Технологія азотування в тліючому розряді сталей різального комплекту м’ясоподрібнювальних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 50 Стечишин М.С., Олександренко В.П., Лук’янюк М.В., Люховець В.В., Лук’янюк М.М. Хмельницький національний університет, м. Хмельницький, Україна E-mail: Adm_MV@ukr.net ТЕХНОЛОГІЯ АЗОТУВАННЯ В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ СТАЛЕЙ РІЗАЛЬНОГО КОМПЛЕКТУ М’ЯСОПОДРІБНЮВАЛЬНИХ МАШИН УДК 669.1:537.5 Досліджено вплив режимів азотування в тліючому розряді на фазовий та структурний склад азотованого шару, товщину його нітридної і дифузійної зони та розподіл мікротвердості по глибині шару. Проведені лабораторні та виробничі випробування показали збільшення довговічності різального комплекту м’ясоподрібнювальних машин в 4 … 10 разів. Ключові слова: довговічність, азотування в тліючому розряді, ножі вовчків і кутерів, нітридна і дифузійна зона Вступ В роботах [1, 2] переконливо показана перспективність застосування технологій азотування в тліючому розряді для модифікації різальних комплектів (решіток і ножів вовчків та кутерів), які дозво- ляють значно підвищити зносостійкість та довговічність їх роботи. Разом з тим, аналіз цих робіт вказує на несистемність вибору параметрів процесу, відсутність оптимальних режимів азотування залежно від матеріалу ножів та решіток, їх попередньої термічної чи хіміко-термічної обробки, кінематичних та си- лових параметрів процесу різання, виду м’ясної сировини тощо. Останнє не дає можливості прогнозу- вання структури і фазового складу, фізико-хіміко-механічних характеристик зміцненого шару. Мета ро- боти полягає в розробці технології азотування в тліючому розряді для підвищення зносостійкості сталей, що використовуються для виготовлення різальних комплектів м'ясоподрібнювальних машин, з усунен- ням вище наведених недоліків. Матеріали, обладнання і методика проведення досліджень Дослідження з азотування в тліючому розряді проводили на установці Подільського наукового фізико-технологічного центру. Установка, її будова детально описана в роботі [3]. Режими процесу азо- тування в тліючому розряді вибрані на основі аналізу попередньо проведених дослідів [1 - 3]. Для прове- дення досліджень були відібрані сталі, що рекомендуються і використовуються при виготовленні ножів і решіток м'ясоподрібнювальних машин: сталі 45, 20Х, 40Х, 38ХМЮА, Р6М5, 40Х13 [4]. З метою інтенсифікації процесу зношування, дослідження зразків встановлених розмірів (рис. 1) до і після азотування проводились на машині 2168УМТ в режимі сухого тертя. Рис. 1 – Ескіз зразка для дослідження зносостійкості Для отримання даних, максимально наближених до умов експлуатації ножів та решіток м’ясо- подрібнювальних машин, проведено випробування в розчині, що моделює м’ясне середовище і склада- ється з м’ясного соку та жиру яловичини в масовому співвідношенні 10:1 [4]. Виходячи з умов роботи м'ясоподрібнювальних машин було вибрано наступні параметри наван- таження фрикційного контакту: тиск в зоні тертя – 16 МПа; швидкість ковзання – 0,1 м/с, а в якості контртіла використовувалося кільце упорного підшипника зі сталі ШХ15. Загальний вид супорта машини тертя з встановленими зразками та взаємне розміщення зразка і контртіла при їх контактуванні показано на рис. 2. Технологія азотування в тліючому розряді сталей різального комплекту м’ясоподрібнювальних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 51 а б Рис. 2 – Загальний вид супорта машини тертя (а) та взаємне розміщення зразка і контртіла, при їх контактуванні (б) Остаточна оцінка зносостійкості азотованих ножів і решіток проводилася в умовах