Повышение износостойкости орудий почвообрабатывающих машин

DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10817

УДК 631

Повышение износостойкости орудий почвообрабатывающих машин

О. В. САНКИНА

Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт, ул. Марковцева, 5, Кемерово, 650056, Российская Федерация

Резюме. Исследование проводили с целью изучения физико-механических свойств и микроструктуры серого чугуна при нанесении на стальную основу почвообрабатывающих рабочих органов (лемехов плугов) в качестве износостойкого материала. Серый чугун предварительно подвергали термической обработке, заключавшейся в закалке в диапазоне температур 750.. .1050 оС с последующим охлаждением в воде, а также отжиге при температуре 900 оС в течение 1 ч. Программа исследований включала в себя сравнительный анализ эталонного образца и образцов, подвергнутых предварительной термической обработке. Предел прочности серого чугуна после термической обработки достигал 200.250 МПа. После отпуска при температуре 300 оС его твердость повышалась до НЯС 50.55 без последующего образования закалочных трещин. Наилучший способ термической обработки серого чугуна - закалка при температуре 900 оС с последующим охлаждением в воде. На почвообрабатывающий инструмент материал наносили двумя способами: электродуговой и электроискровой наплавкой. Микроструктура наплавленного слоя становилась перлито-ледебуритной без выделений графита. Нанесение электроискровым методом позволяло формировать износостойкий слой за несколько проходов, при этом структура чугуна и основы не претерпевала изменений. В наплавленном слое не наблюдали увеличения зернистости, что благоприятно сказывается на его свойствах. Твердость наплавленного слоя была выше (4800.5000 МПа), чем у основного металла (2300.2400 МПа), разупрочнения основы не наблюдали. По результатам полевых испытаний термически обработанный серый чугун можно рекомендовать для использования в качестве материала для упрочнения, так как толщина покрытия не ведет к изменениям изначальных геометрических размеров почвообрабатывающего инструмента.

Ключевые слова: электроискровая наплавка, серый чугун, электродуговая наплавка, перлито-ледебуритная структура, износостойкость.

Сведения об авторах: О. В. Санкина, кандидат технических наук, доцент (е-таН: olga_vk_06@mail.ru).

Для цитирования: Санкина О. В. Повышение износостойкости орудий почвообрабатывающих машин // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 8. С. 77-80. DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10817.

Improving the Wear Resistance of Tillage Machines Details

O. V. Sankina

Kemerovo State Agricultural Institute, ul. Markovtseva, 5, Kemerovo, 650056, Russian Federation

Abstract. The study was carried out to study the physicomechanical properties and microstructure of grey cast iron when applied on a steel base of operative parts of tillage machines (ploughshares) as a wear-resistant material. Grey iron was first subjected to heat treatment consisting in hardening in the temperature range of 750-1050 C followed by cooling in water and annealing at a temperature of 900 C for 1 h. The research program included a comparative analysis of a reference sample and samples subjected to preliminary heat treatment. The tensile strength of grey cast iron after heat treatment reached 200-250 MPa. After tempering at 300 C its hardness increased to HRC 50-55 without the subsequent formation of hardening cracks. The best method of heat treatment of grey cast iron was hardening at a temperature of 900 C followed by cooling in water. The material was applied on the tillage tool by an electric arc and electrospark deposit welding. The microstructure of the deposited layer became perlite ledeburite without precipitation of graphite. Electrospark application allowed for the formation of a wear-resistant layer in several cuts, while the structure of cast iron and the base did not change. We did not observe an increase in granularity in the deposited layer that favourably affected its properties. The hardness of the deposited layer was higher (4800-5000 MPa) than that of the base metal (2300-2400 MPa); softening of the base was not observed. According to the results of field tests, heat-treated grey cast iron can be recommended for use as a material for hardening, since the coating thickness did not lead to changes in the initial geometric dimensions of the tillage tool.

Keywords: electrospark deposit welding; grey cast iron; electric arc deposit welding; perlite ledeburite structure; wear resistance. Author Details: O. V. Sankina, Cand. Sc. (Tech.), assoc. prof. (e-mail: olga_vk_06@mail.ru).

