CC BY
102
КРАТКИЕ НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 669.018.4:621.828
В. П. Булгаков, С. С. Уксусов, Л. А. Цапко
КРИТЕРИИ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА ДЛЯ ШАРНИРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ЧЕРПАКОВ ЗЕМСНАРЯДА
V. P. Bulgakov, S. S. Uksusov, L. A. Tsapko
CRITERIA OF THE CHOICE OF THE MATERIAL FOR HINGED CONNECTIONS OF DREDGING SCOOPS
Повышение износостойкости шарнирного соединения черпаковой цепи земснаряда обеспечивается разнородными материалами контактирующих поверхностей. Для втулок требуются высокопрочные низколегированные углеродистые стали типа 60С2А, 65ГА с твердостью поверхности 50-55 HRC. Для пальцев необходима сталь 110Г13 с микролегированием карбидообразующими элементами и бором после поверхностного упрочнения деформационными методами до 60-62 HRC при сохранении высокой ударной вязкости в осевой зоне деталей.
Ключевые слова: ударно-абразивный износ, деформация, износостойкость, черпаковая цепь, низколегированная сталь, высокомарганцовистая сталь.
Increase of wear resistance of the hinged connection of dredging scoop is provided with diverse materials of contacting surfaces. For plugs high-strength low-alloy carbonaceous steel of type 60С2А,
65ГА with hardness of the surface 50-55 HRC is required. For fingers steel 110Г13 with microalloying by carbide formers and boron after superficial hardening by deformation methods till 60-62 HRC
at preservation of high impact strength in an axial zone of details is necessary.
Key words: impact and abrasive deterioration, deformation, wear resistance, scoop chain, low-alloy steel, high-manganese steel.
Основным устройством дноуглубительного земснаряда является черпаковая цепь. Черпаки в цепи закреплены с помощью четырех пальцев с втулками, запрессованными в отверстия кронштейнов. Шарнирные соединения пальцев и втулок имеют зазоры, в которые проникают абразивные частицы. За один цикл перемещения черпака с грунтом шарнирное соединение испытывает различного рода динамические нагрузки. В течение одной навигации изнашиваются два комплекта черпаковых пальцев и втулок.
Основные виды изнашивания пальцев: абразивное, ударно-абразивное и выдавливание металла с контактной поверхности. Для втулок основные виды изнашивания: абразивное, ударно-абразивное и пластическая деформация зоны контакта с пальцем. Втулки и палец черпакового звена находятся в различных напряженно-деформированных состояниях: втулка подвергается напряжениям сжатия и деформируется вдоль оси вращения; упрочнение-наклеп происходит в зоне контакта с пальцем. Палец подвергается напряжениям изгиба и высокому контактному давлению, что вызывает повышение прочностных свойств и смещение поверхностных слоев по механизму ползучести.
Черпаковые детали производят из высокопрочных термообрабатываемых сталей 40ХН2, 50ХГФ, 60С2, 30ХН3, 30ХН3М и марганцовистой стали 110Г13. Сведения об износостойкости этих материалов весьма противоречивы. Необходимы системные исследования по определению критериев абразивно и ударно-абразивного износа, по улучшению технологии получения гарантированного уровня механических и физических свойств поверхности и внутренних слоев деталей. Не менее важными мероприятиями для повышения долговечности являются увеличение точности сборки и защита скользящих деталей от проникновения абразивных частиц на контактные поверхности.
Процессы изнашивания деталей черпаковой цепи можно представить как абразивные, ударно-абразивные, деформационные и физические. Наиболее работоспособной парой трения является пара, состоящая из разнородных материалов или материалов с одинаковым химическим составом, но различными механическими свойствами (предел прочности и текучести, пластичность и ударная вязкость).
