Методы изготовления пеномоделей и получения литых деталей зубьев бороны с твердосплавным сормайтовым покрытием путем литья по газифицируемым моделям и их последующая термическая обработка с двойной фазовой перекристаллизацией

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются поэтапные методы изготовления пеномоделей и получения литых деталей зубьев бороны с твердосплавным сормайтовым покрытием путем литья по газифицируемым моделям. Приведены способы склеивания изделий, процессы формовки, трамбовки, заливки жидкого металла и образования литых деталей. Представлен состав, строение и свойства покрытий из стали 35ГЛ. Проанализированы твердость и микротвердость поверхностных и подповерхностных слоев литых образцов и деталей. Разработаны оптимальные режимы термической обработки с двойной фазовой перекристаллизацией для данных деталей. Показано, что термическая обработка с двойной фазовой перекристаллизацией повышает износостойкость и долговечность готовых литых деталей в 3-4 раза.

ABSTRACT

The article presents the incremental methods of making and receiving penomodelyam cast parts of teeth harrows carbide sormaytovym coated by casting on gasified models. Methods of bonding products, processes molding, ramming, pouring the molten metal and the formation of molded parts. The composition, structure and properties of coatings of steel 35GL. Analyzed hardness and microhardness of the surface and subsurface layers of the cast samples and parts. Applied optimal modes of heat treatment with a dual phase recrystallization for these items. It is proved that the thermal processing phase double recrystallization increases wear resistance and durability in the finished cast parts 3-4.

Ключевые слова: газифицируемые модели, твердосплавное сормайтовое покрытие, склеивание, формовка, заливка металла, среднеуглеродистая сталь 35ГЛ, твердость и микротвердость, макростроение и микроструктура, термическая обработка с двойной фазовой перекристаллизацией, абразивная износостойкость.

Keywords: gas models, sormayte carbide coating, bonding, forming, filling, carbon steel 35GL, hardness and microhardness, makrostroenie and microstructure, heat treatment with the double phase recrystallization, abrasion resistance.

Введение. Повышение износостойкости и долговечности поверхностных слоев стальных и чугунных литых деталей в автосельхозмашиностроении является весьма актуальной проблемой [1].

Многие литые детали сельскохозяйственных и почвообрабатывающих машин и механизмов выходят из строя в результате поверхностного разрушения под воздействием твердых абразивных частиц, попадающих в зону трения. Расходы на ремонт или восстановление в настоящее время по республике составляют десятки миллиардов сум. В этих условиях экономически выгодным является любое удлинение срока службы литых деталей путем увеличения их износостойкости и долговечности, т.к. ремонт и восстановление деталей не всегда обеспечивают необходимые качества изделий [2,3]. Поэтому некоторые детали вышеуказанных машин изготовляются литьем без покрытия из стали или чугуна, а срок годности этих деталей не превышает одного сезона, так как они во время работы быстро изнашиваются. К таким деталям относятся литые зубья бороны, которые изготовляются на предприятиях республики и испытываются в полевых условиях при обработке почвы. Полученные результаты показывают, что ресурс зубьев бороны составляет 35-40 га обработанной земли. Недостатками первого варианта являются недостаточная твердость и износостойкость, второго – большой расход дефицитных твердых сплавов, а третьего – применение нестандартных марок сталей.

Целью данной работы является разработка технологии изготовления пенополистироловых моделей и получения литых деталей почвообрабатывающих машин с износостойким твердосплавным сормайтовым покрытием и последующей высокой абразивной износостойкостью. Объектом исследований были детали зубьев бороны, испытывающие интенсивный абразивно-коррозионный износ при бороновании почвы.

Методика проведения исследований. По предлагаемым технологиям при помощи пресс-формы сначала получается пеномодель (рис.1а) и покрывается износостойким твердосплавным покрытием (рис.1б,в), затем пеномодели располагаются горизонтально, а их рабочая поверхность направлена кверху и формуется в литейную опоку, а потом заливается жидкий металл при температуре 1600-1650⁰С через литниковую систему при сифонном подводе металла. Расплавленный металл подавался непосредственно на пеномодель. Под действием этого расплава полистирол газифицируется и образующиеся полости заполняются металлом по составу, соответствующему стали марки 35ГЛ. Таким способом изготовляются пеномодели и литые стальные детали зубьев бороны (рис.1г) с твердосплавным покрытием на производственном предприятии Холдинговая Компания «Metallmexqurilish» [4].

