СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ПОЧВООБРАБАТЫВАЮЩИХ МАШИН
PRODUCTION TILLAGE TOOL WORKING MEMBERS

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения и может быть использовано при изготовлении рабочих органов почвообрабатывающих машин, таких как лемеха, отвалы, полевые доски, пластины противорежущие, долота, диски, лапы культиваторов и другие.
Рабочие органы почвообрабатывающих машин должны обладать высокой износостойкостью, прочностью и, кроме того, в процессе работы должна сохраняться оптимальная форма режущего лезвия.
Известен способ получения рабочих органов почвообрабатывающих машин, заключающийся в том, что заготовку из стали с содержанием углерода 0,35-0,60% и марганца 0,2-0,8% нагревают до 840-860°C и закаливают на твердость 30-40 HRC. Затем ведут электродуговую наплавку износостойким сплавом. После этого производят отпуск в электропечи при температуре 350-400°C с получением сорбитно-трооститной структуры основного металла, которая имеет оптимальные прочностные свойства для наплавленных рабочих органов, эксплуатирующихся в условиях знакопеременных нагрузок.
(Патент RU 2010867, описание, МПК C21D 1/00, опубликован 15.04.1994 г.)
Недостатком известного способа является получение наплавленного износостойкого слоя с недостаточной прочностью сцепления с основной деталью, что зачастую приводит к отслоению наплавленного слоя как в процессе последующей термообработки, так и в процессе эксплуатации детали, а также происходит неравномерный износ наплавленного слоя.
Известен способ изготовления лемехов, включающий формирование лемеха методом литья из стали с содержанием углерода 0,8-1,4% и марганца 10-15%, его закалку с нагревом до температуры 1000-1050°C и охлаждением в воде. При вспашке грунта поверхностный слой лемеха, подвергающийся истиранию и ударам, упрочняется вследствие превращения аустенита в мартенсит, хорошо сопротивляющийся истиранию, и в результате наклепа. Аустенитная структура внутреннего объема характеризуется высокой вязкостью и успешно противостоит ударным нагрузкам.
(Патент RU2207386, МПК C21D 9/18, опубликован 27.06.2003 г.)
Недостатком известного способа является то, что превращения аустенита в мартенсит происходит при достаточно высоких нагрузках (ударах), сопоставимых со значением предела упругости для данной стали, что практически недостижимо в процессе обработки земли (вспашке). Таким образом, при достаточно хорошей вязкости, поверхностный слой, как правило, обладает относительно невысокой твердостью (порядка 40-45 HRC), это приводит к достаточно быстрому истиранию детали, и вызывает необходимость ее замены.
Известен способ получения рабочего органа почвообрабатывающих машин, который имеет тело, содержащее поверхностный слой и сердцевину, и рабочую часть в виде лезвия или острия. Способ заключается в том, что рабочий орган выполняют из углеродистой стали с пониженной прокаливаемостью с содержанием углерода от 0,40 до 0,80 мас.%, подвергают объемно-поверхностной закалке с самоотпуском или отпуском в печи, при этом поверхностный слой тела и рабочую часть выполняют с микроструктурой в виде отпущенного мартенсита с размером действительного зерна аустенита в пределах более 11 баллов, но не более 14 баллов и с твердостью 55-60 HRC, а сердцевину тела выполняют с микроструктурой в виде троостита или троостосорбита, или сорбита с твердостью 34-46 HRC. Технический результат изобретения - улучшение качества рабочих органов почвообрабатывающих машин за счет повышения их износостойкости и ударостойкости.
(Патент RU 2233570, описание, МПК A01B 15/00, опубликован 10.08.2004 г.)
