CC BY
18ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В ТЕХНИЧЕСКОМ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ОСНАЩЕНИИ СОВРЕМЕННОГО АПК И ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 631.31.022:621.785.5
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА КАРБОВИБРОДУГОВОГО УПРОЧНЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА РАБОЧИХ
ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН
Н.В. Титов, к.т.н., доцент, И.А. Петриков, аспирант, Н.А. Кондрахин, магистрант
ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет».
Россия, 302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, д. 69. Телефон: 8(4862) 43-19-79. E-mail: ogau@mail.ru
Аннотация. В статье представлен перспективный метод карбовибродугового упрочнения (КВДУ) рабочих органов почвообрабатывающих машин, работающих в условиях прямого воздействия абразивных частиц. При его использовании на режущую кромку рабочего органа наносится металлокерамическая паста, которая после высыхания расплавляется электрической дугой с образованием металлокерамического покрытия. Одновременно происходит термодиффузионное насыщение металла рабочего органа легирующими элементами (азотом и алюминием), входящими в состав пасты, а также углеродом. Проведенные исследования упрочненных образцов с использованием паст различного состава позволили установить, что твердость упрочненного основного металла изменяется в интервале 51...56 HRC, а наплавленного покрытия - от 67 до 72 HRC, тогда как твердость закаленной стали 65Г находится в интервале 44.48 HRC. Для оценки эффективности метода КВДУ проведены эксплуатационные испытания упрочненных деталей. Установлено, что упрочненные стрельчатые лапы культиваторов имеют в среднем в 1,5.1,9 раза более высокую износостойкость, чем серийные неупрочненные лапы.
Ключевые слова: карбовибродуговое упрочнение, стрельчатая лапа, металлокерамическая паста, графитовый электрод, термодиффузионное насыщение, стальная матрица, карбид бора, оксид алюминия, оксид кремния, азот алюминия.
При эксплуатации почвообрабатывающих машин их рабочие органы вследствие прямого воздействия абразивных частиц интенсивно изнашиваются. Это приводит к простоям техники, а также к значительным затратам на новые запасные части. Поэтому разработка и внедрение технологий упрочнения рабочих органов является актуальной задачей, решение которой имеет большое значение.
В связи с интенсивным развитием фермерских хозяйств и малых сельскохозяйственных предприятий различных форм собственности возникает необходимость упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин в условиях мелкосерийного производства. Для решения этой задачи в ФГБНУ ГОСНИТИ разработаны технология и оборудование для скоростного электродугового упрочнения (ЭДУ) рабочих органов. Сущность ЭДУ заключается в термодиффузионном насыщении поверхности детали углеродом за счет испарения графитового электрода при горении прямой или косвенной дуги [1]. При использовании ЭДУ обеспечивается высокая производительность процесса, а разработанное оборудование отличается простотой конструкции, невысокой стоимостью и мобильностью. Вместе с тем, скоростное ЭДУ обеспечивает твердость упрочняемой поверхности не выше 53..55 ИЯС, что для многих рабочих органов оказывается недостаточным.
Значительно повысить твердость и износостойкость рабочих органов почвообрабатывающих машин позволяет современный инновационный метод их упрочнения - карбовибродуговое упрочнение (КВДУ) с использованием графитового электрода и металлокерамических паст (МКП). Сущность метода заключается в следующем. Вначале на режущую кромку рабочего органа наносится МКП, которая высушивается до затвердевания. Затем между упрочняемой поверхностью с нанесенной МКП и графитовым электродом установки зажигается электрическая дуга. При ее горении происходит как наплавка металлокерамического покрытия, так и термодиффузионное насыщение металла рабочего органа легирующими элементами, входящими в состав МКП, и углеродом за счет его диффузии вследствие сублимации графитового электрода [25]. Применение при КВДУ металлокерамических материалов в виде паст обусловлено их очень высокой стойкостью к абразивному и коррозионно-механическому изнашиванию.
