CC BY
0MEXANIKA
УДК 621.74
СОЗДАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ НА ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ И ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Бекмурзаев Нурхон Хайитович Ташкентский государственный транспортный университет, к.т.н. доцент nurxonbekmurzayev@gmail.com
Алимухамедов Шавкат Пирмухамедович Ташкентский государственный транспортный университета, д.т.н профессор,
nurxonbekmurzayev@gmail. com
Аннотация. В настоящей статье исследована технология создания биметаллического соединения стали 20ГЛ - твердый сплав системы Fe-Cr-C, формирующегося в процессе получения отливки путем проплавления твердосплавного порошка сплава ПГ-С27 за счет тепла кристаллизующегося расплава. Исследованю поверхностное легирование (борирование и боротитанирование) литых деталей селькохозяйственных и дорожно-строительных машин, непосредственно в процессе получения отливок. Предлагается метод нанесения порошкообразного твердого сплава и боросодержащего вещества на литейную форму. Разработана технология изготовления вставок из твердосплавного порошка на пескострельной машине с помощью специально спроектированного и изготовленного ящика. Установлена зависимость глубины проплавления порошкообразного сплава от поперечного сечения отливки и содержания В4С в составе. Исследован химический состав и микротвердость твердосплавного, борированного и боротитанированного покрытий. Микротвердость твердосплавного покрытия изменяется в пределах от 1000 до 1500 HV. Введения карбида бора в твердый сплав приводит к общему повышению твердости на 200-500 HV, а в приповерхностном слое до 1400-2100 HV. Разработан состав легирующей боросодержащей смеси. Микротвердость борированного и боротитанированного покрытия составляет 1000-2000 HV, и она постепенно уменьшается вглубь покрытия до 600 - 800 HV. Микротвердость боротитанированного покрытия несколько выше, чем у борированного покрытия и имеет микротвердость 1180-2100 HV.
Annotasiya. Ushbu maqolada po'lat 20 GL - Fe-Cr-C tizimining bimetalik birikma qattiq qotishmasini yaratish texnologiyasi berilgan. Bimetall qoplama kristallanayotgan suyuq metalldan ajralib chiqayotgan issiqligi tufayli hosil bo'ladi. Qishloq xo'jaligi va yo'l qurilishi mashinalarining to'g'ridan to'g'ri quyma olish jarayonida olinadigan yurish qismi quyma detallarining ishchi yuzasida legirlangan qoplama (bo'r va bo'rtitan) hosil qilindi va tadqiq etildi. Kukunli qattiq qotishma va bo'rni o'z ichiga olgan moddani quyma qolipga qo'llash usuli taklif etiladi. Maxsus ishlab chiqilgan "issiq quti" yordamida qumotuvchi mashinasida karbid kukunidan qo'yilmalar ishlab chiqarish texnologiyasi taklif etildi. Bimetall qattiq qotishmaning qalinligining bevosita quyma ko'ndalang kesimiga va tarkibidagi bor karbidi kukunining В4С miqdoriga bog'liqligi aniqlanadi. Karbid, bo'rlangan va bo'rtitanlangan qoplamalarning kimyoviy tarkibi va mikqattiqligi o'rganildi. Karbid qoplamasining mikroqattiqligi 1000 dan 1500 HV gacha o'zgaradi. Bo'r karbid kukunining qattiq qotishmaga qo'shilishi qattiqlikning umumiy 200-500 HV o'sishiga olib keladi. Eng yuza sirtga yaqin qatlamda mikroqattiqlik 14002100 HV gacha oshadi. Qattiq qotishma tarkibiga bo'r kukuni qo'shilgan aralashma tarkibi ishlab chiqilgan. Bo'rlangan va bo'titanlangan qoplamaning mikroqattiqligi 1000-2000 HV ni tashkil qiladi va u asta-sekin qoplama ichkarisiga qarab 600-800 HV gacha kamayadi. Bo'rtitanlangan qoplamaning mikroqattiqligi bo'r qoplamasiga qaraganda bir oz yuqori va 1180-
