CC BY
16
6. Dvorkin B. A. Evropejskaya programma GMES i perspektivnaya gruppirovka sputnikov DZZ Sentinel [Jelektronnyj resurs] // Geomatika [sajt]. - URL: http://geomatica.ru/clauses/276/ (data obrascheniya 17.09.2018).
7. Lihacevich, A. P. Uchet sostoyaniya meliorirovannyh zemel' pri planirovanii re-montno-jekspluatacionnyh meropriyatij [Tekst]/ A. P. Lihacevich, S. E. Strahov // Melioraciya. - 2009. - № 2 -(62). - P. 51-58.
8. Tovkach, V. A. Perspektivy i vozmozhnosti distancionnogo zondirovaniya zemli pri organi-zacii monitoringa sostoyaniya meliorativnyh sistem Poles'ya [Tekst]/ V. A. Tovkach, Je. N. Shkutov // Melioraciya. - 2008. - № 1 (59). - P. 14-25.
9. Yakushev, V. P. Tochnoe zemledelie: opyt primeneniya i potencial razvitiya [Tekst]/ V. P. Yakushev, P. V. Lekomcev, A. F. Petrushin // Informaciya i kosmos. - 2014. - № 3. - P. 50-56.
10. NDVI - teoriya i praktika [Jelektronnyj resurs] GISLAB [sajt]. - URL: http://gis-lab.info/qa/ndvi.html (data obrascheniya 12.08.2018).
11. Robert P.C. Precision agriculture: a challenge for crop nutrition management / P.C. Robert // Plant and Soil. - 2002. - T. 247. - № 1. - P. 143-149.
12. Schellberg, J. Precision agriculture on grassland: applications, perspectives and constraints / J. Schellberg, M.J. Hill, R. Gerhards, M. Rothmund, M. Braun // European Journal of Agronomy. -2008. - T. 29. - № 2-3. - P. 59-71.
13. Hyperspectral vegetation indices and novel algorithms for predicting green lai of crop canopies: modeling and validation in the context of precision agriculture / D. Haboudane, J.R. Miller, E. Pattey, P.J. Zarco-Tejada, I.B. Strachan // Remote Sensing of Environment. - 2004. - T. 90. - № 3. - P. 337-352.
E-mail: [email protected]
УДК 621.785.5 DOI 10.32786/2071-9485-2018-04-52
ФОРМИРОВАНИЕ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЗОНАЛЬНО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СТРУКТУР ДЕТАЛЕЙ ОРУДИЙ ДЛЯ ПОЧВООБРАБОТКИ ИЗ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА
FORMATION OF WEAR-RESISTANT ZONALLY-DISTRIBUTED STRUCTURES OF DETAILS OF ARMANTS FOR SOIL PROCESSING FROM HIGH-STRENGTHEN IRON
1 2
В.А. Моторин ' , кандидат технических наук Д.С. Гапич1, доктор технических наук, доцент Л.В. Костылева1, доктор технических наук, профессор А.Е. Новиков ' , доктор технических наук, доцент
V. А. Motorin1'2, D.S. Gapich1, L.V. Kostyleva1, A.E. Novikov2'3
1 Волгоградский государственный аграрный университет 2Всероссийский научно-исследовательский институт орошаемого земледелия 3Волгоградский государственный технический университет
1 Volgograd State Agrarian University 2All-Russian Scientific Research Institute of Irrigated Agriculture 3Volgograd State Technical University
В мировой практике наблюдается повышенный интерес к щелеванию. Этот прием рассматривается как универсальный способ устранения уплотненных слоев почвы, образующихся при использовании дисковых, плоскорезных орудий, а также для разрушения плужной подошвы. Обеспечение высоких почвозащитных показателей при щелевании осуществляется за счет сохранения на поверхности основной массы послеуборочных остатков и резкого ослабления поверхностного стока. Повышение износостойкости и долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин является актуальной задачей. В качестве перспективной альтернативы
наиболее эффективным наплавочным технологиям предложено изготовление долот чизельного плуга литьём из нелегированного высокопрочного чугуна с отбеленной рабочей поверхностью. Преимущества литейной технологии состоят в достижении высокой твердости и износостойкости рабочей поверхности за счет высокого содержания в структуре отбеленного слоя эвтектических карбидов с твердостью > 800 НВ и получении практически готовой детали с упрочненной поверхностью в состоянии после литья. Исключается необходимость в проведении упрочняющей обработки закалки или наплавки, а также сварки. Сопротивление ударным нагрузкам и скалыванию отбеленного слоя обеспечивается при широкой зоне перехода от структуры чисто белого чугуна упрочненного слоя к структуре графитизированного чугуна основного тела отливки. Разработана технология изготовления долот рабочих органов почвообрабатывающих орудий, обладающих высокой износостойкостью локальным отбелом режущей части и оптимальным распределением структур и твердости по функциональным зонам отливки. Даны рекомендации по оптимальному составу чугуна для изготовления литого долота чизельного плуга с отбеленной поверхностью.
