Материалы для изготовления режущих инструментов

Условия, в которых эксплуатируются режущие инструменты измельчителей мяса и мясных продуктов, сложные: переменные и динамические нагрузки, износ, коррозионное воздействие. При измельчении мягкого сырья переменные динамические нагрузки относительно невелики. Определяющими факторами при выборе материала для режущих инструментов являются его износ и коррозионная стойкость. При измельчении сырья без добавления специй, рассолов, консервантов н пр. опасность коррозионного воздействия снижается и основное внимание должно быть уделено износостойкости.

В случае переработки твердого сырья возрастают динамические нагрузки и увеличивается доля абразивного износа в результате действия твердых частиц перерабатываемого продукта на материал режущих инструментов. В данном случае под динамическими нагрузками следует понимать не только однократное ударное воздействие, но и ударно-усталостное нагружение.

Надежность измельчающего устройства для твердого и смешанного сырья в значительной мере зависит от сопротивления материала режущих инструментов ударным нагрузкам, которое оценивают величиной ударной вязкости. Как правило, чем выше твердость материала, тем ниже его ударная вязкость.

Основные материалы, применяемые для изготовления режущих инструментов, — это углеродистые и легированные стали.

Ниже рассматриваются и анализируются отдельные марки сталей, применение которых для изготовления режущих инструментов измельчающих машин экономически и технологически целесообразно.

Материалы для режущих инструментов измельчителей мягкого мясного сырья. Стойкость режущего инструмента, определяющая длительность и эффективность его эксплуатации, зависит в первую очередь от механических свойств материала, из которого он изготовлен. Основной характеристикой механических свойств материала является его твердость, которая должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить процесс измельчения.

С повышением твердости увеличиваются предел текучести при сжатии, износостойкость и предел выносливости. Предел прочности при значительном возрастании твердости может снижаться в том случае, если увеличение твердости приводит к повышению хрупкости. Это явление наблюдается при твердости HRC 52 — 54. При более низкой твердости существуют прямолинейные зависимости между твердостью и прочностью.

Различное влияние термической обработки на твердость и прочность инструментальной стали объясняется большой чувствительностью предела прочности к таким структурным факторам, как величина зерна и однородность распределения карбидной составляющей. Поэтому режимы термической обработки должны обеспечивать получение мелкого зерна в стали.

Прочность инструментов, изготовленных из инструментальной стали, снижается на 30—50% вследствие влияния концентраторов напряжения (переходы, сечения, выточки и т. п.), а также рисок и задиров, остающихся после механической обработки. Они способствуют развитию трещин и разрушению инструмента. Улучшение чистоты поверхности на 1—2 класса может повысить стойкость инструмента на 30—60 %. Причиной чувствительности инструментальной стали к концентраторам напряжений является резкое снижение вязкости при возрастании твердости.

Другое важное свойство инструментальных материалов — это износостойкость. С увеличением твердости она повышается, поскольку на износостойкость оказывают влияние поведение карбидных фаз (их расположение и способность к выкрашиванию), а также изменение прочности и вязкости. Износостойкость — весьма сложное свойство и зависит не только от структуры и других показателей инструментальной стали, но и от перерабатываемого сырья, вида действующих нагрузок, коррозионного действия среды и ряда других факторов.

При небольших динамических нагрузках на изнашиваемость в первую очередь влияет твердость стали. Если для перерабатываемого сырья она составляет 0,5—0,6 твердости материала инструмента, то абразивные частицы будут осуществлять микрорезание, что обусловит повышенный износ инструмента. Таким образом, обрабатывать режущие инструменты надо так, чтобы отношение твердости сырья к твердости материала режущего инструмента было более 0,5 [34]. В большинстве случаев даже для твердого сырья это соотношение соблюдается. Твердость можно повысить за счет образования мартенсита при закалке, а также за счет избыточных карбидов при легировании стали.

