CC BY
15
УДК 621.78
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ НАПЛАВЛЕННОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК ЭЛЕКТРОДОВ
И ОХЛАЖДАЮЩИХ СРЕД
Prognostication of Thermal Pad Hardening with Different Brands of Electrodes and Cooling Media
Коршунов В.Я., д.т.н., профессор Korshunov V. Ya.
ФГБОУ ВО «Брянский аграрный государственный университет» 243365 Брянская область, Выгоничский район, с. Кокино, ул. Советская, 2а
Bryansk State Agrarian University
Реферат. Для обеспечения заданной долговечности деталей сельскохозяйственной техники и почвообрабатывающих орудий была исследована взаимная связь формирования глубины и степени упрочнения (твёрдости) наплавляемого слоя на изношенную поверхность при использовании различных материалов проволоки (электрода) и способов его охлаждения. На основе полученных данных разработана методика расчёта глубины и степени упрочнения (твёрдости) наплавляемого слоя на изношенную поверхность, которая даёт возможность прогнозировать оптимальную марку проволоки и тип охлаждающей среды, используя критерий минимальной себестоимости технологического процесса восстановления.
Summary. To ensure the specified durability of agricultural machinery parts and tillage tools, the mutual relationship between the formation of the depth and the degree of pad hardening on the worn surface was studied with different brands of electrodes and cooling media. On the basis of the obtained data, the method for calculating the depth and pad hardening degree on the worn surface was developed, thus making it possible to predict the optimal electrode grade and type of cooling medium, using the criterion of the minimum cost of the technological process of recovery.
Ключевые слова: степень упрочнения, твёрдость, глубина, температура, скорость охлаждения, поверхность.
Keywords: degree of hardening, hardness, depth, temperature, cooling rate, surface.
Введение. Постановка задачи. Эффективное использование сельскохозяйственной техники обеспечивается высоким уровнем её технического обслуживания и ремонта, наличием необходимого числа запасных частей. Как показывают технико-экономические расчёты, сбалансированное обеспечение запасными частями ремонтных предприятий и сферы эксплуатации сельскохозяйственной техники целесообразно осуществлять с учётом периодического возобновления работоспособности деталей, восстановленных современными технологическими способами. Восстановление деталей двигателей и сельскохозяйственной техники (тракторов, комбайнов, почвообрабатывающих орудий и др.) обеспечивает экономию высококачественного металла, топлива, энергетических и трудовых ресурсов [1-6]. Для восстановления работоспособности изношенных деталей требуется в 5-8 раз меньше технологических операций по сравнению с изготовлением новых деталей, что значительно сокращает их себестоимость.
По данным ГОСНИТИ 85% деталей восстанавливаются при износе не более 0,3...0,5 мм [3]. Толщина наплавленного слоя при восстановлении режущей части почвообрабатывающих орудий (лемехов, отвалов, полевых досок, лап культиваторов и др.) может составлять несколько миллиметров, в зависимости от степени их износа. При восстановлении изношенной поверхности необходимо обеспечить заданную толщину наплавленного слоя, а также его твёрдость, которая обеспечит требуемую долговечность детали в процессе эксплуатации. Следует отметить, что в справочной литературе [1,2] обычно даётся одно значение твёрдости наплавленного слоя. Однако практика показывает, что величина твёрдости наплавленного слоя уменьшается в зависимости от глубины рассматриваемого микрообъёма, а также способов его охлаждения после наплавки. На основе выше сказанного, была сформулирована задача данной работы: разработать методику расчёта термического упрочнения наплавленного слоя металла на изношенную поверхность с учётом его глубины и способов охлаждения поле наплавки.
Материалы и методы. Для решения поставленной задачи была рассмотрена схема вибродуговой наплавки материала на изношенную поверхность детали с тремя охлаждающими средами: возду-
хом, минеральным маслом и 5-ти процентным раствором кальцинированной соды в воде. В качестве электродов - проволоки марок Св-08А и НП-30ХГСА, диаметром d = 2,0 мм, а также режимы наплавки: скорость процесса наплавки Ун = 0,6 м/мин, глубина Ь = 2 мм, скорость подачи электродной проволоки Упр = 1,0 м/мин. Химический состав проволок для наплавки представлен в таблице 1. Твёрдость проволоки Св-08А НВ 130, НП-30ХГСА НВ 230. Время действия теплового источника Тд = 0,2 с.
Проволока марки Св - 08А относится к малоуглеродистой стали с добавлением примерно 1% легирующих элементов, поэтому её охлаждение после нагрева рекомендуется осуществлять в воде, а охлаждение легированной стали 30ХГСА - в масле, т.е. с меньшей скоростью для исключения возможности появления микротрещин.