а)                 б)                            в)                       г)

Рисунок 1. Пеномодели и отливки деталей зубьев бороны 3БЗС-1,0 с твердосплавным покрытием: а – пеномодель; б – пеномодель с покрытием по основным изнашиваемым поверхностям; в – пеномодель по всему изнашиваемому поверхностному покрытию; г – литая стальная деталь зубьев бороны с износостойким твердосплавным покрытием и последующим термическим упрочнением

Заполнение формы жидким металлом является одним из основных этапов формирования отливки, определяющим многие показатели её качества. Следует отметить, что заливку форм нужно производить особенно тщательно, аккуратно и равномерно при постоянном гидростатическом напоре.

Склеивание литниковой системы. Перед формовкой хорошо просушенные пеномодели склеиваются на круглом или гайкообразном кольце модели с помощью литниковой системы. Все пеномодели должны склеиваться специальными клеями и сушиться при нормальной комнатной температуре. Например, пеномодели зубьев бороны (рис.2а, б, в). Склеенные пеномодели размещают в металлических опоках-контейнерах, засыпают постель из сухого кварцевого песка, уплотняют ручной или автоматической вибрацией, а потом в заданном положении устанавливают модель с литниковой системой при помощи керамических трубок для разливки расплава. Литниковая система позволяет обеспечить практически постоянную скорость подъема металла в форме.

а)                          б)                               в)

Рисунок 2. Склеенные пеномодели зубьев бороны с тремя видами твердосплавных покрытий: а – пеномодели; б – пеномодели с покрытием по основным изнашиваемым поверхностям; в – пеномодели с покрытием по всему изнашиваемому поверхностному покрытию

Окончательную формовку осуществляли следующим образом. На дно нижней части опоки-контейнера засыпали постель из сухого кварцевого песка, уплотняли вибрацией и затем в нужном положении устанавливали пеномодель с литниковой системой при помощи керамических трубок (рис.3а). Керамическая трубка предназначена в основном, для разливки стали. После этого опоку заполняли кварцевым песком вручную (рис.3б) или автоматической вибрацией (рис.3в) доверху (рис.3г). Уплотненную таким образом форму накрывали перфорированным металлическим листом с отверстиями для прохода газов, устанавливали литниковую чашу и груз (рис.3д). Затем опоки-контейнеры с формовочного участка отправляли на конвейере на заливочный участок и по очередности заливали жидкий металл (см.рис.3д). После заливки жидкого расплава опоки-контейнеры остывали на воздухе в течение определенного времени, их раскрывали и получали качественную готовую отливку детали зубьев бороны с износостойким твердосплавным покрытием типа «сормайт» ПГ-С27 [4] толщиной слоя покрытия 2-3 мм (рис.3е).

В работе исследуется состав твердого сплава типа сормайт ПГ-С27. Выбор состава наносимого покрытия производился по двум критериям: 1 – покрытие должно отвечать требованию 3-4 – кратного увеличения износостойкости по сравнению с износостойкостью стальной основы; 2 – покрытие должно включать доступные и недорогие компоненты и отличаться простотой технологии его нанесения. Исходя из этого, в качестве покрытия на рабочей поверхности зубьев бороны выбрали твердый сплав типа сормайт, а в качестве связки использовали раствор 4%-го поливинилбутираля в спирте.