Недостаток известного способа заключается в том, что поверхностный слой тела и рабочая часть исходного рабочего органа должен характеризоваться микроструктурой первичного аустенита с размером зерна в пределах более 11 баллов, но не более 14 баллов. Данное условие является необходимым для получения твердости 55 - 60 HRC, и как следствие высоких показателей износостойкости, однако выполнение, контроль и стабильность данного параметра являются очень затруднительными в условиях массового производства рабочих органов, а следствием - его невыполнение.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ изготовления рабочих органов почвообрабатывающих машин, включающий формообразование и термическую обработку самозатачивающихся лемехов, выдвижных долот, плоскорезов, лап культиваторов и других рабочих органов из биметалла, производившегося по ГОСТ 15891-70. В качестве основы биметалла служит сталь марки Л53, в качестве слоя повышенной твердости - сталь марки Х6Ф1. Химический состав стали Л53, мас.%: углерод 0,47 - 0,57; марганец 0,5 - 0,8; кремний 0,15 - 0,35; сера≤0,05; фосфор≤0,04; железо - остальное. Сталь Х6Ф1 содержит следующие элементы, мас.%: углерод 1,40 - 1,70, марганец≤0,5; кремний≤0,70; хром 5,50 - 7,00; ванадий 0,80 - 1,20; сера≤0,03; фосфор≤0,03.
Использование биметаллов увеличивает срок службы и придает изготовленным из этих биметаллов лезвиям почвообрабатывающих машин способность к самозатачиванию, в результате чего не требуются промежуточные заточки вплоть до полного износа изделия. (А.Г. Кобелев, И.Н. Потапов, Е.В. Кузнецов «Технология слоистых металлов» М. Металлургия 1991 г. стр.243 - 244 - прототип.)
Недостатком известного способа является низкая технологичность стали Х6Ф1 при производстве биметалла, а также в процессе изготовления рабочих органов почвообрабатывающих машин, заключающаяся в возникновении трещин при необходимости проведения операций по гибке и штамповке, кроме того из-за недостаточно высокой прочности сцепления слоев в таком биметалле возможно его расслоение в процессе изготовления изделия и при его эксплуатации.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получении рабочих органов почвообрабатывающих машин с высокими показателями прочности, твердости и износостойкости, а также прочности сцепления слоев при сохранении в процессе работы оптимальной формы режущего лезвия.
Технический результат изобретения - повышение прочности сцепления слоев, повышение технологичности при изготовлении изделий, получение высоких показателей прочности, твердости и износостойкости готового изделия, а также сохранение в процессе работы оптимальной формы режущего лезвия.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе изготовления рабочих органов почвообрабатывающих машин, включающем формообразование рабочих деталей из горячекатаного биметаллического листа и термическую обработку, согласно изобретению основной слой биметалла изготавливают из легированной стали, содержащей, мас.%:
углерод 0,10-0,50,
кремний 0,5-1,5,
марганец 0,5-1,5,
хром 0.5 - 1,5,
фосфор не более 0,025,
сера не более 0,025,
железо и неизбежные примеси - остальное,
Плакирующий слой выполняют из высоколегированной износостойкой стали, содержащей, мас.%:
углерод 0,7-1,2,
кремний 0,1-1,7,
марганец 0,15-0,80,
хром 0,6 - 2,0,
молибден до 0,3,
фосфор не более 0,025,
сера не более 0,025,
железо и неизбежные примеси - остальное,
и наносят на основной слой методом электрошлаковой наплавки, перед формообразованием лист отжигают при температуре 680-820°C, а термическую обработку ведут путем закалки от температуры 850-950°C и отпуска при температуре 150-250°C. Сталь плакирующего слоя может дополнительно содержать, мас %: вольфрам 0,02-1,0 и ванадий 0,02-0,2. Формообразование полевых досок, пластин противорежущих, дисков, долотьев плуга включает нарезку заготовок из листа и механическую обработку. Формообразование лемехов, лап включает нарезку заготовок из листа, механическую обработку, горячую гибку, обеспечивающую требуемую форму.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Использование в качестве основного слоя биметаллических листов легированной стали указанного состава с ограниченным содержанием серы и фосфора способствует обеспечению высоких показателей прочности и вязкости, необходимых для обеспечения высокого ресурса эксплуатации износостойкого биметаллического материала, подвергающегося ударным нагрузкам.