роботи на Хмельницькому м’ясокомбінаті. Структуру дифузійного шару в перерізі після азотування, товщину фазових складових азотова- ного шару, розподіл мікротвердості по його глибині вивчали на травлених шліфах. Для вимірювання мі- кротвердості, з метою отримання порівнювальних даних, було прийнято навантаження 0,98 Н. Субмікроскопічну структуру нітридної зони (розмір, кількість і природу фазових складових) ви- вчали на растровому мікроскопі РЭМ-20. Рентгеноструктурний фазовий аналіз зразків проводили на рен- тгенівському дифрактометрі ДРОН-2,0 з використанням Кα-випромінювання. Результати досліджень та їх обговорення Азотування в тліючому розряді дозволяє інтенсифікувати процес насичення поверхні азотом в 6-8 разів порівняно з пічним азотуванням та зменшити до десяти разів енергоємність порівняно з тради- ційними методами зміцнення поверхонь. Суттєвою перевагою запропонованої в роботі технології є від- сутність в газовому середовищі водню, що виключає водневе окрихчування поверхонь. У багатьох випадках вдається регулювати фізико-механічні властивості поверхонь металів шля- хом зміни параметрів процесу азотування: температури, тиску, складу газової суміші і тривалості проце- су. Згідно [3] через 4 год досягається рівновага між осадженням і розпиленням іонів азоту, а тому дослі- дження азотованих шарів були проведені при тривалості насичення τ = 4 год. Враховуючи, що зміна мікротвердості по товщині азотованого шару характеризується співвід- ношенням і розподіленням структурних та фазових складових покриття, досліджено вплив параметрів азотування на зміну мікротвердості (рис. 3). У результаті проведення досліджень (не усі отримані результати відображені на рис. 3) встанов- лені загальні закономірності зміни мікротвердості нітридної та дифузійної зон вказаних вище сталей за- лежно від параметрів азотування в тліючому розряді: 1) максимальне значення мікротвердості підвищується залежно від збільшення вмісту вуглецю основи, кількості та виду легуючих елементів (суцільні криві 1 і 2 на рис. 3, а); 2) з підвищенням температури азотування мікротвердість нітридної зони азотованого шару зни- жується і швидкість зниження збільшується зі збільшенням степеня легування (криві 1 і 2 на рис. 3, а); 3) зі збільшенням вмісту азоту і тиску газової суміші мікротвердість зростає (штрихові лінії 1 і 2 та штрих-пунктирна лінія 1 на рис. 3, а); 4) збільшення тривалості азотування при інших незмінних параметрах азотування, не змінюючи значення мікротвердості, сприяє більш плавному її переходу до твердості основи одночасно розширюю- чи зону дії макро- і мікроспотворень (рис. 3, б). Підвищення мікротвердості металів після азотування пояснюється, в першу чергу, високою тве- рдістю металічних нітридів, а оскільки твердість нітридів титану, хрому, молібдену значно більша аніж нітридів заліза, то і мікротвердість легованих сталей значно вища. Крім того, вирішальне значення на ве- личину і характер розподілу мікротвердості по товщині азотованого шару має дисперсність нітридів залі- за і легуючих елементів [5]. Дослідження тонкої структури азотованого шару сталі 40Х за допомогою електронного мікроскопа РЕМ-200 показали, що при температурі 833 К утворюються нітридні частинки Технологія азотування в тліючому розряді сталей різального комплекту м’ясоподрібнювальних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 52 товщиною 40 ... 110 і шириною 60 ... 550, а при температурі 873 К товщиною 90 ... 200 і шириною 180 ... 