6.3.5 Вибір матеріалу деталі

Конфігурація, розміри, вибір матеріалу деталей у вузлі визначаються умовами їх роботи в нім, для них повинні забезпечуватися вимоги міцності, жорсткості, довговічності і т. д.

Оптимальним був би матеріал, що відповідає всім вимогам, що висуваються умовами роботи деталі в машині (міцність, жорсткість, витривалість, зносостійкість, корозійна стійкість), але доводиться зупинятися на комплексі вимог до механічних і технологічних властивостей матеріалу з урахуванням його вартості і здатності відповідати тільки основною, визначаючою частки всього переліку вимог.

Навантаження, що сприймаються деталями, можуть бути постійними і змінними. Змінні навантаження, у свою чергу, можуть бути періодичної і постійної дії і ударними. Вид напруги, що виникає при роботі, визначає вибір матеріалу. Так, при виборі чавуну враховується, що він добре працює на стискування і погано на вигин і т. д.

При виборі матеріалу для деталі необхідно враховувати його властивості, умови роботи деталі, вартість і доступність матеріалу, вигляд і характер напруги, щільність, теплоємність, теплопровідність, жаростійкість, антикорозійну стійкість, лінійне розширення, електропровідність, магнітну проникність, прозорість і т. д.

Конструкторські і технологічні передумови застосування матеріалу тієї або іншої марки винні, окрім перерахованого вище, враховувати його хімічну стійкість, зварюваність, оброблюваність, термічні особливості, пластичність при куванні і т. д. Правильно вибраний матеріал не повинен невиправдано ускладнювати процес виготовлення деталі і її сумарну вартість, тобто вартість деталі має бути мінімальною при якнайкращому задоволенні вимог, що пред'являються роботою механізму. Наприклад, зварний кронштейн середніх розмірів можна виготовити як з листів стали Ст3, так і із сталі 45, яка володіє кращими механічними властивостями, але через те, що вона дорожче і отримання якісної зварної деталі з неї складніше (концентрація напруги, гірша зварюваність), перевагу потрібно віддати сталі Ст3.

Як характеристика матеріалів в більшості випадків приймається межа міцності при розтягуванні σ_в. Допустиму напругу для крихких матеріалів призначають виходячи саме з межі міцності. Для пластичних же матеріалів σ_в дає тільки загальну характеристку. Визначають для них є критерії оцінки по межі текучості σ_т. Відносне подовження б і відносне звуження σ_р також служать заходами пластичності.

Межа витривалості є основною динамічною характеристикою металу і служить критерієм міцності при динамічних знакозмінних, навантаженнях. Твердість матеріалу характеризує його здатність чинити опір контактним, навантаженням, що діють нормально до поверхні деталі.

Основною вимогою для правильного вибору матеріалу є відповідність його властивостей нормальним умовам роботи деталі впродовж певного встановленого часу експлуатації.

При виборі матеріалу, при різних вимогах до різних поверхонь однієї деталі, необхідно враховувати весь комплекс відомих шляхів дії на конкретну поверхню, з тим щоб при гіршому матеріалі отримати добрий результат. Питання про вибір матеріалу повинне вирішуватися спільно з рішенням питання про призначення механічного зміцнення, хімічної або термічної обробки. Наприклад, для зубчастих тихохідних передач застосування легованих сталей недоцільно, і перевагу слід віддати конструкційній сталі з поверхневим гартом зубів.

Матеріал слід вибирати з номенклатури марок матеріалів, вживаних на підприємстві, навіть йдучи інколи на деяке незначне дорожчання, ускладнення технологічного процесу.

До металів і сплавів, що мають контакт з харчовими продуктами, пред'являються особливі вимоги, пов'язані з процесами корозії металів. Корозійна стійкість залежить від ряду чинників. Метали і сплави, стійкі в одних середовищах, можуть бути абсолютно нестійкими в інших. В одних і тих же корозійних умовах (середовище, концентрація, температура) швидкість корозії може бути різною в залежності, наприклад, від стану поверхні металу. У ряді випадків у зв'язку з трудністю одночасного виконання перерахованих вимог на деталі наносять захищаючі покриття.

Перебування деталей в корозійно-активному харчовому середовищі при дії змінних напруг веде до появи корозійно-стійких пошкоджень. Деталі деяких машин і апаратів, де проводиться теплова обробка харчових продуктів, працюють в умовах підвищених температур. Ці умови викликають зміну механічних властивостей матеріалу. У легованих і вуглецевих сталей із зростанням температури спостерігається різке падіння межі витривалості при температурах біля 400° С. У жароміцних сталей спад межі витривалості починається при температурі 600-700° С. Нагрів деталей супроводжується зміною межі міцності і межі текучості. У деталей, виготовлених із сталей і чавунів, що працюють при статичних навантаженнях і температурі зверху 300° С, виникає явище повзучості. У деяких металів (алюміній, дюралюміній) і полімерних матеріалів це спостерігається навіть при температурі 20° С.

