Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. цели и задачи исследования .9
1.1 Виды обработки почвы и основные агротехнические требования к ним9
1.2 Анализ конструктивных особенностей плужных лемехов 12
1.3 Способы повышения износостойкости плужных лемехов 20
1.4 Применяемые наплавочные материалы 27
1.5. Анализ способов и средств для испытания плужных лемехов на абразивную износостойкость 31
1.6 Анализ теоретических исследований направленных на расчет сил сопротивления почвообрабатывающих орудий и их рабочих органов 37
2. Теоретические предпосылки повышения ресурса плужных лемехов 42
2.1 Теоретические предпосылки работы лемеха плуга для основной обработки почвы 42
2.2 Теоретическая модель повышения ресурса плужного лемеха 44
2.3 Теоретическое обоснование тягового сопротивления связанного с характером изменением геометрических параметров плужного лемеха 49
2.4 Теоретическая модель сравнительной оценки плужных лемехов 55
3. Программа и методика исследований 67
3.1. Программа экспериментальных исследований 67
3.2. Проведение металлографических исследований
3.3 Исследование твердости образцов 70
3.4 Лабораторные исследования абразивной износостойкости 71
3.4.1. Тензодатчик усилия 74
3.5 Методика проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания 76
3.5. 1 Определение наиболее значимых факторов влияющих на скорость изнашивания 76
3.5.2 Методика проведения многофакторного эксперимента 77
3.6 Методика исследования влияния износа лемехов на глубину вспашки почвы 80
3.7 Методика эксплуатационых испытаний 82
3.8 Методика обработки экспериментальных данных 84
4 Результаты исследований и их анализ 90
4.1 Результаты исследования наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов 90
4.1.1 Результаты исследования микроструктуры наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов 90
4.1.2 Результаты исследования твердости наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов 92
4.1.3 Результаты исследования износостойкости наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов 94
4.2 Результаты исследования плужных лемехов изготовленных серийно и упрочненных различными способами 96
4.2.1 Результаты исследования микроструктуры плужных лемехов изготовленных серийно и упрочненных различными способами 96
4.2.2 Результаты исследования твердости плужных лемехов изготовленных серийно и упрочненных различными способами 100
4.3 Результаты проведения многофакторного эксперимента по определению скорости изнашивания плужных лемехов 105
4.4 Результаты исследования влияния износа лемехов на глубину вспашки почвы 114
4.5 Результаты эксплуатационых испытаний 119
5 Технико-экономическая оценка результатов исследования 124
Общие выводы 128
Литература
- Анализ способов и средств для испытания плужных лемехов на абразивную износостойкость
- Теоретическая модель повышения ресурса плужного лемеха
- Лабораторные исследования абразивной износостойкости
- Результаты исследования твердости наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов
Введение к работе
Актуальность темы. Операции, связанные с обработкой почвы, являются важными и наиболее трудоемкими при производстве сельскохозяйственной продукции. Качество выполнения этих операций зависит от параметров и состояния рабочих органов сельскохозяйственных машин и оборудования. Эксплуатация рабочих органов почвообрабатывающих машин осуществляется в условиях постоянного абразивного и ударно-абразивного изнашивания. Поэтому 70-80 % неисправностей приходится на износ рабочего органа, а остальные 20-30 % - на их деформацию. Ежегодная потребность в рабочих органах в Российской Федерации составляет: в лемехах - 7 млн шт., в полевых досках - 3 млн шт., в отвалах - 2,4 млн шт.
Плужный лемех является одной из наиболее ответственных и быстро изнашиваемых деталей плуга, средняя наработка на отказ которого, в зависимости от видов почв, колеблется от 2 до 20 га. Анализ работ показал, что среди всех способов упрочнения наиболее широкое распространение получила наплавка износостойкими твердыми сплавами. Практически при всех применяемых способах для получения упрочненных покрытий используются износостойкие сплавы или их композиции, имеющие достаточно высокую стоимость. Среди современных способов разработки новых порошковых материалов и износостойких покрытий наиболее перспективным является применение композиций на основе чугуна или отходов этого материала, которые в достаточном количестве образуются после механической обработки отливок деталей. Поэтому создание новых порошков на основе чугуна, с помощью которых сплав упрочняется в зависимости от изнашивающей способности почвы, перспективно и способствует повышению износостойкости рабочих органов почвообрабатывающих машин.
