Современные упрочняющие технологии быстроизнашивающихся деталей машин для пищепереработки

Надежность деталей и узлов машин, увеличение срока их службы обеспечиваются за счет применения прогрессивных технологических процессов (литье, сварка, обработка давлением, механические и электрофизические методы обработки и пр.), наиболее рациональных материалов и заготовок, специальных методов упрочнения, а также жесткого операционного контроля размеров, режимов и параметров технологических процессов, физико-механических свойств, структуры и химического состава материала на всех этапах производственного процесса изготовления и упрочнения деталей, начиная с входного контроля материала заготовок.

Для повышения износостойкости, усталостной прочности, коррозионной стойкости деталей и изделий в целом применяют технологические процессы, упрочняющие поверхностный слой и придающие ему особые свойства. Это химико-термическая обработка (закалка, цементация, азотирование, ционирование и т.д.), упрочняющая технология, основанная на пластическом деформировании поверхностей, различные специальные методы.

Известные методы упрочняющей обработки металлов условно можно разделить на шесть основных классов: с образованием пленки на поверхности; с изменением химического состава поверхностного слоя; с изменением структуры поверхностного слоя; с изменением энергетического запаса поверхностного слоя; с изменением шероховатости поверхностного слоя; с изменением структур по всему объему металла.

Упрочнение выполняют в газовой среде, в жидкости, пасте, без использования или с использованием теплоты при нормальном, повышенном или высоком давлении, в низком, среднем или высоком вакууме, в атмосфере экзогаза или эндогаза, в электропроводящей или диэлектрической среде, в среде с поверхностно-активными или абразивными свойствами, в магнитном, электрическом, гравитационном или термическом поле.

Из многочисленных способов упрочняющей обработки металлов далее рассматриваются наиболее эффективные и доступные для практического использования применительно к машинам и оборудованию для пищепереработки.

Поверхностное пластическое деформирование (ППД) – наиболее перспективный вид упрочнения. Оно повышает усталостную прочность, износостойкость и улучшает качество поверхности, особенно эффективно при действии переменных нагрузок. При применении методов ППД вследствие наклепа в поверхностных слоях видоизменяются форма и размеры кристаллических зерен, повышается твердость и образуются сжимающие напряжения, способствующие повышению сопротивляемости усталостным разрушениям.

Дробеструйный наклеп широко применяют для упрочнения пружин, накатывание роликом или шариком – повышения долговечности шеек коленчатых валов, поворотных цапф и цилиндрических поверхностей других деталей, наклеп механической чеканкой – упрочнения галтелей указанных деталей, дорнование и раскатывание отверстий роликами – для упрочнения гидро- и пневмоцилиндров прессов для сыров, подъемников, расфасовочных автоматов и т.д., шатунов, различных втулок.

При дробеструйном наклепе пластическое поверхностное деформирование деталей достигается благодаря воздействию кинетической энергии потока дроби. Дробеструйная обработка осуществляется на специальных механических или пневматических установках (дробеметах). Скорость полета дроби обеспечивается струей сжатого воздуха или быстровращающимися лопатками ротора. Твердость поверхностных слоев повышается с возрастанием кинетической энергии удара дроби и продолжительности обработки. Глубина наклепанного слоя находится в прямой зависимости от диаметра и скорости дроби и в обратной – от динамической твердости материала, которой определяются и остаточные напряжения при постоянном режиме дробеструйной обработки.

Наклеп применяют для упрочнения ленточных и дисковых пил в мясной промышленности. Вначале их подвергают ступенчатой или изотермической обработке, после этого осуществляют отпуск на твердость 45...50 HRC, а затем для дополнительного упрочнения накатывают роликом. Для этих же целей используют чеканку зубьев (вручную или на полуавтоматических станках) и плющение вершин зубьев пил, что одновременно с повышением износостойкости позволяет исключить операцию развода зубьев.

Галтели коленчатых валов упрочняют роликом с помощью специального приспособления, вибрирующим роликом или чеканкой. Приспособление для чеканки монтируют на суппорте токарного станка и чеканкой наносят удары по детали, закрепленной на станке. Глубина наклепа до 35 мм.

