The influence of hardening on the operational properties of soil-cutting tools

Full Text

Актуальность проблемы и постановка цели исследования В настоящее время почворежущий инструмент изготавливается в основном из углеродистых сталей. При этом основным видом термообработки такого инструмента является объемная закалка, которая на относительно тонкостенных деталях (толщиной до 12 мм) позволяет получить твердость 40-55 HRC как на поверхности, так и по всему объему. Поскольку абразивное изнашивание зависит от давления и соотношения твердости материала и абразивных частиц, то твердость металла определяет основную эксплуатационную характеристику почворежущего инструмента - износостойкость. Известно, что чем больше твердость поверхности, тем выше ее стойкость против абразивного износа [1]. Но, несмотря на обеспечение, казалось бы, оптимальных эксплуатационных свойств, полученных после термообработки, стойкость почворежущего инструмента как отечественных, так и иностранных производителей оставляет желать лучшего. Так, например, наработка плугов ПБС составляет всего 30 - 60 га [2]. Таким образом, целью исследований является выяснение причин недостаточной эксплуатационной стойкости почворежущего инструмента и определение путей ее повышения является весьма актуальной задачей. Постановка задачи исследования Очевидно, что одной из причин интенсивного абразивного износа почворежущего инструмента является то обстоятельство, что при его изготовлении и эксплуатации не учитываются в полной мере те процессы, которые протекают при контакте этого инструмента с почвой, в частности, нагрев от действия сил трения. Известно, что в процессе закалки стали образуется мартенсит - основная структура закаленной стали, представляющая собой упорядоченный пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе [3]. Мартенситное превращение бездиффузионное (сдвиговое превращение), атомы перемещаются с большой скоростью по сдвиговому механизму. При этом ОЦК кристаллическая решетка сильно искажается, превращаясь из кубической в тетрагональную [3], имеющую форму прямоугольного параллелепипеда, в котором атомы железа расположены в вершинах и центре ячейки, атомы углерода в объёме ячеек. Мартенситная структура неравновесная и в ней есть большие внутренние напряжения (напряжений второго рода), что в значительной степени определяет высокую твердость стали после закалки. Однако это напряженное состояние металла может быть изменено термообработкой, например, отпуском. Нагрев закаленной детали ниже критической точки АС1, выдержка при заданной температуре и последующее охлаждение, производимые при отпуске, позволяют снизить внутренние напряжения и, тем самым уменьшить твердость детали, повысить ее пластичность при сохранении приемлемого уровня прочности. При этом структура отпущенной стали формируется в период выдержки при температуре отпуска, последующая скорость охлаждения не влияет на структурное состояние стали [3]. Таким образом, закалка и отпуск, проведенные на заводе-изготовителе почворежущего инструмента, позволяют придать металлу высокую твердость и прочность и обеспечить требуемый уровень пластичности, необходимый для предотвращения хрупких разрушений при наезде на случайные препятствия (камни и т.п.). Однако длительная работа почворежущего инструмента в такой абразивной среде, как почва, неминуемо приведет к нагреву металла и, как следствие, к его дополнительному отпуску, уменьшение твердости и снижению износостойкости. Для проверки данного предположения было необходимо провести металлографические исследования образцов почворежущего инструмента, подвергнутого термическому воздействию в процессе эксплуатации. Объект исследования Объектом исследования являлись корпуса КБ-01 плуга ПБС-4. Плуги этой серии предназначены для обработки почв на глубину от 16 до 35 см с удельным сопротивлением до 0,09 МПа (твердость почвы до 4 МПа) и влажностью до 30 % под все сельскохозяйственные культуры при скоростях обработки почвы до 12 км/ч (3,33 м/с) [2, 4]. Преимущество этих плугов заключается в низком