Ключевые слова: износостойкость, наплавка, траки, плазма, наплавка, циклические нагрузки.
Долговечность машин определяется сроком службы наиболее нагруженного элемента конструкции. Для гусеничной техники наиболее важным элементом является ходовая часть, подвергающаяся интенсивному абразивному изнашиванию, а главными причинами отказов является абразивный износ грунтозацепов и излом траков.
Вопросами повышения ресурса и надежности работы машин, работающих в различных условиях абразивного износа деталей, занималось большое количество исследователей [1]. Согласно результатам этих и ряда других работ, особенно тяжелые условия работы наблюдаются при высоких скоростях скольжения по абразиву, сопровождающихся ударным воздействием [2, 3]. Для этих условий работы повышение ресурса работы деталей достигается повышением твердости их поверхностей.
В отечественном производстве для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа, используются легированные стали твердостью 400–500 НВ, например, 20ХГСНМ (ТВМ) или 110Г13Л (сталь Гадфильда). В исходном состоянии сталь Гадфильда имеет твердость 190 НВ, но в процессе эксплуатации ее твердость может повышаться за счет наклепа. Уровень повышения твердости зависит от интенсивности внешнего воздействия и может меняться от 350 до 500 НВ.
Перспективными методами упрочнения интенсивно изнашиваемых металлических деталей является обработка поверхности высокоэнергетическими потоками [4], в частности, применение плазменных технологий [5].
Целью настоящей работы было исследование эффективности методов восстановления и упрочнения деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания и динамических нагрузок. В качестве объекта исследований выбраны траки гусеничной техники.
Материалы и методики исследований
Рабочей поверхностью траков, воспринимающей основные эксплуатационные нагрузки и требующей упрочнения, является торцевая поверхность грунтозацепа (рисунок 1).
Рисунок 1. Внешний вид грунтозацепа трака гусеницы: а) после износа, б) после наплавки
В качестве материала трака часто используется сталь 20ХГСНМ (ТВМ).
Для восстановления изделий, работающих в условиях интенсивного изнашивания, наиболее часто применяют наплавочные материалы в виде порошковых проволок и порошков. Наплавка порошковых материалов обеспечивает возможность более широкого регулирования состава получаемых покрытий. Перспективным направлением восстановления представляется плазменная наплавка покрытий на основе самофлюсующихся сплавов [4].
Для формирования износостойкого покрытия в работе были рассмотрены плазменная порошковая наплавка и газопламенное напыление самофлюсующихся сплавов с последующим их оплавлением различными методами.
Плазменная наплавка отличается большой плотностью энергии, что обеспечивает малое перемешивание материала покрытия с основой, высокой производительностью, наличием газовой защиты наплавляемого слоя [5].
Металлургические особенности формирования покрытий из порошковых наплавочных материалов описаны в [6].
Газопламенное напыление с оплавлением отличают относительная простота и экономичность применяемого оборудования и процесса.
Для получения покрытия были использованы следующие присадочные материалы – порошки типа сормайта ФБХ-6-2, ПГС-27, самофлюсующиеся сплавы ПН-ХН80С4Р4 и СНГН-60. Гранулометрический состав порошков составлял 70–150 мкм. Химический состав приведен в таблице 1.
Таблица 1. Химический состав порошковых материалов, % вес.
Все представленные материалы могут наноситься плазменной наплавкой. При этом создание покрытий из самофлюсующихся порошков ПН80-СР4 и СНГН-60 возможно как плазменной наплавкой, так и методами газотермического напыления с последующим их оплавлением.
На первом этапе на грунтозацепы траков все покрытия наносились плазменной наплавкой. Для каждого вида покрытия изготавливалось по шесть штук деталей. Из них по одной детали предполагалось использовать для проведения металлографических исследований и вырезки образцов для проведения испытаний износостойкости. Оставшиеся детали передавались на испытания стойкости при циклических нагрузках.
Плазменная наплавка проводилась на установке УПН-303, режимы наплавки изменялись в пределах, указанных в таблице 2.
Таблица 2. Режимы наплавки исследуемых материалов
Высота серийных грунтозацепов колеблется от 12 до 15 мм. Для сохранения этих параметров на опытной партии деталей перед наплавкой они фрезеровались до высоты 10 мм, а затем на них наплавлялся слой износостойкого покрытия.
Толщина наплавляемого слоя за один проход составляла 2 мм. Время наплавки 113 секунд, расход порошка 56 грамм при КПД 63 %. На втором этапе покрытия из ПГ-СР4 и СНГН-60 наносились на грунтозацепы деталей газопламенным напылением. Оплавление шести из них производилось в печи, а шесть других оплавлялись методом нагрева токами высокой частоты (ТВЧ).
Оплавление покрытий нагревом ТВЧ осуществляли на установке ВЧ-30АВ мощностью 40кВт одновитковым индуктором, охватывающим гребень грунтозацепа. Каждый грунтозацеп оплавлялся отдельно. Время нагрева первого грунтозацепа до момента оплавления самофлюсующегося материала составляло 9 секунд, на оплавление двух последующих требовалось по 6–7 секунд.