For citation: Sankina O. V. Improving the Wear Resistance of Tillage Machines Details. Dostizheniyanaukiitekhniki APK. 2019. Vol. 33. No. 8. Pp. 77-80 (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2019-10817.

В связи с дороговизной износостойких соединений основумногихдеталей машин и оборудования делают из более дешевого материала, а упрочняют только те части, которые необходимо. Использование такого метода осложняется тем, что формирование износостойкого слоя сопряжено со сложностью нанесения, которое в свою очередь связано с изменением структуры и физико-механических свойств материала и (или) его основы. Это ограничивает широкое применение такой композиции из-за сложности технологического процесса и высокой стоимости.

Обычно износостойкие материалы применяют в виде слоев разной толщины, которые наносят на поверхности деталей различными методами. После этого, как правило, необходима дополнительная механическая обработка, так как добиться равномерной толщины очень сложно.

Детали подвергаются различным видам износа и нагрузкам в процессе эксплуатации. Наиболее часто они теряют свою геометрию из-за абразивного износа.

В сельскохозяйственном производстве абразивному износу сильнее всего подвергаются рабочие

органы сельскохозяйственных машин. Их изготавливают из среднеуглеродистых конструкционных сталей, которые малоустойчивы к абразивному износу. Для повышения износостойкости рабочих органов применяют высоколегированные твердые сплавы, в которых в качестве легирующих компонентов используют хром, никель, вольфрам и другие элементы, которые одновременно увеличивают себестоимость изготовления инструмента [1, 2].

Наплавку можно осуществлять электродами, сплошной и порошковой проволокой, литыми прутками, смесью различных порошков. На сегодняшний день ассортимент материалов для наплавки довольно широк: сормайт, релит, сталинит, высоколегированная сталь, чугун и др.

Однако при их использовании возникает ряд проблем, среди которых можно назвать отсутствие зоны сцепления наплавленного слоя с основным металлом, перегрев основы, охрупчивание зоны сцепления и основы [1, 2]. Это может приводить к образованию микротрещин с последующим разрушением.

Рис. 1. Микроструктура композиции сталь 65Г - сормайт 1, наплавленной электродуговым способом (х 260).

Качество наплавленного соединения зависит от характеристик переходной зоны (зоны сцепления). При использовании сормайта такая зона отсутствует (рис. 1). Более того, после наплавки электродами сплава типа сормайт в переходной зоне образуются участки графитизации, которые в дальнейшем будут приводить к открашиванию наплавленного слоя даже при небольших нагрузках. Отсутствие переходной зоны, которое приводит к резкому ухудшению свойств соединений связано со степенью легированности наплавленного металла [1, 2].

Электродуговая наплавка дает возможность сформировать достаточный слой наплавленного металла, но при ее использовании происходит сильный разогрев основного металла в зоне сплавления и образование крупнозернистой структуры [2].

Цель исследования - изучение физико-механических свойств и микроструктуры чугуна, подвергнутого термической обработке, после наплавки на стальную основу почвообрабатывающих рабочих органов, а также определение износостойкости наплавленного слоя для применения в качестве упрочняющего материала на рабочие органы сельскохозяйственных машин.

Условия, материалы и методы. После анализа литературы и предварительных исследований было принято решение использовать для нанесения износостойкого слоя на поверхности [3, 4, 5] электродуговой и электроискровой способы. Анализ показал [6, 7, 8], что для повышения прочности и износостойкости используют в основном высоколегированные железоуглеродистые сплавы [9, 10].

Износостойкий слой на режущую кромку почвообрабатывающего инструмента сельскохозяйственных машин наносили электродуговой (в среде защитных газов и без защиты) и электроискровой наплавкой различными электродами [2] из серого чугуна (С - 3,8...4,2 %, Б1 - 0,75 %, Мп - 0,24 %, Б - 0,08 %, Р - 0,08 %, Fe - 94,65.95,05 %), подвергнутыми термической обработке.

