СТРУКТУРНО-ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ОСНОВЫ ТЕРМОУПРОЧНЕННЫХ ПИЛЬНЫХ ДИСКОВ ИЗ СТАЛИ 65Г И ОЦЕНКА ИХ РАБОТОСПОСОБНОСТИ

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты экспериментальных исследований работоспособности термоупрочненных пильных дисков для машины первичной обработки хлопка- джина. Методами сканирующей электронной микроскопи и рентгенострукторного анализа изучены микроструктура поверхностных слоев образцов пильных дисков из стали 65Г, химический и фазовый составы, морфология и толщина оксидных слоев разной дисперсности и плотности.

ABSTRACT

The article presents the results of experimental studies of the performance of heat-strengthened saw blades for a machine for the primary processing of cotton gins.Using scanning electron microscopy and X-ray diffraction analysis, the microstructure of the surface layers of samples of saw blades made of steel 65G, the chemical and phase composition, morphology and thickness of oxide layers of different dispersion and density were studied.

Ключевые слова: Пильный диск, термоупрочнение, микротвердость, джин, твердость, микроструктура, фазовый состав, работоспособность.

Keywords: Saw blade, heat strengthening, micro hardness, gin, hardness, microstructure, phase composition, performance.

Самой массовой и ответственной деталью рабочего органа технологических машин (очистители крупного сора, джины, линтера, волокноочистители) в хлопкопереработке являются пильные диски. Так, например, в джинах их количество составляет 90 или 130. При прочих равных условиях эффективность работы хлопкоперерабатывающих машин в основном определяется долговечностью пильных дисков [1-3].

В соответствии с техническими требованиями [4] пильные диски изготавливают из дисковых заготовок (рис. 1).

Для этого используют стальную холоднокатаную ленту шириной 327 мм  из углеродистой инструментальной стали марки У8Г и пружинной стали 65Г (табл. 1).

К дисковым заготовкам предъявляют следующие требования:

1) толщина заготовки в пределах 0,95±0,05 мм;

2) неплоскостность должна быть не более 0,5 мм;

3) параметр шероховатости плоской поверхности – не более R_a=1,25 мкм;

4) радиальное биение наружного диаметра заготовки относительно внутреннего не должно быть более 0,5 мм.

Диаметр пилы составляет 320±0,25 мм, число зубьев различно: у джинных пил 280, а у линтерных 330 шт. Насечка зубьев джинных и линтерных пил осуществляется на полуавтоматическом станке СПХ, в котором модернизированы отдельные узлы станка ПНЦ и упрощена конструкция шпиндельного узла. Эти станки имеют храповой делительной механизм и относятся к станкам периодического действия с переменным направлением движения рабочего органа и периодическим остановом заготовки в момент вырубки зубьев пилы с помощью штамповой оснастки в виде пуансона и матрицы.

Рисунок 1.  Заготовка дисковая для джинно-линтерных пил

Таблица 1

Характеристики материалов для изготовления пильных дисков

Для удаления заусенцев, образованных на зубьях пилы в процессе их вырубки, и придания зубу джинной пилы требуемой остроты с боковых сторон пильного диска снимают шлифовкой фаски, которые перекрывают зуб не более чем  на 2 мм (ГОСТ 1413-74). Односторонняя фаска линтерных пил снимается со стороны выхода инструмента для вырубки – пуансона. На рис. 2 показаны геометрические параметры зубьев пильных дисков для джинов и линтеров.

Среди процессов хлопкопереработки операция джинирования отличается наиболее высокой степенью нагруженностью зубьев пилы, так как пильный цилиндр находится в непрерывном контакте с вращающимся переменной массой и плотностью сформированного сырцового валика. Зубья пилы испытывают повторно-переменные напряжения и большое число циклов нагружения. Так, например, зуб пильного диска в джине ДПЗ-180 при частоте вращения пильного цилиндра n=730 об/мин уже в течение 48 часов подвергается более, чем  циклам нагружения. Подобное условие нагружения способствует развитию и распространению усталостных микротрещин в зоне концентрации напряжений – в основании зуба.

