第二节 食品加工机械设备的材料

食品机械广泛使用各种材料，除各种金属和合金材料外，尚有各种非金属材料，例如，石材、金刚砂、陶瓷、搪瓷、玻璃、纺织品以及塑料等。

一、食品加工机械设备用材要求与性能

每台食品加工机械设备，一般均可分成直接接触食品物料的部件和其他非接触性部件（如机架、机壳、驱动机构等）两部分。直接接触食品物料的部件表面称为工作面。工作面用材必须满足以下两个基本要求：①对食品必须无害，不污染食品；②不受或少受物料介质和清洗剂的影响，以延长设备使用寿命。

食品机械设备材料的性能可分为机械性能、物理性能、耐腐蚀性能及制造工艺性。其中前三项与食品加工应用关系较为密切。

（一）机械性能

食品机械设备用材的机械性能主要有强度、刚度、耐磨性、对高低温度环境的耐受性及抗疲劳性能等，它们关系到整机或部件的使用寿命。

虽然食品机械一般属于轻型机械，大多数零部件受力较小，但由于轻型机械要求尽量降低整机重量和体积，零部件尺寸要尽量小，所以，对材料的机械性能要求也不低。除了强度、刚度和硬度以外，某些部件（如高速往复运动构件）还要考虑疲劳强度。

食品机械中的一些零部件常常要和大量物料相接触，而接触的条件又非常严酷，因此成为非常容易磨损的易损件。例如，锤片式粉碎机的锤片、分切机械刀片、高剪切设备的工作面、压力式喷雾干燥的喷嘴等，对材料的耐磨性和硬度有极高要求。

有的食品机械或部件常在高温（如烘烤机械）或是低温（如冻结机械，可达—40～-30℃，以液氮为介质的冻结机械工作温度更低）下工作，因而，要求材料具有能在高温或低温下工作的机械性能。

（二）物理性能

食品机械设备的性能常常和设备材料的物理性能有关。材料常见物理性能有相对密度、比热容、热导率、软化温度、线膨胀系数、热辐射波谱、磁性、表面摩擦特性、抗黏附性等。使用场合不同，要求材料具有的物理性能也不同。例如，传热装置要求有高的热导率，食品的成型装置则要求有好的抗黏附性，以便脱模。

（三）耐腐蚀性能

食品机械接触的食品物料带有酸性或弱碱性，有些本身就是酸或碱，例如：醋酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸、乳酸、酪酸、脂肪酸、盐酸、纯碱、小苏打等。这些物料对许多金属材料都有腐蚀作用。即使是非酸非碱的普通食盐，对许多金属也有腐蚀作用。有些食品物料本身没有腐蚀性，但是在微生物生长繁殖时会产生腐蚀性代谢物，如碳酸等。

食品机械所用材料选择不当而遭受腐蚀，不仅容易造成机器本身的破坏，更重要的是会造成食品的污染。有些金属离子溶出进入食品中，有损于人体健康和食品风味，或者破坏食品的营养。设备选型时，尤其需要注意食品与接触面结构材料的作用关系。

机械设备的耐腐蚀程度决定于：①材料的化学性质、表面状态以及受力状态；②物料介质的种类、浓度和温度等参数。

食品机械材料的机械物理性能和化学性能有时发生矛盾，难以十全十美，可以通过复合材料或表面涂层的方法来加以解决，这样不论是抗腐蚀还是抗磨损，都有可能发挥不同材料的优点。

二、食品机械中常用的材料

（一）普通钢铁材料

普通钢铁材料包括普通碳钢和铸铁等，由于耐腐蚀性都不好，易生锈，更不宜直接接触有腐蚀性的食品介质，因此，一般用于设备中承受载荷的结构，如机架、机座等。铁质本身对人体无害，但遇单宁等物质，会使食品变色。铁锈剥落于食品中会对人体造成机械损伤。因此选用这类材料时，往往采用各种形式的防护性涂层处理。

需要指出的是，出于安全卫生和美观方面考虑，即使是用普通钢铁作机架的设备，也多趋于采用适当规格的不锈钢板作外壳。

（二）不锈钢

不锈钢是指在空气中或化学腐蚀介质中能够抵抗腐蚀的合金钢。其基本成分为铁—铬合金或铁—铬—镍合金，另外还可以添加其他元素，如锆、钛、钼、锰、铌、铂、钨、铜、氮等。由于成分不同，耐腐蚀的性能也不同。铬是不锈钢基本成分之一，其含量范围在12%～28%。

不锈钢通常可按化学组成、性能特点和金相组织进行分类，并往往采用一定规则进行标识。所谓标识也即对不锈钢的型号命名。各国对不锈钢的命名标准有所不同。

我国目前对不锈钢标识的基本方法是，化学元素符号与相应的元素含量数字组合。这种标识符号，往往只标示出反映不锈钢防腐性和质构性元素符号及其含量。铁元素及含量不标出。碳元素符号也不标出，只标示代表其含量的特定数字，并且放在其他元素标识符序列之前。例如，1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9和00Cr17Ni14Mn2分别是三种铬镍不锈钢标识代号，其中第一个数字1、0和00分别表示一般含碳量（≤0.15%）、低碳（≤0.08%）和超低碳（≤0.03%）。其后的元素符号及数字分别表示含铬18%和17%，含镍9%和14%，含锰2%；Ti的含量没有标出，它的含量范围一般在5（C-0.02）～0.80%。