В связи с этим разработка мероприятий, обеспечивающих повышение ресурса плужных лемехов формированием износостойкого покрытия на основе чугуна, представляет практический интерес, а исследования этих вопросов являются актуальными.
Работа выполнялась в рамках реализации государственного контракта с министерством сельского хозяйства Ставропольского края № 23 от 29.08.2006 и № 186 от 07.12.2007 (совместно с Полоцким государственным университетом НАН Республики Беларусь).
Исследование выполнено в соответствии с планами научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» 2010-2015 гг. № 1.4.33 на выполнение НИР по теме «Повышение долговечности машин и оборудования АПК путем их модернизации при ремонте и создания требуемых эксплуатационных свойств рабочих поверхностей деталей, контактирующих с материалом».
Цель исследования - повышение ресурса плужных лемехов наплавкой износостойким порошком на основе чугуна.
Объект исследования - процесс изнашивания плужного лемеха, имеющий износостойкое покрытие на основе чугуна.
Предмет исследования - закономерности протекания процесса изнашивания плужного лемеха, влияющие на его ресурс.
Методы исследования предусматривают использование теории вероятности и надежности, методов математического анализа и системного подхода, обеспечивающих аналитическое описание эффективного использования почвообрабатывающей техники при выполнении технологических процессов; применение стандартных методик стендовых и эксплуатационных испытаний на современном оборудовании, а также методов планирования многофакторного эксперимента и математической статистики для обработки полученных результатов.
Научная новизна. Подход к рассмотрению плуга как сложной системы, низшим элементом которой являются рабочие поверхности лемеха, позволил определить целевое назначение рабочих поверхностей с точки зрения надежности реализации процесса вспашки. Разработана методика оценки эффективности применения различных вариантов лемехов, которая учитывает кратность увеличения ресурса и стоимости лемехов. Предложен наплавочный порошок на основе чугуна для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин.
Практическая значимость работы. Полученный износостойкий наплавочный порошок на основе чугуна может быть использован для упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин, а также для упрочнения других деталей. Предложенные технические решения обеспечивают увеличение ресурса трапецеидального лемеха в 2,5-3 раза по сравнению с серийным.
Реализация результатов исследования. Разработанный наплавочный порошок на основе чугуна принят к использованию в технологическом процессе производства лемехов на предприятии ОАО «Светлоградагромаш» Ставропольского края. Плужные лемеха, наплавленные порошком на основе чугуна и изготовленные серийно, прошли сравнительные испытания в КФХ «Алибеков М. М.» Ставропольского края. Лабораторная установка для испытаний на абразивный износ рабочих органов почвообрабатывающих машин была внедрена в учебный процесс ФГБОУ ВПО СтГАУ факультета механизации сельского хозяйства при проведении лабораторно-практических занятий.
На защиту выносятся следующие положения: новый подход к рассмотрению плуга как сложной системы, низшими элементами которой являются свойства рабочих поверхностей плужного лемеха, оказывающие влияние на его ресурс; методика оценки эффективности использования различных вариантов лемехов, которая учитывает кратность увеличения ресурса и стоимости лемехов; результаты исследования структуры и твердости наплавленных слоев из чугуна с различным содержанием легирующих элементов и относительной износостойкости плужных лемехов, изготовленных серийно и упрочненных разными способами; эксплуатационные исследования ресурса лемехов и влияние их износа на надежность процесса вспашки.
Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на международных специализированных агропромышленных выставках «Агроуниверсал», г. Ставрополь, 2008-2012 гг.; выставках-конкурсах «Инновации года», г. Ставрополь, 2009-2012 гг.; всероссийской научно-производственной конференции «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих инновационных технологий», г. Владикавказ, 2010 г.; VI Российской научно-практической конференции «Физико-технические проблемы создания новых технологий в АПК», г. Ставрополь, 2011 г.; научно-техническом семинаре «Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники», г. Саратов, 2012 г.; научно-практической конференции студентов и магистров аграрных вузов Северо-Кавказского федерального округа, г. Нальчик, 2012 г.
Результаты исследований оценены на всероссийских конкурсах и грантах дипломом победителя программы Министерства образования и науки Российской Федерации «Участник молодежного научно-инновационного конкурса», г. Ставрополь, 2012 г.
