Скоростное электродуговое упрочнение боронитроалитированием деталей почвообрабатывающих сельскохозяйственных машин

В условиях неизбежного сокращения природных ресурсов возрастает значимость решения проблем, связанных как с ресурсосбережением, так и с существенным увеличением срока службы деталей машин.

Значительная доля металла расходуется на изготовление запасных частей машин и механизмов, идущих на поддержание машинотракторного парка в работоспособном состоянии. Изношенные детали в подавляющем большинстве идут в металлолом, хотя 90% их можно восстановить, упрочнить и повторно использовать при ремонте машин, увеличив их срок службы. Поэтому широкое развитие и практическое применение различных способов восстановления и упрочнения, наиболее часто выходящих из строя деталей, представляет актуальную, серьёзную научно-техническую и экономическую задачу, быстрое решение которой имеет огромное народнохозяйственное значение.

В связи с интенсивным развитием фермерских хозяйств и малых сельскохозяйственных предприятий, возникла проблема восстановления и упрочнения, быстро изнашиваемых деталей в условиях мелкосерийного производства. К таким деталям относятся в первую очередь рабочие органы почвообрабатывающих машин (диски борон, стрельчатые лапы культиваторов, сошники, наральники, лемеха плуга к др.).

Рабочие органы почвообрабатывающих машин в процессе эксплуатации интенсивно изнашиваются в результате абразивного износа на сухих песчаных почвах, т.к. содержащийся в них кварц имеет твердость до л ^.

1200 кг/мм, в то время как твердость металла составляет 350−400 кг/мм". При работе на глинистых и суглинистых почвах диски изнашиваются менее интенсивно.

Дефекты, возникающие в процессе эксплуатации дисков борон следующие [49]:

— износ режущей кромки по диаметру более 20 мм,.

— износ отверстий крепления дисков,.

— коробление диска по плоскости более 5 мм.

Из-за затупления режущей кромки происходит выглубление диска из почвы и перерасход горюче-смазочных материалов. При затуплении лемеха плуга более 3−4мм тяговое сопротивление увеличивается на 25%, расход топлива на 6−8%- при затуплении более 2 мм лемех затачивается с рабочей стороны под углом 25°. Способ восстановления — нагрев рабочей части и оттяжка. Лапы стрелочные затачивают через 2 смены. В результате износа и заточек ширина лапы культиваторов уменьшается на 12−15мм. В условиях индивидуальных или мелких хозяйств утраченную ширину лапы компенсируют оттяжкой. Для этого режущую кромку лапы на ширине 20 мм нагревают в печи или кузнечном горне до 850° - 900 °C. Затем на наковальне ударами молотка перемещают металл от вершине к периферии [1, 65].

Интенсивному износу подвержены детали не только землеобрабатывающей техники, но и льноперерабатывающего и мясоперерабатывающего оборудования, строительных и мелиоративных машин по внесению удобрений, а также транспортное оборудование по очистке животноводческих ферм, детали горнодобывающей, дорожно-строительной и др. техники.

Локальное пламя газовой горелки позволяет наплавлять узкие с достаточной толщиной валики, без каких-либо дополнительных технологических приемов.

Все перечисленные факторы весьма приемлемы для дискретной наплавки лап культиваторов.

Существенный вклад в разработке методов и технологий упрочнения внесли следующие отечественные и зарубежные ученые: Батищев А. Н., Бернштейн Д. Б., Бойков В. М., Бурченко П. М., Буцолич Е., Винокуров В. М., Виноградов В. Н., Горячкин В. П., Джонстон Р., Ермолов Л. С., Ерохин М. Н., Краснощеков Н. В., Крагельский И. В., Костецкий Б. И., Кузнецов Ю. А., Львов П. Н., Лялякин В. П., Михальченков A.M., Ниловский И. Л., Огрызков Е. П.,.

Панов И.М., Пронин А. Ф., Рабинович А. Ш., Розенбаум А. Н., Севернев М. М., Сидоров С. А., Синсоков Г. Н., Тененбаум М. М., Хрущев М. М., Черноиванов В. И. и многие другие ученые.

Упрочненная газопорошковой наплавкой (дискретными валиками) лапа культиватора представлена на рисунке 1. При наплавке дискретными валиками расход порошка снижается на 30% по сравнению со сплошной наплавкой. При этом также снижается тепловложение в деталь на 15—20%. Наплавка производится валиками, расположенными перпендикулярно режущей кромке через 15−20мм. Габариты валиков: ширина 5,0−7,0 мм, длина 10,0−15,0 мм, высота 1,0−2,0 мм. Твердость наплавленных валиков составила 58−65 при твердости основного металла 32−38 ЬЖС. За счет полученного градиента твердости (почти в два раза) в процессе эксплуатации за счет эффекта самозатачивания ожидается получение пилообразного лезвия лапы культиватора и увеличение режущего лезвия на 25−30%. I.

