CC BY
50
УДК 669.056
05.20.01 - Технологии и средства механизации сельского хозяйства (технические науки)
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ НАПЛАВКИ ПРИ ВОССТАНОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
Хызов Антон Александрович аспирант
mgm7@fromru.com
Иванов Андрей Сергеевич канд. техн. наук, доцент РИНЦ БРШ-код: 4157-0276 ivanovas@gausz.ru
Колмакова Татьяна Григорьевна старший преподаватель РИНЦ БРШ-код: 8164-3722 tatyanagrigk@mail.ru
ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья» г. Тюмень, Российская Федерация
Основной составляющей сельскохозяйственного производства является техника, представляющая собой сложные технические системы (комбайны, сельскохозяйственные машины, тракторы, автомобили и т.д.). Практика эксплуатации технически сложно оснащённых машин показывает, что, в основном, преобладает процесс замены изношенных деталей и рабочих органов сельхозтехники на новые, а количество восстанавливаемых изделий мало. Однако, опыт показывает, что технологический процесс восстановления деталей машин позволяет получить высокое качество поверхностей таких деталей и снизить стоимость ремонта. Одним из эффективных методов восстановления поверхностных слоев деталей является газопламенное напыление с последующим лазерным оплавлением. В статье представлены результаты исследования зоны термического влияния (ЗТВ) в сталях У8А и Ст3, а также влияния режимов лазерного оплавления на её микротвердость в этих сталях. Установлено, чем выше мощность лазера и ниже скорость перемещения оптической головки, тем больше размер ЗТВ. И наоборот, чем меньше мощность лазера и выше скорость перемещения головки, тем меньший размер имеет ЗТВ. Мощность лазера и скорость перемещения оптической головки незначительно влияют на значение микротвердости. Отмечено, что перспективными направлениями в области восстановления деталей сельхозмашин лазерной наплавкой являются: научное обоснование выбора порошков; исследование закономерностей изменения микроструктуры деталей, закономерностей формирования слоев; разработка режимов и
UDC 669.056
05.20.01 - Technologies and means of mechanization of agriculture (technical sciences)
PROSPECTS OF APPLICATION OF LASER SURFACING AT RESTORATION OF DETAILS OF AGRICULTURAL MACHINERY
Khizov Anton Alexandrovich
postgraduate
mgm7 @fromru. com
Ivanov Andrey Sergeevich Cand. Tech. Sci., associate professor RSCI SPIN-code: 4157-0276 ivanovas@gausz.ru
Kolmakova Tatyana Grigoryevna senior lecturer
RSCI SPIN-code: 8164-3722 tatyanagrigk@mail.ru
Federal State Budget Educational Institution of Higher Education " Northern Trans-Ural State Agricultural University", Tyumen, Russia
The main component of agricultural production is machinery, which is a complex technical system (harvesters, agricultural machines, tractors, cars, etc.). The practice of operation of technically complex machines shows that, in general, the process of replacing worn parts and working devices of agricultural machinery with new ones prevails, and the number of restored products is small. However, experience shows that the technological process of restoration of machine parts allows you to get high quality surfaces of such parts and reduce the cost of repair. One of effective methods of restoration of surface layers of details is gas-flame spraying with the subsequent laser reflow. The article presents the results of the study of the zone of thermal influence in steels U8A and St3, as well as the influence of laser reflow regimes on its microhardness in these steels. It is established that the higher the laser power and the lower the speed of movement of the optical head, the larger the size of the thermal influence zone. Conversely, the lower the power of the laser and the higher the speed of movement of the head, the smaller the size of the zone of thermal influence. The power of the laser and the speed of movement of the optical head slightly affect the value of microhard-ness. It was also noted that promising areas in the field of restoration of parts of agricultural machines laser welding are: a scientific rationale for the selection of powders; the study of regularities of changes of the microstructure parts, regularities of formation of layers; development of modes and justification of regimes of welding; and, ultimately, the development process of restoring the specific parts
обоснование режимов наплавки; и в конечном счете, разработка технологического процесса восстановления конкретной детали
Ключевые слова: ЛАЗЕР, ВОССТАНОВЛЕНИЕ, Keywords: LASER, RESTORATION, THERMAL ЗОНА ТЕРМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ, СЕЛЬСКО- ZONE, AGRICULTURAL MACHINERY ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ТЕХНИКА
DOI: http://dx.doi.org/10.21515/1990-4665-154-006
Современное сельскохозяйственное производство является главным направлением в обеспечении продовольственной безопасности государства. Основной составляющей такого производства является техника, представляющая собой сложные технические системы (комбайны, сельскохозяйственные машины, тракторы, автомобили и т.д.). Ежегодное использование техники на полях России для производства сельхозпродукции достигает 110 миллионов единиц. Практика эксплуатации технически сложно оснащённых машин показывает, что, в основном, преобладает процесс замены изношенных деталей и рабочих органов сельхозтехники на новые, а количество восстанавливаемых изделий мало. Однако, опыт показывает, что технологический процесс восстановления деталей машин позволяет получить высокое качество поверхностей таких деталей и снизить стоимость ремонта [1].
