Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Условия эффективного упрочнения низколегированных сталей карбидами при цементации (обзор литературных данных) 7
1.1. Цементит и его влияние на свойства сплавов железа 7
1.2. Влияние легирующих элементов на образование карбидов в стали при цементации 13
1.3. Науглероживающая способность карбюризаторов 16
1.4. Выводы 23
Глава 2 Анализ влияния хрома и марганца на образование цементита в аустените при цементации (термодинамические и кинетические расчеты) 25
2.1. Термодинамика карбидообразования в аустените при цементации хромистых и марганцовистых сталей 25
2.2. Кинетика роста карбидных частиц в аустенитнои матрице при цементации хромистых сталей 34
2.3. Механизм и кинетика карбидообразования на поверхности марганцовистой стали при цементации 40
2.4. Выводы 45
Глава 3. Оборудование и методика исследования упрочнения стали карбидами при цементации 47
3.1. Выбор сталей для исследования. технология изготовления и упрочнения образцов 47
3.2. Методика определения состава, структуры и свойств цементованных слоев 51
3.3. Определение износостойкости и ударной вязкости цементованных образцов 53
3.4. Математическое планирование эксперимента и обработка экспериментальных данных 54
Глава 4. Экспериментальное исследование упрочнения стали карбидами при цементации 59
4.1. Выбор оптимальной науглероживающей среды для насыщения карбидами низколегированных сталей 59
4.2. Влияние температуры и длительности цементации на содержание карбидов в цементованном слое 64
4.3. Влияние содержания карбидов в цементованных слоях на их износостойкость и ударную вязкость 71
4.4. Влияние режимов термообработки после цементации на свойства диффузионных карбидосодержащих слоев 78
4.5. Упрочнение сегментов режущих аппаратов уборочных машин карбидами при цементации 86
4.6. Выводы 98
Общие выводы 99
Список литературы 101
Приложения 112
- Науглероживающая способность карбюризаторов
- Кинетика роста карбидных частиц в аустенитнои матрице при цементации хромистых сталей
- Выбор сталей для исследования. технология изготовления и упрочнения образцов
- Упрочнение сегментов режущих аппаратов уборочных машин карбидами при цементации
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время, в связи с низкой износостойко-тью, в больших количествах расходуются ножи и другие инструменты, приме-іяемьіс для резания органических материалов (измельчения сельхозпродуктов іа перерабатывающих предприятиях, резания оберточной бумаги в кондитер-ком производстве, кошения многолетних трав и зерновых культур косилками, катками, комбайнами). Большинство этих режущих инструментов изготовляют п низколегированных и углеродистых сталей. Повышение их износостойкости имико-термической обработкой (ХТО) - борированием, азотированием, диффузионным хромированием, значительно повышающими твердость диффузи-шных слоев, - при ремонте оборудования указанных отраслей не используется і связи с нетехнологичностью этих процессов.
Широко применяемая во всех отраслях промышленности обычная цемен-ация (науглероживание до 0,8-1,0% С) повышает износостойкость лишь до фовня стойкости эвтектоидных сталей, что для режущих инструментов эффек-ивиым признать нельзя. В Курском политехническом институте (кафедра тех-юлогии металлов и материаловедения) в свое время исследовано насыщение ;арбпдамн диффузионных слоев при цементации средне- и высоколегированных сталей, содержащих более 1,5% Сг. В сталях ШХ15, ХВГ и др. при цемен-ации в высокодисперсном карбюризаторе было получено содержание карби-юв (цементита) в диффузионном слое до 80-90% по объему на глубине до ),2 мм и более. При таком высоком содержании цементита в поверхностном :лое, как показали исследования в этой работе, высокая износостойкость обес-ісчнвается и без закалки, а в случае применения закалки, можно значительно ювисип. температуру отпуска без ущерба для износостойкости.
Однако в пищевой промышленности и других отраслях, где широко применяется резание органических материалов, для режущих органов применяют, ;ак уже отмечалось, в основном низколегированные стали, содержащие не бо-icc 1% хрома. Возможность цементации этих сталей с получением в них диффузионных слоев с высоким содержанием карбидов (зернистого цементита) не юследовалась. Тема диссертации, основу которой составляет разработка оптимальной технологии цементации низколегированных сталей, обеспечивающей юзможиость получения в диффузионных слоях высокого содержания карбн-joa, соответствующего чугунам, как видно из вышеизложенного, актуальна.