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
MEXANIKA
2100 HV ni tashkil etadi.
Abstract. In this article, the technology of creating a bimetallic compound steel is investigated 20GL is a hard alloy of the Fe-Cr-C system, formed during the casting process by melting the carbide powder of the PG-C27 alloy due to the heat of the crystallizing melt. The surface alloying (boration and borotitanination) of cast parts of agricultural and road construction machines, directly in the process of obtaining castings, is investigated. A method for applying a powdered hard alloy and a boron-containing substance to a casting mold is proposed. A technology has been developed for manufacturing inserts from carbide powder on a sandblasting machine using a specially designed and manufactured box. The dependence of the penetration depth of the powdered alloy on the cross section of the casting and the content of B4C in the composition is established. The chemical composition and microhardness of carbide, borated and borotitanated coatings have been studied. The microhardness of the carbide coating varies from 1000 to 1500 HV. The introduction of boron carbide into a hard alloy leads to an overall increase in hardness by 200-500 HV, and in the near-surface layer up to 1400-2100 HV. The composition of the alloying boron-containing mixture has been developed. The microhardness of the borated and borotitanated coating is 1000-2000 HV, and it gradually decreases deep into the coating to 600-800 HV. The microhardness of the boron-titanized coating is slightly higher than that of the boron coating and has a microhardness of 1180-2100 HV.
Ключевые слова: Износостойкость, долговечность, биметаллическое соединение, борирование, боротитаниырование, твердый сплав, абразивная частица, микротвердость, микроструктура, карбид бора.
Kalit so'zlar: eyilishga bardoshli, chidamli, bimetall birikma, bo'rlash, bo'rtitanlash, qattiq qotishma, abraziv zarracha, mikroqattiqlik, mikrostruktura, bo'r karbidi.
Keywords: Wear resistance, durability, bimetallic compound, boronation, boron titanization, hard alloy, abrasive particle, microhardness, microstructure, boron carbide.
Повышение износостойкости и долговечности сопряженных трущихся поверхностей, работающих в среде закрепленного и свободного абразива, являются актуальной проблемой современного машиностроения.
Детали ходовой части дорожно-строительных машин и сельско-хозяйственной техники являются характерными представителями этого типа сопряженных пар, во многом лимитирующих ресурс работы как самой ходовой части, так и всего машины в целом [1-4, 22].
Повышение абразивной износостойкости деталей машин можно достигать путем получения литых биметаллических соединений с износостойкой составляющей, на основе твердых сплавов Fe-Cr-C, а также в результате поверхностного упрочнения (борирования или боротитанирования).
Основываясь на работах [5-11, 16, 19-21] и др., мы остановились в выборе поверхности из боридов, карбидов и нитридов, которые сопротивляются абразивному износу. К ним относятся карбиды железа и хрома, бориды железа и титана.
С ориентацией на этот фазовый состав разрабатана технология получения биметаллической композиции сталь марки 20ГЛ - сплав ПГ-С27 типа «сормайт» для беговой дорожки звена гусеницы [3, 6]. Суть данной технологии заключается в размещении в литейную форму вставок, изготовленных способом по «горячем» ящикам из порошкообразного, плакированного пульвербакелитом сплава ПГ-С27. При заливке расплавом стали марки 20ГЛ в литейную форму вставка начинает проплавляться, в итоге формируется биметаллический композит. С целью повышения эксплуатационной стойкости в состав сплава ПГ-С27 вводилось до 8% порошка карбида бора (В4С), с зернистостью 0,25 - 0,30 мм.
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
MEXANIKA
Разработка технологии поверхностного борирования отливок катка и ведущего колеса гусеничного трактора потребовала оптимизацию состава наносимой смеси из-за возникающей неравномерности толщины покрытий на вертикальных стенках, связанной с процессом стекания расплава боридной эфтектики. Для снижения концентрации бора в образующимся расплаве и жидкотекучести в состав смеси вводились нейтральная составляющая - маршалит и титан, образующий тугоплавкие бориды [12,14,18]. Оптимизация проводилось с помощью методов математического планирования экспериментов, параметром оптимизации выбрали толщину равномерного, образующегося покрытия, факторами толщины наносимой смеси и содержание в ней титана и маршалита. Обработка результатов экспериментальных данных велась с помощью специальных программ на компьютере. По результатам реализации плана экспериментов определены и сочетания технологических параметров наносимой легирующей смеси, обеспечивающей максимальную толщину равномерного покрытия; толщина смеси 1,5-1,7 мм; количество карбида бора (В4С) в смеси 84-86%, титана 4-6%, маршалита -10%.
Исследование состава, структуры и свойств, полученных по разработанным технологиям износостойких покрытий, показало, что в составе износостойкого покрытия на основе сплава ПГ-С27 находятся наряду с двойными карбидами хрома и железа, цементит и феррит, а в поверхностном слое покрытия, при введении карбида бора зафиксировано образования боридов БеБ, Бе2Б. Общая глубина покрытия составляло 1,5 - 2,0 мм.
Структура покрытия имеет характерное дендритное строение с хорошо дифференцируемыми за эфтектическами, эфтектическами и доэфтектическами зонами в пределах собственно покрытия и зоной науглероживания с перлито-цементитным в смежной области стальной основы.
