黃奇鵬，高楊楊，武文斌，孟 樂，李蒙蒙

（河南工業(yè)大學 糧油機械研究所，河南 鄭州 450001）

磨輥是輥式磨粉機的關鍵易損部件。研磨小麥使磨輥磨損引起表面技術特性的改變，對能耗、輥耗及研磨效果等產生影響[1-2]。在連續(xù)生產中，快輥通常使用3～5個月，慢輥使用4～6個月后需進行修復或換輥處理[2]。由于磨輥磨損過程相對復雜且受諸多因素影響，并未形成統(tǒng)一完善的理論模型和研究方法。本文對國內外磨粉機磨輥磨損機理、影響因素及減磨技術的研究內容進行綜述和分析，為磨輥磨損研究提供參考。

1 磨輥磨損機理研究

磨粉機工作時，輥面與小麥粉顆粒劇烈摩擦而磨損。磨料磨損包括硬磨料磨損和軟磨料磨損，依據(jù)磨料磨損定義，當材料硬度Hm與磨粒硬度Ha的比值大于1.3時，為軟磨料磨損[3]。則小麥粉顆粒對磨輥的磨損行為屬于軟磨料磨損[4]。磨粒磨損機理主要有三種，分別為微觀切屑、擠壓剝落、疲勞破壞。

國內外學者針對軟磨料對金屬材料的磨損問題開展研究，Richardson[5]認為軟磨料能夠磨損硬材料是由于在磨損過程中，磨料會發(fā)生硬化，硬化后的磨料的硬度超過材料的硬度，實質是硬磨料磨損。趙博彥等[6]通過對磨輥磨損面和磨屑分析認為，在軟磨料作用下，產生循環(huán)摩擦應力場，導致形變疲勞和亞表層裂紋，裂紋連接產生脫落。磨損差的產生及微量硬磨料的選擇性犁削磨損促進磨損過程并造成突出相的折斷脫落，摩擦升溫使軟磨硬向硬磨軟轉化，加速磨輥的鈍化過程。Rabinowicz[7]認為硬度是一個統(tǒng)計值，軟磨料中會有硬磨粒，而硬材料中會有軟部位，是軟磨料中的硬顆粒對硬材料中的軟部位進行了磨損。Ludema[6]認為，在一定負載下，軟磨料在金屬表面壓出彈性坑，如果軟磨料有足夠韌性，在壓力高于磨料的屈服強度時，磨料將產生塑性變形，并在金屬表面延展，在金屬與磨料間產生較大的摩擦力，同時在彈性坑的坑沿上產生切應力集中，促使金屬磨損。該觀點與Suh的磨損剝層理論相似，適用于解釋軟磨料磨損機理。克拉蓋爾斯基[8]認為此現(xiàn)象為疲勞磨損，磨輥與物料接觸產生復雜的應力狀態(tài)，接觸段為受壓區(qū)，非接觸段受拉區(qū)。磨輥承受循環(huán)交變載荷，因累積損傷導致輥面磨損。Luo[9]認為軟質小麥處于固體狀態(tài)，不可壓縮，當被壓入破碎區(qū)域能以較大的力抵抗輥面。故磨輥表面和小麥磨料上都存在擠壓、磨削和剪切應力。由于機械能轉化的熱能，旋轉輥的溫度升高到60～80 ℃，在磨料粉碎時與金屬表面微接觸點處可形成疲勞應力集中，瞬間產生更高溫度使磨輥表面變軟使其磨損。羅全順等[10]對磨輥磨損面的微觀形貌分析認為磨輥的磨損機制有兩種，第一，亞表層的碳化物首先產生裂紋、斷裂，裂紋貫穿基體組織疲勞擴展，形成大塊組織的剝落磨損。第二，亞表層近表面處碳化物上的裂紋沿相界面擴展至表面而剝落，基體組織經(jīng)塑性變形以塑變疲勞和多沖疲勞方式剝落，構成了輥面的逐漸磨損，且為該磨損的主要機制。

2 磨輥磨損影響因素

Campbell[11]認為：小麥顆粒破碎影響因素取決于顆粒、磨輥及磨粉機工作條件（圖1）。小麥粉顆粒是磨輥磨損的磨粒，依據(jù)小麥粉破碎影響因素將磨輥磨損的影響因素分為三類，分別為磨料特性、磨輥特性和工作條件[12]。