1000 кх. Тобто дисперсність частинок нітридів підвищується з підвищенням температури азоту- вання і, відповідно, знижується мікротвердість. а б Рис. 3 – Загальні закономірності зміни мікротвердості: а – залежність мікротвердості нітридної зони: \ (–) від температури азотування Т, К; (--) від вмісту азоту для сталей С, %N2; (-.-) від тиску суміші р, Па. 1 - сталь 40Х; 2 - сталь 45. б – розподіл мікротвердості HV1 по товщині азотованого шару h для сталі 40Х (833 К, 75% N2+25% Ar, 250 Па), при азотуванні протягом: 1 - 1; 2 - 2; 3 - 4 і 4 - 6 год Аналіз впливу параметрів азотування на зміну товщини нітридної Nh і дифузійної зони h пока- зав, що в загальному випадку, вони регулюються, в першу чергу, шляхом зміни температури азотування і складу газового середовища [3, 5]. При збільшенні температури азотування відповідно збільшується товщина як дифузійної h , так і нітридної зони Nh [5, 6], але найбільш інтенсивне зростання дифузійної зони спостерігалося для сталі 45, а найменше для легованої сталі 38ХМЮА. Останнє пояснюється низькою рухомістю азоту в нітридах легуючих елементів, які блокують подальшу дифузію азоту в твердому розчині [5], але товщина і швид- кість зростання нітридної зони, навпаки, збільшується при збільшені степеню легування сталі. Це пов’язано з тим, що більшість легуючих елементів, за виключенням алюмінію і кремнію, є нітридоутво- рюючими за своєю природою. У подальшому, нітриди заліза і легуючих елементів ускладнюють дифузію азоту всередину металу і перешкоджають зростанню зони внутрішнього азотування. Тим не менше, роз- винута зона внутрішнього азотування визначає довговічність роботи азотованого покриття, особливо в умовах циклічного або імпульсного навантажень, що є характерною умовою роботи зубчастих коліс, пі- дшипників кочення і ковзання, поверхонь різальних лез металорізальних інструментів, м'ясоподрібнюва- льних машин тощо. Для більшості сталей з підвищенням концентрації азоту в газовому середовищі до 75 % товщина нітридної зони Nh збільшується, але подальше збільшення концентрації азоту призводить до її змен- шення. Очевидно, враховуючи меншу масу іонів азоту порівняно з масою іонів аргону, зменшення тов- щини нітридної зони викликане погіршенням очистки поверхні металу [3]. Згідно даних [5] загальна товщина азотованого шару мало залежить від вмісту азоту в газовій суміші, а визначається, в основному, температурою азотування, вмістом вуглецю і легуючих елементів у металах. Результати проведених нами експериментів, підтверджують цей висновок [6]. Графічна інтерпретація вибраних режимів азотування в тліючому розряді сталей У8А, 38ХМЮА та 40Х показує, що загальна товщина дифузійного шару зменшується при збільшені вмісту азоту в газо- вій суміші від 45 % до 100 %, за виключенням сталі У8А, для якої товщина дифузійної h і нітридної Nh зон не змінюється при збільшенні вмісту азоту більше 60 %. Натомість товщина нітридного шару Nh для легованих сталей 40Х і 38ХМЮА має максимальне значення при 75%-му вмісті азоту в газовій суміші (рис. 4). Технологія азотування в тліючому розряді сталей різального комплекту м’ясоподрібнювальних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 53 Рис. 4 – Залежність товщини дифузійної h і нітридної hN зон азотованих шарів від вмісту азоту (Т = 833 К, p = 260 Па, τ = 4 год); сталі: 1 – У8А; 2 – 38ХМЮА; 3 – 40Х Аналіз отриманих результатів також показав, що при азотуванні в тліючому розряді зміна тиску газової суміші від 260 до 450 Па практично не впливає на мікротвердість дифузійного шару і на вміст ε-фази в нітридній зоні. Встановлено також, що тиск впливає на формування нітридного шару, товщина якого з його підвищенням дещо збільшується. Зниження тиску до 60 Па приводить до зменшення наси- чення шару азотом, зменшення значення мікротвердості