Целью работы является разработка технологии цементации, которая па зволяла бы науглероживать низколегированные стали до составов чутунов і получать при этом структуру диффузионных слоев, состоящую из избыточны зернистых карбидов, изолированных друг от друга ферритной матрицей, і твердостью не ниже, чем у белых чутунов.
Для выполнения поставленной в диссертации цели решались следующи задачи:
1. Исследование термодинамики и кинетики образования карбидов в ау стените при цементации низколегированной стали, результатом которого билі бы определение минимального содержания хрома и марганца в стали, пригод ной к диффузионной карбидизации.
І. Разработка высокоактивного карбюризатора для упрочнения пизколе гированных сталей избыточной карбидное фазой при цементации, пригодной как для индивидуального, так и для массового производства.
-
Исследование влияния температуры и длительности цементации на со держание цементита в поверхностной зоне диффузионного слоя.
-
Выбор оптимальных температурных режимов закалки и отпуска ста лей, упрочненных карбидами при цементации.
-
Испытание служебных свойств режущих органов сельхозмашин, уп рочненных карбидами при цементации.
Научная новизна. Исследованы термодинамические условия и кинетик цементации низколегированных сталей с науглероживанием последних до со ставов эвтектических чутунов, структура которых состоит из зернистого цемеи тита и ферритной матрицы.
-1. Термодинамические расчеты, позволившие оценить возможность полу чения зернистого цементита при цементации низколегированных хромомарган цевых сталей, выполнены несмотря на отсутствие справочных данных о влия нии легирующих элементов на термодинамические функции аустенита и цс ментита Для расчетов использованы сведения из периодической литературы влиянии хрома и марганца на положение линии ES диаграммы состояния Fc Fe3C, которые позволили рассчитать энергию Гиббса образования легировш ных фаз (аустенита и цементита) и ее изменение при цементации. Расчеты, вь полненные с переводом концентраций компонентов сталей в термодшюмичс скую активность, показали, что марганец примерно в одинаковой степени сте билизнрует и цементит и аустенит, чем и объясняется отсутствие его влиянн на изменение энергии Гиббса при цементации и получение зернистого цема
гита в цементованном слое. Хром увеличивает отрицательную веліптгу изме-іения энергии Гиббса аустенита примерно в такой же степени, как и марганец даже несколько слабее), в то же время в ~2,5 раза интенсивнее, чем марганец, увеличивает отрицательную величину энергии Гиббса цементита, что и приво-щт к значительному возрастанию термодинамического стимула j( распаду пе->ссыщсш1ого углеродом аустенита на равновесную аустеннтно-цементитную :месь при цементации.
2. На основе кинетических расчетов исследовано влияние хрома на раз-
.!ср зерен цементита, образующихся в диффузионном слое при науглерожива-
ши хромистых сталей. Увеличение концентрации хрома в стали от 1 до 3%
уменьшает размер зерен цементита в диффузионном слое в -3 раза за счет
уменьшения коэффициента диффузии углерода и степени пересыщения аусте-
шта углеродом (уменьшения термодинамической активности углерода).
В литературе не имеется сведений о скорости зарождения и роста карби-10В в процессе цементации стали при температурах выше Aj, однако приведен шалт выделения вторичного цементита из аустенита заэвтектоидной стали, ісрсохлаждсиной до температур карбидно-аустенитной области (между Aj и \і). В диссертационной работе для анализа роста частиц цементита в диффузионном слое при цементации использовано приведенное в литературе решение зторого уравнения Фика.
