等离子热喷涂在粮油食品机械中的应用

鲁 珺，李诗龙 (武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉 430023)

目前粮油食品机械设备逐渐向生产规模化、大型化、连续化和自动化方向发展，对粮机及其关键零部件的使用寿命提出了更高要求，零件的更换也越来越频繁。粮油食品机械的动力装置、执行装置、普通承力结构和关键零部件等都是由金属材料构成。除了结构设计科学和可靠性，选择合理的材料外，迫切需要在现有的材料系统基础上，延长粮机的使用寿命。

等离子热喷涂技术作为表面工程重要的技术手段［1］，可以使粮机关键零件的耐磨性、耐腐蚀性增强，从而延长粮机的使用寿命。此外，等离子热喷涂技术在修复磨损、磨蚀部件，完成关键部件的再制造方面也发挥着重要作用。因此，在现有的技术条件下，利用等离子热喷涂技术延长粮机设备的使用寿命有着重大的经济效益和社会效益。

1 等离子热喷涂技术概述

等离子喷涂是一种先进的热喷涂工艺，原理如图1所示。非转移弧电源与转移弧电源都采用逆变焊机。两个电源的负极都是通过水电缆与与喷枪的钨极相连。非转移弧的正极也是利用水电缆与喷枪的喷嘴相连，继而构成了非转移电路。转移弧电源的正极接至工件，与负极形成转移弧电路。冷却水通过水电管路连至喷枪，起到对喷嘴进行冷却的作用，并且冷却水最终会流回水泵中，达到能循环利用的目的。氩气瓶通过电磁气阀和流量计分别为送粉器提供送粉气、为喷枪提供离子气和保护气。对工件进行喷涂时，首先，非转移弧电路通电，非转移负极(钨极)和正极(喷嘴)之间由于氩气的电离继而就形成了非转移弧。接着转移弧电路通电，由于非转移弧的存在，从而就可以引燃转移弧。转移弧被引燃后，会产生大量的热量，同时填充材料按照用户设定的量源源不断的在氩气的作用下吹入电弧中。由于转移弧产生的高热量，填充粉末会很快融化，溶入被被喷涂件，冷凝后，形成涂层。

由于等离子喷涂火焰温度高，可熔化并喷涂各种材料，形成的涂层性能，所以在热喷涂技术中等离子喷涂占据着最重要的地位［2－3］。等离子喷涂的涂层平整光滑，可精确控制厚度。涂层孔隙率低，结合度高，涂层孔隙率可控制在1% ～10%之间，结合强度可达60～70 N/mm2。涂层氧化物和杂质含量少，与其他喷涂方式相比，等离子喷涂层更厚、更硬、更具防腐效果。而且喷涂过程对基体的热影响小，基体组织不会发生变化。因此也可在塑料、油漆、玻璃、石棉布等非金属材料上喷涂［4－8］。根据资料显示［9－13］，国外专家学者对于各种功能性涂层的成分、作用机理以及提高涂层性能成分的方法作了大量研究，现已广泛应用于各行各业。

2 等离子喷涂在粮油食品机械中的应用

2．1 螺旋榨油机的热喷涂应用 螺旋榨油机是一种常见的榨油设备。榨油的油料主要是由物料、料壳和少量的泥沙混合组成的粘弹性体［14］。榨螺是螺旋榨油机的重要部件，其工作时螺旋面需要承受很大的冲击力，因此要求榨螺应有足够的强度、刚度、表面硬度和良好耐磨性［15］。榨螺的主要材料为渗碳钢，在使用过程中，榨螺的磨损最严重，榨螺的磨损程度直接影响到油料的生产和效率。国内常用表面淬火处理来提高榨螺寿命，但传统的热处理方式与国外使用先进技术处理后的榨螺差距较大。

榨圈也是榨油机的主要工作部件，在工作中其他部件的压力以及与油料之间的摩擦力都会影响榨螺的强度、高度和表面硬度。其主要材料为20号钢，磨损形式主要为粘弹性磨损、疲劳磨损、磨料磨损及腐蚀磨损。如果榨圈硬度过低，会影响其耐磨性和使用寿命。如果硬度过高，则容易产生脆裂，更严重的是在压榨油料过程中易产生“爆膛”现象，即榨圈断裂，使榨膛承受巨大压力的高温油料和破碎部件崩出，造成人身伤害和机器损坏［16］。在大多数应用中，机械厂的习惯作法就是将榨圈进行表面硬化处理，但经处理后的榨圈使用寿命一般也就是6个月左右［17］。

