Применение высокопрочного бейнитного чугуна для производства сменных деталей грунтообрабатывающей техники отечественного производства

С.М. Волощенко, К.А. Гогаев, А.М. Миропольский, М.Г. Аскеров, В.В. Непомнящий
УДК 621.89:621.762:621.822

Введение

Сравнительный анализ украинских и зарубежных почвообрабатывающих сельхозмашин показывает, что последние по качеству изготовления значительно превосходят отечественные. Основной недостаток это низкая стойкость рабочих органов против износа. К примеру, качество и производительность плужной вспашки в первую очередь зависит от работы лемеха. Современные украинские лемеха имеют низкое качество изготовления, кроме того металл не всегда отвечает требованиям стандартов, что приводит к повышенному их износу. Вследствие этого, несмотря на значительное (с 30 млн. га до 18 млн. га) уменьшение обрабатываемых площадей, ежегодно увеличивается потребляемое количество сменных деталей (700 – 750 тыс.шт. лап культиваторов, до миллиона лемехов, 600 – 650 тыс.шт. дисков), кроме того теряется из-за отсутствия утилизации тысячи тонн дорогой легированной стали.

При производстве лемехов до 40 % лемешной стали идет в отходы при вырубке, а для увеличения износостойкости наплавляют лишь 40 % лемехов, при этом средняя наработка с наплавкой на единицу составляет 35 – 40 га, а без наплавки менее 20 га, что не может быть приемлемым. тем более, что розничная стоимость лемеха с наплавкой составляла в 2009 году 120 – 135 грн. Лучшие образцы лемехов зарубежных фирм без носовой насадки (долота) работают 80 – 100 га, а отечественные 20 – 40 га. Кроме того, само производство лемехов в Украине ежегодно падает, а снабжение данной продукции из-за границы растет (по данным УкрЦИТ в 2006 году закуплено всего 3000 шт. лемехов отечественного производства). Аналогичная картина имеет место и для других сменных деталей почвообрабатывающей техники (лапы культиваторов, диски плугов и т.п.).

На рынке Украины за последние 7 лет появилось значительное количество импортной грунтообрабатывающей сельхозтехники, требующей соответственных сменных деталей (лемеха плугов, лапы культиваторов и т.п.). Сменные детали импортного производства не подходят к навесному оборудованию отечественно производства, в том числе произведенных в России и Белоруссии. Таким образом, повышение ресурса сменных деталей для грунтообрабатывающей техники является весьма актуальным. Тем более, что стоимость деталей зарубежного производства в 5 – 8 раз превосходит стоимость деталей, произведенных в Украине. В Институте проблем материаловедения НАНУ проведены работы по созданию технологии изготовления литых лемехов из высокопрочного бейнитного чугуна, обладающих ресурсом, сравнимым с ресурсом лучших зарубежных образцов.

Цель работы

Целью настоящих исследований – разработка технологии изготовления литых лемехов из высокопрочного бейнитного чугуна с повышенным ресурсом эксплуатации.

Основная часть

Были проведены лабораторные триботехнические испытания образцов вырезанных из клиновидных проб высокопрочного чугуна базового состава: – С – 3,1 – 3,4 %; Mn – 0,2 – 0,3 %; Si – 1,9 – 2,1 %; S < 0,02 %; P < 0,2 %; Mo – 0,2 – 0,4 %; Ni – 0,4 – 0,6 %; Cu – 0,3 – 0,4 %. После модифицирования модификаторами типа ЖКМК4Р химический состав чугуна был следующим: углерод 3,1 – 3,3% ; кремний 2,7 – 3,2 %; молибден 0,2 – 0,3 %; никель 0,4 – 0,5% ; медь 0,3 – 0,4%; магний 0,030 – 0,35 %; сера 0,01 %.

Лабораторные испытания износостойкости опытных образцов проводились по специально разработанной методике [1] на установке, которая позволяет использовать разные абразивные среды, моделируя износ лемехов при пахотных роботах в грунтах разного типа. Установка представляла собой закрытый объем с абразивом. В закрытый объем установки помещался держатель образцов с двумя образцами размерами 10х10х20 мм. Вращение образцов осуществлялось со скоростью 3 м/сек электродвигателем, что отвечает скорости движения трактора при пахотных роботах 10 км/час.