і вмісту ε-фази в нітридній зоні[6]. Зразки із легованих сталей 40Х, 40Х13, 38ХМЮА та взяті для порівняння зразки вуглецевих сталей 20 і 45 після азотування в тліючому розряді за режимом (Т = 793 К, р = 260 Па,75% N2+25% Ar і τ = 4 год), що вибраний на основі аналізу проведених вище викладених досліджень, піддавали випробу- ванням на зносостійкість в умовах сухого тертя (швидкість ковзання – 0,1 м/с, тиск на фрикційному кон- такті – 16 МПа). Результати випробувань показані на рис. 5. Рис. 5 – Залежність лінійного зносу азотованих в тліючому розряді сталей від шляху тертя (сухе тертя) Для досягнення величини лінійного зношування 100 мкм шлях тертя для сталей 20 і 45 становить приблизно 100 і 400 м, 450 та 550 м для сталей 40Х, 40Х13, 38ХМЮА, відповідно. При цьому після 80 м сухого тертя зразків з вуглецевих сталей 20 і 45 починається катастрофічне руйнування їх поверхонь, а для легованих сталей 40Х, 40Х13 та 38ХМЮА через 350, 500 і 550 м шляху тертя, відповідно. Невисока зносостійкість вуглецевих азотованих сталей порівняно з легованими пояснюється тим, що нітриди заліза відрізняються невисокою стійкістю, мікротвердістю і великою швидкістю коагу- ляції. Нітриди легуючих елементів мають більш високу термічну стійкість і більшу ступінь дисперсності, що і зумовило найвищу зносостійкість сталі 38ХМЮА. Випробування на зносостійкість азотованих зразків у лабораторних умовах в модельному м'яс- ному середовищі показало значно вищу ефективність застосування азотування в тліючому розряді, аніж при сухому терті. У цьому випадку маємо корозійно-механічне зношування, у якому корозійна складова руйнування відіграє суттєве значення. Корозія сама по собі не вносить великий вклад в масовий (об'єм- Технологія азотування в тліючому розряді сталей різального комплекту м’ясоподрібнювальних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 54 ний) знос поверхні тертя, але являючись своєрідним “каталізатором” руйнування інтенсифікує швидкість його перебігу. Високі антикорозійні властивості поверхневих нітридних фаз різко гальмують перебіг електрохімічних процесів на поверхнях тертя, яка, в більшості випадків, є катодом по відношенню до ос- нови покриття. Крім того, наявність ліпідів-жироподібних з'єднань поліпшує мастильні властивості м’ясного середовища, а значна кількість поверхнево-активних речовин (ПАР) сприяє зменшенню розмі- рів поверхонь ковзання, збільшенню густини дислокацій, зміні дислокаційної структури і розмірів бло- ків. При терті в середовищі, яке містить ПАР збільшується спотворення другого роду, що веде за собою зміцнення поверхневих шарів і, відповідно, до збільшення зносостійкості. Крім того, при терті в середо- вищі з ПАР, зона максимального спотворення структури виводиться на поверхню і поверхневі шари змі- цнюються в більшій мірі аніж в середовищі без наявності ПАР. Саме ці причини і зумовили підвищення зносостійкості азотованих зразків залежно від марки сталі і режимів азотування у модельному розчині в 6 ... 10 разів (по масі). Перевірка ножів кутера, виготовлених із сталі 40Х13 в стані поставки і після азотування, в умо- вах експлуатації на Хмельницькому м’ясокомбінаті показали такі результати: при переробці сировини для виготовлення ліверних ковбас зміцненими азотуванням ножами перероблено 40 т продукції, а довго- вічність їх роботи становила 80 год, а для незміцнених ножів – 10 т і 20 год. Тобто об'єм переробленої сировини та довговічність експлуатації зросли в 4 рази. Зміцнення ножів кутера при переробці сировини для виготовлення варених і копчених ковбас дозволило підвищити об'єм (масовий) переробленої сирови- ни з 10 … 12 т до 100 т, а довговічність роботи ножів з 8 ... 