Применение методов восстановления и повышения надежности деталей позволяет получать на их поверхности требуемые функциональные покрытия. Одним из эффективных методов восстановления деталей является газопламенное напыление с последующим лазерным оплавлением.
В настоящее время уже изучены возможности использования технологий лазерного модифицирования и наплавки с целью упрочнения рабочих кромок и поверхностей ряда сменных деталей рабочих органов сельхозмашин. Это, прежде всего, измельчающие ножи различных кормоубо-рочных комбайнов, подрезающие ножи свеклоуборочных машин, косилоч-ные ножи и др. [2].
Ведущие фирмы-производители сельскохозяйственных машин выпускают как сменные детали рабочих органов (долото, лемех, отвал, полевая доска, ножи косилок, диски борон, зубья борон, сегментных ножей кукурузных жаток, копачей, зубья культиваторов с активными рабочими органами, лапы глубокорыхлителей и др.) нового поколения, так и металлоконструкции рам машин.
Отечественные производители до сих пор в качестве материала основы для вышеуказанных изделий применяют стали марок 35; 45; 40Х; Л53; 65Г; 55С2; 60С2; Ст3...Ст5; У7А...У9А и другие, которые вследствие низкого уровня твёрдости и прочности не удовлетворяют требованиям изделий нового поколения. Вследствие этого, такие изделия не могут полноценно конкурировать с изделиями ведущих зарубежных фирм [2].
Лазерная технология упрочнения была апробирована для различного рода сменных деталей рабочих органов с/х машин. По результатам исследований предложены марки сталей (60ПП, 30ХГСА, 9ХФ...) и покрытий для изготовления деталей ножей типа: измельчителей кормоуборочных машин, РСК, ИРК, косилок, кукурузных жаток, дообрезки ботвы, дисков сеялок и борон, работающих при отличающихся условиях с целью достижения необходимого уровня эксплуатационных характеристик. На основе проведенных мероприятий разработаны технологические процессы лазерного поверхностного упрочнения указанных деталей. Оптимизация данных процессов проводилась по следующим направлениям: подготовка поверхности деталей, скоростные режимы лазерной обработки, режимы охлаждения деталей в процессе лазерной обработки, влияние режимов термического отпуска деталей.
Обоснованы оптимальные режимы нанесения различных поверхностных покрытий (40Х13, 0Х17, 81е1Ше 6, Р6М5, Си8п11, ПГ-СР3), что позволяет получать слои с минимальной зоной перемешивания основного
материала с присадочным, а это, в свою очередь, дает возможность нанесения покрытий с высокими эксплуатационными свойствами [3].
Изменения состава порошков и дополнительная термическая обработка позволяют повысить износостойкость, прочность и теплостойкость наплавляемых лазером покрытий [4, 5]
Лазерная наплавка поверхностных слоев на чугунные детали с последующей их закалкой позволяет повысить твердость в зоне лазерного воздействия в 3-4 раза [6].
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что дальнейшие исследования по подбору порошковых материалов и обоснованию режимов работы при восстановлении деталей методом лазерной наплавки являются актуальными.
Цель исследования - изучение зоны термического влияния (ЗТВ) в сталях У8А и Ст3, а также влияния режимов лазерного оплавления на её микротвердость в этих сталях.
