Development of technology for restoration and hardening of working bodies of tillage machines by laser surfacing

Full Text

Рабочие органы почвообрабатывающих машин эксплуатируются в условиях абразивной среды, что вызывает изменения их размеров и геометрической формы. Исходя из этого, возникает необходимость разработки технологий восстановления и упрочнения деталей с целью повышения долговечности, поскольку ресурс новых рабочих органов не всегда оказывается значительным. Таким образом, разработка технологий восстановления с одновременным упрочнением рабочих органов почвообрабатывающих машин – актуальная и востребованная задача.

Лазерная наплавка – один из современных методов восстановления изношенных деталей, который становится все более популярным благодаря улучшению доступности оборудования и материалов для его реализации. Среди положительных аспектов лазерной наплавки можно выделить низкое температурное воздействие на деталь и высокую адгезию наплавленного слоя к основе [1, 2, 3].

Возможности лазерной наплавки позволяют наносить тугоплавкие материалы, тем самым осуществлять упрочнение с использованием порошков, содержащих карбиды металлов, включая карбид вольфрама, который применяют при упрочнении режущего инструмента [4]. Восстановление рабочих органов почвообрабатывающих машин таким методом повышает твердость наплавленного слоя рабочей поверхности детали, по сравнению с традиционными способами восстановления, в среднем на 40…45 %. При этом износостойкость покрытий рабочих органов почвообрабатывающих машин в условиях интенсивного абразивного изнашивания возрастает на 40…50 %. К традиционным способам восстановления относятся наплавка порошка «Сормайт» газовой горелкой и ручная электродуговая наплавка электродами Т-590 и Т-620. При их использовании наблюдается малая глубина проплавления основного металла и небольшая зона термического влияния, так как эти методы реализуются вручную, что позволяет регулировать скорость наплавки и температуру рабочей среды. Однако твердость покрытия при восстановлении традиционными методами составляет порядка 45…50 HRC, тогда как при лазерной наплавке она достигает 65…70 HRC. Благодаря этому долговечность восстановленных и упрочненных рабочих органов почвообрабатывающих машин при обработке почв с высокой изнашивающей способностью увеличивается в среднем в 1,8…2,1 раза [5, 6].

Цель исследования – определение рациональных режимных параметров лазерной наплавки для формирования оптимальной микроструктуры износостойких покрытий.

Методика. В качестве восстанавливаемой детали возьмем лемех плуга и будем рассматривать процесс восстановления лазерной наплавкой путем придания ему исходной геометрической формы последовательным нанесением слоев.

Восстановление изношенной части лемеха осуществляли следующим образом. Деталь закрепляли на поверхности рабочего стола роботизированной системы, например, TST-LFR 3000 (рис. 1), которая представляет собой компактную и мобильную систему лазерной наплавки на различные поверхности. Основные ее компоненты – мобильный робот, источник лазера мощностью 3000 Вт, система подачи порошка, головка лазерной наплавки, система управления и рабочий стол. Режим наплавки задается системой управления, которая регулирует скорость наплавки, подачу порошка и мощность светового пучка в зависимости от количества подаваемого наплавляемого материала. Луч, генерируемый роботизированной системой (лазерным источником), на поверхности изделия создает ванну расплава. В эту зону при помощи транспортирующего газа, который одновременно выступает как защитный, подают порошок.

 

Рис. 1. Роботизированная система наплавки и упрочнения TST-LFR3000

 

Луч, температура которого на выходе из сопла достигает 2700 °С, генерируемый лазерным источником, соприкасается со смесью тугоплавких порошков в среде защитного газа. Под действием высокой температуры смесь расплавляется и под высоким давлением равномерно наносится на изношенную поверхность лемеха [7, 8, 9].

Наплавка может осуществляться на следующих режимах: мощность лазерного излучения – 2100…2900 Вт, скорость перемещения оптической головки (скорость наплавки) – 5…11 мм/с, массовый расход порошка – 20 г/мин, расход защитного газа – 14 л/мин. Толщина наплавленного слоя составляет 2±0,1 мм.

Процесс нанесения расплавленного порошка осуществляется пошовно, встык ранее наплавленного шва, с его перекрытием до 25 %. Это необходимо для формирования равномерно восстановленной поверхности лемеха плуга. При нанесении слоев наплавочная головка управляется роботизированной системой, в управляющее устройство которой предварительно закладывается 3D-модель лемеха плуга. Процесс нанесения расплавленного порошка происходит до формирования заданной 3D-модели.