Новый метод поверхностного упрочнения – алмазное выглаживание. Для его осуществления используют инструмент из алмаза, сапфира или корунда со сферической или цилиндрической рабочей частью радиусом 0,5...3 мм. С хорошим эффектом алмазное выглаживание применяют для упрочнения инструмента твердостью до 65 HRC. Износостойкость выглаженной поверхности в 2-3 раза выше, чем шлифованной, и на 20...40% – полированной. Алмазное выглаживание эффективно в случае предварительного нанесения износостойких хромовых покрытий на режущую часть инструмента. При этом улучшается сцепление (адгезия) покрытий с основным материалом, повышается усталостная прочность инструмента.

Для повышения эксплуатационных свойств разнообразных деталей и режущих инструментов в пищевой промышленности широко применяют различные виды термической и химико-термической обработок. Закалка углеродистой стали в воде или водных растворах позволяет получить твердость порядка 63...65 HRC, в масле – 60...62 HRC. Однако охлаждение в масле или горячих средах возможно только при малых размерах изделия (диаметр или толщина стенки – не более 5...6 мм).

Закалку сталей У8А-У9А производят с температуры 760...770°С, а У10А-У12A – с 800...820°С. При закалке можно рекомендовать водные растворы: 8…15%-ный NaCl или 10...15%-ный NaOH, при этом получают достаточную прочность и однородную твердость закаленного слоя.

Для частичного снятия закалочных напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали и повышения прочности делают отпуск. Для изделий, работающих в условиях износа в результате трения и при отсутствии динамических нагрузок, отпуск осуществляют при температуре 100...130°С, в большинстве случаев – при 150..180°С, при этом сохраняется высокая твердость – порядка 61...63 HRC. Специальные виды закалки, как правило, для углеродистой стали не применяют, так как, например, для инструмента из углеродистой стали трудно получить в этом случае высокие и стабильные результаты, или инструментов сравнительно больших сечений нельзя получить сквозную закалку при таких видах обработки, как ступенчатая и изотермическая.

Легированные стали, в том числе такие, как X и 9ХС, относятся к сталям повышенной прокаливаемости и хорошо принимают закалку в масле в сечениях до 30...35 мм. Температура их закалки выше, чем для углеродистых сталей, и составляет для X – 840...850°С, 9ХС – 865...875°С. Повышение закалочной температуры объясняется более высокими критическими точками у этих сталей и их меньшей чувствительностью к перегреву. Твердость у сталей X порядка 62...65 HRC, 9XC – 58...62 HRC. Указанные стали для снижения напряжений, опасности образования трещин и уменьшения деформаций можно подвергать ступенчатой и изотермической закалкам.

Для изготовления режущих инструментов, работающих в мясной промышленности в средах повышенной коррозионной активности, применяют Ст 9X18 или Ст Х18М и Х14М. Эти стали приобретают высокую коррозионную стойкость после закалки с температур порядка 1000°Св масле, твердость при этом составляет 57...58 HRC. Отпуск – при температуре не выше 400°С во избежание снижения коррозионной стойкости.

Применением химико-термической обработки за счет насыщения легирующими элементами поверхностного слоя можно повысить стойкость, например, режущих инструментов в 1,5... 12. раз. При этом слой, полученный в ре­зультате такой обработки, должен быть прочно связан с основным металлом и сохраняться после переточки. Во избежание охрупчивания инструмента в целом не следует подвергать обработке инструменты диаметром менее 5 мм. В результате химико-термической обработки возрастают твердость и износостойкость поверхностного слоя.

При производстве режущего инструмента чаще применяют цементацию, выполняемую в твердом карбюризаторе или в газовой среде при температуре 900...920°С. Эта операция дешевле и менее трудна, чем другие виды химико-термической обработки. Цементация пригодна для всех видов нетеплостойких сталей, как углеродистых, так и легированных, однако ее предпочтительнее применять для легированных сталей (X, 9ХС, ХВСГ и пр.). Эти марки менее склонны давать зерна при нагреве в отличие от углеродистых, у которых при температуре цементации наблюдаются значительный рост их и повышение хрупкости после операции. Содержание углерода в поверхностном слое доводят до 1,5...1,7%, толщину слоя – до 1 мм.