Таблица 1 - Химический состав стальных проволок для наплавки
Марка стали Содержание легирующих элементов
Углерод Хром Марганец Кремний Никель
Св-08А 0,10 0,10 0,60 0,03 0,25
НП-30ХГСА 0,30 1,00 1,00 1,00 -
Температуру ТоС наплавленного слоя по глубине Ь через 0,5 секунд после наплавки изношенной поверхности, т.е. т = 0,5с, рассчитывается по формуле (1), учитывая при этом, что максимальная температура будет равна температуре плавления стали Тпл [7,8].
Т=Ь-Тпл-ехр[-4у, Т О)
где Ь - коэффициент, учитывающий тип охлаждающей среды: для воздуха Ь = 1,0; для минерального масла Ь = 0,8; для 5%-ого раствора кальцинированной соды в воде Ь = 0,6; Ь - глубина рассматриваемого микрообъёма наплавленного слоя, м; а - температуропроводность стали, а = 8 10-6 м2/с; т - время, с.
Для прогнозирования термического упрочнения наплавленного слоя металла на изношенную поверхность детали необходимо иметь данные о скорости его охлаждения по глубине при использовании разных охлаждающих сред. Скорость охлаждения Уох1 по глубине наплавленного слоя через 0,5 секунд после наплавки рассчитывается по формуле (2).
Vохi = ^ = (7-2 -7-1) • [- ехр(-тт) • т], оС/с (2)
где Т11, Т12 - температура на определённой глубине наплавленного слоя (см. рис. 1); т - коэффициент, учитывающий условия охлаждения детали. Коэффициент т определяется соотношением
т = -, (3)
где а - коэффициент теплоотдачи, Дж/м2сград; Б - площадь, м2; О - объём, м3; Ср - теплоёмкость стали, Дж/м3град; £ - коэффициент замедления остывания.
Полученные результаты представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Зависимость распределения температуры от глубины рассматриваемого микрообъёма наплавленного слоя при использовании разных охлаждающих сред: 1 - воздух; 2 - минеральное масло; 3 - 5 %-ный раствор кальцинированной соды в воде
Коэффициент а для воздуха равен - 65, для минерального масла - 280, для 5% - ного раствора кальцинированной соды в воде - 2800.
Коэффициент замедления остывания £ определяется зависимостью
£ = ¿•(1 -0,2 h). (4)
Полученные результаты зависимости скорости охлаждения наплавленного слоя на изношенную поверхность детали в зависимости от глубины рассматриваемого микрообъёма через 0,5 секунд после наплавки представлены на рисунке 2.
Для повышения точности прогнозирования упрочнения (твёрдости) наплавленного металла по глубине h необходимо знать скорость его охлаждения Уох1 в зависимости от вре-мени остывания Для решения данной задачи использовались формулы (2) - (4).
Полученные результаты представлены на рисунке 3.
Для получения зависимости упрочнения наплавленного слоя (НВ) от скорости охлаждения были использованы данные рисунка 2 и максимальная твёрдость материала проволок (Св-08А, HBmax 280; НП-30ХГСА, HBmax 520) при конкретных условиях охлаждения. Полу-ченные результаты представлены на рисунке 4.
Математическая обработка графиков (см. рис. 4) позволила получить зависимости (5) и (6) для расчёта твёрдости НВ наплавленного материала от скорости охлаждения Уох,
Для получения зависимости упрочнения наплавленного слоя (НВ) от скорости охлаждения были использованы данные рисунка 2 и максимальная твёрдость материала проволок (Св-08А, HBmax 280; НП-30ХГСА, HBmax 520) при конкретных условиях охлаждения. Полу-ченные результаты представлены на рисунке 4.
Математическая обработка графиков (см. рис. 4) позволила получить зависимости (5) и (6) для расчёта твёрдости НВ наплавленного материала от скорости охлаждения Уох,
Проволока марки Св-08А, НВ = 0,8Уох (5);
Проволока марки НП-30ХГСА, НВ =220 + 0,9- Уох (6).
К, "с/с
0.5 1.0 1,5 2,0 2,5 3,0 3.5 А им
Рисунок 2 - Зависимость скорости охлаждения от глубины рассматриваемого микрообъёма наплавленного слоя. Охлаждающая среда: 1 - 5 %-ный раствор кальцинированной соды в воде;
2 - минеральное масло; 3 - воздух
Рисунок 3 - Зависимость скорости охлаждения наплавленного слоя от времени остывания и глубины рассматриваемого микрообъёма Ь1. Охлаждающая жидкость 5% - ный раствор кальцинированной соды в воде. 1 - Ь1 = 0,02 мм, 2 - Ь1 = 0,5 мм, 3 - Ь1 = 1,0 мм
Рисунок 4 - Зависимость твёрдости НВ наплавленного слоя от скорости охлаждения Vox. 1 - проволока НП-30ХГСА, охлаждающая жидкость - минеральное масло, воздух; 2 - проволока Св-08А, охлаждающая жидкость 5% - ный раствор кальцинированной соды в воде, воздух
Использование формул (5), (6), а также графиков, представленных на рисунке 2, позволило получить зависимости изменения твёрдости наплавленного слоя от глубины и спосо-бов его охлаждения, которые представлены на рисунке 5.