В настоящее время для изготовления различного рода режущих инструментов измельчителей мяса и мясных продуктов применяют в основном углеродистую сталь типа У7А и У8А. Имеются рекомендации ВНИИМПа по применению низколегированной инструментальной стали X и 9ХС и МТИММПа по использованию сталей ХВГ и Х12М. Все они, за исключением сталей У7А и Х12М, относятся к нетеплостойким сталям высокой твердости. Их достоинство — малая чувствительность к масштабному фактору.

Легированные стали этой группы хорошо воспринимают индукционную закалку, имеют достаточно высокую ударную вязкость, хорошо обрабатываются резанием. Твердость и износостойкость рассматриваемых сталей в основном зависят от содержания углерода и мало меняются с введением легирующих элементов. Несмотря на низкую стоимость углеродистых сталей, они имеют ряд недостатков преимущественно технологического характера, которые ограничивают их применение: низкая закаливаемость и прокаливаемость, что помимо габаритных ограничений требует применения резкой закалки в воде с вытекающими отсюда короблением, трещинами и другими видами брака. В отдельных случаях низкую прокаливаемость можно использовать для создания вязкой сердцевины, что возможно для инструмента диаметром 15—25 мм. Углеродистые стали склонны к перегреву, и их вязкость и прочность могут значительно снижаться из-за роста зерен при закалке. Образование «мягких пятен» и неоднородность распределения карбидов могут также приводить к ухудшению износостойкости углеродистой стали. Применять углеродистую сталь для инструментов диаметром более 30 мм не рекомендуется из-за очень тонкого слоя закалки на поверхности (1—1,5 мм) и возможности его скалывания или продавливания.

Углеродистые заэвтектоидные стали с содержанием углерода 1—1,2% в меньшей мере подвержены некоторым из указанных недостатков. Они менее склонны к перегреву и образованию трещин при закалке вследствие более плавного снижения твердости от закаленного слоя к сердцевине. Однако с повышением содержания углерода возрастают неоднородность распределения карбидов и их размеры, что приводит к неоднородности свойств в больших сечениях. Поэтому применять углеродистые стали с большим содержанием углерода следует только для инструмента небольшого сечения, т. е. после прокатки с большими степенями деформации.

Легированные стали в значительной мере лишены этих недостатков. Стали 9ХС, X (ШХ15), ХВГ и ХВСГ относятся к сталям повышенной прокаливаемости. В зависимости от химического состава они могут прокаливаться в сеченни от 25—70 до 80—90 мм. Эти стали обладают хорошей закаливаемостью, и при охлаждении в масле твердость их достигает HRC 67—68. Их можно закаливать в горячих средах. Износостойкость их, как и углеродистых, зависит от содержания углерода, при содержании углерода 0,9—1,0% по износостойкости они практически не отличаются от углеродистых. Из этих сталей изготавливают крупные режущие инструменты сложной формы.

При исследовании интенсивности износа ножей и решеток волчков, изготовленных из различных сталей, в том числе и из стали ШХ15, было установлено [83], что из всех испытуемых материалов наименьший линейный износ за 1 ч работы волчка имели стали 9ХС и ШХ15 (соответственно 0,026 и 0,0338 мм/ч). Для сравнения с ними сталь У8А имела линейный износ 0,088 мм/ч. Режущий инструмент из сталей 9ХС и ШХ15 имеет лучшие режущие свойства (малый радиус закругления режущей кромки и площадь выкрашенных участков) и обеспечивает лучшее качество измельчения.

Срок службы ножей и решеток эмульситатора, изготовленных из стали ШХ15, в 4 раза выше, чем из стали У8А [40]. Более высокой износостойкостью из этой группы сталей обладает сталь 12X1, содержащая 1,15—1,25% углерода. При закалке в масле она приобретает твердость HRC 63—65. Наиболее высокие твердость (HRC 68—70) и износостойкость имеют стали с вольфрамом и большим содержанием углерода: В2Ф, ХВ4. Так, стойкость ножовочных полотен из стали В2Ф в 1,5—2 раза выше, чем у таковых из сталей ИХ и 13Х. Однако сталь с вольфрамом обладает несколько пониженными прочностью и вязкостью.