а)                                      б)                                 в)

г)                                д)                                 е)

Рисунок 3. Процесс формовки и заполнение металлической опоки-контейнера: а – формовка пеномоделей зубьев бороны; б – ручная формовка с кварцевым песком с помощью лопатки и сита; в – автоматическая вибрация; г – заполнение доверху; д – заливка расплава; е – отливки деталей зубьев бороны с твердосплавным покрытием

Результаты исследований и их обсуждение. Для проверки толщины слоя отливки взяли готовую деталь зубьев бороны с износостойким твердосплавным покрытием (рис.4 а), вырезали кусок шлифа для макро - и микроисследования (рис.4 б, в), затем его отшлифовали и отполировали (рис.4 г), а потом промыли и подвергли химическому травлению соответствующим травителем для выявления поверхностного покрытия толщиной слоя обмазки 2-3 мм (рис.4д). Более явно и визуально макроизображение поверхностных твердосплавных сормайтовых покрытий [4] представлено на (рис.5 а, б, в).

а)                       б)             в)             г)            д)  

Рисунок 4. Готовые отливки деталей зубьев бороны и вырезанные образцы с твердосплавным сормайтовым покрытием толщиной слоя 2-3 мм: а – стальная деталь зубьев бороны; б,в – вырезанные куски образцов; г – шлифованный и отполированный образец; д – образец, подвергшийся травлению толщиной покрытия 2,0-3,0 мм

а)                                       б)                                             в)

Рисунок 5. Стальные образцы с износостойким твердосплавным покрытием типа сормайт ПГ-С27 толщиной слоя: а-2,0 мм; б-2,5 мм; в-3,0 мм

Оптимальные режимы термической обработки. Эти образцы подвергали различным режимам термической обработки. Термическую обработку литых образцов с износостойким твердосплавным покрытием проводили в лабораторных печах, а натурных изделий – в термической камерной печи при различных температурах нагрева:

1) Смягчающий отжиг при температуре 700-720⁰С в течение двух часов, а охлаждение вместе с печью;

2) Термическая обработка, закалка образцов с нагревом до температуры от 900 до 1150⁰С, а охлаждение в масле или на воздухе;

3) Отпуск при различных температурах нагрева 300, 450, 500, 550, 600⁰С. Время выдержки образцов при отпуске - 1,5 часа, а охлаждение на воздухе;

4) Двойная (повторная) закалка. Образцы после первой закалки с различных температур нагрева и промежуточного отпуска 450-600⁰С подвергали повторному нагреву до 925-940⁰С, закаливали, охлаждали в масле и отпускали при температуре 300⁰С. Двойная закалка [5,6] используется впервые для увеличения износостойкости твердосплавных литых деталей. После двойной закалки повышаются твердость, микротвердость и, особенно, износостойкость твердосплавных образцов и деталей в 3-4 раза по сравнению с серийными изделиями.

Микроскопические исследования проводили в соответствии с рекомендациями [6]. Для травления шлифов из высокохромистого белого чугуна использовали травитель следующего состава: Для травления шлифов из твердосплавного покрытия (стали) применяли реактивы (травитель) следующего состава: 1. Азотная кислота; 2. Спирт этиловый – 45 мг; 3. Вода – 100 мл. Микроскопические исследования проводили на микроскопах МИМ-8М и Neophot-21 при различных увеличениях. Образцы имели следующие размеры: 15х15; 15х20; 20х20; 20х22 мм. Исследования микроструктуры образца №20, полученного при литье по газифицируемой модели с твердосплавным покрытием из порошка типа сормайт ПГ-С27 толщиной слоя 3 мм показали, что на поверхности слоя структура эвтектическая (рис.6а). При дальнейшем охлаждении участки аустенита превращаются в продукты его распада, но скорее всего испытывают мартенситное превращение (рис.6б). Усиная «корочка» - эвтектическая часть структуры вообще отсутствует (рис.6в). Причем, глубина эвтектической зоны 1,6-1,8 мм, а глубина доэвтектической зоны до границы перехода к основному металлу 1,9-2,4 мм. На рабочей поверхности покрытия на глубину до 1,4÷1,7 мм формируется структура эвтектики со столбчатыми кристаллами карбидов типа Cr₇C₃ и Cr₂₃C₆. Структура металлической основы эвтектики не разрушается, но судя по общей твердости НRС=48÷52 она мартенситная с остаточным аустенитом (рис.6г).