Материал и методы исследования
В качестве материалов для исследования были выбраны две марки стали: углеродистая сталь Ст3 и инструментальная сталь У 8 А. Из данных сталей были изготовлены металлографические шлифы в диаметральном сечении образцов, в количестве 8 штук; 4 образца из стали Ст3 и 4 образца - сталь У8А (рис. 1).
ШШШ Л
1 уг 1
Рисунок 1 - Заготовки металлографических шлифов Ьйр://е1 .kubagro.ru/2019/10/рёШ6^
Химический состав исследуемых образцов анализировали спектрометром ДФС-71. Измерение микротвердости проводили согласно ГОСТ 9450-76 [7], на поверхности микрошлифа прибором ПМТ-3 путем вдавливания правильной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136 0С. Нагрузка при испытаниях составляла 100 грамм.
На образцы наносили покрытие одним из методов газотермического напыления, а именно методом газопламенного порошкового напыления. В качестве наплавочного материала использовали порошок Плакарт-03.98.-Р. После процесса напыления был осуществлен процесс лазерного оплавления нанесенного покрытия (рис. 2). Толщину покрытия определяли нераз-рушающим методом по ГОСТ 9.302-88 [8].
Рисунок 2 - Процесс лазерного оплавления нанесенного покрытия Основными параметрами при лазерном оплавлении являются: мощность лазера и скорость относительного перемещения лазерной головки.
Зоны термического влияния в исследуемых образцах определяли микротвердомером ПМТ-3. Металлографические исследования проводились на микроскопе Neophot-30.
Испытания по лазерному оплавлению проводили согласно таблице 1.
Таблица 1 - Режимы лазерного оплавления нанесенного покрытия
№ испы- Значение параметра
тания Мощность лазера, Вт Скорость перемещения лазерной головки, мм/с Марка стали
1 1800 10 Ст3
2 1200 10 Ст3
3 1800 5 Ст3
4 1200 5 Ст3
5 1800 10 У8А
6 1200 10 У8А
7 1800 5 У8А
8 1200 5 У8А
Результаты исследования
Результаты исследования зоны термического влияния в изучаемым образцах приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Зависимость размеров ЗТВ от режимов лазерного оплав-
ления и марки стали
Номер образца Марка стали Мощность лазера, Вт Скорость перемещения лазерной головки, мм/с Размер ЗТВ до термической обработки, мкм
1 Ст3 1800 10 1020
2 Ст3 1200 10 970
3 Ст3 1800 5 2250
4 Ст3 1200 5 1580
5 У8А 1800 10 1430
6 У8А 1200 10 1270
7 У8А 1800 5 2480
8 У8А 1200 5 1380
Из таблицы 2 видно, чем выше мощность лазера и ниже скорость перемещения оптической головки, тем больше размер ЗТВ. И наоборот, чем меньше мощность лазера и выше скорость перемещения головки, тем меньший размер имеет ЗТВ.
Результатом металлографических исследований стали микрофотографии образцов с описанием микроструктуры при различных увеличениях. В стале Ст3, в результате лазерного оплавления, произошел нагрев поверхностного слоя выше температуры критической точки Ас1, что привело к аустенитному превращению, но в результате быстрого охлаждения за счет отвода тепла образовалась ЗТВ со структурой феррит + мартенсит. Структура ЗТВ представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Зона термического влияния стали Ст3 (увеличено в 500 раз) В стале У8А так же, как и в стале Ст3, произошел нагрев поверхностного слоя выше критической точки, и быстрое охлаждение вглубь основного металла, что привело к образованию в ЗТВ структуры игольчатого мартенсита. ЗТВ для стали У8А представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 - Зона термического влияния стали У8А (увеличено в 500 раз) По результатам исследования следует сказать, что чем выше мощность лазера и ниже скорость перемещения оптической головки, тем больше размер зоны термического влияния.
Графическая зависимость изменения микротвердости от режимов лазерного оплавления нанесенного покрытия исследуемых образцов представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 - Зависимость микротвердости от режимов лазерного
оплавления
Установлено, что мощность лазера и скорость перемещения оптической головки незначительно влияют на значение микротвердости. Однако следует отметить, что ЗТВ обладает повышенной твердостью, это снижает пластичность металла.
Заключение
Если условия эксплуатации требуют повышенной твердости металла подложки, то необходимо сначала провести нормализацию, и только после этого закалку.
