CC BY
37
УДК 631.316.022;621.791.9;620.18 В.Ф. Аулов, В.В. Иванайский, А.В. Ишков,
Н.Т. Кривочуров, М.В. Полковникова, Ю.Н. Рожков
V.F. Aulov, V.V. Ivanayskiy, A.V. Ishkov,
N.T. Krivochurov, M.V. Polkovnikova, Yu.N. Rozhkov
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН
ИНДУКЦИОННОЙ НАПЛАВКОЙ
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF A NEW MATERIAL FOR STRENGTHENING THE WORKING TOOLS OF AGRICULTURAL MACHINES BY INDUCTION SURFACING
Ключевые слова: индукционная наплавка, ферро-силид, сормайт, карбиды, бориды, износостойкость, наплавочные материалы.
С учетом природы износа наличие на большинстве рабочих органов сельскохозяйственных машин режущей кромки, а также необходимость сохранения заданных формы и размеров - их упрочнение, защита от вредных воздействий обрабатываемого материала и факторов окружающей среды всегда являются актуальными задачами. В работе проведено исследование возможности получения нового упрочняющего материала для индукционной наплавки системы Fe-Si-С-Cr-Cu-Mn-Ni металлургическим способом, а также исследование структуры и свойств упрочняющих покрытий, полученных индукционной наплавкой. Для получения нового твердого сплава использовали смесь 2 чугунов: ферросилида марки ФС-17 и сормайта марки № 1, кроме того, для снижения хрупкости в материал вводили электротехническую медь марки М1. Состав сплава, % мас.: ферросилид ФС-17 - 60-70, сормайт № 1 - 25-20, медь М1 - 15-10. Сплав имеет пониженное в 5,8-8,8 раз содержание хрома, по сравнению с используемыми в настоящее время материалами систем Fe-Cr-C, Fe-Ni-C и аналогичными, т.е. является экономно-легированным. При индукционной наплавке нового сплава на образцы из стали 65Г происходит образование упрочняющего покрытия с твердостью 830-920 HV1oo.
Аулов Вячеслав Федорович, к.т.н., вед. н.с., ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», г. Москва, Российская Федерация, е-mail: [email protected].
Иванайский Виктор Васильевич, д.т.н., доцент, профессор, ФГБОУ ВО Алтайский ГАУ, г. Барнаул, Российская Федерация, е^Н: [email protected].
Keywords: induction surfacing, ferrosilide, sormite, carbides, borides, wear resistance, surfacing materials.
Taking into consideration the nature of wear, the presence of a cutting edge on most of the working tools of agricultural machines as well as the need to maintain a given shape and size - their strengthening, protection against the harmful effects of the processed material and environmental factors are always urgent tasks. A study was carried out on the possibility of obtaining a new hardening material for induction surfacing, the Fe-Si-C-Cr-Cu-Mn-Ni system by a metallurgical method as well as a study of the structure and properties of hardening coatings by induction surfacing. To obtain a new hard alloy, a mixture of two cast irons was used: ferrosilide FS-17, and sormite No. 1; in addition, to reduce fragility, electrical copper M1 (all compounds - in Russian) was introduced into the material. The alloy composition is as following, wt. %: ferrosilide FS-17 - 60-70, sormite No. 1 - 25-20, copper M1 - 15-10. The alloy has a 5.8-8.8 times lower chromium content as compared to the currently used materials of the Fe-Cr-C, Fe-Ni-C and similar systems, i.e. it is economically high-hardened. During induction surfacing of a new alloy on 65Mn steel specimens, a hardening coating with hardness of 830-920 HV100 is formed.
Aulov Vyacheslav Fedorovich, Cand. Tech. Sci., Leading Staff Scientist, Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected]. Ivanayskiy Viktor Vasilyevich, Dr. Tech. Sci., Prof., Altai State Agricultural University, Barnaul, Russian Federation, e-mail: [email protected].
