CC BY
143
ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
УДК 631.171:631.5;621.785.5
A.В. Ишков,
Н.Т. Кривочуров, Н.М. Мишустин,
B.В. Иванайский, А.А. Максимов
ИЗНОСОСТОЙКИЕ БОРИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОРГАНОВ СЕЛЬХОЗТЕХНИКИ
Ключевые слова: бор, карбид бора, индукционный нагрев, химико-термическая обработка, почвообрабатывающие органы, сельхозтехника.
Введение
Почвообрабатывающие органы сельхозтехники (ПОО) работают в специфических условиях (знакопеременные нагрузки, удары, абразивный износ, коррозия), что вызывает быстрое затупление их режущих кромок, изменение формы, профиля и уменьшение размеров, приводящие к сокращению срока службы, увеличению времени и трудоемкости обслуживания почвообрабатывающих агрегатов и снижению общей экономической эффективности агромероприятий [1, 2]. Для увеличения ресурса, улучшения физико-механических характеристик ППО и повышения износостойкости их поверхность подвергают упрочнению различными способами.
Наибольшее распространение получило упрочнение ПОО путем наплавки на них различных твердых сплавов и других материалов токами высокой частоты (ТВЧ), а также способы упрочнения в процессах химико-термической обработки (ХТО), когда основной металл диффузионно насыщается различными неметаллами или легирующими металлами, в которых на поверхности детали образуются износостойкий слой наплавляемого материала, или слои различных бинарных либо более сложных соединений железа [3, 4]. Однако упрочнение ПОО методом индукционной наплавки характеризуется высокой стоимостью наплавляемых материалов, трудоемкостью, наличием ярко выраженной границы раздела между поверхностью ПОО и износостойким покрытием, а процессы ХТО длительны (2-8 ч) и зачастую позволяют получать износостойкие слои ограниченной толщины.
Особое место среди процессов ХТО занимают технологии насыщения поверхностного слоя конструкционных и легированных сталей бором — борирование. При борировании на поверхности стальной детали удается получать слои толщиной 300600 мкм, отличающиеся высокой твердостью и прочностью, абразивной и коррозионной стойкостью, а также высоким сопротивлением к изнашиванию [5]. Такие показатели боридных покрытий делают их перспективными для упрочнения ПОО, и тем не менее длительность процесса сильно сдерживает его применение.
Целью настоящей работы являлось исследование возможности получения износостойких боридных покрытий для упрочнения поверхности почвообрабатывающих органов сельхозтехники в процессе высокоскоростного ТВЧ-нагрева легированных сталей в различных борирующих обмазках.
Экспериментальная часть
В качестве основного объекта исследования была выбрана легированная углеродистая сталь 65Г (ГОСТ 4543-71), наиболее часто используемая при изготовлении ПОО.
В качестве борирующих агентов различной природы использовали технический карбид бора В4С по ГОСТ 5744-85 и реактивный аморфный бор квалификации х.ч. В качестве флюса использовали известный состав для индукционной наплавки (флюс П-0,66), состоящий из прокаленной буры, борного ангидрида, силикокальция и сварочного флюса АН-348А (30% Ыа2В407, 20% В203, 10% CaSi2, 40% АН-348А). Активаторами борирования служили CaF2 и ЫН4С! квалификации х.ч.
Борирующие смеси свободно наносились на предварительно подготовленные, зачищенные образцы размером 30x50x3 мм, вырубленные из стали, и закреплялись на них с помощью жидкого стекла, казеинового клея или эпоксидного компаунда (1,5-2%), вводимого в их состав за счет уменьшения количества флюса.
ТВЧ-нагрев подготовленных образцов осуществляли в петлевом водоохлаждае-мом медном индукторе диаметром 160 мм, подключенном к высокочастотному ламповому генератору ВЧГ 7-60/0,066. Настройка контура и геометрия индуктора обеспечивали нагрев исследуемых образцов до температуры 1300-1350оС в течение 40-60 с, с последующей стабилизацией. После выдержки
при указанной температуре в течение от 1 до 2 мин. образцы вынимались из индуктора и остывали свободно.
У полученных покрытий была исследована микроструктура и определена толщина борированного слоя (МИМ-7, ЫеорИо^ЗО), микротвердость (ПМТ-3, нагрузка 50, 100 г), фазовый состав (ДРОН-2, излучение Со-Ка, скорость углового перемещения образца
1 град/мин.), износостойкость при трении и нежестко закрепленные абразивные частицы (ГОСТ 23.208-79).
Результаты и их обсуждение
В предварительных экспериментах при нанесении на очищенную стальную поверхность только одного борирующего агента (В4С или Вам0рфН), ее индукционном нагреве до 1200-1300оС и различном времени выдержки, нами были получены лишь островковые двухфазные (РеВ + Fe2B) боридные покрытия толщиной 2-3 мкм, что не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ПОО [2, 6]. Для лучшего раскисления, удаления окис-ных пленок и перевода твердофазного процесса в квазижидкостное борирование в состав борирующих обмазок был введен плавленый флюс для индукционной наплавки П-0,66, приготовленный по методике, описанной В.Н. Ткачевым и др. [3]. Состав исследованных смесей приведен в таблице 1.