В состав МКП входит стальная матрица (наплавочный порошок), оксиды алюминия Л120з и кремния 8Ю2, карбид бора В4С, являющиеся керамическими компонентами, а также азот и алюминий (легирующие компоненты). Связующим веществом является 50% водный раствор клея ПВА. Матрица служит противоударным,
удерживающим и композитным каркасом МКП. Поэтому в качестве матричного материала целесообразно использовать стальные наплавочные порошки с высокой твердостью и абразивной стойкостью. Керамические компоненты вводятся в состав МКП из-за их высокой твердости. Они обеспечивают упрочненным рабочим органам соответствующие износо- и коррозионную стойкость. Наиболее предпочтительным является использование карбида бора, но его стоимость несколько выше, чем цена оксидов алюминия и кремния. Вместе с тем, при использовании последних хуже зажигается и горит электрическая дуга, что приводит к некоторому снижению износостойкости упрочненного рабочего органа. Использование в составе МКП веществ, содержащих азот (например, нитрата аммония NH4NO3 или карбамида NH2CONH2) связано с тем, что при их термодиссоциации азот образует нитриды Fe4N, Fe3N, Si3N4 и др., которые также являются упрочняющими компонентами. Алюминий используется для раскисления железа, а также образования керамической фазы путём превращения его в оксид алюминия Al2O3 и, при последующем расплавлении, в корунд. Последний в минералогической таблице по твёрдости занимает 9-е место, что очень близко к твердости алмаза.
Для КВДУ рабочих органов используют установку ВДГУ-2, которая разработана и производится в ФГБНУ ГОСНИТИ (рисунок 1). В состав установки входит инверторный тиристорный источник тока типа MASTER 162 на 200...250А, пульт управления и вибратор с закрепленным в нем графитовым электродом диаметром 8... 10 мм.
Рисунок 1 - Комплект оборудования ВДГУ-2 для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин: 1 - источник тока; 2 - пульт управления; 3 - вибратор с графитовым электродом
Проведенные исследования упрочненных образцов с использованием МКП различного состава позволили установить, что
твердость упрочненного основного металла изменяется в интервале 51...56 ИЯС, а наплавленного покрытия - от 67 до 72 ИЯС, тогда как твердость закаленной стали 65Г находится в интервале 44... 48 ИЯС. Вместе с тем, ресурс рабочих органов почвообрабатывающих машин, упрочненных КВДУ и работающих в условиях абразивного износа, зависит не только от твёрдости, но и от состояния границы наплавленного слоя с основным металлом, т.е. от эффекта расплавления материала основы и смешивания его с расплавом МКП. Проведенный анализ позволил установить, что микроструктура упрочнённых образцов независимо от состава используемых МКП состоит из 3-х зон (рисунок 2).
1 2 1.2
а) б)
Рисунок 2 - Микроструктура образцов, упрочненных КВДУ с использованием графитового электрода и МКП, при увеличении 10х (а) и 25х (б). Зоны: 1 - основной металл; 2 - переходная; 3 - основная упрочненная
Основной металл (зона 1) имеет выраженные фазовые изменения до линии раздела за счёт диффузии элементов, входящих в состав наплавленной МКП, и углерода. Наплавленный слой состоит из 2-х зон - переходной и основной упрочненной. Переходная зона представляет собой сплав расплавленного верхнего слоя основы и материала МКП. Основная упрочненная зона является наиболее твёрдой и состоит из стальной матрицы, удерживающей образованные карбиды железа БеС, Бе2С3, бориды БеБ и Бе2Б и керамические фазы -железную шпинель, карбид бора и корунд. Линия перехода наплавленного слоя в основной металл более чётко прослеживается на снимках микроструктуры при малом увеличении.