Публикации. По результатам исследований было опубликовано 11 печатных работ, в их числе 3 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложений, изложенных на 140 страницах машинописного текста, в том числе 72 рисунка и 7 таблиц. Список используемой литературы включает 102 наименования, в том числе 3 - на иностранных языках. Имеются 13 приложений на 15 страницах.
Анализ способов и средств для испытания плужных лемехов на абразивную износостойкость
Агротехнические требования (АТТ), предъявляемые к обработке почвы характеризуют состояние пахотного слоя, при котором возможно выполнение технологического процесса обработки почвы, и определяют необходимые величины качественных показателей этой обработки [62].
По мнению основоположника земледельческой механики академика В. П. Горячкина, вспашка как наиболее распространенный прием основной обработки почвы является самой важной, самой продолжительной, самой дорогой и самой тяжелой работой. На ее выполнение расходуется до 40 % энергетических и 25 % трудовых затрат [19].
Эффективность выполнения технологического процесса вспашки и затрат ресурсов будут определяться конкретным почвообрабатывающим орудием, т. е. в каком объеме качество работ, выполняемых почвообрабатывающим орудием, соответствует агротехническим требованиям, а также какие при этом будут финансовые затраты. Поэтому вопрос снижения затрат и повышения эффективности технологического процесса в итоге будет сводиться к совершенствованию параметров, формы, материалу, технологии изготовления, стоимости изготовления элементов или деталей почвообрабатывающего орудия. В нашем случае - лемех лемешно-отвального плуга, от которого в основном зависят энергетические и качественные показатели выполнения технологического процесса, т. е. эксплуатационно-технологические показатели работы пахотного агрегата.
Лемех - наиболее сложный, металлоемкий и самый быстроизнашивающийся орган плуга. Основные требования к нему [57]: - срок службы до выбраковки или ремонта не менее сезона; - соблюдение основных агротехнических требований в течение срока службы: хорошая заглубляемость, равномерная глубина вспашки; - обеспечение минимальных энергозатрат при вспашке (минимальное тяговое сопротивление); - технологичный в изготовлении и относительно дешевый. Как показывает практика, большинство из этих требований не выполняется, в результате стали создаваться лемеха различных форм и типов. Геометрическая форма лемеха оказывает большое влияние на тяговое сопротивление плуга. Все это определило необходимость изучения работы лемеха, изыскания новых конструкций, способов предотвращения износа и методов поддержания их работоспособности. Основные типы лемехов представлены на рисунке 1.2. Основные типы лемехов Трапецеидальный Со сменным лезвием Оборотный Долотообразный Со сменным долотом Треугольный С выдвижным долотом Зубчатый Рисунок 1.2 - Виды лемехов Наиболее простым по конструкции является трапецеидальный лемех, лезвие которого параллельно его спинке (рис. 1.3, а.).
Основными достоинствам этого лемеха являются его технологичность и дешевизна конструкции, обусловленные возможностью его изготовления из листового проката. Наиболее существенным недостатком его является быстрая утрата заглубляющей способности и, как следствие, снижение равномерности глубины вспашки, т. е. нарушение одного из главных критериальных показателей его работы.
Трапецеидальный лемех ЛДО-021(рис. 1.3, б.) содержит режущую часть с прямолинейным лезвием, ребро жесткости со стороны нерабочей поверхности, расположенное параллельно лезвию и выполненное по всей его длине. Ширина лемеха увеличивается от пятки к носку. Для увеличения прочности износостойкости лемеха производится местная закалка.
Отличительной особенностью лемеха ЛДО-021 по сравнению с серийным лемехом П-702 является то, что он выполнен трапецеидальным с переменной шириной, имеет ребро жесткости для увеличения прочности и изготовлен из лемешной полосы постоянного профиля. Последнее обстоятельство делает этот лемех более технологичным при изготовлении.
Недостатком его является повышение массы по сравнению с серийным на 0,35 кг и недостаточная прочность и износостойкость в носовой части.
Для увеличения ресурса трапецеидального лемеха были проведены исследования по разработке составного лемеха со сменным лезвием. По замыслу разработчиков [6], конструкция составного лемеха (рис. 1.4) должна была обеспечить увеличение его ресурса за счет изготовления сменной узкой полосы лезвия из износостойкой стали Х12Ф1 и существенную экономию металла вследствие сохранения в качестве незаменяемой основы корпуса лемеха, содержащего около 80 % всего лемешного материала.
