Литейная сталь для режущего мясоизмельчительного инструмента

 

Изобретение относиться к области металлургии, а именно к разработке экономнолегированной высокопрочной литейной стали для режущего инструмента мясоизмельчительного оборудования. Заявленная сталь относится к мартенситному классу, обладает высокой эксплуатационной надежностью при температурах от -20 до 20°С и содержит легирующие компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,47-0,55; марганец 0,5-0,8; кремний 0,2-0,4; хром 1,8-2,5; никель 1,5-2,0; ванадий 0,08-0,12; молибден 0,2-0,3; алюминий 0,03-0,06; церий 0,005-0,05; кальций 0,001-0,01; барий 0,001-0,01. Техническим результатом изобретения является повышение уровня механических свойств стали, ее износостойкости и трещиностойкости. При этом надежная эксплуатация ножей мясоизмельчительного оборудования до перезаточки составляет 29-37 час, до выхода из строя - 270-285 час. 4 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к разработке сталей для режущих мясоизмельчительных комплектов, обладающих высоким уровнем литейных и механических свойств, обеспечивающих высокую эксплуатационную надежность, длительную режущую способность и удовлетворяющую высоким санитарно-гигиеническим требованиям.

Специфической особенностью мясоперерабатывающей промышленности является переработка дорогостоящего сырья животного происхождения, а также высокие санитарно-гигиенические требования к качеству продукции.

В мясоизмельчительном комплекте нож - сетка нож находится в более сложных условиях эксплуатации и поэтому обладает значительно меньшей стойкостью.

Большое количество мелких и средних мясоперерабатывающих предприятий в стране делает нерентабельным изготовление ножей обработкой давлением из-за широкой номенклатуры машин, высокой стоимости штампов и малых партий изготовления.

Благодаря низкой стоимости моделей и простоте технологического процесса наиболее рентабельным является изготовление ножей методом литья.

Однако производственники по традиции стремятся изготавливать ножи методом штамповки из опасения получения литого металла более низкого качества.

Вместе с тем в практике работы мясоперерабатывающих предприятий отсутствует единая точка зрения на использование определенных марок материала для ножей из деформируемой, тем более литейной стали.

В табл. 1 приведена номенклатура марок стали, используемых на ряде предприятий Северо-Запада, и причины выхода из строя инструмента.

Из таблицы следует, с одной стороны, неоправданное многообразие используемых марок стали для режущего инструмента, с другой стороны -разнообразие причин выхода инструмента из строя. Основными из них являются износ и хрупкое разрушение, хотя оба вида имеют принципиально разное происхождение. У предприятий отсутствует единый подход к выбору материала для мясоизмельчительного инструмента.

Вместе с тем согласно ГОСТ 28533-90 единственным сдаточным параметром на мясоизмельчительное оборудование является твердость, которая должна находиться на уровне 52-54HRC. ГОСТ не учитывает структурные особенности материала, в частности наличие грубых зернограничных сеток 5-6 балла. Наличие таких сеток охрупчивает материал и провоцирует зернограничное развитие хрупких трещин. ГОСТ не учитывает также снижение надежности и работоспособности мясоизмельчительного инструмента, связанного с низкой температурой продукта, так как блочное мясо зачастую поступает на измельчение в замороженном до -20°С виде. Это приводит к повышенным, за пределами расчетных, знакопеременным ударным нагрузкам, что совершенно не учитывается конструкторами машин при выборе материала.

Отсутствует единый подход не только к выбору материла, но и научно-обоснованные рекомендации по технологии выплавки, раскисления стали и назначения режимов термической обработки.

На сопротивление разрушению литой стали действуют те же факторы, что и в случае деформированной. Однако эксплуатационная надежность литых деталей при прочих равных условиях в большей степени зависит от технологии производства. Литая сталь отличается от деформированной большей исходной поврежденностью в виде микропор, раковин. Литая сталь может иметь более крупное зерно, и его измельчение представляет более сложную задачу. Термическая обработка по обычным режимам не устраняет в полной мере структурные особенности литого металла.

Уменьшить размер зерна литого металла можно рациональным легированием, оптимальной технологией выплавки, микролегированием, использованием редкоземельных и щелочноземельных металлов с целью глобуляризации неметаллических включений. Важную роль играет оптимизация режима термической обработки.

Исходя из необходимости обеспечения заданной ГОСТ 28533-90 твердости при условии сохранения высокого уровня сопротивления хрупкому разрушению наиболее перспективной для разработки оптимального состава является группа среднеуглеродистых сталей. Проведен анализ влияния легирующих элементов - хрома, никеля, молибдена, ванадия, а также добавок РЗМ и ЩЗМ. Учитывая, что износ является одним из основных факторов, эта характеристика была выбрана для оптимизации состава.

Прототипа литейной стали, непосредственно используемой для мясоизмельчительных ножей, не обнаружено.

Известны стали, близкие по составу к заявляемой:

Сталь RU 5009309/02, МПК С 22 С 38/50, С 22 С 38/58 Щепочкина Ю.А. заявл. 11.11.91, опубл. 10.30.94; Сталь RU 93025219/02, МПК С 22 С 38/28 Дьяков А.М., заявл. 04.28.93, опубл. 01.10.96; Сталь Япония 2232340, МКИ⁵ С 22 С 38/00, С 22 С 38/32. Фурусава Тадаеси, Яманя Такахиро, Като Такахито; К.к. Кобэ сейкосе, №1-5110, заявл. 02.03.89, опубл. 14.09.90; Сталь Япония 3202441, МКИ С 22 С 38/00, С 22 С 38/60 Хиран Манабу, И.Мицуо. Опубл. 04.09.91; Патент 5059389 США, МКИ С 22 С 38/06 Finki Charles W, Lehman Albert L, AFinkI a Sons Co №510496, заявл. 18.04.91.

