CC BY
14
Научная статья
УДК 631.31
doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-126-131
Исследование покрытий рабочих органов глубокорыхлителей, восстановленных плазменной наплавкой
Павел Григорьевич Учкин12
1 Оренбургский государственный аграрный университет
2 Государственный аграрный университет Северного Зауралья
Аннотация. Использование инновационных технологий восстановления даёт возможность увеличить ресурс рабочих органов глубокорыхлителей. Одним из таких способов является плазменная наплавка. Её применение при ремонте рабочих органов почвообрабатывающих машин и, в частности, глубокорыхлителей, находит всё большее распространение, однако для получения качественных поверхностей необходимо изучить процесс формирования слоя и установить оптимальные режимы нанесений покрытий, а также наиболее рациональные материалы. Для выявления наилучших показателей процесса наплавки были проведены лабораторные исследования образцов, наплавленных плазменным способом, и производственные испытания долот глубокорыхлителей, восстановленных на установленных режимах. В результате проведения опытов были определены оптимальные параметры плазменной наплавки при ремонте рабочих органов глубокорыхлителей: рабочее напряжение - 35В, скорость наплавки - 4,5 м/ч, содержание порошков в смеси (карбид вольфрама + ПГ-С27) - 50 на 50 % по объёму. При этих режимах формируется слой с твёрдостью около 70 HRC и износостойкостью, превышающей износостойкость поверхности нового рабочего органа до 5 раз.
Ключевые слова: плазменная наплавка, твёрдость, износостойкость, долото, режимы наплавки.
Для цитирования: Учкин П.Г. Исследование покрытий рабочих органов глубокорыхлителей, восстановленных плазменной наплавкой // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 126 - 131. doi: 10.37670/2073-0853-2021-89-3-126-131.
Original аrticle
Investigation of coatings of working bodies of subsoilers, restored by plasma surfacing
Pavel G. Uchkin1,2
1 Orenburg State Agrarian University
2 Northern Trans-Ural State Agricultural University
Abstract. The use of innovative restoration technologies makes it possible to increase the resource of the deep-rippers' working bodies. One of such methods is plasma surfacing, which is now widely applied in the above working bodies repairing. However, to obtain high-quality surfaces, it is necessary to study the process of layer formation and establish optimal modes of the coats application as well as the most efficient materials. To find out the best performance of the surfacing process, the laboratory studies of samples, having been coated by means of the plasma method, and production tests of the deep-ripper chisels, restored in specified modes, have been carried out. As a result of experiments conducted, the most expedient parameters of plasma surfacing of the deep-ripper chisels, i.e.: working voltage - 35 V, deposition rate - 4.5 m/h, the content of powders in the mixture (tungsten carbide + PG-S27) - 50 to 50 % by volume, have been determined. Using these modes, the surface layer with a hardness of about 70 HRC and wear resistance, exceeding that of a new working body up to 5 times, can be obtained. The conducted studies allow us to recommend this method of restoration of the working bodies of deep-rippers for use by enterprises engaged in the repair of tillage equipment.
Keywords: plasma surfacing, hardness, wear resistance, chisel, surfacing modes
For citation: Uchkin P.G. Investigation of coatings of working bodies of subsoilers, restored by plasma surfacing. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89(3): 126 - 131. (In Russ.). doi: 10.37670/20730853-2021-89-3-126-131.
Как известно, на рабочие органы почвообрабатывающих машин и, в частности, глубокорыхлителей в процессе работы постоянно воздействуют абразивные частицы, вследствие чего происходит их изнашивание с образованием отклонений от номинальных размеров и правильной геометрической формы. Это можно исправить в процессе восстановления деталей при помощи различных способов и технологий.
Одним из развивающихся способов восстановления является плазменная наплавка порошковых материалов. Данный вид восстановления
имеет множество преимуществ, основными из которых являются небольшая глубина проплав-ления тела ремонтируемой детали и отсутствие перемешивания наплавленного металла и материала долота глубокорыхлителя.
Ещё одной отличительной чертой этого способа восстановления является возможность наплавки тугоплавких композиционных материалов, обладающих высокой твёрдостью и износостойкостью. В последнее время широкое применение находят порошки, состоящие из компонента матрицы (порошок на железной
основе) и карбида вольфрама в качестве упрочняющей фазы.
Материал и методы. Ранее были проведены лабораторные исследования, при которых качественными показателями были твёрдость и износостойкость восстановленной поверхности, а также определялись химический состав и микроструктура нанесённого слоя [1 - 4].
Наплавка порошкового материала проводилась на установке для плазменной наплавки, собранной в Оренбургском ГАУ (рис. 1) на образцы размером 110*40 мм (рис. 2), изготовленные из стали марки 65Г (используемая при изготовлении долот глубокорыхлителей) [5].