3. Исследованы механизм и кинетика формирования карбидной корочки
m поверхности марганцовистой стали при цементации в высокоактивном (кар-
5онатно-саже-газовом) карбюризаторе. Проанализирована система уравнений
зерсноса вещества в слое продукта реакции с учетом стефановского потока
[диффузии углерода из науглероживающей среды в металл и обратного потока
ноиов железа из зоны твердого раствора оксидов МпО и FeO в зону реакции с
углеродом). Для расчетов кинетики карбидообразования использовано приве-
исішое в литературе решение этой системы уравнений. Рассчитана толщина
карбидной корочки и перемещение внутренней и наружной границ корочки
:равнитсл1>ио большой толщины (2-4 мкм, что подтверждено эксперименталь
но) свидетельствует о наличии в легированном марганцем карбиде железа
(Fc,Mii)3C достаточно большой области гомогенности, в отличие от нелег'нро-
вапного карбида FejC, который гомогенностью, как известно, не обладает.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ней предложена технология химико-термического упрочнения низколегированных сталей массового применения 50ХГ, 50ХФ и 50ХГФ карбидами, обеспечивающего само-
затачивание режущих инструментов при обработке органических материалов и заключающегося в насыщении их цементитом с последующей термической обработкой - закалкой со средним отпуском.
Апробация работы. Основные положения диссертации и ее отдельные результаты были доложены и получили положительные оценки на Российской научно-технической конференции "Материалы и упрочняющие технологии -94", г.Курск -1994г.; на Российской научно-практической конференции "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", г.Курск -1995г.; на международной технической конференции "Медико-экологические информационные технологии", г.Курск -1998г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений Работа выполнена на 125 страницах, из них текста 111 страниц, содержит 30 рисунков, 7 таблиц. Список использованной литературы включает 117 источников.
Науглероживающая способность карбюризаторов
Анализу науглероживающей способности карбюризаторов посвящено большое количество работ, однако в них исследовалась в основном обычная цементация - науглероживание конструкционных сталей до 0,8-1,0%С. Карбюризаторы же для более высокого науглероживания, вплоть до получения в диффузионных слоях 80-90% цементита, изучались лишь в отдельных работах [1,2].
Ниже рассматриваются известные газовые и твердые карбюризаторы с точки зрения возможности их использования для диффузионной карбидиза-ции, т.е. науглероживания сталей до составов чугунов.
Газовые карбюризаторы
Газовую цементацию проводят в настоящее время в эндотермической атмосфере (20%СО, 40%Н2, 40%N2) с добавкой до 5% природного газа (СН4) или в экзо-эндогазе (20%СО, 20%Н2, 60%N2) с добавкой 0,5-5% СН4. Основой таких атмосфер является эндогаз. Однако он имеет низкий углеродный потенциал (0,2-0,4%С). Добавка природного газа до 5% позволяет регулировать их углеродный потенциал в требуемых пределах (0,8-1,0%С для обычной цементации).
Согласно [61,62], процесс цементации в этих атмосферах лимитируется реакциями на поверхности стали:
2CO C02+C(Fe), (1.1)
CH4« 2H2+C(Fe), (1.2)
СО+H2 H20+C(Fe), (1.3)
Причем, скорость науглероживания при температурах 850-1000С определяется реакцией (1.3). В работах [63,64] сообщается, что, по ориентировочной оценке вклада реакций (І.І)-(І.З) в общий поток углерода, вклад реакции (1.3) составляет 97,7%, вклад реакций (1.1) и (1.2) - 0,9 и 1,4% соответственно.
Протекание реакции (1.1) вправо сопровождается выделением тепла и уменьшением объема газа. При этом повышение температуры и понижение давления в печи смещают эту реакцию в сторону образования СО. Равновесное содержание окиси углерода в системе СО-С02 с понижением температуры резко падает. Если при 900С содержание СО составляет -97%, то при 700С равновесная смесь СО-С02 имеет состав 60%СО+40%СО2 [65].
Система СО-С02 обладает очень слабой науглероживающей способностью из-за того, что адсорбционный слой на поверхности стали и газовая среда в непосредственной близости от поверхности обогащаются двуокисью углерода, имеющей повышенную склонность к адсорбции по сравнению с окисью углерода. Достаточно присутствия в системе СО-С02 нескольких процентов СОг, чтобы заметно снизить ее углеродный потенциал (равновесную для данной газовой среды концентрацию углерода на поверхности стали). Например, наличие при 930С 10% С02 снижает углеродный потенциал с 1,2 до 0,4%С [66]. Поэтому науглероживание в среде СО-С02 сильно зависит от скорости отвода образующейся С02 от поверхности, в связи с чем большое значение имеет скорость подачи газового карбюризатора и, особенно, интенсивность принудительной циркуляции. По данным [66], увеличение скорости подачи сухого СО с 7,06 до 28,65 л/ч приводит к повышению содержания углерода в цементованном слое технически чистого железа с 0,6 до 1,2%.