Оценка эффективности использования метода КВДУ для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин
проводилась на примере упрочнения стрельчатых лап. В настоящее время в сельском хозяйстве для обработки почвы используется большое количество отечественных и зарубежных машин (культиваторы, посадочные комплексы, сеялки, рыхлители и др.), основным рабочим органом которых являются стрельчатые лапы. При эксплуатации данных машин стрельчатые лапы вследствие прямого воздействия абразивных частиц интенсивно изнашиваются, их режущие кромки затупляются, происходит существенное изменение формы, профиля и рабочих размеров. В результате снижается качество выполняемых работ, нарушаются агротехнические сроки их проведения, увеличиваются простои техники, возрастают затраты на обработку почвы и топливо-смазочные материалы, уменьшается количество полученной товарной продукции. При некачественной культивации теряют всхожесть до половины высеваемых семян, а взошедшие созревают неравномерно.
Были проведены полевые испытания стрельчатых лап культиватора КШУ-12Н, выпускаемого Грязинским культиваторным заводом, упрочненных КВДУ в сравнении с новыми неупрочненными изделиями. Испытания проводились на супесчаных почвах. Для упрочнения лап была подготовлена МКП, содержащая наплавочный порошок ПГ-10Н-01, карбид бора, нитрат аммония и алюминиевый порошок. МКП готовилась смешением указанных компонентов механическим способом с добавлением связующего вещества. Всего было упрочнено 12 стрельчатых лап. У половины испытуемых лап МКП наносилась на лицевую сторону (рисунок 3, а). На оставшиеся лапы МКП наносили на тыльную сторону (рисунок 3,6).
Металлокерпмическое покрытие
а) б)
Рисунок 3 - Стрельчатые лапы культиватора КШУ-12Н, упрочненные КВДУ при нанесении МКП с лицевой стороны (а) и с тыльной стороны (б)
Толщина нанесенного слоя МКП составляла 2,5...3,0 мм. После нанесения она высушивалась до затвердевания и расплавлялась электрической дугой на следующих режимах: сила тока 1=70...80 А, напряжение и=60 В, частота вибрации графитового электрода -25.50 Гц. Толщина полученного металлокерамического покрытия составляла 0,7.0,8 мм, глубина упрочнения - 0,8.1,0 мм, твердость -70.72 ИЯС. После КВДУ производилась термическая обработка лезвий лап токами высокой частоты (ТВЧ).
Многочисленными исследованиями установлено, что независимо от типа почв у стрельчатых лап наиболее интенсивно изнашивается носок [6, 7]. Его износ в среднем в 3.4 раза превышает износ остальных поверхностей лап. Также одним из критериев предельного состояния стрельчатых лап является предельный износ их крыльев по ширине.
Измерение износа стрельчатых лап проводилось по следующей методике. Изношенная лапа укладывалась на лист бумаги, на котором был обозначен контур новой лапы. Измерялось расстояние от контура изношенной лапы до контура новой лапы по носку и крыльям. После этого вычислялось среднее арифметическое значение по каждому измеряемому параметру.
Полученные после полевых испытаний значения износов стрельчатых лап представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Результаты полевых испытаний стрельчатых лап культиватора КШУ-12Н __
Среднее значение Среднее значение
Способ упрочения износа носка стрельчатых лап, износа крыльев стрельчатых лап
мм по ширине, мм
КВДУ при нанесении
МКП с лицевой стороны 21 4
лапы
КВДУ при нанесении
МКП с тыльной 17 3
стороны лапы
Без упрочнения 32 10
Проведенные полевые испытания позволили установить, что при наработке 22 га неупрочненные стрельчатые лапы достигли своего предельного состояния (износ носка составил 32 мм) и подлежат замене. Износ носка упрочненных стрельчатых лап составил, соответственно, 21 мм (при нанесении МКП с лицевой стороны лапы) и 17 мм (при нанесении МКП с тыльной стороны лапы). Таким
образом, износостойкость упрочненных КВДУ с использованием графитового электрода и МКП стрельчатых лап оказалась в среднем в 1,5 и 1,9 раз выше, чем у серийных неупрочненных изделий. Аналогичные результаты получились и при анализе износов крыльев стрельчатых лап по ширине после полевых испытаний.