Рис. 1 - Установка для плазменной наплавки:
1 - пульт управления; 2 - порошковый питатель; 3 - плазмотрон; 4 - токарно-винторезный станок
В результате анализа физико-математической модели плазменной наплавки порошков с содержанием карбида вольфрама [6] было выявлено, что в данном процессе параметрами, наиболее влияющими на качество наплавленного слоя, определяемого твёрдостью покрытия, являются: состав наплавляемого порошка (в нашем случае процентное содержание карбида вольфрама), рабочее напряжение между соплом плазмотрона и деталью, скорость наплавки.
Опыты проводились при различных параметрах в соответствии с условиями трёхфакторного
моделирования экспериментов. Было наплавлено 175 образцов при всех комбинациях режимных параметров.
Материалом для наплавки являлась композиция из двух порошков: ПГ-С27 «Сормайт» и ВК-8 (92 % WC + 8 % Со). Оптимальное соотношение объёмов этих порошков в смеси необходимо было установить в процессе опытов. Известно, что содержание карбидной фазы должно находиться в пределах от 30 до 60 % по объёму. Это связано с тем, что количество карбида будет влиять на процесс изнашивания нанесённого слоя. При его содержании менее 30 % быстрее будет изнашиваться основание слоя - «Сормайт» и карбид будет просто выкрашиваться. При его количестве более 60 % будет наблюдаться излишнее количество зёрен и карбид будет плохо сцепляться с матрицей - ПГ-С27. Поэтому в экспериментальных исследованиях бралось количество карбида вольфрама от 30 до 60 % с шагом в 5 % [7].
Рабочее напряжение изменялось от 25 до 45 В, так как при этих значениях величина силы тока регулируется довольно широко - от 140 до 260 А при одном и том же сопротивлении.
В проведённых нами исследованиях было выявлено, что сила тока при плазменной наплавке зависит от наносимого материала и определяется по следующему выражению [6]:
1,16^нрмет^пл
I =
Uk
(1)
пор
где ¥н - скорость наплавки, м/ч;
рмет - плотность основного металла, г/см3; кпл - удельная энтальпия основного материала детали, Дж/г;
и - рабочее напряжение дуги, В; ^пор - коэффициент, учитывающий состав наплавочного порошка, находящийся из зависимости
,2
knop = 7,57 Р , Рм
(2)
где р - плотность наплавочного порошка, г/см3; рм - плотность наплавленного металла, г/см3.
Рис. 2 - Образцы, наплавленные плазменной наплавкой при различных режимах
Для того чтобы установить оптимальное соотношение объёмов порошков и определить значения коэффициента £пор, было необходимо взвешивание [1] по следующей схеме: взвешивалось 10 см3 порошковой смеси; взвешивался образец до наплавки и после неё, при этом измерялись геометрические параметры шва с учётом глубины проплавления, равной ^роп = 0,5 мм. Затем по известной формуле находилась плотность материалов и значения ^ор.
Скорость процесса наплавки варьировалась в интервале от 3,5 до 5,5 м/ч, так как при этих значениях наплавочный порошок без лишних сопротивлений подаётся в зону наплавки.
Химический анализ был сделан оптическим эмиссионным анализатором металлов и сплавов PMI-MASTERUVR в режиме «Искра» [1].
Микроструктура полученного шва проверялась на инвертированном металлографическом микроскопе Микромед МЕТ на подготовленных микрошлифах (рис. 3).
Следующим шагом было проведение химического анализа нанесённого покрытия и построение зависимости содержания примесей от силы тока при наплавке (рис. 6), которая показала, что чем выше сила тока, тем меньше содержание примесей (кислород, азот и др.). Это связано с тем, что при увеличении силы тока происходит
Рис. 3 - Подготовленные микрошлифы,
наплавленные плазменным способом порошками с разным содержанием карбида вольфрама, запрессованные в эпоксидную смолу
После наплавки были проведены замеры твёрдости прибором ТЕМП-2 [1] согласно ГОСТу 22975-78.
После лабораторных исследований, для их проверки, были проведены эксплуатационные испытания долот глубокорыхлителя Gaspardo Аг^По, восстановленных плазменной наплавкой при выявленных оптимальных режимах (рис. 4).
Результаты исследования. После проведения наплавки полученные образцы (рис. 2) исследовали по различным параметрам. В первую очередь определяли значения коэффициента ^ор, учитывающего состав наплавочного порошка, и построили график зависимости его от содержания карбида вольфрама в смеси порошков (рис. 5)
Рис. 4 - Восстановленные долота
глубокорыхлителя ва8раМо Аг^Но
з
га
са га
И
> О ь = I т
ф га
-е-
14 12 10 8
11,7075
Рис
5 Я
6 и
<и (и
5 ^
I ^
га га
а 5
а « ^
о
и
30 35 40 45 50 55 60 Содержание карбида вольфрама в смеси порошков, %
5 - Зависимость коэффициента ^ор, учитывающего состав порошка, от содержания карбида вольфрама в смеси с порошком ПГ-С27 «Сормайт»
2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
160
170
180
190
200
210
Рис.
