Противоизносные твердосплавные покрытие для деталей сельскохозяйственных машин и механизмов

АННОТАЦИЯ

В статье изучены состав износостойкого наплавочного твердого сплава, микроструктура, твердость, микротвердость и глубина твердосплавного покрытия на образцах и деталях, полученных путем литья по газифицируемым моделям. Приведены результаты абразивного изнашивания литых образцов с твердосплавным покрытием до и после термической обработки с двойной фазовой перекристаллизацией. Доказано, что оптимальная термическая обработка с двойной фазовой перекристаллизацией повышает абразивную износостойкость деталей машин и механизмов в 2-3 раза.

ABSTRACT

The composition of the wear-resistant hardfacing hard alloy, microstructure, hardness, microhardness and depth of carbide coating on samples and details obtained by casting on gasifying models are studied in the article. Results of abrasive wear of cast samples with carbide coating before and after heat treatment with double phase recrystallization are presented. It is proven that thermal treatment with double phase recrystallization increases the abrasive wear resistance of cast parts of machines and mexanizm by 2-3 times.

Ключевые слова: износостойкий наплавочный твердый сплав, газифицируемая пеномодель, сталь 35ГЛ, толщина покрытия, термическая обработка с двойной фазовой перекристаллизацией, микроструктура, твердость и абразивная износостойкость деталей.

Keywords: wear-resistant hardfacing hard alloy, gasified foam model, 35GL steel, coating thickness, heat treatment with double phase recrystallization, microstructure, hardness and abrasive wear resistance of parts.

Введение. В настоящее время рекомендации по выбору материалов для изготовления литых деталей машин и механизмов, подвергающихся абразивно-коррозионному изнашиванию, как правило, не учитывают влияния общекоррозионных процессов, вклад которых в общий износ деталей и агрегатов при сравнительно низком уровне внешнего микроизнашивания является весьма существенным [1,2]. Поэтому изучение закономерностей абразивно-коррозионного изнашивания в коррозионно-активных средах имеет важное научное и практическое значение.  

Большинство деталей машин и механизмов работают в условиях абразивно-коррозионного износа, когда от материала детали требуются одновременно абразивная износостойкость и коррозионная стойкость. Срок работы этих деталей ограничен из-за одновременного абразивного и коррозионного воздействия среды. Все это требует постоянного обновления парка технологического оборудования и запасных деталей.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования являются наральники и лапы культиваторов, ротационные звездочки сельскохозяйственных машин и механизмов, работающих в почвенных условиях под воздействием абразивной среды. Данные детали работают в тяжелых условиях и выходят из строя в результате износа. Целью работы является технология изготовления пеномодели и получения литых деталей различных машин с износостойким наплавочным твердосплавным покрытием путем литья по газифицируемым моделям и их последующей термической обработки с двойной фазовой перекристаллизацией. Она заключается в установлении возможности осуществления эффективной закалки поверхности и повышения износостойкости литых деталей, изготовленных из стали 35ГЛ посредством обработки их рабочей поверхности надежным твердосплавным покрытием и термическим упрочнением [3,4].   

Многие детали машин и оборудования, работающие в непосредственном контакте с почвой и породой или металл с металлом, подверга­ются наплавке твердыми сплавами. Это требует при­менения достаточно сложного технологического оборудования, связанного с большим расходом дефицитных твердых сплавов и флюсов [5]. 

Более рационально получать эти детали путем литья по газифицируемым моделям с одновремен­ным нанесением противоизносостойкого наплавочного твердосплавного сплава на рабочую поверхность пеномодели с толщиной покрытия 2- 3 мм [6]. 