圖1 小麥顆粒在磨輥研磨時破碎的影響因素

2.1 磨料特性

2.1.1 含水率

磨輥與小麥磨粒磨損屬于三體磨損。小麥含水率改變磨粒物理和材料特性影響輥面磨損。Patwa等[13]對不同含水率的小麥顆粒流特性研究表明，含水率對顆粒流的物理特性（粒度、容重和粒徑分布）的影響大于對材料特性（楊氏模量、動靜摩擦系數(shù)及恢復系數(shù)）的影響。小麥顆粒的密度、楊氏模量和恢復系數(shù)隨含水量（12%～16%）的增加而減小，摩擦系數(shù)隨籽粒含水量的增加而增大。此外，含水率可提高小麥皮層的韌性和抗機械破壞力，有利于在研磨過程中保持麥皮的完整。肖馳[14]對不同含水率小麥粉的抗破壞應力檢測發(fā)現(xiàn)，當小麥粉的含水量由12.7%上升到16.5%時，小麥粉的橫向抗破壞應力增強約50%，縱向抗破壞應力增強約10%，且皮層的抗破壞應力明顯高于胚乳的抗破壞應力的 3～5倍。Dziki等[15]用萬能實驗機對 10%～20%含水率的小麥顆粒性能研究表明：小麥含水率增加使剪切力和變形比呈線性下降趨勢。顆粒含水量為10%～12%時，硬質小麥的剪切力明顯高于軟質小麥。但小麥含水率對剪切能的影響無統(tǒng)計學意義，平均為 11.7～14.0 mJ。在顆粒破碎前，含水率與變形呈非線性關系，含水量在10%至14%時，變形增量可忽略，含水量為16%～20%時，變形明顯增大。張克平等[16]用磨料磨損實驗機研究小麥粉料的含水率對灰口鐵磨損性能的影響。結果表明：小麥含水率對灰口鐵的磨損具有顯著影響，即磨損失重隨含水率的增大而減?。▓D2），是因為谷物含水率對小麥硬度影響所致。張鋒偉等[17]對谷物含水率和硬度的關系進行理論和實驗研究顯示：隨著含水率的增大，谷物硬度明顯降低。

圖2 平均磨損失重與含水率關系

2.1.2 強度和硬度

小麥強度和硬度是指抵抗斷裂、過度變形以及硬物壓入其表面的能力。日本學者 Satoru SATAKE等[18]從小麥顆粒微觀角度，測量小麥顆粒硬度和淀粉顆粒壓縮變形的力學性能，研究小麥顆粒破碎現(xiàn)象與研磨特性的關系。結果表明：硬質小麥比軟質小麥的超微負荷硬度高約6 HTL，麩皮比糊粉層硬度高5 HTL，潤麥后，小麥外層硬度變化不大，內超微負荷硬度降低一半。軟質小麥中淀粉顆粒的抗壓強度是硬質小麥的1.6倍。因此，研磨過程中對軟質小麥的淀粉損傷相對較小。Glenn等[19]對31種硬質和軟質小麥樣品的胚乳和麩皮的機械性能研究表明：小麥胚乳的抗壓強度取決于小麥硬度，為11.6～61.3 MPa，抗拉強度為1.74～5.18 MPa，抗拉強度比抗壓強度小一個量級。麩皮的抗拉強度與抗壓強度基本無差別，為18～26 MPa。Fang等[20-21]通過對齒輥間物料進行應力應變的理論分析及實驗研究表明：齒輥對顆粒的剪切作用大于擠壓作用，主應力和最大剪切應力與軋距、輥徑呈負相關，主應力與轉速比無關，最大剪切應力與轉速比呈正相關。

2.1.3 小麥組分

小麥籽粒主要由 2部分組成：麥皮包裹在外約占粒重的20%，胚乳約占80%。各部分物質的化學成分和機械性能差別較大，通常麥皮中纖維含量高，故強度大且具有一定韌性；胚乳中淀粉含量高，強度小且韌性差。張克平等[22]對小麥不同組成部分小麥粉對金屬磨損性能的影響進行實驗，結果表明：小麥粉料中隨著小麥粉比例減小、麩皮含量增加，磨損量增加。小麥粉對金屬材料磨損性能的影響小于麩皮對金屬材料磨損性能的影響。由磨損試件可知，小麥粉對磨輥磨損過程是一個拋光磨損過程，不因載荷壓力的作用形成“不可壓縮團”。麩皮對金屬材料的磨損實質是“硬磨料”和“軟磨料”共同作用的結果。麩皮在研磨時受擠壓力作用在局部形成堅硬的“不可壓縮團”。故磨損特征中包含以顯微切削為主的“硬磨料”磨損；而多次塑性變形和低周期應力疲勞形成軟磨料磨損特征。AL-SANDOOQ等[23]通過對三種顆粒尺寸對測試樣件進行磨損實驗，結果表明小顆粒比大顆粒對試件磨損更嚴重。由于顆粒上的應力分布和運動機制原因，大顆粒在摩擦界面以滾動為主，小顆粒更傾向于滑動。Jiang等[24]用 MLS-225型三體磨料磨損實驗機進行磨損實驗，分別在小麥粉平均尺寸 0.5、1.0、1.5、2.0和 2.5 mm進行 250 min磨損實驗（圖3）。研究表明：隨著磨粒尺寸的增加，磨損失重急劇增加，再減少，再線性增加。由于磨料尺寸越大，硬度越高，對磨輥磨損性能影響越大。而粒徑在1.0～1.5 mm范圍內出現(xiàn)下降，是由于在該粒徑范圍內小麥粉中麩皮含量降低。溫詩鑄等[3]通過研究三體磨粒磨損實驗表明：當粒度小于 100 μm時，越小磨損率越低。當粒度大于100 μm時，粒度與磨損率無關。

