袋成型-充填-封口機刀座失效分析

劉艷梅，王鐵鋼，王書源，馮 輝，劉 源，戚厚軍

（1.天津職業技術師范大學天津市高速切削與精密加工重點實驗室，天津 300222；2.天津一重電氣自動化有限公司，天津 300457；3.中國科學院金屬研究所，沈陽 110016）

袋成型-充填-封口機是量大面廣的通用機械產品，該機采用各種塑料復合薄膜或單膜對物料進行包裝。經過包裝的商品可以防潮、防霉、防污染、防氧化，延長儲存期，廣泛應用于輕工、食品、藥物、化工等行業[1]。一些企業為了在價格方面占有優勢，往往采用劣質材料、偷工減料、減化生產工藝等手段降低成本，致使一些包裝機質量低劣[2]。同時，封口機工作一段時間后會出現封口不牢或封口不平整等問題，導致封口質量不合格，進而影響最終產品合格率。

袋成型-充填-封口機利用包裝袋的塑料材料具有熱塑性能，進行加熱加壓的方法使袋口密封，這種方法稱為熱封[3]。熱封時要求刀座有良好的熱傳導性能，并且配合良好，封口無皺褶、灼化和壓穿現象[4]。某企業購買并使用兩種型號袋成型-充填-封口機設備，該設備分別為兩個廠家生產，均為熱封。其中A企業生產的封口機封裝壽命長，一般為3～5年，封口機價格較貴；B企業生產的封口機封裝壽命短，一般為1～2年，封口機價格較便宜。由于封口機設備總價格較高，且為每天24 h高頻率使用設備，該企業為了在以后選購封口機設備時有依據，要求對封口機失效原因進行分析。本文通過對比兩種袋成型-充填-封口機刀座基體和表面防護層的化學成分、顯微組織及顯微硬度、熱傳導性能及耐磨性能，分析了封口機的失效原因。

1 試樣制備及試驗方法

對兩種封口機刀座的表面和內部取樣并分析。A企業封口機刀座取的樣品命名為A，B企業封口機刀座取的樣品命名為B。利用直讀光譜儀分析A、B樣品基體的化學成分，確定材料牌號；利用ZEISS Axiovert 40 MAT光學顯微鏡觀察基體材料的顯微組織和刀面表面防護層的形貌特征。利用SHIMADZU EPMA-1610電子探針能譜儀分析防護層的微區成分。利用WILSON 402MVD顯微硬度計分析樣品基體及表面防護層的顯微硬度。應用Micro-image Analysis-Process System（Release Ver.5.7）金相圖像分析軟件測量刀座表面防護層的厚度。

2 試驗結果及分析

2.1 刀座基體化學成分分析

兩種刀座內部的化學成分分析結果如表1所示。由表1可知，A封口機刀座的基體牌號為Q345，為一種低合金高強度結構鋼；B封口機刀座的基體牌號為45鋼，為一種優質碳素鋼。

表1 封口機刀座基體的化學成分%（wt）

圖1為A刀座基體的顯微組織。由圖1可見，A刀座的顯微組織均勻一致，組織為鐵素體+珠光體，顯微組織中鐵素體和珠光體呈顯著的帶狀分布。

圖1 A刀座基體的顯微組織

圖2為B刀座兩個不同位置的顯微組織。圖2（a）組織為鐵素體+回火索氏體，圖2（b）為回火索氏體。不同位置顯微組織存在差異，顯微組織不均勻。

A刀座的顯微組織為退火狀態的組織，B刀座顯微組織為正火+回火及經調質處理的組織。退火狀態為近平衡態的組織，組織內部缺陷少，經退火處理的鋼件熱傳導系數高于調質處理等其他熱處理組織[5]。

圖2 B刀座基體兩個不同部分的顯微組織

2.2 刀座表面防護層特性分析

圖3為A刀座表面防護層及顯微組織形貌。圖3（a）為樣品拋光未腐蝕的形貌，防護層的厚度均勻，與基體結合良好，防護層的平均厚度為10 μm。圖3（b）為該樣品經過腐蝕后的顯微組織，可見，樣品的防護層與材料帶狀組織縱向垂直。

圖3 A刀座表面防護層及顯微組織形貌

表2為2種刀座表面防護層的化學成分分析結果，由表2可知，A刀座表面防護層為鎳磷鍍層。鎳磷鍍層具有高均勻性、高結合強度、高耐磨性、高耐腐蝕性、無漏鍍缺陷等優點[6]。

表2 A封口機齒刀表面防護層的化學成分%（wt）

圖4為B刀座表面的防護層的顯微組織形貌，圖4（a）是樣品拋光后的形貌，圖4（b）是樣品腐蝕后的顯微組織。可見，刀座表面存在處理層，但不連續，厚度不均勻，最薄處為0，最厚處約為10 μm。

表3為B刀座表面防護層的化學成分分析結果，可知刀座表層存在Cu、Zn、Al等元素，但由于該層較薄且極不均勻，無法確定表面處理層工藝。

2.3 硬度分析和耐磨性能定性分析

圖4 B刀座表面防護層和顯微組織

表4為封口機刀座表面及內部的顯微硬度分析結果。由表4可見，A刀座內部硬度低于B刀座內部硬度，但A刀座表面硬度略高于B刀座表面硬度。A和B刀座表面硬度和耐磨性都高于內部，是刀座的耐磨防護層。