Максимальная закаливаемость и прокаливаемость достигается введением никеля и марганца. Стали 7ХГ2ВМ, 7ХГНМ закаливаются на воздухе до твердости HRC 59—60 в сечениях диаметром до 100—120 мм. Сравнительно с другими эти стали имеют минимальные объемные изменения при закалке, а их прочность и вязкость повышены. По износостойкости они уступают сталям с более высоким содержанием углерода.

Стали повышенной (Х12Ф2, Х12М, 85Х6НФТ) и высокой (Х12, Х12ВМ, Х6Ф4М) износостойкости, как и стали предыдущей группы, применяют для работы без значительных динамических нагрузок. Их износостойкость в 1,5—3 раза выше, что позволяет их использовать при значительном изнашивании. При нагреве этих сталей до 300—400° С они сохраняют твердость HRC 57—58, и поэтому при заточке твердость этих сталей мало снижается.

Коррозиестойкие инструментальные стали получают за счет увеличения содержания хрома (9X18, Х18МФ, Х12М). Необходимо, чтобы в мартенсите было не менее 11—12% хрома при соответствующем снижении углерода. Твердость этих сталей ниже, чем ранее рассмотренных марок. Так, при закалке в масле твердость стали Х18МФ равна HRC 62—63, Х14М —HRC 58—60, а 9X18 — HRC

58.

Для повышения эксплуатационных свойств стали применяют термическую и химико-термическую обработки.

Для обеспечения более однородных свойств режущих инструментов, например пластинчатых ножей, используемых на различных операциях по разделке туш и полутуш, а также в измельчающем механизме машин, и для повышения их стойкости вместо обычного нагрева в печи при их закалке рекомендуется нагрев в соляной ванне, содержащей 50% СаС12 и 50%ВаС12 [56]. Возможно применение водных растворов 8—15% NaCI или 10—15% NaOH. При использовании ванн, содержащих NaCI, периодически раскисляют состав, например путем введения буры. Продолжительность нагрева для ножей толщиной 1—3 мм составляет 1—2 мин.

Показано [56, 103], что твердость ножей можно повысить на 2— 3 единицы по HRC по сравнению с обычной термической обработкой, используя изотермическую закалку. При температуре ванны 290° С и продолжительности выдержки ножей 30 мнн твердость, их составляет HRC 50—54. Возможно применение ступенчатой закалки с последующим отпуском.

Материалы для режущих инструментов измельчителей твердого и смешанного мясокостного сырья. Режущие инструменты измельчителей твердого и смешанного мясокостного сырья находятся в более тяжелых эксплуатационных условиях, нежели режущие инструменты, перерабатывающие мягкое сырье. Твердые продукты вызывают большой абразивный износ и повышенные динамические нагрузки, в результате чего могут быть смятие или сколы режущей кромки инструмента. Поэтому наряду с высокой твердостью материалы, идущие на изготовление режущих инструментов, должны обладать достаточным запасом ударной вязкости. Одновременно обеспечить повышение твердости и вязкости весьма трудно или вообще невозможно, поскольку те факторы, которые вызывают повышение твердости (увеличение количества углерода, закалка стали и пр.), приводят к снижению вязкости.

Несмотря на хорошую износостойкость, описанные ранее стали высокой твердости с большим содержанием углерода не годятся для изготовления режущих инструментов измельчителей твердого или смешанного мясокостного сырья. Их ударная вязкость незначительна [(5-;-8) 104Дж/м2], и повысить ее за счет снижения твердости не удается вследствие избыточного количества карбидов. Повышение ударной вязкости достигается снижением содержания углерода в стали. При этом уменьшается и твердость (от HRC

59       до HRC 47—48 в зависимости от состава стали и режима термической обработки). Ударная вязкость при этом может достигать (7-7-8) 10s Дж/м2.