тяговом сопротивлении, которое достигается за счет принципиально новой конструкции отвальных и безотвальных рабочих органов [2]. Корпус КБ-01, применяемый на плугах ПБС (рис. 1), имеет стойку 1, вертикальный нож (вертикальный лемех) 2, отвал 3 и два горизонтальных лемеха: правый 4 и левый 5. Все названные лемеха оборотные (двухсторонние). При работе вертикальный нож 2 гранью своего полевого обреза разделяет отрезаемый корпусом пласт почвы (по ширине) в соотношении 5 : 2. Три части приходится на нож 2 и лемех 4, а две меньшие части - на лемех 5. Нижняя часть вертикального лемеха выполняет функцию клина с малым углом, который отрезает пласт. Верхняя часть пласта ножом и отвалом (в зоне его действия) поднимается, крошится и отбрасывается в правую сторону в борозду предыдущего корпуса. Таким образом, оборачивается только верхний слой почвы, а глубже, до 30 см, выполняется рыхление с подрезанием корневых остатков. Такие корпуса, по сравнению с известными, обеспечивают хорошее качество вспашки, повышение производительности на 20-30% [4], при этом экономия дизельного топлива составляет 6-9 кг на каждом гектаре обработанной пашни [2]. Рис. 1. Корпус КБ-01 в сборе: 1 - стойка, 2 - вертикальный сферический нож (вертикальный лемех), 3 - отвал, 4 - правый лемех, 5 - левый лемех Fig. 1. KB-01 body assembled: 1 - stand; 2 - vertical spherical knife (vertical share); 3 - blade; 4 - right share; 5 - left share Металлографическим исследованиям подвергались образцы, вырезанные из левых лемехов, изготовленных из стали 65Г и подвергнутых термообработке на заводе-изготовителе. Схема вырезки образцов показана на рис. 2. Особенность левого лемеха состоит в том, что в процессе обработки почвы передняя часть его режущей кромки (по месту вырезки образцов № 1, рис. 2) защищена от действия почвы вертикальным (сферическим) ножом и с ней практически не контактирует. Поэтому на этом участке режущая кромка может наиболее полно сохранить исходную (после термообработки на заводе-изготовителе) твердость и микроструктуру. Остальная часть режущей кромки левого лемеха, в том числе и по месту вырезки образца № 2 (по рис. 2), в процессе эксплуатации подвергается интенсивному абразивному износу. Рис. 2. Схема вырезки образцов из левого лемеха Fig. 2. Scheme of cutting samples from the left share Методика исследования Исследованиям подвергались образцы, вырезанные из прошедших эксплуатацию лемехов, схема вырезки показана на рис. 2. Микроструктура и микротвердость металла, находящегося в исходном состоянии (не подвергнутого эксплуатации) определялось по образцам-свидетелям, упрочненным по технологиям, соответствующим упрочнению лемехов. Приготовление микрошлифов для исследований производилось по обычной методике, включая следующие основные операции: вырезку образцов и подготовку поверхности, шлифование, полирование и травление [5]. Вырезка образцов производилась абразивными (отрезными) кругами с использованием ручного электроинструмента. Для устранения возможного влияния нагрева от действия абразивного инструмента на микроструктуру металла, поверхность образцов, предназначенная для исследования, подвергалась шлифовке на плоскошлифовальном станке со съемом металла, толщиной не менее 3 мм. В процессе шлифовки образцы подвергались жидкостному охлаждению. После этого образцы подвергались полировке механическим методом, окончательная полировка проводилась на сукне с использованием пасты Гойя. После полировки шлифы промывали в воде и сушили полированную поверхность фильтровальной бумагой. Для выявления микроструктуры отполированная поверхность образцов подвергалась травлению в 3-% спиртовом растворе HNO3. Для изучения микроструктуры и определения структурного состава металла образцов использовался микроскоп EPIQUANT. Измерение микротвердости выполнялось на микротвердомере ПМТ-3 согласно ГОСТ 9450-76 при нагрузке 1 Н, шаг замеров составлял 0,05 - 0,2 мм. Определить твердость по Роквеллу непосредственным измерением оказалось затруднительно из-за недостаточной устойчивости образцов и опасности их опрокидывания