Improvement of service properties of L53 steel with thermal strengthening

Full Text

Введение Начало использования стали Л53 для изготовления лемехов относится к первой половине ХХ века и продолжается до настоящего времени. Принятое в производстве упрочнение путем наплавки слоя «сормайта» на тыльную сторону лезвийной области детали в определенной степени позволяет повысить ресурс, но не решает проблемы существенно. Создавшаяся ситуация привела к тому, что ресурс отечественных лемехов значительно уступает ресурсу лемехов импортного производства (примерно в 10 раз) [1]. Особенно данное обстоятельство проявляется при пахоте на почвах с высоким содержанием кварцевой составляющей и выражается в опережающем износе носка (долотообразной области) лемеха [2, 3]. Между тем, потенциальные возможности по повышению служебных свойств (твердости и износостойкости) стали Л53 далеко не исчерпаны. Прежде всего они кроются в проведении термоупрочнения (ТУ). Нужно отметить, что поступающие на отечественный рынок лемехи зарубежных компаний в обязательном порядке проходят упрочнение термической обработкой (ТО). Причем они закаливаются по всему объему в силу специфики эксплуатации, связанной с высоким темпом изнашивания [4, 5], когда истирание поверхностного твердого слоя происходит за сравнительно небольшой промежуток времени. Сталь Л53 относится к группе среднеуглеродистых сталей с количеством углерода около 0,53 %, что позволяет проводить закалку с существенным повышением твердости, а следовательно, и стойкости к абразивному изнашиванию [6]. Однако в плане термоупрочняющей обработки лемешной стали в специальной литературе сведения крайне малочисленны, а порой противоречивы [7]. Цель исследования Целью исследования является проведение серии экспериментов по определению возможностей стали Л53 в аспекте обеспечения абразивной износостойкости после термоупрочнения с различных температур. Методика проведения эксперимента Техника экспериментальных исследований состояла из следующих этапов: 1 - подготовка образцов; 2 - термообработка; 3 - контроль твердости после ТО; 4 - проведение испытаний на изнашивание. Образцы вырезались из цельнометаллических лемехов российского производства при минимальном температурном влиянии во избежании изменения свойств материала. Площадь образцов, равная 36 см2, позволяет в полной мере реализовываться процессам, присущим абразивному изнашиванию. Термообработка проводилась с температурой 720…870 °С с интервалом в 20 °С и охлаждением в воде. В качестве оценки механических свойств принималась твердость, которая измерялась методом Роквелла по шкале С (HRC). После удаления следов термообработки твердость контролировалась нанесением 5 отпечатков по всей площади поверхности трения с последующим вычислением среднего значения. Контроль HRC осуществлялся до испытаний и после их реализации. Испытание на изнашивание проводились в ускоренном режиме с использованием установки собственной конструкции, которая позволяет в широком диапазоне менять условия эксперимента, в том числе и угол наклона образца к горизонту. Это, в определенной мере, имитирует изнашивание реальных деталей. В качестве абразивной среды использовался щебень с размерами фракций 5…20 мм. Время испытаний 120 мин. Результаты исследования и их обсуждение Увеличение температуры ТО приводит к значительному росту твердости, что соответствует положениям металловедения и связано с фазовыми превращениями (рис. 1) [8] и изменением структуры. В соответствии с полученными данными минимальная твердость (15…20 HRC) характерна для термообработки с температурой 720…760 °С и примерно равна твердости металла лемеха в состоянии поставки. Такие температуры (t°) не оказывают заметного влияния на изменение структурных составляющих стали из-за отсутствия фазовых превращений. Последующее увеличение t° приводит к достаточно резкому повышению HRC, и при ТО с температурой 860 °С значение твердости максимально и достигает 55…58 HRC (рис. 1). Таким образом, путем ТУ можно повысить величину твердости стали Л53 более чем в 3 раза по сравнению с ее значением у лемехов заводского исполнения. Аналогичный характер имеет и зависимость между износостойкостью (с) и температурой ТО (рис. 2). То есть стойкость к абразивному изнашиванию за счет термоупрочнения также можно повысить примерно в 2,5…3 раза. Наблюдаемые рассеивание опытных данных по износостойкости обусловленно сложностью процессов абразивного изнашивания. В практическом плане увеличение износостойкости лемехов, особенно долотообразной части, позволит значительно увеличить ресурс лемехов за счет снижения темпа изнашивания заглубляющей области и образования лучевидного износа. Для данной стали и применяемой термообработки не происходит полного мартенситного превращения, хотя твердость при ТУ с температурой 860 °С достаточно близка к твердости этой структуры. Кроме того, при внимательном рассмотрении графиков (рис. 1 и 2) отмечается падение HRC и износостойкости при ТО с температурой 860 °С, связанное с охрупчиванием структуры, что делает нецелесообразным проведение такого термоупрочнения. Поэтому есть основание для исключения такой дополнительной операции, как отпуск. Более того, исходя из исследований [9], где показано, что оптимальная твердость лемехов составляет около 50…53 HRC, следует проводить закалку с температурой 820…830 °С и охлаждением в воде, что позволяет избежать высокого уровня остаточных напряжений и значительно снизить склонность стали к образованию трещин и разрушению без применения отпуска. Подтверждением вышеизложенному служат полномасштабные многолетние полевые испытания штампосварных лемехов с термоупрочненными долотами, проведенные сотрудниками Брянского ГАУ, которые показали высокую технологическую и экономическую эффективность таких деталей. При этом наблюдениями установлено 100%-е отсутствие трещин, тем более разрушений. Выводы 1. Применение термоупрочнения для стали Л53 позволит увеличить стойкость к абразивному изнашиванию в 2,5…3 раза. 2. При проведении упрочняющей термообработки рекомендуется нагрев с температурой 820…830 °С, что позволяет исключить операцию отпуска. 3. Использование термообработки для улучшения служебных свойств стали Л53 является обоснованной, а по отношению к повышению износостойкости лемехов, необходимой операцией при их изготовлении. Рис. 1. Изменение твердости HRC стали Л53 при охлаждении в воде с различными температурами Рис. 2. Влияние температуры термообработки (охлаждение в воде) на износостойкость стали Л53

About the authors

A. M Mihal'chenkov

Bryansk State Agrarian University

Email: mihalchenkov.alexandr@yandex.ru
DSc in Engineering

S. I Budko

Bryansk State Agrarian University

Email: mihalchenkov.alexandr@yandex.ru
PhD in Engineering

A. A YUreva

Bryansk State Agrarian University

Email: mihalchenkov.alexandr@yandex.ru
PhD in Engineering

References

Supplementary files