Рисунок 1 — Дискретное упрочнение наплавкой с толщиной слоя 1−1,2 мм.

Время наплавки одной лапы культиватора 25−35 мин, расход порошка 150−200 грамм.

В условиях мелких и частных фермерских хозяйств, применение газопорошковой наплавки для упрочнения лап культиваторов является приемлемой при отсутствии более рентабельного метода. Низкая производительность и высокая цена порошковых материалов, обеспечивающих вышеуказанную твердость, мешает газопламенной наплавке лап культиваторов стать оптимальным способом упрочнения.

На сахарных заводах для эффективной диффузионной экстракции сахара из свекловичной стружки, к последней предъявляются особые требования: во-первых, стружка должна быть длинной и гладкой, во-вторых, достаточно упругой, чтобы при транспортировке не происходило её измельчение.

Определенно одно, что для повышения ресурса режущей кромки свеклорезных ножей необходимо применять упрочняющие технологии.

В России особо остро стоит проблема повышения ресурса рабочих органов почвообрабатывающей техники, так как ни один из предложенных в настоящее время методов не решает эту задачу на требуемом уровне, что приводит к огромным финансовым и трудовым потерям в сфере производства и эксплуатации с/х техники. Это подтверждается следующим: в сельском хозяйстве РФ имеется около 190 тысяч плугов (1140 тыс. лемехов), около 100 тыс. культиваторов (2000 тыс. лап). При упрочнении закалкой эти детали имеют низкий ресурс: работа до заточки лемехов 8 — 10 га, лапы культиваторов — через смену. Такие частые заточки быстро приводят к полному их износу и замене их новыми деталями. Объемная закалка не обеспечивает ни высокую износостойкость деталей почвообрабатывающей техники, ни их самозатачивание. Поэтому экономическая сторона работ по упрочнению деталей заключается в увеличении срока службы деталей за счет сокращения затрат на новые запасные части.

По мере износа и затупления рабочие части деталей подвергаются заточке для придания им нормальных функциональных качеств. Для увеличения срока службы производства применяют различные упрочняющие технологии. Без этого использование техники оказывается малорентабельным из-за больших издержек на приобретение запасных частей и затрат на частые ремонтные воздействия.

Упрочнение деталей в значительной степени решает эту проблему при условии правильного выбора методов, средств и организации технологического воздействия. Например, для увеличения срока службы рабочих органов почвообрабатывающих машин венгерской фирмой «Инновелд» были разработаны целевые установки для упрочнения рабочих кромок лемехов, круглых и зубчатых дисков борон, культиваторных лап. Но все они были рассчитаны на применение индукционной наплавки, что делает их стационарными и дорогостоящими, а учитывая высокую стоимость порошковых материалов и огромное потребление электроэнергии, то и экономически неоправданными.

Повышение надежности сельскохозяйственной техники является одной из важнейших предпосылок по обеспечению нашей страны необходимыми продовольственными ресурсами.

Показатели надежности машин тесно связаны с повышением долговечности и работоспособности их рабочих органов.

Наиболее существенный вклад в изучение эксплуатационных характеристик, работоспособности и износостойкости рабочих органов почвообрабатывающей техники, внесли следующие отечественные и зарубежные ученые: Батищев А. Н., Винокуров В. Н., Горячкин В. П., Гусяцкий М. Л., Жук Я. М., Загоруйко А. Ф., Канарев Ф. М., Краснощеков Н. В., Лялякин В. П., Масюк С. К., Мацепуро М. Е., Нартов П. С, Панов И. М., Путинцева М. А., Розенбаум А. Н., Севернев М. М., Синеоков Г. Н., Стрельбицкий В. Ф., Ткачев В. Н., Черноиванов В. И., Буцолич Е., Джонстон.

Р., Бетсвел Е., Гордон А., Фриберг Р., Джоне Г., Гетцлафф П., Тейлор П., Тейлор Р., Годвин Д., Сейг Д. и др. [2,63,65,66,].

Анализ работ указанных исследователей осветил ряд теоретических и практических проблем, которые не были до настоящего времени решены.