С помощью электродуговой наплавки можно создавать слой практически любой толщины. Электроискровое нанесение износостойкого слоя не нарушает структуры основного металла, так как наплавляемый материал охлаждается быстро и не происходит разогрева основного металла, но малая толщина упрочняющего слоя не дает возможности достигнуть нужной износостойкости. В процессе электроискрового нанесения термообработан-ного серого чугуна происходит массоперенос элементов, который образует износостойкие химические соединения в нанесенном слое [2]. Для решения этой проблемы было принято решение наносить слой за несколько проходов. Таблица. Влияние температуры нагрева под закалку на механические свойства серого чугуна

Термическая обработка а, МПа в' 5,% Ф,%0

Без нагрева 125 2,0 1

Закалка 700оС, охлаждение в воду 200 3,1 1

Закалка 750оС, охлаждение в воду 202 1,7 1

Закалка 800оС, охлаждение в воду 214 1,5 1

Закалка 850оС, охлаждение в воду 232 1,5 1

Закалка 900оС, охлаждение в воду 241 1,5 1

Закалка 1000оС, охлаждение в воду 240 1 1

Закалка 1050оС, охлаждение в воду 251 1 1

Отжиг 900оС, время выдержки 1 ч (2 цикла) 235 1 1

В процессе электроискрового нанесения возникает проблема, связанная с окислением электрода, что требует постоянной зачистки от дефектного слоя. Поэтому электроискровое нанесение серого термически обработанного чугуна осуществляли с использованием разработанного авторами способа удаления дефектного слоя с поверхности электрода [2]. Электроды для электродуговой наплавки изготавливали трапециевидной формы сечением 7 мм и длиной

Рис. 2. Микроструктура серого чугуна (х 300) после термической обработки: а - закалка 900 оС; б - закалка 1050 оС. 78 _ Достижения науки и техники АПК. 2019. Т 33. № 8

Рис. 3. Микроструктура наплавленного слоя после электродугового нанесения (х 80).

200 мм, для электроискровой наплавки - диаметром 25 мм и длиной 150 мм.

Упрочненные изделия (лемехи плуга) подвергали полевым испытаниям в ООО «Агросервис» Ижморского района Кемеровской области. Обрабатываемая почва - черноземы выщелоченные оподзоленые, тяжелые по механическому составу. Обработанная площадь составила 200 га.

Результаты и обсуждение. После термической обработки чугун имел более высокую прочность (см.табл.), по сравнению с необработанным эталонным образцом (ов = 200.250 МПа и 125.130 МПа соответственно), а также перлитно-ледебуритную структуру без выделений графита (рис. 2), которая дает возможность формировать более качественный износостойкий слой для работы в абразивной среде.

В дальнейших исследованиях для упрочнения использовали электроды из серого чугуна, которые предварительно подвергали термической обработке, заключающейся в закалке при температуре 900 оС с последующим охлаждением в воде, поскольку после такой обработки графитовые включения отсутствовали.

Электродуговая наплавка создавала композицию «износостойкий слой - основной металл», при этом

Рис. 4. Микроструктура наплавленного электроискровой наплавкой серого чугуна с термической обработкой: а - закалка 900 оС, охлаждение в воду; б - отжиг 900 оС, выдержка 1 ч 2 цикла (х 300).

В наших исследованиях термическая обработка серого чугуна заключалась в закалке в интервале температур 700.1050 оС, выдержке в течение 30 мин. с последующим охлаждением в воде и отпуском при 300 оС с шагом 50 оС. Кроме того, один вариант термической обработки предусматривал циклический отжиг (2 цикла) при температуре 900 оС с выдержкой в течение 1 ч, после которого происходит заметное перераспределение графита в основе, что выражается в дроблении пластин и уменьшении их протяженности. Количество графита при этом уменьшается примерно в 2 раза с 19,3 % до 7,2.7,8 %. Отпуск при температуре 300 оС способствует повышению твердости чугуна до НЯС 50.55 без образования последующих закалочных трещин.

толщины наплавленного слоя было достаточно для работы в абразивной среде. Однако использование этого способа приводило к сильному перегреву околошовной зоны и увеличению зерна (рис. 3).

Рис. 5. Влияние термической обработки электродов на изменение твердости упрочненного слоя по сечению образцов: Д - закалка 900 оС, охлаждение в воду.