Рисунок  2. Пильный диск (а) для джинов (ø100),  линтеров (ø61) и геометрические параметры зубьев дисков для джинов (б)

Тяжелые условия работа зубьев джинных пил (засоренность и присутствие в хлопко-сырце абразивных минеральных частиц, влажность, повторное контактирование с оголенными семенами) при контакте с сырцовым валиком вызывают различные процессы разрушения и потерю их работоспособности. Для зубьев джинных пил характерны следующие виды разрушения [5]: абразивный износ, пластическое смятие, поломка.

Основным видом разрушения зубьев пильных дисков является абразивный износ, вызывающий локальные повреждения рабочих поверхностей зубьев в виде многочисленных борозд и задиров. Вследствие износа изменяется заданная геометрия зуба пильного диска (угол заострения, передний угол, высота и толщина зуба), что отражается на качественных и количественных показателях джинирования, линтерования и волокноочистки.

Для повышения износостойкости зубьев джинных пил применяют различную упрочняющую технологию, в том числе обработку лучом лазера и электроконтактный нагрев [6]. В результате мощного теплового воздействия на вершину зуба происходит закалка и тем самым проявляется эффект термоупрочнения. Так, при лазерном упрочнении зубьев микротвердость  составляет не менее 9000 Н/мм² в пределах всей толщины зуба и на длине 1,5 мм от вершины. Закалка зубьев при электроконтактном нагреве обеспечивает микротвердость вершины 8600 Н/мм² по всей толщине зуба и в пределах 0,8…1,0 мм от его вершины. Следовательно, термоупрочнение зубьев джинных пил практически охватывает весь объем вершины зуба. т.е. имеет место в сущности объемная закалка, которая, к сожалению, не сохраняет сердцевину деталей вязкой. Такие зубья при высокой износостойкости имеют меньшую сопротивляемость изгибу, что может привести к их поломке. Важно отметить, что поверхностную закалку зубьев при его толщине 0,95 мм осуществить очень сложно.

Опыт применения термоупрочненных зубьев пильных дисков в настоящее время расширяется за счет использования на хлопкозаводах республики пильных дисков китайского производства (рис. 3). Отсутствие данных физико-механических свойств материала этих пильных дисков, сведений о термообработке, химического состава и других факторов сдерживают их широкое распространение, так как нет возможности технологического обеспечения и обоснования резерва повышения их эксплуатационной надежности.

Рисунок 3. Новые специально термообработанные пильные диски

На первом этапе экспериментальных исследований ставилась задача дать сравнительную оценку работоспособности пильных дисков, имеющихся в наличие на хлопкозаводах республики, и новых специально термообработанных пильных дисков китайского производства. Химический состав материала этих дисков, как показали предварительные металлографические исследования, соответствует стали 65Г. Контрольные пильные диски также были изготовлены из стали этой марки.

Испытания на работоспособность пильных дисков, эксплуатирующихся в разных организациях, были проведены в производственных условиях АО “Пахтасаноатилмиймарказ”. Согласно технологическому регламенту переработки хлопка-сырца пильные диски должны работать при джинировании высоких сортов не менее 144 часов, а на низких сортах – не менее 72 часов. На линтерном оборудовании работоспособность пил должна составлять не менее 48 часов.

Пильные диски в составе пильного цилиндра устанавливались поочередно на 130-ти пильный джин. Перерабатывали хлопок-сырец селекционного сорта С-6524 I и II промышленных сортов. В соответствии с методикой исследований в определенный промежуток времени джины останавливали, камеру джина очищали от сырцового валика, проверяли состояние зубьев пилы и степень их износа с помощью микроскопа МБП-2. По истечении каждого часа эксплуатации определяли производительность джина по волокну, которая по требованию исследований должна оставаться неизменной. Уменьшение производительности джина свидетельствует о потери работоспособности пильных дисков вследствие повышенного износа зубьев и снижения их захватывающей способности при врезании в сырцовый валик.

В табл. 2 представлены результаты исследований работоспособности пильных дисков для джинов, эксплуатируемых на различных предприятиях хлопкоперерабатывающей отрасли. Данные экспериментов позволяют утверждать, что пильные диски второго и третьего вариантов оказались наиболее износостойкими. Их долговечность составляет 360 часов, что превышает регламентированное время работы в 2,5 раз. Поэтому почти в столько же раз можно сократить расходы на пилы на хлопкоочистительном заводе.