В сельском хозяйстве для обработки почвы используются машины как с лемешно-лаповыми, так и с дисковыми рабочими органами. Последние менее подвержены забиванию сорняками и стерневыми остатками, что определило их широкое применение на плугах, боронах, лущильниках, сеялках и других машинах. Аналогично лемешно-лаповым дисковые рабочие органы эксплуатируются в абразивной среде — почве и по мере наработки вследствие изнашивания, изменяют свои формы и размеры, что отрицательно влияет на агротехнические и энергетические показатели той или иной операции обработки почвы [65].

В бывшем СССР изготавливалось около 2,5 млн. дисков лущильников и борон ежегодно в запасные части, что соответствует расходу 28 тыс. тонн металлопроката. Однако номенклатура выпуска дисковых рабочих органов ограничивалось всего 4−5 модификациями для комплектации дисковых борон, лущильников и плугов. В то же время ведущими западными фирмами-производителями дисковых орудий и рабочих органов к ним — «Джон Дир» (США), «Форже де НиО» (Франция), «Ла Пина» (Испания) и др. -изготавливается по 20−35 различных модификаций сферических дисков и это количество постоянно увеличивается. Этот факт свидетельствует о том, что зарубежные фирмы идут по пути совершенствования дисковых рабочих органов в направлении более эффективного применения с точки зрения улучшения агротехнических и энергетических характеристик, исходя из конкретных агрономических требований обработки почвы [65].

Сопоставление химического состава и твердости, а также данных по обработке рабочих органов ведущих зарубежных фирм с аналогичными их показателями отечественного производства (по ГОСТ 198–75) показывает, что рабочие органы, выпускаемые фирмами США, Англии, Франции, ФРГ значительно превосходят их отечественные аналоги по прочности и имеют на 20−30% выше износостойкость.

Очевидно, выход следует искать в применении износостойкости твердых композиционных сплавов, для упрочнения деталей почвообрабатывающей с/х техники.

Упрочнение деталей — мероприятие технически обоснованное и экономически оправданное. Экономическая сторона работ по упрочнению деталей заключается в увеличении срока службы детали за счет сокращения затрат на новые запасные части. Долговечности многих упрочненных деталей можно улучшить геометрию, повысить твердость и износостойкость рабочих поверхностей, что позволяет увеличить исходный ресурс деталей [56, 68].

При взаимодействии массы зерен абразива с поверхностью изнашивание металлов носит в основном многоцикловой характер, что наблюдается даже в таких тяжелых условиях работы, как взаимодействие рабочих органов строительной техники с грунтом.

Стойкость абразивному изнашиванию зависит также от состава и структуры поверхностных слоев металлов. Оптимальная износостойкость структуры достигается при высоком сопротивлении материала сжатию, сдвигу, значительной силе молекулярно-механического сцепления структурных составляющих, сочетанию твердости и вязкости при отсутствии хрупкостивысокой теплопроводностипри небольшом различии температурных коэффициентов расширения фаз, высокой насыщенности и равномерности микрораспределения легирующих элементов, устойчивости против коррозии.

Таким образом, рабочие органы почвообрабатывающих машин выходят из строя вследствие абразивного изнашивания, интенсивность которого зависит от механического состава почвы, влажности, соотношения твердости абразива и материала изнашиваемой детали, структуры материала рабочей поверхности детали.

В отечественном сельскохозяйственном производстве при эксплуатации с/х орудий возникают серьезные проблемы по надежности рабочих органов.

Они заключаются:

— в низкой стойкости (уменьшении диаметра, затупления лезвия), которая сказывается на качестве обработки;

— в пониженной прочности (поломках, изменениях первоначальной формы и т. д.).

В настоящее время к способам восстановления и упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин, рекомендуемых традиционными литературными источниками, относятся следующие:

— восстановление геометрической формы пластическим деформированием (оттяжка);

— замена режущей части на новую;

— нанесение износостойких твердосплавных материалов.

Для достижения заданной цели необходимо решить следующие задачи: разработать новый метод и оснастку, обеспечивающее восстановление и упрочнение изношенных деталей теоретически обосновать и экспериментально испытать подобный комплексный состав материалов с оптимизацией режимов.

Теоретическое обоснование формирования композиционных составов базируется на разъяснении современной физики металлов, причин их пластичности, прочности и ее увеличения. Данные качества композиционных материалов важны, т.к. работоспособность упрочняющего слоя зависит не только от твердости, но и от способности противостоять ударным и деформирующим нагрузкам. Причиной этому является недостаточная прочность (хрупкость) сверхтвердых компонентов. Композиционные материалы с металлической, более мягкой, а значит эластичной матрицей решают эту проблему прочности композиционного покрытия [31].

