劉艷梅，王鐵鋼，王書(shū)源，馮 輝，劉 源，戚厚軍

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)天津市高速切削與精密加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；2.天津一重電氣自動(dòng)化有限公司，天津 300457；3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所，沈陽(yáng) 110016）

袋成型-充填-封口機(jī)是量大面廣的通用機(jī)械產(chǎn)品，該機(jī)采用各種塑料復(fù)合薄膜或單膜對(duì)物料進(jìn)行包裝。經(jīng)過(guò)包裝的商品可以防潮、防霉、防污染、防氧化，延長(zhǎng)儲(chǔ)存期，廣泛應(yīng)用于輕工、食品、藥物、化工等行業(yè)[1]。一些企業(yè)為了在價(jià)格方面占有優(yōu)勢(shì)，往往采用劣質(zhì)材料、偷工減料、減化生產(chǎn)工藝等手段降低成本，致使一些包裝機(jī)質(zhì)量低劣[2]。同時(shí)，封口機(jī)工作一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)封口不牢或封口不平整等問(wèn)題，導(dǎo)致封口質(zhì)量不合格，進(jìn)而影響最終產(chǎn)品合格率。

袋成型-充填-封口機(jī)利用包裝袋的塑料材料具有熱塑性能，進(jìn)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(shí)要求刀座有良好的熱傳導(dǎo)性能，并且配合良好，封口無(wú)皺褶、灼化和壓穿現(xiàn)象[4]。某企業(yè)購(gòu)買并使用兩種型號(hào)袋成型-充填-封口機(jī)設(shè)備，該設(shè)備分別為兩個(gè)廠家生產(chǎn)，均為熱封。其中A企業(yè)生產(chǎn)的封口機(jī)封裝壽命長(zhǎng)，一般為3～5年，封口機(jī)價(jià)格較貴；B企業(yè)生產(chǎn)的封口機(jī)封裝壽命短，一般為1～2年，封口機(jī)價(jià)格較便宜。由于封口機(jī)設(shè)備總價(jià)格較高，且為每天24 h高頻率使用設(shè)備，該企業(yè)為了在以后選購(gòu)封口機(jī)設(shè)備時(shí)有依據(jù)，要求對(duì)封口機(jī)失效原因進(jìn)行分析。本文通過(guò)對(duì)比兩種袋成型-充填-封口機(jī)刀座基體和表面防護(hù)層的化學(xué)成分、顯微組織及顯微硬度、熱傳導(dǎo)性能及耐磨性能，分析了封口機(jī)的失效原因。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

對(duì)兩種封口機(jī)刀座的表面和內(nèi)部取樣并分析。A企業(yè)封口機(jī)刀座取的樣品命名為A，B企業(yè)封口機(jī)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(xué)成分，確定材料牌號(hào)；利用ZEISS Axiovert 40 MAT光學(xué)顯微鏡觀察基體材料的顯微組織和刀面表面防護(hù)層的形貌特征。利用SHIMADZU EPMA-1610電子探針能譜儀分析防護(hù)層的微區(qū)成分。利用WILSON 402MVD顯微硬度計(jì)分析樣品基體及表面防護(hù)層的顯微硬度。應(yīng)用Micro-image Analysis-Process System（Release Ver.5.7）金相圖像分析軟件測(cè)量刀座表面防護(hù)層的厚度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 刀座基體化學(xué)成分分析

兩種刀座內(nèi)部的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所示。由表1可知，A封口機(jī)刀座的基體牌號(hào)為Q345，為一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼；B封口機(jī)刀座的基體牌號(hào)為45鋼，為一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼。

表1 封口機(jī)刀座基體的化學(xué)成分%（wt）

圖1為A刀座基體的顯微組織。由圖1可見(jiàn)，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(gè)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(tài)的組織，B刀座顯微組織為正火+回火及經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的組織。退火狀態(tài)為近平衡態(tài)的組織，組織內(nèi)部缺陷少，經(jīng)退火處理的鋼件熱傳導(dǎo)系數(shù)高于調(diào)質(zhì)處理等其他熱處理組織[5]。

圖2 B刀座基體兩個(gè)不同部分的顯微組織

2.2 刀座表面防護(hù)層特性分析

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

圖3 A刀座表面防護(hù)層及顯微組織形貌

表2為2種刀座表面防護(hù)層的化學(xué)成分分析結(jié)果，由表2可知，A刀座表面防護(hù)層為鎳磷鍍層。鎳磷鍍層具有高均勻性、高結(jié)合強(qiáng)度、高耐磨性、高耐腐蝕性、無(wú)漏鍍?nèi)毕莸葍?yōu)點(diǎn)[6]。

表2 A封口機(jī)齒刀表面防護(hù)層的化學(xué)成分%（wt）

圖4為B刀座表面的防護(hù)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?？梢?jiàn)，刀座表面存在處理層，但不連續(xù)，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(hù)層的化學(xué)成分分析結(jié)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(wú)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(hù)層和顯微組織

表4為封口機(jī)刀座表面及內(nèi)部的顯微硬度分析結(jié)果。由表4可見(jiàn)，A刀座內(nèi)部硬度低于B刀座內(nèi)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(nèi)部，是刀座的耐磨防護(hù)層。

表3 B封口機(jī)刀座表面防護(hù)層的化學(xué)成分%（wt）

表4 封口機(jī)刀座硬度（Hv0.05）

2.4 A刀座失效形式分析

A封口機(jī)刀座接近中部的齒刀表面存在嚴(yán)重磨損區(qū)域，如圖5所示。

圖5 A刀座磨損區(qū)域形貌

圖5（b）為圖5（a）方框區(qū)域放大的刀座形貌圖。可見(jiàn)，封口機(jī)刀座有磨損現(xiàn)象。圖6為該磨損區(qū)域的顯微組織?？梢?jiàn)，刀座的鎳磷鍍層磨損，刀座內(nèi)部金屬裸露。內(nèi)部金屬硬度低，耐磨性能差，會(huì)導(dǎo)致磨損加速，磨損到一定深度，封口機(jī)刀座失效。