Ишков Алексей Владимирович, к.х.н., д.т.н., доцент, профессор, ФГБОУ ВО Алтайский ГАУ, г. Барнаул, Российская Федерация, e-mail: [email protected]. Кривочуров Николай Тихонович, к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО Алтайский ГАУ, г. Барнаул, Российская Федерация, е-mail: [email protected]. Полковникова Марина Викторовна, аспирант, ФГБОУ ВО Алтайский ГАУ, г. Барнаул, Российская Федерация, e-mail: [email protected]. Рожков Юрий Николаевич, м.н.с., ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», г. Москва, Российская Федерация, e-mail: [email protected].
Введение
Рабочие органы (РО) сельскохозяйственных машин постоянно взаимодействуют с обрабатываемым материалом (почвой, частями растений, компонентами кормов и пр.), а также испытывают нагрузки, связанные с особенностями выполняемых ими операций, и находятся под постоянным воздействием агрессивных внешних факторов (абразивные частицы почвы и почвенная влага, влажный воздух, кислые соки растений и пр.), что приводит к их изнашиванию. Учитывая объективные причины износа деталей, наличие на большинстве РО режущей кромки и необходимость сохранения заданных формы и размеров в течение всего срока их службы, можно утверждать, что их упрочнение, защита от вредных воздействий обрабатываемого материала и вредных факторов окружающей среды всегда являются актуальными задачами [1]. Поэтому для увеличения срока службы деталей их выполняют из более износостойких материалов или упрочняют.
Для поверхностного упрочнения РО, выполненных, как правило, из различных конструкционных и легированных сталей, широко применяют различные методы создания износостойких, функциональных покрытий из: порошковых материалов, керамики, одно- и многослойных металлических слоев, покрытия из твердых сплавов и др. [2]. В современном сельскохозяйственном машиностроении широко применяются технологии упрочнения РО покрытиями из сплавов и псевдосплавов систем Fe-Cr-C, Ni-Cr и пр. [3].
Основной характеристикой упрочняющего покрытия является его износостойкость, которая во многом определяется составом и структурой материала. Материаловедческие подходы к формированию структуры износостойкого покрытий, технологии их нанесения и ассортимент износостойких материалов известны еще с 70-
Ishkov Aleksey Vladimirovich, Cand. Chem. Sci., Dr. Tech. Sci., Prof., Altai State Agricultural University, Barnaul, Russian Federation, e-mail: [email protected]. Krivochurov Nikolay Tikhonovich, Cand. Tech. Sci., Assoc. Prof., Altai State Agricultural University, Barnaul, Russian Federation, e-mail: [email protected]. Polkovnikova Marina Viktorovna, post-graduate student, Altai State Agricultural University, Barnaul, Russian Federation, e-mail: [email protected]. Rozhkov Yuriy Nikolayevich, Junior Staff Scientist, Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM, Moscow, Russian Federation, e-mail: [email protected].
80-х годов прошлого века и применяются до сих пор [3, 4]. Тем не менее износостойкость этих материалов в отдельных случаях (молотки дробилок, ножи измельчителей, лемехи плугов, стрельчатые лапы плоскорезов и др.) может оказаться недостаточной [5]. Поэтому необходимо проводить систематические исследования как по улучшению характеристик уже известных материалов, так и по поиску новых систем, пригодных для получения упрочняющих покрытий РО, в т.ч. применяемым в сельхозмашиностроении высокопроизводительным методом индукционной наплавки (ИН) [6].
С этой целью авторским коллективом проводится как модификация известных наплавочных материалов системы Fe-Cr-C [7], так и поиск новых металлургических и композиционных систем для упрочняющих покрытий РО. Так, нами были предложены, исследованы структура и свойства, разработаны технологии упрочнения различных РО покрытиями на основе системы Fe-B-FeBn [8], покрытия на основе интерметалли-дов систем Fe-Al и Ni-Al [9]. Также возможно применение материалов и иных систем, отвечающих общим технологическим критериям ИН, и в которых образуются износостойкие сплавы и химические соединения при температурах до 1100-1350°С.