Эксплуатационные испытания показали, что оптимальным сочетанием контактирующих материалов является следующая пара трения: палец из стали 110Г13 - втулка из стали 30ХГСА после термической обработки: закалки при температуре от 900 °С и низкого отпуска при температуре 200 °С [1]. Высокие прочностные свойства: предел прочности 1 700 МПа, предел текучести - 1 400 МПа, относительное удлинение - 12 % и ударная вязкость - 60 МДж/м обеспечили минимальный износ втулки. Износ пальцев из марганцовистой стали оказался значительным в связи со слабым упрочнением при ударных нагрузках.
Физическим критерием повышения износостойкости этой пары является степень когерентности контактирующих сталей. Параметры решетки для плоскостей (111) аустенитной структуры марганцовистой стали и плоскостей (110) для отпущенного мартенсита стали 30ХГСА отличаются на 1-2 %, и при механическом воздействии возможен переход аустенита в мартенсит. Это повышает твердость металла и затрудняет разрушение поверхностных слоев контактирующих деталей.
Механизм формирования рельефа при ударно-абразивном изнашивании стали с высокой твердостью (58-62НЯС) предполагает образование лунки и дробление абразива. При соударении возникают микротрещины и выкрашивание металла с поверхности. Наличие твердых и хрупких фаз (карбиды, бориды, нитриды) облегчает разрушение поверхности детали.
Анализ микрорельефа поверхностей изнашивания различных сталей с разной твердостью позволил сделать выводы принципиального значения.
1. Формирование и отделение элементарной частицы износа связаны с деформацией сдвига или среза. Объективным критерием износостойкости стали при ударе является сопротивление срезу.
2. Механизм изнашивания определяется механическими свойствами изнашиваемых поверхностей. Пластичные и вязкие стали изнашиваются в результате развития полидеформаци-онных процессов, твердые стали - в результате хрупкого выкрашивания.
Для всех исследованных марок сталей при ударно-абразивном воздействии величина износа зависит от твердости контактирующих поверхностей. После термической обработки на максимальную твердость скорость изнашивания углеродистой стали 45 уменьшается в 2 раза, а стали У 8 - в 3,5 раза. Это объясняется наклепом и структурными изменениями в металле. Степень упрочнения (повышение твердости) и глубина наклепа поверхностных слоев различны для разных углеродистых сталей. Увеличение твердости для стали У8 составляет 30 %, для стали 45 - 23 %. Упрочнение от пластической деформации высокоуглеродистой стали усиливает превращение остаточного аустенита (8-10 %) в мартенсит. Рентгеноструктурный анализ и измерение микротвердости мартенсита показали, что повышение прочностных свойств высокомарганцовистой стали при ударном нагружении является результатом упрочнения от пластического деформирования мартенсита и превращения аустенита в мартенсит [2].
Заслуживает внимания связь между общим характером износостойкости углеродистых сталей и изменением сопротивления срезу и отрыву в зависимости от содержания в них углерода и структурного состояния металла. После любого вида термообработки: отжига, закалки и отпуска, износостойкость доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей ниже, чем у эвтектоидной.
Для всех прочностных характеристик в общей зависимости износостойкости прослеживается пороговый переход на границе хрупкого - вязкого разрушения. При переходе от вязкой зоны разрушения к хрупкой износостойкость растет ступенчато и снижается с повышением твердости металла. Влияние показателей пластичности: относительного удлинения, сужения и ударной вязкости однотипно. В области низкой пластичности при хрупком разрушении износостойкость выше, чем в области вязкого разрушения. Надежным способом повышения износостойкости черпаковых деталей является упрочнение поверхностных слоев деталей в сочетании с оптимальной пластичностью, что весьма сложно получить на вышеприведенных марках стали. Оптимальные механические свойства для высокой износостойкости втулок и пальцев можно получить на стали 110Г13 по технологии, учитывающей особенности механизмов упрочнения этого металла. Эксплуатационные свойства отливок из стали Гадфильда определяются ее способностью к наклепу, которая возрастает с повышением пластичности.