In the world practice there is an increased interest in splitting. This technique is considered as a universal way of eliminating compacted soil layers formed by the use of disc, flat cutting tools, as well as for the destruction of the plow soles. The provision of high soil protection indicators during the crevice is achieved due to the conservation of the post-harvest residues on the surface of the main mass and a sharp weakening of the surface runoff. Increasing the wear resistance and durability of the working organs of tillage machines is an urgent task. As a promising alternative to the most effective surfacing technologies, it is proposed to make chisel bit chisels from unalloyed high-strength cast iron with a bleached working surface. The advantages of foundry technology consist in the achievement of high hardness and wear resistance of the working surface due to the high content of the bleached layer of eutectic carbides with a hardness of > 800HB in the structure and the production of a practically finished part with a hardened surface in a state after casting. There is no need to perform hardening treatment of hardening or surfacing, as well as welding. Resistance to impact loads and chipping of the bleached layer is ensured with a wide transition zone from the structure of pure white cast iron to the structure of graphitized cast iron of the casting base body. The technology of manufacturing the working organs of soil-cultivating tools with high wear resistance by local bleaching of the cutting part and optimal distribution of structures and hardness by functional casting zones has been developed. Recommendations are given on the optimal composition of cast iron for the production of a cast chisel with a bleached surface.
Ключевые слова: долото чизельного плуга, абразивная износостойкость, высокопрочный чугун, отбеленный слой, технологии обработки почвы.
Key words: chisel plough chisel, abrasive wear resistance, high-strength cast iron, chilled layer, soil technology.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований совместно с администрацией Волгоградской области (код научного проекта РФФИ № 18-48-342004)
Введение. Выбор оптимальной технологии обработки почвы определяется несколькими группами производственных и природных факторов, которые оказывают весомое влияние на конечный результат. Однако на почвах, подверженных дефляции и водной эрозии, он лимитируется необходимостью сохранения на поверхности почвы пожнивных остатков. При этом в засушливых условиях Юга России с преобладанием степных зон почвозащитная обработка должна иметь выраженную направленность в сторону минимизации вплоть до нулевой, а в сложных эрозионных ландшафтах лесостепной зоны противоэрозионная обработка должна включать глубокое рыхление, щелевание и другие способы, обеспечивающие аккумуляцию влаги и сокращение стока.
Для безотвальной обработки почвы характерно применение семейства рыхлящих рабочих органов: плоскорезов, стоек СибИМЭ, чизелей, параплау, щелевателей, комбинированных почвообрабатывающих и посевных агрегатов. Применение параплау особенно эффективно на плотных, пересохших почвах, чизелей - на чистых от корнеотпрысковых сорняков, стоек СибИМЭ - на влажных. Эти рабочие органы можно использовать в качестве сменных на одной универсальной раме. В мировой практике все большее внимание уделяется щелеванию. Его рассматривают как универсальный прием устранения уплотненных слоев почвы, образующихся при обработке дисковыми, плоскорезными орудиями, и разрушения плужной подошвы. Высокие почвозащитные показатели при щелевании обеспечиваются в результате сохранения на поверхности основной массы послеуборочных остатков и резкого ослабления поверхностного стока.
