Increase of abrasive wear resistance of parts by means of variation of welding technique of double-layer coatings with hard surface

Full Text

Введение Изнашивание конструкционных элементов технических средств, предназначенных для разработки грунтов (строительных, мелиоративных, дорожных машин) и обработки почвы (почвообрабатывающих орудий), нередко сопровождается ударными нагрузками и образованием износов сложной пространственной конфигурации на рабочих поверхностях. Например, в условиях динамических нагружений эксплуатируются ковши экскаваторов, сложную геометрию износов (лучевидный износ) имеют лемеха и отвалы плужных корпусов [1, 2]. При восстановлении деталей в этом случае используется двухслойная наплавка: первый слой наплавляется электродным материалом с низким содержанием углерода (до 0,1%), а второй, поверхностный, - электродом, обеспечивающим наплавленный металл высокой твердости с наличием в структуре карбидных включений [3, 4]. Нижний слой способствует сопротивлению изделия динамическим силовым воздействиям, а поверхностный обеспечивает сравнительно высокий уровень стойкости к абразивному изнашиванию. Применение такого способа также позволяет экономить дорогостоящие электродные материалы для износостойкой наплавки. Имеющиеся работы [5] по данному вопросу, как правило, посвящены исследованиям специфики распределения микротвердости в наплавленном покрытии и основном металле. Влияние же техники двухслойной наплавки на износостойкость поверхностного твердого слоя изучено недостаточно. Цель исследования В связи с этим целью исследования стало выявление влияния техники (приемов) двухслойной наплавки на абразивную износостойкость покрытий. Материалы и методы Эксперименты проведены в полевых условиях при вспашке суглинистых почв восстановленными лемехами. Восстановление заключалось в устранении лучевидного износа носка лемеха путем двухслойной наплавки. Выбор этих изделий в качестве экспериментальных образцов связан с их максимальными нагруженностью и интенсивностью изнашивания по сравнению с деталями, работающими в аналогичных средах. Полученные практические результаты могут применяться и для других конструкционных элементов техники для работы с почвой. Формирование слоев осуществляли ручной электродуговой наплавкой. Первый слой наносили электродом для сварки углеродистых сталей Э42А, второй - электродом Т-590 для наплавки металла высокой твердости (60 HRC). Параметры режима наплавки принимали в соответствии с рекомендациями [6]. Исследовали лемеха, восстановленные по следующим технологическим приемам (вариантам): 1 - наплавка без остывания валиков; 2 - наплавка первого слоя с остыванием каждого валика до температуры 40-60 °С и второго слоя без остывания; 3 - наплавка первого слоя без остывания и второго слоя с остыванием каждого валика до температуры 40-60 °С; 4 - наплавка первого и второго слоев с остыванием каждого валика до температуры 40-60 °С. Износ оценивали по потере массы детали ∆m, кг, которую контролировали периодически после определенной наработки Т, га. Такой критерий принят в связи с возможностью комплексной характеристики процесса изнашивания, так как линейный износ определяет изменение размеров только на локальном участке. Предельным состоянием испытуемых лемехов считали образование трапециевидной формы. Результаты и их обсуждение Износ по массе в функции наработки носит линейный характер, одинаковый для всех вариантов рассматриваемой технологии (рис. 1), что подтверждает результаты, полученные ранее рядом исследователей. Предельное состояние лемехов, выраженное в образовании трапециевидной формы, наступает при вспашке примерно 14,5-19,5 га и соответствует потере массы примерно 0,45 кг независимо от варианта восстановления. Лемеха с большей наработкой имеют несколько увеличенный износ ∆m, но для упрощения анализа полученных результатов и их сравнимости за предельный износ приняли массу, равную 0,45 кг, что не отразилось на анализе результатов. Нужно отметить, что такая наработка превышает ресурс лемехов заводского исполнения более чем в 2 раза. Как следует из графиков, представленных на рис. 1, предельное состояние лемехов, восстановленных по разным технологическим вариантам, достигается за разную наработку, хотя наплавочные материалы и параметры режима для всех вариантов остаются неизменными. Это говорит о влиянии технологических приемов на ресурс реставрированного лемеха. Данное обстоятельство необходимо рассмотреть подробнее. Зависимости ∆m в функции Т не могут отразить всю полноту процесса