2.2 磨輥特性

磨輥特性是影響磨輥磨損的重要因素，耐磨性是指材料抵抗機械磨損的能力。溫詩鑄等[3]對磨粒磨損進行系統(tǒng)研究，指出硬度是表征材料抗磨粒磨損性能的主要參數(shù)。由于硬度高的物料抵抗物料壓入表面的能力強，則壓入材料表面的深度淺，切削產生的磨屑體積小，即磨損就小，耐磨性就高。Heimann等[25]對磨輥直徑為228.6 mm和 304.8 mm的輥徑徑向硬度和使用壽命測量得知，大直徑磨輥白口層較深，可使用深度高約2.5 mm。日本學者Takamasa等[26-27]通過測量佐竹生產的磨輥（外徑250 mm，長度1 000 mm）的三點沿磨輥徑向深度的洛氏硬度（圖4），硬度沿磨輥徑向深度逐漸減小，在深度約13 mm，硬度降低量急增。此外，磨輥的各個位置的橫截面硬度不穩(wěn)定。磨輥硬度不均勻影響磨輥磨損速率出現(xiàn)差異。布勒[28]公布靜態(tài)鑄造和離心澆注磨輥的徑向硬度變化曲線（圖5），合金層深度為（15±5）mm。由圖5曲線可知，磨輥合金層可用范圍約為13 mm。當磨輥輥徑減少13 mm后，硬度迅速減少，耐磨性急劇下降，需進行換輥。國家推薦性標準[29]規(guī)定磨輥輥體表面肖氏硬度為66～78°，硬度與布勒磨輥相差不大，白口層深度為輥體直徑的 8%～13%，比布勒磨輥深度高，但國內磨輥與布勒相比白口層硬度降低較快，使用壽命較短。

圖4 佐竹磨輥徑向深度硬度變化曲線

圖5 布勒磨輥徑向深度硬度變化曲線

2.3 工作條件

影響磨輥磨損的工作條件包括轉速、轉速比、軋距、流量、排列方式以及受力等。Zhang等[30]用實驗磨粉機進行正交實驗研究粒度、轉速和軋距對磨輥磨損的影響。結果表明：粒度是影響磨損性能的最主要因素，軋距次之，轉速再次之。載荷壓力對金屬材料磨損性能有顯著影響，載荷是造成磨輥磨損的一個重要因素。Luo等[9]計算磨輥粉碎區(qū)某瞬間輥面的亞表層的應力分布特征得知，最大接觸壓應力在磨輥的表面，沿著軸徑方向，壓應力逐漸減弱。剪切應變能分別在輥面和表面下一定深處出現(xiàn)極值區(qū)。由于切向力作用使最大應力的作用點偏離接觸中心線。此外，磨輥所受應力為周期性循環(huán)應力，快輥的應力作用頻率高于慢輥，使快輥磨損加劇。吳家祥等[31]通過實驗研究載荷對磨輥磨損的影響，載荷分別為25、75、125、175和225 N，磨損失重如圖6所示，隨著載荷的增加，小麥粉料與磨損表面的摩擦力增大，磨損加劇，磨損失重與輥間壓力成正相關關系。

圖6 磨損失重隨載荷變化的曲線

3 減磨技術

輥式磨粉機主要采用激冷鑄鐵磨輥，其耐磨性和切削性優(yōu)于普通鑄鐵磨輥，但在工作中，輥齒磨損較快，很難保持較好的研磨效果。通常對磨輥進行表面強化，使輥齒耐磨性得到提高。表面強化處理是在選用通用材料的基礎上，用工藝手段使材料表面改性，提高耐磨損性能。常用的強化處理有機械加工、擴散處理、表面覆蓋[3,8]。