Цель работы - исследование возможности получения нового упрочняющего материала для индукционной наплавки системы Fe-Si-C-Cr-Cu-Mn-Ni металлургическим способом, а также исследование структуры и свойств упрочняющих покрытий, полученных индукционной наплавкой.
Экспериментальная часть
Для получения нового износостойкого сплава использовали смесь 2 чугунов: специального, кислотостойкого - ферросилида марки ФС-17 и износостойкого, высокохромистого - сормайта марки № 1. Кроме того, для снижения хруп кости
в материал вводили электротехническую медь марки М1. После расчета баланса плавки материалы брали в соотношении, %, мас.: ферросилид ФС-17 60-70, сормайт № 1 25-20,
медь М1 15-10.
Все компоненты будущего сплава загружали в завалку в кислый кварцевый керамический тигель Fornax-Т® объемом 110 мл в виде навесок из расчета на 50 г готового сплава. Сверх завалки в тигель добавляли 2-3 г графита марки ГЛС и 3-5 г смеси жженной извести и мела (1:1), после чего полученную шихту покрывали слоем толщиной 1 -2 см, организуя пробку из порошковой смеси безводной буры и сварочного флюса АН-348А(М).
Плавку материала осуществляли в соленоидном индукторе-печи (установка ЭЛСИТ-100/75) при следующих параметрах: I = 50-75%, f = 45-50 кГц, t = 80-120 с, с 2 остановами при 60 и 80 с, для снятия (слива) шлака через боковое отверстие тигля. Выход готового сплава составил 95-98%. Наплавку образцов размером 20*30*5 мм из стали 65Г осуществляли на той же установке в щелевом индукторе шихтой, содержащей новый сплав и 15-20 мас.% флюса П-0,66 при следующих параметрах: I = 85-90%, f = 70-75 кГц, t = 90-120 с.
У полученных покрытий определяли: химический состав (рентгено-флюоресцентным методом, прибор X-MET 7500); макро- и микроструктуру (комплекс металлографического оборудования: отрезной станок MICRACUT-201, пресс METAPRESS-P, шлифовальная машина DIGIPREP, микроскоп CARL ZEISS AXIO OBSERVER-Z1M); качественный состав карбидов (10%-ный щелочной раствор K3[Fe(CN)6] -реактив Мураками); структуру и микротвердость покрытий (травление 2-4%-ным спиртовым раствором HNO3, микротвердомер MH-6, нагрузка 100 г).
Результаты и их обсуждение
Использование в составе предлагаемого нового износостойкого сплава экономно легирующего его элемента - хрома (вводимого в состав из сормайта № 1) и других элементов (вводимых в основном из ферросилида) предполагает такое его содержание в сплаве и далее в наплавленном слое, которое в совокупности с углеродом будет являться минимально необходимым и достаточным для образования хромо-карбидные
эвтектики типа А+К2, основными компонентами которых, как известно, являются игольчатые карбиды хрома СГ7С3 и специальные ортогональные карбиды (Сг, Рв)7Сз [10].
Такие карбиды и спецкарбиды обладают более высокими эксплуатационными свойствами (главным образом, твердостью и износостойкостью), чем высшие карбиды СГ2С3 и карбиды в составе ледебуритной эвтектики, образующейся при индукционной наплавке большинства традиционных износостойких материалов. Кроме того, чугун ФС-17 сам по себе обладает высокой твердостью и износостойкостью [11].
При получении нового наплавочного материала системы Ре-ЗьС-Сг-Си-Мп-М, по сути, происходит разбавление сормайта №1 ферросили-дом и медью, поэтому содержание самого дорогого легирующего элемента - Сг в новом сплаве снижается, а также изменяется химический состав по другим элементам.
Из данных таблицы следует, что обеспечивается, во-первых, более низкое содержание дефицитного легирующего элемента - хрома в новом материале, что позволяет решать одну из основных задач изобретения; во-вторых, после сплавления обоих чугунов (ФС-17 + Сормайт № 1) в тигле и далее на упрочняемой поверхности (рис. 1) образуется сплав, который по своему химическому брутто-составу оказывается близким уже не к чугунам (в «классической» системе Ре-С), а к среднелегированным хромистым сталям, с повышенным содержания кремния. Но сталью (в «классической» терминологии) система Ре-ЭьС-Сг-Си-Мп-М все же не является. Поэтому и решается основная задача исследования - при повышении стойкости нового материала к знакопеременным ударным нагрузкам (за счет высокой пластичности сталей) он по-прежнему не теряет и высокой твердости, и износостойкости чугунов.