Таблица 1
Состав исследованных борирующих смесей, мас. %
Смесь Борирующий агент Активатор Флюс
I В4С (90) - П-0,66 (10)
1а В4С (84) ЫН4С! (6) П-0,66 (10)
II В4С (84) - П-0,66 (16)
11а В4С (90) СаР, (5) П-0,66 (5)
III В (90) - П-0,66 (10)
II 1а В (90) СаР2 (5) П-0,66 (5)
Известно, что когда температура борирования превышает 1100-1200оС вследствие начинающихся процессов высокотемпературной структурной перестройки в сталях скорости борирования возрастают в 2-4 раза при увеличении температуры на каждые 15-20оС, и процесс переходит из диффузионной зоны в зону химической реакции. Так, при температуре 1200-1300оС, по данным литературы, удается за несколько минут получить толщину однофазного боридного слоя до 0,2-0,4 мм, при этом нагрев детали осу-
ществляется специальной термитной смесью [7, 8].
Нами было установлено, что при скоростном ТВЧ-нагреве стали 65Г, покрытой исследованными борирующими составами, при выбранных параметрах процесса (Т = 1200-1300оС, выдержка 1-2 мин.) на всех образцах образуются покрытия, по внешнему виду напоминающие наплавленный твердый сплав. Их рентгенофазовый анализ показал присутствие фаз: a-Fe, FeB и Fe2B (с выраженным преобладанием одной из фаз), Fe3(C,B) и Fe23(C,B)6, мета- и ортоборатов железа (Fe3BO3, Fe3BO6, Fe3BO5), следы вюстита FeO и шпинели FeOFe2O3. То есть при ТВЧ-нагреве легированных углеродистых сталей под слоем флюса П-0,66, содержащего от 84 до 90% борирующих агентов на их поверхности образуются сложные боридные покрытия. Для выяснения характеристик и структуры полученных слоев, а также состояния бо-ридов в них были получены микрофотографии шлифов (рис. 1).
Как видно на рисунке 1, при выбранных температурных условиях и времени бори-рования, структура и состояние границы полученных износостойких слоев отличаются, но во всех случаях, в отличие от классических боридных иглообразных двухфазных слоев, на поверхности образцов появляется более стойкая в условиях тяжелого абразивного, знакопеременного и ударного износа пластичная боридная эвтектика с выраженной или диффузионной границей. Изменений структуры основного металла из-за перегрева не наблюдается. Образуются боридные покрытия трех типов.
Так, для смесей, содержащих в качестве борирующего агента одинаковое количество карбида бора, схожее количество флюса и отличающихся только наличием активатора (NH4Cl, CaF2, способствующего усилению обратимых диффузионных и транспортных процессов, особенно при низких температурах, в начале процесса борирования наблюдается образование мелкозернистой эвтектической структуры со следовыми включениями фазы Fe2B. Микротвердость такого покрытия не выше 700-750 HV, толщина слоя — до 100 мкм, наблюдается четко различимая граница раздела покрытия с основным металлом (рис. 1а).
Для смеси II без активаторов в покрытии наблюдается выраженный рост денд-ритов, островов и друз фазы FeB в матрице Fe2B, микротвердость покрытия дос-
тигает 1100-1250 HV, толщина слоя — до 200 мкм. Покрытие характеризуется диффузной границей раздела с основным металлом (рис. 1 б).
Самыми реакционноспособными оказались смеси на основе аморфного бора, так в смеси Ша, содержащей дополнительно 5% активатора CаF2 и 5% флюса, за 1 мин. толщина слоя составила 600 мкм, при микротвердости 2200-2300 HV (рис. 1в). Основная структура представляет собой переплавленную гомогенизированную железо-боридную эвтектику с включением фазы FeB, образовавшуюся с такой скоростью, что из расплава при его затвердевании не успели выделиться частицы шлака, и характеризуется наличием границы раздела покрытие — основной металл.
Исследование распределения микротвердости полученных покрытий по глубине показало наличие в них, как правило, двух зон — более твердого поверхностного слоя и менее твердого слоя, лежащего под ним, протяженность и характеристики которых различаются (рис. 2).
Существование такой слоистой структуры в полученных покрытиях в нашем случае объясняется не наличием двух фаз FeB и Fe2B, расположенных в материале друг за другом, различающимся содержанием одной упрочняющей фазы по глубине покрытия [5]. Вид упрочняющей фазы в нашем случае определяется природой бори-рующего агента и составом смеси. Об этом свидетельствуют как структура полученных покрытий (рис. 1), так и зависимость толщины, твердости и износостойкости покрытий, образующихся на сталях 65Г и 50ХГА за различное время из обмазки на основе В4С, а также данные их рентгенофазового анализа (табл. 2).