Сила тока, А
6 - Зависимость содержания примесей в нанесённом покрытии от силы тока
6
4
2
0
большее выгорание примесей из-за большего выделяемого тепла при наплавке. Оптимальным значением содержания примесей считается их содержание меньше 1 %, и соответствует оно значению силе тока, равной примерно 190 - 200 А, при которых напряжение равно 35 В.
Далее исследовалась микроструктура полученного покрытия (рис. 7). В ранее проведённых исследованиях [8] было выявлено, что наилучшей структурой при ударно-абразивном трении является ледебуритная структура дендритно-ячеистого типа. Именно с этим связан выбор в качестве матрицы смеси порошок ПГ-С27 с большим содержанием углерода (4 %), так как
именно он даёт такую структуру. В результате опытов установлено, что оптимальное количество карбида вольфрама в смеси будет равно 50 %, так как его содержание свыше этой величины приводит к перенасыщению, и в последующем слой при работе будет просто разрушаться - выкрашиваться, а не изнашиваться.
Затем были проведены замеры твёрдости наплавленного слоя и обработка экспериментальных данных на основании результатов экспериментов. Были построены поверхности отклика для определения оптимального режима наплавки при восстановлении долот глубокорыхлителей (рис. 8 - 10).
1 ГАО <К » L V шк! Л^ /V
^ 'Л
Г"!
Г
Д
Е
Рис. 7 - Микроструктура наплавленного слоя при разном содержании карбида вольфрама в смеси: А - 30 %; Б - 35 %; В - 40 %; Г - 45 % Д - 50 %; Е - 55 %
Рис. 8 - Зависимость твёрдости наплавленного
слоя от содержания карбида вольфрама в порошковой смеси и скорости наплавки
Рис. 9 - Зависимость твёрдости наплавленного слоя от напряжения дуги и скорости наплавки
Рис. 10 - Зависимость твёрдости наплавленного слоя от напряжения дуги и содержания карбида вольфрама в порошковой смеси
В ходе проведённого анализа поверхностей отклика были определены следующие оптимальные режимные параметры плазменной наплавки износостойких покрытий:
- скорость наплавки - 4,5 м/ч;
- содержание карбида вольфрама в порошковой смеси - 50 %;
- напряжение дуги - 35 В.
При этом твёрдость колебалась в интервале 52,7 - 73,2 HRC. Наибольшее значение твёрдости соответствовало оптимальным режимным параметрам.
В дальнейшем проводилась наплавка долот глубокорыхлителя Gaspardo Аг^По при выявленных оптимальных режимах:
долото № 1 - ¥н = 4,5 м/ч, Ж = 45 %, U = 45 В долото № 2 - ¥н = 4,5 м/ч, Ж = 50 %, U = 25 В долото № 3 - ¥н = 4,5 м/ч, Ж = 50 %, U = 30 В долото № 4 - ¥н = 4,5 м/ч, Ж = 50 %, U = 35 В долото № 5 - ¥н = 4,5 м/ч, Ж = 50 %, U = 40 В долото № 6 - ¥н = 4,5 м/ч, Ж = 50 %, U = 45 В, долото № 7 - новое, ставилось для сравнения. В процессе испытаний выяснилось, что восстановленные долота имеют ресурс, больший до 5 раз по сравнению с новым долотом (рис. 11). При этом наименьший износ наблюдался у долота № 4, наплавленного при оптимальных режимах (рис. 8)
Вывод. При восстановлении долот глубоко-рыхлителей плазменной наплавкой необходимо использовать оптимальные параметры процесса: ¥н = 4,5 м/ч, Ж = 50 %, U = 35В. При использовании этих режимов формируется слой с твёрдостью 73,2 HRC, оптимальным количеством примесей, меньше 1 %, и ледебуритной структурой дендритно-ячеистого типа, износостойкость которого в 5 раз выше износостойкости материала нового серийного долота.
5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0
1 2 3 4 5 6
7
Номер долота
♦ при наработке 10 га И при наработке 20 га А при наработке 30 га > при наработке 40 га Ж при наработке 50 га
Рис. 11 - Износ долот в процессе испытаний
Литература
1. Результаты лабораторных испытаний покрытий, нанесённых плазменной наплавкой / В.А. Шахов, П.Г. Уч-кин, И.Н. Глушков [и др.] // Известия международной академии аграрного образования. 2018. № 40. С. 30 - 33.
2. Шахов В.А., Учкин П.Г Влияние различных факторов на качество восстановленной плазменным способом поверхности // Качественный рост агропромышленного комплекса: возможности, проблемы и перспективы»: материалы международного конгресса. СПб.: Экспофорум, 2018. С. 269 - 273.