НВ
400
200
1
2
3
О 0.5 1.0 15 2,0 hi, мм
Рисунок 5 - Зависимость твёрдости НВ наплавленного слоя от глубины ^ : проволока НП-30ХГСА, 1 -охлаждение минеральным маслом, 2 - на воздухе; проволока Св-08А, 3 -охлаждение 5% -ым раствором кальцинированной соды в воде, 4 - на воздухе
Следует отметить, что величина и глубина упрочнения в значительной степени зависят от количества углерода в материале проволоки, применяемой в процессе наплавки. Использование полученных в работе результатов исследований, а также данных литературных источников [9,10] позволило получить математические зависимости (7)-(14) для расчёта максимальной величины (НВтах) и глубины (Ьтах) термического упрочнения наплавленного слоя в зависимости от содержания в материале проволоки количества углерода (С%).
Проволока Св-08.
Охлаждение 5% -ым раствором кальцинированной соды в воде
HBmax = 846 C0,47, hi = 0,1мм (7)
hmax = 1,2+ 2,6C (8)
Охлаждение на воздухе
HBmax = 170 + 100C, hi = 0,05мм hmax = 0,225 + 0,187C
Lmax
max
(9)
(10)
Проволока НП-30ХГСА. Охлаждение минеральным маслом
HBmax = 618C0'216, hi = 0,1мм hmax = 1,5+ 1,85 C
max
max
(11) (12)
Охлаждение на воздухе
HBmax = 250 + 250 C, hi = 0,1мм hmax = 0,75+ 1,5 C
max
max
(13)
(14)
Анализ полученных результатов. Анализ полученных данных показал, что температура нагрева наплавленного слоя по глубине через 0,5 секунд прекращения процесса наплавки в значительной степени зависит от охлаждающей среды (см. рис. 1). Так. На глубине 2 мм температура при охлаждении 5% -ым раствором кальцинированной соды в воде достигает 800 оС, а при охлаждении воздухом достигает 1000 оС, т.е в 1,25 раза больше. На глубине 3 мм разница температур нагрева микрообъёмов поверхностного слоя увеличивается до 2-х раз. На величину скорости охлаждения влияют глубина наплавленного слоя, а также способ его охлаждения (см. рис. 2). При охлаждении 5% -ым раствором кальцинированной соды в воде наплавленного слоя проволокой Св-08А критическая скорость термообработки Уох.кр = 170 оС/с достигается на глубине Ь; = 1,1 мм, точка (в), которая получается при пересечении кривой (1) и пунктирной прямой (4). При охлаждении на воздухе термообработка может произойти до глубины Ь; = 0,2 мм, точка (а). Термическая обработка слоя наплавленного проволокой НП-30ХГСА заканчивается на глубине Ь; = 0,6 мм, точка (б). Легированную сталь не рекомендуется охлаждать в воде, ввиду большой вероятности появления микротрешин. При охлаждении минеральным маслом наплавленного слоя проволокой НП-30ХГСА критическая скорость термообработки Уох.кр = 70 оС/с достигается на глубине Ь; = 1,8 мм, точка (с), При охлаждении на воздухе упрочнение наплавленного слоя происходит до глубины Ь; = 1,0 мм, точка (к).
Термическое упрочнение наплавленного слоя зависит не только от химического состава проволоки, но также и от времени нахождения микрообъёма в зоне выше критической скорости закалки (см. рис. 3). Увеличение глубины рассматриваемого микрообъёма Ь; с 0,02 до 1,0 мм определяет значительное сокращение его нахождения в зоне выше критической скорости закалки Уох.кр и степени упрочнения при охлаждении.
Используя данные о влиянии скорости охлаждения Уох наплавленного слоя на его термическое упрочнение [10], были получены формулы (5), (6) для расчёта твёрдости НВ от Уох при использовании проволок Св-08А и НП-30ХГСА, которые представлены в виде графиков на рисунке 4. Анализ полученных данных показал, что с увеличением скорости охлаждения твёрдость наплавленного слоя проволоками монотонно возрастает как для углеродистой стали (2), так и для легированной (1).