Микротвердость покрытия меняется от 800-1500 НУ на поверхности до 500-1100 НУ в зоне соединения со сердцевиной стали. Введение карбида бора приводит к общему повышению твердости на 200-500 НУ, и в приповерхностном слое до 1400-2100 НУ.
Борированное и боротитанированное покрытие отличается повышенной концентрацией бора, углерода и титана в поверхностном слое, которые образуют зону на глубине до 0,1-0,2 мм конгломерой фаз Т1Б, БеБ, Бе2Б, переходящий в эфтектическую зону толщиной 0,2 мм и доэфтектическую зону с характерным дендритным строением. Две последние зоны имеют более низкое содержание углерода (С) и бора (В), повышенную концентрацию а- Бе железа и практически не содержат Т1. Общая глубина покрытия 1,7 - 2,3 мм. Максимальная твердость зафиксирована на поверхности 1000-2200 НУ с переходом к стали 170-240 НУ.
На базе обобщения полученных результатов дополненных специальными исследованиями, сформированы механизмы и особенности формирования обоих вариантов износостойких покрытий.
Установлена зависимость глубины проплавления порошкообразного сплава от поперечного сечения отливки и содержания В4С в составе. Доказано, что увеличение толщины отливки от 10 до 35-40 мм повышает глубину проплавления с 1,0 до 2,5 мм, а эффект увеличения глубины проплавления от введения В4С составляет 20-25% при содержании его 4% и 25-30 % при содержании 8% в составе сплава ПГ-С27.
Увеличение толщины отливки свыше 35-40 мм сопровождается образованием «утяжин», а повышение количества карбида бора (В4С) более 8% к растрескиванию покрытия при кристаллизации. Связываются эти факты с расплавлением корочки, разъединяющей расплав сплава ПГ-С27 и стали 20ГЛ, что приводит к образованию «утяжин», а превышение количества В4С свыше 8% сопровождается образованием
Mexanika va Texnologiya ilmiy jumaU 5-jild, 3-son, 2024
MEXANIKA
большого объема боро-карбидной эфтектики, в которых образуются «горячие» трещины при кристаллизации покрытия.
В основе механизма формирования борированного и боротитанированного покрытия лежит процесс диссоциации карбида бора (В4С), адсорбция атомов В и С на поверхности отливки, образования тройной эфтектики Fe-B-C и её эстафетное распространение в глубь отливки.
Результаты лабораторных испытаний показали, что максимальную интенсивность износа имела серийная пара ролик-букса, сочетание борированного ролика с буксой из композиции сплав ПГ-С27 - сталь 20ГЛ гарантирует 4-5 краткое снижение износа по сравнению с серийной парой, а вариант боротитанированный ролик-букса из композиции ПГ-С27 + 4% В4С -стал 20ГЛ - почти 10 кратное снижение износа по сравнению с серийной.
Стендовые испытания пары каток-звено гусеничного хода, польностью имитируют условия работы ходовой части гусеничного трактора. Максимальный износ по результатом испытаний зафиксирован у серийной пары каток-звено, что превышает величину износа парь борированный каток - звено с покрытием из сплава ПГ-С27 в 2,5 раза, а по сравнению с боротитанированной каток - звено из сплава ПГ-С27 +4% В4С -стал 20ГЛ в 4,5 - 5,0 раз [13, 15,17].
Разработанные технологические процессы создания на сопряженных рабочих поверхностях основных деталей двигателя трактора износостойких покрытий решают проблему повышения долговечности комплекса ходовой части в 5 -7 раз, что создает равнопрочный комплекс узлов и механизмов с максимальным сроком службы до капитального ремонта.
В процессе испытаний меняется фазовый состав поверхностного слоя, что согласуется с данными послойного фазового анализа, а также количественное соотношение фаз, обусловленный избирательным характером износа и приводящим к повышению количества тех фаз (Fe3C, Fe2B, FeB, TiB, Cr3C2), сопротивления которых износу выше.
ЛИТЕРАТУРА
1. Bekmurzaev N.X. , Norkhudjaev F.R. , Alimukhamedov SH.P. Development of the optimal composition of the alloying mixture for surface boration of cast parts. ACADEMICIA: An International Multidisciplinary Research Journal ISSN: 2249-7137 Vol. 12, Issue 05, May 2022 SJIF 2022 = 8.252, A peer reviewed journa.
2. . Скляр В.О. Инновационные и ресурсосберегающие технологии в металлургии. Учебное пособие. - Донецк: ДонНТУ, 2014. - 224 с.
3. Бекмурзаев Н.Х., Турсунов Н.К., Норхуджаев Ф.Р., Алимухамедов Ш.П. Повышение износостойкости и долговечности литых деталей ходовой части экскаватора. Монография. Издательство "Транспорт", Ташкент, 2023, 130 с.