Для виготовлення технологічного обладнання, а також тари для зберігання і перевезення харчових продуктів застосовуються сталь, чавун, алюміній і його сплави, мідь і її сплави, неіржавіючі і кислотостійкі стали. В той же час слід надавати особливу увагу проблемам заміни сталей з високим вмістом нікелю сталями з пониженим вмістом нікелю або безнікелевими. На нестійкі, але дешеві матеріали наносять захисні покриття (олово, емаль). Деякі деталі можна виготовляти з пластмас.

Сталь і чавун володіють значною механічною стійкістю, великою теплопровідністю, малою теплоємністю, дешеві, доступні. В харчовому машинобудуванні широко використовують вуглецеві сталі.

Відкриті апарати, що працюють при атмосферному тиску, виготовляють із сталі Ст0; апарати, що підлягають різкім коливанням температури, а також деталі, що піддаються дії топковихх газів, - із сталі Ст2; апарати, що працюють під тиском вище атмосферного, - із сталі СтЗ; вали мішалок, барабани центрифуг - із сталі Ст4; пропелерні мішалки (литі) - із сталі 20Л і т.п. Для виготовлення колінчастих валів компресорів і центрифуг і інших деталей, що працюють в середовищах .малої хімічної активності, застосовують якісну вуглецеву сталь, що володіє підвищеною міцністю. Для виготовлення ріжучих робочих органів (пив і ножів) використовують спеціальні сталі: У7А-У10А; ШХ15; 4X13.

Чавун в порівнянні із сталлю володіє більшою хімічною стійкістю і високими ливарними якостями. З чавуну виконують деталі фасонів машин і апаратів (нагнітальні диски насосів, шнеки, рами фільтр-пресів, труби і їх з'єднання). Недоліками чавуну є крихкість і мала в порівнянні із сталлю міцність. Чавун слабо протистоїть дії високих температур. Його не можна застосовувати для виготовлення апаратури, що працює під тиском більше 0,6 МПа, а також для виготовлення автоклавів, що обігріваються топковими газами. Для виготовлення топок, частин барабанних сушарок і інших деталей, що працюють при високих температурах, використовуються хромові чавуни.

Вуглецева сталь і чавун через низьку корозійну стійкість не застосовуються без захисного покриття для виготовлення деталей і вузлів машин, дотичних з агресивними харчовими речовинами. Як захисне покриття найбільше поширення набули олово (лудіння) і емаль (емалювання). Зокрема, луджена листова сталь - біла жерсть - виготовляється шляхом двостороннього покриття листової сталі шаром олова вищого сорту - так званого харчового олова марки 0-1. Біла жерсть застосовується головним чином для виготовлення консервної тари під молочні продукти.

Сталі, що володіють стійкістю проти атмосферної корозії, називаються неіржавіючими, а сталі, що володіють високою опірністю корозії в умовах дії різних агресивних харчових продуктів, - кислотостійкими. Всі вони в основному є сплавами систем залізо- хром, залізо-хром-нікель і сплавами цих же систем, додатково легованими іншими елементами, що вводяться для підвищення корозійної стійкості і поліпшення технологічних, механічних і фізичних властивостей. Такими елементами можуть бути титан, ніобий, молібден, вольфрам, мідь і ін. Наприклад, сталь 1Х18Н9Т містить від 0,1% вуглецю, 18% хрому, 0% нікелю, титан; сталь Х18Н12МЗТ містить 18% хрому, 12% нікелю, 3% молібдена і титан.

Сплави заліза з хромом є основою всіх неіржавіючих і кислотостійких сталей. Ці сталі володіють високою міцністю і поєднанні з в'язкістю, добре обробляються різанням і тиском. Здатність до зварювання сталі із змістом вуглецю до 0,2% задовільна. Проте при ударах по зварному з'єднанню в ньому можуть утворюватися тріщини і надриви - дефекти, які неможливо виправити.

Сплави заліза з хромом і нікелем володіють високими пластичними властивостями в холодному і гарячому стані, гарною здатністю до зварювання всіма видами зварки і високими механічними властивостями. Завдяки введенню нікелю розширяється область вживання цієї сталі як кислотостійкої, оскільки нікель сприяє утворенню однофазної аустенітної структури. Обладнання із сталі Х18Н10Т застосовують у виробництві крохмалю, харчових кислот, харчового пектину і ін.