Анализ зависимостей твёрдости НВ наплавленного слоя металла от марки проволоки и способов охлаждения, представленные на рисунке 5, показал, что наибольшая глубина (2 мм) и степень упрочнения 2,17 раза (начальная твёрдость НВ 230) наблюдаются у стали 30ХГСА при охлаждении минеральным маслом. При охлаждении на воздухе эти параметры равны соответственно 1,3 мм и 1,6 раза. При наплавке поверхности проволокой Св-08А с последующим охлаждением 5% -ым раствором кальцинированной соды в воде упрочнение поверхностного слоя (начальная твёрдость НВ 130) происходит до глубины 1,1 мм с увеличением твёрдости в 2,3 раза. При охлаждении наплавленного слоя на воздухе его упрочнение наблюдается до глубины 0,2 мм, а степень упрочнения составляет всего 1,15 раза.
1 На основе полученных результатов разработана методика расчёта глубины и степени термического упрочнения наплавленного слоя металла на изношенную поверхность детали, которая учитывает способ его охлаждения и марку используемой проволоки (электрода).
2 Анализ полученных результатов процесса восстановления показал, что проволока из легированной стали НП-30ХГСА обеспечивает большую глубину и степень упрочнения на-плавленного слоя при разных способах охлаждения по сравнению с проволокой из малоуглеродистой стали Св -08А.
3 Представленные в работе результаты позволяют оптимизировать технологический процесс восстановления наплавкой изношенных поверхностей конкретных деталей сельскохозяйственной техники и почвообрабатывающих орудий по критерию минимальной себестоимости, Спн. ^ min.
Выводы
Библиографический список
1. Технология ремонта машин / Е.А. Пучин, В.С. Новиков, Н.А. Очковский и др. М.: КолосС, 2007. 488 с.
2. Надёжность и ремонт машин / В.В. Курчаткин, Н.Ф. Тельнов, К.А. Ачкасов и др. М.: КолосС, 2000. 776 с.
3. Черноиванов В.И., Лялякин В.П. Организация и технология восстановления деталей машин. М.: ГОСНИТИ, 2003. 488 с.
4. Коршунов В.Я. Новиков Д.А. Оценка энергетической эффективности способов восстановления шеек коленчатых валов при ремонте двигателей // Вестник Брянского государственного технического университета. 2015. № 1. С. 25-27.
5. Коршунов В.Я., Подураев В.Н., Фёдоров В.В. Термодинамический метод прогнозирования рациональных условий эксплуатации алмазно-абразивного инструмента // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 1981. № 2. С. 120-121.
6. Коршунов В.Я., Случевский А.М. Прогнозирование допустимого износа резцов в процессе обработки // Вестник Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горяч-кина. 2010. № 2. С. 135-137.
7. Резников А.Н. Теплофизика процессов механической обработки материалов: учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1981. 279 с.
8. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах: учебник для вузов. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.
9. Блантер М.Е. Фазовые превращения при термической обработке стали. М.: Металлургиздат, 1962. 268 с.
10. Металловедение и термическая обработка стали / под ред. М.Л. Бернштейна, А.Г. Рахштад-та. М.: Металлургиздат, 1983. 368 с.
References
1. The technology of machine repair / A.E. Puchin, V.S. Novikov, N.A. Ochkovski, et al. Moscow: KolosS, 2007. 488p.
2. Reliability and machine repair / V.V. Kurchatkin, N.F. Telnov, K.A. Achkasov. M.: KolosS, 2000.
776 p.
3. Chernoivanov V.I., Lyalyakin V.P. Organization and restoration technology of machine parts. M.: GOSNITI, 2003. 488 p.
4. Korshunov V.Ya., Novikov D. A. Evaluation of the energy efficiency of recovery methods of the crankshaft necks during the repair of enginess // Vestnik of Bryansk State Technical University. 2015. № 1. Р. 25 27.
5. Korshunov V.Ya., Poduraev V.N., Fedorov V.V. Thermodynamic method ofpredicting rational operating conditions of diamond abrasive tools // Proceedings of Higher Educational Institutions. Engineering. 1981. № 2. P. 120-121.
6. Korshunov V. Ya., Sluchevsky A.M. Prediction of acceptable wear of cutters in the process of cultivation // Bulletin of Moscow State Agroengineering University named after V.P. Goryachkin. 2010. № 2. P. 135-137.
7. Reznikov A. N. Thermophysics of material mechanical processing. M.: Mechanical Engineering, 1981. 279p.
8. Reznikov A.N., Reznikov L.A. Thermal processes in technological systems. M.: Mechanical Engineering, 1990. 288 p.
9. Blanter M.E. Phase transformations at heat treatment of steel. M.: Metallurgical, 1962. 268 p.
10. Metal Science and Steel Heat Treatment. Ed. by M. L. Bernshtein, A. G. Rakhshtadt. M.: Metal-lurgizdat, 1983. 368 p.
