CC BY
121
УДК 669.131.7:621.78-97
ВЫБОР МАТЕРИАЛА И МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РЕЖУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ БУЛЬДОЗЕРОВ
В.И. Мощенок, доцент, к.т.н., В.П. Тарабанова, доцент, к.т.н., Н.А. Лалазарова, доцент, к.т.н., Н.А. Проскурня, ХНАДУ
Аннотация. В качестве материала ножей бульдозеров предложено использовать высокопрочный чугун с шаровидным графитом. Для повышения уровня механических свойств и износостойкости чугун подвергают различным видам закалки.
Ключевые слова: режущие элементы, бульдозерный отвал, высокопрочный чугун с шаровидным графитом, закалка, износостойкость.
Введение
Повышение качества и эффективности дорожно-строительных машин, их долговечности и ремонтопригодности способствует ускорению темпов работы на всех стадиях строительства дорог. Важное значение при этом имеет повышение износостойкости рабочих органов, взаимодействующих со средой. Эта задача решается путём совершенствования конструкций машин, применения новых материалов и новых технологических методов их изготовления.
Анализ публикаций
Для дорожно-строительных машин одной из главных причин потери работоспособности рабочих органов является абразивное и ударно-абразивное изнашивание. Рабочим органом бульдозера является отвал, а режущими элементами - ножи, которые крепятся к отвалу. Средние ножи изготавливают из листового проката. Для повышения долговечности на режущие кромки ножей наносят износостойкие покрытия [1]. Левым и правым боковыми ножами защищают края отвала.
Получают боковые ножи методом литья из износостойкой стали [2]. Боковой нож является плоской пластиной, боковая и нижняя внешние кромки которой утолщены для повышения срока их службы. Ножи изготавливают из легированных и углеродистых сталей:
2 1
Рис. 1. Режущие ножи: 1 - средний, 2 - боковой правый, 3 - боковой левый , 4 - отвал
110Г13Л, 65Г, 15ХСНД, Ст 5 с наплавкой (рис. 2) и др.
Рис. 2. Поверхность ножа с износостойким покрытием
В литературе приводятся данные результатов исследований износостойкости ножей для двух основных случаев работы: ножи металлические с разными видами термообработки и ножи с наплавленными рабочими поверхностями. Влияние способа термообработки на износостойкость было проверено при изнашивании ножей, подвергнутых закалке. Ножи с упрочненной закалкой на глубину 3 - 4 мм обладают большим запасом вязкости и мало подвержены сколу при ударных нагрузках. При глубине закалки на 3 - 4 мм
износостойкость сталей 45 и 65Г одинакова, элементов бульдозеров, которые работают в
что позволяет рекомендовать более дешёвую условиях абразивного изнашивания и удар-
сталь 45 к широкому применению [1]. ных нагрузок.
Наплавка рабочей поверхности ножа износостойким покрытием является эффективным методом повышения износостойкости. Применяют наплавку твёрдыми сплавами, сор-майтом (доэвтектический сплав карбидного класса на основе хрома, структура мелкозернистая, дендритная, средняя микротвёрдость 656 МПа), электродами Т-620 (мелкозернистый железоуглеродистый сплав карбидного класса с ярко выраженными дендритами и избыточным аустенитом), порошком ПЛ-У40Х38Г2 и др.
В работе [3] в качестве материала ножей бульдозеров предлагается использовать высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧШГ) марки ВЧ50. Этот материал не является типичным для изготовления режущих элементов и вообще деталей, работающих в условиях абразивного износа и ударных нагрузок. Однако экспериментальные исследования показали высокую работоспособность ножей из высокопрочного чугуна.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом сочетает технологичность серого чугуна с комплексом свойств более высоких, чем у ковкого чугуна и в ряде случаев даже литой и кованой стали [4].
Эти чугуны являются серьёзным конкурентом традиционно используемым легированным сталям, что объясняется очевидным преимуществом ВЧШГ как в технологическом, так и в экономическом аспектах. Технологичность чугуна - его хорошие литейные свойства - особенно важна при изготовлении боковых ножей бульдозеров, имеющих фасонную форму. Использование чугуна вместо легированных сталей позволяет снизить расход сырья на 20 %, сократить время производства в 4 раза, уменьшить вес изделий на 10%, уменьшить стоимость производства на 30 % [3]. Поэтому высокопрочный чугун является перспективным материалом для режущих элементов строительных и дорожных машин.
Цель и постановка задачи
Целью работы является выбор материала и режимов термической обработки режущих
Для достижения данной цели необходимо исследовать влияние структуры и механических свойств чугуна на его износостойкость.
Материал и методики исследования
Для проведения исследований был выбран высокопрочный чугун следующего химического состава: 3,3-3,8 % С; 2,4-3,2 % Si; С+1/3 Si = 4,25-4,35 %; 0,004-0,007 % S; 0,50,9% Мп; 0,045-0,008 % Р; 0,05-0,1 % Сг; 0,1-
0,15 % №; 0,04-0,09 % Мg. Этот чугун широко применяется в промышленности. Для его получения не требуется дефицитных легирующих добавок и модификаторов.
Графит сравнительно равномерно распределён по сечению отливки. Размеры графитовых включений колеблются в пределах 20 - 100 мкм, но основная масса (60 %) графитовых включений имеют размеры 30 - 60 мкм.