Оборотный лемех (рис. 1.4) имеет форму параллелограмма с режущими кромками на его длинных противоположных сторонах и ряд крепежных отверстий, расположенных на одной оси. Лемех имеет и второй ряд крепежных отверстий, расположенных по другой оси. Оси рядов отверстий параллельны друг другу и расположены под острым углом к режущим кромкам так, что расстояние от осей до режущих кромок выполнено увеличивающимся в направлении острых углов параллелограмма. Режущие кромки могут быть выполнены с углами заточки, уменьшающимися в направлении острого угла параллелограмма (а.с. № 93617).
Долотообразный лемех (рис. 1.5, а, б) имеет удлиненный носок в виде долота, благодаря чему он лучше заглубляется и более устойчив в работе. На тыльной стороне лезвия и носка лемех имеет запас металла (магазин), предназначенный для оттяжки металла в зону износа при ремонте. Так как в настоящее время кузнечная оттяжка лемехов не применяется, запас металла выполняет роль ребра жесткости, что обеспечивает лемеху большую прочность на изгиб.
Изготавливается долотообразный лемех из специального лемешного периодического проката в двух исполнениях: П-702 и ПНЧС-702. В связи с тем, что у лемеха ПНЧС-702 увеличено плечо действия изгибающей силы, сосредоточенной на конце носка, с 210 до 230 мм, эти лемехи подвержены более частой выбраковке в процессе эксплуатации из-за изгиба и поломки относительно опасного сечения в зоне первого крепежного отверстия. Материал для их изготовления - сталь Л-53 с местной закалкой и отпуском на твердость 39.. .42 HRC [76].
К недостаткам этих лемехов следует отнести следующее: - носовая часть лемеха имеет недостаточно прочное сечение. Толщина и угол заточки лезвия в носовой части такие же, как и на лезвийной части, поэтому, при вспашке песчаных, супесчаных и легких суглинистых почв лицевая сторона носка интенсивно изнашивается, особенно при наличии каменистых включений, в результате чего лемех имеет ограниченный ресурс даже в случае упрочнения его наплавкой с обратной стороны; - от конца носка до первого крепежного отверстия достаточно большое расстояние, а значит, и большой изгибающий момент испытывает лемех в сечении, проходящем через это отверстие, поэтому при наезде на различные препятствия имеет место деформация и поломка носка. Практический интерес представляет составной долотообразный лемех со сменным долотом (рис. 1.6).
Теоретическая модель повышения ресурса плужного лемеха
Требования к порошкам Наиболее полно указанным требованиям отвечают самофлюсующиеся сплавы. Самофлюсующимися сплавы называются потому, что они могут быть оплавлены в окислительной или нейтральной атмосфере в плотное, беспористое покрытие. Это обеспечивается наличием в их составе компонентов, имеющих высокую величину термодинамического потенциала образования оксида, значительно большую, чем наплавляемый металл. К числу элементов, активно восстанавливающих оксидные пленки на сталях, относятся Н, В, С, Mg, Al, Si, Мп. Наибольшее применение для получения самофлюсующихся порошков получили В, Si, реже Мп. Бор относят к флюсующим элементам потому, что при взаимодействии с кислородными соединениями он ведет себя как активный восстановитель. Большинство оксидов металлов легко вос станавливается бором при высокой температуре. Бор и кремний выполняют роль флюсующих добавок, так как защищают от окисления разогретую наплавляемую поверхность и наплавляемый сплав. В результате взаимодействия с кислородом образуется борный ангидрид В20з- Температура размягчения оксида бора (около 450 С), значительно ниже температур плавления оксидов наплавляемого металла и металла подложки. При флюсовании оксид бора воздействует на оксидную пленку основного металла, первоначально связывая оксиды в комплексы по реакции: МехОу+В2Оз- МехОу-В2Оз
Основой самофлюсующихся сплавов служит никель или железо (табл. 1.2). Для повышения устойчивости к трещинообразованию и улучшения свойств при ударных нагрузках вместо никеля используют кобальт. Ряд сплавов содержат значительное количество меди для повышения антифрикционных свойств покрытия.
В настоящее время наиболее распространены самофлюсующиеся сплавы на никелевой основе. Впервые о таких сплавах заявлено в 1937 году, когда в США была запатентована композиция из сплавов системы Ni-Cr-B-Si (патент США № 2.038.838). Описание технологии наплавки было дано в военные годы в патенте США № 3.361.962, а массовое промышленное применение процессов нанесения твердосплавных покрытий относится к 60-м годам.
