Отвал плуга

Полезная модель относится к области сельскохозяйственного машиностроения и ремонта машин, в частности к конструкции, изготовлению, восстановлению и упрочнению плужных отвалов.
В качестве аналога известен отвал плуга, предлагаемый в Способе изготовления и восстановления отвалов различного назначения (пат. №2664492, МПК B23P 6/00, A01B 15/04 опубл. 20.06.2016 г., бюл. №23), отвал плуга состоит из рабочего и внутреннего слоев, причем рабочий слой представляет собой покрытие матричного типа, состоящее из углеродистых или легированных стальных пластин твердостью 50-53 HRC, связанных с помощью клеевого эпоксидного компаунда при соотношении эпоксидной смолы к отвердителю 10/1,5, внутренний слой - из стали.
Недостатком аналога являются низкие срок эксплуатации в виду отрыва пластин во время обработки почвы вследствие высокой чувствительности к ударным нагрузкам, которые имитируют находящиеся в почве твердые породы камня, ускоренное истирания клеевого эпоксидного компаунда вследствие находящихся в обрабатываемой почве различных твердых частиц, также недостатком является низкая коррозионная стойкость как в кислотных, так и в щелочных средах. Также во время эксплуатации происходит растрескивание клеевого эпоксидного компаунда из-за высокой хрупкости его и низкая усталостная прочность, при действующих знакопеременых изгибающих и растягивающих нагрузках.
В качестве прототипа взят отвал плуга [Голубина С.А. диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Повышение износостойкости отвалов плугов полуавтоматической вибродуговой наплавкой. - Калуга 2016, стр. 18-24. Рис. 1.6, табл. 1.1], состоящий из внутреннего слоя из стали и износостойкого слоя из сплава FeCMnSiCrTiB, полученного методом наплавки, при соотношении, %: C - 2,9-3,5; Mn - 1-1,5; Si - 2-2,5; Cr - 22-27; Ti - 0,5-1,5; B - 0,5-1,5; Fe - остальное.
Недостатком аналога является возможное появление коробления при появлении незначительных нагрузок при работе, связанных с наличием остаточных напряжений, а также появление усталостных трещин и растрескивание в результате действующих изгибающих и растягивающих нагрузок вследствие низкой усталостной прочности. Также недостатком является низкая стойкость к абразивному типу изнашивания и низкая коррозионная стойкость как в кислотных, так и в щелочных средах.
Задачей полезной модели является усовершенствование отвала плуга, позволяющее повысить его эксплуатационные характеристики.
Техническим результатом является повышение стойкости к абразивному и коррозионному виду износа.
Технический результат достигается тем, что отвал плуга состоит из внутреннего слоя из стали и износостойкого слоя, отличающийся тем, что дополнительно содержит расположенный между износостойким и внутренним слоями функциональный градиентный слой из сплава никеля (Ni) с алюминием (Al) эквиатомного состава и сплава с термоупругими мартенситными превращениями FeMnNiAl, изменяющийся по толщине по линейному закону NiAl/FeMnNiAl от 99/1 к 1/99, а износостойкий слой выполнен из материала с термоупругими мартенситными превращениями FeMnNiAl, при следующем соотношении, мас. %:
Fe
44-46
Mn
32-36
Ni
6-9
Al
12-15,
нанесенные с помощью технологии высокоскоростного газопламенного напыления в защитной атмосфере аргона.
Принятая последовательность слоев и их состав обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик отвала плуга, в частности стойкости к абразивному и гидроабразивному износу и к коррозии.
Выполнение дополнительного расположенного между износостойким и внутренним слоями функционального градиентного слоя, обеспечивающего повышение адгезии, представляющего собой смеси из сплава никеля (Ni) с алюминием (Al) эквиатомного состава (при соотношении Ni /Al ат.% 50/50) и сплава с термоупругими мартенситными превращениями FeMnNiAl, изменяющиеся по толщине по линейному закону NiAl/FeMnNiAl от 99/1 к 1/99, обеспечивает повышение степени химического взаимодействия между износостойким и внутренним слоями. Это способствует увеличению адгезионной прочности между износостойким и внутренним слоями, улучшая при этом эксплуатационные характеристики транспортирующего шнека, а также позволяет убрать четко выраженную границу покрытие-подложка, что значительно повысит стойкость покрытия к отслаиванию, как в результате знакопеременного приложения нагрузки на деталь (повышение усталостной прочности), так и в результате появление напряжений вдоль границы раздела покрытие-подложка, возникающих в результате объемного изменения покрытия, происходящих при мартенситно-аустенитном превращениях покрытия FeMnNiAl, имеющего термоупругие фазовые превращения, которые могут возникать как при изменении температуры (термоциклирование), так и в результате приложения напряжений, приводящих к смещению атомов друг относительно друга в кристаллической решетке с изменением фазового состояния двойникованием (мартенсит деформации или мартенсит напряжения). При этом плавное изменение соотношения NiAl к FeMnNiAl в составе функционального градиентного слоя, обеспечивающего повышение адгезии, изменяющегося по толщине по линейному закону NiAl/FeMnNiAl от 99/1 к 1/99, позволяет проявлять также псевдоупругие свойства, но при этом процент восстанавливаемой сверхупругой деформации (псевдоупругость) будет плавно снижаться по толщине адгезионного слоя по мере приближения к внутреннему слою, что позволит избежать возникновения напряжения вдоль границы раздела покрытие-подложка из-за резкого изменения объема покрытия при фазовом превращении, что и обуславливает повышение стойкости покрытия к отслаиванию как в результате знакопеременного приложения нагрузки на деталь (повышение усталостной прочности), так и в результате появления напряжений вдоль границы раздела покрытие-подложка, возникающих в результате объемного изменения покрытия, происходящих при мартенситно-аустенитном превращениях покрытия FeMnNiAl.