Из известных сталей, наиболее близкой по составу к заявляемой является сталь США. Патент 5059389 США, МКИ С 22 С 38/06 Finki Charles W, Lehman Albert L, A.Finki a Sons Co. №510496, заявл. 18.04.91, имеющая следующий состав, мас.%: углерод 0,45-0,6; марганец 0,65-1,25; хром 0,6-1,75; никель 0,75-1,25; молибден 0,3-0,45; ванадий 0,03-1; сера ≤0,023; фосфор ≤0,018; кремний ≤0,35; алюминий ≤0,025.

Проведенные нами исследования показали, что сталь-прототип не обладает достаточным запасом механических свойств и износостойкости.

Целью настоящего изобретения является повышение механических свойств и износостойкости литейной стали для режущего инструмента оборудования мясоперерабатывающей промышленности.

При установлении необходимого соотношения компонентов исходили из следующих предпосылок.

Содержание углерода ниже 0,25% приводит к образованию в литой структуре феррита, что вызывает снижение износостойкости, увеличение же содержания углерода свыше 0,55-0,60% снижает вязкость, затрудняет обрабатываемость стали.

Содержание кремния менее 0,15% не обеспечивает удовлетворительного раскисления стали, что может способствовать образованию пористости. Повышение концентрации кремния свыше 0,4% вызывает появления в структуре феррита, что приводит к снижению износостойкости.

Концентрация марганца менее 0,5% уменьшает износостойкость, а повышение свыше 1% увеличивает склонность к образованию холодных трещин.

Увеличение содержания хрома свыше 2,5% способствует снижению уровня трещиностойкости.

Введение в состав никеля, хотя и удорожает сталь, способствует существенному повышению пластичности и прокаливаемости, уменьшая склонность к хрупкому разрушению.

Легирование молибденом и ванадием увеличивает трещиностойкость, снижая опасность отпускной хрупкости, предупреждает рост зерна при технологических нагревах и термической обработке.

Введение в состав стали алюминия, ЩЗМ и РЗМ связано с их высокой раскислительной, рафинирующей и модифицирующей способностью. Снижение содержания газов, серы, измельчение структуры, глобуляризация неметаллических включений обеспечивают высокий уровень трещиностойкости, предохраняя сталь от хрупкого разрушения. Сфероидизация неметалических включений сопровождается очищением межзеренных границ и равномерным распределением включений в металле.

Заявляемая литейная сталь для режущего мясоизмельчительного инструмента, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, молибден, алюминий и кальций, отличается тем, что она дополнительно содержит церий и барий при следующем соотношении легирующих компонентов, мас.%:

Углерод 0,47-0,55

Марганец 0,5-0,8

Кремний 0,2-0,4

Хром 1,8-2,5

Никель 1,5-2,0

Ванадий 0,08-0,12

Молибден 0,2-0,3

Алюминий 0,03-0,06

Церий 0,005-0,05

Кальций 0,001-0,01

Барий 0,001-0,01

Железо Остальное

Были проведены исследования механических свойств и износостойкости стали-прототипа и заявляемой стали.

Для испытаний методом литья по выплавляемым моделям были изготовлены образцы для испытаний на статическое растяжение по ГОСТ 1497, для испытаний на ударную вязкость образцы типа 1 по ГОСТ 9454, испытания на износ проводили на специальных образцах на специальной установке, моделирующей условия износа мясоизмельчительного инструмента. Модельная среда состояла из мясного сока, жира и воды в соотношении 4:1:5.

Для подтверждения данных по износостойкости проведены испытания опытных ножей в реальных условиях на мясоизмельчительном оборудовании. Результат оценивали по характеристике, применяемой в пищевой промышленности, а именно по времени до перезаточки инструмента и окончательного выхода его из строя.

Опытная сталь имеет высокие показатели прочности, пластичности и ударной вязкости. Исследования литейных свойств показали хорошую жидкотекучесть и низкую склонность к образованию горячих трещин.

Опытная сталь может быть использована для изготовления методом литья по выплавляемым моделям заготовок мясоизмельчительных ножей практически любой формы.

Сталь-прототип и плавки опытной стали с разными составами на верхнем и нижнем уровне содержания легирующих элементов были выплавлены в индукционной печи емкостью 100 кг с основной футеровкой. Были изготовлены образцы опытной стали четырех составов (табл. 2).

Термическая обработка всех плавок состояла из гомогенизации при температуре 1050±10°С, закалки в масло с температуры 840±10°С и отпуска при температуре 300±10°С, что обеспечивало получение твердости в пределах 52-53 HRC, установленной ГОСТ 28533-90.

Результаты испытаний образцов из полученных плавок приведены в табл. 3.

Из опытных плавок были изготовлены крестообразные ножи, испытания которых показали следующие результаты, представленные в табл. 4.

Таким образом, разработана марка литой стали для изготовления ножей мясоизмельчительного оборудования, выбран режим термической обработки, обеспечивающий надежную эксплуатацию до перезаточки 29-37 часов. Повышение общего ресурса по сравнению с прототипом увеличилось в среднем в 1,5-1,75 раз.

Формула изобретения

Литейная сталь для режущего мясоизмельчительного инструмента, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий, молибден, алюминий, и кальций, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит церий и барий при следующем соотношении легирующих компонентов, мас.%:

Углерод 0,47-0,55

Марганец 0,5-0,8

Кремний 0,2-0,4

Хром 1,8-2,5

Никель 1,5-2,0

Ванадий 0,08-0,12

Молибден 0,2-0,3

Алюминий 0,03-0,06

Церий 0,005-0,05

Кальций 0,001-0,01

Барий 0,001-0,01