Далее процесс повторяется. При этом расплавленный порошок наносится на ранее сформированный слой металла. Для наплавления, например, 6 мм металла необходимо нанесение трех слоев.

В качестве износостойкого материала используется смесь порошков, включающая 43…53 % железной основы, например, ПГ-С27 «Сормайт», с частицами размером 80 мкм, 45…55 % упрочняющей фазы в виде карбида вольфрама c частицами 15 мкм и 2 % нанопорошка оксида алюминия Al₂O₃ с частицами 70 нм.

Известно, что наиболее эффективно ударно-абразивному трению противостоит слой с ледебуритной структурой дендритно-ячеистого типа [7]. В связи с этим в качестве матрицы наплавляемой смеси порошков был выбран ПГ-С27 «Сормайт» с высоким содержанием углерода (4 %), который способствует формированию такой структуры.

Восстановленные лемеха характеризуются высокой твердостью и износостойкостью, что связано с образованием мелкозернистой ледебуритной структуры дендритно-ячеистого типа с включениями твердого карбида вольфрама, обладающей наилучшей сопротивляемостью при абразивном износе. Оксид алюминия в этом случае служит модификатором, благодаря которому образуются дополнительные центры кристаллизации, которые измельчают образующуюся структуру наносимого слоя [10, 11, 12].

Завершающий этап технологии восстановления рабочих органов почвообрабатывающих машин – контроль геометрических параметров. При необходимости проводится механическая обработка углошлифовальной машинкой. Далее выполняется ультразвуковой контроль качества швов и измерение твердости нанесенного слоя металла.

Прежде чем применять технологию непосредственно на лемехах, необходимо провести исследования слоев, формируемых при лазерной наплавке, с целью определения рациональных режимов для получения слоев с наилучшими противоизносными свойствами. Для этого были изготовлены образцы размером 100×40 мм (рис. 2) из стали марки 65Г, из которой чаще всего делают рабочие органы почвообрабатывающих машин. Всего был проведен 121 опыт. Такое количество позволяет провести эксперименты со всеми комбинациями параметров: мощность лазерного излучения – 2100… 2900 Вт с шагом 200 Вт; скорость перемещения оптической головки (скорость наплавки) – 5…11 мм/с с шагом 2 мм/с; содержание карбида вольфрама в смеси – 45…55 % с шагом 2 %.

 

Рис. 2. Швы, полученные лазерной наплавкой при различных режимах

 

Микроструктуру полученного шва исследовали с использованием инвертированного металлографического микроскопа МИКРОМЕД МЕТ на подготовленных микрошлифах (рис. 3). Замеры твердости проводили прибором «ТЕМП-2», согласно ГОСТ 22975-78.

 

Рис. 3. Микрошлифы, наплавленные лазерной наплавкой при различных режимах и с разным содержанием карбида вольфрама, залитые эпоксидной смолой

 

Результаты и обсуждение. В ходе опытов было установлено, что оптимальное содержание карбида вольфрама в смеси составляет 50 %. Превышение этой доли приводит к перенасыщению, что в дальнейшем вызывает разрушение слоя в процессе эксплуатации – вместо естественного износа происходит его выкрашивание.

В зависимости от содержания карбида вольфрама нанесенные слои имеют определенную микроструктуру наплавленного износостойкого покрытия. Покрытия, образованные при низких скоростях охлаждения, характеризуются хорошо выраженной дендритной структурой (рис. 4, а, б). При этом они различаются по количеству центров кристаллизации, что, в свою очередь, влияет на формирование макроструктуры наплавленного металла.

 

Рис. 4. Микроструктура наплавленного слоя при разном содержании карбида вольфрама в смеси: а) 45 %; б) 47 %; в) 49 %; г) 51 % д) 53 %; е) 55 %

 

Как и ожидалось, нанесенный слой имел типичную эвтектическую ледебуритную структуру, обладающую высокой микротвердостью. Это свидетельствует об отсутствии мартенситных превращений, что еще раз характеризует малую скорость охлаждения и значительный градиент температуры, обусловленные содержанием большого количества цементита. Формирование такой структуры происходит при следующих режимах наплавки: мощность лазерного излучения – 2100…2300 Вт, скорость наплавки – 5…7 мм/с, содержание карбида вольфрама – 45…47 % от объема смеси порошков.

