Упрочняющие технологии для элементов конструкций почвообрабатывающих орудий

 

Представленный пример научною поиска решения проблемы свидетельствует о необходимости  перехода на использование современных достижений научно-технического прогресса на всех этапах их изготовления: получение заготовки и её упрочнение. При этом должны широко применяться ресурсо- и энергосберегающие технологии: тепловое и горячее термопластическое деформирование, объёмное термическое модифицирование; высокочастотное объёмное термическое модифицирование; лазерное упрочнение; плазменное упрочнение, диффузионное намораживание и др. методы [5].

 

1.2 Структурообразование  при плазменной и лазерной обработке.

 

В основу технологий получения  заготовок деталей рабочих органов должны быть положены методы плазменной и лазерной резки (раскройки листового проката), штамповки, ковки, поперечной и продольной клиновой прокатки. Особое внимание должно быть уделено технологии формообразования режущей части деталей. Обработку резанием при заточке лицевой части изделия должны заменить высокопроизводительные технологии с применением с применением поперечной и продольной клиновой прокатки (рис. 5) [9].

Рисунок 5. Принципиальная схема поперечной клиновой прокатки: 1-станина; 2-упор; 3-ролики; 4-заготовка; 5-плита

 

В лаборатории поперечной клиновой прокатки ГНУ «ФТИ НАН Беларуси»  разработаны технологии термопластической обработки заготовок ножей измельчающего аппарата кормоуборочного комбайна, лемехов плугов, лап культиваторов, ножей свеклоуборочного комбайна, зубьев роторной бороны, ножей роторной косилки.

Заготовка после поперечной или продольной прокатки подвергается объемному термическому или высокочастотному объёмному термическому модифицированию и другом методам упрочнения [8].

Объёмное термическое  модифицирование осуществляется термическим  воздействием на деталь в твердом состоянии. Воздействие осуществляется как в непрерывном, так в импульсном режиме нагрева. Наибольшее распространение получила поверхностная закалка, обусловленная полиморфными превращениями. При этом в поверхностном слое может происходить существенное изменение параметров кристаллической решётки, а также изменение типа решётки. В общем случае происходит изменение зеренной структуры (рис. 6).

 

Рисунок 6. Кинематическая схема установки для термического модифицирования:

1-резервуар; 2-колпак рессивера; 3-ёмкость рессивера; 4-закалочная ванна; 5-деталь; 6-механизм загрузки и выгрузки; 7-печь сопротивления; 8-насос; 9-потенциометр; 10-кран; 11- пневмоклапан; 12-манометр; 13-кран; 14-пневмоклапан; 15-спрейеры; 16-станция охлаждения; 17-насос

 

Она состоит из двух переходов: нагрева детали и быстрого её охлаждения. Поверхностную закалку применяют обычно для образования твёрдого износостойкого слоя на определенных участках деталей, изготовленных из средне - и высокоуглеродистых и перлитных сталей, ковкого, серого и высокопрочного чугунов с содержанием 0,6% связанного углерода.

 

Рисунок 7. Совмещённая кинематическая схема установки для высокочастотного

непрерывно-последовательного термического модифицирования: 1-генератор; 2-компенсатор; 3- трансформатор; 4- прижимной винт; 5- индуктор; 6- заготовка; 7- спрейер; 8- планшайба; 9-ванна с водой; 10- насос; 11 - манометр; 12-кран; 13- пневмоклапан; 14- резервуар; 15-рессивер; 16- манометр; 17- кран; 18-пневмо-клапан; 19- технологический модуль для охлаждения; 20-станция охладительная; 21-насос

 

При высокочастотном  непрерывно-последовательном термическом  модифицировании поверхностны» слой разогревается индуктором до температуры закалки. Затем нагретая поверхность резко охлаждается водяным душем (рис. 7).

При высокочастотном  термическом модифицировании закаливаются поверхностные слои, основа при этом остается вязкой, что предохраняет деталь от хрупкого излома при циклическом действии нагрузки [7].

