ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОХРОМИЧЕСКИХ ПОРОШКОВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ ОРГАНОВ

АННОТАЦИЯ

Предложена методика повышения обрабатываемости детали путём создания фрикционных покрытий из высокохромистого металлического порошка на рабочей поверхности лемехов плугов. С целью повышения износостойкости рабочих органов проведены испытания, при котором порошок с высоким содержанием хрома на основе железа наносится методом плазменного покрытия, результатом, которого стало увеличение её износостойкости в 3-4 раза. Определено, что при формировании фрикционных покрытий из высокохромистой порошковой смеси с использованием газового пламени пористость покрытия снизилось до 7%, а твердость достигла до 54...56 HRC. Также, срок службы лемеха из стали 40Х увеличилось в 3,5-4 раза по сравнению с лемехом, изготовленным из стали Л53, подверженной термообработке.

ABSTRACT

A technique has been proposed to increase the machinability of a part by creating friction coatings from high-chromium metal powder on the working surface of plow shares. In order to increase the wear resistance of the working parts, tests were carried out in which iron-based powder with a high chromium content was applied using the plasma coating method, the result of which was an increase in its wear resistance by 3-4 times. It was determined that when forming friction coatings from a high-chromium powder mixture using a gas flame, the porosity of the coating decreased to 7%, and the hardness reached 54...56 HRC. Also, the service life of a share made of steel 40X increased by 3.5-4 times compared to a share made of steel Л53, subject to heat treatment.

Ключевые слова: износостойкость, покрытия, твердость, пористость, рабочий орган, почва, лемех.

Keywords: thermal cycling, dislocation density, low-alloy steel, wear resistance, impulse hardening, defects, crystal structure.

Введение. Одним из наиболее энергоемких процессов в сельскохозяйственной отрасли является обработка почвы, на которую расходуется 30-40% энергии, потребляемой в сельском хозяйстве [1-3]. Ряд рабочих органов деталей сельскохозяйственных машин (лемехи, ножи культиватора, сегменты режущих машин и др.) часто преждевременно выходят из строя, в результате чего к таким рабочим органам приходится готовить большое количество запасных частей [2-3]. Например, для производства лемеха плугов часто применяют углеродистые стали Л53, Л65, иногда 65Г, а их механические свойства повышают термической обработкой, в результате твердость этих рабочий частей лемехов находится в пределах НВ 321 – 541. (НРС 33 – 52) [4].

При использовании лемеха плугов на рабочие поверхности воздействуют высокие противодействующие силы. Основным показателем, влияющим на изменения геометрических размеров и внешней формы рабочих органов, считают состав обрабатываемой почвы [5, 6].

Анализы показали, что лемехи плугов могут быть выведены из эксплуатации по двум причинам [2-5]: первая - когда рабочий орган приходит в негодность, второе, исключение - когда технологические и экономические показатели превышают требуемый норматив.

В работах [6, 7] показано, что качество покрытия или модифицированного слоя на поверхности детали во многом зависит от физико-механического состояния материала поверхностного слоя, которое, в свою очередь, определяется его энергетическим состоянием

В процессе нанесения на поверхность детали функционального покрытия или создания на нем модифицированного слоя начальное значение удельной накопленной энергии деформации изменяется, причем это изменение зависит не только от процесса формирования покрытия или слоя на поверхности детали, но и от ее первоначального состояния: структуры, технологических остаточных напряжений, толщины слоя с измененными физико-механическими свойствами, распределения плотности дислокаций и других показателей (характеристик). Эти показатели состояния материала поверхностного слоя детали зависят от физико-механических характеристик обрабатываемого материала и способа обработки детали.

Принимая во внимание тот факт, что рабочие органы сельскохозяйственных машин работают в абразивной и высокодинамической среде, в развитых странах рабочие поверхности совершенствуются путем нанесения на поверхность различных покрытий, обеспечивающих устойчивость к сильным внешним воздействиям.

Материалы и методика исследование. В данной работе предпринята попытка повысить обрабатываемость детали путем создания фрикционных покрытий из высокохромистого металлического порошка на рабочей поверхности лемехов плугов с помощью газового пламени.

В качестве объекта исследования выбран лемех из стали 40Х. Исследуемый металлический порошок с высоким содержанием хрома содержал 26% Cr, 4% С и остальное Fe.

Зернистость частиц порошка определяли по ГОСТ 6613-86, масса 200 гр. Частицы порошка пропускают через специальное сито, зернистые частицы размером до 60 мкр.