Высокая износостойкость стали 110Г13 в условиях истирания при динамических и статических нагрузках объясняется интенсивным упрочнением металла. Степень упрочнения зависит от скорости и величины деформации. При наклепе в плоскостях сдвига возникают вторичные фазы, которые являются эффективными барьерами при движении дислокации. В аустените про-
исходит g-a-превращение, где a является пересыщенным твердым раствором углерода в железе -мелкодисперсным мартенситом, расположенным в плоскостях с наиболее плотной упаковкой атомов. Распределением мартенсита в зерне аустенита, на границах зерен и в плоскостях скольжения управляют поверхностно-активные модификаторы как первого рода (растворимые в расплаве и твердом растворе - например, бор), так и второго рода (нерастворимые в твердом растворе - карбидообразующие хром, титан, ниобий, нитриды). Если карбиды и нитриды повышают прочностные свойства стали, то бор и бориды тормозят ползучесть.
В связи с тем, что в металле достаточно высокое содержание углерода (около 1,1 %), оптимальное количество карбидообразующих составляет 3-4 %. Эффективность бора как модификатора для повышения прочностных свойств и торможения ползучести была проверена на стали 35. При содержании бора до 0,07 % после термической обработки твердость возросла до 52 HRC; износостойкость втулок и пальцев из борированной стали увеличилась в 2,5 раза [3].
Медленная пластическая деформация до 30 % в стали 110Г13 приводит к структурным изменениям в аустените - дроблению блоков мозаики, в результате чего твердость возрастает до 30-35 HRC. Дальнейшее повышение степени деформации вызывает выделение мелких карбидов и боридов, блокирующих движение дислокации как по плоскостям базиса, так и на границах зерен. При степени деформации 60 % твердость возрастает до 60-62 HRC [4]. Такую же высокую твердость можно получит многократной деформацией либо высокой скоростью деформации. В данном случае глубина эффективного износостойкого слоя на поверхности снижается.
Повышение износостойкости шарнирного соединения черпаковой цепи земснаряда обеспечивается разнородными материалами контактирующих поверхностей. Для втулок требуются высокопрочные, низколегированные углеродистые стали типа 60С2А, 65ГА с твердостью поверхности 50-55 HRC. Для пальцев необходима высокомарганцовистая сталь с микролегированием карбидообразующими элементами после поверхностного упрочнения деформационными методами до твердости 60-62 HRC.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Погодаев Л. И. Кузьмин А. А. Эрозия материалов и судовых технических средств в неоднородных жидких и газообразных средах. - СПб.: СПГУВК, 2004. - 378 с.
2. Булгаков В. П., Уксусов С. С., Цапко Л. А. Повышение долговечности узла крепления черпаков дноуглубительного земснаряда // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. -2010. - № 2. - С. 7-8.
3. Виноградов В. М., Сорокин Г. М., Албагачиев А. Ю. Изнашивание при ударе. - М.: Машиностроение, 1982. - 192 с.
4. Богачев И. Н., Еголаев В. Ф. Структура и свойства железомарганцевых сплавов. - М.: Металлургия, 1973. - 295 с.
Статья поступила в редакцию 5.12.2011 ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Булгаков Владимир Павлович - Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры «Технология металлов»; techmet@astu.ru.
Bulgakov Vladimir Pavlovich - Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Professor of the Department "Metal Technology"; techmet@astu.ru.
Уксусов Сергей Семёнович - Астраханский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры «Технология металлов»; techmet@astu.ru.
Uksusov Sergey Semenovich - Astrakhan State Technical University; Senior Teacher of the Department "Metal Technology"; techmet@astu.ru.
Цапко Людмила Андреевна - Астраханский государственный технический университет; старший преподаватель кафедры «Технология металлов»; techmet@astu.ru.
Tsapko Lyudmila Andreevna - Astrakhan State Technical University; Senior Teacher of the Department "Metal Technology"; techmet@astu.ru.