Вельми перспективним в агресивних харчових середовищах є вживання титана і його сплавів ВТ1-0, ВТ5-1, ОТ4 і ін., що володіють комплексом важливих механічних і фізико-хімічних властивостей. Густина титанових сплавів приблизно рівна 4500 кг/м³, модуль нормальної пружності 12х104МПа, межа міцності 1050 МПа. Антикорозійна стійкість титана у ряді харчових середовищ в декілька стільників раз вище, ніж стійкість таких високолегованих сталей, як Х18Н10Т і Х21Н5Т.

З титана і його сплавів виготовляють насоси, запірну арматуру, трубопроводи, ротори центрифуг і сепараторів, збірники і чани у виробництві патоки, глюкози, кукурудзяного і картопляного крохмалю. Для захисту металевих і залізобетонних поверхонь від дії агресивних харчових речовин може бути використано антикорозійне захисне покриття на основі титанових порошків.

Фільтр-елементи з титанового порошку можуть бути використані для фільтрації різних агресивних рідких продуктів. Переваги титанової металокераміки в даному випадку полягають в її високій корозійній стійкості, міцності, нешкідливості, легкості, регульованої пористості (до 2-3 мкм) і регенеруємості простою протитечією.

Алюміній відрізняється малою питомою масою, високою теплопровідністю, хорошою оброблюваною тиском у холодному і гарячому станах, порівняно низькими механічними і ливарними властивостями. При мінімальному вмісті домішок в його складі і при гладкій полірованій поверхні корозійна стійкість алюмінію висока. Відпалений алюміній менше піддається корозії, ніж прокатаний.

Продукти корозії алюмінію не токсичні, тому він знаходить вживання в м'ясомолочній і харчовій промисловостях. З нього виготовляють судини, варильні казани, фляги, інвентар, фольгу і навіть консервні банки.

Алюмінієві сплави діляться на дві основні групи: сплави, оброблювані тиском, і ливарні сплави для відливань фасонних відливок. Найбільше поширення в промисловості для обробки тиском набув дюралюміній (сплав алюмінію з міддю, магнієм і марганцем) завдяки малій питомій масі і високим механічним і технологічним властивостям. Проте корозійна стійкість дюралюмінію низька. В харчовому машинобудуванні дюралюміній знаходить обмежене вживання через вміст в ньому міді.

Для виготовлення деталей молокооброблюючих машин (апаратів) дозволяється застосовувати дюралюміній марок Д-1 і Д-1Т. Для тарілок сепараторів дозволяється застосовувати листи з дюралюмінію Д-16А.

Гарними властивостями володіють алюмінієво-марганцевий сплав АМц і алюмінієво-магнієві сплави АМг і АМг-3. Вони мають хорошу пластичність, середню міцність, добре зварюються і головне (на відміну від дюралюмінію) володіють високою корозійною стійкістю і не вимагають для зміцнення термічної обробки.

В харчовому машинобудуванні для виготовлення литих деталей застосовують силумін - сплав алюмінію з кремнієм. Силумін володіє малою питомою масою, гарними ливарними властивостями і гарною корозійною стійкістю.

Мідь має високу теплопровідність, добре обробляється тиском в гарячому і холодному стані і володіє високою корозійною стійкістю при контакті з рядом харчових продуктів. Проте вона абсолютно непридатна при виготовленні устаткування для зберігання молока і молочних продуктів. Мідь негативно впливає на вітамін С, який швидко самоокислюється навіть при незначній кількості міді.

Завдяки високій корозійній стійкості при контакті з багатьма харчовими продуктами, гарним технологічним властивостям і високій теплопровідності мідь і луджена мідь у вигляді листів, труб і стрічок знайшли широке вживання в харчовому машинобудуванні для виготовлення варильних казанів, випарників, перегінних кубів, змійовиків і т.п.

Застосовуються також і сплави міді з оловом (олов'яна бронза), з алюмінієм (алюмінієва бронза), з кремнієм (крем'яниста бронза). Вони є найпоширенішими сплавами для виготовлення литих деталей харчових машин.

Пластмаси застосовуються як конструкційні матеріали для виготовлення різних деталей і вузлів устаткування харчових виробництв, а також у вигляді антикорозійних і антифрикційних покриттів, плівок, пакувальної тари і т.д.

Особливо ефективне вживання пластмас в машинах і апаратах, що працюють з хімічно агресивними продуктами і речовинами. Їх висока хімічна стійкість забезпечує надійність і довговічність роботи технологічного обладнання. Необхідно, проте, щоб пластмаси не містили шкідливих для здоров'я людини домішок, що змінюють смак або запах харчових продуктів, не розчинялися в продуктах і не вступали з ними в реакцію. Вживання пластмас можливе тільки з дозволу органів Державного санітарного нагляду.