Таблица 2

Результаты исследований работоспособности (стойкости) различных пильных дисков для джинов

С целью обоснования высокой износостойкости пильных дисков (варианты 2 и 3) была определена их твердость на специальных металлографических микрошлифах (рис. 4) из образцов пил в поперечном сечении.

Рисунок 4. Металлографический микрошлиф из образцов пильных дисков для исследования твердости и микроструктуры 

В соответствии с методикой [7] на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н измеряли микротвердость по металлической поверхности микрошлифов в продольном направлении пластин (табл. 3). Данный метод измерения твердости в сущности является методом определения твердости по Виккерсу, производимому вдавливанием в испытываемый объект алмазного наконечника, имеющего форму квадратной пирамиды с углом между противоположными гранями 136⁰. Число твердости по ВиккерсуHV определяется отношением нагрузки Р на индентор к площади F_отппирамидальной поверхности отпечатка. При этом нагрузка выбирается в зависимости от толщины и твердости испытываемого материала, а площадь отпечатка легко выразить через ее диагональd и известный угол αпри вершине алмазной пирамиды:

кг/мм²

Определение твердости по Виккерсу является более совершенным, чем определение ее методами Роквелла и Бринеля [8]. К числу основных преимуществ указанного метода следует отнести: полное геометрическое подобие отпечатков независимо от величины прилагаемой нагрузки; возможность определения твердости на тонких листовых материалах, а также на азотированных, цементованных поверхностях; хорошее совпадение твердости по Виккерсу и Бринелю в пределах 100…450 ед. (кг/мм²).

Таблица 3.

Сравнительная оценка твердости пильных дисков для джинов

Анализ результатов измерения твердости пильных дисков, эксплуатировавшихся в различных предприятиях по хлопкопереработке, показывает, что пильные диски с максимальной твердостью HV_0,5 (образец №3) имеют наибольшую стойкость. Однако твердость не может однозначно определять работоспособность пильных дисков, как например, для образца №1, имеющего относительно высокую твердость HV_0,5=427,6, но показавшего минимальную стойкость 144 часа.

Полученные данные твердости HV_0,5и HRC (метод Роквелла¸ шкала С) хорошо коррелируют друг с другом, что не является случайным. Так как имеется хорошее совпадение по Виккерсу и Бринелю, как отмечено выше, и в силу известного соотношения 10НВ=1HRC можно утверждать, что выполняется следующее соотношение твердостей:

10HV_0,5=1HRC, т.к. 1HV=1HB₃₀₀

Полученное на основе экспериментов соотношение твердостей HV и HRC находит убедительное подтверждение в [9].

С целью выявления дополнительных факторов, помимо твердости, на работоспособность пильных дисков были проведены исследования структурыфазового состава основы пильных дисков с помощью методов сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Исследования структуры поверхности и элементного состава образцов пильных дисков проводились с использованием сканирующего электронного микроскопа Vega JJLMU с энергодисперсионным спектрометром INCA Energy 350.

Рентгеноструктурный анализ проводился на рентгеновском дифрактометре DPOH-3 с использованием монохроматизированного рентгеновского излучения. Анализ фазового состава осуществляли с использованием специализированной базы данных PDF-2.

На рис. 5 показаны микроструктуры поверхностных слоев образцов пильных дисков, соответствующих табл. 3. Образец №1, показавший наименьшую работоспособность, характеризуется наличием выраженной рыхлой структурой, что предопределяет большую склонность к разрушению под действием эксплуатационных нагрузок. Боковая поверхность пильных дисков (образец №3) после проведения упрочняющей термической обработки стали 65Г имеет более плотную структуру и большие размеры структурных составляющих, в частности, карбидов железа. Такая микроструктура поверхностного слоя способствует проявлению высокой сопротивляемости разрушению в процессе изнашивания зубьев пилы при джинировании.