Печное оплавление проводилось нагревом деталей до температуры 11500 ±20 0С. Садка деталей проводилась после нагрева печи до 500 0С, после чего они нагревались вместе с печью до заданной температуры. Время нагрева до температуры оплавления составляло 20 ± 1 минут.
Металлографические исследования проводились с помощью микроскопа МИМ-7 при увеличениях от 400 до 800 раз и на электронном сканирующем микроскопе ZEISS SIGMA, оснащенном рентгенофлуорисцентной спектрометром-приставкой Oxford Instruments. Травление образцов проводили реактивами: ¾ HCl + ¼ HNO3 и 5 % HNO3 в C2H5OH.
Микротвердость покрытий измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0,49 и 0,98 Н и универсальном цифровом твердомере SwissMax600 (GNEHM Härteprüfer AG, Швейцария). Испытания износостойкости проводились на машине Хрущева-Бабичева при трении образцов по шкурке ТУ2-036-5ГСМ50 при давлениях 1 ± 0,05 МПа. Износ определяли линейным способом. Данные получены усреднением результатов испытаний по 5 образцам для каждого сплава.Обсуждение результатов исследований
Результаты металлографических исследований структур покрытий, полученных плазменной наплавкой представлены на рисунке 2.
РИСУНОК 2. Микроструктура покрытий, полученных плазменной наплавкой (х400)
Анализ структуры наплавленных слоев, выполненных порошками ФБХ-6-2 и ПГС-27, показал наличие ледебуритной структуры с равномерной сеткой карбидов хрома по границам кристаллитов. У наплавленных слоев на никелевой основе из порошков ПГ-СР4 и СНГН-60 в структуре металла содержатся карбиды и бориды. В слое, выполненном порошком ПГ-СР4, карбиды и бориды характеризуются преимущественно сферической формой, а при использовании СНГН-60 карбиды и бориды имеют неравномерную форму и существенно отличаются по размерам.
Структуры покрытий, полученные газопламенным напылением с последующим оплавлением в печи и ТВЧ, приведены на рисунке 3.
РИСУНОК 3. Микроструктуры сплава СНГН-60 в зависимости от способа оплавления (х400)
По результатам металлографических исследований было установлено, что длительный нагрев при печном оплавлении приводит к росту зерна и к увеличению размеров структурных составляющих покрытия, что неизбежно приведет к снижению износостойкости в условиях абразивного изнашивания. Еще более интенсивный рост зерна наблюдается при оплавлении ТВЧ, это связано с большими трудностями избежать значительного перегрева сплавов выше температуры их плавления при высоких скоростях роста температуры. Кроме того, перегрев сплава очень часто приводил к стеканию его с защищаемой поверхности. Полученные результаты согласуются с материалами [7].
Данные причины и результаты, полученные в работе [8], послужили основанием для выбора метода плазменной наплавки в качестве оптимального варианта.
Распределение твердости по толщине покрытий, полученных плазменной наплавкой, представлено на рисунке 4.
РИСУНОК 4. Распределение твердости по толщине покрытий, выполненных плазменной наплавкой
Наиболее высокими значениями твердости, сопровождающимися существенным снижением по толщине, характеризуется слой из порошка СНГН-60. При этом покрытия, полученные из остальных порошков, имеют близкие значения твердости, уровень которой сохраняется по толщине покрытия на глубину до 1,5 мм.
Результаты испытаний покрытий на абразивное изнашивание приведены в таблице 3. За эталон принята износостойкость стали 20ХГСНМ (ТВМ).
Таблица 3. Результаты испытаний оценки износостойкости покрытий
Сопоставление полученных данных по относительной износостойкости с результатами замеров твердости показывает наличие прямой зависимости между этими параметрами. Максимальную износостойкость продемонстрировал слой, полученный порошком СНГН-60 с наиболее высокой твердостью. При пробеге около 4000 км износ грунтозацепа составляет 6–8 мм, а скорость износа 20ХГСНМ (ТВМ) составляет 625 км/мм. Наплавка слоя сплавом СНГН-60 увеличивает ресурс работы трака в три раза.
Нагрев основного металла при наплавке, как правило, приводит существенному снижению стойкости к циклическим нагрузкам. При наплавке треков такое снижение может вызывать образование микротрещин в изделии, что ограничит длительность работы деталей гусениц машин.
На третьем этапе были проведены исследования по повышению стойкости серийных деталей и деталей с наплавленными грунтозацепами порошком СНГН-60 при циклических нагрузках за счет наклепа дробью. Циклическая стойкость серийных траков и траков с наплавкой определялась при нагрузке в диапазоне от 3 до 6 тонн. Количество циклов, которые выдержали образцы с наплавкой до появления трещин, приведено в таблице 5. Данные являются средним значением по 5 образцам.
