玻纤增强 PEI 注塑中螺杆磨损问题及解决策略

在注塑成型领域，玻纤增强 PEI（聚醚酰亚胺）凭借其出色的耐高温、高强度和高刚性等特性，被广泛应用于诸如耐高温端子、IC 底座、照明设备、FPCB（软性线路板）、飞机内部零件以及医疗设备等高端产品的制造。然而，在实际注塑生产过程中，玻纤增强 PEI 却给注塑设备带来了一个颇为棘手的问题 —— 螺杆磨损过快。这不仅严重影响了生产效率，增加了设备维护成本，还可能对产品质量造成不利影响。因此，深入探究这一问题并找到切实有效的解决方案具有重要的现实意义。

一、玻纤增强 PEI 导致螺杆磨损快的原因剖析

（一）玻纤的高硬度与尖锐形状

玻纤作为增强材料，其本身具有较高的硬度，莫氏硬度通常在 6 - 7 左右 。在注塑过程中，螺杆对物料进行输送、压缩和塑化，玻纤增强 PEI 在螺杆的推动下，玻纤会与螺杆表面产生强烈的摩擦。由于玻纤往往呈细长且尖锐的形状，在与螺杆表面接触时，犹如无数微小的刀具，持续对螺杆表面进行刮擦和切削，随着注塑生产的不断进行，这种高频次的摩擦作用逐渐使螺杆表面的材料被剥离，进而导致螺杆磨损。例如，当玻纤增强 PEI 中玻纤含量为 30% 时，在经过一定时间的注塑加工后，螺杆螺纹的齿顶和齿根部位就会出现明显的磨损痕迹。

（二）注塑过程中的高温高压环境

玻纤增强 PEI 的注塑加工需要在高温高压条件下进行。一般来说，其加工（熔体）温度在 349 - 399°C 之间 ，模具温度在 135 - 163°C，注射压力通常也较高。在这样的高温环境下，螺杆表面的金属材料硬度会有所下降，使其更容易受到玻纤的磨损。同时，高压会加剧物料在螺杆与料筒之间的挤压力，进一步增大玻纤与螺杆表面的摩擦力，加速螺杆的磨损进程。以某实际生产案例来看，当注塑机的注射压力从 100MPa 提升至 120MPa 时，螺杆的磨损速率明显加快，使用相同时间后，螺杆表面的磨损程度显著加深。

（三）物料的腐蚀性

虽然 PEI 本身具有优异的抗腐蚀性能和耐化学性，但在高温注塑过程中，PEI 分子链可能会发生一定程度的降解，产生一些具有腐蚀性的小分子物质。这些小分子物质在与螺杆表面金属接触时，会发生化学反应，导致螺杆表面金属被腐蚀，从而降低了螺杆的表面硬度和耐磨性，进一步加剧了螺杆的磨损。特别是当螺杆表面存在微小的划痕或缺陷时，腐蚀性物质更容易在此处聚集，加速腐蚀和磨损的速度。

二、应对螺杆磨损的专用镀层解决方案

（一）氮化钛（TiN）镀层

氮化钛镀层是一种较为常见且应用广泛的表面处理方式。TiN 镀层具有金黄色的外观，其硬度极高，可达 2000 - 2500HV ，这使得螺杆表面的耐磨性得到显著提升。在玻纤增强 PEI 注塑过程中，TiN 镀层能够有效抵抗玻纤的刮擦和切削作用，减少螺杆表面的磨损。此外，TiN 镀层还具有良好的化学稳定性，能够在一定程度上抵御注塑过程中产生的腐蚀性物质的侵蚀。例如，在对使用 TiN 镀层螺杆进行玻纤增强 PEI 注塑生产的测试中，经过相同的注塑次数后，与未镀层螺杆相比，镀层螺杆的磨损量降低了约 40%。不过，TiN 镀层的工作温度上限一般在 500°C 左右，对于玻纤增强 PEI 注塑的高温环境，其高温稳定性略显不足。

（二）类金刚石碳（DLC）镀层

DLC 镀层是一种具有类似金刚石结构的非晶态碳膜，具有极低的摩擦系数，通常在 0.05 - 0.2 之间 。在玻纤增强 PEI 注塑中，低摩擦系数能够有效减少物料与螺杆表面的摩擦力，降低玻纤对螺杆的磨损程度。同时，DLC 镀层具有较高的硬度，可达 20 - 40GPa，能够为螺杆提供良好的耐磨保护。而且，DLC 镀层对大多数化学物质具有良好的惰性，能很好地应对注塑过程中可能产生的腐蚀性物质。实际应用中，采用 DLC 镀层的螺杆在注塑玻纤增强 PEI 时，使用寿命得到了大幅延长，产品的脱模性能也有所改善。但 DLC 镀层的制备工艺较为复杂，成本相对较高，这在一定程度上限制了其大规模应用。

（三）碳化钨（WC）镀层

碳化钨镀层具有极高的硬度和耐磨性，其硬度可达 2500 - 3000HV 。在玻纤增强 PEI 注塑过程中，WC 镀层能够为螺杆提供强大的耐磨防护，有效抵抗玻纤的磨损作用。此外，WC 镀层在高温环境下具有良好的稳定性，能够适应玻纤增强 PEI 注塑的高温要求。例如，在一些对螺杆耐磨性要求极高的生产场景中，采用 WC 镀层的螺杆在注塑玻纤增强 PEI 时，表现出了卓越的耐磨性，大大减少了螺杆的更换频率。然而，WC 镀层的脆性相对较大，在受到较大冲击时，可能会出现镀层剥落的情况，因此在使用过程中需要注意避免螺杆受到剧烈冲击。

三、优化工艺参数减少螺杆磨损

（一）螺杆转速的合理调整

螺杆转速对玻纤增强 PEI 在螺杆中的输送和塑化过程有着重要影响，同时也与螺杆磨损密切相关。一般来说，较高的螺杆转速会使物料在螺杆中受到更大的剪切力，加速物料的塑化，但也会增大玻纤与螺杆表面的摩擦频率和摩擦力，从而加剧螺杆磨损。因此，在实际生产中，应根据产品的具体要求和设备情况，合理降低螺杆转速。例如，将螺杆转速从 70rpm 降低至 50rpm 时，通过观察和测量发现，螺杆的磨损速率明显下降，同时产品的质量并未受到显著影响。但需要注意的是，螺杆转速过低可能会导致物料塑化不良，影响产品成型质量，所以需要在两者之间找到一个平衡点。

（二）注射压力与速度的优化

注射压力和速度直接决定了物料在螺杆与料筒之间的挤压力和流速。过高的注射压力和速度会使玻纤增强 PEI 对螺杆表面产生更大的冲击力和摩擦力，加速螺杆磨损。在保证产品能够顺利填充模具型腔的前提下，应尽量降低注射压力和速度。通过对不同注射压力和速度组合的实验研究发现，当注射压力从 120MPa 降低至 100MPa，注射速度从 80mm/s 降低至 60mm/s 时，螺杆的磨损情况得到了明显改善，且产品的尺寸精度和外观质量仍能满足要求。同时，合理的注射压力和速度还能减少产品内部的残余应力，提高产品的综合性能。

（三）加工温度的精准控制

加工温度对玻纤增强 PEI 的流动性和螺杆磨损有着重要影响。适当提高加工温度可以降低物料的粘度，使其更容易流动，从而减少玻纤与螺杆表面的摩擦力，降低螺杆磨损。但温度过高则会导致 PEI 分子链降解加剧，产生更多腐蚀性物质，反而对螺杆不利。因此，需要精准控制加工温度。在实际操作中，可通过对注塑机温度控制系统进行校准和优化，确保加工温度稳定在玻纤增强 PEI 的最佳加工范围内，即 349 - 399°C 。例如，通过安装高精度的温度传感器和智能温控装置，将加工温度的波动范围控制在 ±2°C 以内，有效减少了因温度波动导致的螺杆磨损。

综上所述，针对玻纤增强 PEI 注塑时螺杆磨损快的问题，通过采用合适的专用镀层以及优化工艺参数，能够显著降低螺杆的磨损速率，延长螺杆的使用寿命，提高生产效率，降低生产成本，为玻纤增强 PEI 注塑产品的高质量、高效率生产提供有力保障。在实际应用中，企业应根据自身的生产需求、设备状况和成本考量，综合选择最适合的解决方案。