Рисунок 5. Микроструктура поверхностных слоёв образцов пильных дисков

Микроструктура поверхностных слоев образцов №3 и №4, также прошедшие упрочняющую термическую обработку, различаются. Образец №4 имеет расширенные и удлиненные границы между структурными составляющими, что может явиться источником зарождения микроскопических трещин под влиянием растягивающих напряженний и уменьшить по этой причине работоспособность пил. Образец №2 заметно отличается по микроструктуре своей невыраженной дисперсностью и однородностью. Но в микроструктуре выявлены участки нарушения сплошности, которые преимущественно совпадают с определенным направлением (текстурой).Указанные направления могут образоваться в результате деформации, в данном случае термопластической деформации при проведении термической обработки.

Анализ химического состава исследуемых поверхностей с использованием энергодисперсионного спектрометра сканирующего электронного микроскопа позволил выявить наличие в поверхностях образцов соединений Fe и Mn с кислородом и углеродом различной степени плотности, соотношения кислорода и углерода в локальных исследуемых областях, а образец №1 дополнительно содержит включения свинца. Также следует отметить, что толщина оксидных пленок на поверхности образца с минимальным времени работы (образец №1)  в несколько раз больше по сравнению с образцом №3 (рис. 6), т.е. соответствует значениям 31,49 мкм и 10,50 мкм.

Рисунок 6. Снимки оксидных плёнок на поверхности образцов пильных дисков

Исследования фазового состава поверхностных слоев всех образцов показали, что на поверхности сконцентрированы соединения Fe₃O₄, Fe₂O₃, сложные оксиды железа и марганца, а также карбиды железа, образовавшиеся после проведения комплексной термической обработки. Наличие на поверхности образца №1 оксидов свинца и чистого свинца свидетельствует о том, что они могли образоваться после проведения термической упрочняющей обработки.

Результаты рентгенострукторного анализа образцов пильного диска из стали 65Г представлены на рис. 7. Нижний спектр образца №3, имеющего максимальную работоспособность, имеет содержание оксидов, близкое по количеству и стехиометрии (диапазон углов дифракции от 10 до 42⁰ и от 50 до 63⁰) со спектром образца №4. Верхний спектор образца №1 характеризуется дополнительными линиями в области малых углов дифракции, на которых обычно проявляется дифракционные пики оксидов и карбидов железа и марганца.

Рисунок 7. Рентгенограммы фазового состава поверхностных слоёв пильных дисков

Таким образом, экспериментальные данные рентгеноструктурного анализа и сканирующей электронной микроскопии поверхности образцов из термоупрочненныхпильных дисков позволили выявить их химический и фазовый состав, морфологию и толщину оксидных слоев различной дисперсности и плотности. На работоспособность пильных дисков влияет не только твердость термообработанной стали 65Г, но и наличие оксидных слоев на поверхности, образующихся в результате термоупрочняющей обработки зубьев пильных дисков хлопкоперерабатывающих машин.

Список литературы:

1. Мирошниченко Г.И. Основы проектирования машин первичной обработки хлопка. -М.: Машиностроение, 1972. – 486 с.
2. Махкамов Р.Г. Некоторые проблемы текстильного машиностроения // Изв. ВУЗов. Техн.науки. – Ташкент, 1995. -№1-4. – С. 105-111.
3. Шин И.Г., Муминов М.Р., Шодмонкулов З.А. Метод расчета на прочность и долговечность джинных пил при циклическимнагружении // Проблемы текстиля. – Ташкент, 2013. -№3. – С. 94-98.
4. Первичная переработка хлопка-сырца / Под. Ред. Э.З.Зикриеева. – Ташкент: Мехнат, 1999. - 400 с.
5. Муминов М.Р., Шин И.Г., Максудов Р.Х. Анализ эксплуатационного состояния зубьев дисковых пил и геометрический критерий их работоспособности // Проблемы текстиля. – Ташкент. 2011, №- С.8-15.
6. Кадыров Р.Р. Повышение ресурса пил // Реф. Сб. Хлопковая промышленность.- Ташкент, 1989.- №3.- С.10-11.
7. Панталенко Ф.И. Упрочнение и восстановление поверхностей деталей. - Минск: БНТУ, 2010. 344 с.
8. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов / Под общ.ред. А.Т. Туманова, в 3-х т.-М.: Машиностроение,  1974. –Т.2. -320 с.
9. Гуляев А.П. Металловедение.-М.: Металлургия, 1986. -544 с.