в процессе измерения. Поэтому твердость в HV и HRC различных участков исследуемых сечений образцов была определена по измеренной их микротвердости с применением переводных таблиц. Металлографические исследования проводились на лабораторной базе кафедры физического металловедения ФГБУ ВО «Липецкий государственный технический университет». Результаты исследований и их обсуждение В результате исследований было установлено, что твердость металла лемехов на участке № 1, защищенном от контакта с почвой вертикальным ножом, составляла порядка 322 HV (39 HRC) вблизи поверхности режущей кромки и 554 HV (49-50 HRC) - в середине сечения. Твердость металла лемехов на участке № 2, подвергавшегося интенсивному абразивному износу, составляла 224 - 338 HV (21,5 - 36 HRC) соответственно вблизи поверхности режущей кромки и в середине сечения. Увеличение твердости от поверхности детали к ее середине связано с неравномерностью нагрева детали: поверхность разогревалась от действия сил трения, а потом теплота распространялась вглубь детали. Также с неравномерностью нагрева лемеха от сил трения связана и разница в твердости (почти в 1,38 - 1,5 раза) по длине режущей кромки одной и той же детали. Пример микроструктуры металла лемеха на участке № 1 представлен на рис. 3. В центре образца структура состоит из троостомартенсита и аустенита остаточного с твердостью 49-50 HRC. Вблизи поверхности на глубину около 1000 мкм наблюдаются признаки отпуска стали, происшедшего уже в процессе работы лемеха. При этом исходная структура (из троостомартенсита и аустенита остаточного) переходит в троостит (на глубине 800-1000 мкм от поверхности) и троосто-сорбит - вблизи поверхности и на поверхности режущей кромки. а б Рис. 3. Микроструктура образца № 1: а - вблизи поверхности, х100, б - в центре, х400 Fig. 3. Sample microstructure № 1: a - near the surface, x100, b - in the center, x400 а б Рис. 4. Микроструктура образца № 2: а - вблизи поверхности, х100, б - в центре, х400 Fig. 4. Microstructure of sample No. 2: a - near the surface, x100, b - in the center, x400 Пример микроструктуры металла лемеха на участке № 2 представлен на рис. 4, из которого следует, что отпуск стали произошел на большую глубину, чем на участке № 1, а в микроструктуре имеется феррито-перлитная смесь. Таким образом, можно заключить, что на данном участке лемеха температура нагрева режущей кромки в процессе его работы могла достигать 400-450 оС. Таким образом, в процессе эксплуатации произошел дополнительный отпуск всей режущей кромки лемеха, особенно на участке, не защищенной от контакта с почвой вертикальным сферическим ножом (лемехом). Снижение твердости стали, произошедшее вследствие данного отпуска, способствовало усилению абразивного износа лемеха и снижению его наработки. Очевидно, что для повышения длительности эксплуатации почворежущего инструмента необходимо применение других методов упрочнения и материалов, не подверженных отрицательному воздействию нагрева в процессе эксплуатации. Возможные пути решения проблемы Известно ([1] и др.), что к материалам повышенной износостойкости, помимо сталей, относятся и белые чугуны. Одним из путей получения легированного белого чугуна на поверхности различного почворежущего инструмента является плазменно-порошковая наплавка (ППН) [6]. Этот способ позволяет получать наплавленные слои, имеющие высокую стойкость против абразивного износа [7], и обеспечивать высокие эксплуатационные характеристики почворежущего инструмента [8]. Полевые испытания корпусов КБ-01 на плуге ПБС-4, проведенные в 2019 г. в ряде сельскохозяйственных предприятий Липецкой и Тамбовской областей, показали, что лемеха, подвергнутые упрочнению ППН по технологии ООО НПП «ВАЛОК», имеют наработку в несколько раз больше, чем аналогичные корпуса, не подвергнутые наплавке. а б в г Рис. 5. Микроструктура наплавленного слоя: а - в исходном состоянии (х100), б - после закалки (х100), в - после нормализации (х100), г - после отжига (х100) Fig. 5. Microstructure of the deposited layer: a - in the initial state (x100), b - after quenching (x100), c - after normalization (x100), d - after annealing (x100) При металлографических исследованиях было установлено, что микроструктура наплавленного металла исходном состоянии в основном состоит из заэвтектического белого чугуна (карбиды (Cr, Fe)7C3, имеющие форму шестигранной призмы, мартенситная матрица, аустенит остаточный) и доэвтектического чугуна (толщина слоя около 150 мкм, микротвердость 4,1-4,6 ГПа) вблизи границы сплавления с основным металлом (сталью 09Г2С), рис. 5 а. Образование слоя доэвтектического чугуна связано с оплавлением поверхностного слоя основного металла, его частичному смешиванию с наплавляемым материалом и взаимной диффузией элементов между слоями, что приводит к уменьшению содержания углерода и легирующих элементов в этой зоне. После термообработки (закалки, нормализации и отжига, во всех случаях температура нагрева образцов составляла 850-870 °С) микроструктура наплавленного металла так же в основном состояла из заэвтектического и эвтектического чугуна, рис. 5 б - г. Причем, термообработка практически не оказывает заметного влияния на твердость поверхностного слоя из заэтектического чугуна. Так, в исходном (после наплавки) состоянии твердость поверхности была более 62 HRC, после закалки в масло - 62-64,5 HRC, после нормализации - 59-65,5 HRC и после отжига - 52-65 HRC. Наибольшее влияние термообработка оказала на твердость доэтектического чугуна. При нагреве до температуры примерно 730 °С структура доэвтектического чугуна состояла из аустенита и ледебурита. При охлаждении после отжига аустенит превращался в перлит, после нормализации - в троосто-перлит, при закалке - в мартенсит, что и обуславливает разницу в твердости. Однако данный слой имеет небольшую толщину, расположен вблизи границы сплавления с основным металлом и не оказывающего существенного влияния на износотойкость наплавленного слоя. Металлографические исследования наплавленного металла после эксплуатации также показали отсутствие заметных изменений его микроструктуры и твердости. Так, если до полевых испытаний средняя твердость наплавленного металла составляла около 1040 HV / 69 HRC, то после испытаний - порядка 799 HV / 64 HRC, что значительно выше твердости металла, упрочненного закалкой на заводе-изготовителе. Это свидетельствует о том, что повторный нагрев от действия сил трения не оказывает существенного влияния на свойства почворежущего инструмента, упрочненного ППН, что способствует повышению его срока эксплуатации. Выводы 1. Проведены металлографические исследования левого лемеха корпуса КБ-01 от плуга ПБС-4, прошедшего эксплуатацию. Установлено, что в процессе эксплуатации режущая кромка лемеха, особенно на участке, не защищенном от контакта с почвой вертикальным сферическим ножом (лемехом), подверглась отпуску из-за нагрева силой трения. При этом твердость режущей кромки снизилась с 49 - 50 HRC (твердость в центре детали на участке, защищенном от действия силы трения) до 22 - 34 HRC. 2. Проведены исследования слоя, наплавленного плазменно-порошковой наплавкой по технологии ООО НПП «ВАЛОК» на сталь 09Г2С. Установлено, что структура наплавленного слоя в основном состоит из заэвтектического белого чугуна, имеющего твердость более 62 HRC. Нагрев наплавленного металла до температур 850 - 870 оС практически не влияет на его твердость, что позволяет проводить термообработку (закалку, нормализацию или отжиг) лемехов после их наплавки. 3. В процессе эксплуатации корпусов КБ-01 нагрев от сил трения не оказывает существенного влияния на твердость металла, наплавленного ППН по технологии ООО НПП «ВАЛОК», что позволяет значительно (в 2 - 4 раза) повысить длительность эксплуатации упомянутых корпусов.

About the authors

B. A Markov

Research Institute of Lipetsk State Technical University

PhD in Engineering Lipetsk, Russia

O. V Sedykh

Research Institute of Lipetsk State Technical University

Lipetsk, Russia

V. V Bondarenko

Scientific and Production Enterprise VALOK

Email: valok.lesnaya@mail.ru
Lipetsk, Russia

References

Supplementary files