В качестве абразивных сред использовался влажный и сухой овражный песок, чернозем малогумусный и глинистая почва обычной влажности (10 %). В качестве репера выбраны данные по потере веса в аналогичных условиях образца, вырезанного из серийного стального лемеха. Потери веса последнего составляли: для влажного чернозема – 2,52 мг/км ; глинистый грунт увлажненный – 74,2 мг/км; овражный песок увлажненный – 140,4 мг/км и для сухого овражного песка – 309,4 мг/км. На рисунке 1 представлены данные по потере веса у образцов из высокопрочного чугуна.

Рисунок 1 – Результаты триботехнических испытаний образцов ВЧ в сухом овражном песке после различных видов термообработки: 1 – температура нагрева 890^оС, 30 мин., закалка в масло с отпуском 320^оС, выдержка 3 часа; 2 – температура нагрева 890^оС с выдержкой 30 мин., изотермическая закалка при температуре 310^оС с выдержкой 1 час; 3 – то же, выдержка 2 часа; 4 – то же выдержка 3 часа; 5 – температура нагрева 890^оС с выдержкой 30 мин., изотермическая закалка 350^оС, выдержка 1 час; 6 – то же, выдержка 2 часа; 7 – то же, выдержка 3 часа

Таким образом, минимальная потеря веса наблюдается при изотермической закалке при температуре 350^оС с выдержкой 3 часа и составляет 21,5 мг/км. После выдержки 2 часа потеря веса составляет 26 мг/км. Для сравнения потеря веса образца из серийного стального лемеха составляет при равных условиях (сухой овражный песок) 309,4 мг/км т.е. более чем на порядок больше. На рисунке 2 приведены данные по потере веса образцов при износе в глинистой почве (естественное природное увлажнение) и в песке овражном увлажненном (обозначения соответствуют рис.1).

Рисунок 2 - Результаты триботехнических испытаний образцов ВЧ в глинистой почве (естественное природное увлажнение) и в песке овражном увлажненном.

Потеря веса в глинистой почве образцов после изотермической закалки при температуре 350^оС при выдержке 2 и 3 часа практически одинакова (24 – 25 мг/км). Во влажном овражном песке потеря веса после изотермической закалки при 310 и 350^оС при выдержке 3 часа сопоставима – 34 и 30 мг/км. В сравнении с базовым образцом из стального лемеха разница составляет 49,2 – 50,2 мг/км и 106,2 – 110,2 мг/км соответственно, т.е. износостойкость изотермически закаленных образцов примерно в три раза выше при работе в глинистой почве и в более чем в четыре раза выше при работе во влажной песчаной почве.

На рисунке 3 приведена гистограмма, показывающая потерю веса образцов из высокопрочного чугуна после различных видов термообработки при работе в легком черноземе (1,06 – 1,62 МПа).

Рисунок 3 – Потеря веса образцов из ВЧ после различных видов ТО при трении в черноземе.(обозначения соответствуют рис.1).

Потеря веса образцов после изотермической закалки при 350^оС в течение 3-х часов составляет 1,1 мг/км (материал серийного лемеха 2,54 мг/км) т.е. в 2,29 раза выше.

На основании лабораторных исследований были выбраны основные технологические режимы для изготовления опытных образцов лемехов для натурных полевых испытаний при пахотных работах. Температура под закалку 890 – 900^оС с выдержкой 0,5 – 1 час. и последующей изотермической закалкой при 300 – 350^оС в течение 2 – 3 часа.

Были отлиты 2 группы лемехов с общим ребром жесткости и с ребром только в носке (рисунок 4).

Опытные лемеха были подвергнуты термообработке по двум режимам: нагрев под закалку до температуры 900°С с выдержкой 70 мин. и изотермической закалкой при 300^оС и 350^оС. При этом выдержка при температуре 300^оС составляла 150 мин., а при 350^оС – 120 мин. Условия термообработки были выбраны на основании результатов лабораторных исследований, ранее проведенных исследований и испытаний [2, 3], а также условиями и возможностями базового предприятия.