Перспективными направлениями в области восстановления деталей сельхозмашин лазерной наплавкой являются: научное обоснование выбора порошков; исследование закономерностей изменения микроструктуры деталей, закономерностей формирования слоев; разработка режимов и обоснование режимов наплавки; и в конечном счете, разработка технологического процесса восстановления конкретной детали.
Список литературы
1. Лазерные технологии обработки материалов: современные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок: [монография] / [Панченко В. Я. и др.]; под ред. В. Я. Панченко. - Москва: Физматлит, 2009. - 663 с.
2. Использование лазерных технологий упрочнения в сельскохозяйственном машиностроении / В.С. Голубев, А.И. Михлюк, И.А. Романчук, Л.И. Процкевич // В сборнике: Современные методы и технологии создания и обработки материалов Сборник научных трудов. В 3-х книгах. Главный редактор А.В. Белый. Минск, 2018. С. 58-65.
3. Третьяков Р.С. Технологические особенности процесса лазерной модификации поверхностей с коаксиальной подачей порошковых материалов: автореферат дис. ... канд. техн. наук. - Москва, 2014. - 17 с.
4. Соболева Н.Н. Повышение износостойкости №сгвб1 покрытий, формируемых газопорошковой лазерной наплавкой: автореферат дис. ... канд. техн. наук. - Екатеринбург, 2016. - 24 с.
5. Иванов А.С., Колмакова Т.Г. Исследование покрытий на стальных изделиях, нанесённых с помощью газопорошковой лазерной наплавки // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2018. № 5 (73). С. 172-176.
6. Иванов А.С., Колмакова Т.Г. Исследование лазерной наплавки чугуна подачей порошка ПГ-ФБХ-6-2 в зону оплавления // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2019. № 3 (77). С. 182-185.
7. ГОСТ 9450-76. Измерение микротвердости вдавливанием алмазных наконечников.
8. ГОСТ 9.302-88. Единая система защиты от коррозии и старения (ЕСЗКС). Покрытия металлические и неметаллические неорганические. Методы контроля.
References
1. Lazernye tehnologii obrabotki materialov: sovremennye problemy funda-mental'nyh issledovanij i prikladnyh razrabotok: [monografija] / [Panchenko V. Ja. i dr.]; pod red. V. Ja. Panchenko. - Moskva: Fizmatlit, 2009. - 663 s.
2. Ispol'zovanie lazernyh tehnologij uprochnenija v sel'skohozjajstvennom ma-shinostroenii / V.S. Golubev, A.I. Mihljuk, I.A. Romanchuk, L.I. Prockevich // V sbornike: Sovremennye metody i tehnologii sozdanija i obrabotki materia-lov Sbornik nauchnyh trudov. V 3-h knigah. Glavnyj redaktor A.V. Belyj. Minsk, 2018. S. 58-65.
3. Tret'jakov R.S. Tehnologicheskie osobennosti processa lazernoj modifikacii pover-hnostej s koaksial'noj podachej poroshkovyh materialov: avtoreferat dis. ... kand. tehn. nauk. - Moskva, 2014. - 17 s.
4. Soboleva N.N. Povyshenie iznosostojkosti NiCrBSi pokrytij, formiruemyh gazopo-roshkovoj lazernoj naplavkoj: avtoreferat dis. ... kand. tehn. nauk. - Ekaterinburg, 2016. - 24 s.
5. Ivanov A.S., Kolmakova T.G. Issledovanie pokrytij na stal'nyh izdelijah, nanesjonnyh s pomoshh'ju gazoporoshkovoj lazernoj naplavki // Izvestija Oren-burgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2018. № 5 (73). S. 172-176.
6. Ivanov A.S., Kolmakova T.G. Issledovanie lazernoj naplavki chuguna podachej po-roshka PG-FBH-6-2 v zonu oplavlenija // Izvestija Orenburgskogo gosudar-stvennogo agrarnogo universiteta. 2019. № 3 (77). S. 182-185.
7. GOST 9450-76. Izmerenie mikrotverdosti vdavlivaniem almaznyh nakonechnikov.
8. GOST 9.302-88. Edinaja sistema zashhity ot korrozii i starenija (ESZKS). Pokrytija metallicheskie i nemetallicheskie neorganicheskie. Metody kontrolja.
