CC BY
63
АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
УДК 621.785.5
ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
В.И. Пындак1, доктор технических наук, профессор 1 2
А.Е. Новиков ' , кандидат технических наук, докторант С.Д. Фомин1, кандидат технических наук, доцент В.В. Калиниченко1, магистрант
1 Волгоградский государственный аграрный университет
Волгоградский государственный технический университет
Предложено рабочие органы для поверхностной обработки почвы изготавливать из низкоуглеродистой стали типа 20, 20Х и т.п., которая обладает высокой ударной вязкостью, хорошо штампуется, сваривается и затачивается. После формирования геометрии рабочего органа и заточки лезвия деталь подвергается цементации и последующему лазерному упрочнению. Почвообрабатывающие рабочие органы характеризуются интенсивным износом, для них приемлемыми будут стали с высокой твёрдостью на поверхности и на глубине И = 0,3-0,8 мм. Установлено, что при отсутствии предварительной термообработки и глубине цементации образцов И = 0,5 мм высокая микротвёрдость Нц = 7000-9070 МПа фиксируется на глубине до 0,25 мм, после чего твёрдость «проваливается». На образцах после термоциклической цементации на глубину И = 0,8 мм и предварительной закалки изменение микротвёрдости характеризуется относительной стабильностью, а на глубине И > 0,25 мм превосходит образцы без предварительной термообработки.
Ключевые слова: рабочий орган, низкоуглеродистая сталь, цементация, термообработка, лазерная обработка, износостойкость, трение.
Проблемам повышения износостойкости и эксплуатационных показателей почвообрабатывающих рабочих органов посвящено множество разработок и исследований. Но срок службы, энергоёмкость и ряд других показателей современных рабочих органов не дают оснований считать их оптимальными.
Одним из направлений в решении этой научно-технической проблемы является лазерное упрочнение. Установлено, например [3, 4], что после лазерной обработки образцов из высокоуглеродистых сталей типа 70 и 65Г их износ снижается в 8,0-9,5 раза (по сравнению с образцами после нормализации) и в 3,5 раза (по сравнению с образцами после закалки на твёрдость ИКС 60); микротвёрдость Н^ образцов после лазерного упрочнения достигала 11 000 МПа (!).
Доказано [2], что эффективность лазерной обработки не зависит от наличия или отсутствия предварительной термообработки. Это означает, что лазерное упрочнение можно реализовать на «сырых деталях» - без их традиционной термообработки - закалки, нормализации и т.п. Благодаря этому, снижается трудоёмкость и энергоёмкость изготовления детали.
В нашей разработке [5, 6] предложено рабочие органы для поверхностной обработки почвы, в частности, лапы культиваторов, изготавливать из низкоуглеродистой стали типа 20, 20Х и т.п., которая, как известно, обладает высокой ударной вязкостью, хорошо штампуется, сваривается и затачивается. После формирования геометрии лапы и заточки рабочего лезвия такая деталь подвергается цементации - для науглероживания поверхностного слоя. Это необходимо для последующего лазерного упрочнения, поскольку эффективность лазерной обработки проявляется лишь по отношению к высокоуглеродистым сталям и чугунам. С другой стороны, цементация - это также упрочнение и повышение износостойкости рабочего органа, а последующая лазерная обработка усиливает этот эффект.
Модернизированная лапа культиватора со своим рабочим лезвием имеет износостойкую накладку с дополнительным лезвием (рис. 1). Лапа и накладка изготавливаются из стали 20 и свариваются между собой, при этом выдвинутая за пределы лапы накладка несёт функции долота. Цементация и последующая лазерная обработка производятся по всему лезвию лапы, по лезвию и доступным поверхностям долота.
аГ^ГА^
А-А
Рисунок 1 - Лапа культиватора
Наряду с повышением износостойкости, цементация и главным образом лазерное упрочнение способствуют снижению коэффициента трения рабочих поверхностей лапы и долота относительно почвы. По данным [1], отмечено снижение до 30 % (!) коэффициента трения лазерно-упрочнённых поверхностей при ударно-гидроабразивном износе. Соответствующие показатели при взаимодействии упрочнённых рабочих органов с почвой предстоит определить и оптимизировать, но снижение сил трения после лазера фиксируется и некоторыми другими авторами.
Лабораторные исследования проводили на образцах из стали 20. На первом этапе были образцы после цементации, но без лазерной обработки (табл. 1). Образцы под номерами 1, 3 и 4 (первая группа) имели глубину цементации h = 0,5 мм и концентрацию углерода C = 0,8 %; в образцах 2, 5 и 6 (вторая группа) h = 0,8 мм; C = 1,0 %. Из таблицы следует, что наибольшую твёрдость имеют образцы: после термоциклической цементации с последующим охлаждением с печью плюс закалка при 800 °С (HRA 88); то же, но закалка при 760 °С (HRC 52). Эти сопоставимые данные получены на второй группе об-
разцов. Таблица показывает также, что незначительное снижение температуры закалки (с 800 до 760 °С) приводит к повышению твёрдости на поверхности образцов.