Экспериментальная задача заключается в отработке токовых режимов и производительности, обеспечивающих получение высокой микротвердости покрытия, что даст возможность приблизиться к нижнему пределу критерию Кт., что практически может решить проблему высокого ресурса деталей почвообрабатывающей и другой техники.

Важнейшее достоинство упрочнения — низкая металлоемкость. Для упрочнения деталей необходимо в несколько раз меньше металла, чем для изготовления новых.

Одним из путей повышения ресурса техники, снижения расхода запасных частей является внедрение в производство технологии упрочнения с использованием метода электродугового упрочнения с применением ' твердых композиционных порошковых материалов и различных паст.

В первой главе диссертационной работы изложен анализ применяемых в настоящее время способов упрочнения быстроизнашивающихся деталей, а также дано общее описание предлагаемого к разработке способа электродугового упрочнения, его новизны и преимущества.

Выводы:

1. В России особо остро стоит проблема повышения ресурса рабочих органов почвообрабатывающей техники, так как ни один из применяющихся в настоящее время методов упрочнения не решает эту проблему, что приводит к огромным финансовым и трудовым потерям в сфере производства и эксплуатации с/х техники. Это подтверждается следующим: в сельском хозяйстве РФ имеется около 212 тысяч борон и лущильников (4240 тыс. дисков), около 156 тыс. плугов (936 тыс. лемехов), около 188 тыс. культиваторов (3760 тыс. лап культиваторов). Эти рабочие органы и др. имеют низкий ресурс: например, работа без заточки лемехов 8. 10 га, лапы культиваторовежесменно. Такие частые заточки естественно быстро приводят к полному их износу и замене новыми деталями.

2. Анализ литературных источников и информации с с/х предприятий показал, что известные термодиффузионные методы упрочнения (цементация, нитроцементация, азотирование и борирование) сложны, энергоемки, непроизводительны, применяются только в заводских условиях с использованием специального оборудования, глубина упрочнения низкая (азотирование 0,6 мм в течение 40 часов, борирование 0,2 — 0,5 мм в течение 4−5 часов.

3. На практике применяются закалка или наплавочные методы, ТВЧ плазма с использованием стационарного энергоемкого оборудования и дорогостоящих порошковых материалов.

4. Из этого следует вывод, что для заводов-изготовителей почвообрабатывающей техники, для ремонтных заводов, РТП, МТС и фермерских мастерских более целесообразно исследовать и разработать метод упрочнения, который лишен указанных недостатков существующих технологий повышения износостойкости.

5. Известные термодиффузионные методы упрочнения, цементацией и нитроцементацией, используемые на заводах — изготовителях техники и запчастей, не отвечает требованиям к условиям работы деталей в абразивных условиях по причинам недостаточной глубины упрочнения и не обеспечения самозатачивание деталей из-за объемной последующей закалки.

6. Ремонт, основанный на простой замене деталей новыми, не может обеспечить ни качества, ни экономической эффективности. Как показал сделанный нами анализ: заводы, выпускающие запчасти для почвообрабатывающей техники, существенно снизили их качество, а точнее допускаются случаи отправки деталей в реализацию с грубым нарушением технологии, т. е. — без термообработки.

7. Эффективным способом повышения долговечности деталей рабочих органов почвообрабатывающей техники является дискретная наплавка режущей кромки износостойкими самофлюсующимися сплавами, обеспечивающими по твердости условия самозатачивания.

Однако широкому распространению такого метода упрочнения препятствуют высокие общие затраты на дорогие порошковые материалы и газы даже при использовании наиболее рационального газопламенного способа наплавки.

8. Известно, что на практике при использовании наплавки для восстановления и упрочнения быстроизнашивающихся деталей дополнительно упрочнение не используется. При этом ставка делается на высокую износостойкость наплавленного покрытия.

9. Значительное снижение стоимости ремонта деталей рабочих органов техники можно достичь компенсацией износа наплавкой с применением дешевой низколегированной наплавочной проволокой с последующей химико-термической обработкой, например предлагаемым нами скоростным электродуговым методом (ЭДУ) цементации, нитроцементации, бороцементации, сульфоцианирования. Это направление отвечает требованиям новых технологий, доминирующую роль в которых играет фактор ресурсосбережения, который является одним из основных направлений научно-технического прогресса и важнейшей составляющей экономической политики.

10. Подтверждается возможность использования высокотемпера-турных условий создаваемых электрической дугой и графитовыми электродами для термодиссоциации боросодержащих веществ и термодиффузии свободных элементов с образованием боридов БеВ и РеВ2 и карбонитридных включений Ре2 (Ы, С) и Без (Ы, С) и также корунда А12Оз, что обеспечивает высокую твердость упрочненных поверхностей деталей.