Эксплуатационные требования к наплавленному покрытию Основа самофлюсующегося порошка Со № Fe Си Абразивная износостойкость — + + — Износостойкость при трении скольжения + + + — Износостойкость при ударных нагрузках + + — — Антифрикционность — — — + Жаростойкость, жаропрочность + + — — Коррозионная стойкость + + — + Наряду с неоспоримыми преимуществами (высокие технологичность, износостойкость, коррозионная стойкость, жаростойкость) самофлюсующимся порошкам на никелевой основе присущ ряд серьезных недостатков, значительно снижающих эффективность восстановительно-упрочняющей технологии; 1) высокая стоимость, обусловленная применением дорогостоящего металла основы - никеля. 2) низкая трещиностойкость при нанесении покрытий на стальные детали, обусловленная высоким коэффициентом линейного расширения (14,4...16,2)хЮ-6К-1 [32]; 3) нестабильность химического состава, строения и свойств высоколегированных металлических систем, каковыми являются самофлюсующиеся сплавы [32]; 4) высокая чувствительность к технологическим режимам нанесения покрытия. Требуемый комплекс свойств покрытия достигается лишь при сохранении однородной мелкодисперсной структуры исходного порошка. Даже незначительный перегрев резко снижает качества покрытия [33].
Таким образом, структура, хрупкость, трещиностойкость, износостойкость, экономические факторы часто ограничивают применение материалов на основе никеля. Анализ применения этих сплавов позволяет сделать вывод, что в большинстве случаев детали целесообразно наплавлять менее дорогостоящими материалами на железной основе.
Исторически можно выделить три этапа и соответственно три принципиальных направления разработки самофлюсующихся сплавов. Первоначально велись разработки наплавочных смесей, в которых часть дорогостоящего никелевого порошка была заменена железными порошками [76]. Таким образом удалось снизить стоимость материала в 2-4 раза при достаточном уровне эксплуатационных свойств покрытий. Тем не менее, стоимость смеси оставалась достаточно высокой. Следующим шагом стала разработка механических смесей на железной основе. В качестве примера приведем смесь, выпускавшуюся Торезским заводом наплавочных твердых сплавов ФБХ6-2 (тип 400Х30Г4Р1С, ГОСТ 11547), предназначенную для получения покрытий, стойких в условиях абразивного изнашивания. Недостатком указанных смесей является сегрегация компонентов при смешивании, транспортировании и в процессе наплавки. Сегрегация приводит к неравномерности структуры покрытия, пористости, снижению прочности и, в конечном счете к ухудшению эксплуатационных характеристик [65].
Следующим этапом развития стало создание объемно-легированных порошков. Большинство известных самофлюсующихся порошков являются объемно-легированными. Как наиболее перспективный оценивается сплав ПР-Х4Г2Р4С2Ф, выпускаемый НПО «Тулачермет». Большинство сплавов имеют относительно низкую температуру плавления и высокую твердость наплавленного слоя. Покрытия хорошо работают в условиях абразивного изнашивания. Этим материалам присущ недостаток литых железо-бор-углеродистых сплавов - низкая устойчивость к ударным нагрузкам.
Создание новых износостойких материалов на основе недорогих компонентов, с помощью которых сплав упрочняется нетрадиционными карбидными фазами, а, например, боридами, перспективно и обеспечивает повышенную износостойкость деталей и снижение стоимости.
Для определения физико-механических свойств покрытия в зависимости от свойства почвы и компонентов порошков требуется проведение значительного количества экспериментов. Для проведения этих экспериментов необходимо выбрать оптимальную экспериментальную установку. Чтобы пра вильно выбрать экспериментальную установку, необходимо изучить методы испытаний металлов на абразивный износ.
Основные методы испытаний металлов на абразивный износ в зависимости от характера взаимодействия абразивных частиц с металлом можно классифицировать следующим образом (рис. 1.13).
Лабораторные исследования абразивной износостойкости
На практике это означает, что кратность увеличения стоимости оправдана только лишь при пропорциональном увеличении ресурса для сравниваемых вариантов лемехов.