Плакирующий слой биметаллических листов, изготовленный из высоколегированной стали заявленного состава, обеспечивает высокий уровень износостойкости. Нанесение плакирующего слоя на основной слой методом электрошлаковой наплавки обеспечивает высокую прочность сцепления слоев.
Обязательным условием получения высоких показателей технологичности при изготовлении изделий является обеспечение низкой твердости листов перед изготовлением изделия. Низкая твердость проката перед формообразованием изделий достигается путем проведения отжига биметаллических горячекатаных листов при температуре 680-820°C. В результате выдержки при этих температурах, с одной стороны, происходит отпуск мартенсита, что снижает твердость, с другой стороны, формируются твердые частицы карбидов, в том числе хрома и ванадия, которые вызывают дополнительное (плюс к упрочнению путем формирования мартенсита при закалке) упрочнение готового изделия.
Высокая твердость готового изделия после закалки и низкотемпературного отпуска является показателем его износостойкости.
Проведенные исследования влияния температур закалки и отпуска позволили выявить следующие закономерности формирования структуры, в том числе наноструктурной составляющей, а также свойств сталей исследованных вариантов химического состава в процессе термической обработки двухслойного проката и готовых изделий. В сталях, дополнительно легированных хромом, а также, в частных случаях, ванадием и вольфрамом, в процессе отжига происходит наноструктурирование - выделение наноразмерных частиц хрома, вольфрама и ванадия, в значительно большей степени, чем в сталях, легированных кремнием. Эти частицы могут сохраняться в стали при нагреве под закалку и вызывать дополнительное (помимо упрочнения за счет образования мартенсита) упрочнение стали по механизму дисперсионного твердения. Кроме того, такие частицы могут тормозить рост аустенитного зерна при нагреве под закалку и тем самым приводить к образованию еще более мелкодисперсного мартенсита. То есть формирование в стали плакирующего слоя при отжиге наноразмерных частиц карбидов хрома, вольфрама и ванадия является способом получения и наноструктурного, и наноструктурированного плакирующего слоя биметалла, что повышает его твердость, прочность и износостойкость. В то же время наиболее высокая твердость таких сталей обеспечивается после отпуска при температуре 150°C. Для стали, легированной только хромом, снижение твердости наблюдается при температуре отпуска выше 250°C, для сталей, легированных дополнительно ванадием и вольфрамом, повышение температуры отпуска до 200°C и выше приводит к снижению твердости до значений ниже 60 HRC, что связано, как с отпуском мартенсита, так и с укрупнением частиц избыточных фаз.
Для стали, легированной хромом, а также, в частных случаях, ванадием и вольфрамом, выделение наноразмерных частиц карбидов при отжиге происходит в значительно меньшей степени, что связано с высоким содержанием в стали кремния, тормозящим протекание диффузионных процессов. При нагреве под закалку формируется крупное зерно аустенита, при последующем охлаждении образуется мартенсит с большим размером игл, особенно после закалки с 950°C. При этом количество частиц избыточных фаз в стали невелико. В то же время повышение температуры отпуска до 200-250°C приводит к выделению существенно более мелких карбидных частиц, вызывающих дисперсионное твердение и приводящих к значительному повышению твердости, несмотря на отпуск мартенсита.
Дальнейшее повышение температуры отпуска до 300°C приводит к некоторому снижению твердости, однако для всех температур отпуска не менее 200°C значения твердости максимальны именно для плакирующего слоя из стали, дополнительно легированной хромом, ванадием и вольфрамом.
Таким образом, значение температурного интервала закалки составляет 850-950°C, отпуска - 150-250°C.
Примеры реализации изобретения.
Биметаллические заготовки с основным слоем из легированной стали (состав стали приведен в таблице 1) и наплавленным слоем из высокоуглеродистой стали повышенной износостойкости (состав стали проведен в таблице 2) с толщиной наплавленного слоя 30-80 мм были получены электрошлаковой наплавкой. Заготовки нагревали для горячей прокатки до температур 1150-1250°C и прокатывали на листы толщиной 10 мм.
