Influence of ploughshare design and welding reinforcement on the hardness of its nose part

Full Text

Введение Взаимодействие деталей рабочих органов сельхозмашин с почвой неизбежно приводит к их износу [1, 2], который отрицательно влияет на качественные показатели агротехнических работ и становится причиной предельного состояния. С учетом значительной рыночной цены и невысокого ресурса таких изделий возникает необходимость в проведении технологических мероприятий по увеличению стойкости к абразивному изнашиванию [3]. Один из распространенных методов упрочнения при изготовлении и реставрации ряда деталей почвообрабатывающих орудий - наплавочное армирование наиболее изнашиваемых локальных рабочих поверхностей [4, 5]. Однако при нанесении армирующих валиков происходят структурные преобразования стали, которые ведут к неравномерному изменению ее твердости на отдельных участках, что влияет на абразивную износостойкость детали в целом. Несмотря на наличие многочисленных работ по изучению армирования [3, 5, 6], исследование данного метода нельзя считать завершенным, особенно в свете накопленных знаний об изменении механических свойств от его воздействия. Цель исследования Наряду с армированием определенное влияние на твердость оказывают конструкционные особенности лемеха (наличие магазина - запаса металла с тыльной стороны носовой области), на что исследователи не обращали должного внимания. Кроме того, не изучено влияние следов валиков на изменение твердости после их истирания до уровня поверхности. В связи с этим цель данной работы - определение влияния конструкции лемеха и наплавочного армирования на твердость упрочненного участка (носка) после эксплуатации. Материалы и методы Объекты исследования - лемеха в состоянии поставки и упрочненные армированием. Армирование состояло в наплавке валиков в области носка перпендикулярно полевому обрезу (направлению перемещения почвенной массы) с шагом 30-40 мм электродами для сварки углеродистых и низколегированных сталей [3]. Достоверность результатов обеспечивалась измерением четырех деталей по каждому объекту исследований. Суммарное количество опытных лемехов - 8 шт. Экспериментальными образцами служили лемеха в состоянии поставки, которые снимались с эксплуатации по причине потери размеров носка более 45 мм, и лемеха с нанесенными армирующими валиками после полного истирания последних, но с видимыми следами наплавки (отметим, что у упрочненных изделий износ заглубляющей части носка находился в пределах допустимых величин, тогда как у лемехов без армирования он достигал предельного состояния при одинаковой наработке). Для проведения испытаний на твердость использовался переносной твердомер ТЭМП-4.4271-001ПС, позволяющий проводить измерения непосредственно на изделиях. Выдерживалось расстояние между отпечатками не менее 3 мм во избежание влияния пластической деформации от последующих отпечатков на предыдущие. Результаты измерений фиксировались по шкале HRC с последующим переводом в твердость по Бринеллю (НВ). Общее количество отпечатков для всех лемехов составило около 540 шт. В зависимости от состояния детали (без упрочнения и армирования) разработаны две схемы расположения отпечатков. Первая - для измерения твердости лемехов заводского исполнения в зоне, которая предусматривает охват области вероятного образования лучевидного износа (рис. 1, а). Вторая схема для лемехов, локально упрочненных наплавочным армированием (рис. 1, б), учитывала наличие валиков, зон термического влияния, расстояние между валиками и охватывала долотообразную часть. Представленные схемы позволяют определить распределение твердости как в направлении, параллельном полевому обрезу, так и в направлении, перпендикулярном ему. Результаты и их обсуждение Рассмотрим эпюры твердости лемехов в состоянии поставки по сечениям 1, 2, 3 в соответствии со схемой на рис. 1, а. Анализ полученных результатов показал, что наибольшие значения твердости характерны для сечения 1 в диапазоне от 65 до 110 мм; для сечения 2 - от 65 до 130 мм; для сечения 3 - от 65 до 150 мм (рис. 2, заштрихованные участки). Указанные величины твердости попадают в область расположения запаса металла (магазина) с тыльной стороны. Максимальные значения твердости объясняются горячим пластическим деформированием при изготовлении лемеха. В этом случае одновременно происходят два процесса - упрочнение металла за счет пластической деформации и его разупрочнение вследствие рекристаллизации (производство лемехов осуществляется горячей штамповкой). Увеличение объема металла в области расположения магазина приводит к торможению структурных превращений при охлаждении, что нарушает условие превышения скорости рекристаллизации над скоростью наклепа либо ведет к выравниванию этих скоростей. Некоторое повышение степени наклепа на этом участке в сравнении с другими областями обусловливает увеличение твердости в указанной зоне, так как процесс рекристаллизации остается незавершенным. В области, расположенной в непосредственной близости к верхнему обрезу (точки 11, 12, 13 на рис. 1, а), твердость находится в диапазоне значений, соответствующих твердости лемешной стали в нормализованном состоянии, и составляет примерно 180-200 НВ. Это указывает на завершение структурных превращений, присущих рекристаллизации. В то же время твердость в заглубляющей части составляет 175-180 НВ (точки 51, 52, 53 на рис. 1, а). Столь невысокие значения указывают на образование равновесных структур, соответствующих рекристаллизационному отжигу. Причем самая низкая твердость отмечается в точке 63 и равна 175 НВ, что недостаточно для существенного сопротивления этой области абразивному изнашиванию даже при наличии с тыльной стороны слоя сормайта. Нужно отметить, что измерение твердости в точке 63 после снятия лемеха с эксплуатации не представлялось возможным по причине истирания заглубляющей части. Как следует из представленных эпюр, минимальные значения твердости присущи третьему сечению, расположенному ближе других к полевому обрезу (см. рис. 2, в). Для данной области наибольшее значение твердости не превышает 198 НВ, что фактически на 20 единиц ниже, чем в первом и втором сечениях (см. рис. 1, б; 2, а). Такое снижение отмечается и другими исследователями [7] и объясняется незначительными объемами металла, где рекристаллизация может быть завершена (построение эпюр проводилось от верхнего обреза к лезвийной части, т.