Щелевание эффективно и как прием влагонакопления, особенно при влажной осени. После чизельной обработки с осени не происходит сплошного замерзания почвы, что обеспечивает благоприятные условия для впитывания талых вод и уменьшения их стока, если она проводится в возможно более поздние предзимние сроки. Все большее распространение получает сочетание в одном агрегате чизельных рабочих органов, обрабатывающих почву на глубину до 30 см с дисковыми, а также лап различных конструкций с дисками. При этом агрегаты ряда фирм оборудованы приспособлениями для внесения удобрений (Джон Дир, Вил-Риг и др.), выпускаются также и роторно-чизельные агрегаты («Лиллистон») [5, 9, 1].
Эксплуатационная надежность почвообрабатывающих машин во многом определяется интенсивностью износа их режущих лезвий, изнашивание которых представляет собой процесс разрушения поверхностных слоев незакрепленными минеральными зернами. Особенность такого типа абразивного изнашивания состоит в том, что минеральные зерна почвообразующих пород и почвогрунтов связаны в сравнительно непрочную массу, а твердость этих зерен превосходит твердость материалов, которые применяются для изготовления режущих лезвий. В почвогрунтах содержание твердых частиц SiO2 (кварца) с микротвердостью HV 7,0 - 11,0 ГПа составляет от 35 до 85 % (в песках свыше 90 %) всех минеральных зерен (агентов износа). Причем с увеличением глубины обработки почвогрунтов a от 0,28 до 0,40 м их содержание достигает наибольшего значения, что обусловлено процессами почвообразования. Затем по степени распространения идут алюмосиликаты (полевые шпаты 20 % и более, слюда - до 10 %) и силикаты (5 - 15 %) с микротвердостью HV 6,0 - 7,2 ГПа [10].
Твердость и сопротивление почвы движению рыхлителя с увеличением глубины рыхления прогрессивно возрастают, в нижних горизонтах обработки часто встречаются камни, что многократно повышает требования не только к абразивной износостойкости и прочности, но и к ударной вязкости материала рабочих органов почвообрабатывающих машин. Вследствие таких тяжелых условий эксплуатации многие из них имеют крайне малый ресурс.
В этой связи исследования, направленные на повышение эксплуатационных характеристик наиболее нагруженной детали чизельного плуга - долота, весьма актуальны и необходимы для развития высокоэффективных агротехнических технологий.
В отечественном и зарубежном сельхозмашиностроении для изготовления долота плуга-рыхлителя используют преимущественно сортовой прокат углеродистой или малолегированной стали. Износостойкость режущих элементов долота, как правило, обеспечивают объёмной или локальной закалкой (при достаточном содержании углерода в стали) или наплавкой различными износостойкими материалами.
В работах отечественных и зарубежных исследователей [3, 8, 2] на интенсивно изнашиваемую поверхность рабочих органов почвообрабатывающих машин рекомендовано нанесение наплавок керамики на основе оксида алюминия, нитрида или карбида
кремния; хромистого чугуна; твердых сплавов или сплавов типа Сормайт, которые действительно способны увеличить износостойкость. Но эти наплавки, как правило, очень дороги и многократно увеличивают себестоимость изготовления деталей [7].
Конструктивные особенности и условия эксплуатации долота чизельного плуга, предъявляющие повышенные требования преимущественно к абразивной износостойкости материала, позволяют рассматривать изготовление его из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и отбеленной рабочей поверхностью в качестве эффективной замены стальному долоту с наплавкой.
Целью данного исследования было повышение износостойкости долота плуга путем применения эффективной и экономически обоснованной литейной технологии изготовления его из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом и рационального зонального структурирования.
