УДК 669.018.21.8

Плазменное упрочнение сменных деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин

Бакижанова Д.С., магистр, Жусин Б.Т., к.т.н., доцент,

Канаев А.Т., д.т.н., профессор

Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева,

Казахский агротехнический университет, им. С. Сейфуллина,

Астана, Республика Казахстан

Обработка почвы является одним из самых энерго- и материалоемких процессов в сельскохозяйственном производстве. Поэтому снижение эксплуатационных затрат при распашке, культивировании, дисковании почвы является важнейшим условием снижения себестоимости продукции агропромышленного комплекса, повышения его эффективности и конкурентоспособности. Как известно, снизить эти затраты позволяет восстановление изношенных деталей путем наплавки или напыления специальными легирующими элементами и поверхностное упрочнение методами термической, химико-термической, термо-механической и др. способов обработки. Отдельную группу деталей, долговечность которых во многом определяют эксплуатационные затраты в сельском хозяйстве, составляют сменные детали почвообрабатывающих машин, выполняемые операций которых связаны с механическими воздействиями рабочих органов на почву. Вследствие механических, и прежде всего абразивных воздействий, рабочие органы почвообрабатывающих машин быстро изнашиваются, что приводит к снижению эксплуатационных ресурсов сменных деталей. Несвоевременная замена, например, изношенных лемехов плугов или лап культиваторов приводит к увеличению тягового сопротивления почвообрабатывающих машин до 50%., а это, в свою очередь, лишнему расходу горюче-смазочных материалов. К тому же простои при замене изношенных деталей превышает 10% рабочего времени.

В процессе восстановления изношенных деталей число производственных операций сокращается в 5-8 раз по сравнению с изготовлением новых деталей. При этом долговечность восстановленных деталей может достигать уровня новых, а себестоимость их составляет 40-70 % от цен новых деталей [1].

Для использования этого резерва необходима разработка эффективных и доступных для широкого применения инновационных технологий. Отсюда следует, что проблема продления эксплуатационного ресурса сменных деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин является актуальной как в экономическом и экологическом, так и ресурсосберегающем аспектах, поскольку их первичное производство и утилизация сопровождаются потреблением сырьевых и энергетических ресурсов, а также техногенным загрязнением окружающей среды.

Перспективным направлением решения этой проблемы является упрочняющая термическая обработка рабочей поверхности высоко концентрационным потоком энергии. Образующиеся при скоростном нагреве и охлаждении структуры закалочного типа обладают высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением разрушению.

Характер изменения эксплуатационных характеристик при плазменной закалке наряду с фазовыми и структурными превращениями обусловлен также реализацией определенных механизмов упрочнения при их взаимосвязи. Как известно, при закалке происходит комплексное упрочнение материала, определяемое влиянием дефектов кристаллической структуры (дислокаций, вакансий и их комплексов) мартенситными превращениями и включениями дисперсной фазы. Применительно к плазменному упрочнению влияние различных механизмов структурного и субструктурного упрочнения на эксплуатационные характеристики материала изучено явно недостаточно, что подтверждает актуальность предлагаемых исследований.

Широкое промышленное применение большинства известных способов упрочняющей термической обработки высоко концентрационным потоком энергии, а именно, лазерным, электронно-лучевым, катодно – ионным, сдерживается высокой стоимостью и сложностью оборудования, недостаточной надежностью и производительностью, необходимостью использования вакуума, специальных помещений с особыми требованиями, потребностью в высококвалифицированном обслуживании, высокими эксплуатационными расходами и др. В этих условиях для продления эксплуатационного ресурса быстроизнашивающихся деталей рациональным по параметрам универсальности, доступности, экологичности и экономической эффективности является способ поверхностной термической обработки с применением плазменной дуги. Не изменяя геометрической формы и размеров обрабатываемой детали, такая термическая обработка легко вписывается в действующий технологический процесс подготовки и ремонта сменных деталей и позволяет эффективно увеличить их эксплуатационную стойкость.

Основной причиной деформации и поломок деталей является недостаточная прочность и ударная вязкость материалов, обычно применяемых при изготовлении сменных деталей РОПМ (низколегированные марганцовистые и хромистые стали марок 65Г, 40Х и др.) Кроме того, недостаточный ресурс этих деталей связан с низкой износостойкостью их рабочих поверхностей. Используемые до последнего времени традиционные методы их упрочнения в основном исчерпали свои возможности. Так, получаемая при объемной термической обработке (закалка ТВЧ. объемная термообработка) твердость (35-45HRC), определяющая износостойкость в условиях ударно-абразивного воздействия недостаточна. Интенсивность изнашивания таких деталей имеет фактическую наработку почти в 2 раза меньше нормативной [1].

