CC BY
32
УДК 669.14.08
Исследование материалов измельчительных комплексов пищевого оборудования
Д-р. техн. наук Вологжанина С.А. канд. техн. наук Иголкин А.Ф. Жучков Д.В. svet_spb@mail.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет ИТМО Институт холода и биотехнологий 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9
Представлены результаты исследований химического состава и свойств материалов измельчительных комплексов. Выявлено несоответствие марок материалов исследованных деталей данным заказчика.
Ключевые слова: микроструктура, твердость, измельчительный комплекс пищевого оборудования.
The study materials grinding systems of food processing equipment
Vologjanina S.A., Igolkin A.F., Juchkov D.V.
Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics.
Institute of Refrigeration and Biotechnology 191002, St. Petersburg, Lomonosov str., 9
The results of studies of the chemical composition and properties of materials grinding systems. Noncompliance brands of materials studied details of the customer's data. Keywords: microstructure, hardness, grinding systems of food processing equipment.
Материалы, из которых изготавливаются детали и рабочие органы оборудования, находятся в контакте с агрессивными пищевыми средами. Эксплуатационные нагрузки при работе машин пищевых производств, а так же непосредственное воздействие продукта, приводят к ускоренному износу деталей и преждевременному исчерпанию их ресурса. Основной причиной выхода из строя измельчительного комплекса для фруктов и овощей является ускоренный износ и выкрашивание режущих кромок ножей. Затраты на ремонт велики, поэтому детали должны быть изготовлены из определенных марок материалов и иметь требуемый комплекс свойств. Важна необходимость выполнения санитарно-гигиенических требований, связанных с охраной здоровья людей.
В данной работе объектом исследования являются определение соответствия марки материала и эксплуатационных свойств детали: кинематическая пара «нож двухсторонний» (У8), насаживаемый на «палец» (30Х13); «нож односторонний» (30Х13). В скобках указаны марки сталей по данным заказчика. Выполнен химический анализ металла деталей, измерена твердость металла, исследована микроструктура металла. Определение твердости проводилось вблизи поверхности и в центральной части образцов. На детали «нож двухсторонний» измерения вблизи поверхности производились на расстоянии до 0,2 мм от кромки микрошлифа, на детали « нож односторонний» на расстоянии до 0,5 мм. Для детали «палец» исследования проводились дважды, так как на изготовленном микрошлифе «палец (условно «образец»), различаются два участка: светлотрввящийся и темнотравящийся. Было принято решение провести исследования с образца, где нет видимых различий участков - «палец (условно «деталь»). В табл. 1 представлены результаты определения химического состава металла деталей. Состав металла детали «нож двухсторонний» близок к стали марки 55ГС [1], но имеет повышенное содержание углерода; состав металла деталей «нож односторонний» и «палец» соответствует стали марки 40Х13 по ГОСТ 5632-72.
Определение твердости выполнялось с помощью микротвердомера по ГОСТ 945076 алмазной четырехугольной пирамидкой с квадратным основанием при нагрузке 0,2 кг. Дополнительно значения НУ02 были переведены в значения ИКС. Также определение твердости выполнялось методом Роквелла шкала С по ГОСТ 9013-59.
Таблица 1. Химический состав металла деталей
Деталь Массовая доля элементов, %
С Мп Р Б Сг N1 Си
Нож двухсторонний 0,60 0,70 0,61 0,024 0,030 0,20 0,10 0,15
Требования ГОСТ 1435-74 к стали марки У8 0,760,83 0,170,33 0,170,33 <0,030 <0,028 <0,20 <0,25 <0,25
55ГС [1] 0,520,60 0,600,90 0,500,80 <0,035 <0,035 <0,30 <0,40 -
Нож односторонний 0,39 0,38 0,24 0,020 0,012 12,87 0,24 0,14
Палец 0,43 0,12 0,28 0,024 0,018 13,07 0,30 0,08
Требования ГОСТ 5632-72 к стали марки 40Х13 0,36 0,45 <0,8 <0,8 <0,030 <0,025 12,014,0 - -
Результаты измерений приведены в таблице 2. Можно отметить, что твердость измеренная на различных образцах детали «палец» (условно «деталь» и «образец») значительно различается.
Таблица 2. Твердость материала деталей
Деталь НУс,2 (НЯС*) НЯС
Поверность Центр
Нож двухсторонний 394 (40) 681 (57) 54,0
Нож односторонний 263 (25) <20
Палец (условно «деталь») 644 (56) 52,0
Палец (условно «образец») 220 (19)* - 453 (45)** <20*-25,0**
Примечание: * - светлотравяшийся участок; *** - темнотравяшийся участок
На рис. 1 показано, что металл детали «нож двухсторонний» имеет большое количество усадочных дефектов, что характерно для литого материала и подтверждает данные заказчика.
0
Рис. 1. Усадочные несплошности в металле детали «нож двухсторонний», без травления: фрагмент участка образца
На рис. 2 приведена микроструктура металла деталей после химического травления в реактиве ниталь (4 %-ный раствор азотной кислоты в этиловом спирте) или Марбле (4 г сернокислой меди, 20 мл соляной кислоты, 20 мл воды). Микроструктура металла детали «нож двухсторонний» имеет выраженный дендритный рисунок, характерный для литого материала (рис. 2).