Рисунок 4 – Лемехи с различной конфигурацией ребра жесткости

Загрузки деталей используются специальные загрузочные корзины, в которых возможно размещение лемехов на ребро, при этом устраняется опасность коробления или поводки лемеха.

Лемехи, прошедшие термообработку, взвешивались и проверялись на твердость металла. В таблице 1 приведены характеристики лемехов после ТО.

Таблица 1 – Весовые параметры и твердость лемехов для натурных испытаний

Износ лемехов определялся по потере веса, а также по изменению профиля лезвия. В таблице 2 приведены данные по динамике потери веса опытных лемехов в сравнении с серийными, которые устанавливались в паре с литыми.

Таблица 2 – Потеря веса лемехов в зависимости от наработки

¹ - грунт – чернозем малогумусный.

Проведенные предварительные испытания лемехов двух конструктивных вариантов не выявили существенных отличий в их работоспособности и в дальнейшем с учетом рекомендаций специалистов кафедры сельскохозяйственных машин НУБиП Украины испытывались литые лемеха с усиленным носком. Испытания проводились в 2009 – 2010 годах.

Полевые испытания литых лемехов проводились в различных хозяйствах Киевской и Черкасской областях (Городыщенский, Ставыщенский и Васильковский районы). Лемехи испытывались в паре с серийными стальными с наплавкой. За период пахотных работ в 2009-2010 годах в Ставыщенском районе в ТОВ «Журавлинское» на плугах ПН-5-35 в агрегате с трактором Т-150К на тяжелых грунтах-черноземах наработка на один литой лемех составила 99 га, в ЧП «Церера-Агро-Транс» на плуге ПЛН-8-35 в агрегате с трактором К-701 наработка при пахотных работах на супесчаных грунтах составила 82 га. При этом литые лемеха сохранили ресурс для работы в 2011 году. Показательным является то, что первый лемех на плуге ПЛН-8-35 ставился серийный стальной. Наработка стального лемеха с наплавкой составляла всего 18 – 21 га. Позитивным моментом при работе литых лемехов помимо значительного увеличения ресурса является большая жесткость их конструкции (в стальных лемехах иногда наблюдается загиб носка, особенно в твердых грунтах). Разработанная технология представляет возможность распространить ее с соответствующей корректировкой и для других сменных деталей грунтообрабатывающей сельхозтехники. Затраты на производство литых деталей сопоставимы с затратами на изготовление стальных. Данная технология также позволяет изготавливать запчасти и для импортных агрегатов.

Выводы

Таким образом, разработанная технология изготовления литых деталей для почвообрабатывающей сельхозтехники на примере лемехов позволяет значительно повысить их ресурс эксплуатации при стоимости в 5 – 8 раз ниже стоимости сменных деталей зарубежных производителей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волощенко С.М. Дослідження властивостей високоміцного чавуну для лемещів в залежності від хімічного складу та режимів термічної обробки. / С.М. Волощенко, К.О. Гогаєв, О.К. Радченко, М.Г. Аскеров // Темат. зб. наукових праць «Вісник Донецької державної машинобудівної академії» №1 (11) – Краматорськ, 2008. – C.56-61.
2. Волощенко С.М. Изучение возможности и перспективы использования бейнитного чугуна при изготовлении лемехов по результатам полевых испытании. / С.М. Волощенко, А.С. Волощенко, А.И. Виноградский // Процессы литья. – 2007, №4. – C.64-71.
3. Волощенко М.В. Молотки из бейнитного высокопрочного чугуна для помола абразивных материалов. / М.В. Волощенко, А.П. Пшенный, И.А. Сычевский, С.М. Волощенко // Тез. докл. Всеукраинской конф. "Повышение физико-механических и служебных свойств чугунов в отливках путем их легирования, модифицирования, термической и высокоэнергетической обработки". - Киев: ИПЛ НАН Украины. - 1995. – C.40-41.

Надійшла до редакції 14.05.2011

Рецензент д.т.н., проф. О.М. Cмірнов

© С.М. Волощенко, К.А. Гогаев, А.М. Миропольский, М.Г. Аскеров, В.В. Непомнящий