а)                                                          б)

в)                                                  г)

Рисунок 6. Микроструктуры поверхностных слоев литых стальных образцов. Х300

Рентгеноструктурный фазовый анализ проводили с целью определения фазового состава чугуна, процентного соотношения фаз, уровня дефектности кристаллической решетки металлической основы чугуна, состояния твердого раствора в железе [7]. Исследования проводили на рентгеновском дифрактометре ДРОН-2,0 при съеме рентгенограммы в режиме автоматической записи в интервале углов 30-160⁰ на излучении железного анода. Условия съемки были следующие: напряжение на трубке 26 квольт; анодный ток 9 мА; скорость движения сцинциляционного счётчика 4⁰/мин; скорость движения диаграммной ленты – 1800 мм/ч; щели 2х6х1 с применением щелей Соллера для ограничения вертикальной расходимости первичного пучка лучей; предел измерения-1; постоянная времени-5. Определены карбиды М₇C₃, М₂₃C₆ и др. Для проведения испытаний на абразивный износ брали образцы из твердосплавного покрытия с размерами 70х35х15 мм. Специально приготовленные образцы до и после испытаний взвешивали на аналитических весах ВЛА-200_г-М с точностью до 0,1 мг, а испытания на абразивный износ проводили на машине трения ПВ-7. Использовались образцы до и после одинарной и двойной термической обработки. Хорошие результаты по износостойкости образцов получены после оптимальной термической обработки с двойной фазовой перекристаллизацией.

Выводы. Таким образом, термически обработанные литые образцы и детали с износостойким твердосплавным покрытием [8] испытывали в полевых условиях различных областей (районов) республики. Результаты испытания показали, что опытно-экспериментальные литые детали зубъев бороны без твердосплавного покрытия в 1,3 раза, с твердосплавным покрытием в 2,5-2,9 раза, с износостойким твердосплавным покрытием после термической обработки с двойной фазовой перекристаллизацией в 3,5-4,0 раза повышают свою износостойкость и долговечность [9] по сравнению с серийными деталями. Данная технология внедрена в производство АО «Узметкомбинат» с наилучшим экономическим эффектом. 

Список литературы:
1. Севернев М.М. Износ деталей сельскохозяйственных машин. - Л.: Колос, 1988. - 289 с.
2. Ниловский И.А. Из опыта работ по изысканию способов повышения износостойкости лемехов и других деталей сельскохозяйственных машин. - В сб.: Повышение износостойкости лемехов. – М.: Машгиз, 1986. С. 202-212.
3. Ткачев В.Н. Износ и повышение долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин. – М.: Машиностроение, 1984. - 293 с.
4. Тилабов Б.К. Технология изготовления литых деталей с твердосплавными и износостойкими покрытиями // Научно-технический и производственный журнал. Горный Вестник Узбекистана. – Навои, 2009. №39. С.87-90.
5. Мухамедов А.А. Влияние параметров структуры, термически обработанной стали на абразивную износостойкость // Известия ВУЗов. Черная металлургия, 1989. №7. С.115.
6. Мukhаmedov А.А. Тhe influence of thermal pistory on the structure and properties of steel – the physics of Metals abd Metallography. – Moskov, 1992. Vol. 74. №5. Р.482-487.
7. Миркин Л.И. Рентгенографическое исследование высокотемпературной термической обработки малоуглеродистой стали // Изв. ВУЗов. Черная металлургия, 1981. №11. С.152-154.
8. Тилабов Б.К. Термическая двойная закалка как эффективный метод экономии материальных ресурсов. Теплофизические и технологические аспекты повышения эффективности машиностроительного производства // Труды III Международной научно-технической конференции. Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти, 12-14 октября 2011 г. – Россия, 2011. С.312-316.
9. Tilabov B.K. Heat treatment of wear resistant hardalloved coating of the details oвtained by casting on gasified models. Известия на Технический университет Габрово // Journal of Technical University of Gabrovo. – Bulgaria, 2015. Vol. 49. Р.11-14.