Рис. 2. Микроструктура металла в центральной части детали «нож двухсторонний», после травления в
реактиве ниталь, х 1000
Микроструктура металла в центральной части детали, где твердость составляет 57 ИКС, представляет собой тростомартенсит (рис. 2). Вблизи поверхности на расстоянии до 0,2 мм от кромки, где твердость более низкая - 40 НЯС, металл имеет структуру мартенсита и феррита, расположенного в виде сетки по границам зерен (рис. 3), что, вероятно, связано с обезуглероживанием детали при нагреве во время термической обработки [2].
Рис. 3. Микроструктура металла вблизи поверхности детали «нож двухсторонний», после травления в
реактиве ниталь, х 1000
Следовательно, режим термической обработки проводился с нарушениями, которые и привели к неоднородности структуры и свойств материала исследуемой детали. В целом, микроструктура и твердость металла детали «нож двухсторонний» типична для стали типа 55ГС в состоянии после закалки (в масло) и среднего отпуска.
Таким образом, химический состав и структура материала детали «нож двусторонний» не соответствует заявленному. Исследуемая деталь изготовлена из стали
55ГС взамен У8. Однако, такая замена даже полезна в данном случае, так как возможные ударные воздействия при эксплуатации на «нож» не приведут к его хрупкому разрушению, ввиду более высокой ударной вязкости стали 55ГС.
Микроструктура металла детали «нож односторонний» однородная сорбитообразная; в теле зерна расположены мелкие карбиды, более крупные карбиды образуют строчки (рис. 4).
Рис. 4. Микроструктура металла детали «нож односторонний» после травления в реактиве Марбле при различных увеличениях: а) х 100; б) х1000
Анализ полученных результатов показывает, что микроструктура и твердость металла детали «нож односторонний» типична для стали типа 40Х13 в состоянии после закалки (в масло) и высокого отпуска. Следовательно, в данном случае так же наблюдается замена заявленной марки стали 30 Х13 на 40Х13. Вместе с тем, сталь марки 40Х13 обладает необходимым уровнем коррозионной стойкости и обеспечивает требуемые для эксплуатации показатели твердости.
Микроструктура металла детали «палец» различная. Микроструктура исследуемого материала (рис. 5) сорбитообразная с выделениями карбидов по границам зерен и в теле зерна. Твердость металла образца высокая (644 HV0,2). Подобная микроструктура и твердость типична для стали типа 40Х13 в состоянии после закалки (в масло) и среднего отпуска.
Рис. 5. Микроструктура металла детали «палец» (условно «деталь») после травления в реактиве Марбле, х 1000
На фотографии микроструктуры образца различаются два участка:
- светлотравящийся участок со структурой, состоящей из феррита, карбидов в теле зерна и зон с сорбитообразной структурой (рис. 6); твердость металла на этом участке невысокая (220 ИУ0,2);
- темнотравящийся участок с сорбитообразной структурой и карбидами в теле зерна (рис. 7); твердость металла на этом участке высокая (453 ИУ0;2).
Рис. 6. Микроструктура металла детали «палец» (условно «образец») после травления в реактиве Марбле, х 1000
Рис. 7. Микроструктура металла детали «палец» (условно «образец») после травления в реактиве
Марбле, х 1000
Подобная микроструктура и твердость типична для стали типа 40Х13 в состоянии после закалки (в масло) и высокого отпуска при условии неполной прокаливаемости заготовки. Анализ полученных данных показывает, что и для последней детали «палец» использована другая марка стали: 40Х13 взамен 30Х13. Как и ранее, следует отметить, что такая замена не окажет существенного влияния на работоспособность измельчительного комплекта.
Выводы
1. На основании проведенных исследований выявлено, что ни одна из исследуемых деталей по химическому составу не соответствует заявленным заказчиком.
2. Для одной из деталей, а именно нож двухсторонний, результаты исследований показали несоответствие марки: 55ГС взамен У8. Такая замена может быть полезна, обеспечивая высокую стойкость к ударным нагрузкам. Однако, термическая обработка проводилась с нарушениями режимов, что привело к возникновению неоднородной микроструктуры и, соответственно, неравномерным по сечению свойствам. Это может привести к преждевременной потери работоспособности указанной детали.
3. Для деталей «палец» и «нож односторонний» обнаружена замена стали 30Х13 на 40Х13, что, впрочем, не приведет к ухудшению надежной работы измельчительного комплекта.
4. Все вышесказанное определяет необходимость входного контроля на предприятиях пищевых отраслей, особенно для деталей, подвергающихся абразивному износу.
Список литературы:
1. Марочник сталей и сплавов /М.М. Колосков, Е.Т. Долбенко, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко. - М.: Машиностроение, 2001. - 672 с.
2. Вологжанина С.А., Ермаков Б. С., Солнцев Ю. П. Влияние зернограничных сегрегаций примесных атомов на свойства углеродистых сталей промышленного производства // Деформация и разрушение материалов. - № 4, 2006. - с. 6-12.