Список использованных источников:
1. Литовченко, Н.Н. Электровибродуговое упрочнение рабочих органов почвообрабатывающих машин металлокерамическими материалами / Н.Н. Литовченко, Н.В. Титов, А.В. Коломейченко // Тракторы и сельхозмашины, 2013. -№ 2. - С. 4950.
2. Титов, Н.В. Анализ перспективных способов упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин / Н.В. Титов, А.В. Коломейченко, В.В. Виноградов // Техника и оборудование для села, 2013.-№10. - С. 33-36.
3. Титов, Н.В. Метод вибродуговой наплавки металлокерамики деталей техники, работающей в условиях абразивного износа / Н.В. Титов, Н.Н. Литовченко, В.Н. Коротков // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т.111. Ч.2. С. 219-222.
4. Литовченко, Н.Н. Вибродуговая наплавка графитовым электродом нанометаллокерамических композиционных материалов / Н.Н. Литовченко, В.Н. Куликов, Н.В. Титов // Сварочное производство. 2013. №2. С. 51-53.
5. Литовченко, Н.Н. Нанометаллокерамические порошковые композиты - эффективный материал для упрочнения рабочих органов машин / Н. Н. Литовченко, Н. В. Титов, А. В. Коломейченко и др. // Ремонт, восстановление, модернизация, 2013.-№8. - С. 36-37.
6. Севернев, М. М. Износ деталей сельскохозяйственных машин / М. М. Севернев, Г. П. Каплун. - Л. : Колос, 1972.-288с.
7. Ткачев, В. Н. Работоспособность деталей машин в условиях абразивного изнашивания / В. Н. Ткачев. - М. : Машиностроение, 1995.-336с.
Титов Николай Владимирович, кандидат технических наук, доцент, ogau@mail.ru. Россия, Орел, Орловский государственный аграрный университет.
Петриков Иван Александрович, аспирант, ogau@mail.ru. Россия, Орел, Орловский государственный аграрный университет.
Кондрахин Н.А., магистр, ogau@mail.ru. Россия, Орел, Орловский государственный аграрный университет.
APPLICATION OF VIBROARC HARDENING FOR INCREASING RESOURCE OF TILLERS'S WORKING ORGANS
Titov N.V.
Petrikov I.A.
Kondrahin N.A.
Annotation. The article presents a prospective method vibroarc hardening (KVDU) working organs of tillers, working under the direct impact of abrasive particles. When using the cutting edge of the working body cermet paste is applied which after drying is melted to form the electric arc cermet coating. At the same time there is a thermal diffusion saturation of metal working body of alloying elements (nitrogen and aluminum), members of the paste, as well as carbon. Studies with samples of hardened pastes of different compositions revealed that the hardness of the base metal reinforced varies in the range of 51 ... 56 HRC, and the deposited coating - from 67 to 72 HRC, whereas the hardness of hardened steel 65G is in the range 44 ... 48 HRC. To evaluate the effectiveness of the method KVDU conducted performance tests of hardened parts. It was found that reinforced arched feet cultivators have an average of 1.5 ... 1.9 times higher wear resistance than unreinforced serial paws.
Keywords: vibroarc hardening, working body, hoe, metal-ceramic paste, graphite electrode, thermodiffusion saturation, steel matrix, boron carbide, aluminum oxide, silicon, nitrogen, aluminum.
Titov Nikolay Vladimirovich, Ph.D., Associate Professor, ogau@mail.ru. Russia, Orel, Orel State Agrarian University.
Petrikov Ivan, a graduate student, ogau@mail.ru. Russia, Orel, Orel State Agrarian University.
Kondrakhin NA, MA, ogau@mail.ru. Russia, Orel, Orel State Agrarian University.