Таким образом, хотя наиболее эффективной в процессе высокоскоростного борирования при ТВЧ-нагреве и оказалась обмазка на основе состава Ша, содержащая аморфный бор, который в присутствии флюса П-0,66 и активатора CaF2 образует с основным металлом самые протяженные и твердые покрытия, однако из-за наличия выраженной границы раздела с основным металлом, наличием в покрытии остатков флюса и высокой стоимости аморфного бора для получения износостойких покрытий при ТВЧ-нагреве для ПОО сельхозтехники с приемлемым соотношением цена/качество следует рекомендовать обмазки на основе составов с карбидом бора и флюса П-0,66.
Рис. 1. Структура боридных покрытий на стали 65 Г, полученных за 1 мин. из различных смесей (300 ): а — 1а; б — II; в — Illa
HV
2500 -
2000
1500
1000
500
60 150 250 350 450 550 650 h, МКМ
Рис. 2. Распределение микротвердости по глубине покрытий, полученных из различных борирующих смесей за 1 мин.
Таблица 2
Некоторые характеристики покрытий
Состав обмазки (В4С : флюс П-0,66), мас. % Материал основы т, мин. h, мкм МКТ W, мг Фазовый состав покрытия
84:16 65Г 1 260 2300 100 FeB, Fe2B
2 280 1060 150 Fe2B
90:10 50ХГА 1 160 1000 200 a-Fe, FeB, Fe3(C,B)
2 190 1100 300 FeB
84:16 50ХГА 1 100 950 600 a-Fe, FeB, Fe2B
2 150 1100 300 Fe2B
90:10 65Г 1 280 2150 150 FeB, Fe2B
2 350 2200 250 FeB, Fe2B
Примечание. т — время выдержки детали в индукторе при 1250^1300°C, мин.; h — толщина упрочняющего боридного покрытия, мкм; МКТ — микротвердость рабочей поверхности, измеренная на ПМТ-3 при нагрузке 100 г, HV; W — износ образца на 10 000 м пути при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы, мг.
Выводы
1. Исследованы процессы получения износостойких покрытий для почвообрабатывающих органов сельхозтехники при
ТВЧ-нагреве сталей 65Г и 50ХГА до температуры 1200-1300оС с выдержкой 1-2 мин. в различных борирующих обмазках.
2. Введение в состав борирующих обмазок, содержащих B4C, Вам0рфН , активаторы NH4Cl, CaF2 плавленного флюса для индукционной наплавки П-0,66, позволяет перевести процесс борирования из твердой в квазижидкую фазу, увеличить его скорость и глубину превращения.
3. Показано, что в этих условиях образуются поверхностные слои упрочненного металла, состоящие из боридов FeB и Fe2B, распределенных в матрице эвтектики Fe-B, с толщиной от 100 до 350 мкм, микротвердостью от 700 до 2300 HV, износ которых при трении о незакрепленный абразив составляет от 100 до 600 мг на 10 000 м пути, в зависимости от природы борирующего агента, состава обмазки, времени выдержки и вида стали.
4. Для получения износостойких покрытий для почвообрабатывающих органов с оптимальным соотношением цена/качество рекомендовано использовать бори-рующие обмазки на основе карбида бора и флюса П-0,66.
Библиографический список
1. Шитов А.Н. Влияние различных факторов на изнашивание рабочих органов почвообрабатывающих машин / А.Н. Шитов, А.А. Веденеев // Ремонт, восста-
+
новление, модернизация. — 2002. — № 7. - С. 21-23.
2. Сидоров С.А. Технический уровень и ресурс рабочих органов сельхозмашин / С.А. Сидоров / / Тракторы и сельскохозяйственные машины. — 1998. — № 3. — С. 29-33.
3. Ткачев В.Н. Индукционная наплавка твердых сплавов / В.Н. Ткачев, Б.Ч. Фи-штейн, Н.В. Казинцев, Д.А. Алдырев. — М.: Машиностроение, 1970.
4. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: справочник / под ред. Л.С. Ляховича. — М.: Металлургия, 1981.
5. Ворошнин Л.Г. Борирование стали / Л.Г. Ворошнин, Л.С. Ляхович. — М.: Металлургия, 1978.
6. Белый А.В. Структура и методы формирования износостойких поверхностных слоев / А.В. Белый, Г.Д. Карпенко, К.Н. Мышкин. — М.: Машиностроение, 1991.
7. Гурьев А.М. Физические основы термоциклического борирования / А.М. Гурьев, Э.В. Козлов, Л.Н. Игнатен-ко, Н.А. Попова. — Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2000.
8. Методы повышения долговечности деталей машин. Сельскохозяйственные машины: учебное пособие для вузов / под ред. В.Н. Ткачева. — М.: Машиностроение, 1971.
+
УДК 621.313.3 К.М. Усанов,
В.А. Каргин, Т.А. Филимонова
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ В ИМУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ МАШИНАХ
Ключевые слова: линейные электро- шины, тепловые режимы, теплопереда-магнитные двигатели, импульсные ма- ча, удельные потери мощности.