Как показали результаты химического анализа (рис. 1), после расплавления и ИН наплавочной шихты на упрочняемой поверхности заготовки из стали 65Г химический состав сплава содержит уже 7-10% Сг и до 1,0-1,4% С, что и обеспечивает получение спецкарбидов в износостойком слое. При этом медь, специально вводимая в износостойкий сплав, и привносимый сормайтом никель также участвуют в образовании новой немагнитной фазы-основы сплава, повышая ударную вязкость материала.
Таблица
Составы нового и некоторых известных наплавочных материалов
Элемент, % мас. Fe Сг Си Si Ni Mn С B
Новый сплав Остальное 4,3 8,5 15,3 1,3 2,2 2,5 5,5
Сормайт № 1 То же 25-31 - 2,8-4,2 3-5 1,5 2,5 -
Сормайт № 2 То же 13-17 - 1,5-2,2 1,3-2,1 до 1 3,3 -
ПГ-УС25, ПГ-С27 То же 25-38 - До 2,2 0,8-1,4 <2,5 До 4,9 До 1,2
40000 20000 0
1А 11.
Энергия [кэб]
Рис. 1. Рентгенофлюоресцентный спектр упрочняющего покрытия, полученного из нового материала индукционной наплавкой на сталь 65Г
Из рисунка 2 видно, что в структуре наплавленного слоя прослеживаются несколько характерных зон (снизу-вверх): материал основы, в котором в результате термообработки (ТВЧ-нагрев-самозакалка-самоотпуск) сформировалась мелкодисперсная феррито-перлитная структура с включениями мартенсита; на границе раздела сталь 65Г-наплавленный материал видна аустенитная прослойка; далее следует собственно наплавленный слой, в котором формируется трехзонная макроструктура.
Рис. 2. Микроструктура упрочняющего покрытия (200х), полученного из нового материала индукционной наплавкой на сталь 65Г
В нижней части наплавленного слоя наблюдаются дендритоподобные структуры с высокой упорядочностью, которые по результатам мик-рорентгеноспектрального анализа являются бо-ридами и карбоборидами переменного состава Fe(C,B)n, распределёнными в смешанной эвтектике Fe-B, Fe-Si; далее карбориды постепенно уменьшаются в размерах, теряют высокие порядки и начинается переходный слой, основу которого составляет практически чистая эвтектика Fe-Si; за ним следует поверхностный слой, содержащий мелкодисперсные карбиды СГ3С2, СГ7С3 и спецкарбиды СГ23С6 хрома, распределённые в эвтектике Fe-Si, которые при травлении данным реактивом окрашиваются.
Главной фазой покрытия является ферроси-лид (серые области), который кристаллизуется в крупнозернистые игольчатые и пластинчатые оплавленные структуры, по границам зерен которых выделяются: дендритоподобные бориды (карбобориды) I и II порядка; карбидная фаза -мелкие частицы карбидов СГ2С3, СГ7С3 правильной и игольчатой формы, а также крупные частицы спецкарбидов хрома (C^Fe^, (Сг^^Сб, которые при травлении реактивом Мураками окрашиваются в фиолетовый цвет. По относительному содержанию карбиды в новом материале можно условно расположить в сле-
дующий ряд: (Cr,Fe)23Cs > (Cr,Fe)7C3 > C7C3 > Cr2C3.
Микротвердость, измеренная в различных зонах полученного покрытия, несмотря на структурную неоднородность, оказалась примерно одинаковой и равной 830-920 HV100, доходя в зонах локализации боридов до 1040-1160 HV100, а карбидов (спецкарбидов) - 2400-2450 HV100.
