Особенности изменения физико-механических свойств системы “износостойкая наплавка–основной металл” на примере лезвия лемеха “LEMKEN”

Толық мәтін

Проблема обеспечения высокого ресурса деталей почвообрабатывающих машин, эксплуатирующихся в условиях абразивного изнашивания, даже при наличии современных упрочняющих технологий, не теряет своей значимости [1–5]. При этом особое место в плане повышения стойкости к абразивному изнашиванию занимают подрезающие элементы плугов (цельнометаллические лемеха и ножи составных лемехов) в силу их высокой нагруженности со стороны почвенной среды [6–10]. Классическим методом повышения износостойкости лезвийной части этих деталей является наплавка тыльной стороны абразивостойким сплавом [11–13]. Такая технология применяется при изготовлении лемехов как отечественного, так и зарубежного производства [14–16]. Большинство зарубежных компаний, как правило, избегает подобного вида упрочнения, предпочитая проводить термоупрочняющую обработку всей детали. Между тем известная компания “LEMKEN” (ведущий международный производитель почвообрабатывающей техники) считает целесообразным, наряду с термоупрочнением, дополнительно проводить наплавку тыльной стороны лезвийной области абразивостойким материалом (рис. 1а). При этом лемеха́ данного производителя отличаются повышенным ресурсом [17–19]. Однако даже сравнительно высокий ресурс не исключает необходимость проведениянаучно-исследовательских и прикладных работ, направленных на повышение долговечности подобных изделий путем их восстановления с одновременным упрочнением.

 

Рис. 1. Фрагменты ножа: (а) – тыльная сторона с абразивостойкой наплавкой; (б) – трещины в наплавленном металле; 1 – наплавленный слой; 2 – трещины; 3 – металл ножа.

 

В свою очередь разработка технологий реставрации требует знаний физико-механических свойств как основного и наплавленного металлов, так и участков зоны термического влияния, которые в большинстве случаев оцениваются пробой на твердость [20, 21]. К сожалению, такие сведения в известных источниках отсутствуют по причине закрытости технологической информации.

Целью исследования является изучение и анализ распределения твердости по поверхности сечения “наплавленный металл–основной металл” ножа составного лемеха плуга “LEMKEN”.

Методика исследований. Для проведения эксперимента использовались образцы с габаритами 50×50 мм, вырезанные из ножей составных плугов производства компании “LEMKEN” (рис. 2) наплавленных с тыльной стороны. После проведения механической обработки, при подготовке поверхностей к исследованиям, их толщина составляла: в области наплавки 6 мм; в области основного металла – 4 мм. Вырезание элементов производилось с обильным охлаждением для исключения влияния теплоты резания на изменение свойств опытных образцов.

 

Рис. 2. Натурный образец для испытаний: 1 – наплавленная область; 2 – основной металл.

 

Твердость определяли по Роквеллу (HRC) в соответствии со схемой (рис. 3). Выбор метода измерения диктовался наличием термоупрочняющей обработки и наплавленного противоабразивного слоя высокой твердости. Стрелкой показан вектор измерения твердости. Для полноты картины влияния процесса наплавки на характер изменения HRC в сечении области наплавки она контролировалась с двух сторон образца.

 

Рис. 3. Схема контроля твердости.

 

Каждая точка при построении эпюры распределения HRC по длине L образца является средним значением из шести измерений.

Результаты экспериментов и обсуждение. Исходя из конфигураций эпюр распределения HRC в сечении на обеих сторонах образца “наплавленный металл–основной металл” прослеживаются пять четко выраженных участков (рис. 4, 5): I – наплавленный металл (МВ); II – зона сплавления (ЗС); III – околошовная зона (ОШЗ); IV – зона термического влияния (ЗТВ); V – основной металл (ОМ).

 

Рис. 4. Эпюра распределения твердости тыльной стороны (с наплавкой).

 

Рис. 5. Эпюра распределения твердости рабочей стороны (без наплавки).

 

Для анализа характера изменения “HRC–L” введем ряд оценочных параметров:

– абсолютные: HRC_нi и HRC_рi – твердость отдельных участков, измеренная с наплавленной и рабочей сторон соответственно (H_i и P_i – указывают сторону, на которой оценивается параметр; H_i – наплавленная, P_i –рабочая); l_нi и l_рi – длина отдельных участков;

– условные: Δ_нi и Δ_рi – отношение твердости области металла валиков HRC_мв к минимальной твердости зоны сплавления HRC_зс (параметр характеризует степень падения твердости); скорость изменения HRC (v_i) в зоне термического влияния наплавленной и рабочей сторон. При этом символiпоказывает, к какой зоне наплавленной области относится числовое значение параметра.

