Results of metallographic studies of cutting parts of cultivator sweeps made of the 30MnB5 steel

全文:

Введение

Для снижения затрат на обработку почвы и максимального сохранения её плодородия сельскохозяйственные производители используют «системы обработки почвы с минимальным набором операций» [1]. В такие системы, как правило, входит культивация почвы.

Для производства культиваторных лап в Российской Федерации, в основном, используют среднеуглеродистые низколегированные стали [2]. При этом в мировом машиностроении при изготовлении рабочих органов сельскохозяйственной техники наблюдается устойчивая тенденция применения борсодержащих сталей 30MnB5, 32CrB4 (DIN EN 10083-3 версии 1-2009), 30Г1Р (ГОСТ 10702-2016) и других марок. Эти материалы отличаются не только более высокой технологичностью и лучшими эксплуатационными свойствами по сравнению со сталями 55Г, 60, 60Г, 65, 65Г (ГОСТ 1050-2013), но также и относительной дешевизной. Использование борсодержащих сталей при изготовлении рабочих органов сельскохозяйственной техники приводит к увеличению прочности и стойкости этих органов к абразивному истиранию. Особенностью борсодержащих сталей является сочетание высокой технологической пластичности и прокаливаемости.

Наличие бора в сталях снижает образование феррита в процессе термического воздействия и обеспечивает получение мартенситных и бейнитных структур с мелкодисперсными частицами карбоборидной фазы, дополнительно упрочняющей сталь и повышающей температуру ее рекристаллизации. Это увеличивает прочность, сопротивление ползучести и пластичность сплавов. Прокаливаемость борсодержащих сталей наиболее выражена у низкоуглеродистых сталей. Увеличение содержания углерода уменьшает эффект прокаливаемости за счёт бора, и у эвтектоидных сталей такой эффект практически отсутствует [3].

С целью обеспечения прочности и износостойкости сельскохозяйственных рабочих органов изготовители в России применяют технологии объёмной закалки всего изделия, а также закалки токами высокой частоты режущих частей изделий [4–8], что, прежде всего, объясняется простотой этих процессов и невысокой себестоимостью. Эти же упрочняющие воздействия применяют при изготовлении рабочих органов европейские и другие производители, например, при производстве лап культиваторов John Deere [9]. Указанные выше способы упрочнения отличаются значительным термическим воздействием на деталь, окислением и обезуглероживанием. При этом основным их недостатком является то, что такие технологии не обеспечивают так называемого «эффекта самозатачивания» в процессе работы режущих частей (лезвий) [10], что значительно снижает эффективность использования рабочего органа в целом.

Для получения эффекта самозатачивания рабочих органов сельскохозяйственной техники необходимо при изготовлении создавать неоднородные по структуре и свойствам режущие части [11]. Для таких целей в ООО «Буинский машиностроительный завод» было предложено на одну из сторон режущей части рабочего органа наплавлять твёрдые и износостойкие покрытия сормайта, релита и других материалов.

Целью исследований являлось изучение структуры и свойств борсодержащих сталей после наплавки релита и последующей закалки.

Материалы и методы

При проведении металлогрофических исследований использовали режущие части лап культиваторов КПИР-3,6 и КПУ-5,4, производимых серийно по ОСТ 23.2.164-87 в Буинском машиностроительном заводе республики Татарстан. Данные рабочие органы изготавливали из стали марки 30MnB5 DIN EN 10083-3. Для обеспечения неоднородности структуры на одну из сторон режущего лезвия культиваторной лапы наплавляли слой релита, после чего выполняли закалку всего рабочего органа. Макро- и микроструктуру металла детали исследовали в сечении микрошлифа, изготовленном по общепринятой методике [12], вырезанном с выходом на режущую кромку. При макроструктурных исследованиях использовали стереоскопический микроскоп фирмы «MEIJI RZ» с увеличением до 7 крат. Микротвёрдость детали измеряли по методу Виккерса (ГОСТ Р ИСО 6507-1-2007) при различной нагрузке [13] на микротвёрдомере MicroMet 5104. Загрязнённость основного металла детали неметаллическими включениями оценивали методом «Ш4» по ГОСТ 1778-70.

Результаты и обсуждение

Макроструктура режущей кромки (лезвия) культиваторной лапы представлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Макроструктура режущей кромки культиваторной лапы после наплавки на неё релита с последующей закалкой.