Полученные результаты и их обсуждение. В качестве быстроизнашивающихся деталей можно взять наральники и лапы культиваторов, ротационные звездочки, работающих в почвенных условиях под воздействием абразивной среды. Поэтому рабочие поверхности таких деталей подвергают поверхностному упрочнению путем нанесения твердых сплавов типа сормайт ПГ-С27. Нанесение твердосплавного покрытия осуществляют путем расплавления металла покрытия на рабочей поверхности деталей. В работе исследуются микроструктура, твердость и абразивное изнашивание деталей с твердосплавным покрытием, полученных путем литья по газифицируемым моделям до и после терми­ческой обработки с двойной фазовой перекристаллизацией [4,6]. Сормайт ПГ-С27 как противоизносного твердого сплава для деталей машин. Образцы изготовлялись из стали 35ГЛ таким образом, чтобы на рабочей поверхности детали оказался 2,0- 3,0 мм слой твердого сплава. Данный сплав имеет температуру плавления 1200-1280⁰С, обладает относительно высокой износостойкостью и ударной вязкостью. Низкая температура плавления на 270-320⁰С ниже температуры заливаемого металла, что способствует полному проплавлению и хорошему контакту с основным металлом. Выбор твердых сплавов в качестве объекта исследования обусловлен необходимостью изучения влияния на покрытия добавок легирующих элементов в структуре и на абразивную износостойкость стальных деталей [4].

Технология изготовления деталей путем литья по газифицируемым моделям включает в себя получение пенополистироловой модели. На рабочие поверхности пеномодели наносится жидкая суспензия, состоя­щая из порошка типа сормайт ПГ-С27. При изготовлении суспензии в качест­ве связующего использовали пульвербакелит и 4%-ный раствор поливинилбутираля в спирте. Толщина покрытия на пеномодели составляла 2,0, 2,5 и 3,0 мм. После сушки покрытия модели фор­мовали в кварцевом песке (одновременно происходит уплотнение пневматической вибрацией) и заливали жидким металлом, соответствующим по составу, стали 35ГЛ при температуре 1600-1650⁰С, через литниковую систему при сифонном подводе металла. При заливке происходили выгорание пенополистироловой модели и насыщение поверхности отливки углеродом до 0,7 % на глубину 3,0 мм.

Таким способом получается отливкадетали с износостойким твердосплавным покрытием [4]. Заполнение формы жидким металлом является одним из основных этапов формирования отливки деталей, определяющим многие показатели её качества. При контакте вставки из порошка типа сормайт с жидким металлом происходят образование твердой корочки отливки, расплавление вставки, взаимодействие жидкой фазы вставки с материалом корочки и после кристаллизации образова­ние на поверхности структуры белого высоколегирован­ного чугуна эвтектического или заэвтектического соста­вов. Переход от износостойкого покрытия к основному металлу достаточно резкий, хотя и имеются переходные зоны от заэвтектической части к эвтектической, доэвтектической и к зоне заэвтектоидной стали. На поверхности образцов образуется зона эвтектической структуры высокохромистого сплава и далее по глубине идут доэвтектическая и эвтектоидная зоны, переходящие в структуру основного металла. Наличие и тол­щина заэвтектической зоны зависят от толщины покры­тия на модели, заэвтектическая зона максималь­на при толщине покрытия 2,0 и более мм. 

Макро - и микроисследований изучали оптическим металлографическим микроскопом МБС-1, МБС-9, МИМ-8М и Neofot-21. Образцы для исследований были квадратные и круглые с размерами 12х12, 15х15, 15х20, 20х20, 22х22 мм. 

Микроструктуры и микротвердость твердосплавных покрытий после термической обработки значительно изменяются. Если закалка производится с температуры нагрева 925°С, то перлитная составляющая структуры испытывает мартенситное превращение. Расположение карбидной составляющей не изменяется. Не меняется также общая глубина покрытия, включающая как твердосплавный слой, так и высокоуглеродистый подслой. Так, например, после закалки с температурой нагрева 900⁰С и 925⁰С образцов, полученных при литье с толщиной 2,0- 2,5 мм, строение эвтектической составляющей и расположение вторичных карбидов не изменились. Только вместо перлитной составляющей наблюдается мелкоигольчатый мартенсит.   

При нагреве под закалку до температуры 1050-1100⁰С происходит растворение в аустените всех вторичных карбидов, остаются только первичные карбиды в составе эвтектики. У образцов, твердосплавные покрытия которых получены при литье по газифицируемым моделям с толщиной 2,0-2,5 мм, на поверхности формируется структура, состоящая из эвтектических карбидов и мартенсита. На микроструктуре хорошо просматриваются мартенситные иглы, остаточный аустенит, первичные карбиды и подслой высокоуглеродистого мартенсита (рис.1,а,б,в). Аналогичная картина также наблюдается при рассмотрении микроструктур покрытий у образцов, полученных при литье по газифицируемым моделям с толщиной покрытия 3,0 мм [7].