Совершенно иначе ведет себя система СН4-Н2. В отличие от реакции распада окиси углерода реакция разложения метана (1.2) сопровождается уменьшением тепла и увеличением объема газа. Поэтому повышение температуры и понижение давления благоприятствуют разложению метана. По данным [67] соотношение между количеством углерода, которое может выделиться из одного моля СН4 и одного моля СО увеличивается в интервале температур 800-1000С примерно с 8 до 400.
Водород, выделяющийся в результате реакции (1.2) на поверхности стали, обладает меньшей склонностью к адсорбции, чем метан, и практически почти не влияет на скорость реакции, поэтому для системы СН4-Н2 циркуляция газа в печном пространстве не имеет такого большого значения как для системы СО-С02. Однако в случае применения СН4 замедление науглероживания стали происходит по другой причине: углерод выделяется в результате реакции (1.2) на поверхности стали в таком количестве, которое не усваивается сталью и осаждается на ней в виде сажи и графита, уменьшая каталитическое действие железа.
При наличии графита соотношения, определяющие науглероживание в системе СН4-Н2, сдвигаются таким образом, что газовая среда, которая в присутствии аморфного угля действовала при определенной температуре как науглероживающая, может оказывать обезуглероживающее действие [68].
Поэтому осаждение графитизированной сажи не только способно ослабить науглероживающее действие газа и привести к неравномерной цементации, но при определенных условиях может вызвать даже обезуглероживание.
Подобно метану действуют и другие углеводороды, в том числе жидкие смеси углеводородов (керосин, бензол, пиробензол), подаваемые в печь в виде капель или в распыленном состоянии.
При газовой цементации углеродный потенциал атмосферы, основу которой составляет эндотермический или экзо-эндотермический газ, регулируется влажностью, с которой связан термодинамическими зависимостями. В работе [69] показано, что с увеличением углеродного потенциала этой атмосферы скорость науглероживания при исследованных температурах цементации (800-950С, [69]) уменьшается.
Подобная зависимость связана с реакцией водяного газа. По последним представлениям, реакция (1.3) протекает в результате взаимосвязи данной реакции и реакции водяного газа
Кинетика роста карбидных частиц в аустенитнои матрице при цементации хромистых сталей
Цементация сталей, легированных хромом, может сопровождаться, как показали термодинамические расчеты и эксперименты (п.п. 2.1, 4.1, 4.2; [73]), образованием в диффузионном слое изолированных друг от друга зерен цементита. Ниже анализируется рост частиц цементита в аустенитной матрице при науглероживании у-железа, легированного 1-3% хрома.
Предполагается, что в соответствии с классической теорией превращений в металлах и сплавах [95,96], скорость роста только что образовавшейся карбидной частицы в аустените контролируется вначале процессами на межфазной границе. После того, как доминирующим фактором становится диффузия в прилегающем к карбиду поле матрицы, частица растет со скоростью, с которой протекает диффузия.