9 год до 80 год. Висновки Досліджено вплив режимів азотування в тліючому розряді на структуру і фазовий склад покрит- тя, його мікротвердість, товщину нітридної і дифузійної зон залежно від вмісту вуглецю основи і ступеня її легування. Знайдено оптимальні режими азотування в тліючому розряді для підвищення зносостійкості рі- зального комплекту м'ясоподрібнювальних машин – вовчків і кутерів. Проведені дослідження зносостійкості зміцнених азотуванням в тліючому розряді сталей в ре- жимах сухого тертя, в модельному середовищі роботи м'ясоподрібнювальних машин і в умовах їх екс- плуатації на Хмельницькому м’ясокомбінаті показали, що об’єм переробленої сировини і час роботи но- жів між перезаточками леза збільшується в 4…10 разів залежно від виду сировини. Література 1 Стечишин М. С. Підвищення зносостійкості ріжучого леза ножів / М. С. Стечишин, М. В. Лук’янюк // Проблеми трибології. – 2005. – № 3, 4. – С. 121-123. 2 Лук’янюк М. В. Шляхи інтенсифікації процесу подрібнення сировини м’ясопереробними ма- шинами типу “вовчок” / М. В. Лук’янюк // Вісник ХНУ. – 2008. – № 2. – С. 190-193. 3 Пастух И. М. Теория и практика безводородного азотирования в тлеющем разряде / И. М. Пастух. – Х. : ННЦ ХФТИ, 2006. – 364 с. 4 Прейс Г. А. Повышение износостойкости оборудования пищевой промышленности / Г. А. Прейс, Н. А. Сологуб, А. И. Некоз. – М. : Машиностроение, 1979. – 208 с. 5 Лахтин Ю. М. Структура и прочность азотированных сплавов / Ю. М. Лахтин, Я. Д. Коган. – М. : Металлургия, 1982. – 176 с. 6 Стечишин М. С. Довговічність деталей обладнання харчової промисловості при корозійно- механічному зношуванні : автореф. дис. на здобуття наук. ступеня д-ра техн. наук : 05.02.04 / М. С. Стечишин ; Технологічний ун-т Поділля. – Хмельницький, 1998. – 32 с. Поступила в редакцію 14.04.2017 Технологія азотування в тліючому розряді сталей різального комплекту м’ясоподрібнювальних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2017, № 2 55 Stechyshyn M.S., Oleksandrenko V.P., Lukianiuk M.V., Liukhovets V. V., Lukianiuk M.M. Technology of ni- triding in a glow discharge of steels for cutting set of shredding meat machines. The influence of nitriding in a glow discharge modes on phase and structural composition of nitrided layer, the thickness of its compound and diffusion zones and distribution of microhardness in nitrided layer were investigated. Con- ducted laboratory and production tests showed the increase of cutting set of shredding meat machines’ durability in 4 - 10 times. Key words: durability, nitriding in a glow discharge, knives of cutters and choppers, nitride and diffusion zones. References 1 Stechyshyn M. S. Pidvyshchennya znosostiykosti rizhuchoho leza nozhiv / M. S. Stechyshyn, M. V. Lukianiuk. Problemy trybolohiyi. 2005. № 3, 4. S 121–123. 2 Lukianiuk M. V. Shlyakhy intensyfikatsiyi protsesu podribnennya syrovyny m’yasopererobnymy mashynamy typu “vovchok”. M. V. Lukianiuk. Visnyk KHNU. 2008. № 2. S. 190–193. 3 Pastukh I. M. Teoryya y praktyka bezvodorodnoho azotyrovanyya v tleyushchem razryade. I. M. Pastukh. Kh. NNTS KHFTY, 2006. 364 s. 4 Preys H. A. Povyshenye yznosostoykosty oborudovanyya pyshchevoy promyshlennosty. H. A. Preys, N. A. Solohub, A. Y. Nekoz. M. Mashynostroenye, 1979. 208 s. 5 Lakhtyn Yu. M. Struktura y prochnost azotyrovannykh splavov. Yu. M. Lakhtyn, Ya. D. Kohan, M. Metallurhyya, 1982. 176 s. 6 Stechyshyn M. S. Dovhovichnist detaley obladnannya kharchovoyi promyslovosti pry koroziyno- mekhanichnomu znoshuvanni : avtoref. dys. na zdobuttya nauk. stupenya d-ra tekhn. nauk : 05.02.04.