3. Анализ способов восстановления рабочих органов глубокорыхлителей / П.Г. Учкин, В.А. Шахов, С.А. Соловьёв // Инженерному образованию - научную основу: матер. национ. рос. науч.-технич. конф. Оренбург, 2018. С. 18 - 23.
4. Чернышёв В.П., Шахов В.А., Учкин П.Г. Курсовое проектирование по организации ремонта в мастерских хозяйств: учебное пособие. Оренбург: Издательский центр ОГАУ, 2016. 86 с.
5. Пат. на полезную модель №191023 РФ. Установка для плазменной наплавки рабочих органов сельскохозяйственных машин / В.А. Шахов, П.Г. Учкин, В.П. Чернышёв. Опубл. 19.07.2019; Бюл. № 20.
6. Обоснование параметров и выбор оборудования для плазменной наплавки порошков с содержанием карбида вольфрама при восстановлении рабочих органов глубокорыхлителей / В.А. Шахов, П.Г. Учкин, В.С. Коляда [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 3 (71). С. 136 - 138.
7. Учкин П.Г., Шахов В.А. Использование порошков с добавлением карбида вольфрама для плазменной наплавки рабочих органов глубокорыхлителей // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 6 (68). С. 92 - 96.
8. Князьков К.В. Разработка технологии модифицирования износостойких покрытий системы №-Сг-В^1-Ре/ WC в процессе плазменно-порошковой наплавки: дис. ... канд. техн. наук. Барнаул, 2015. 125 с.
Павел Григорьевич Учкин, кандидат технических наук, доцент. ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет». Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18; ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья» Россия, 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, pu1985@rambler.ru
Pavel Grigorievich Uchkin, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor. Orenburg State Agrarian University.18, Chelyuskintsev St., Orenburg, 460014, Russia; Northern Trans-UralState Agricultural University. 7,
Republic St., Tyumen, 625003, Russia, pu1985@rambler.ru
-♦-
Научная статья УДК 631.31
Теоретическое обоснование влияния угла наклона сушильной камеры и угла подъёма винтовой линии на скорость транспортирования частицы
Максим Владимирович Сотников1, Вадим Александрович Злобин1,
Николай Михайлович Семашкин1, Александр Леонидович Мишанин2,
Кирилл Олегович Раводин3
1 Ульяновский государственный аграрный университет
2 Самарский государственный аграрный университет
3 Ульяновский государственный университет
Аннотация. В статье представлены результаты определения зависимости влияния угла наклона сушильной камеры и угла подъёма винтовой линии на скорость транспортирования частицы, определение необходимого перечня расчётных и поправочных коэффициентов. Это выражение позволит определить осевую скорость движения частицы в мобильной зерносушилке со спирально-винтовыми транспортирующими рабочими органами. Методика исследований предусматривала определение осевой скорости движения частицы в мобильной зерносушилке со спирально-винтовыми транспортирующими рабочими органами. Полученное аналитическое выражение взаимно связывает указанные параметры и позволяет выявить оптимальные углы подъёма винтовой линии и углы наклона сушильной камеры мобильной зерносушилки. Полученные выражения свидетельствуют, что скорость транспортирования частицы в зависимости от угла наклона ф сушильной камеры мобильной зерносушилки со спирально-винтовым транспортирующим рабочим органом возрастает по мере приближения оси сушильной камеры к горизонтали, достигая максимума при ф = 0°, т.е. при горизонтальном расположении сушильной камеры. Наибольшее значение аопт достигается при горизонтальном расположении оси сушильной камеры мобильной зерносушилки со спирально-винтовым транспортирующим рабочим органом.
Ключевые слова: зерносушилка, угол наклона, угол подъёма, спирально-винтовой транспортирующий рабочий орган.
Для цитирования: Теоретическое обоснование влияния угла наклона сушильной камеры и угла подъёма винтовой линии на скорость транспортирования частицы / М.В. Сотников, В.А. Злобин, Н.М. Семашкин [и др.] // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 131 - 135.
Original аrticle
Theoretical substantiation of the influence of the angle of inclination of the drying chamber and the angle of elevation of the helical line on the speed of particle transportation
Maxim V. Sotnikov1, Vadim A. Zlobin1, Nikolay M. Semashkin1,
Alesandr L. Mishanin2, Kirill O. Ravodin3
1 Ulyanovsk State Agrarian University
2 Samara State Agrarian University
3 Ulyanovsk State University
Abstract. The article presents the results of determining the dependence of the influence of the angle of inclination of the drying chamber and the angle of elevation of the helical line on the speed of transport of the particle, determination of the required list of calculated and correction factors. This expression will make it possible to determine the axial velocity of the particle in a mobile grain dryer with a spiral screw transporting