Азотирование для нетеплостойких сталей, как правило, не применяют, поскольку для углеродистых и малолегированных сталей повышение твердости после него невелико. Так, поверхностная твердость Ст. ХВГ повышается до 650 НУ. Такая же твердость может быть получена при индукционной закалке или цементации, которые более дешевы и технологически легче выполнимы, чем азотирование.

Наибольший практический интерес представляет термодиффузионное упрочнение изделий при использовании поверхностного насыщения другими элементами. В табл. 4.73 представлены данные износостойкости диффузионных покрытий в условиях сухого трения скольжения (Ст. 45). Наиболее высокой износостойкостью обладают двухфазные боридные и карбидные слои на основе хрома. Однофазные (Fe₂B) боридные слои по износостойкости несколько уступают двухфазным (FeB+Fe₂B), но они менее хрупки и, следовательно, более надежны в условиях воздействия значительных ударных нагрузок.

Таблица 4.73

Износостойкость диффузионных покрытий

*Потери массы с единицы поверхности образца (мг/см²) при деформации сжатия, равной 5%.

Серийно выпускаемые комплекты рабочих органов волчков затупляются и перезатачиваются через 16...20ч работы, комплекты с диффузионными покрытиями после 160...170ч остаются в рабочем состоянии. Частичное затупление наступает через 180ч работы (однофазное борирование) и через 180...190ч (хромирование).

Перспективна новая технология борирования режущего инструмента непосредственно в процессе литья по выплавляемым моделям с полезным использованием литейного тепла. Для осуществления борирования в литейной форме необходимо наличие насыщающего элемента – бора в составе керамической оболочки. Весьма эффективным оказалось введение карбида бора в качестве обсыпки первых двух слоев формы (т.е. ближайших к жидкому металлу). Во избежание окисления бора и потери им активности температура прокаливания форм снижена до 650...700°С. Заливка металла осуществляется по обычной технологии.

Поскольку повышение содержания углерода приводит к образованию пор и охрупчиванию борированного слоя, снижение его хрупкости может быть достигнуто за счет дополнительного легирования медью или хромом, которые исключают образование высокобористой фазы и повышают плотность борированного слоя.

Решетки для волчков, отлитые в керамические формы по новой технологии, имеют на поверхности боридные слои толщиной 2...3мм, что значительно больше, чем при контейнерном борировании. Срок службы решеток, борированных в литье, в 6...8 раз превышает срок службы решеток после традиционной цементации. Технология борирования в литье позволяет значительно сократить цикл изготовления изделий, исключить последующую термическую обработку и упростить механическую.

Эффективен метод упрочнения деталей и инструмента лазерной закалкой. Особенно он перспективен для упрочнения деталей сложной конфигурации. Метод основан на использовании высокоскоростного разогрева металла под действием лазерного луча до температуры, превышающей температуру фазовых превращений AG₁ но ниже температуры плавления, и последующего высокоскоростного охлаждения за счет отвода тепла с поверхности в основную массу металла.

При обработке лазерным лучом, как и при обычной закалке, образуются мартенсит и остаточный аустенит. Микротвердость в зоне обработки повышается с 650...800 до 850... 1100 НУ. Высокая твердость стали после обработки лучом лазера обусловлена образованием более мелкозернистого мартенсита в результате быстрого нагрева и охлаждения. Глубина упрочненной зоны, достигает 0,2 мм. Шероховатость после лазерной закалки не изменяется.

Упрочнению подвергают стали углеродистые, малоуглеродистые и легированные У8А, У10А, 45, ХВГ, 9ХС и т.д., высоколегированные Х12, XI2M, Х12Ф, ШХ15, X, 5ХВ2С, низкоуглеродистые (цементованные) 20, 12ХНЗА, хромистые коррозионно-стойкие 4X13, быстрорежущие Р18, Р12, Р5, Р6М5, Р9.

В результате лазерного упрочнения стойкость изделий повышается в 2 раза и более. Критическими режимами лазерного упрочнения считаются те, при которых воздействие лазера не приводит к нарушению шероховатости, а глубина упрочненного слоя – максимальная.