Осуществляли ультразвуковой контроль листов для проверки сплошности соединения слоев в соответствии с требованиями ГОСТ 22727 «Прокат листовой. Методы ультразвукового контроля». Сплошность соединения слоев на всех листах соответствовала 0-1 классам, что является показателем высокого качества.
Затем полученный раскат разрезали на мерные листы и проводили последующий отжиг (параметры отжига указаны в таблице 3) для снижения твердости плакирующего слоя и повышения его технологичности при получении изделий. Лист варианта 5 с основным и плакирующим слоем таким же, как и для варианта 4, отжигу не подвергали. Механические свойства и показатели твердости плакирующего слоя указанных листов приведены в таблице 3.
Для оценки служебных свойств биметалла от указанных листов были отобраны образцы, на которых определяли механические свойства и твердость плакирующего слоя после термической обработки, имитирующей термическую обработку готовых изделий: закалки от температуры 930°C с низкотемпературным отпуском при 200°C.
Механические свойства конечной продукции и показатели твердости плакирующего слоя, полученные на образцах после закалки и отпуска, представлены в таблице 4.
В качестве показателя технологичности биметаллического проката следует принять значение твердости плакирующего слоя в состоянии поставки - после горячей прокатки или после горячей прокатки с последующим отжигом. При значении твердости после отжига менее 300 НВ биметалл оценивают как имеющий высокую технологичность при изготовлении изделий.
2
За показатели износостойкости приняты твердость плакирующего слоя и предел прочности биметаллического проката после закалки и отпуска. Экспериментально установлено, что износостойкость является высокой, если значение твердости составляет не менее 62 HRC, а значение предела прочности - не менее 950 Н/мм.
Использование отжига для листов вариантов 1-4,6 привело к существенному снижению твердости плакирующего слоя по сравнению с вариантом 5 (без отжига): твердость снизилась от 350 HB до 300 HB и менее (см. таблицу 3). Из вариантов с отжигом наиболее высокое значение твердости 300 НВ получено после отжига при температуре 670°C (вариант 2 - недостаточная технологичность). Это свидетельствует о необходимости использования отжига при заявленных температурах для обеспечения высокой технологичности биметалла.
Из таблицы 4 следует, что отжиг при заявленных температурах является обязательным условием обеспечения высокой твердости плакирующего слоя после закалки и отпуска.
Удовлетворительную технологичность в сочетании с высоким ресурсом эксплуатации имеют варианты 1, 3, 4 и 6, соответствующие формуле изобретения.
Таблица 1
Химический состав стали основного слоя
№варианта
Содержание элементов, мас.%
C
Si
Mn
Cr
P
S
Fe и примеси
1
0,3
0,96
0,91
0,86
0,012
0,004
остальное
2
0,33
1,01
0,98
0,93
0,011
0,003
остальное
3
0,35
0,97
0,95
0,91
0,010
0,004
остальное
4
0,29
0,93
0,87
0,84
0,012
0,003
остальное
5
0,29
0,93
0,87
0,84
0,012
0,003
остальное
6
0,32
0,98
0,90
0,85
0,010
0,004
остальное
Таблица 2
Химический состав наплавленного (плакирующего) слоя
№варианта
Содержание элементов, мас.%
C
Si
Mn
Cr
W
V
Mo
P
S
Fe и примеси
1
0,70
1,38
0,54
0,78
-
-
0,005
0,013
0,003
остальное
2
0,79
0,30
0,30
1,73
-
-
0,02
0,012
0,005
остальное
3
0,795
1,04
0,47
1,30
-
-
0,018
0,014
0,003
остальное
4
0,85
0,29
0,37
1,58
-
-
0,016
0,010
0,002
остальное
5
0,85
0,29
0,37
1,58
-
-
0,016
0,010
0,002
остальное
6
0,80
1,10
0,52
1,40
0,098
0,039
0,02
0,012
0,005
остальное
Таблица 3
Механические свойства биметаллических листов перед изготовлением изделий
№варианта
Температура отжига, °C
Предел текучести, Н/мм2
Предел прочности, Н/мм2
Относительное удлинени е, %
Твердость основно го слоя HB
Твердость плакирующе го слоя НВ
Изгиб
1
740
415
760
21,5
197
250
Уд
2
670
425
765
17,0
197
300
Уд
3
760
455
830
17,5
197
285
Уд
4
745
450
810
17,5
207
280
Уд
5
без отжига
475
845
14,0
230
350
Уд
6
760
460
840
17,5
200
290
Уд
Таблица 4
Механические свойства конечной продукции после закалки и отпуска
№варианта
Предел текучести, Н/мм2
Предел прочности, Н/мм2
Относительное удлинение, %
HRC Основного слоя
HRC плакирующего слоя
Изгиб
1
540
910
18,0
34
62
уд
2
585
950
16,0
33
61
уд
3
580
970
14,0
34
63
уд
4
570
960
13,0
35
63
уд
5
525
910
13,5
34
60
уд
6
590
975
13,0
34
64
уд
Были изготовлены рабочие органы почвообрабатывающих машин из биметалла, химические составы основного и плакирующего слоев которого приведены в таблицах 5 и 6.