4. Бекмурзаев Н.Х. , Норхужаев Ф.Р. К вопросу поверхностного борирования сталных отливок // Сборник материалов республиканской научно-технической конференции "Интеграция науки, образования и производства в машиностроении: тенденции, проблемы и решения", факультет машиностроения Ташкентского государственного технического университета имени Ислама Каримова, Ташкент, 19 мая 2022 г., -С. 141-143.
5. Чепурко М.И., Остренко В.Я., Глускин Н.Я. и др. Биметаллические материалы -Л.: Судостроение, 1984. - 272 с.
6. Сиротенко Л.Д., Шлыков Е.С., Абляз Т.Р. Применение биметаллических материалов в машиностроении // (Эл. журнал) Современные проблемы науки и
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali 5-jild, 3-son, 2024
MEXANIKA
образования. -2015. - № 2. - ч. 1.
7. Король В.К., Гиндельгорн М.С. Основы технологи производства многослойных металлов. - М.: Металлургия, 1970. - 237 с.
8. Bykov A. Bimetal production and applications // Steel in Translation. - 2011. - Vol. 41. - Iss. 9. - P. 778-786.
9. Wrobel T., Szajnar J. Bimetallic casting: ferritic stainless steel - grey cast iron // Archives of metallurgy and materials. - 2015. - Vol. 60. - Iss. 3. - pp. 2361-2365.
10. Yuanhu Yi-qing, Chen Lili Huan-dong, Huzi-ang Zhu. Microstructure and properties of Al/Cu bimetal in liquid-solid compound casting process // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. - June 2016. - Vol. 26. - Iss. 6. - P. 1555-1563.
11. Ширяев В.В., Пеликан О.А., Шинский И.О., Глушков Д.В., Романенко Ю.Н. Технологические особенности производства биметаллических (многослойных) отливок повышенной износостойкости // Металл и литье Украины. - 2009. - № 7-8. - C. 52-56.
12. Nazari J., Yousefi M., Amiri Kerahroodi M.S., Bahrololoumi Mofrad N.S., Alavi Abhari S.H. Production of Copper-Aluminum Bimetal by Using Centrifugal Casting and Evaluation of Metal Interface // International Journal of Materials Lifetime. - 2015. - Vol. 1. -№ 1. - P. 20-28.
13. Патон Б.Е. Избранные труды. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины, 2008. - 893 с.
14. Гринберг Б.А., Иванов М.А., Рыбин В.В. и др. Неоднородности поверхности раздела при сварке взрывом // Физика металлов и металловедение. - 2012. - т. 113. - № 2. - С. 187-200.
15. Малахов А.Ю., Сайков И.В., Первухин А.Б. Особенности сварки взрывом труб по «обратной» схеме // Вестник Тамбовского университета. - 2016. - т. 21. - вып. 3. - С. 1139-1140.
16. Zlobin B.S. Explosion Welding of Steel with Aluminum // Combustion, Explosion and Shock Waves. - May 2002. - Vol. 38. - Iss. 3. - P. 374-377.
17. Prazmowski M., Najwer M., Paul H., Andrzejewski D. Influence of explosive welding parameters on properties of bimetal Ti-carbon steel // MATEC Web Conf. Volume 94, 2017, the 4th International Conference on Computing and Solutions in Manufacturing Engineering. - 2016. - CoSME'16. - p. 8.
18. Шмидт М., Курынцев С.В. Получение биметаллических заготовок с помощью лазерной сварки проплавным швом // Автоматическая сварка. - 2014. - № 4. - C. 47-51.
19. Наплавка. Технологии, материалы, оборудование / Составители: И.А. Рябцев, И.А. Кондратьев, Е.Ф. Переплетчиков, и др. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона НАН Украины,
2015. - 402 с.
20. Соснин Н.А., Ермаков С.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии // Руководство для инженеров. - СанктПетербург: Изд-во Политехнического ун-та, 2013. -406 с.
21. Бафаев Д.Х. Плазменная наплавка, упрочнение и выбор способа восстановления деталей машин // Материалы VI Междунар. науч. конф. - М.: Буки-Веди,
2016. - С. 65-68.
22. Бекмурзаев Н.Х. , Норхужаев Ф.Р., Алимухамедов Ш.П. Международная научная и научно-техническая конференция "Ресурсо-и энергосберегающие инновационные технологии в литейном производстве" 18-19 май, 2023, Ташкент, -С.180-182.
Mexanika va Texnologiya ilmiy jurnali
5-jild, 3-son, 2024