Твердость образцов определяли на приборах Бринелля ТВБ-4 и Роквелла ТК-2, а микротвердость измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н. Микротвердость в пределах толщины твердосплавного покрытия меняется в широких пределах. Наиболее высокая микротвердость у образцов, полученных с толщиной слоя покрытия на модели 2,0-3,0 мм. У самой поверхности образуется заэвтектическая структура с большим количеством первичных карбидов хрома с твердостью НV₁₀₀ = 15300 МПа. В то же время микротвер­дость перлитной составляющей эвтектики составляет 7300 МПа. На глубине 2,0- 2,6 мм от поверхности в за­висимости от толщины обмазки уже наблюдается струк­тура основного металла твердостью 2600 МПа [8].

Рисунок 1. Микроструктура твердосплавного покрытия и высокоуглеродистого подслоя у образца, полученного с толщиной покрытия 2,0 мм (а) ´150 и 2,5 мм (б) ´100.

Оба после закалки с температуры нагрева 1100°С, отпуск 300°С и структура мелкозернистого мартенсита, остаточного аустенита на глубине 0,4 мм от поверхности твердосплавного покрытия (в). Х500

Образцы с твердосплавным покрытием для исследований рентгеноструктурного анализа были размерами 20х20 и 22х22 мм. Фазовый состав твердого сплава определяли рентгеноструктурным анализом (ДРОН-2,0). Результаты фазового рентгеноструктурного анализа дают более полное представление о составе полученных покрытий. Ширина рентгеновских линий определялась на половине высоты максимума как среднеарифметическая величина по четырем-пяти дифрактограммам или кривым распределения интенсивности рентгеновского излучения. Расчеты ошибок измерения показали, что они находятся в пределах 5-10% в зависимости от объекта исследований. По результатам исследований выявлено, что на поверхности образцов с износостойкими покрытиями образуются специальные карбиды типа Ме₇С₃ и Ме₂₃С₆. 

Сравнительные испытания на абразивную износостойкость по закрепленному абразиву осуществляли на лабораторной установке машины трения ПВ-7. Относительную износостойкость определяли по отношению потерь массы эталона литого образца с твердосплавным покрытием. Относительную износостойкость литых испытуемых образцов определяли по весовым методам (ВЛА 200-М) после каждого испытания абразивного износа. Все образцы с твердосплавным покрытием до и после термической об­работки с двойной фазовой перекристаллизацией были проверены на абразивную износостойкость. Испытания на аб­разивное изнашивание твердосплавных покрытий во времени проводили на машине трения ПВ-7 незакрепленным абразивным материа­лом. Твердосплавное покрытие резко увели­чивает износостойкость: чем больше толщина покрытия, тем меньше величина износа деталей. Результаты испытания абразивного износа литых образцов №4 и №6 до и после термообработки с твердосплавным износостойким покрытием приведены в табл.1.

Как видно из приведенных таблиц 2-4, проведенные нами испытания на абразивное изнашивание образцов с толщиной покрытия 2,0-2,5- 3,0 мм полностью соответствуют результатам полевых испытаний, которые действительно повышают износостойкость литых деталей после оптимальной термической обработки с двойной фазовой перекристаллизацией в три и более раза.   

Данная термическая обработка влияет не только на износо­стойкость поверхностных, но и подповерхностных слоев твердосплавных покрытий. Это важно для ряда деталей почвообрабатывающих и дорожных машин, где допустимый износ может быть около одного миллиметра. При сравнении износостойкости литых образцов с покрытиями до и после термической обработки можно обнаружить, что влияние такой обработки по глубине слоя возрастает: от 8% на глубине 2,3 мм, до 85% на глубине 2,6 мм.    

