激光淬火工藝對(duì)小麥磨粉機(jī)磨輥表面硬度及磨損性能的影響

崔永婷，張克平，孫步功，李小龍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

小麥?zhǔn)莾H次于大米的主要糧食作物，是人類生活中不可缺少的食物，通常利用制粉設(shè)備加工成面粉，制作成面包、面條等各種面食供人類食用。全世界每年需要加工制粉的谷物有20多億t，其中小麥大約有6億t[1]。輥式磨粉機(jī)是加工面粉的主要設(shè)備，其工作原理是通過1對(duì)水平排列并以不同角速度高速相向旋轉(zhuǎn)的圓柱形磨輥，對(duì)小麥粉料施加擠壓、剪切、摩擦等方式的載荷，將物料顆粒壓碎、研磨成細(xì)粉，制成各種不同用途的成品面粉[2-3]。

磨輥是輥式磨粉機(jī)的核心部件，其內(nèi)層材料以灰口鐵為主，外層抗磨部分主要為白口鐵。制粉過程中其與小麥粉料劇烈摩擦，產(chǎn)生磨料磨損現(xiàn)象，造成磨輥表面原有的形態(tài)發(fā)生變化，如齒輥的齒部鈍化、光輥表面粗糙度降低。當(dāng)磨輥磨損達(dá)到一定程度后，磨粉機(jī)出粉率與生產(chǎn)效率都會(huì)明顯降低，需重新做磨光拉絲或噴砂處理[4-6]。磨輥磨損問題已經(jīng)成為制約輥式磨粉機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸，提高磨輥表面耐磨性能是目前制粉行業(yè)急需解決的難題。因此，磨輥金屬材料的耐磨性是非常重要的性能，金屬材料的耐磨性與表面硬度之間存在相應(yīng)的關(guān)系，一般情況下，同類材料硬度增大則耐磨性提高，因此可以通過表面硬度間接反映材料的耐磨性[7-8]。

激光表面淬火是強(qiáng)化材料表面硬度的一種熱處理方法[9-10]，該技術(shù)解決了許多普通熱處理工藝無法解決的難題，廣泛用于汽車、冶金、模具、五金、輕工、機(jī)械制造等行業(yè)[11-17]。有學(xué)者研究了激光淬火工藝參數(shù)對(duì)HT210、模具鋼718等材料淬硬層深度及表面硬度的影響[18-21]，發(fā)現(xiàn)獲得高而均勻的硬度是提高鑄鐵材料耐磨性的關(guān)鍵。本研究擬利用響應(yīng)曲面方法設(shè)計(jì)激光淬火試驗(yàn)，探究激光淬火工藝參數(shù)對(duì)磨輥表面金屬材料硬度的影響規(guī)律，并確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合，探討經(jīng)激光淬火處理后磨輥表面金屬材料的性能變化和磨損機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為低鉻白口鐵，尺寸為 57 mm × 25.5 mm ×6 mm，表面機(jī)械研磨拋光，其化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：C 2.6%～3.2%、Si 低于 0.8%、Mn 1.0%～2.5%、Cr 2.0%～3.0%、Mo 2.0%～3.0%、Cu 2.0%～3.0%。

磨損試驗(yàn)中使用的磨料為甘肅產(chǎn)‘西旱1號(hào)’小麥籽粒，自然風(fēng)干后經(jīng)破碎、篩分及勻化處理制備粒度分布為0.5～1.5 mm的小麥粉料。小麥粉料不同成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：淀粉71.8%、粗蛋白12.9%、水分9.8%、脂肪2.2%、粗纖維1.7%、粗灰分1.6%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 激光淬火試驗(yàn) 使用額定功率 200 W，波長(zhǎng)1 070 nm 的光纖激光器，工作頻率 40 Hz，脈寬 20 ms。

1.2.2 硬度測(cè)定試驗(yàn)與金相組織試驗(yàn) 硬度測(cè)定采用萊州華銀公司生產(chǎn)的HVS?1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)，施加載荷 100 g，加載時(shí)間 10 s。每組試樣硬度測(cè)定試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次測(cè)量值的平均值。采用MR5000型倒置金相顯微鏡(南京江南永新光學(xué)公司生產(chǎn))檢驗(yàn)試樣金相組織。