Например, средний ресурс лемеха П-702 составит 7... 10 га, его средняя стоимость 250...300 руб/шт. По мнению производителя «Рубцовский плуг», лемех является эффективным. Вместе с тем, если в эксплуатации необходимы лемеха с более высоким ресурсом, например в 100 га, что соответствует индексу ресурса ]ъ = 10, то у производителей, для обеспечения условия сохраняемости прежней эффективности лемеха стоимость не должна превышать 3000 руб/шт, т. е. кратность увеличения стоимости изделия должна соответствовать увеличению его производительности. На практике, к сожалению, это условие не выполняется. В процессе вспашки большинство предприятий не производят своевременную замену лемехов, а эксплуатируют их после достижения предельного состояния. В результате этого ресурс лемеха увеличивается, но появляются дополнительные затраты, связанные с увеличением сопротивления лезвия лемеха, которые приводят к увеличению расхода топлива и снижению качества работы. Как отмечалось в разделе 2.3, увеличение сопротивления перемещения лемеха связано с появлением затылочной фаски.
Представим, как изменяется эффективность использования лемеха после достижения его лезвия предельного значения затылочной фаски.
Как и в предыдущих случаях, выполнение заданного объема работ W в первом варианте осуществляется лемехами, средний ресурс которых составил Ьх. Во втором варианте после достижения предельного значения лемех эксплуатировался дальше, и его ресурс составит Ъ2 = Ъг + АЬ. В случае увеличения среднего ресурса лемеха происходит уменьшение общего количества лемехов для выполнения требуемого объема W, что является положительным моментом, который должен привести к снижению общих затрат за счет снижения затрат на приобретение лемехов. Но работа осуществляется при затупленных лемехах (рис 2.10), поэтому появляются дополнительные затраты. Увеличение выработки единичного лемеха выше его предельного значения сопровождается: - увеличением тягового сопротивления агрегата R2 по отношению к R] на величину A R: R2 =Ri+A R, что приводит к пропорциональному росту расхода топлива Gp2 = Gpl + AG; - увеличение затылочной фаски затупленных лемехов приводит не только к росту и значительным вариациям тягового сопротивления, но и к нарушению процесса по показателю соответствия глубины вспашки заданной, оцениваемый показателем надежности процесса Не. Как было сказано выше, функция надежности процесса представляет собой зависимость Нв = 1 — F(a), где F(a) - интегральная функция распределения глубины обработки в эксплуатации. При достижении лемеха предельного состояния, что соответствует его выработке Ьг, функция F(a) колеблется в пределах F(a) = 0 ... 0,04. Тогда надежность процесса вспашки находится в заданном диапазоне Нв — 1 ... 0,96.
Снижение надежности процесса ниже допустимой должно быть учтено в модели либо затратами на выполнение дополнительного объема работ, связанного с некачественным выполнением основного объема работ, либо потерей продукции, выращиваемой на этих площадях. На наш взгляд, более правильно учесть эти дополнительные затраты на переделку некачественно выполненной работы АЗ . Тогда общие затраты, которые необходимо учесть в случае переработки лемехов сверх предельных значений и выполнения части работ затупленными лемехами, определятся выражением ЗОБЩ2 = Зоті + 3Т2+3Л2 + АЗ , (2.33) где A3W - затраты, связанные с нарушение надежности вспашки, руб. Затраты на оплату труда остаются постоянными, а затраты на топливо с учетом выше изложенного определятся выражением: 3Т2 = 3Т1 + АЗТ, (2.34) где АЗТ - затраты, связанные с дополнительным расходом топлива, руб. A3T = Gpl + CW1 -CT1+AG-Ab-j-. CT1, (2.35) где AG - дополнительный расход топлива, кг/га; Ab - дополнительная наработка лемеха, кг/га. Для второго варианта лемех, который эксплуатировался дальше после достижения его предельного значения, ресурс можно определить по выражению
Результаты исследования твердости наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов
Для определения оптимального количества бора и марганца в наплавочном порошке совместно с Полоцким государственным университетом была изготовлена опытная партия упрочненных плужных лемехов с различным содержанием легирующих элементов.
Для оценки свойств нанесенных покрытий были проведены исследования микроструктуры наплавленных слоев.
Исследования микроструктуры полученных покрытий проводились инвертированным металлографическим микроскопом Axiovert 40 MAT (Carl Zeiss, Германия). Изучению подвергались поверхности покрытий и поперечные шлифы при увеличении от 25 до 1000 раз.
Микроструктура наплавленного слоя из борированной стружки белого чугуна у поверхности является типично эвтектической (рис. 4.1).
