Development of elements of technology for increasing the durability of tractor components from gray cast iron

Full Text

Введение Специфика современного машиностроительного производства характеризуется непрерывно возрастающими требованиями к качеству выпускаемой продукции и к машинам, которые связаны с повышением их производительности, точности и надежности. Многочисленными исследованиями установлено, что качество машин во многом определяется эксплуатационными свойствами деталей и узлов, входящих в их состав. Одним из таких свойств является износостойкость в узлах трения. К наиболее важным факторам, которые определяют сопротивление металлов и сплавов износу, можно отнести их структуру, физико-механические свойства, а также взаимное расположение, количественное соотношение и характер связи между отдельными составляющими структуры материала. Исходя из этого, можно сделать вывод, что наибольшей износостойкостью должна обладать поверхность, определяющаяся сочетанием оптимальной структуры и комплексом физико-механических и физико-химических свойств. Однако получение такого комплекса свойств на практике при использовании однофазного сплава практически невозможно. Известно, что в узлах трения при выходе из строя сопряженных деталей практически всегда изнашивается слой определенной толщины, при этом большая часть материала деталей (зачастую 90 % и более) износу не подвергается, поэтому перспективным путем обеспечения требуемой износостойкости является поверхностное упрочнение деталей, изготовленных из дешевого материала, или получение композиционного материала, который обладает комплексом перечисленных выше свойств. Феррито-перлитный серый чугун является достаточно распространенным материалом для изготовления деталей тракторов и сельхозмашин (по некоторым данным, доля данного материала достигает 40 %). Данный материал обладает рядом неоспоримых преимуществ, основными среди которых являются хорошие литейные свойства, сопротивляемость износу (прежде всего абразивному) и низкая стоимость. Однако одним из основных недостатков данного конструкционного материала является то, что он практически не подвергается упрочнению. Применяемые методы упрочнения данного материала [1-3] обладают низкой эффективностью и требуют использования дорогостоящего оборудования и материалов (лазерных установок, электролитов и т.д.). Разработанный способ диффузионного поверхностного легирования [4] дает возможность получать на поверхности изделия из чугуна слой высокоуглеродистой стали с одновременной возможностью легирования d-элементами (хромом, титаном, молибденом и т.д.). Основными преимуществами данного способа является повышенная толщина упрочненного слоя (до 3 мм), отсутствие необходимости в применении сложного оборудования и применение в качестве материалов оксидов легирующих элементов, что дополнительно удешевляет процесс. На рис. 1 приведена граница диффузионного слоя и основы чугуна. Рис. 1. Микроструктура границы диффузионного слоя и основы чугуна Из рис. 1 видно, что диффузионный слой имеет перлитную структуру с включениями графита, а основа чугуна - феррито-перлитную. Таким образом, имеется возможность закалки диффузионного слоя с целью получения мартенситной структуры. Однако в плане практического применения возникает проблема в определении режимов термической обработки (времени нагрева деталей). Главной проблемой здесь является обеспечение аустенитного превращения, но при этом выдержка должна быть такой, чтобы не было роста аустенитного зерна. Цель исследования Целью исследования является разработка элементов технологии повышения долговечности деталей тракторов из серого чугуна. Материалы, методы исследования и их обсуждение Решение поставленной задачи заключается в определении зависимости температуры от времени выдержки в печи (построение кривой нагрева). Одним из наиболее эффективных способов определения данной зависимости является решение уравнения теплопроводности [5]. Параметры нагрева и охлаждения тел зависят от теплопроводности (λ) и температуропроводности (α). Температуропроводность представляет собой отношение коэффициента теплопроводности к теплоемкости единицы объема материала [5]: , где c - теплоемкость, λ - коэффициент теплопроводности и γ - единица объема материала. Также важным фактором является теплоотдача. Коэффициент теплоотдачи можно рассчитать как отношение теплового потока через единицу поверхности тела к величине теплового перепада между поверхностью тела и средой [5]: , где q - тепловой поток через единицу площади поверхности; Т - абсолютная температура излучающих газов, свода и пода; Тпов - абсолютная температура поверхности изделия. Параметры теплового потока с учетом времени выдержки объекта в среде можно определить, решая уравнение Фурье [5]: , где t - температура; τ - время; α - температуропроводность. Однако более удобным является решение данного уравнения в критериальной форме [5]: , где a - коэффициент теплоотдачи от поверхности тела к внешней среде; Tcp - температура среды; T0 - начальная температура тела; S - половина толщины пластины, радиус цилиндра или шара; х - расстояние от середины тела до данной точки; T - текущая температура в данной точке; λ - коэффициент теплопроводности; α - коэффициент температуропроводности; τ - время. Величины, входящие в функциональную зависимость, являются критериальными функциями: - относительная длина, которая характеризует положение расчетного сечения; - критерий Фурье, который характеризует стадию процесса нагрева (охлаждения); - критерий Био, характеризующий отношение теплового сопротивления тела к интенсивности теплообмена на поверхности. Задача построения кривой нагрева заключается в решении уравнения теплопроводности для различных значений времени выдержки в среде τ. В литературе [5] приведены зависимости значений температуры от критериальных функций. При этом уравнение теплопроводности представляется в следующем виде: , где ΘS и ΘR - значения критериальных функций вида Θ(Bi, F0) для поверхности и середины образца, соответственно. В качестве исходных данных для расчета примем следующие значения коэффициентов [5]: - коэффициент теплопроводности λ = 14 ккал/(м·ч·ºС); - коэффициент теплоотдачи a = 150 ккал/(м2·ч·ºС) - соответствует нагреву в электрической печи; - коэффициент температуропроводности α = 0,025 м2/ч; - ТСР = 930 ºС (выбирается по рекомендациям [6]); - T0 = 25 ºC. Экспериментальный образец представляет собой цилиндр с диаметром 20 мм и длиной 50 мм (см. рис. 2). Рис. 2. Конфигурация образца Значения критерия Био для поверхности S и оси изделия R соответственно равны: Согласно рекомендаций [5], по определенным выше значениям критерия Био рассматриваемый образец можно отнести к массивным телам. Поэтому определение значений критериальных функций будем производить именно для таких тел. Значения критерия Фурье определяются в зависимости от времени выдержки нагреваемого тела в среде. Для удобства результаты расчетов сведем в таб. 1. Значения критериальных функций в зависимости от времени выдержки в среде приведены в табл. 2. Используя значения критериальных функций, рассчитываем температуру нагреваемого образца в каждой конкретной временной точке. Результаты расчетов приведены в табл. 3 и на рис. 3. Выводы Как можно видеть из табл. 3, расчетное время нагрева и выдержки в печи составляет примерно 5…6 мин. Экспериментальная проверка правильности полученных результатов и применимости их в практической деятельности выполнялась на образце, геометрическая характеристика которого соответствует рис. 2. Образец нагревали в печи и выдерживали в течение 6 мин, после чего, охлаждали в воде. На рис. 4 представлена микроструктура образца после выполнения данной операции. Рис. 4. Микроструктура поверхностного слоя после термодиффузионного упрочнения (при температуре 1100 оС) и закалки Из рис. 4 видно, что микроструктура диффузионного слоя соотвествует мелкоигольчатому мартенситу. Таким образом, полученные расчетные значения режимов термической обработки обладают достаточной точностью и могут быть использованы в праткических целях. Таблица ١ Значения критериев Фурье и Био Время τ, ч Критерий Био по радиусу BiR Критерий Био по оси BiS Критерий Фурье по радиусу FR Критерий Фурье по оси FS 0,01 0,11 0,26 2,5 0,4 0,03 0,11 0,26 7,5 1,2 0,06 0,11 0,26 15 2,4 0,08 0,11 0,26 20 3,2 Таблица ٢ Значения критериальных функций Время τ, ч Критериальная функция по радиусу ΘR Критериальная функция по оси ΘS 0,01 0,64 0,75 0,03 0,25 0,6 0,06 0,03 0,35 0,08 0 0,24 Таблица ٣ Параметры теоретической кривой нагрева Время τ, ч Температуры образца T, ºC 0,01 495 0,03 794 0,06 920 0,08 930 Рис. 3. Теоретическая кривая нагрева

About the authors

V. E Ovsyannikov

Kurgan State University

Email: vik9800@mail.ru
PhD in Engineering

V. I Vasil’ev

Kurgan State University

Email: vik9800@mail.ru
DSc in Engineering

A. S Terekhov

Kurgan State University

Email: vik9800@mail.ru
DSc in Engineering

References

Supplementary files