Материалы и методы. Преимущества литейной технологии изготовления долота из высокопрочного чугуна с отбелом состоят в достижении высокой твердости и износостойкости рабочей поверхности за счет высокого содержания в структуре отбеленного слоя эвтектических карбидов с твердостью > 800 НВ и получении практически готовой детали с упрочненной поверхностью в состоянии после литья. Исключается необходимость в проведении упрочняющей обработки закалки или наплавки, а также не требуется выполнения сварки для долот с боковым креплением.
При этом необходимый уровень общей прочности литого долота в целом сопротивление ударным нагрузкам и скалыванию отбеленного слоя, которые возникают при эксплуатации, могут быть обеспечены при широкой зоне перехода от структуры чисто белого чугуна упрочненного слоя к структуре графитизированного чугуна основного тела отливки.
Получение отбеленных отливок основано на возможности кристаллизации чугуна по стабильной или метастабильной системам в зависимости от состава металла, скорости охлаждения и других факторов, влияющих на состояние жидкого металла, в частности на наличие в нем зародышей графитовых кристаллов.
Формирование локального отбела в отливках из чугуна в литейных технологиях получают увеличением скорости охлаждения в заданных зонах с помощью окрашивания соответствующих поверхностей внутренней полости литейной формы специальными красками, содержащими теллур или висмут, или установки внутренних металлических холодильников в песчано-глинистую литейную форму. Если необходимо получить отбеленную зону большой протяженности соответствующую часть песчано-глинистой формы выполняют кокильными (металлическими) вставками [6].
Рациональное распределение структур и, соответственно, механических, технологических свойств по функциональным зонам отливки, обеспечивающих достаточную прочность, ударостойкость долота и высокую износостойкость его режущей части показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - Распределение структурных зон в долоте плуга из высокопрочного чугуна в соответствии с функциональным назначением: 1 - отбеленная зона, ледебурит; 2 - переходная зона, ледебурит, шаровидный графит, перлит; 3 - графитизированная зона, перлит, шаровидный графит
Отбеленная носовая часть обеспечивает высокую износостойкость. В основной части отливки долота, где необходимо сверлить отверстия для крепления, преимущественно перлитная металлическая основа и шаровидный графит гарантируют хорошую обрабатываемость резанием и высокую эксплуатационную надёжность в части прочности и ударостойкости. Достаточно широкая переходная зона, в которой постепенно уменьшается количество хрупких структурных составляющих, должна выполнять амортизирующую роль против ударных нагрузок.
Заданное зональное распределение структур в отливках долота было получено литьем в комбинированную литейную форму, часть нижней полуформы которой выполнена в виде стальной плиты с рельефной поверхностью (рисунок 2). Остальные части формы из песчано-глинистой смеси нормальной влажности и уплотнения.
3
Рисунок 2 - Принципиальная схема нижней литейной полуформы для получения локального отбела режущей кромки: 1 - кокильная вставка (рельефная стальная плита); 2 - песчано-глинистая часть
нижней полуформы; 3 - отливки
Поверхность полости формы, оформленной кокильной вставкой, окрашивали противопригарной краской.
Химический состав чугуна для отливок долота плуга с отбеленным рабочим слоем выбирался на основе ранее выполненных исследований комплексного влияния содержания основных его компонентов - кремния и марганца - на глубину и характер отбеленной зоны литых образцов клиновидной формы, залитых в сырую песчано-глинистую форму, острым краем, установленных на металлическую плиту [4]. Содержание регламентируемых компонентов в чугуне, которым заливали формы, составляло в % масс.:
C Si Mn Mg S Сг
3,5 1,47 0,52 0,49 0,02 0,05
Заливку производили при температуре 1360...1430 °С. Выбивку отливок из формы производили при температуре ~ 720...750 °С.