Если учесть, что в твердых растворах диффузия элементов внедрения протекает со скоростью, на несколько порядков превышающей скорость диффузии элементов замещения, можно при анализе роста карбидных частиц принимать во внимание наличие в легированном аустените только диффузии углерода. Для этого случая применимо без существенных ограничений обычное математическое описание диффузии одного компонента, вытекающее из первого и второго уравнений Фика. В частности, для описания роста частиц цементита применимо уравнение [97]
Для тоф, чтобы решить уравнение (2.11) и найти распределение углерода в аустените вокруг карбидной частицы, необходимо задать дополнительные (граничные) условия. Когда рост целиком контролируется диффузией, можно допустить, что в области аустенита, непосредственно прилегающей к растущей карбидной частице, концентрация углерода постоянная и соответствует равновесной концентрации на диаграмме состояния. Граничное условие, наложенное на решение уравнения (2.11), можно записать поэтому в виде
В литературе не имеется сведений о зарождении и росте зернистого цементита в процессе науглероживания аустенита при температурах выше Аз. В работе [97] проанализировано выделение вторичного цементита из аустенита заэвтектоидной стали, переохлажденной от температуры, превышающей А3, до температуры карбидно-аустенитной области (между А3 и Ai). Исходя из условия сохранения начального состава аустенита вдали от центра карбидной частицы (С"ач), в работе [97] получено следующее решение второго уравнения Фика
Приведенные уравнения можно использовать для определения размера (р) карбидной частицы в аустените, переохлажденном, как уже отмечалось, в карбидно-аустенитную область (между А3 и Аі). В этом случае значения концентраций углерода С"ач, С ав, Ск определяются из псевдобинарных диаграмм состояния "легированное железо - углерод". В случае же получения карбидно-аустенитной смеси не переохлаждением, а цементацией исходного аустенита при постоянной температуре, концентрация углерода в пересыщенном аустените неизвестна, и определить ее экспериментально пока невозможно. Поэтому без экспериментального определения одной из характеристик (3, р, С"ач), входящих в уравнения (2.14)-(2.17), не может быть использовано и уравнение (2.14) для расчета концентрационных кривых углерода в аустените вокруг карбидных частиц, образующихся в процессе цементации.
В настоящей работе количественным микроструктурным анализом определяли средний радиус р карбидных частиц в карбидно-аустенитной зоне, образовавшихся при цементации, затем по уравнению (2.16) рассчитывали коэффициент (3, а по уравнению (2.17) - С"ач. Коэффициент диффузии углерода D в аустените, легированном хромом, для подстановки в уравнение (2.16) взят из работ [98-100].
Полученные значения р, Cv и (3 приведены в табл. 2.1, из которой видно, что (3 оказался намного меньше единицы; таким образом оправдывается подстановка экспериментальных значений р в уравнение (2.16). Как видно из таблицы, хром существенно задерживает диффузионный рост карбидов. Увеличение содержания хрома от 1,5 до 3 ат% уменьшает средний радиус карбидных частиц примерно в 2,5 раза (от 8 до 3,3 мкм).
Подставив полученные значения D, 3 и С , а также известные из литературы значения С?ав (из псевдобинарных диаграмм состояния "хромистое железо - углерод" [85-93]) в уравнение (2.14), получили машинным расчетом кривые C(r,t). Полученные кривые для аустенита с -1,5 и -3,0% Сг приведены на рис. 2.5, из которого видно, что пересыщение аустенита углеродом составляет (после цементации при 920С в течение 10 ч) не более 0,01% С, при этом длина диффузионного поля вокруг цементитной частицы не превышает 3 мкм. С увеличением содержания хрома в аустените до 3% несколько замедляется рост карбидов, так как уменьшаются: коэффициент диффузии, длина диффузионного поля и степень пересыщения последнего углеродом.
Из приведенных экспериментальных и расчетных данных, таким образом, следует, что пока расстояние между соседними карбидными частицами превышает двойную длину диффузионного поля (в приведенных условиях 6мкм), влиянием частиц на кинетику их роста можно пренебречь. Взаимное влияние карбидных частиц становится существенным лишь после того, как диффузионные поля частиц начинают перекрываться в заметной степени, и имеет место конкуренция растущих карбидов за избыточный углерод в пересыщенном аустените. Это взаимное влияние карбидных зерен приводит к постепенному убыванию скорости их роста вплоть до "мягкого" столкновения (до полного израсходования избыточного углерода в аустенитной матрице).
Выбор сталей для исследования. технология изготовления и упрочнения образцов
При выборе сталей для упрочнения карбидами в процессе цементации учитывалась в первую очередь стоимость их легирования. Независимо от экономических соображений легирование ограничивается и усложнениями технологии обработки стали. В частности, легирующие элементы ухудшают обрабатываемость резанием, усложняют термическую обработку, увеличивая количество остаточного аустенита в структуре, в ряде случаев ухудшают шлифуемость и т.п.