Режущие инструменты измельчителей твердого или смешанного мясокостного сырья следует изготавливать из тех марок сталей, которые имеют оптимальные сочетания твердости и вязкости. Причем наибольшая стойкость инструмента получается в том случае, когда повышение твердости не вызывает снижения вязкости. Указанные требования могут быть выполнены за счет легирования. Количество углерода и легирующих элементов должно быть таково, чтобы не возникали избыточные карбиды, образование которых приводит к снижению ударной вязкости. Количество легирующих элементов должно быть невелико еще и потому, что при отпуске должен образоваться легированный цементит, а не карбиды легирующих элементов. Для получения повышенной вязкости необходимо соблюдать следующие условия: содержание углерода должно быть пониженным и в зависимости от степени легированности составлять 0,65—0,7% для менее легированных и 0,55—0,63% для более легированных; отпуск нужно проводить на твердость HRC 45—53 для инструмента с большими ударными нагрузками и на HRC 55—60 при небольших ударных нагрузках [34].

Основными легирующими элементами для этой группы сталей являются хром, ванадий и кремний. Хром вводят до 3,2%, более высокое его содержание приводит к уменьшению вязкости. Меньшие количества хрома способствуют повышению не только прочности, но и вязкости (сталь становится мелкозернистой). Ванадий в количестве 0,1—0,3% еще в большей мере, чем хром, уменьшает зернистость стали. Кремния вводят 0,5—0,9 %, повышение его содержания снижает ударную вязкость. Кремний улучшает способность стали принимать изотермическую закалку и сохранять при этом повышенную твердость в больших сечениях. Никель в количестве 1,2—1,8% повышает вязкость только при небольшом содержании хрома в стали (0,52—0,8%). При более значительном легировании хромом, а также другими элементами вязкость в присутствии никеля несколько снижается.

К углеродистым сталям с повышенной вязкостью относятся сталь У7, а также рессорно-пружинная сталь 65. Существенный дефект углеродистых сталей — низкая прокаливаемость. Низколегированная сталь 7ХФ по эксплуатационным свойствам близка к стали У7. Благодаря присутствию небольших количеств хрома и ванадия сталь 7ХФ имеет несколько лучшие износостойкость и вязкость [105Дж/м2], чем сталь У7. Ее можно применять для изготовления режущего инструмента с резкими переходами по сечению. Отпускается на твердость HRC 50—55.

К легированным сталям повышенной прокаливаемости и вязкости относят стали типа 6ХС, 6ХВ2С, 7X3, 6ХЗФС. Стали 6ХВ2С и 6ХС прокаливаются в сечениях до 50—60 мм, 6ХЗФС —70—80 мм. Последняя обладает наибольшей эксплуатационной стойкостью. После термической обработки на твердость HRC 52—54 ее ударная вязкость достигает 105 Дж/м2. К сталям, имеющим большую вязкость, относится сталь 7ХГ2ВМ. При охлаждении на воздухе ее твердость равна HRC 59—60 в сечениях до 100—120 мм. При твердости HRC 59—60 величина ударной вязкости этой стали достигает 15-105 Дж/м2. По сравнению с другими эта сталь отличается малыми объемными изменениями и деформацией при закалке.

При выборе марки стали следует учитывать размеры инструментов и величину динамических нагрузок, которым они подвергаются в условиях эксплуатации. Для инструментов небольшой толщины (до 10—15 мм) может быть рекомендована сталь 7ХФ, отпущенная на твердость HRC 50—55. Для инструментов больших размеров следует применять стали повышенной прокаливаемости и вязкости типа 6ХС, 6ХВ2С, 7X3, 6ХЗФС, 7ХФН [35]. Для крупногабаритных инструментов, имеющих сложную форму, может быть применена сталь 7ХГ2ВМ, прокаливающаяся в сечениях до 120 мм и имеющая высокое сопротивление удару при твердости HRC 59—60.

При значительных динамических нагрузках для указанных марок стали рекомендуется изотермическая закалка, обеспечивающая лучшее сопротивление удару, чем непрерывная закалка. Твердость в этом случае будет порядка HRC 45—55.

В тех случаях, когда напряжения в объеме невелики и основными требованиями являются твердость и износостойкость поверхностных слоев, следует применять поверхностную закалку, позволяющую сочетать хорошее сопротивление ударным нагрузкам с высокой твердостью и износостойкостью. Толщину закаленного слоя подбирают экспериментально для данных условий, но она должна быть не менее 2 мм, поскольку тонкие слои могут скалываться и продавливаться при работе инструмента.