Исходный чугун характеризуется развитой ликвацией всех химических элементов, входящих в его состав, в частности, кремний подвержен значительной обратной ликвации, марганец и фосфор прямой. При среднем содержании в металле 2,6 % кремния в около-графитных объёмах его количество достигает 3,6 %. Литой чугун неоднороден и по структуре (рис. 3) и по распределению химических элементов. Феррит сосредоточен в основном в околографитной зоне.
Рис. 3. Микроструктура исследованного чугуна в литом состоянии, *450
Благодаря такой неоднородной структуре в литом состоянии ВЧШГ обладает недостаточно высокими показателями прочности, ударной вязкости, износостойкости. Для повышения уровня свойств применяется термическая обработка, цель которой устранить химическую неоднородность и изменить микроструктуру чугуна. Наиболее широко применяются в промышленности следующие
виды термической обработки чугуна: нормализация из надкритического интервала температур, нормализация из межкритического интервала температур (МКИ), изотермическая и индукционная закалка, объёмная закалка с низким отпуском и др.
Наибольшее влияние на износостойкость оказывают твёрдость и микроструктура сплавов. Поэтому для проведения исследований были выбраны следующие режимы термической обработки: изотермическая закалка, закалка из МКИ и закалка из надкритического интервала.
Исследования износостойкости проводили в условиях максимально приближённых к условиям работы режущих элементов. Установка представляет собой барабан, который опирается на ролики и получает вращение от электродвигателя. Образцы закрепляются на внутренней поверхности барабана, барабан засыпается абразивом и начинает вращаться. Определяли относительную износостойкость чугуна (по отношению к стали 110Г13Л).
Повышение износостойкости зубьев из ВЧШГ
В результате изотермической закалки в структуре сохраняется феррит и после изотермической выдержки при 400 °С структура чугуна: бейнит и феррит (рис. 3, а). Данная структура обеспечивает достаточную ударную вязкость чугуна - КС=73- 80 Дж/см2.
После закалки и низкого отпуска иголки мартенсита соседствуют с участками феррита (рис. 4, б). Наличие феррита не позволяет получить очень высокую твёрдость чугуна, но способствует получению небольших значений ударной вязкости (КС=20 Дж/см2). Наличие мягких структур способствует также предотвращению появления трещин в процессе закалки.
а б
Рис. 4. Микроструктура чугуна после: а -изотермической закалки; б - закалки из МКИ и низкого отпуска, *450
После закалки из надкритического интервала температур и низкого отпуска структура чугуна - крупноигольчатый мартенсит, имеющий высокую твёрдость и низкую ударную вязкость (КС=10 Дж/см2).
После термической обработки проводили из-носные испытания чугунов. Результаты исследований представлены в табл. 1.
Таблица 1 Результаты испытаний чугуна на износостойкость
№ п/п Состояние чугуна Твёр- дость НВ Относи- тельный износ
1 Литое состояние 210-220 0,45
2 Изотерми-чес-кая закалка 360-390 0,95
3 Закалка из МКИ + низкий отпуск 470-480 0,9
4 Закалка из надкритического интервала+ низкий отпуск 530-560 0,87
Наибольшую износостойкость имеет чугун после изотермической закалки, так как образуется структура бейнита, представляющая собой мелкодисперсную игольчатую смесь феррита и цементита. Чугун с такой структурой хорошо работает в условиях абразивного износа и ударных нагрузок. На образцах со структурой мартенсит отпуска часто наблю-даюлись выкрашивания и сколы. Чугун со структурой мартенсит отпуска и феррит менее подвержен сколам и выкрашиваниям, чем со структурой мартенсит отпуска.
Выводы
Так как режущие элементы бульдозеров подвергаются интенсивному абразивному изнашиванию и ударным нагрузкам со стороны грунта, то материал и термическая обработка должны обеспечить достаточную, для предупреждения скола, ударную вязкость, и для обеспечения сопротивления абразивному изнашиванию — высокую износостойкость.
Высокопрочный чугун с шаровидным графитом отличается технологичностью (хорошими литейными свойствами), экономичностью, высоким комплексом свойств после различных режимов термической обработки. Для землеройных отвалов, которые используют при разработке грунтов и насыпных материалов, бульдозера можно рекомендовать в качестве режущих элементов использовать ВЧШГ, который подвергнут объёмной закалке из МКИ и низкому отпуску.
Для более тяжёлых условий работы можно рекомендовать ножи из ВЧШГ после изотермической закалки.
Литература
1. Рейш А.К. Повышение износостойкости
строительных и дорожных машин. — М.: Машиностроение, 1986. — 184 с.
2. Петров И.В., Домбровская И.К. Повыше-
ние долговечности рабочих органов дорожных машин наплавкой. — М.: Транспорт, 1970 — 104 с.
3. Малышева И.Е., Малинов Л.С. Влияние
термической обработки на износостойкость высокопрочного чугуна ВЧ50 // Мир техники и технологий. — 2004. — №1. — С. 39 - 40.
4. Солнцев Л.А., Зайденберг А.М., Ма
лый А.Ф. Получение чугунов повышенной прочности. — Харьков: Вища шк. Изд-во при Харьков. ун-те, 1986. — 152 с.
Рецензент: А.И. Пятак, профессор, д. ф.-м. н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 26 июня 2007 г.