Разработанные нами технологии изготовления и нанесения твердосплавных износостойких наплавочных покрытий при литье по газифицируемым моделям и последующей оптимальной термической обработке с двойной фазовой перекристаллизацией использованы при производстве опытной партии литых деталей и испытаны при полевых условиях в различных областях и районах республики Узбекистан. Результаты полевых испытаний показали повышение износостойкости стальных литых деталей с износостойким твердосплавным покрытием без термической обработки стабильности уплотнения и износостойкости в 2,0-2,5 раза, а после термической обработки с двойной фазовой перекристаллизацией в три и более раза, чем серийных изделий.

Настоящая инновационная технология внедрена в крупных производственных предприятий таких как АО «Узбекский металлургический комбинат», Холдингговая компания АО «Металлмехкурилиш» и АО «Агрегатный завод» при Министерство сельского и водного хозяйство Республики Узбекистан с наилучшим экономическим эффектом.

Таблица 1.

Абразивный износ литых образцов с толщиной твердосплавного покрытия 2,5 мм до и после термической обработки

Результаты испытания абразивного износа литых образцов №15 и №18 до и после термообработки с твердосплавным износостойким покрытием приведены в табл.2.

Таблица 2.

Абразивный износ литых образцов с толщиной твердосплавного покрытия 3,0 мм до и после термической обработки

Выводы. Таким образом, можно сделать вывод о том, что эффективным способом повышения абразивной износостойкости является нанесение на рабочие по­верхности детали износостойкого твердосплавного покрытия при литье по газифицируемым моделям. Термическая обработка твер­досплавного покрытия из высокохромистого твердого сплава, прове­денная с двойной фазовой перекристаллизацией, форми­рует оптимальную структуру с высокой плотностью дис­локаций, дисперсными вторичными и скоагулированны­ми первичными карбидами. Из приведенных данных видно, что оптимальная термическая обработка с двойной фазовой перекристаллизацией твердосплавного покрытия повышает абразивную износостойкость [8-10] готовых литых деталей в 2-3 раза выше, чем серийных изделий.  

Список литературы:
1. Колокольцев В.М. Абразивная износостойкость литых сталей и чугунов. – М.: Магнитогорск, МГТУ. 2004. - 228 с.
2. Попов В.С. Восстановление и повышение износостойкости и срока службы деталей машин // Металл и литье Украины, 2014. №1. - С.13-19.
3. Тилабов Б.К. Упрочнение поверхностных слоев литых стальных деталей почвообрабатывающих машин // Актуальные вопросы в области технических и социально-экономических наук. Межвузовский сборн. научн. трудов. Вып.1. – Ташкент, 2005. - С.17-19.
4. Мухамедов А.А., Тилабов Б.К., Фарманов А.К. Повышение износостойкости литых деталей с твердосплавными покрытиями методом термической обработки // Горный журнал «Цветные металлы». – Алмалык-Москва, 2009. №8. - С.95-97.
5. Бабичев М.А. Износостойкость и структура твердых наплавок. – М.: Машиностроение, 2006. - 194 с.
6. Тилабов Б.К., Мухамедов А.А. Решение проблемы технологии получения литых деталей машин и механизмов с твердосплавным износостойким покрытием из местного сырья Республики Узбекистан // Узбекский журнал «Проблемы механики». – Ташкент, 2014. №1. - С.37-42.
7. Тилабов Б.К. Определение микротвердости образцов, изготовленных из высоколегированного твердого сплава путем литья по газифицируемым моделям // НТЖ ФерПИ. – Фергана, 2014. №2. - С.38-44.
8. Тилабов Б.К., Мухамедов А.А. О глубинном поверхностном покрытии стальных деталей при литье по газифицируемым моделям // Композиционные материалы. – Ташкент, 2014. №3. - С.70-73.
9. Tilabov B.K. Increase the service life of cast parts tillihg machines // International Conference «Global Science and Innovation» March 23-24, 2016. USA. Chicago, 2016. - С.222-225.
10. Тилабов Б.К. Разработка технологии изготовления наральников рыхлящих лап культиваторов почвообрабатывающих машин с твердосплавным покрытием и термическим упрочнением // Материалы V Международная научная конференция. Технические науки в России и за рубежом. – Москва: Буки-Веди, 2016. - С.33-36.