求的腐蚀性环境中。
6）后续可将高间隙奥氏体不锈钢制成滚压抛光螺杆元件，推广应用于挤出生产线侧进给装置。