С увеличением количества карбида вольфрама в смеси происходят изменения структуры наплавленного металла (рис. 4, в, г, д), что связано с ростом количества энергии, необходимой для более полного оплавления всех его частиц. Это способствует образованию ячеек в микроструктуре наплавленного металла из-за увеличения скорости охлаждения нанесенного слоя материала, которую определяет сумма скоростей охлаждения матрицы порошка и карбида. Карбид вольфрама обладает высокой теплопроводностью, что позволяет избежать задержек тепла. Скорость охлаждения нанесенного слоя материала, в свою очередь, будет зависеть от скорости охлаждения ПГ-С27 «Сормайта», доля которого в смеси будет уменьшаться по мере увеличения количества вольфрама. В результате структура наплавленного металла принимает необходимую дендритно-ячеистую форму. Для ее достижения режимы наплавки должны находиться в следующих пределах: мощность лазерного излучения – 2500…2700 Вт, скорость наплавки – 7…9 мм/с, содержание карбида вольфрама – 49…53 % от объема.

Дальнейшее увеличение содержания карбида способствует повышению скорости охлаждения и снижению температурного градиента, что приводит к формированию ячеистой структуры (рис. 4е). Для получения данной структуры режим наплавки имеет следующие значения: мощность лазерного излучения – 2900 Вт, скорость наплавки – 11 мм/с, содержание карбида вольфрама – 55 % от объема.

По результатам измерения твердости наплавленного слоя, которая варьировала в интервале 52,7…78,2 HRC, были построены поверхности отклика для определения рационального режима наплавки при восстановлении лемехов плугов. При варьировании содержания карбида вольфрама в порошковой смеси и скорости наплавки (рис. 5а) наибольшая твердость наплавленной поверхности отмечена при величинах этих показателей соответственно 51…53 % и 7…9 мм/с.

 

Рис. 5. Зависимость твердости наплавленного слоя: а) от содержания карбида вольфрама в порошковой смеси и скорости наплавки; б) от мощности лазерного излучения и скорости наплавки; в) от мощности лазерного излучения и содержания карбида вольфрама в порошковой смеси

 

Результаты анализа поверхности отклика, характеризующей зависимость твердости наплавленной поверхности от мощности лазерного излучения и скорости наплавки (рис. 5б), свидетельствуют, что наибольшая твердость достигается при следующих значениях: мощность лазерного излучения – 2300…2500 Вт, а скорость наплавки – 7…9 мм/с.

При варьировании мощности лазерного излучения и содержания карбида вольфрама в порошковой смеси (рис. 5в) наилучшие результаты отмечены при величинах этих параметрах соответственно 2300…2500 Вт и 51…53 %.

В целом рациональными режимными параметрами плазменной наплавки износостойких наплавленных покрытий следует считать скорость наплавки – 7 мм/с; содержание карбида вольфрама в порошковой смеси – 51 %; мощность лазерного излучения – 2700 Вт.

Выводы. Формирование необходимой дендритно-ячеистой структуры ледебуритного типа износостойких наплавленных покрытий возможно при следующих параметрах режима наплавки: мощность лазерного излучения – 2500…2700 Вт, скорость наплавки – 7…9 мм/с, доля карбида вольфрама в смеси порошков – 49…53 % от объема.

Рациональные режимные параметры для наплавки износостойких покрытий с наибольшей твердостью достигаются при скорости наплавки – 7 мм/с; содержании карбида вольфрама в порошковой смеси – 51 %; мощности лазерного излучения – 2700 Вт.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Данная работа финансировалась за счет средств федерального бюджета по теме научного исследования «Разработка новых технологий применения плазмы, 3D и аддитивных технологий для повышения долговечности сельскохозяйственной техники», регистрационный номер № 1022071200009–4–2.3.1. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В данной работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

V. A. Shakhov

Orenburg State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: shahov-v@yandex.ru

доктор технических наук

Russian Federation, Orenburg

P. G. Uchkin

Orenburg State Agrarian University

Email: shahov-v@yandex.ru

кандидат технических наук

Russian Federation, Orenburg

I. M. Zatin

Orenburg State Agrarian University

Email: shahov-v@yandex.ru

кандидат технических наук

Russian Federation, Orenburg

M. I. Golubev

Mytishchi Branch of the Bauman Moscow State Technical University

Email: shahov-v@yandex.ru

кандидат технических наук

Russian Federation, Mytishchi

References

Supplementary files