1. Азотирование
Азотирование, как известно, – это процесс химико-термической обработки изделий из металла, в результате которого при высокой температуре и в атмосфере, богатой азотом, происходит его диффузия в поверхностный металлический слой с образованием нитридов. Этот процесс приводит к образованию нитридов, что значительно повышает твердость и износостойкость поверхности шнеков, в частности, наиболее нагруженных гребней их витков, работающих в контакте с внутренней поверхностью цилиндра шнековой пары.
К преимуществам азотирования относятся:
- быстрота обработки;
- экономическая эффективность. С точки зрения затрат – это достаточно бюджетный способ повышения износостойкости шнека, особенно если он не испытывает критически высоких нагрузок;
- защита от коррозии. Образующиеся нитриды могут обеспечивать определенный уровень защиты от коррозии.
Вместе с тем необходимо иметь в виду следующие существенные недостатки азотирования:
- ограниченную толщину защитного слоя. Максимальная толщина упрочняющего слоя составляет всего около 0,4 мм, что зачастую оказывается недостаточно при работе с высокоабразивными материалами (рис. 1, а);
- ограничение по нагрузкам. Азотированный слой не способен длительно выдерживать экстремальные механические воздействия, особенно при постоянном трении металла по металлу в шнековой паре и при переработке жестких материалов.
Так что азотирование – это, образно говоря, «быстрый укол адреналина» для металла, который позволяет ему кратковременно показать чудеса износостойкости. Но, как и у любого экспресс-метода, у азотирования есть свои ограничения, главное из которых заключается в том, что слишком мала толщина упрочняющего слоя, а значит, при экстремальных условиях работы такой защиты может оказаться недостаточно. Таким образом, азотирование – действенный метод повышения эксплуатационных характеристик шнека, но лишь на какое-то время и зачастую уступающий по долговечности действия другим технологиям, таким как бронирование.
2. Бронирование
Если азотирование можно сравнить с утренней чашкой кофе – бодрит, но быстро остывает, то бронирование представляет собой настоящий энергетический коктейль, который позволяет шнеку работать в условиях максимальных нагрузок и износа. Здесь речь идет о наплавке, т.е. о нанесении на поверхность шнека слоя твердого сплава, зачастую с содержанием карбидов вольфрама (более 60 %!) в никелевой матрице. Такой состав обеспечивает исключительную износостойкость и позволяет шнеку буквально «пережить» даже самые экстремальные нагрузки (рис. 2).
Процесс наплавки начинается с подготовки поверхности шнека, которая, как правило, предварительно азотируется. После этого на рабочую часть гребней наносят пластичную металлическую подложку – важный этап, обеспечивающий высокую адгезию и предотвращающий скалывание наплавленного металла. Разработанная компанией «НТФ НТВ» технология обеспечивает последующее приплавление к подложке (ее состав – ноу-хау той же компании) практически любой марки высоколегированной стали. Толщина наплавленного слоя при этом составляет минимум 2 мм на каждом гребне, что существенно превышает возможности азотирования (см. рис. 1, б).
Нельзя переоценить значение пластичной подложки, которая обеспечивает высокую адгезию (наплавленный металл надежно сцепляется с основой) и предотвращение скалывания защитного слоя (пластичная подложка действует как амортизатор).
Основой твердого сплава являются такие металлы, как никель, кобальт, железо, вольфрам и молибден, что позволяет достичь твердости в диапазоне 50–55 HRC. Такой слой способен противостоять не только абразивному износу, но и интенсивному механическому воздействию, возникающему при контакте шнека с материальным цилиндром.
При сильном износе боковых поверхностей витков и тела шнека можно упрочнить их путем наплавки стойкого к абразивному износу материала. Такой метод позволяет дополнительно защитить те части шнека, которые особенно подвержены разрушительному воздействию агрессивных сред. В результате шнек получается с бронированными витками, а также с забронированными участками тела шнека, что существенно увеличивает срок его службы.
3. Сравнительный анализ
Теперь подведем итоги и сравним азотирование и бронирование по ряду критериев.