е. от точек 1i к точкам 5i). В целом же наличествующие величины твердости нельзя считать удовлетворительными, и в этом заключается одна из причин низкого ресурса отечественных лемехов, интенсивного истирания заглубляющей части и образования лучевидного износа в носовой области. Следующий этап исследования - выявление закономерностей распределения твердости для лемехов, упрочненных армированием. Как уже отмечалось, измерялась твердость области между валиками, зоны термического влияния и следов валиков (см. рис. 1, б; 3). Максимальные значения твердости НВmax в области между валиками Сечение 1 2 3 НВmax 220 205 218 Максимальное значение твердости упрочненных лемехов в районах между валиками достигается в области расположения магазина (см. таблицу). Если повышенная твердость у лемехов без технологических воздействий в этой зоне объясняется торможением процессов рекристаллизации, то при наплавке и последующем остывании валиков на отмеченном участке скорость охлаждения несколько выше, чем в других областях, из-за большего объема металла. В свою очередь, увеличение скорости охлаждения приводит к росту вероятности образования некоторого количества закалочных структур. Отметим факт прироста твердости у полевого обреза в сравнении с лемехами заводского исполнения. Следует полагать, что увеличение твердости происходит благодаря термическому влиянию при наплавке валиков. Данное обстоятельство оказывает положительное воздействие на сопротивление изнашиванию и подтверждается исследованиями [6]. В то же время в сечении 2 (см. рис. 1, б) имеет место снижение твердости (205 НВ) по сравнению с твердостью лемеха в состоянии поставки (230 НВ). Наплавочное армирование положительно влияет на увеличение твердости в заглубляющей части. Так, в точках 16i (i - цифры 1, 2, 3 по сечениям, см. рис. 1, б) и 23, 24 значения твердости равны 190-200 НВ, тогда как в точках 5i (i - цифры 1, 2, 3, см. рис. 1, а) твердость составляет 180-188 НВ. Полевые испытания армированных лемехов при подготовке данного материала показали их увеличенную абразивную стойкость в сравнении с неупрочненными деталями, которая выражается в отсутствии заметного износа заглубляющей части (рис. 3). Изменение механических свойств исследуемых околошовных зон играет положительную роль в обеспечении износостойкости при абразивном изнашивании, поскольку они имеют повышенную твердость (точки 7i , 8i , …, 16i, см. рис. 1, б), которая достигает 280-300 НВ. Прирост твердости в этом случае связан с высокой скоростью кристаллизации, характерной для сварочных и наплавочных процессов, и образованием закалочных структурных составляющих. Значительный интерес представляет изучение твердости следов валиков, так как их металл имеет сложное структурное содержание. Твердость следов валиков составляет 280-300 НВ и превышает максимальную твердость лемехов в заводском исполнении, равную 230 НВ (см. рис. 2, б). Для пояснения увеличения твердости следов валиков обратимся к схеме распределения твердости в сварочном соединении в его классическом варианте (рис. 4). Поскольку при работе армированного лемеха происходит истирание наплавленного металла несколько ниже уровня исходной рабочей поверхности, то твердость измеряют непосредственно в зоне термического влияния, где она максимальна. В этом случае наличие следов армирующих валиков повышенной твердости способствует торможению изнашивания, что служит дополнительным положительным фактором в повышении ресурса наряду с эффектом проскальзывания частиц по сферической поверхности валиков и наличием псевдосжиженного слоя между ними, снижающего количество контактов абразивных частиц с поверхностью трения лемеха [8]. Выводы 1. Значения твердости в различных точках долотообразной части лемехов в состоянии поставки относительно невысоки (максимум 230 НВ) и определяются степенью прохождения процессов рекристаллизации, зависящей от объема металла. Минимальная твердость (175 НВ) характерна для заглубляющей части. Такие величины твердости не могут обеспечить надлежащую абразивную износостойкость. 2. Наплавочное армирование повышает твердость межшовных пространств, околошовных областей (280-300 НВ) и заглубляющей части (200 НВ) благодаря образованию закалочных структур вследствие тепловых сварочных процессов, что играет положительную роль в обеспечении износостойкости при абразивном изнашивании. 3. Наличие следов армирующих валиков способствует торможению изнашивания ввиду их повышенной твердости (280-300 НВ).

About the authors

V. A Denisov

All-Russian Research Institute of Technology for Repair and Maintenance of Machine and Tractor Fleet

Email: gosniti@list.ru
DSc in Engineering Moscow, Russia

N. Yu Kozhukhova

Bryansk State Agrarian University

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

G. V Orekhova

Bryansk State Agrarian University

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

M. A Mikhal'chenkova

Bryansk State Agrarian University

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

References

Supplementary files