1.2.3 磨損試驗(yàn) 采用 MLS?225 型橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)(張家口市宣化科華試驗(yàn)機(jī)制造有限公司生產(chǎn))進(jìn)行三體磨料磨損試驗(yàn)，采用精度為0.1 mg的分析天平稱量試樣磨損前后的質(zhì)量損失，采用掃描電子顯微鏡(東莞市天測(cè)光學(xué)設(shè)備有限公司生產(chǎn))觀察試樣被磨面的表面微觀形貌。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 激光淬火試驗(yàn) 試樣編號(hào)為 1～20，分別進(jìn)行不同工藝參數(shù)的激光表面淬火熱處理，表面淬火區(qū)域的淬火掃描點(diǎn)呈線性排列在試樣表面，如圖1，淬火面積為 30 mm × 18 mm。在進(jìn)行激光淬火試驗(yàn)前，將試樣置入丙酮溶液中，放入清洗機(jī)清洗6 min，用碳素吸光涂料對(duì)試樣作黑化處理，提高材料對(duì)激光的吸收率。完成激光淬火試驗(yàn)后，將試樣沿著與激光掃描垂直的方向切開，用硬度計(jì)測(cè)量硬度值。

圖1 激光淬火試樣Fig. 1 Laser quenching sample

1.3.2 響應(yīng)曲面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 通過前期單因素激光淬火試驗(yàn)篩選，影響磨輥表面硬度的因素主要是激光功率、光斑直徑和掃描速度。根據(jù)中心復(fù)合的旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)原理，以激光功率(A)、光斑直徑(B)、掃描速度(C)為試驗(yàn)影響因素，以硬度(R)作為響應(yīng)指標(biāo)，采用3因素5水平試驗(yàn)。各試驗(yàn)因素水平如表1所示。

1.3.3 磨損試驗(yàn) 在三體磨料磨損試驗(yàn)前，磨損試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)設(shè)定如下：轉(zhuǎn)速 400 r/min，壓力 225 N，軋距0.15 mm。選用硬度為60 邵爾的橡膠輪，在室溫條件下分別對(duì)未經(jīng)激光淬火處理、經(jīng)激光淬火最優(yōu)工藝參數(shù)組合處理的2組試樣進(jìn)行為期2 h的抗小麥粉料磨損試驗(yàn)，共計(jì)5個(gè)磨損周期，即總磨程為10 h。將試樣磨損前后的質(zhì)量損失作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，每組試樣磨損試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次測(cè)量值的平均值作為分析數(shù)據(jù)。

表1 因素水平表Table 1 Factor-level table

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Design-expert 8.0.6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；用Origin 8.0軟件進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 激光淬火試驗(yàn)

響應(yīng)面各因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表2所示。使用Design-expert 8.0.6軟件分析試驗(yàn)結(jié)果，得到各因素與響應(yīng)值R的二次回歸方程：

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 2 Experiment design and result

對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn),結(jié)果見表3?；貧w模型P＜0.01,表明回歸模型中各因素與響應(yīng)值的相關(guān)性是顯著的。其中模型的一次項(xiàng)A(激光功率)、B(光斑直徑)與C(掃描速度)對(duì)磨輥材料表面硬度影響顯著(P＜0.05)；二次項(xiàng)B2、C2對(duì)磨輥材料表面硬度影響極顯著(P＜0.01)，A2影響顯著 (P＜0.05)；交互項(xiàng)AC對(duì)磨輥材料表面硬度影響顯著(P＜0.05)，AB與BC影響均不顯著(P＞0.05)。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)和P值大小，得到影響磨輥材料表面硬度的各因素依次為激光功率、光斑直徑、掃描速度。模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.846 8，模型的校正決定系數(shù)Radj2為0.708 9，試驗(yàn)誤差小，可以用于硬度的預(yù)測(cè)。

表3 方差分析表1)Table 3 Variance analysis table

2.2 淬火工藝參數(shù)交互作用分析

為了考察各因素及其交互作用對(duì)磨輥材料表面硬度的影響,采用Design-expert 8.0.6軟件得到了各因素間的響應(yīng)曲面圖和等高線圖,如圖2～4所示。各因素間交互作用的顯著性取決于響應(yīng)曲面的陡峭程度。響應(yīng)曲面坡度越陡,說明該因素對(duì)響應(yīng)值的影響越顯著。當(dāng)?shù)雀呔€的形狀為橢圓形時(shí),線密度大,表明因素間交互作用對(duì)硬度影響顯著；等高線的形狀為圓形或近似圓形時(shí),線密度小，交互作用對(duì)硬度影響不顯著。

2.2.1 激光功率與掃描速度對(duì)硬度的影響 激光功率方向的坡度比掃描速度陡峭(圖2a)，表明激光功率對(duì)磨輥材料表面硬度的影響大于掃描速度。等高線圖形狀呈橢圓形(圖2b),表明激光功率與掃描速度間的交互作用對(duì)硬度影響顯著。

2.2.2 激光功率與光斑直徑對(duì)硬度的影響 響

應(yīng)面圖中激光功率方向的曲線坡度大于光斑直徑方向(圖3a),說明激光功率對(duì)磨輥材料表面硬度的影響大于光斑直徑。與激光功率和掃描速度交互作用下等高線密度(圖2b)相比較,圖3b中的等高線輪廓近似圓形,線密度較小，表明激光功率與光斑直徑間的交互作用對(duì)硬度影響不顯著。

2.2.3 光斑直徑與掃描速度對(duì)硬度的影響 從響應(yīng)曲面圖可觀察出，光斑直徑方向響應(yīng)面曲線比掃描速度方向陡峭(圖4a)，表明光斑直徑對(duì)磨輥材料表面硬度的影響大于掃描速度。等高線圖的線密度小，輪廓呈圓形(圖4b)，說明光斑直徑與掃描速度間的交互作用對(duì)硬度的影響也不顯著，這與回歸分析結(jié)果一致。由上述結(jié)果可知,影響磨輥材料表面硬度的最主要因素為激光功率，其次為光斑直徑和掃描速度。

圖2 激光功率與掃描速度對(duì)硬度影響的響應(yīng)曲面圖與等高線圖Fig. 2 Response surface figure and contour map of effects of laser power and scanning speed on hardness

圖3 激光功率與光斑直徑對(duì)硬度影響的響應(yīng)曲面圖與等高線圖Fig. 3 Response surface figure and contour map of effects of laser power and spot diameter on hardness

圖4 光斑直徑與掃描速度對(duì)硬度影響的響應(yīng)曲面圖與等高線圖Fig. 4 Response surface figure and contour map of effects of spot diameter and scanning speed on hardness

2.2.4 激光淬火工藝參數(shù)最優(yōu)組合 在實(shí)際面粉生產(chǎn)中，最終目的是提高磨輥的硬度，加強(qiáng)磨輥的耐磨性能，延長(zhǎng)磨輥的使用周期。本試驗(yàn)利用響應(yīng)曲面旋轉(zhuǎn)二次組合設(shè)計(jì)方法，采用激光功率、光斑直徑和掃描速度3個(gè)參數(shù)的試驗(yàn)范圍作為約束條件，經(jīng)過顯著性檢驗(yàn)的響應(yīng)值R作為目標(biāo)函數(shù)，經(jīng)過非線性優(yōu)化后得出最優(yōu)的參數(shù)組合。分析得到激光淬火優(yōu)化參數(shù)組合為：激光功率190 W，光斑直徑 0.74 mm，掃描速度 220.14 mm/s，該參數(shù)組合下的試樣表面硬度為688.67 HV?？紤]到實(shí)際試驗(yàn)操作的便利，將此工藝條件進(jìn)行進(jìn)一步修正，得到可在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用的工藝參數(shù)組合：激光功率190 W，光斑直徑 0.70 mm，掃描速度 220 mm/s。為了檢驗(yàn)軟件分析結(jié)果的正確性，用上述最佳的淬火工藝參數(shù)進(jìn)行3次驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)的結(jié)果與軟件分析的結(jié)果基本吻合。

2.3 金相組織分析

圖5 試樣金相組織Fig. 5 Gold phase organization of sample

該試樣的原始硬度為509 HV，激光淬火處理后其硬度提升了35%，對(duì)試樣進(jìn)行激光淬火處理提升其耐磨性的本質(zhì)是使其金相組織發(fā)生變化。圖5為試樣淬火后的金相組織圖。在激光快速加熱條件下奧氏體晶粒非常細(xì)小?？焖偌訜嵘郎卦黾恿藠W氏體內(nèi)碳、鉻等元素的溶解度。碳化物在奧氏體內(nèi)溶解，使其薄弱處發(fā)生斷裂，形態(tài)得到改善。碳、鉻等元素在奧氏體內(nèi)溶解使得它們?cè)趭W氏體內(nèi)的溶入量增長(zhǎng)，激光淬火后得到的馬氏體含碳量增加，基體硬度提高。同時(shí)，激光淬火使試樣內(nèi)部組織晶粒細(xì)化，形成大量馬氏體，殘留少量奧氏體。因此，試樣經(jīng)激光淬火后耐磨性得到極大的改善。試樣在淬火后未產(chǎn)生裂紋現(xiàn)象。