Толщина упрочняющего слоя. Азотированный слой имеет, как упоминалось, максимальную толщину около 0,4 мм, тогда как наплавка твердого сплава позволяет создать слой толщиной не менее 2 мм. Поэтому бронированный шнек будет иметь значительно больший срок службы, особенно при жестких условиях его эксплуатации.
Твердость и износостойкость. Азотирование повышает твердость поверхности по шкале Роквелла до 52-55 HRC, но этот эффект ограничен – слой слишком тонкий, чтобы обеспечить долговременную защиту при экстремальных нагрузках. Наплавка же создает слой, который существенно толще и обладает твердостью в диапазоне 50–55 HRC, что гарантирует гораздо более высокую устойчивость к абразивному износу. Это особенно важно для шнека, работающего с полимерными материалами, содержащими такие абразивные наполнители, как стекло, тальк, кремний и др.
Влияние на производительность оборудования. Надежный шнек – залог стабильной работы производственной линии. Когда шнек «держится», оборудование – будь то экструдер или термопластавтомат – работает непрерывно, без неожиданных остановок. Переработчики пластмасс отмечают, что использование бронированных шнеков позволяет существенно снизить время простоя оборудования и тем самым повысить его производительность (на 14–16 %, по оценкам специалистов). Таким образом, инвестиции в более надежное покрытие окупаются за счет сокращения затрат на ремонт и переналадку.
Влияние на качество изделий. Сохранение геометрических параметров шнека также имеет большое значение. Изношенные шнеки могут приводить к увеличению технологических зазоров в шнековой паре, что негативно сказывается на качестве конечного продукта. Бронированные шнеки благодаря устойчивому защитному слою, сохраняют свой номинальный диаметр, улучшая гомогенизацию перерабатываемого пластика и, как следствие, качество конечной продукции.
Экономическая эффективность. Давайте, наконец, поговорим о деньгах, поскольку даже самые технологичные решения должны окупаться. Инвестиции в бронирование шнеков выше, чем в азотирование, но экономия на азотировании может сыграть злую шутку в долгосрочной перспективе. В случае же бронирования экономия, достигаемая за счет снижения затрат на ремонт и сокращение простоев, значительно перевешивает первоначальные расходы. Многие переработчики отмечают, что затраты на замену изношенных бронированных шнеков окупаются многократно.
Заключение
Реальный опыт внедрения технологии бронирования шнеков показывает, что технология бронирования – не просто модное технологическое решение, а жизненно необходимая мера для повышения надежности оборудования, позволяющая избежать простоев, снизить затраты на ремонт и обеспечить стабильную работу производственных линий. Таким образом, для большинства современных производственных задач, связанных прежде всего с переработкой абразивных пластиков, оптимальным решением является бронированный (биметаллический) шнек, который обеспечивает долгий срок службы, стабильность качества продукции и экономию на ремонтах и простоях оборудования. И пусть ваш шнек работает, как настоящий рекордсмен, и никогда не подводит в самый неподходящий момент!
В заключение следует добавить, что производственная база компании «НТФ НТВ» позволяет не только изготавливать, но также восстанавливать и ремонтировать шнеки (рис. 3 и 4) (более подробно – в ПМ № 1 2023 г., с. 22–25. – Прим. ред.).
Armoring vs Nitriding: the Conclusion is Obvious
M. V. Prokofieva
In conditions where plastics processing requires reliable equipment, screws remain the «workhorses» of production lines, however, they are subject to wear, which is accelerated during the processing of abrasive polymer materials. To ensure that the screws do not give up halfway, manufacturers use two main technologies to increase their wear resistance: nitriding and hard alloy surfacing. As a result, nitrided and armored (bimetallic) screws are born. The question arises: which is better? Practice shows that for most modern production tasks, especially those related to the processing of abrasive plastics, an armored screw is the optimal solution, which ensures a long service life, quality stability and savings on repairs and equipment downtime.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 6 (313) 2025 г., с. 12-15.