износа исследуемых покрытий. Поэтому дальнейший анализ результатов проводили по критерию абразивной износостойкости С. Показатель износостойкости С определяли как отношение наработки Т к потере массы ∆m. Согласно полученным данным, наиболее интенсивно изнашивание происходит в первый период эксплуатации при наработке 4-10 га, как показывают кривые на рис. 2, хотя износостойкость в данном случае максимальна. Увеличенная износостойкость объясняется относительно высокой шероховатостью поверхности, что создает предпосылки для роста сопротивления перемещению абразивных частиц почвенной среды. Нужно учитывать факт наличия высокой твердости контактирующей поверхности. Не исключено и положительное влияние интерметаллидных составляющих структур, которые, как правило, концентрируются в поверхностных слоях. Снижение износостойкости обусловлено приработкой испытуемых лемехов. Прежде всего происходит адаптация рабочей поверхности, а точнее ее шероховатости, к свойствам истирающей среды. При этом имеет место удаление высокотвердых интерметаллидов. Стабилизация процесса износа лемехов, реставрированных по разным технологическим вариантам, наступает через неодинаковые промежутки времени. Так, для варианта 1 она наступает примерно через 10-11 мин, тогда как для варианта 4 - через 14-15 мин. Таким образом, время приработки определяется используемым технологическим приемом. Наряду с вышеизложенным выявлено, что износостойкость в установившемся режиме изнашивания зависит от технологического варианта формирования покрытия (см. рис. 2) и связана с ресурсом лемеха (рис. 3). Минимальное значение износостойкости С = 14,5 га/кг наблюдается при варианте 1, максимальное С = 19,5 га/кг соответствует варианту 4. Механика изменения износостойкости деталей, восстановленных по разным вариантам, лежит в различии термических режимов наплавки. Сравнительно невысокое значение износостойкости лемехов, восстановленных по технологическому варианту 1, связано с двумя факторами: максимально возможное проявление отжигающего эффекта и повышенная склонность к перемешиванию металла первого и второго слоев приводят к снижению твердости поверхности. При восстановлении по варианту 2 отжигающий эффект не проявляется, однако наплавка второго слоя без перерыва обеспечивает замедление его остывания, тем самым снижая вероятность образования закалочных и карбидных фаз. Применение наплавки по варианту 3 создает определенные условия для более полного формирования (в сравнении с вариантом 2) твердых структур, однако и в этом случае существенное отрицательное влияние оказывает высокая температура первого слоя. Наиболее приемлемый термический режим имеет место при реставрации лемеха по технологическому варианту 4. Поэтапное остывание валиков как первого, так и второго слоя перед нанесением последующих создает благоприятные термические условия для формирования структур, обеспечивающих высокую износостойкость поверхности, соответствующую техническим нормативам на электрод Т-590. Из анализа полученных результатов следует, что путем использования рационального приема формирования двухслойного покрытия можно увеличить износостойкость не только лемехов, но и других деталей, эксплуатируемых в почвенной среде, примерно в 1,3 раза без существенных затрат. Таким образом, анализ технологий двухслойной наплавки показывает, что эти приемы можно использовать при восстановлении поверхности при лучевидном износе в области носка лемеха для достижения ресурса 25-35 га соответственно технологическим вариантам и условиям эксплуатации. Выводы 1. Техника наплавки двухслойных покрытий с высокой твердостью поверхности при восстановлении деталей рабочих органов почвообрабатывающих орудий оказывает существенное влияние на их стойкость к абразивному изнашиванию. 2. Повышение износостойкости зависит от термического режима формирования слоев. 3. Максимальное значение износостойкости достигается, когда наплавка и первого, и второго слоя сопровождается остыванием каждого валика перед нанесением последующего.

About the authors

I. V Kozarez

Bryansk State Agrarian University

Email: spo@bgsha.com
PhD in Engineering Kokino, Bryansk region, Russia

M. A Mikhal'chenkova

Bryansk State Agrarian University

Email: spo@bgsha.com
Engineer Kokino, Bryansk region, Russia

V. I Lavrov

Bryansk State Agrarian University

Email: spo@bgsha.com
Engineer Kokino, Bryansk region, Russia

N. V Sinyaya

Bryansk State Agrarian University

Email: spo@bgsha.com
PhD in Engineering Kokino, Bryansk region, Russia

References