Лазерные установки повышенной мощности используют для профилирования режущих элементов инструмента, например, зубьев ленточных пил, а также для вырезания в дисковых заготовках толщиной до 10 мм отверстий Ф 2...3 мм взамен сверления при производстве решеток к измельчителям мяса.

Упрочнение криогенными методами (обработка холодом) производится с целью уменьшения количества остаточного аустенита без изменения твердости. При охлаждении стали, закаленной при повышенной температуре, ниже 0°С происходит превращение аустенита в мартенсит, протекающее до температуры конца мартенситного превращения. Охлаждение ниже этой температуры не вызывает дальнейшего превращения аустенита в мартенсит. Чем больше углерода и легирующих элементов в стали, тем выше температура закалки и большее количество остаточного аустенита получается в закаленной стали и, следовательно, ниже температура начала и конца мартенситного превращения.

Внедрение в производство криогенных процессов для обработки инструментальных сталей связано с изменением последовательности операций термической обработки, возможным изменением режимов операций термообработки-цементации или закалки и отпуска, рациональной температуры и скорости охлаждения, а также продолжительности выдержки при низкой температуре.

Практика показывает целесообразность применения криогенной обработки для цементированных и азотированных инструментов и других изделий. Режим криогенной обработки сталей с насыщенным поверхностным слоем аналогичен принятому для углеродистых или легированных инструментальных сталей с таким же содержанием углерода и легирующих примесей, как и в поверхностном слое. Следует учитывать, что при резком охлаждении до низкой температуры ("удар холодом", быстрым погружением изделий в жидкий азот) увеличивается опасность образования трещин, особенно в изделиях сложной формы с неравномерным распределением массы и разными переходами по сечению. В этом случае немедленно после закалки изделия подвергают обычному отпуску для пттия закалочных Напряжений, а затем выполняют криогенную обработку.

В качестве источников умеренного холода (до -70°С) используют аммиачные и фреоновые установки, для получения криогенной температуры (до -135°С) – криогенные установки. Могут также применяться криогенные аппараты, в которых криогентами служат твердая углекислота, жидкий азот, жидкий кислород, воздух и др.

Упрочнение методом электроискровой обработки состоит в легировании поверхностного слоя металла изделия (катода) материалом электрода (анода) при электроискровом разряде в воздушной среде. В качестве материала упрочняющего электрода используют твердые сплавы марок ВК2, ВК8, Т15К6 и т.д., феррохром, графит марок ЭГ-2, ЭГ-4, литой карбид вольфрама, хром Хр5, Хр6 и др.

В результате химических реакций легирующего металла с диссоциированным атомарным азотом и углеродом воздуха, а также с материалом детали в поверхностных слоях образуются закалочные структуры и сложные химические соединения (высокодисперсные нитриды, карбонитриды и карбиды), возникает диффузионный износостойкий упрочненный слой. Твердость слоя составляет 1000...1400 НV и зависит от материала электрода и режимов обработки.

Электроискровому упрочнению целесообразно подвергать рабочие поверхности куттерных ножей, пластинчатые ножи шпигорезок и мясорезок, инструменты для переработки птицы, мусаты для правки обвалочных ножей и т.д., что позволяет увеличить износостойкость деталей в 1,5-2 раза, улучшить качество перерабатываемого сырья.

Для улучшения адгезии наносимого слоя с основным металлом и повышения прочности изделия рекомендуется также выполнять последующее поверхностное пластическое деформирование (накатку роликом, алмазное выглаживание). Электроискровая обработка может быть эффективно использована для обработки отверстий малого диаметра (1,5…3мм) в решетках к измельчителям мяса и мясных продуктов (к волчкам, эмульситаторам, агрегатам для гонкого измельчения мяса и др.) взамен малопроизводительного сверления. Достоинство электроискрового способа прошивки отверстий в решетках измельчителей – возможность получения контролируемой конусности поверхности отверстий без какой-либо дополнительной обработки и одновременного упрочнения поверхности отверстий на глубину 30...40 мкм, что улучшает эксплуатационые свойства изделий и обеспечивает эффект самозатачивания при работе в паре с ножом.