Исследование микроструктуры по функциональным зонам производили металлографическим методом на шлифах, травленных ниталем с помощью оптического микроскопа «Neophot-21» при увеличениях от х250 до х500. Твердость, прочность и ударную вязкость по зонам определяли в соответствии с действующими стандартами ГОСТ 9012-59 (ИСО 410-82, ИСО 6506-81) и ГОСТ 9013-59 (ИСО 6508-86), ГОСТ 1497-84, ГОСТ 9454-78.
***** ИЗВЕСТИЯ *****
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
№ 4 (52) 2018
Результаты и обсуждение. Микроструктуры, полученные в разных зонах отливок долота представлены на рисунке 3.
а) б) в)
Рисунок 3 - Металлографические структуры различных локальных зон долота
В зоне режущей кромки (рисунок 3 а) был получен полный отбел со структурой ледебурита и небольшим количеством перлита в ветвях первичных дендритов, объёмная доля которых не превышала 8 %. Протяженность зоны полного отбела по длине отливки от её носовой части составила 48 мм и заняла почти всю клиновидную часть долота. Твердость в области полного отбела достигла 750 НВ.
В основном объёме долота (рисунок 3в) - перлитная структура металлической основы с минимальным количеством феррита, расположенного вокруг графитовых включений и шаровидная форма последних, обеспечила прочность и ударную вязкость на уровне марки ВЧ 60, которые позволяют выдерживать статические и динамические нагрузки с запасом, превышающим реальные при эксплуатации долот. Полученные в этой зоне структура и твердость 260 НВ определили хорошую обрабатываемость резанием при выполнении отверстий для крепления долота к плугу.
Рисунок 4 - График зависимости относительной износостойкости стали и белого чугуна от твердости
В переходной зоне структура постепенно изменялась: уменьшалось количество эвтектического цементита, появились шаровидные включения графита, а затем увеличивалось их количество. По мере возрастания графитизации твердость постепенно уменьшалась от 720 НВ до 260 НВ. Такая структура, твердость и ширина переходной зоны, которая составила 30 мм, уменьшает опасность скалывания отбеленной зоны.
Анализ результатов сравнительных испытаний белого чугуна и закаленной стали [5], графическая интерпретация которых отражена на рисунке 4 позволяет сделать вывод, что достигнутые результаты позволят повысить износостойкость долот из высокопрочного чугуна с отбеленной режущей частью не менее, чем в 3,5 раза по сравнению со стальными долотами, закаленными на самую высокую твёрдость.
Заключение. Разработанная технология позволяет кратно увеличить ресурс рабочих органов почвообрабатывающих орудий по сравнению с применением стального проката. Кроме того, переход на литейную технологию позволит снизить трудоёмкость, энергетические и финансовые затраты в сфере производства и эксплуатации изделия за счет использования более дешевых материалов и исключения из технологической цепочки ряда операций: сварки, ковки, термической обработки, наплавки.
Библиографический список
1. Адаптивно-ландшафтная система земледелия Иркутской области [Текст]/ В.И. Соло-дун, В.Т. Мальцев, Н.Н. Дмитриев и др. - Изд.-е 2-е, перераб. и доп. - Иркутск, 2001. - 191 с.
2. Иголкин, А.И. Абразивостойкие наплавленные плиты и трубы для горной техники [Текст]/ А.И. Иголкин, Ю.В.Зеленин // Горный журнал. - 2011. - №2. - С. 57-59.
3. Кожухова, Н. Ю. Наплавочное армирование рабочих органов почвообрабатывающих машин, эксплуатирующихся на тяжелых почвах [Текст]: автореф. дис. канд. техн. наук/Н.Ю. Кожухова. - М., 2011. - 21 с.
4. Комплексное влияние химического состава чугуна на структуру отбеленного слоя долота чизельного плуга [Текст] / Л.В. Костылева, Д.С. Гапич, В.А. Моторин и др.// Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2016. - №2. - С. 221.