11.Разработанный новый метод скоростного электротермодиффу-зионного боронитроалитирования обеспечивает повышение скорости процесса на порядок выше применяющегося в производстве, глубину упрочнения 1,9−2,0 мм, что в 3 раза и больше традиционных методов.

12.Значительное повышение методом ЭДУ твердости до 1055 кгс/мм2 стали 65 Г, недостижимой (кроме борирования) закалочными способами и наплавкой, например сормайтом и другими экономически приемлемыми твердосплавными материалами.

13.Возможность использования для изготовления деталей почвообрабатывающей техники взамен ст.65Г на более дешевые и легко штампуемые, например ст. 45, доводя методом ЭДУ их твердость до 940−920 кгс/мм2 (67 — 68 ЖС).

14.Возможность использования как ручного, так и механизированного способов ЭДУ в стационарных условиях крупных и мелких производств при ремонте и изготовлении новой с/х техники, а также в полевых условиях.

15.Высокая односторонняя твердость упрочненного слоя (65−70 НЯС), обеспечивающая самозатачивание рабочего лезвия детали, позволяет сократить в 4−5 раз время простоя почвообрабатывающей техники для восстановления, замены и затачивания в период сезонного использования.

16.По своим возможностям практического использования ЭДУ в направлении получения различных термодиффузионных структур упрочненного металла при высокой производительности процесса равных ему в настоящее время нет.

17.Лаборато рные испытания показали что износ упрочненных образцов ниже закаленных в 4 — 5 раз.

18. Разработан технологический процесс упрочнения стрельчатых лап культиваторов, дисков борон и лемехов, методом боронитро-алитирования. Определены оптимальные режимы упрочнения: ток, скорость процесса.

Расчетная годовая экономическая эффективность от использования технологии ЭДУ и одного комплекта оборудования на участке составляет при упрочнении лап культиватора — 558 тыс. руб. дисков барон — 4224 тыс. руб.

19. Разработана компьютерная программа оптимизации технологического электротермодиффузионного процесса упрочнения деталей почвообрабатывающей техники.

20.Проведенные сравнительные испытания упрочненных ЭДУ лап культиваторов и других деталей на четырех предприятиях.

Научные труды, публикации и издания.

1. Ю. Л. Рыжих, А. С. Юдников. «Электродуговое скоростное упрочнение деталей землеобробатывающей техники»., М., «МТС»., РИО ГОСНИТИ., 09.2006 г.

2. Н. Н. Литовченко, А. С. Юдников, Ю. Л. Рыжих. «Метод скоростной электродуговой цементации деталей, работающих в условиях абразивного износа»., М., «Труды ГОСНИТИ» том 98., 2006 г.

3. Ю. Л. Рыжих, А. С. Юдников. «Метод скоростной электродуговой цементации деталей»., М. «Техника в сельском хозяйстве», № 1, 2007, с.39−41.

4. Ю. Л. Рыжих, В. В. Коршунов, А. С. Юдников, О. А. Пикало, В. Н. Саковцева. «Методы скоростного электродугового борирования и экзотермического металлоплакирования для упрочнение деталей»., М., «Ремонт, восстановление, модернизация» № 11, 2007, с. 12−16.

5. Ю. Л. Рыжих, В. В. Коршунов, А. С. Юдников, В. Н. Саковцева. «Методы скоростной электродуговой цементации и экзотермического металлоплакирования, при упрочнении и восстановлении деталей»., М., «Ремонт, восстановление, модернизация» № 2., 2008 г.

6. A.C. Юдников, «Скоростное электродуговое борирование эффективный метод упрочнения деталей машин»., М., «МТС», ГОСНИТИ, 2008 г.

7. А. С. Юдников, Ю. Л. Рыжих. «Аппарат для электродугового упрочнения»., Техника в сельском хозяйстве № 2, 2008.

8. А. С. Юдников ВТУ, № 13, 2008.

9. А. С. Юдников, Ю. Л. Рыжих. «Эффективное упрочнение деталей почвообрабатывающей техники — актуальная проблема в сельском хозяйстве»., М., «Труды ГОСНИТИ» том 102., 12.08.2008 г.

10. Соловьев Р. Ю., Литовченко H.H., Юдников A.C., Рыжих Ю. Л. «Диполярный графитовый электрод для металлоплакирования и упрочнения» Заявка № 37 718 от 18.09.07 г.