表3 B封口機刀座表面防護層的化學成分%（wt）

表4 封口機刀座硬度（Hv0.05）

2.4 A刀座失效形式分析

A封口機刀座接近中部的齒刀表面存在嚴重磨損區域，如圖5所示。

圖5 A刀座磨損區域形貌

圖5（b）為圖5（a）方框區域放大的刀座形貌圖。可見，封口機刀座有磨損現象。圖6為該磨損區域的顯微組織。可見，刀座的鎳磷鍍層磨損，刀座內部金屬裸露。內部金屬硬度低，耐磨性能差，會導致磨損加速，磨損到一定深度，封口機刀座失效。

圖6 A刀座磨損區域顯微組織形貌

3 結果分析與討論

采用成型-充填-封口機進行包裝的封口處應平整，無皺褶、灼化和壓穿現象。塑料袋的熱封口強度應符合國家標準的規定[7]。封口機封口質量不合格的原因主要有以下幾種：①封刀溫度過高或過低，或溫度不均勻，影響密封性能。②熱封壓力不合適，熱封壓力過大、過小或不均勻都會影響封口的密封。③熱封薄膜質量有問題。如果復合里料不均勻，處理效果不好，并恰好出現在封口處，會影響封口質量。④封口速度過快，包裝袋溫度未升溫到要求溫度，會影響封口質量[8]。

后兩種原因不是封口機自身問題引起的，已排除，不列入分析項。因此，只就前兩種封口問題原因作為評估封口機封口質量的分析項，來探究兩個廠家的封口機壽命不同的影響因素。

分析兩種刀座內部的化學成分和組織可知，A封口機刀座的基體為牌號是Q345的低合金高強度結構鋼，組織為鐵素體+珠光體，各個部位均勻一致，為退火狀態的組織[9]。B封口機刀座的基體為一種優質碳素鋼，牌號45鋼。顯微組織不均勻、混雜，有些區域組織為回火索氏體，有些區域分布著少量鐵素體或網狀鐵素體，為調質熱處理不良后的組織，是原材料內部成分偏析及熱處理時溫度不均勻導致的結果[9-10]。退火狀態為近平衡態的組織，組織內部缺陷少，較經過其他熱處理的組織的導熱系數高[11-12]。因此，A刀座的導熱系數高于B刀座。同時，A刀座顯微組織均勻，且帶狀組織垂直于刀座表面防護層，可以使刀座到達最好的導熱效果。封口機刀座的溫度穩定性、溫度分布均勻性是決定封口機封口質量的重要因素；材料自身的導熱率、比熱容、線膨脹系數等參數又直接影響封口機工作時的加熱速度和加熱均勻性。顯然，A刀座材料的選擇和均勻的熱處理后的材料組織都使得A刀座較B刀座的加熱速度和均勻性更優良。

封口機刀座作為加工過程中直接接觸包裝袋的零部件，需要具有一定的耐磨性能。廠家應采用表面熱處理或表面化學熱處理的方式來提高刀座的耐磨性能。在一定條件下，單位滑動距離內磨損的體積與材料的硬度成反比[13-14]。A、B兩個封口機刀座基體材質不同，A刀座內部硬度低于B刀座內部硬度，因此B刀座內部耐磨性高于A刀座內部。但耐磨性都不高，不是決定封口機壽命的決定因素。A、B兩種封口機刀座都進行了表面強化，A刀座表面硬度高于B刀座表面硬度。A封口機的表面強化層為鎳磷鍍層，厚度均勻致密，有效提高了刀座的耐磨性，進而提高刀座的使用壽命；而B封口機的表面強化層的工藝不明，厚度不均勻，影響了封口機刀座的耐磨性能，進而影響刀座的使用壽命。B封口機刀座的鎳磷鍍層磨損，刀座內部金屬裸露，導致刀座封口失效。隨著封口機工作時間的增長，封口機刀座會出現不同程度的磨損，當磨損到一定程度時，就會出現刀面不平整，壓合不均勻等問題。刀座的硬度和耐磨性能是影響封口機刀面和底座工作壽命的重要因素[8]。

研究表明：材料基體的耐磨性能不是決定刀座使用壽命的決定因素，而刀座表面的防護層的選擇及質量才是決定刀座使用壽命的決定因素。因此，對封口機刀座材料進行高質量的防護層處理，可以提高封口機刀座的耐磨性能，進而提高刀座的使用壽命。

4 結論

（1）A封口機刀座的基體為牌號是Q345的低合金高強度結構鋼，組織為退火狀態的組織。B封口機刀座的基體為45鋼，顯微組織不均勻，為調質熱處理不良后的組織。A刀座的導熱系數高于B刀座。

（2）A、B兩種封口機刀座都進行了表面強化。A封口機的表面強化層為鎳磷鍍層，厚度均勻致密，有效提高了刀座的耐磨性，進而提高刀座的使用壽命；而B封口機的表面強化層質量差，影響了封口機刀座的耐磨性能，進而影響刀座的使用壽命。

（3）A封口機刀座的鎳磷鍍層磨損，刀座內部金屬裸露，刀座磨損量加大，導致刀座封口失效。

（4）對封口機刀座材料進行高質量的防護層處理，提高刀座的耐磨性能，可以提高刀座的使用壽命。

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