Чем ниже легирована сталь, тем большее применение она имеет во всех отраслях. Наибольшее применение имеют низколегированные стали, содержащие 1%Сг и 1%Мп. Содержание выше 1,5-2,0%Сг приводит к сфероидизированию цементита в диффузионном слое. Сфероидизированная механическая смесь карбидов с твердорастворной матрицей имеет более низкую твердость, износостойкость и прочность [30] по сравнению со смесью фаз сложной формы (удлиненными карбидами).
Содержание углерода в сталях, подлежащих упрочнению карбидами при цементации, выбрано на основе требований к режущим органам, в частности, для кошения трав и злаковых культур, резки бумаги, кожи и т.п. органических материалов, твердость которых, как уже отмечалось, уступает твердости цементита. Соотношение твердостей режущих и обрабатываемых материалов позволяет предположить, что упрочнение цементитом лезвий обеспечит достаточно высокие их режущие свойства применительно к указанным органическим материалам. Режущие лезвия существенно отличаются от других режущих инструментов по требованиям к сталям для их изготовления. Отличие заключается в малой толщине при большой поверхности их режущей части, желательно иметь высокую упругость лезвия при высокой твердости одной из поверхностей (передней или задней) для обеспечения самозатачиваемости лезвия.
Поэтому для исследований выбраны марки низколегированных конструкционных сталей 50ХГА, 50ХФА, 50ХГФА со средним содержанием углерода. Их химический состав приведен в табл. 3.1.
Хром выбран в качестве основного легирующего элемента в сталях для цементации, так как он сильнее других элементов способствует усвоению углерода поверхностью стали и замедляет его диффузию внутрь, в результате чего в хромистых сталях при цементации происходит чрезвычайно сильное науглероживание поверхностного слоя со скоплением в нем частиц цементита, легированного хромом, особенно при низких температурах цементации. По причине повышения хромом прокаливаемости его вводят почти во все легированные конструкционные и инструментальные стали.
Марганец является слабым карбидообразователем, однако он наиболее сильно (за исключением молибдена) повышает прокаливаемость стали и поэтому, в сочетании с хромом, широко применяется в качестве легирующего элемента для получения глубокопрокаливающихся и износостойких сталей.
Марганец вводится в средне- и низколегированные стали в количестве до 0,9-1,2%. Дальнейшее увеличение его содержания усиливает склонность к росту зерна и увеличивает количество остаточного аустенита. Влияние марганца на цементацию при обычных температурах по сравнению с хромом несущественно. Содержание углерода в цементованном слое марганцовистой стали мало отличается от содержания его в нелегированной стали [56].
Ванадий вызывает незначительное снижение глубины цементации, что подтверждается для содержания ванадия до 1,5% меньшей глубиной цементации при температурах 830-850С. Наоборот, согласно [60], для температур 900-1000С ванадий до 0,8% не уменьшает глубины цементации. Особо следует отметить значительную мелкозернистость ванадиевых цементуемых сталей и их малую чувствительность к перегреву. Рекомендуется [60] при введении ванадия одновременно увеличивать содержание углерода, так как ванадий частично его связывает в карбидах. Ванадий настолько уменьшает чувствительность к перегреву, что ванадиевые стали можно закаливать с повышенной температуры - до 920С. Это позволяет закаливать сталь прямо с цементационного нагрева.
Углеродистая сталь У8А выбрана в качестве эталона для испытаний на износостойкость.
Изготовление образцов
Испытание на абразивное изнашивание проводили на цилиндрических образцах диаметром 2 мм, длиной 20 мм. Заготовки диаметром 8 мм после цементации подвергались закалке в масле, обработке холодом при -70С, низкому или среднему отпуску, после чего шлифовались до диаметра 2 мм для удаления науглероженного слоя с боковой (цилиндрической) поверхности и испытывались на изнашивание при трении науглероженного торца по абразивной шкурке под нагрузкой 2Н на машине Х4-Б, предложенной М.М.Хрущовым.