Современные исследования показывают, что для эффективной обработки почв необходимо обеспечить прочность основного металла сменных деталей РОПМ, вместо 500…800МПа должна быть не менее 1500-1800 МПа. Это необходимо для исключения деформаций и поломок этих изделий. Ударная вязкость должна соответствовать значениям не менее 0,8-1,25 МДж/м², а для снижения интенсивности абразивного изнашивания необходимо обеспечивать максимально возможную твердость поверхности на уровне 65-70 HRC. Такие значения прочности, ударной вязкости и твердости при изготовлении сменных деталей РОПМ из указанных сталей традиционными технологиями (закалка ТВЧ, объемная термообработка) не обеспечиваются [2].

Поэтому объясним интерес к методам поверхностного упрочнения с использованием высококонцентрированных потоков энергии, и прежде всего плазменной закалки с целью получения покрытий с заданными свойствами. Технология плазменной закалки является оптимальной по параметрам универсальности, доступности, экологичности и экономической эффективности. Она позволяет увеличить срок службы деталей гарантированно в 1,7-2,5 раза и сократить затраты на обслуживание и ремонт оборудования на 40-50 %. Кроме того, эта технология производительней и дешевле других способов поверхностной закалки, в том числе и ТВЧ.

В настоящее время авторы успешно занимаются поверхностным плазменным упрочнением наиболее нагруженных деталей колесных локомотивов и сменных деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин [3].

Авторами металлографическим и электронно-микроскопическим анализом структуры поверхностно-упрочненных деталей установлено, что микроструктура металла по глубине плазменного (локального) воздействия состоит из трех зон:

1) Узкой зоны микрооплавления, состоящей из неравновесной мелкодисперсной структуры, близкой к аморфизированной. Эта зона выявляется в виде не травящегося белого слоя исключительно высокой микротвердости структурных составляющих. Какую структуру имеет эта зона остается открытой, поскольку для этого требуется специальные исследования.

2) непосредственно под белым, не травящимся слоем, расположена зона полной и неполной закалки с микротвердостью, соответствующей твердости мелкоигольчатого мартенсита и троосто-мартенсита, переходящая в сорбит отпуска ближе к основной (исходной) структуре.

3) зона исходной структуры и твердости, представляющая мелкодисперсный сорбит отпуска.

Такая микроструктура и исключительно высокая твердость, полученная в результате плазменного упрочнения, обеспечивает существенное снижение износа рабочих поверхностей.

Основным фактором, приводящим к сильному упрочнению поверхностного слоя (680- 720 HV или 57-61 HRC) при локальной плазменной обработке, является формирование неравновесной метастабильной структуры, близкой к аморфной в приповерхностной зоне (рис.1), переходящей к узкой зоне полной и неполной закалки с неоднородной и искаженной структурой мартенсита в смеси с другими структурами закалочного типа (рис.2).

Об этом свидетельствуют результаты исследований, проведенные нами по упрочнению плужного лемеха, диска культиватора и стрельчатой лапы из марганцовистой стали 65Г с использованием поверхностной плазменной (локальной) закалки.

Рис. 1 - Зона аморфизированной структуры (микрооплавления) по ширине обработанной поверхности х220

Рис.2 - Переходная зона от аморфизированной структуры к структуре полной и неполной закалки, х200

Влияние плазменной закалки на твердость и структуру упрочненной зоны

Таблица 1

№	Обрабатываемая Деталь	Скорость закалки, см/сек	Твердость по Виккерсу, HV	Прокаливаемость, мм (гл.закалки)	Структура закален- ного слоя
1	Плужный лемех	5,1	680-720	1,5	Мелкодисперс- ный мартенсит + бейнит
2	Стрельчатая лапа	4,7	600-620	1,2	Мелкодисперс- ный мартенсит + бейнит
3	Диск культиватора	4,6	660- 700	1,2	Мелкодисперс- ный мартенсит + бейнит

Исследования показали, что поверхностная зона с аморфной структурой, формирующаяся из тонкого микрооплавленного слоя, неоднородна по глубине, Это вызывает необходимость оптимизации режима плазменного упрочнения, прежде всего, изменяя скорость закалки и интенсивность теплового потока так, чтобы технологический процесс плазменного упрочнения обеспечивал поверхностную закалку на глубину 1,5 – 2,0 мм с твердостью упрочненной поверхности от 600 до 700 HV. Это повысит ресурс упрочненного слоя при эксплуатации закаленных почворежущих деталей.

Литература

1. Козак А.И. Совершенствование технического сервиса машин сельскохозяйственных предприятий. Сборник докладов международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука- сельскохозяйственноу предприятию» Часть 1, с.101-106, Костанай, 2012

2. Бетеня Г.Ф., Литовчик Д.П., Голубев В.С. и др. Методы повышения конкурентоспособности деталей рабочих органов сельскозозяйственной техники. Материалы 11 Международной научно-практической конференции «Современные методы и технологии создания и обработки материалов», часть 2, с.85-91, Минск, 2007

3. Токтанаева А.А., Канаев А.Т. Поверхностное плазменное упрочнение гребней колес тягового подвижного состава. Материалы 14-й Международной научно-практической конференции «Технология упрочнения, нанесения покрытия и ремонта», часть 2, с.338-343, Санкт-Петербург, 2012.