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新材料及表面技术在烟机配件上的运用
摘 要
材料的表面处理与改性技术是随着现代工业发展起来的高新技术，在进口烟机中已经得到广泛的应用。采用这些技术使烟机零件表面能够耐磨、耐腐蚀、具有自润滑功能，对于保证烟机在高速运转工况下延长使用寿命，降低设备运行费用十分有效。我们围绕云南省烟草机械配件国产化的工作，已成功的将铝合金硬质阳极氧化、化学镀镍磷、微弧氧化制作陶瓷层等技术成功应用于烟机配件上。
关键词
表面技术、烟机配件
八十年代以来，我国相继从国外引进了先进的复烤、制丝、烟丝处理、卷烟、包装、嘴棒成型和输送等烟草设备，使我国整个烟草工业的装备、产品质量得以大幅提升，烟草工业得以迅速发展。进口的烟机设备是国外九十年代的最新产品，具备高投入、高转速、高效率的特点。如卷接机卷接速度达到12，000支/分钟，包装机包装速度达到600包/分钟。由于设备运转速度高，导致零件极易因摩擦磨损而丧失原有的工作精度，必须进行更换。所以每年需要耗费大量的资金从国外进口相当多数量的烟机配件以保障设备的正常运行。
在引进的烟机设备中，不仅采用了大量的电子集成技术、自动计量、检测和控制技术，同时也采用了许多新材料和材料表面处理技术。例如，进口烟机中的无油润滑轴承是金属基自润滑复合材料；切刀、烟舌和喷胶嘴是金属陶瓷复合材料；印刷辊是塑料、橡胶类高分子材料；成型模盒是塑料基自润滑复合材料。这些具有特殊优异性能的各种复合材料制造的零件，对于保证在烟机高速运转条件下延长配件的工作寿命起了关键的作用。表面技术是指通过对零件的材料表面进行处理，使零件的表面性能得到改变的技术。是在零件表面难于满足使用要求时，采用物理、化学、电化学等各种手段改变零件表面特性，使其具有特殊功能需要的表面强化处理技术。经过表面技术处理的零件可以同时或分别具有耐磨、耐腐蚀、导电、绝缘、防磁、防粘连以及装饰等功能。材料的表面处理与改性技术是随着现代工业发展起来的高新技术。在国外，复合材料及表面强化技术从航天飞机、卫星、导弹、潜艇等尖端技术到汽车、家用电器、普通机电产品都得到非常广泛的应用，涉及到各个生产领域。在国内，这类技术的应用目前仅限于需要高可靠性的火箭、卫星等高科技产品中，远远没有达到其应有的推广范围，没有体现出其应有的经济价值。
近十多年来，我们围绕云南省烟机配件国产化的工作，在新材料及材料表面改性技术的开发及应用中作了一些工作，已成功的将铝合金硬质阳极氧化、化学镀镍磷、微弧氧化制备陶瓷层等技术成功地应用于烟机配件处理上，对推进烟机配件国产化发挥了显著作用，已经取得了很好的经济效益和社会效益。本文仅就几项表面改性技术在烟机配件上的应用作一些介绍。
一、铝合金硬质阳极氧化
铝合金以其质量轻、耐腐蚀，容易加工等特性在金属材料领域中发挥着巨大的作用。但是，铝合金材料也有自身的一些弱点，较为突出的就是其表面硬度低，俗称“软”，耐磨性差。几十年来，人们采用了各种方法加强其耐磨特性，其中用得最多，效果最好的是硬质阳极氧化技术。铝合金经硬质阳极氧化处理后，可以获得厚度为0.03～0.05mm（厚度可控制），颜色由灰色至黑色的表面硬化层，硬化层的硬度HV300~500，较铝基体的硬度提高3~5倍（铝硬度＜HV100), 因而极大地提高了铝合金零件的耐磨性。
硬质阳极氧化处理形成的硬化层与基体呈冶金结合，很难用一般的方法从基体上除去这层硬化层。硬化层的熔点为2050℃，因此硬化层使铝合金零件表面具有良好的抗热性和抗磨性。经过表面处理后的铝合金烟机零配件能够很好地满足烟厂的使用要求。