Определение влажности порошка 0,0001 гр. прецизионные аналитические электронные весы 220 В-50 Гц, для сушки порошка использовался сушильный шкаф СНОЛ 67/350 (температура нагрева 100 ^о С в течение 60 минут), размер частиц порошка 40-60 мкр. Будучи зернистым по размеру обеспечивал хорошую сыпучесть.

Для создания пламени при формировании покрытия использовались горелка типа ГАЛ из сжатого газа и кислорода, а также ацетилен для создания давления.

Состав металлов и порошков с использованием ПОРТАТИВНОГО АНАЛИЗАТОРА «ЭКСПЛОРЕР 5000», металлографический анализ проводился на ионном хромотографе Metrohm 850 Professional IC с увеличением от 100 до 1000 раз, также в исследовании использовали сканирующий электронный микроскоп Zeiss EVO MA 10/Aztec EnergyAdvanced X-Act, а макроанализ проводили на микроскопе МБС-3 при увеличении от 4 до 100. Твердость покрытия определяли на твердомерах ТК-2 и микротвердомерах ПМТ-3М [9].

Результаты. При анализе порошка на основе железа было установлено, что он образовался из смеси высоко свойственных карбидов в матрице γ -раствора. Количество хрома и углерода можно определить по типу карбидной фазы. Хром частично смешивается с атомом железа с образованием ромбического карбида железа (Fe, Cr)₃C. При количестве хрома 14-25% образуется карбид хрома, за счет чего часть атомов хрома смешивается с железом с образованием тригональных (Fe, Cr)₇C₃ и кубических (Fe, Cr)₂₃C₆ решёток, что приводит к высокой твердости абразива. Царапающая среда трения в условиях сильного давления обеспечило износостойкость и прочность на изгиб [7].

В процессе формирования покрытий в газовом пламени на поверхности детали формируется слой покрываемого материала, получающий высокий уровень тепла и кинетической энергии под воздействием потока газового пламени [8]. Газопламенная струя формируется за счет воспламенения горючей смеси с большой скоростью от отверстия. Скорость полета частиц порошка зависит от конструкции применяемого устройства, то есть от соотношения смеси горючего газа и кислорода, от расстояния между площадью, охваченной наконечником горелку, от количества и от плотности частиц материала, охваченного пламенем и от зернистости [10].

В нашем исследовании огнеметный распылитель использовал ацетилен (C₂H₂) в газообразном кислороде для создания пламени, это обеспечивало температуру струи пламени топливного газа до 3200 ^оС. При этом наблюдалось, что скорость частиц порошка, выходящих из наконечника горелки, составляет около 150-160 м/с.

Частицы порошка, попадая в струю высокотемпературного газового пламени приходят в состояние плавления или высокой пластичности. Форма частиц порошка при формировании покрытий обеспечивала попадание частиц порошка в зону воспламенения пламенного распылителя с высокой скоростью потока. На покрытие 6-8 кг/с порошка расходовали 0,10-0,12 м³/с ацетилена.

Порошок с высоким содержанием хрома на основе железа наносится методом плазменного покрытия (рис.1). В этом процессе используется энергия молекулярного распада плазмообразующего газа.

В исследованиях с увеличением расстояния между горелкой факела, генерируемого газовым пламенем и рабочей поверхностью значение прочности покровного слоя, сначала увеличивалось, а затем уменьшалось [11]. Для проведения исследований расстояние между наконечником горелки и рабочей поверхностью выполнялось в нескольких размерах: 10, 12, 14, 16, 18 см. Максимальная твердость в исследуемой порошковой смеси наблюдалась при расстоянии между наконечником газопламенного распылителя и рабочей поверхностью порошковой смеси 14 см. Толщина покрытия составляла в среднем 2 мм, в покрытии формировалась твердость 54...56 HRC. Из макроанализа покрытия видно, что основа металла, с полученным покрытием соединена на высоком уровне качества (рис.1, а).

а) × 100                                           б)× 500

Рисунок 1.  Макроструктура порошкового покрытия с высоким содержанием хрома

Установлено, что при увеличении дистанции нагрева снижается тепловое воздействие пламени на поверхность и снижается уровень сцепления частиц порошка. Из анализа приведенных данных можно сделать вывод, что неправильная установка расстояния между наконечником горелки и рабочей поверхностью пламени, создаваемого газовым пламенем, является основой снижения температуры нагреваемых частиц порошка, деформации частиц при попадании их на покрываемую рабочую поверхность и снижение уровня вязкости.