3.1 機械加工強化

機械加工強化是不改變材料的化學成分，通過加工過程改變材料表面的組織結構、機械性能或幾何形貌來進行強化。熱處理工藝是強化磨輥表面硬度的一種方法。張克平等[32]用小麥粉料對采用不同工藝參數(shù)處理的低鉻白口鑄鐵進行磨損實驗表明：磨輥進行960 ℃淬火和250 ℃回火的表面熱加工，磨損失重約為普通試樣的42%，磨損深度和磨痕降低，硬度由 50 HRC增至61.7 HRC。王萌萌和王國凡等[33]利用等離子弧重熔技術對離心鑄造白口鑄鐵磨面輥齒面進行強化處理，并對重熔前后試樣表面的耐磨性進行對比實驗表明：輥齒齒頂?shù)挠捕扔稍瓉?8～60 HRC提高到了64～65 HRC，耐磨性是重熔前的2～3倍。武文斌等[34]采用等離子體表面淬火工藝,快速加熱磨輥表面，使工件表面組織在較短時間內奧氏體化，然后急速冷卻，使磨輥表層組織細化，從而提高表層硬度和耐磨性。研究表明：經(jīng)過處理磨輥表面硬度提高 1.5～2倍，硬化層晶粒細密且排列有序。

3.2 擴散處理強化

擴散處理強化是依靠滲入或注入某些元素來改變表面化學成分，或同時附加熱處理手段使表面強化。磨輥生產廠會向磨輥基體中加入一些合金元素（Cr、Ni、Mo、V等）與金屬中的碳結合形成合金滲碳體，改善金屬材料的韌性和耐磨性。鮑崇高[35]通過研究 Cr、Ni、Mo、V、Ti的合金元素對磨輥磨損性能的影響，得知V、Ti對基體組織的改善作用優(yōu)于 Ni、Mo，適量添加 Cr，可提高磨輥耐磨性，但Cr含量過高會影響磨輥表面加工和修復。Kunimitsu[36]在C12磨輥中加入高鉻合金，使磨輥平均使用壽命提高至標準磨輥的兩倍，代表世界先進水平。任光利[37]運用等離子弧技術在輥面刷涂一層含有鎳、鉻等元素的助劑,使其熔入磨齒外層形成一層幾微米厚的超過60 HRC的高硬薄膜，磨齒的幾何形狀、化學成分和金相組織發(fā)生變化，處理前基材部位的硬度分別為51.5 HRC和52.2 HRC，處理后齒根部位的硬度達到 55.4 HRC和 53.3 HRC，齒頂部位達到62.5 HRC、62.8 HRC，可顯著提高磨輥表面的硬度和耐磨性。西橋軋輥廠[38]通過添加釩鈦元素生產出低硬度高耐磨性磨輥，噴砂輥硬度為 61～67 HS，拉絲輥硬度為68～74 HS，比鎳、鉻、鈕配方磨輥的硬度低5～6 HS。實踐證明：該磨輥耐磨性能優(yōu)于硬度較高的鎳、鉻、鉬配方磨輥，使用壽命延長約33%。

3.3 表面覆蓋

表面覆蓋是直接在材料表面進行鍍、涂或用物理、化學方法覆蓋一層強化表面層。意大利Ocrim的Martino Eloisa[39]采用等離子輔助化學氣相沉積技術將齒輥表面鍍一層 3 μm厚的氮化鈦（TiN）和硼化鈦（TiB）合金涂層，輥面硬度提高了4倍且降低摩擦系數(shù)，使磨輥壽命得到提高。任光利[40]將磨輥設計為輥體內芯和可拆卸輥體外筒。輥體外筒利用表面熔覆技術使含有鎳、鉻、硼等元素與輥體表面融合，提高外層硬度和耐磨性，不僅可提高磨輥使用壽命，也可避免磨輥因輥徑縮短而報廢造成浪費。

AL-SANDOOQJ等[23]通過顆粒對環(huán)氧樹脂、聚酯和鑄鐵測試樣件進行磨損實驗，結果表明在相同的條件下，環(huán)氧樹脂和鑄鐵的磨損率基本一致，聚酯的磨損率最低，約為金屬輥的1/5。由于聚酯性能好，成本低，功耗低，無腐蝕等優(yōu)點，可能有替代金屬輥的趨勢。

4 展望

小麥顆粒與磨輥的三體磨損是一個動態(tài)復雜過程，并伴有物理化學變化。盡管科研人員使用實驗機及試樣對此現(xiàn)象做了大量研究工作，并取得一定成果，但對軟磨料磨損觀點眾說紛紜，并未形成統(tǒng)一完善的理論模型和研究方法，仍需學者利用先進設備及理論方法進行深入研究，完善該現(xiàn)象的磨損機理研究。此外，目前研究磨輥磨損多以單因素利用實驗樣機進行實驗，結論偏差相對較大，需綜合考慮多因素用磨粉機研究磨輥磨損，為減少磨損及提高磨粉品質提供依據(jù)。研究人員在研究減磨新配方時，也可考慮新材料、結構及技術等方法處理或替換傳統(tǒng)磨輥。另外，針對磨輥工作中通過研磨效果相關規(guī)律變化評估磨輥磨損狀態(tài)的研究較少，需加大研究力度，對磨輥磨損認識具有重要意義。