Fig. 1. The macrostructure of the cutting edge of the cultivator sweep after Relit surfacing and consequent hardening: the cutting part of the paw; the deposited layer of Relite — steel base.

 

Геометрические размеры наплавленного слоя релита соответствуют технической документации предприятия для данного типа культиваторных лап и составляют:

• ширина перпендикулярно режущей кромке — до 21,40 мм;
• толщина от 0,95 мм до 1,64 мм в соответствии с рис. 1.

При микроструктурном исследовании режущей части лапы на поверхности выявлено наличие наплавленного слоя с дендритной литой структурой вольфрама (рис. 2) с микротвёрдостью 900…1020 HV 0,05 и карбидов вольфрама (рис. 3) с микротвёрдостью 2315…2460 HV 0,05. Максимальный размер карбидов составляет ~ 0,69×1,33 мм.

 

Рис. 2. Микроструктура вольфрамовой основы наплавленного слоя на поверхности детали, ×500.

Fig. 2. The microstructure of a tungsten basis of the deposited layer on the detail’s surface, x500.

 

Рис. 3. Карбиды вольфрама в микроструктуре наплавки на поверхности детали, ×90.

Fig. 3. Tungsten carbide in the microstructure of the deposit on the detail’s surface, x90.

 

В процессе исследований в наплавленном слое выявлено наличие пор максимальным размером ~ 0,37×0,47 мм, заполненных шлаком (рис. 4), что не критично для данного типа изделий, но требует более тщательной подготовки наплавляемой поверхности и более точного соблюдения режимов технологии наплавки релита. Под наплавкой имеется никелевая подложка максимальной толщиной ~ 0,009 мм (рис. 5), что обеспечивает высокую прочность сцепления наплавленного слоя со стальной основой.

 

Рис. 4. Заполненные шлаком поры в материале наплавки детали, ×100.

Fig. 4. The pores in the material of the detail’s deposit filled with slag, x100.

 

Рис. 5. Никелевая подложка под материалом наплавки на поверхности детали, ×1000.

Fig. 5. The nickel base layer under the material of the deposit on the detail’s surface, x1000.

 

Загрязнённость основного металла детали по точечным оксидам и нитридам — менее 1а балла, по сульфидам соответствует 1б баллу (рис. 6), что допустимо для культиваторных лап.

 

Рис. 6. Неметаллические включения в металле детали, ×800.

Fig. 6. Non-metallic inclusions in the metal of the detail, x800.

 

Микроструктура основного металла детали представляет собой троостомартенсит с микротвёрдостью ~ 564 HV 0,3 (рис. 7). Как известно, троостомартенситная структура сталей отличается высокой прочностью и упругостью и более низкими, по сравнению с мартенситом, остаточными внутренними напряжениями, что позволяет обеспечивать высокую износостойкость материала.

 

Рис. 7. Микроструктура основного металла детали, ×500: а — в сердцевине; b — вблизи режущей кромки.

Fig. 7. The microstructure of the main metal of the detail, x500: а — in the core; b — close to the cutting edge.

 

При микроструктурном исследовании на поверхности детали выявлено наличие частично обезуглероженного слоя на максимальную глубину 0,190 мм (рис. 8) и окалины толщиной до 0,013 мм (в соответствии с рис. 8 и 9), что также не является критичным для данного типа изделий. Однако в процессе изготовления культиваторных лап в операциях горячей обработки предпочтительнее избегать обезуглероживания и окисления, например, используя нагрев в печах с контролируемой атмосферой.

 

Рис. 8. Частично обезуглероженный слой на поверхности детали, ×100.

Fig. 8. The partially decarbonized layer on the detail’s surface, x100.

 

Рис. 9. Окалина на поверхности детали, ×750.

Fig. 9. The oxide scale on the detail’s surface, x750.

 

Самозатачивающиеся лапы, изготовленные из стали 30MnB5 с описанной в данной статье структурой и свойствами, устанавливали на культиваторы КПИР-3,6. Износостойкость исследуемых рабочих органов сравнивали с серийными рабочими органами, изготавливаемыми из стали 65Г по такой же технологии (наплавка релитом с последующей термической обработкой).

Эксплуатационные исследования проводили в хозяйствах Ульяновской области и республики Татарстан на серых лесных, песчано-серых, суглинках и песчано-суглинистых почвах. Данные почвы, по сравнению с чернозёмом, обладают повышенным абразивным воздействием на лапы культиватора в связи с наличием в своей структуре песчаных и пылеватых частиц.