Использование для функционального градиентного слоя, обеспечивающего повышение адгезии, одним из элементов сплава NiAl эквиатомного состава, объясняется тем, что при формировании слоя напыляемые частицы Ni и Al представляют собой механически сцепленные частицы и являющиеся термореагирующими, которые, нагреваясь от газовой струи при напылении и при столкновении с подложкой (превращение кинетической энергии во внутреннюю тепловую энергию), начинают образовывать интерметаллидный сплав при протекании экзотермической реакции с выделением тепла. Это обеспечивает повышение теплосодержания частиц и температуры контакта, что приводит к повышению прочности сцепления покрытия с подложкой (адгезия) и частиц между собой (когезия самого функционального градиентного слоя).
Получение на поверхности детали покрытия из материалов с термоупругими мартенситными превращениями, проявляющими псевдоупругими свойствами при деформировании, позволяет повысить стойкость детали к абразивному типу износа, что связано с восстановлением поверхности отвала плуга после деформирования ее абразивными частицами или твердыми породами камня, при этом восстанавливаемая деформация у материалов с термоупругими мартенситными превращениями имеет большее значение в сравнении с другими металлами и сплавами. Таким образом, процесс накопления деформации на поверхности детали более продолжителен по времени, что замедляет процесс выкрашивания и вырывания материала с поверхности детали с покрытием и, как следствие, повышает стойкость к абразивному типу износа. Также из-за высоких значений упругой деформации в ряде случаев абразивная частица или твердые породы камня при воздействии на поверхность отвала плуга с покрытием из материала с термоупругим фазовым превращением вызывают сминание поверхности с большим значением деформации, а не врезание частицы в поверхность. При этом у сплава FeMnNiAl восстанавливаемая сверхупругая деформация (псевдоупругость) достигает 10%, что выше, чем у известных сплавов на основе никелид титана NiTi. Также сплав FeMnNiAl имеет коррозионную стойкость как в кислотной, так и в щелочной среде, что в совокупности позволяет повысить эксплуатационные характеристики отвала плуга с покрытием, работающим в условиях воздействия коррозионно-активных сред при одновременном воздействии абразивных частиц.
Нанесенный слой из материала с эффектом памяти формы FeMnNiAl обладает также сверхупругостью, тормозящей, а иногда и блокирующей распространение дефектов типа трещин, что способствует повышению прочности и долговечности.
Покрытие из материала с эффектом памяти формы FeMnNiAl после выработки износостойкого слоя может быть восстановлено с применением технологии высокоскоростного газопламенного напыления.
Пример конкретного выполнения.
На рабочую поверхность отвала плуга, изготовленного из стали наносят с помощью высокоскоростного газопламенного напыления в защитной атмосфере покрытия, функциональный градиентный слой из сплава никеля (Ni) с алюминием (Al) эквиатомного состава и сплава с термоупругими мартенситными превращениями FeMnNiAl, изменяющийся по толщине по линейному закону NiAl/FeMnNiAl от 99/1 к 1/99 толщиной 0,2 мм, и износостойкий слой из материала с термоупругими мартенситными превращениями FeMnNiAl толщиной 0,4, при следующем соотношении мас.%, указанных в таблице 1.
Таблица 1 - Соотношение компонентов износостойкого слоя FeMnNiAl
№ Примера
Соотношение компонентов износостойкого слоя, мас. %
Fe
Mn
Ni
Al
1
44
32
9
15
2
45
34
7,5
13,5
3
46
36
6
12
В результате получают отвал плуга с общей толщиной покрытия 0,6 мм, который обладает повышенной износостойкостью и коррозионной стойкостью.
Результатом применения полезной модели стало увеличение срока службы отвала плуга на 4-6% по сравнению со средним периодом стойкости аналогичного отвала плуга предлагаемого в прототипе.