我所研究开发的铝合金常温硬质阳极氧化新工艺为常温处理，与国内外大多数常规的低温法相比，具有节能、处理效率高和表面质量好的优点。主要技术指标达到了国外的先进水平和国内的领先水平。新工艺为常温处理, 处理温度为5~15℃，而国内外常规的低温法处理温度为-10~5℃，低温法制冷能耗比常温法要增加三分之一左右。阳极氧化的主要成本是制冷所需要的能耗，因而可大大降低耗能。新工艺使槽液温度可以自动控制。运行中可任意修改、调整所有运行电参数设定值，并可随时存储下来，下次开机时自动按这些设定参数运行。从而使不同批次零件的硬度、膜厚以及外观颜色都相同或相近。保证了质量的稳定性。
我们对多种烟机配件进行了常温脉冲硬质阳极氧化处理，经处理后的烟机配件，使用寿命比原来大幅度提高，已经接近或达到进口件的使用寿命，完全能替代进口件使用。处理后配件的成本只相当于进口件的20~30％。
目前新工艺用于云南省烟机铝质配件处理的数量已达数十万件。经硬质阳极氧化处理的烟机配件主要有：Paim卷烟机鼓轮、吸风摆、模盒、八角盘及其配件、推烟耙内衬、折角护板、推烟臂、GDX包装机六角轮副（四种规格）、检测传递烟盒、Compas-500包装机小花吸嘴、盘车手轮及推烟块支座、Focke350包装机成型盒等。
二、化学镀镍磷合金
电镀是利用外电流将电镀液中的金属离子在阴极上还原成金属的过程。而化学镀是不外加电流，在金属表面的催化作用下经控制化学还原法进行的金属沉积过程。化学镀之所以得以迅速发展是因为其与电镀工艺相比具有以下特点：（1）镀层厚度非常均匀。化学镀液的分散力接近100％，无明显的边缘效应，几乎是工件形状的复制，因此特别适合形状复杂工件的表面施镀。电镀法因受电力线分布不均匀的限制则很难做到。由于化学镀层的厚度均匀，表面光洁平整，一般不需要镀后加工，可以直接上机使用。
（2）通过敏化、活化等前处理，化学镀可以在非金属如塑料、玻璃、陶瓷表面上进行。这是电镀法所不能实现的。
（3）工艺设备简单，不需要电源、输电系统及辅助电极，只需将工件悬挂于镀液中即可。
（4）镀层与基材的结合力优于电镀。镀层有光亮或半光亮的外观、晶粒细、致密、孔隙率低。耐腐蚀性远优于电镀镍，在某些情况下甚至可代替不锈钢使用。
云南春城卷烟厂采用在普通钢球上化学镀镍磷合金，替代原不锈钢钢球单向阀使用在制絲线加香、加料泵上，解决了不锈钢单向阀采购困难、价格高的问题。
（5）镀层不仅硬度高，还可以通过热处理调整再行提高，故耐磨性好，甚至可以代替硬铬使用。
云南春城卷烟厂已经通过对卷烟机烟枪底板、大压板、小压板，包装机烟支通道板、成型轨道底板等进行表面化学镀镍磷，有效地提高了零件使用寿命。如果使用一定时间后再进行处理，则可以使均匀磨损的零件反复处理使用，配件采购费用能够大大降低。
由于以上原因，化学镀镍磷在烟机配件上有着广泛的前途。在铝合金件上进行化学镀镍磷，工件的耐磨性能可以提高；在某些钢件上采用化学镀镍磷，其耐磨性、耐腐蚀性都可以大幅度提高，同时还具有美观的装饰性。化学镀镍层的硬度一般可达HV400～600(HRC40～55)，若经一小时，400℃热处理，硬度可达HV800～1000(HRC64～67)。其硬度与镀层中的含磷量有关。目前在烟机配件中采用化学镀镍的零件主要有：卷接机上的滤嘴排列鼓、八角盘、烟盒框架端柱、烟盒架、以及各种轴承座、推烟板、后挡板、支承板、挡烟板等，效果都很好。而且，在烟草设备中可以推广应用的零件还非常多，应用领域十分广阔。
化学镀镍技术的核心是镀液的组成及性能。我国由于化学镀尚处在起步阶段，镀液主要自配自用，镀液的配方和工艺决定了镀件的质量。而国外一般是购买专业厂家的镀液，镀件的质量容易保证。