При средней гарантированной предприятием наработке на одну культиваторную лапу в 25 га (согласно ТУ 4732-002-98363266-2010) износ лап, изготовленных из стали 30MnB5, оказался на 9,5 % меньше, чем у рабочих органов из стали 65Г. При этом оба варианта при такой наработке не достигают критических показателей износа и сохраняют режущие свойства.

Учитывая высокую технологическую пластичность и прокаливаемость стали 30MnB5, повышенную износостойкость при изготовлении самозатачивающихся рабочих органов, а также более низкую, по сравнению со сталью 65Г, себестоимость изготовления, считаем целесообразным применение борсодержащих сталей.

Выводы

Проведённые металлографические исследования структуры и свойств режущих частей культиваторных лап, изготовленных из борсодержащей стали, и эксплуатационные исследования рабочих органов, изготовленных из сталей 30MnB5 и 65Г, показали, что наплавка на одну из сторон лезвия релита с последующей закалкой всего изделия обеспечивают необходимые твёрдость, режущие свойства и эффект самозатачивания режущих частей лап.

Производственные исследования изготовленных по предлагаемой технологии в условиях ООО «Буинский машиностроительный завод» республики Татарстан культиваторных лап позволяют сделать вывод, что износ лап, изготовленных из стали 30MnB5, оказался на 9,5 % меньше, чем у рабочих органов из стали 65Г. Себестоимость изготовления рабочих органов по предложенной технологии снижена на 14,3 %. Это позволяет улучшить качество продукции, что очень важно для потребителей, и обеспечить её высокую конкурентоспособность.

Рекомендации

1. Для изготовления лап культиваторов вместо низколегированной стали 65Г ГОСТ 1050-2013 экономически и технически целесообразно применять борсодержащую сталь 30MnB5 DIN EN 10083-3.
2. Для обеспечения эффекта самозатачиваемости культиваторных лап, изготовленных из стали 30MnB5, следует наплавлять на их режущие части износостойкие сплавы, в частности, релит, и выполнять последующую закалку всего рабочего органа.
3. Термическую обработку лап культиваторов необходимо выполнять в печах с контролируемой защитной атмосферой.

Дополнительная информация

Вклад авторов. С.А. Яковлев, В.Е. Прошкин, Б.В. Кузнецов — поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; В.И. Курдюмов ― редактирование текста рукописи; Е.В. Сидоров ― создание изображений; В.И. Курдюмов ― экспертная оценка, утверждение финальной версии. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Additional information

Authors’ contribution. S.A. Yakovlev, V.E. Proshkin, B.V. Kuznetsov — search for publications on the topic of the manuscript, writing the text of the manuscript; V.I. Kurdyumov — editing the text of the manuscript; E.V. Sidorov — image creation; V.I. Kurdyumov — expert opinion, approval of the final version. The authors confirm that their authorship meets the international ICMJE criteria (all authors made significant contributions to the development of the concept, conduct of the research and preparation of the article, read and approved the final version before publication).

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

作者简介

Sergey Yakovlev

Ulyanovsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

编辑信件的主要联系方式.
Email: Jakseal@mail.ru
ORCID iD: 0009-0008-4962-4080
SPIN 代码: 9968-2449

Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Production Technology and Machine Repair Department

俄罗斯联邦, Ulyanovsk

Vladimir Kurdyumov

Ulyanovsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: bgdie@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-1603-1779
SPIN 代码: 2823-4234

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Head of the Agrotechnologies, Machines and Life Safety Department

俄罗斯联邦, Ulyanovsk

Vyacheslav Proshkin

Ulyanovsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: veproshkin1993@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-0307-3411
SPIN 代码: 1501-8513

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Agrotechnologies, Machines and Life Safety Department

俄罗斯联邦, Ulyanovsk

Boris Kuznetsov

Buinsky Machine-Building Plant

Email: kuzygsha@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-3996-7817
SPIN 代码: 2382-0070

Head of the Technical Department

俄罗斯联邦, Kazan

Evgeniy Sidorov

Ulyanovsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: aksongqik@gmail.com
ORCID iD: 0009-0004-4822-6671
SPIN 代码: 1377-6255

Postgraduate of the Engineering Faculty

俄罗斯联邦, Ulyanovsk

参考

补充文件