Таблица 4. Циклическая стойкость траков
Для снижения напряжений между наплавкой и основным металлом деталей в технологический процесс был добавлен дробеструйный наклеп. Наклеп деталей проводился стальной сферической дробью на установке барабанного типа УЕД-324 с производительностью 0,7 т/ч. Размер частиц дроби ДСЛУ составлял 1,2–1,5 мм. Время обработки – 120 с.
Для оценки влияния дробеструйного наклепа на стойкость деталей при циклических нагрузках проведены испытания серийных и наплавленных траков после дробеструйной обработки. Режимы испытаний были аналогичны испытаниям траков без дробеструйной обработки. Значения стойкости приведены в таблице 5.
Таблица 5. Циклическая стойкость траков с дробеструйной обработкой
По полученным результатам можно сделать следующие заключения. Стойкость к циклическим нагрузкам после проведения наплавочных работ существенно снижается, что особенно заметно при увеличении толщины наплавки. Однако введение в технологический процесс операции дробеструйного наклепа позволяет обеспечить достаточный уровень стойкости деталей.
Целесообразно рассмотреть возможность проведения наплавочных работ до термической обработки траков [4]. Проведение термообработки после наплавки может способствовать снижению в них уровня напряжений и повысить стойкость к циклическим нагрузкам без дробеструйной обработки.
Как показали проведенные исследования, упрочнение деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа и циклических изгибающих моментов, дает положительный результат.
Условия работы грунтозацепов траков во многом близки условиям работы режущих кромок, коронок и бокорезов ковшей экскаваторов. Выполненные исследования дают основания перспективности использования плазменной наплавки сплава СНГН-60 для упрочнения и ремонта данных элементов оборудования.
Выводы
- Плазменная наплавка сплава СНГН-60 повышает износостойкость грунтозацепов траков более чем в три раза по сравнению с заводской деталью и в два раза по сравнению с другими исследованными износостойкими материалами.
- Наиболее целесообразным методом нанесения сплава СНГН-60 является плазменная наплавка, данный метод не приводит к излишнему увеличению зерна и дополнительным операциям термической обработки в виде оплавления.
- Дробеструйный наклеп может повысить стойкость деталей из стали ТВМ (20ХГСНМ) при циклических нагрузках в 2,2 раза.
- Проведение обработки дробеструйным наклепом позволяет увеличить стойкость траков при циклических нагрузках на 30 % даже после интенсивного термического воздействия при проведении наплавочных работ.
- Полученные результаты дают основания сделать вывод о перспективности применения технологии плазменной наплавки для восстановления с одновременным упрочнением зубьев, бокорезов, ножей и других элементов ковшей экскаваторов, условия работы которых во многом совпадают с условиями работы траков.
Литература
1. Крагельский Д.Н. Триботехника / Д.Н. Крагельский; – Москва: Машиностроение, 1985. – 424 с.
2. Плазменные методы упрочнения и восстановления рабочих органов дорожно-строительных и почвообрабатывающих машин: монография / И.Н. Кравченко, А.Ф. Пузряков, Е.М. Бобряшов, А.А. Пузряков. – Москва: Изд-во «Эко-Пресс», 2013. – 328 с.
3. Учкин П.Г. Исследование покрытий рабочих органов глубокорыхлителей, восстановленных плазменной наплавкой / П.Г. Учкин // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. – Оренбург: Оренбургский государственный аграрный университет, 2021. – № 3 (89), С. 126–131.
4. Металлографические исследования структуры и физико-механических свойств покрытий, полученных плазменными методами / И.Н. Кравченко, С.В. Карцев, С.А. Величко, Ю.А. Кузнецов, О.А. Шарая, М.А. Марков, А.Д. Быкова // Металлург. – 2021. – № 8. – С. 69–76.
5. Порошковая плазменная наплавка как способ повышения износостойкости и ресурса стальных деталей машин / О.Б. Бердник, И.Н. Царева, Л.А. Кривина, Ю.П. Тарасенко // Сварочное производство. – 2019. – № 10. – С. 34–38.
6. Дегтерёв А.С. Влияние технологических параметров плазменной наплавки порошком ПР-Х18ФНМ на абразивный износ покрытий / А.С. Дегтерёв, С.Ф. Гнюсов, М.С. Кирилкин // Известия вузов. Физика. – 2013. – № 1–2. – С. 76–81.
7. Влияние температуры оплавления на структуру и свойства самофлюсующихся покрытий на основе никеля / Е.Е. Корниенко, А.А. Никулина, А.Г. Баннов [и др.] // Материаловедение и обработка металлов. – 2016. – № 4 (73). – С. 52–62.
8. Девойно О.Г. Структурно-фазовое состояние и трибологические свойства покрытий на основе самофлюсующегося никелевого сплава ПГ-12Н-01 после лазерной наплавки / О.Г. Девойно, Е.Э. Фельдштейн, М.А. Кардаполова, Н.И. Луцко // Материаловедение и термическая обработка металлов – 2016. – № 12 (738). – С. 51–55.