В структуре металла, наплавленного электроискровым способом, графитовые включения отсутствовали, что дает основания для заключения о сохранении структурных составляющих, полученных после термической обработки и электроискровой наплавки. Также в наплавленном слое не наблюдали увеличения зернистости, что благоприятно сказывается на его свойствах (рис. 4).

Измерение микротвердости упрочненного слоя показало, что поверхностный слой, нанесенный электродами из серого чугуна, подвергнутого предварительной термической обработке в виде закалки при температуре 900 оС и последующего охлаждения в воде, обладает большей твердостью (4800.5000 МПа), чем основной материал, у которого величина этого показателя варьирует в пределах 2300.2400 МПа. Оптимальная толщина наплавленного слоя находится на уровне 1,0.2,5 мм (рис. 5).

Испытания показали рациональность упрочнения термически обработанным серым чугуном электроискровой наплавкой. Толщина наплавленного слоя не оказывает существенного влияния на агротехнические требования при обработке почвы. Качественный равномерно наплавленный слой сопротивляется износу

и соответствует значениям износостойкости ранее проводимых испытаний (4.5 г за 45 ч работы) [1]. После использования почвообрабатывающих орудий в течение одного сезона на площади 200 га лемехи плугов с упрочненной поверхностью не изменили геометрических размеров, так как износу подвергался наплавленный слой. При этом неупрочненные рабочие органы требовали замены.

Выводы. Использование в качестве наплавочного материала серого чугуна, подвергнутого предварительной термической обработке, заключающейся в закалке при 900 оС с охлаждением в воде, с последующим нанесением электроискровым методом на поверхность почвообрабатывающих рабочих органов обеспечивает сочетание оптимальной структуры, твердости и износостойкости. Электроискровая наплавка термообработанного серого чугуна не приводит к изменениям физико-механических свойств наплавленного слоя, его оптимальная толщина составляет 1,0.2,5 мм. Наплавленный слой не оказывает существенного влияния на соблюдение агротехнических требований и при этом обеспечивает сохранение изначальных геометрических размеров рабочих органов.

Литература.

1. Повышение износостойкости функциональных поверхностей рабочих органов и механизмов измельчения и перемешивания биогазовой установки / М. Г. Курбанова, А. П. Черныш, О. В. Санкина и др. //Достижения науки и техники АПК. 2013. № 5. С. 79-80.

2. Чибряков М. В., Санкина О. В. Дуговая и электроискровая наплавка деталей нелегированным белым чугуном // Известия Международной академии аграрного образования. 2018. Выпуск № 39 (2018). С. 53-57.

3. Shibe V., Chawla V. Characterization of Fe-C-Cr Based Hardfacing Alloys//Transactions of the Indian Institute Of Metals. Vol. 71. Is. 9. Pp. 2211-2220.

4. Preliminary study on effect of rod geometry in FHHP between FE55006nodularcast iron and SAE8620steel/D. Martinazzi, G. V. B. Lemos, R. M. Landell, eta//PERIODICO TCHEQUIMICA. 2019. Vol. 16. Is. 31. Рр. 642-649.

5. Influence of Heat Treatment in the Microstructure of a Joint of Nodular Graphite Cast Iron when Using the Tungsten Inert Gas Welding Process with Perlitic Grey Cast Iron Rods as Filler Material / F.-J. Carcel-Carrasco, М. Pascual-Guillamon, F. Salas-Vicente, eto. //Metals. 2019. Vol. 9. Is.1. Article Number: 48.

5. Improving the corrosion and wear resistance of grey cast iron components by surface welding with duplex stainless steel using regulated gas metal arc welding: Influence of dilution on corrosion properties / U. Reisgen, R. Sharma, S. Wieland, eta // MATERIALWISSENSCHAFT UND WERKSTOFFTECHNIK. 2018. Vol. 49. Is. 12. Pр. 1520-1537.

6. Winiczenko R., Kaczorowski M., Skibicki A. The microstructures, mechanical properties, and temperature distributions in nodular cast iron friction-welded joint//Journal of the Brazilian society of mechanical sciences and engineering. 2018. Vol. 40. Is. 7. Article Number: UNSP347.