В технологическом научно-производственном центре «Технологические методы повышения работоспособности деталей рабочих органов сельскохозяйственной техники». БГАТУ разработаны технологии термического модифицирования ножей измельчающего аппарата кормоуборочного комбайна «Ягуар», деталей корпуса плуга - оборотных долот, лемехов, грудей отвала, полевых досок, рыхлительных лап культиваторов, лемехов-копачей свеклоуборочного комбайна «Холмер». Анализ микроструктуры опытных образцов деталей корпуса плуга покачал, что в результате применения нитроцементации с последующей объёмно-поверхностной закалкой и низким отпуском структура упрочненного слоя грудей отвалов (рис.8) состоит из мелкокристаллического мартенсита, незначительною количества мелких равномерно распределенных карбонитридов и возможно остаточного аустенита, структура сердцевины - мелкоигольчатый мартенсит. Структура закаленного слоя лемеха (рис.9) представляет собой среднеигольчатый мартенсит, сердцевины — троостосорбит. Структура закаленного слоя полевой доски (рис.10) - мартенсит мелкоигольчатый, а ее сердцевины – сорбит [4].

 

 

Рисунок 8. Микроструктура опытных образцов грудей отвалов образцов изготовленных из стали 60ПП после нитроцементации с последующей объемной поверхностной закалкой и низким отпуском: (а - поверхностный сдой, б - сердцевина)

 

 

Рисунок 9. Микроструктура опытных образцов лемехов изготовленных из стали 60ПП после нитроцементации с последующей объёмной поверхностной закалкой и низким отпуском: (а — поверхностный слои, б — сердцевина)

 

 

Рисунок 10. Микроструктура опытных образной полевых досок изготовленных из стали 6ОПП после нитроцементации с послелуюшей объемной поверхностной закалкой и

низким отпуском: (а — поверхностный  слой, б – сердцевина)

 

Распределение  твердости  по толщине опытных  образцов деталей  представлены  на рисунках 11 - 13.

 

Рисунок 11. Распределение твердости по толщине опытных образцов грудей отвалов

 

 

Рисунок 12. Распределение твердости по толщине опытных образцов лемехов

 

 

Рисунок 13. Распределение твердости по толщине опытных образцов полевых досок

По результатам приемочных испытаний  термически модифицированных деталей  корпуса плуга, проводимых в ИЦ ГУ «Белорусская МИС», износостойкость опытных образцов лемехов в 1,5 раза, полевых досок в 4,67 раза и грудей отвалов в 1,56 раза выше износостойкости аналогичных деталей отечественного производства (РУП «Сморгонский агрегатный завод») и сопоставима с износостойкостью деталей импортного производства (фирма «Квернеланд»).

 

На заключительных этапах изготовления деталей рабочих органов  могут применяться лазерные технологии. Лазерное упрочнение (закалка) основано в локальном нагреве поверхности до сверхкритичных температур лазерным излучением. После прекращения действия источника излучения этот участок охлаждается в результате теплоотвода энергии во внутренние слои металла. Нагрев осуществляется, как правило, без оплавления поверхности. В большинстве своем лазерная закалка дает стабильный прирост твердости на 3-4 единицы НRС по сравнению с максимальной твердостью, достигаемой на данной марке стали стандартными методами термообработки [3].

 

1.3 Упрочнение  металла лазерным наплавлением.

 

Эффективным методом  повышения износостойкости деталей  является лазерное модифицирование (наплавка) с одновременной закалкой поверхностного слоя. Поверхность, подлежащая обработке, покрывается слоем износостойкого материала, содержащего легирующие элементы. Луч сканируют по поверхности детали. Режим сканирования подбирается таким, чтобы температура в микрообъемах поверхности обеспечивала плавление обмазки (рис. 14) [5].

 

 

 

Рисунок 14. Схема лазерной наплавки: 1-обмазка (материал будущей наплавки); 2-расплав; 3-зона лазерной закалки; 4-наплавленный слой; 5-основной металл

 

Как видно из схемы лазерной наплавки (рис. 14) проплавляется весь поверхностный слой. В процессе плавления легирующие элементы внедряются в кристаллическую решетку материала детали. Возникает возможность внедрения в кристаллическую решетку даже такого элемента, с которым вещество детали вообще не может образовать твердого раствора. Такие метастабильные структуры, прочно связанные с основой, обладая сверхвысокой твердостью, обеспечивают резкое повышение износостойкости [16].