Таким образом, новый экономно-легированный хромом твердый сплав системы Fe-Si-C-Cr-Cu-Mn-Ni, полученный металлургическим способом, может с успехом использоваться для упрочнения рабочих органов сельскохозяйственных машин методом индукционной наплавки.
Выводы
1. Металлургическим способом удалось получить новый материал системы Fe-Si-C-Cr-Cu-Mn-Ni, пригодный для индукционной наплавки и упрочнения рабочих органов сельскохозяйственных машин.
2. Материал имеет пониженное в 5,8-8,8 раз содержание хрома, по сравнению с используемыми в настоящее время материалами систем Fe-Cr-C, Fe-Ni-C и аналогичными, т.е. является экономнолегированным. Основой упрочняющих покрытий из нового сплава являются фазы: ферросилида (легированного медью), карбидов и спецкарбидов хрома, а также различных бори-дов.
3. При индукционной наплавке нового сплава в виде шихты с плавленым боратным флюсом для индукционной наплавки П-0,66 на образцы из стали 65Г происходит образование бездефектного покрытия со средней твердостью 830-920 HV100.
Библиографический список
1. Износостойкие композиционные покрытия для рабочих органов сельхозмашин: монография / С. А. Соловьев, В. В. Иванайский, А. В. Ишков [и др.]. - Москва: РАН, 2019. - 187 с. - Текст: непосредственный.
2. Klebanov, Boris M.; Barlam, David M.; Nys-trom, Frederic E. Machine Elements: Life and Design. - NYS: CRC Press, 2008.
3. Наплавочные материалы стран-членов СЭВ: каталог. - Киев; Москва: ВИНИТИ, 1979. -619 с. - Текст: непосредственный.
4. Хасуи, А. Наплавка и напыление / А. Ха-суи, О. Моригаки; перевод с японского В. Н. Попова; под редакцией В. С. Степина, Н. Г. Ше-
стеркина. - Москва: Машиностроение, 1985. -240 с.: ил.
5. Ишков, А. В. Композитные покрытия системы Fe-Cr-C-B для упрочнения деталей машин: монография / А. В. Ишков, В. В. Иванайский, Н. Т. Кривочуров. - Саарбрюккен: LAP LAMBERT, 2014. - 296 с. - Текст: непосредственный.
6. Индукционная наплавка твердых сплавов / В. Н. Ткачев, Б. М. Фиштейн, Н. В. Казинцев, Д. А. Алдырев. - Москва: Машиностроение, 1970. - 177 с. - Текст: непосредственный.
7. Shchegolev, A.V., Aulov V.F., Ishkov A.V., et al. (2018). Modification of wear-resistant coatings of Fe-Cr-C system based on the Cr3C2 obtained with help of SHS method. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 441: 012047. doi: 10.1088/1757-899X/441 /1 /012047.
8. Износостойкие боридные покрытия для почвообрабатывающих органов сельхозтехники / А. В. Ишков, Н. Т. Кривочуров, Н. М. Мишустин [и др.]. - Текст: непосредственный // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2010. - № 9 (71). - С. 71 -75.
9. Применение интерметаллидов для повышения износостойкости покрытий при скоростном ТВЧ-борировании / А. С. Дорохов, А. В. Ишков, В. В. Иванайский [и др.]. - Текст: непосредственный // Технический сервис машин. - 2019. - № 3 (136). - С. 143-155.
10. Гаркунов, Д. Н. Триботехника (износ и безизносность): учебник / Д. Н. Гаркунов. -4-е изд., перераб. и доп. - Москва: Изд-во МСХА, 2001. - 614 с. - Текст: непосредственный.
11. Изучение свойств ферросплавов и лигатур для микролегирования и раскисления стали / В. С. Игнатьев, В. А. Вихлевщук, В. М. Черного-рицкий [и др.]. - Текст: непосредственный // Известия вузов. Черная металлургия. - 1988. -№ 6. - С. 37-42.