Таблица 5
Химический состав стали основного слоя
№биметалла
Содержание элементов, мас.%
C
Si
Mn
Cr
P
S
Fe и примеси
1
0,29
0,93
0,87
0,84
0,012
0,003
остальное
0,35
0,97
0,95
0,91
0,010
0,004
остальное
3
0,3
0,96
0,91
0,86
0,012
0,004
остальное
Таблица 6
Химический состав плакирующего слоя
№биметалла
Содержание элементов*, мас.%
C
Si
Mn
Cr
W
V
Mo
P
S
1
ОП-1-1 9X1
0,83
0,29
0,37
1,58
0,078
0,035
0,016
0,010
0,002
2
9ХС ОП-1-2
0,85
1,20
0,47
1,25
0,085
0,039
0,018
0,014
0,003
3
ОП-2-1 60С2ХА
0,65
1,40
0,54
0,78
-
-
0,005
0,013
0,003
* Железо и примеси - остальное.
Из листов, материал которых соответствует биметаллу 1 и 2, были изготовлены четыре лемеха. Перед формообразованием листы отжигали при температуре 740°C и 750°C, соответственно, затем из листов нарезали заготовки, проводили механическую обработку, горячую гибку, обеспечивающую требуемую форму, после чего изделия закаливали от температуры 930°C и отпускали при температуре 220°C.
Из листов, материал которых соответствует варианту 3, были изготовлены полевая доска плуга и долото плуга. Перед формообразованием листы отжигали при температуре 730°C, затем из листов нарезали заготовки, проводили механическую обработку, изделия закаливали от температуры 920°C и отпускали при температуре 200°C.
Проводили эксплуатационные испытания рабочих органов почвообрабатывающих машин. Условия проведения испытаний: почвы легко и среднесуглинистого механического состава, твердостью (на глубине 20 - 22 см) - 1.8-3.3 МПа. Наработка на рабочий орган (до отказа) составила более 30 гектар.
Для подтверждения правомерности заявленных температурных интервалов закалки и отпуска от листов, материал которых соответствует биметаллу 1, по указанной выше технологии были изготовлены четыре лемеха, но температура закалки и отпуска которых выходила за пределы, указанные в формуле изобретения.
По два лемеха закаливали от температур выше (960°C) и ниже (840°C) заявленных в формуле изобретения и отпускали при температурах, не соответствующих заявленным: 140°C и 260°C, соответственно.
На лемехах после закалки от температуры 960°C были обнаружены мелкие поверхностные трещины, распространяющиеся в глубь металла.
На лемехах, закаленных от температуры 840°C и отпущенных как при температуре 140°C, так и при температуре 260°C твердость плакирующего слоя составила 55-57 HRC, которая недостаточна для обеспечения требуемой износостойкости.
Таким образом, технический результат изобретения - повышение прочности сцепления слоев, повышение технологичности при изготовлении изделий, получение высоких показателей прочности, твердости и износостойкости готового изделия, а также сохранение в процессе работы оптимальной формы режущего лезвия, достигается при выполнении совокупности всех признаков, указанных в формуле изобретения.