Для определения ударной вязкости образцы вырезали из цементованных пластинок толщиной 2 мм, размерами 20x30 мм. Пластинки разрезали тонким абразивным кругом на брусочки сечением 2x3 мм, длиной 20 мм. При разрезке применялось интенсивное охлаждение зоны резания струей воды, для предотвращения нагрева образцов и изменения структуры, полученной при цементации и термической обработке. Разрезанные брусочки собирали в пакет, прошлифовывали на плоскошлифовальном станке по двум торцам, чтобы обеспечить для всех образцов одинаковый размер, после этого их ломали на специально спроектированном и изготовленном копре с односторонним креплением образцов.
Цементация и закалка образцов
Цементацию проводили в лабораторной вертикальной электропечи сопротивления (рис. 3.1).
Перед загрузкой в печь образцы покрывали слоем пастообразного карбюризатора на основе сажи и карбоната ВаСОз толщиной 2-3 мм, высушивали покрытие, затем упаковывали в вертикальный цилиндрический контейнер вплотную друг к другу, закрывали крышкой, после чего загружали в печь, разогретую до температуры цементации, в которую из бачка подавали через капельницу жидкий карбюризатор (синтин) в количестве 20 кап/мин в течение всего времени цементации. Охлаждение образцов после цементации проводили в нераспакованном контейнере на воздухе.
Последующую термообработку образцов для испытаний на ударную вязкость проводили по тем же температурным режимам, что и образцов для испытаний на абразивное изнашивание. Нагрев образцов под закалку проводили в той же печи, что и цементацию, в контейнерах с засыпкой древесно-угольным карбюризатором. При этом образцы загружали в контейнер для нагрева под закалку связанными проволокой в одну партию, а при закалке всю партию образцов выдергивали проволокой из карбюризатора и погружали в масло.
Упрочнение сегментов режущих аппаратов уборочных машин карбидами при цементации
Для апробирования упрочнения исследованным методом были выбраны режущие сегменты, которые используются в косилках и жатвенных машинах. Эти режущие элементы выпускаются в больших количествах не только для комплектования вновь выпускаемых машин, но и, главным образом, в качестве запчастей.
Косилки и жатвенные машины срезают растения режущим аппаратом, состоящим из сегментов и пальцев. Сегменты (ножи), совершая колебательные движения, срезают растения, попадающие в промежутки между пальцами за один ход ножа. Процесе резания происходит во время прохождения режущей кромки сегмента по кромке противорежущей пластинки пальца.
В косилках и жатвенных машинах применяются четыре типа режущих аппаратов: нормального, среднего и низкого резания, а также аппарат с двойным пробегом сегментов. Режущий аппарат нормального резания применяется в косилках и жатках для кошения зерновых и технических культур, этот аппарат имеет ход сегментов 76,2 мм и может комплектоваться гладкими и насеченными сегментами. Для силосоуборочных и кукурузоуборочных комбайнов используется режущий аппарат с ходом сегментов 90 мм, что позволяет срезать грубые стебли кукурузы и подсолнечника. Сегменты таких режущих аппаратов гладкие.
Режущие аппараты среднего и низкого резания по конструкции отличаются от нормальных тем, что имеют полуторный или двойной ход ножа (сегмент за один ход ножа проходит по двум пальцам) и применяются для специальных уборочных машин. Наконец, для работы на повышенных скоростях используются аппараты с увеличенным (двойным) пробегом сегментов. Величина хода ножа у этих аппаратов 152,4 мм, т.е. в два раза больше, чем у нормальных.
Режущие сегменты (ножи), выпускаемые как отечественной промышленностью, так и зарубежного производства, имеют одну и ту же форму и отличаются только размерами и наличием или отсутствием насечки на режущих частях. Форма сегмента режущего аппарата косилок и уборочных машин представлена на рис. 4.19, а размеры - в табл. 4.2.
Чистое скашивание трав и растений зерновых культур, после которого остается ровная стерня, зависит от подачи и расстановки пальцев режущего аппарата, вида режущих кромок (гладкие или насеченные) и остроты лезвия сегмента.