В отношении υ_i нужно дать некоторые пояснения. Параметры v_Hi и v_Pi отражают скорость падения HRC при переходе от металла валика к зоне сплавления. В свою очередь, vʹ_нi и vʹ_рi характеризуют скорость нарастания твердости при переходе от зоны сплавления к основному металлу.

Скорость падения твердости в ЗТВ может служить косвенной характеристикой напряженного состояния и фазовых превращений, происходящих в ней. Этот параметр определяется отношением разности между HRC_мв металла валика и минимальным значением HRC_зс зоны сплавления (m_i = HRC_мв – HRC_зс) к длине части ЗС (k_н, k_р), где происходит изменения твердости.

Скорость нарастания твердостив ЗТВ также может служить таким параметром. Он определяется как отношение разности между HRC_ом и минимальной HRC_зс к расстоянию (kʹ_н, kʹ_р) от минимального HRC_зс до границы зоны термического влияния с металлом валика.

По данным измерений k_н = 2 мм; k_р = 2 мм; kʹ_н = 10 мм; kʹ_р = 9 мм. Полученные данные сведены в табл. 1 и 2.

 

Таблица 1. Абсолютные оценочные показатели

Участок	HRCнi	HRCрi	lнi, мм	lрi, мм
I–МВ	60	50	–	–
II – ЗС	35–42	40–44	4.2	4.6
III – ОШЗ	42–46	44–46	3.0	2.7
IV – ЗТВ	–	–	11.5	11.9
V – ОМ	48	47	–	–

 

Таблица 2. Относительные оценочные показатели

Участок	Δнi	Δpi	vн	vр	vʹн	vʹр
Зона сплавления	1.7	1.2	12.5	6.6	1.3	0.8

 

Рассмотрим эпюру твердости стороны детали с абразивостойкой наплавкой (рис. 4, табл. 1).

Твердость наплавленного металла составляет 60HRC, что указывает на высокую абразивостойкость [22, 23]. При этом образующийся в зоне сплавления сплав имеет твердость от 35 до 42 HRC. Столь резкое снижение HRC обусловлено, по-видимому, не только структурными и фазовыми превращениями, но и наличием растягивающих напряжений σ_р достаточно высокого уровня, приводящих к деформации металла на этом участке. Присутствие σ_р значительной величины подтверждается наличием трещин в наплавленном металле (рис. 1б). Образование и развитие микротрещин в этом случае возможно и на структурном уровне. Последующий рост HRC (околошовная зона) связан с понижением степени переохлаждения металла данного участка и как следствие, уменьшением уровня растягивающих напряжений (кристаллизация и затвердевание металла происходит с относительно невысокой скоростью). Кроме того, происходит формирование структуры близкой к структуре основного металла. Твердость основного металла (48HRC) соответствует твердости ножа лемеха в исходном состоянии.

Необходимо особо отметить, что тепловые процессы и фазовые превращения, имеющие место при проведении наплавки, оказывают влияние и на противоположную сторону ножа, где наплавленный металл отсутствует, что является нехарактерным явлением для данного технологического воздействия (рис. 5, табл. 1). Такое влияние выражается неравномерным распределением твердости в сечении образца. При этом конфигурация эпюры “HRC–L” схожа с формой эпюры, построенной для стороны с наличием наплавки (рис. 4 и 5). Следует полагать, что влияние тепловых полей, в этом случае, фактически симметрично распространяется на обратную от наплавки сторону. Между тем, исходя из числовых значений твердостей, это воздействие существенно меньше.

Так, HRC в области наплавленного металла составляет 50 единиц, что несколько выше твердости основного металла (HRC47). По-видимому, в этом случае сказывается фактор термоупрочнения, хотя и незначительно. Зона сплавления характеризуется некоторым увеличением показателей твердости по сравнению с аналогичным участком наплавленной части – 40–44 HRC против 35–42 HRC. Металл околошовной зоны имеет такую же твердость, что и металл ОШЗ наплавленной стороны, указывая тем самым наподобие температурных воздействий для обеих сторон (табл. 1).