另外，化学镀镍生产线的装备和技术发展很快，逐渐由小槽到大槽，从手工操作、断续过滤、人工测定施镀过程中各种参数到自动控温、槽液循环过滤和搅拌。微机控制的生产线能自动监测镀浴PH值变化及镍离子含量并立即补加到位，大大提高了产品质量和生产效率。玉溪卷烟厂配件加工中心在委托昆明理工大学材料与表面工程研究所建设了一条铝合金硬质阳极氧化生产线后，又再委托建设的化学镀镍生产线，就是采用由日本进口的自动监测和镀液补充装置，从而可靠保证了产品的质量。
三 铝合金微弧氧化技术
随着生产的飞速发展，人们对铝合金表面性能的要求越来越高。如纺织机的转速由过去的20,000转/分钟提高到每分钟数十万转，许多零部件的质量受到严格的限制，加工精度已提高到无余量的要求。因此一些原来用钢铁制成的齿轮、轴、刀具之类的部件必须采用质量更轻的铝合金或其它材料来制造。微弧氧化技术就是在这种背景下开发出来的。
微弧氧化技术是在阳极氧化技术的基础上发展起来的。它突破了阳极氧化低电压、小电流密度的限制，把阳极氧化生成的氧化膜置于等离子体的高温高压作用下，犹如陶坯放到窑中用火烧烤那样，不仅使氧化层致密，而且发生品相和结构的变化，变成真正的陶瓷，使氧化膜的硬度达到真正陶瓷层的硬度。微弧氧化膜层的性能已经远远优于阳极氧化膜层的性能。
微弧氧化技术的主要特点是氧化膜硬度很高。它的硬度可比硬质合金钢还硬，耐磨性相当好。实验室试验曾用45号钢球去磨它，几分钟后，钢球被磨平而氧化膜没有受到任何损伤。若用400号水磨砂纸去磨它，也需要很长一段时间才能把它磨去。它的表面硬度最高可达HVl500至2000，相当于HRC70以上。绝缘电阻大于100MΩ。其次，氧化膜的厚度也比硬质阳极氧化方法高。普通硬质阳极氧化所生成的氧化膜，其厚度为40～50μm，而微弧氧化生成的氧化膜，厚度最高可达200～300μm。由于氧化膜是在铝合金基体上生长出来的，所以它与基体结合牢固，不会脱落。即使用力多次摔到地上，氧化膜仍保持完好无损。而且由于经受过高低温的剧烈变化，氧化膜热性能稳定，不会由于热匹配不同而发生龟裂。正是由于微弧氧化膜的上述性质，材料界把它看成是陶瓷加金属的复合材料。基体是金属，表面是陶瓷，同时具有金属和陶瓷的综合优点。
微弧氧化技术还有一个很重要的优点，就是没有废液、废气、废渣的排放，属于清洁加工工艺，不会造成环境污染。氧化反应时排出的是氢气和氧气，废液是弱碱性溶液，稍加稀释即可对外排放，溶液中的杂质可以用过滤法去除或用化学方法沉淀。
微弧氧化技术由于氧化膜的高硬度、高耐磨特性，在航空、航天、机械、电子和装饰等工业领域有着广泛的应用前景。特别适用于高速旋转的铝合金零部件的表面处理。如齿轮、烟草机械上的鼓轮，纺机中的纺杯，汽车和内燃机中的活塞、汽缸、石油钻井中的柱塞等。涡卷式压缩机是高档汽车中的重要部件，其动涡卷的表面处理，过去都在国外加工，采用微弧氧化技术后，不但性能达到设计要求，还可以改进原有工艺，获得显著的经济效益和社会效益。有些产品过去采用整体陶瓷，虽然强度很高，但给机加工带来很大的困难，特别对于同心度要求较高的产品，整体陶瓷加工是完全不可能的。利用微弧氧化技术就可以用铝合金代替整体陶瓷，用微弧氧化膜保持陶瓷的基本性能，解决了整体陶瓷加工的困难。
微弧氧化技术是一项崭新的高科技技术，目前，此项技术已成为表面处理领域中较为活跃的研究项目，在国外已经逐步进入工业应用阶段，而我国在这一领域的研究才刚刚起步。由于此项技术处理后的零件具有的特异性能，决定了其应用前景是十分广阔的。我们正在云南省政府的大力支持下，通过厂校合作的方式，对某些耐磨性能要求特别高的烟机配件采用微弧氧化技术进行处理并上机试用，使这一先进技术在烟机配件加工、处理上大规模推广应用，为云南烟草再创辉煌多做贡献。
作者单位：
云南省烟草机械公司
贾能成650011
昆明理工大学材料与表面工程研究所
贺子凯
650093
云南春城卷烟厂总工办
刘瑞珉
650033
玉溪红塔集团玉溪卷烟厂配件加工中心 薛
卫
653100