榨条是最重要的受力件和易损件。目前国内常用的螺旋榨油机榨条大多采用20号钢或20Cr钢，经表面渗碳1．5～2．0 mm后进行表面淬火［18］。榨条的磨损失效与榨螺，榨圈类似。据资料介绍［18］，在国内有采用宽带激光热处理，对基材为20号钢的渗碳榨条表面进行强化的热处理技术。用激光进行处理后，榨条的表面硬度有所提高，但由于激光热处理工艺复杂，目前还未得到广泛应用。

榨螺、榨圈和榨条的磨损严重影响了榨油机的使用寿命，常规的热处理工艺已无法快速提高榨油机的使用寿命，而等离子热喷涂技术却能有效地解决这一问题。张麟等人［19］采用热喷涂工艺，在低温榨油机榨螺表面制备WC－12%Co耐磨涂层，喷涂后的榨油机使用寿命约为新榨螺的3倍。

2．2 粉碎机的热喷涂应用 锤片是锤片式粉碎机最关键也是最易损的部件。由于粉碎机是进行谷物加工的，所以锤片会产生磨粒磨损。当锤片磨损时，锤片外边缘变钝，从而减少对物料剪切和撞击作用，增大粉碎机能耗，使成品粒度变粗，粉碎机生产率降低［20］。

据统计，一台机每年耗损锤片约400～600片，目前全国约有锤片饲料粉碎机近万台，锤片每年耗用钢材达数万吨以上，且每次更换锤片都影响到连续生产过程，降低了劳动生产率［21］。国内生产的锤片大多为中碳钢或中碳合金钢整体淬火和低碳钢渗碳淬火。这类锤片虽然能保证足够的韧性和整体强度，但受表面处理工艺所限，难以获得高的表面硬度和耐磨层，耐磨性普遍较低。这类工艺处理的锤片在使用中很快在端角上变钝，而使粉碎效率下降，很快失效。为了提高锤片尖端的耐磨性，王长生等人［22］在65 Mn钢锤片表面喷焊NiWC合金耐磨层，结果显示，表面处理后的锤片寿命可提高6倍以上。

2．3 磨粉机的热喷涂应用 磨辊是磨粉机中的核心部件。磨辊的主要加工对象都是粉体类物质，所以磨辊的磨损形式与锤片类似。

目前面粉厂采用的磨辊基本都是离心浇铸磨辊，外层是含有镍、铬元素的激冷合金白口铸铁，内层为灰口铸铁［23］。这类磨辊的表面硬度和耐磨性比普通磨辊好，但还是存在着耐磨层剥落、断辊等问题。为此陈秀华［24］等人采用高碳高铬的合金体系(即C－Cr－Si－Mn合金体系)堆焊磨辊后，工作周期提高了一倍，成本降低了4万元，提高了磨辊的耐磨性和抗冲击能力，提高了磨辊的使用寿命。

2．4 制粒机的热喷涂应用 环模是制粒机中的最重要部件，它的工作性能和寿命直接影响着产品颗粒质量和生产成本。制粒机主要用于加工糖果及糖混合物和麦芽牛乳等食品使之形成颗粒。目前国内生产的环模存在磨损过快甚至开裂等问题，不仅降低了生产效率，也严重影响了环模在其他领域的应用。

环模主体材料为X46Cr13钢，热处理工艺为1 050℃淬火和200℃回火2次。环模现在普遍采用真空淬火的热处理工艺进行处理，由于淬火导致工件变形较大，在淬火后还要进行后续的磨削加工，增加了生产的成本，同时，真空淬火处理的环模表面光洁度不够，在实际生产应用过程中容易出现堵机的现象［25］。利用等离子热喷涂技术在环模表面制备铁基合金涂层不仅能快速提高制粒机的使用寿命，增强环模的耐磨性和耐腐蚀性，同时也节约了成本，对制粒机环模的生产具有重大的意义。

3 结论

等离子热喷涂可喷涂几乎所有难溶金属和非金属粉末，能大大提高零部件的使用寿命和效率。随着粮油食品机械化水平的不断提升，先进的热喷涂技术在延长粮机使用寿命方面必定有更加广阔的前景。然而在我国粮油食品机械中的等离子热喷涂的应用还存在很大问题，与国外差距较大，主要包括:(1)采用热喷涂技术的粮机零件种类较少。受限于我国农业机械化的发展水平，粮机关键部件多采用简单、经济的表面处理工艺，热喷涂耐磨、耐腐蚀涂层没有被广泛采用;(2)涂层设计水平低。在农业机械设计、制造中，材料学科技术人员参与的工作较少，没有系统的研究粮机使用工况，没有系统的涂层设计和表征，涂层的应用还停留在试用阶段;(3)新型材料的研究方面有待提高。我国在利用复合材料进行再制造这方面的应用还相对较少，没有进行深入的研究和探索。

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