Микроструктура наплавленного слоя из чугунной стружки, легированная бором: а - содержание бора 1,5 % массы; б - содержание бора 2,5 % массы; в - содержание бора 3,5 % массы (увеличение х500) По мере приближения к подложке увеличивается количество дендритов мартенсита (с незначительным количеством остаточного аустенита). При содержании бора в порошке до 3,5 % масс заэвтектических структур после наплавки не образуется. Известно, что в системе Fe-C-B содержание бора, соответствующее эвтектике, равно 2,9 % массы [34]. Высокая степень легирования чугуна хромом видимо сдвигает эвтектическое значение содержания бора в системе Fe-C-B-Cr в сторону увеличения концентрации бора. Содержание бора 3,5 % массы в чугуне такого состава недостаточно для образования избыточных боридов.
Легирование сплава марганцем (рис. 4.2) приводит к значительной аустенизации структуры наплавленного слоя.
Микроструктура наплавленного слоя из чугунной стружки, легированная марганцем: а - содержание марганца 2 % массы; б - содержание марганца 4 % массы; в содержание марганца 6 % массы (увеличение х500)
Не достигающая характерных для мартенсита значений микротвердость матричной фазы свидетельствует о преимущественно аустенитной составляющей. Образующаяся ледебуритная эвтектика также не отличается высокой микротвердостью, что подтверждает неполное протекание мартенситного превращения. Образующиеся в незначительных количествах вторичные карбиды не оказывают значительного влияния на твердость сплава. Вероятно, карбидообразующее действие марганца не проявляется из-за того, что практически весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбидов эвтектики.
Комплексное легирование сплава бором и марганцем (рис. 4.3) приводит к получению заэвтектических структур. Более высокая скорость охлаждения расплава приводит к несколько иной ориентации карбидных включений (и фаз на их основе) в поверхностных слоях. Избыточные фазы на карбидной основе (с определенным содержанием бора) в середине слоя отличаются относительно большими размерами (до 30...50 мкм). Однако укрупнение структурных составляющих вряд ли значительно повлияет на износостойкость сплава, т. к. процесс изнашивания наплавленных слоев не характеризуется интенсивными ударными нагрузками, при которых крупные карбиды растрескиваются и выкрашиваются.
Высокая микротвердость эвтектики свидетельствует о значительной полноте мартенситного превращения и малом количестве остаточного аустенита. Повышение микротвердости матричной фазы сверх обычного объясняется также и содержанием в эвтектике бора. Возможное присутствие бора в фазах карбидного типа (Fe,Cr)7C3 и (Fe,Cr)23C6 существенно не влияет на уровень их микротвердости вследствие незначительной концентрации.
Из графика видно, что увеличение содержания бора в чугунной стружке приводит к повышению твердости слоев - это традиционное влияние бора [35]. Увеличение содержания бора в чугунной стружке до 4 % приводит к увеличению твердости до 65 HRC, последующее увеличение содержания бора от 4 % до 8 % приводит к незначительному увеличению твердости. Легирование порошка бором от 4 - 8 % экономически не оправдывает затраты, потому что стоимость порошка увеличивается, а увеличение твердости незначительное.
Легирование наплавочного порошка марганцем до 3 % приводит к увеличению твердости на 31 %. Дальнейшее легирование наплавочного порошка марганцем от 3 % приводит к снижению твердости покрытий из-за аустенизации структуры материала. Увеличение содержания марганца для сплава на основе отходов чугуна приводит к повышению пластичности, что положительно сказывается на массовом износе.
Результаты исследования износостойкости наплавленных слоев с различным содержанием легирующих элементов Для проведения лабораторных исследований на абразивную износостойкость, была использована разработанная нами экспериментальная установка, которая позволяет смоделировать разнообразие условий взаимодействия металла с абразивной средой, характерное для условий реальной эксплуатации [51]. Из наплавленных лемехов порошком с различным содержанием бора и марганца были изготовлены образцы для испытаний. Все образцы проходили испытания при одинаковых условиях. Давление прижатия составило ОДМПа, скорость относительного перемещения 2 м/с. Массовый износ конролировался весовым методом. Для этого перед проведением исследований образец взвешивается на прецизионных электроных весах «ALC-1100d2», точность которых составляет 0,0001 г. Результаты испытаний наплавленных слоев различных составов представлены на рисунках 4.6 и 4.7.