国际上，一些国家常采用三位序列数字对不锈钢进行标识。例如，美国钢铁学会分别用200、300和400系来标示各种标准级的可锻不锈钢。

一些不锈钢型号的国内外标识对应关系如表1-1所示。其他型号的不锈钢可以通过相关途径查询得到。

不锈钢具有耐蚀、不锈、不变色、不变质和附着食品易于去除，以及良好的高、低温机械性能等优点。因而在食品机械中广泛应用。但不锈钢的抗腐蚀能力，由于内在组成和环境条件不同而存在差异。一些型号的不锈钢一般情况下有优良的抗腐蚀能力，但条件改变后就很容易生锈。表1-1所示的304钢和316型不锈钢是食品接触表面构件常用的不锈钢，前者可以满足一般的防腐要求，但耐盐（主要是其中的氯离子）性差，后者因成分中加了镍元素而具有良好的耐盐性。因而，食品机械中，耐腐蚀要求较高的接触表面材料，多采用316或316L型不锈钢。

（三）有色金属材料

食品机械中的有色金属材料主要是铝合金、纯铜和铜合金等。

铝合金具有耐蚀和导热性能、低温性能、加工性能好以及重量轻等优点。铝合金适用的食品种类主要是碳水化合物类、脂肪类、乳类制品等。但有机酸等腐蚀性物质在一定条件下会使铝及铝合金腐蚀。

纯铜也称紫铜，其特点是热导率特别高，所以常常被用作导热材料，可以制造各种换热器。铜虽然具有一定的耐蚀性，但对一些食品成分，如维生素C有破坏作用。另外，有些产品（如乳制品）也因使用铜制容器而产生异味。所以，纯铜或铜合金一般不用作直接接触食品的设备材料，而多用于空气加热器等设备。

总体而言，食品机械设备中，曾经用以上有色金属为材料制造直接与食品接触的零部件或结构材料，正趋于被抗腐蚀和卫生性能良好的不锈钢或非金属材料所取代。

（四）非金属材料

食品机械结构中，除使用金属材料之外，还广泛地使用非金属材料。非金属材料包括天然（如天然橡胶、木材和织物等）的和人工制造的两大类，后者在食品机械中应用较多。

人工制造的非金属材料，主要是常称为塑料的各种人工合成的聚合物。常用的塑料有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯塑料及含粉状和纤维填料的酚醛塑料、层压塑料（酚醛夹布胶木、酚醛夹玻璃纤维塑料）、环氧树脂、聚酰胺、各种规格的泡沫塑料、聚碳酸酯塑料、氯化聚醚有机玻璃以及合成橡胶等。

与传统的结构材料相比，塑料有一系列的优点：①密度不大，平均为黑色或有色金属的1/8～1/5；②机械加工余量少，使生产成本降低，如用注塑塑料代替金属，工时可减少为1/6～1/5，工序减少为1/10～1/5，加工费用也减少为1/6～1/2；③化学稳定性高；④有良好的摩擦特性；⑤有良好的吸收噪声和隔音性能；⑥有好的耐振性和抗附着特性等。

塑料也存在其固有的缺点，主要表现为：①耐热性和导热性低；②在液体环境中工作时，有老化和膨胀的趋势等。

塑料材料在食品工厂机械设备中不乏应用例子：输送带、料斗、卫生泵的叶轮、某些食品的成型模具、轧面机的轴衬、罐头杀菌笼的隔板、包装机的分瓶螺旋、星形轮等。

食品机械和设备所用的非金属材料，应符合食品机械卫生标准要求。一般地，凡直接与食品接触的非金属材料应该确保对人体绝对无毒无害，不应给食品带来不良的气味和影响食品的味感，不应在食品介质中溶化或膨胀，更不能和食品产生化学反应。因而，食品机械中不宜使用含水或含硬质单体的聚合物，因为这类聚合物往往有毒性。某些塑料在老化或高温下工作（例如高温消毒）时，能够分解出可溶性单体并扩散到食品内，使食品被污染。

三、食品机械设备材料的表面处理

食品通常具有弱酸、中性或弱碱性。食品中的有机酸具有与强酸、强碱不同的腐蚀特性，在特殊的环境中具有独特的腐蚀作用。

食品中的主要腐蚀性物质有：醋酸、柠檬酸、苹果酸、酒石酸、琥珀酸、乳酸、酪酸等低级脂肪酸；食盐、无机盐类；部分食品添加剂；制造过程中使用的腐蚀性物质。这些腐蚀性物质与食品加工机械的零部件相接触时，会造成零部件材料的腐蚀，并造成金属离子溶入食品中，可能会损害人体的健康或破坏食品的风味。

对于腐蚀的防护，通常可以对材料进行耐蚀抗磨的表面处理，即对金属或非金属的食品加工机械的零部件进行喷涂和涂装以及电镀、刷镀等表面处理。

喷涂主要是指热喷涂，它以金属、塑料或陶瓷等粉末通过火焰，以半熔融状态吹附到工件表面，形成具有耐蚀、耐磨等特性的涂层。我国食品机械行业正在开发聚四氟乙烯的喷涂。

涂装是在金属表面用手工或用简单器械涂上涂料，使之干燥硬化，形成连续的涂层将金属表面与外界隔绝，达到防蚀、装饰的目的。食品机械大量地采用不锈钢，势必会提高设备的成本，所以对一些不必要防腐蚀的部件，如机架等可用涂装材料代替，从而可以降低设备的造价。

电镀和刷镀在食品机械的应用相对较少，但有发展的趋势。电镀与刷镀在原理上相似，只是在工艺上和应用对象上有些区别，电镀以制造为主，刷镀一般用来修复工件。

食品机械对镀层有一定的要求，具体如下：①镀层的材料不应有毒性，不得传给食品异味或影响食品的风味；②为避免锈蚀和镀层的剥落，镀层不应多孔；③镀层应有高的机械特性，并与基体牢固地接合；④必须得到均匀的晶粒镀层和要求的镀层厚度；⑤镀层应对食品介质、洗涤剂成分和大气的影响具有高的化学稳定性以及良好的装饰和保护特性。