Помимо механических свойств покрытия большое значение при формировании слоев покрытия путем нагрева частиц порошка с помощью газового пламени имеет также степень пористости композиций [12]. Отмечено, что максимальный уровень пористости в слоях покрытия, полученных из исследуемой порошковой смеси, составляет до 7 % (рис. 1, б) при расстоянии между наконечником газопламенного распылителя и рабочей поверхностью 14 см (рис. 1, б) и 10% при расстоянии 18 см.

Испытания в полевых условиях были проведены с использованием лемехов плугов из стали Л53, термически обработанных на СП «Бахтсельмаш» и лемехов плугов из стали 40Х с нанесенным на режущую поверхность высокохромистым порошков с использованием газового пламени. Испытания проводились в Пискентском районе Ташкентской области (таблица).

Таблица

Результаты испытаний на долговечность лемеха плугов в полевых условиях

Из анализа данных, представленных в таблице, установлено, что сопротивление трению лемеха из стали 40Х до 3,4...4 раза превышает сопротивления трения лемеха из стали Л53.

Предварительные выводы, апробированных лемехов можно сделать по внешнему виду. Самым главным показателем является анализ деформации на режущем конце детали. Уменьшение веса лемеха также позволяет оценить уровень износостойкости данных исследуемых деталей (рис. 2).

Рисунок 2. Уменьшение веса лемеха плуга: динамика изгиба лемеха с ножом из стали марки 40Х с покрытием; 2- динамика изгиба режущей части клинка из стали Л53

Из графиков на рис. 2 видно, что потеря веса термообработанных лемехов плугов составила 20% при обработке 9 га и 10% при обработке 12 га для лемеха с порошковым покрытием с высоким содержанием хрома.

Выводы

1. При формировании фрикционных покрытий из высокохромистой порошковой смеси с использованием газового пламени удалось снизить пористость покрытия до 7%, а твердость покрытия увеличилась на 54...56 HRC.

2. Срок службы лемеха плуга из стали 40Х с высокохромистым покрытием в среднем в 3,5-4 раза выше лемеха плугов из стали Л53, обработанной термической обработкой.

Список литературы:

1. Бетеня Г.Ф. Повышение долговечности почворежущих элементов сельскохозяйственной техники наплавкой, намораживанием. – Минск: БелНИИНТИ, 1986. – 44 с.
2. Пантелеенко Ф. И. Восстановление деталей машин. – М.: Машиностроение, 2003. – 672 с.
3. Жабуренок С. Н. Повышение долговечности плужных лемехов наплавкой диффузионно-легированными сплавами из чугунной стружки и последующей термической обработкой: Автореф. дис. канд. техн. наук: 05.02.01 / Полоцкий гос. ун-т. – Новополоцк, 2004. – 20 с.
4. Гаркунов Д. Н. Триботехника. М.: МСХА, 2005. 356 с.
5. An investigation on the stability of austenite in Austempered Ductile Cast Iron (ADI) / S. Panneerselvam [et al.] // Materials Science and Engineering. 2015. Vol. 626. P. 237-246.
6. Composition and Tribological Properties of Hardened Cutting Blades of Tillage Machines under Abrasive Deterioration / A. E. Novikov, V. A. Motorin, M. I. Lamskova, M. I. Filimonov // Journal of Friction and Wear. 2018. Vol. 39. No. 2. P. 158-163.
7. Effect of the starting microstructure in the formation of austenite at the intercritical range in ductile iron alloyed with nickel and copper / H. D. Machado, R. Aristizabal-Sierra, C. Garcia-Mateo, I. Toda-Caraballo // International Journal of Metalcasting. 2020. V. 14 (3). P. 836-845.
8. Influence of solidification conditions on the microstructure of laser-surface-melted ductile cast iron / D. Janicki, J. Górka, W. Kwaśny, W. Pakiela, K. Matus // Materials. 2020. V. 13 (5). P. 1174.
9. Батаев В. А., Батаев А. А., Алхимов А. П. Методы структурного анализа материалов и контроля качества деталей. М.: Наука, 2007. 224 с.
10. Berdiyev D.M., Tashmatov R.K. Phase and Structural Transformations of Structural Steels in Nontraditional Heat Treatment // Russian Engineering Research, 2021, Vol. 41, no. 1, pp. 46 – 48.
11. Berdiyev D.M., Tashmatov R.K. Increasing Die Durability in Cold Stamping by Quenching with Intermediate Tempering // Russian Engineering Research, 2022, Vol. 42, no. 10, pp. 1011 – 1013.
12. Berdiyev D. M., Yusupov A. A. Improving the Wear Resistance of Gear Teeth by Cyclic Quenching with Inductive Heating // Russian Engineering Research, 2020, Vol. 40, no. 6, pp. 473 – 475.