2.4 磨損試驗(yàn)

2.4.1 質(zhì)量損失試驗(yàn)結(jié)果 小麥粉料與試樣表面接觸時(shí)，其中的硬顆粒會(huì)與試樣表面發(fā)生摩擦，試樣表面因塑性擠壓產(chǎn)生劃痕，同時(shí)試樣表面因壓入的粉料硬顆粒形成溝槽，試樣表面經(jīng)多次塑性變形，發(fā)生疲勞破壞，表面材料掉落，脫離母體，造成試樣質(zhì)量損失。圖6所示為未經(jīng)激光淬火處理和激光淬火最優(yōu)參數(shù)組合處理2組試樣以小麥粉料為磨料的三體磨料磨損試驗(yàn)質(zhì)量損失。對(duì)比圖6中2組數(shù)據(jù)可知，經(jīng)激光淬火最優(yōu)參數(shù)組合處理后的試樣質(zhì)量損失約為未經(jīng)激光淬火處理的試樣的7%，由此可知，激光淬火處理后磨輥表面材料抗小麥粉料磨損性能顯著提升。

圖6 磨損質(zhì)量損失Fig. 6 Mass loss in wear process

圖7 試樣被磨表面微觀形貌掃描電子顯微鏡圖Fig. 7 Scanning electron microscope image of the worn sample surface

2.4.2 磨損面微觀形貌分析 圖7所示為激光淬火前后2組試樣典型被磨表面微觀形貌掃描電子顯微鏡圖。試樣經(jīng)激光淬火處理后，小麥粉料在試樣表面的劃痕較輕，粉料中的堅(jiān)硬顆粒在激光淬火試樣表面很難存留，表面上形成的劃痕比較短，在小麥粉料作用下形成的溝槽更淺窄。因此，經(jīng)激光淬火后的磨輥表面材料與小麥粉料間的摩擦磨損作用減弱，塑性變形次數(shù)降低，磨輥表面疲勞破壞得到改善，磨輥的磨損周期延長(zhǎng)，生產(chǎn)成本降低。

3 結(jié)論

本文采用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)3因素5水平響應(yīng)曲面試驗(yàn)，探究了激光功率、光斑直徑和掃描速度對(duì)磨輥金屬材料硬度的影響規(guī)律，并對(duì)3個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，探討磨輥材料耐磨性變化，得到以下結(jié)論：

1)各激光淬火工藝參數(shù)對(duì)磨輥金屬材料硬度影響依次為激光功率＞光斑直徑＞掃描速度；激光功率與掃描速度間的交互作用對(duì)硬度影響顯著。

2)提高磨輥表面材料硬度的最優(yōu)激光淬火工藝參數(shù)組合為：激光功率190 W、光斑直徑0.70 mm、掃描速度220 mm/s；激光淬火處理后試樣硬度提升了35%。

3)經(jīng)激光淬火最佳工藝參數(shù)組合處理后試樣的質(zhì)量損失約為未經(jīng)激光淬火處理試樣的7%，經(jīng)激光淬火處理后的磨輥表面材料與小麥粉料間的摩擦磨損作用減弱，小麥粉料在試樣表面的劃痕較輕較短，試樣磨損面的溝槽更淺窄。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過激光淬火處理后磨輥表面材料較未經(jīng)處理的材料硬度顯著提升，耐磨性能增強(qiáng)，這與華?？〉萚22]的研究結(jié)果一致。淬火后的試樣與小麥粉料發(fā)生摩擦磨損時(shí)，由于其表面的硬度得到強(qiáng)化，小麥粉料中的硬顆粒很難存留在試樣表面，在表面產(chǎn)生的劃痕與溝槽極為淺窄，使材料表面的損傷減少，極大地緩解了磨輥磨損嚴(yán)重等問題。