Как следует из полученных значений, твердость основного металла одинакова на обеих сторонах. Различие в одну единицу укладывается в допускаемую ошибку измерений.

Измерение (l_нi и l_рi) изучаемых зон области наплавки позволяют констатировать, что их числовые значения примерно одинаковы для обеих сторон. Это еще раз подтверждает выдвинутое предположение о симметричном распределении температурных полей в поперечном сечении опытных образцов при проведении наплавки.

Таким образом, температурное воздействие при наплавке оказывает заметное влияние на механические свойства металла стороны, обратной от стороны с твердой наплавкой. При этом характер такого воздействия в сечении для обеих сторон, в большой степени, одинаков.

Рассмотрение абсолютных показателей, хотя и позволяет сделать определенные выводы, но не дает полной оценки явлений, происходящих в ЗТВ. Поэтому был проведен анализ эпюр “HRC–L” с использованием вновь введенных условных параметров (табл. 2), а также еще раз отмечено, что все расчеты условных показателей проводятся относительного минимального значения твердости в зоне сплавления.

В соответствии с данными, приведенными в табл. 2, степень падения твердости в зоне сплавления со стороны с наплавкой Δ_нi составляет 1.7 и превышает аналогичный параметр со стороны без наплавки в 1.4 раза. Это дает основание сделать предположение о более высоком уровне остаточных напряжений в зоне термического влияния наплавленной области.

Однако сделанное выше предположение требует подтверждения, т. к. на степень напряженного состояния локальных участков при сварке и наплавке существенное влияние будет оказывать ширина данных участков. Для того чтобы учесть ее влияние и был введен параметр, характеризующий скорость падения твердости и нарастания HRC в зоне термического влияния v_i.

Результаты анализа табл. 2 показывают, что v_i в зоне сплавления области наплавки фактически в 2 раза превышают такую же характеристику обратной стороны. Данное обстоятельство подтверждает, высказанное ранее мнение о достаточно высоком уровне остаточных напряжений в области наплавки и сравнительно не высоком их уровне на обратной стороне.

В свою очередь, скорость нарастания твердости области наплавки в десять раз меньше скорости ее падения (табл. 2). В то же время v_i больше vʹ_р в 8 раз. Это указывает на сравнительно невысокую скорость прохождения металлургических процессовпри остывании опытных образцов, которая обеспечивает снижение уровня σ_р.

Выводы. 1. Температурное воздействие при наплавке оказывает большое влияние на физико-механические свойства металла стороны, обратной от стороны с твердой наплавкой. При этом характер такого воздействия в сечении для обеих сторон в большой степени одинаков. 2. Эпюры твердости наплавленной стороны и стороны без наплавки по своей форме идентичны, однако отличаются величиной твердости. Кроме того, эти эпюры имеют зоны, характерные для большинства видов наплавок. 3. Введены критерии, характеризующие степень падения твердости и скорости ее изменения в зонетермического влияния, а также показано, что уровень остаточных напряжений наплавленной области значительно выше такого же уровня на обратной стороне.

Финансирование. Данная работа финансировалась за счет средств бюджета в рамках FFGU-2024-0024 по результатам исследований, выполненных с использованием оборудования ЦКП ИМАШ РАН. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Авторлар туралы

А. Михальченков

Брянский государственный аграрный университет

Email: kravchenko-in71@yandex.ru
Ресей, Брянская обл., Выгоничский р-н, с. Кокино

И. Кравченко

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: kravchenko-in71@yandex.ru
Ресей, Москва

С. Сычёв

Брянский государственный аграрный университет

Email: kravchenko-in71@yandex.ru
Ресей, Брянская обл., Выгоничский р-н, с. Кокино

И. Козарез

Брянский государственный аграрный университет

Email: kravchenko-in71@yandex.ru
Ресей, Брянская обл., Выгоничский р-н, с. Кокино

А. Аноприенко

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

Email: kravchenko-in71@yandex.ru
Ресей, Москва

О. Бармина

Институт машиноведения им. А. А. Благонравова РАН

Email: kravchenko-in71@yandex.ru
Ресей, Москва

С. Феськов

Брянский государственный аграрный университет

Email: kravchenko-in71@yandex.ru
Ресей, Брянская обл., Выгоничский р-н, с. Кокино

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар