等離子熱噴涂在糧油食品機械中的應用

魯 珺，李詩龍 (武漢輕工大學機械工程學院，湖北武漢 430023)

目前糧油食品機械設備逐漸向生產規模化、大型化、連續化和自動化方向發展，對糧機及其關鍵零部件的使用壽命提出了更高要求，零件的更換也越來越頻繁。糧油食品機械的動力裝置、執行裝置、普通承力結構和關鍵零部件等都是由金屬材料構成。除了結構設計科學和可靠性，選擇合理的材料外，迫切需要在現有的材料系統基礎上，延長糧機的使用壽命。

等離子熱噴涂技術作為表面工程重要的技術手段［1］，可以使糧機關鍵零件的耐磨性、耐腐蝕性增強，從而延長糧機的使用壽命。此外，等離子熱噴涂技術在修復磨損、磨蝕部件，完成關鍵部件的再制造方面也發揮著重要作用。因此，在現有的技術條件下，利用等離子熱噴涂技術延長糧機設備的使用壽命有著重大的經濟效益和社會效益。

1 等離子熱噴涂技術概述

等離子噴涂是一種先進的熱噴涂工藝，原理如圖1所示。非轉移弧電源與轉移弧電源都采用逆變焊機。兩個電源的負極都是通過水電纜與與噴槍的鎢極相連。非轉移弧的正極也是利用水電纜與噴槍的噴嘴相連，繼而構成了非轉移電路。轉移弧電源的正極接至工件，與負極形成轉移弧電路。冷卻水通過水電管路連至噴槍，起到對噴嘴進行冷卻的作用，并且冷卻水最終會流回水泵中，達到能循環利用的目的。氬氣瓶通過電磁氣閥和流量計分別為送粉器提供送粉氣、為噴槍提供離子氣和保護氣。對工件進行噴涂時，首先，非轉移弧電路通電，非轉移負極(鎢極)和正極(噴嘴)之間由于氬氣的電離繼而就形成了非轉移弧。接著轉移弧電路通電，由于非轉移弧的存在，從而就可以引燃轉移弧。轉移弧被引燃后，會產生大量的熱量，同時填充材料按照用戶設定的量源源不斷的在氬氣的作用下吹入電弧中。由于轉移弧產生的高熱量，填充粉末會很快融化，溶入被被噴涂件，冷凝后，形成涂層。

由于等離子噴涂火焰溫度高，可熔化并噴涂各種材料，形成的涂層性能，所以在熱噴涂技術中等離子噴涂占據著最重要的地位［2－3］。等離子噴涂的涂層平整光滑，可精確控制厚度。涂層孔隙率低，結合度高，涂層孔隙率可控制在1% ～10%之間，結合強度可達60～70 N/mm2。涂層氧化物和雜質含量少，與其他噴涂方式相比，等離子噴涂層更厚、更硬、更具防腐效果。而且噴涂過程對基體的熱影響小，基體組織不會發生變化。因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金屬材料上噴涂［4－8］。根據資料顯示［9－13］，國外專家學者對于各種功能性涂層的成分、作用機理以及提高涂層性能成分的方法作了大量研究，現已廣泛應用于各行各業。

2 等離子噴涂在糧油食品機械中的應用

2．1 螺旋榨油機的熱噴涂應用 螺旋榨油機是一種常見的榨油設備。榨油的油料主要是由物料、料殼和少量的泥沙混合組成的粘彈性體［14］。榨螺是螺旋榨油機的重要部件，其工作時螺旋面需要承受很大的沖擊力，因此要求榨螺應有足夠的強度、剛度、表面硬度和良好耐磨性［15］。榨螺的主要材料為滲碳鋼，在使用過程中，榨螺的磨損最嚴重，榨螺的磨損程度直接影響到油料的生產和效率。國內常用表面淬火處理來提高榨螺壽命，但傳統的熱處理方式與國外使用先進技術處理后的榨螺差距較大。

榨圈也是榨油機的主要工作部件，在工作中其他部件的壓力以及與油料之間的摩擦力都會影響榨螺的強度、高度和表面硬度。其主要材料為20號鋼，磨損形式主要為粘彈性磨損、疲勞磨損、磨料磨損及腐蝕磨損。如果榨圈硬度過低，會影響其耐磨性和使用壽命。如果硬度過高，則容易產生脆裂，更嚴重的是在壓榨油料過程中易產生“爆膛”現象，即榨圈斷裂，使榨膛承受巨大壓力的高溫油料和破碎部件崩出，造成人身傷害和機器損壞［16］。在大多數應用中，機械廠的習慣作法就是將榨圈進行表面硬化處理，但經處理后的榨圈使用壽命一般也就是6個月左右［17］。