5. Новиков, В. С. Обеспечение долговечности рабочих органов почвообрабатывающих машин [Текст]: автореф. докт. техн. наук / В.С. Новиков. - М., 2008. - 38 с
6. Справочник по чугунному литью [Текст]/ Под ред. д-ра техн. наук Н.Г. Гиршовича. -3-е изд. перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1978. - 758 с.
7. Плуги тракторные лемешные общего назначения. Общие технические условия [Текст]: СТБ 1388-2003. - Минск: Белорусский государственный институт стандартизации и сертификации (БелГИСС), 2003. - 12 с.
8. Хасуи, А. Наплавка и напыление [Текст]/ А.Хасуи, О. Моригаки; пер. с яп. В.Н. Попова. - М.: Машиностроение, 1988. - 240 с.
9. Dallaire, S. Development of Cored Wires for Improving the Abrasion Wear Resistance of Austenitic Stainless Steel / S. Dallaire and H. Levert // Journal of Thermal Spray Technology. -1997. - № 6(4). - P. 456-462.
10. Composition and Tribological Properties of Hardened Cutting Blades of Tillage Machines under Abrasive Deterioration /A.E. Novikov, V.A. Motorin, M.I. Lamskova и др.// Journal of Friction and Wear. - 2018. - Vol. 39, No. 2. - P. 158-163.
Reference
1. Adaptivno-landshaftnaya sistema zemledeliya Irkutskoj oblasti [Tekst]/ V. I. Solodun, V. T. Mal'cev, N. N. Dmitriev i dr. - Izd.-e 2-e, pererab. i dop. - Irkutsk, 2001. - 191 p.
2. Igolkin, A. I. Abrazivostojkie naplavlennye plity i truby dlya gornoj tehniki [Tekst]/ A. I. Igolkin, Yu. V. Zelenin // Gornyj zhurnal. - 2011. - №2. - P. 57-59.
3. Kozhuhova, N. Yu. Naplavochnoe armirovanie rabochih organov pochvoobrabatyvayuschih mashin, jekspluatiruyuschihsya na tyazhelyh pochvah [Tekst]: avtoref. dis. kand. tehn. nauk/N. Yu. Kozhuhova. - M., 2011. - 21 p.
4. Kompleksnoe vliyanie himicheskogo sostava chuguna na strukturu otbelennogo sloya dolo-ta chizel'nogo pluga [Tekst] / L. V. Kostyleva, D. S. Gapich, V. A. Motorin i dr.// Izvestiya Nizhne-volzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2016. -№2. - P. 221.
5. Novikov, V. S. Obespechenie dolgovechnosti rabochih organov pochvoobrabatyvayuschih mashin [Tekst]: avtoref. dokt. tehn. nauk / V. S. Novikov. - M., 2008. - 38 p
6. Spravochnik po chugunnomu lit'yu [Tekst]/ Pod red. d-ra tehn. nauk N. G. Girshovicha. - 3e izd. pererab. i dop. - L.: Mashinostroenie. Leningr. otd-nie, 1978. - 758 p.
7. Plugi traktornye lemeshnye obschego naznacheniya. Obschie tehnicheskie usloviya [Tekst]: STB 1388-2003. - Minsk: Belorusskij gosudarstvennyj institut standartizacii i sertifikacii (BelGISS), 2003. - 12 p.
8. Hasui, A. Naplavka i napylenie [Tekst] / A. Hasui, O. Morigaki; per. s yap. V. N. Popova. -M.: Mashinostroenie, 1988. - 240 p.
9. Dallaire, S. Development of Cored Wires for Improving the Abrasion Wear Resistance of Austenitic Stainless Steel / S. Dallaire and H. Levert // Journal of Thermal Spray Technology. - 1997. - № 6(4). - P. 456-462.
10. Composition and Tribological Properties of Hardened Cutting Blades of Tillage Ma-chines under Abrasive Deterioration /A.E. Novikov, V.A. Motorin, M.I. Lamskova i dr.// Journal of Friction and Wear. - 2018. - Vol. 39, No. 2. - P. 158-163.
E-mail: [email protected]