圖6 A刀座磨損區(qū)域顯微組織形貌

3 結(jié)果分析與討論

采用成型-充填-封口機(jī)進(jìn)行包裝的封口處應(yīng)平整，無(wú)皺褶、灼化和壓穿現(xiàn)象。塑料袋的熱封口強(qiáng)度應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[7]。封口機(jī)封口質(zhì)量不合格的原因主要有以下幾種：①封刀溫度過(guò)高或過(guò)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(guò)大、過(guò)小或不均勻都會(huì)影響封口的密封。③熱封薄膜質(zhì)量有問(wèn)題。如果復(fù)合里料不均勻，處理效果不好，并恰好出現(xiàn)在封口處，會(huì)影響封口質(zhì)量。④封口速度過(guò)快，包裝袋溫度未升溫到要求溫度，會(huì)影響封口質(zhì)量[8]。

后兩種原因不是封口機(jī)自身問(wèn)題引起的，已排除，不列入分析項(xiàng)。因此，只就前兩種封口問(wèn)題原因作為評(píng)估封口機(jī)封口質(zhì)量的分析項(xiàng)，來(lái)探究?jī)蓚€(gè)廠家的封口機(jī)壽命不同的影響因素。

分析兩種刀座內(nèi)部的化學(xué)成分和組織可知，A封口機(jī)刀座的基體為牌號(hào)是Q345的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，組織為鐵素體+珠光體，各個(gè)部位均勻一致，為退火狀態(tài)的組織[9]。B封口機(jī)刀座的基體為一種優(yōu)質(zhì)碳素鋼，牌號(hào)45鋼。顯微組織不均勻、混雜，有些區(qū)域組織為回火索氏體，有些區(qū)域分布著少量鐵素體或網(wǎng)狀鐵素體，為調(diào)質(zhì)熱處理不良后的組織，是原材料內(nèi)部成分偏析及熱處理時(shí)溫度不均勻?qū)е碌慕Y(jié)果[9-10]。退火狀態(tài)為近平衡態(tài)的組織，組織內(nèi)部缺陷少，較經(jīng)過(guò)其他熱處理的組織的導(dǎo)熱系數(shù)高[11-12]。因此，A刀座的導(dǎo)熱系數(shù)高于B刀座。同時(shí)，A刀座顯微組織均勻，且?guī)罱M織垂直于刀座表面防護(hù)層，可以使刀座到達(dá)最好的導(dǎo)熱效果。封口機(jī)刀座的溫度穩(wěn)定性、溫度分布均勻性是決定封口機(jī)封口質(zhì)量的重要因素；材料自身的導(dǎo)熱率、比熱容、線膨脹系數(shù)等參數(shù)又直接影響封口機(jī)工作時(shí)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(yōu)良。

封口機(jī)刀座作為加工過(guò)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(yīng)采用表面熱處理或表面化學(xué)熱處理的方式來(lái)提高刀座的耐磨性能。在一定條件下，單位滑動(dòng)距離內(nèi)磨損的體積與材料的硬度成反比[13-14]。A、B兩個(gè)封口機(jī)刀座基體材質(zhì)不同，A刀座內(nèi)部硬度低于B刀座內(nèi)部硬度，因此B刀座內(nèi)部耐磨性高于A刀座內(nèi)部。但耐磨性都不高，不是決定封口機(jī)壽命的決定因素。A、B兩種封口機(jī)刀座都進(jìn)行了表面強(qiáng)化，A刀座表面硬度高于B刀座表面硬度。A封口機(jī)的表面強(qiáng)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(jìn)而提高刀座的使用壽命；而B(niǎo)封口機(jī)的表面強(qiáng)化層的工藝不明，厚度不均勻，影響了封口機(jī)刀座的耐磨性能，進(jìn)而影響刀座的使用壽命。B封口機(jī)刀座的鎳磷鍍層磨損，刀座內(nèi)部金屬裸露，導(dǎo)致刀座封口失效。隨著封口機(jī)工作時(shí)間的增長(zhǎng)，封口機(jī)刀座會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，當(dāng)磨損到一定程度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)刀面不平整，壓合不均勻等問(wèn)題。刀座的硬度和耐磨性能是影響封口機(jī)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(hù)層的選擇及質(zhì)量才是決定刀座使用壽命的決定因素。因此，對(duì)封口機(jī)刀座材料進(jìn)行高質(zhì)量的防護(hù)層處理，可以提高封口機(jī)刀座的耐磨性能，進(jìn)而提高刀座的使用壽命。

4 結(jié)論

（1）A封口機(jī)刀座的基體為牌號(hào)是Q345的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，組織為退火狀態(tài)的組織。B封口機(jī)刀座的基體為45鋼，顯微組織不均勻，為調(diào)質(zhì)熱處理不良后的組織。A刀座的導(dǎo)熱系數(shù)高于B刀座。

（2）A、B兩種封口機(jī)刀座都進(jìn)行了表面強(qiáng)化。A封口機(jī)的表面強(qiáng)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(jìn)而提高刀座的使用壽命；而B(niǎo)封口機(jī)的表面強(qiáng)化層質(zhì)量差，影響了封口機(jī)刀座的耐磨性能，進(jìn)而影響刀座的使用壽命。

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

（4）對(duì)封口機(jī)刀座材料進(jìn)行高質(zhì)量的防護(hù)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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