Высокая точность наведения лазерного луча к месту наплавки, локальность действия лазерного излучения позволяет упрочнять строго определенные участки деталей и получать гонкие слои покрытий (0.1...0.3 мм). Кратковременность протекания процесса (длительность импульса составляет несколько миллисекунд), а также точная дозировка энергии обеспечивает минимальные зоны термического влияния и отсутствие деформаций. Лазерная наплавка позволяет значительно снизитъ трудоемкость и себестоимость изготовления за счет исключения предварительного подогрева, последующей термообработки, снятия и нанесения хромистого покрытия, а также значительного уменьшения объема последующей механообработки.

В лаборатории лазерной обработки материалов ГНУ «ФТИ НАН Беларуси» обоснованы материалы и оптимальные режимы упрочнения деталей сельскохозяйственных машин, работающих в условиях абразивного изнашивания и ударных нагрузок. Метод лазерного модифицирования был применен к сегментным ножам для уборки кукурузы, ножам свеклоуборочных комбайнов (рис. 15) и дискам сошников [2].

 

Рисунок 15. Упрочненный лазерным модифицированием нож свеклоуборочного комбайна КСН – 6.

 

В ходе полевых испытаний ножей комбайна КСН-6 рабочие части неупрочненных ножей (свидетелей)  до обрезки ботвы износились полностью при наработке 130га. После чего изношенные ножи были заменены на новые. Износ второго комплекта на последующих 40га оставил 1/3 от предельного. Износ упрочненных ножей при общей наработке 170га составил не более 1мм. (рис.16). Таким образом, результаты испытаний показывают, что упрочненные ножи могут иметь ресурс в 7-10 раз более высокий, чем неупрочненные. При этом отмечается, что качество обрезки ботвы также было значительно выше [20].

 

Рисунок 16. Износ ножей для дообрезки ботвы свеклоуборочного комбайна КСН-6:

1-неупрочненный нож (наработка  40 га); 2-упрочненный нож (наработка  170 га),                                       А-лазерное модифицирование поверхности

 

 

1.4 Упрочнение  металла плазменным наплавлением.

 

Для модифицирования  поверхностей деталей рабочих органов  могут также применяться плазменные технологии. Плазменно-порошковая наплавка (ППН) механизированный процесс, при котором источником теплоты служит плазменная дуга, а присадочным материалом служат гранулированные металлические порошки, которые подаются в плазмотрон транспортирующим газом с помощью специального питателя [18]. 

 

Рисунок 17. Схема плазменно-порошковой наплавки: 1 -электрод; 2-плазменное сопло; 3-фокусирующее сопло; 4-защитное сопло; 5-деталь; 6-баластный реостат; 7-источник питания; 8 – осциллятор

 

Благодаря возможности  регулирования в широком диапазоне  соотношения между тепловой мощностью  дуги и подачей присадочного порошка  ППН обеспечивает достаточно высокую производительность при минимальном проплавлении основного металла, что позволяет обеспечивать требуемую твердость и заданный химический состав наплавленного металла уже на расстоянии 0,3-0,5 мм от поверхности сплавления. Это дает возможность ограничиться однослойной наплавкой там, где электродуговым способом необходимо наплавить 3-4 слоя.

Важной особенностью ППН является отличное формирование наплавленных валиков, стабильность и хорошая воспроизводимость их размеров. Установлено, что у 95% наплавленных деталей отклонение толщины наплавленного слоя от номинального размера не превышает 0.5мм. Это позволяет существенно сократить расход наплавочных материалов, время наплавки, а также затраты на механическую обработку наплавленных деталей [16].

Плазменная наплавка была применена для упрочнения лемехов свеклоуборочного комбайна КСН-60 (рис.18).

 

Рисунок 18. Лемех свеклоуборочного комбайна КСН – 6.

 

 

Рисунок 19. Износ лемехов свеклоуборочного комбайна КСН – 6  (наработка 140га)

1-веупрочненнып лемех: 2-упрочненный лемех.

А- плазменное упрочнение поверхности

 

Плазменная наплавка обеспечивает высокую работоспособность  деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла сварочной ванны. На рисунке 19 представлена зависимость среднего линейного износа по длине не упрочненного и упрочненного лемехов при наработке 140га, из которого видно, что лемех подвергнутый плазменной обработке, имеет почти в 2 раза более высокую износостойкость.