Таблица 1 - Результаты испытаний твердости образцов из стали 20
Номера образцов Режимы цементации и термообработки Твёрдость, единицы
1 Цементация без закалки ИВ 120
2 Термоциклическая цементация без закалки ИВ 160
3 Цементация + закалка при 800 °С, без отпуска ИЯС 45
4 Цементация + закалка при 760 °С, без отпуска ИЯС 48
5 Термоциклическая цементация, охлаждение с печью + закалка при 800 °С ИКА 88
6 Термоциклическая цементация, охлаждение с печью + закалка при 760 °С ИЯС 52
В дальнейшем объектами исследований были образцы первой (№ 1) и второй (№ 6) групп при скорости лазерной обработки V, а также при наличии или отсутствии оплавления упрочнённой зоны:
а) V = 31 мм/с, начало оплавления; б) V = 23,7 мм/с, начало оплавления;
в) V = 45 мм/с, без оплавления; г) V = 25,7 мм/с, без оплавления.
Выявлены следующие особенности:
1) при снижении скорости V микротвёрдость Н^ и твёрдость ИКС повышаются;
2) максимум Н^ = 9070 МПа (ИКС 64) фиксируется на образцах № 1 при минимальной скорости V (режимы б и г) - при ИВ 120;
3) это подтверждает независимость эффекта лазерного упрочнения от наличия или отсутствия предварительной термообработки;
4) при отсутствии предварительной термообработки твёрдость Н^ и ИКС на поверхности после лазера (образец № 1) была даже выше, чем после предварительной закалки (образец № 6);
5) однако, по мере увеличения глубины цементации в образцах № 6 (И > 0,3 мм) твёрдость превышает показатели образцов № 1.
0,2 0,3 ОА 0,5 Гчцбина цементации /г мм
Рисунок 2 - Микротвёрдость образцов в режиме б Эти противоречивые данные наглядно подтверждают рисунок 2 (на примере наиболее эффективного режима б). На образце № 1 (при отсутствии предварительной термообработки и И = 0,5 мм) высокая микротвёрдость Н^ = 7000-9070 МПа фиксируется лишь на глубине И до 0,25 мм, после чего твёрдость «проваливается». На образце
№ 6 (после термоциклической цементации, наличии предварительной закалки и h = 0,8 мм) микротвёрдость сначала уступает образцу № 1, а на глубине h > 0,25 мм превосходит её, при этом изменение H^ характеризуется относительной стабильностью. Получены и другие экспериментальные данные, свидетельствующие об этом же.
Это позволяет сделать заключение, что отмеченная особенность о независимости лазерной обработки от предварительной термообработки справедлива только для поверхностного упрочнённого слоя и не распространяется, по крайней мере, на образцы из низкоуглеродистой стали, подвергнутые цементации. Почвообрабатывающие рабочие органы характеризуются интенсивным износом, для них более приемлемыми будут стали с высокой твёрдостью не только на поверхности, но и на глубине h > 0,3 мм (вплоть до 0,8 мм).
По результатам стендовых испытаний на образцах в абразивной среде подтверждена высокая износостойкость высокоуглеродистых (C до 0,7 %) и низкоуглеродистых (C ~ 0,2 %), но подвергнутых цементации (С = 0,8-1,0 %), сталей с лазерной обработкой. Повышению эксплуатационных показателей почвообрабатывающих рабочих органов будет способствовать и формирование высоких триботехнических свойств деталей и, в частности, их рабочих лезвий. Известный специалист по машиноведению Е.И. Тескер считает [7], что износостойкая наплавка рабочих поверхностей хорошо сочетается с последующим лазерным упрочнением (это, отнюдь, наплавка не сормайтом). Подобные технологии имеют перспективу и по отношению к почвообрабатывающим рабочим органам.
Библиографический список
1. Асеева, Е.Н. Формирование высоких триботехнических свойств деталей лазерной обработкой [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Е.Н. Асеева. - Волгоград, 2000. - 20 с.
2. Асеев, Н.В. Влияние предварительной термической обработки стали 70 на эффективность лазерного упрочнения [Текст] /Н.В. Асеев, Б.И. Журавлев, В.И. Пындак // Металловедение и прочность материалов: сб. науч. тр. - Волгоград, 1986. - С. 94-99.
3. Борисенко, И.Б. Совершенствование ресурсосберегающих и почвозащитных технологий и технических средств обработки почвы в острозасушливых условиях Нижнего Поволжья [Текст] : автореф. дис. ... д-ра техн. наук / И.Б. Борисенко. - Чебоксары, 2006. - 43 с.
4. Пындак, В.И. Повышение износостойкости деталей машин лазерным упрочнением [Текст] / В.И. Пындак // Техника в сельском хозяйстве. - 1995. - № 1. - С. 32.
5. Пындак, В.И. Высокоэффективное поверхностное упрочнение деталей из низкоуглеродистых сталей [Текст] / В.И. Пындак, Л.В. Чернов, В.А. Емельянов // Проблемы АПК: материалы Междунар. научно-практ. конф. - Волгоград, 2003. - С. 85-87.
6. Режущий рабочий орган для обработки почвы [Текст] : патент № 2206190 РФ / В.И. Пындак, Л.В. Чернов, В.А. Емельянов [и др.]. - Опубл. 2003.
7. Тескер, Е.И. Применение новых импортозаменяющих лазерных технологий и наноконструктуированных покрытий [Текст] / Е.И. Тескер // Стрежень: Научный ежегодник. - Вып. 10. - Волгоград: Издатель, 2012. - С. 93-100.
E-mail: fsd_58@mail.ru