榨條是最重要的受力件和易損件。目前國內常用的螺旋榨油機榨條大多采用20號鋼或20Cr鋼，經表面滲碳1．5～2．0 mm后進行表面淬火［18］。榨條的磨損失效與榨螺，榨圈類似。據資料介紹［18］，在國內有采用寬帶激光熱處理，對基材為20號鋼的滲碳榨條表面進行強化的熱處理技術。用激光進行處理后，榨條的表面硬度有所提高，但由于激光熱處理工藝復雜，目前還未得到廣泛應用。

榨螺、榨圈和榨條的磨損嚴重影響了榨油機的使用壽命，常規的熱處理工藝已無法快速提高榨油機的使用壽命，而等離子熱噴涂技術卻能有效地解決這一問題。張麟等人［19］采用熱噴涂工藝，在低溫榨油機榨螺表面制備WC－12%Co耐磨涂層，噴涂后的榨油機使用壽命約為新榨螺的3倍。

2．2 粉碎機的熱噴涂應用 錘片是錘片式粉碎機最關鍵也是最易損的部件。由于粉碎機是進行谷物加工的，所以錘片會產生磨粒磨損。當錘片磨損時，錘片外邊緣變鈍，從而減少對物料剪切和撞擊作用，增大粉碎機能耗，使成品粒度變粗，粉碎機生產率降低［20］。

據統計，一臺機每年耗損錘片約400～600片，目前全國約有錘片飼料粉碎機近萬臺，錘片每年耗用鋼材達數萬噸以上，且每次更換錘片都影響到連續生產過程，降低了勞動生產率［21］。國內生產的錘片大多為中碳鋼或中碳合金鋼整體淬火和低碳鋼滲碳淬火。這類錘片雖然能保證足夠的韌性和整體強度，但受表面處理工藝所限，難以獲得高的表面硬度和耐磨層，耐磨性普遍較低。這類工藝處理的錘片在使用中很快在端角上變鈍，而使粉碎效率下降，很快失效。為了提高錘片尖端的耐磨性，王長生等人［22］在65 Mn鋼錘片表面噴焊NiWC合金耐磨層，結果顯示，表面處理后的錘片壽命可提高6倍以上。

2．3 磨粉機的熱噴涂應用 磨輥是磨粉機中的核心部件。磨輥的主要加工對象都是粉體類物質，所以磨輥的磨損形式與錘片類似。

目前面粉廠采用的磨輥基本都是離心澆鑄磨輥，外層是含有鎳、鉻元素的激冷合金白口鑄鐵，內層為灰口鑄鐵［23］。這類磨輥的表面硬度和耐磨性比普通磨輥好，但還是存在著耐磨層剝落、斷輥等問題。為此陳秀華［24］等人采用高碳高鉻的合金體系(即C－Cr－Si－Mn合金體系)堆焊磨輥后，工作周期提高了一倍，成本降低了4萬元，提高了磨輥的耐磨性和抗沖擊能力，提高了磨輥的使用壽命。

2．4 制粒機的熱噴涂應用 環模是制粒機中的最重要部件，它的工作性能和壽命直接影響著產品顆粒質量和生產成本。制粒機主要用于加工糖果及糖混合物和麥芽牛乳等食品使之形成顆粒。目前國內生產的環模存在磨損過快甚至開裂等問題，不僅降低了生產效率，也嚴重影響了環模在其他領域的應用。

環模主體材料為X46Cr13鋼，熱處理工藝為1 050℃淬火和200℃回火2次。環模現在普遍采用真空淬火的熱處理工藝進行處理，由于淬火導致工件變形較大，在淬火后還要進行后續的磨削加工，增加了生產的成本，同時，真空淬火處理的環模表面光潔度不夠，在實際生產應用過程中容易出現堵機的現象［25］。利用等離子熱噴涂技術在環模表面制備鐵基合金涂層不僅能快速提高制粒機的使用壽命，增強環模的耐磨性和耐腐蝕性，同時也節約了成本，對制粒機環模的生產具有重大的意義。

3 結論

等離子熱噴涂可噴涂幾乎所有難溶金屬和非金屬粉末，能大大提高零部件的使用壽命和效率。隨著糧油食品機械化水平的不斷提升，先進的熱噴涂技術在延長糧機使用壽命方面必定有更加廣闊的前景。然而在我國糧油食品機械中的等離子熱噴涂的應用還存在很大問題，與國外差距較大，主要包括:(1)采用熱噴涂技術的糧機零件種類較少。受限于我國農業機械化的發展水平，糧機關鍵部件多采用簡單、經濟的表面處理工藝，熱噴涂耐磨、耐腐蝕涂層沒有被廣泛采用;(2)涂層設計水平低。在農業機械設計、制造中，材料學科技術人員參與的工作較少，沒有系統的研究糧機使用工況，沒有系統的涂層設計和表征，涂層的應用還停留在試用階段;(3)新型材料的研究方面有待提高。我國在利用復合材料進行再制造這方面的應用還相對較少，沒有進行深入的研究和探索。

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