7. Investigation of the Influence of Energy Parameter of the Covered-Electrode Welding on the Impact Strength Characteristics and Cracking Resistance of the Welded Joints Obtained/ Y. Saraev, S. Gladkovsky, S. Lepikhin, etc. // Obrabotka metallov-metal working and material science. Vol. 20. Is. 2. Pp. 100-115.

8. Chamim M., Triyono, Diharjo K. Effect of Electrode and Weld Current on The Physical and Mechanical Properties of Cast Iron Welding // International Conference on Engineering, Science and Nanotechnology (ICESNANO). Location: Solo, INDONESIA Date: Aug 03-05, 2016. Book Series: AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1788. Article Number: UNSP 030031.

9. Ambroza P., Bockus S., Kavaliauskiene L. Formation of build up layers microstructure by arc automatic overlay welding using secondary raw material powders //Archives Of Metallurgy And Materials. 2013. Vol. 58. Is. 2. Pр. 549-553.

10. Габец Д. А., Марков А. М. Исследование влияния легирующих элементов на структуру и свойства серых чугунов, работающих в условиях ударно-фрикционного износа // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2019. Т. 21. № 1. С. 70-81.

References

1. Kurbanova MG, Chernysh AP, Sankina OV, et al. [Increase in the wear resistance of working tools functional surfaces of crushing and mixing mechanisms of biogas unit]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2013;5:79-80. Russian.

2. Chibryakov MV, Sankina OV. [Arc and electric spark surfacing of parts with unalloyed white cast iron]. Izvestiya Mezhdunarodnoi akademii agrarnogo obrazovaniya. 2018;39:53-7. Russian.

3. Shibe V, Chawla V. Characterizaton of Fe-C-Cr based hardfacing alloys. Transactions of the Indian Institute Of Metals. 2018;71(9):2211-20.

4. Martinazzi D, Lemos GVB, Landell RM, et al. Preliminary study on effect of rod geometry in FHHP between FE55006 nodular cast iron and SAE8620 steel. Periodico Tche Quimica. 2019;16(31):642-9.

5. Carcel-Carrasco FJ, Pascual-Guillamon M, Salas-Vicente F, etal. Influence ofheat treatment in the microstructure of ajoint ofnodulargraphite cast iron when using the tungsten inert gas welding process with perlitic grey cast iron rods as filler material. Metals. 2019;9(1):48.

6. Reisgen U, Sharma R, Wieland S, et al. Improving the corrosion and wear resistance of grey cast iron components by surface welding with duplexstainless steel using regulated gas metal arc welding: Influence of dilution on corrosion properties. Materialwissenschaft und werkstofftechnik. 2018;49(12):1520-37.

7. Winiczenko R, Kaczorowski M, Skibicki A. The microstructures, mechanical properties, and temperature distributions in nodular cast iron friction-welded joint. Journal of the Brazilian society of mechanical sciences and engineering. 2018;40(7):347.

8. Saraev Y, Gladkovsky S, Lepikhin S, et al. Investigation of the influence of energy parameter of the covered-electrode welding on the impact strength characteristics and cracking resistance of the welded joints obtained. Obrabotka metallov-metal working and material science. 2018;20(2):100-15.

9. Chamim M, Triyono, Diharjo K. Effect of Electrode and Weld Current on The Physical and Mechanical Properties of Cast Iron Welding. Proceedings of the International Conference on Engineering, Science and Nanotechnology (ICESNANO); 2016 Aug 3-5; Solo, Indonesia. 2017;1788:030031.

10. Ambroza P, Bockus S, Kavaliauskiene L. Formation of build up layers microstructure by arc automatic overlay welding using secondary raw material powders. Archives of metallurgy and materials. 2013;58(2):549-53.

11. Gabets DA, MarkovAM. [Investigation of the influence of alloying elements on the structure and properties of graycast irons operating under conditions of impact-friction wear]. Obrabotka metallov(tekhnologiya, oborudovanie, instrumenty). 2019;21(1):70-81. Russian.