В полевых условиях трудно сохранить остроту лезвия и плотность прилегания сегмента к противорежущей пластине, эти отклонения компенсируются скоростью резания. Минимальную скорость резания, обеспечивающую чистое скашивание трав, принимают не менее 2,15 м/сек. Вследствие большой толщины и жесткости стеблей скашивание зерновых культур получается чистым при работе с меньшей скоростью -1,5 м/сек.
С увеличением скорости резания стеблей значительно снижаются усилия, необходимые для срезания сельскохозяйственных культур. Изменение усилия резания стеблей в зависимости от скорости резания представлено в табл. 4.3 [117].
Угол заточки сегментов и острота лезвий оказывают значительное влияние на усилие резания. Практикой и исследованиями установлено, что при угле заточки у=19 сравнительно быстро наступает затупление сегмента, первоначальная острота лезвия которого может быть доведена на существующих в настоящее время заточных станках до 25...30 мкм. Для снижения интенсивности изнашивания сегментов применяют заточку с углом 22...23, однако при этом заметно увеличивается усилие среза (см. рис. 4.20). При затуплении сегментов усилие среза растений возрастает еще более интенсивно (см. рис. 4.21). Кроме того, при затуплении лезвия режущего сегмента увеличивается высота среза растений (т.е. потеря урожая).
Стандартные сегменты изготавливаются из стали У8 и подвергаются закалке ТВЧ по лезвиям до достижения твердости 50...55 HRC, иногда, особенно в последнее время, их делают из стали 65Г и подвергают объемной закалке с отпуском примерно до такой же твердости, однако признать такую обработку удовлетворительной нельзя, так как стандартные сегменты довольно быстро тупятся.
Быстрый износ и затупление режущих сегментов вызывает резкое возрастание энергоемкости процессов резания (см. рис. 4.21); завышенные потери сельскохозяйственных культур (от повышения среза растений, недореза и обрыва стеблей); повышенный износ, поломки и выход из строя деталей силовых передач.
Восстановление остроты затупившихся и замена износившихся режущих элементов требует затраты значительного рабочего времени, что в сельском хозяйстве при сжатости агротехнических сроков проведения уборочных работ обходится очень дорого. Кроме того, операция восстановления работоспособности режущего аппарата снижает производительность машины. Ущерб, наносимый низкой износостойкостью режущих элементов, зачастую неизмеримо выше стоимости этих элементов.
Все вышеизложенное подчеркивает исключительную актуальность работ по повышению износостойкости и долговечности режущих элементов. Однако решение этой проблемы связано с преодолением трудностей принципиального характера.
Основные требования, предъявляемые к материалу лезвия режущего элемента, - высокая твердость и достаточно высокая вязкость. Последнее требование обусловлено тем обстоятельством, что снижение режущей способности лезвия происходит не только вследствие его износа, характеризуемого разрушением поверхностного слоя материала лезвия, а также вследствие обламывания тонкой вершины лезвия в результате действия на него изгибающих сил.
Когда к одному объекту предъявляют столь противоположные требования, необходимо искать компромиссное решение. В настоящее время используют такие пути повышения износостойкости режущего лезвийного инструмента, как поверхностная закалка, гальваническое хромирование, наплавка различными материалами, термодиффузионное легирование и др. Многие из этих методов успешно применяются для упрочнения режущих инструментов, но для сегментов режущих аппаратов уборочных машин не подходят либо из-за низкой эффективности, либо из-за чрезвычайной дороговизны, неприемлемой в массовом производстве.
Наиболее радикальное решение проблемы повышения долговечности режущих элементов - достижение самозатачивания лезвий. Самозатачиваемость - это свойство лезвия сохранять в процессе износа первоначальный рациональный профиль, т.е. такие параметры, как острота лезвия и угол заточки. Такое свойство может быть достигнуто, если удовлетворяются условия равного темпа (скорости) изнашивания как сильно нагруженной, так и менее нагруженной части лезвия.
Взаимодействие лезвия с материалом, в котором оно работает, схематично представлено на рис. 4.22. Профиль лезвия в поперечном сечении, как видно на рисунке, имеет две фаски (А и В) и режущую кромку (С). Изменениє профиля в процессе работы лезвия обусловлено характером и скоростью изнашивания каждой из его фасок и режущей кромки.