References
1. Iznosostoikie kompozitsionnye pokrytiia dlia rabochikh organov selkhozmashin: monografiia / S.A. Solovev, V.V. Ivanaiskii, A.V. Ishkov, N.T. Krivochurov, V.P. Lialiakin, V.F. Aulov. - Moskva: RAN, 2019.
2. Klebanov, Boris M.; Barlam, David M.; Nys-trom, Frederic E. Machine Elements: Life and Design. - NYS: CRC Press, 2008.
3. Naplavochnye materialy stran-chlenov SEV: katalog. - Kiev - Moskva: VINITI, 1979.
4. Khasui, A. Naplavka i napylenie / A. Khasui, O. Morigaki; per. s iaponsk. V.N. Popova; pod red. V.S. Stepina, N.G. Shesterkina. - Moskva: Mashi-nostroenie, 1985. - 240 s.; il.
5. Ishkov A.V. Kompozitnye pokrytiia sistemy Fe-Cr-C-B dlia uprochneniia detalei mashin: mono-grafiia / A.V. Ishkov, V.V. Ivanaiskii, N.T. Krivo-churov. - Saarbriukken: LAP LAMBERT, 2014.
6. Tkachev, V.N. Induktsionnaia naplavka tverdykh splavov / Tkachev V.N., Fishtein B.M., Kazintsev N.V., Aldyrev D.A. - Moskva: Mashi-nostroenie, 1970.
7. Shchegolev, A.V., Aulov V.F., Ishkov A.V., et al. (2018). Modification of wear-resistant coatings of Fe-Cr-C system based on the Cr3C2 obtained with help of SHS method. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 441: 012047. doi: 10.1088/1757-899X/441 /1/012047.
8. Iznosostoikie boridnye pokrytiia dlia pochvoobrabatyvaiushchikh organov selkhoz-tekhniki / A.V. Ishkov, N.T. Krivochurov, N.M. Mishustin i dr. // Vestnik Altaiskogo gosudar-stvennogo agrarnogo universiteta. - 2010. -No. 9 (71). - S. 71-75.
9. Primenenie intermetallidov dlia povysheniia iznosostoikosti pokrytii pri skorostnom TVCh-borirovanii / A.S. Dorokhov, A.V. Ishkov, V.V. Ivanaiskii, N.T. Krivochurov, V.F. Aulov, V.I. Ivanov // Tekhnicheskii servis mashin. - 2019. - No. 3 (136). - S. 143-155.
10. Garkunov, D.N. Tribotekhnika (iznos i be-ziznosnost): uchebnik / D.N. Garkunov. - 4-e izd., pererab. i dop. - Moskva: Izd-vo MSKhA, 2001.
11. Izuchenie svoistv ferrosplavov i ligatur dlia mikrolegirovaniia i raskisleniia stali / V.S. Ignatev, V.A. Vikhlevshchuk, V.M. Chernogoritskii i dr. // Izvestiia VUZ-ov. Chernaia metallurgiia. - 1988. -No. 6. - S. 37-42.
^ ^ +
УДК 631.372:631.51
Н.И. Селиванов, В.В. Аверьянов N.I. Selivanov, V.V. Averyanov
СОСТАВ ИННОВАЦИОННОГО ТРАКТОРНОГО ПАРКА В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ
THE STRUCTURE OF INNOVATIVE TRACTOR FLEET IN THE AGRICULTURAL SECTOR OF THE KRASNOYARSK REGION
Ключевые слова: природная зона, регион, типоразмер трактора, нормативная потребность, инновационный парк.
Цель работы - обоснование структуры и состава инновационного тракторного парка для растениеводства Красноярского края. Регион является одним из основных производителей зерновых в Сибирском федеральном округе с наибольшей достигнутой урожай-
ностью 32,0 ц/га за счет внедрения ресурсосберегающих технологий их производства, адаптированных к существенно отличающимся природно-климатическим зонам и хозяйственно-экономическим условиям основных товаропроизводителей. Для закрепления и дальнейшего повышения достигнутых результатов обоснована коренная модернизация тракторного парка. В основу формирования и структуры состава инновационного тракторного парка положили рациональный двух-
