научная статья по теме ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ И ДЕТАЛЕЙ ЗЕМСНАРЯДОВ ПРИ АБРАЗИВНОМ ИЗНАШИВАНИИ, УПРОЧНЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫМ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫМ БОРИРОВАНИЕМ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ И ДЕТАЛЕЙ ЗЕМСНАРЯДОВ ПРИ АБРАЗИВНОМ ИЗНАШИВАНИИ, УПРОЧНЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫМ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫМ БОРИРОВАНИЕМ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ И ДЕТАЛЕЙ ЗЕМСНАРЯДОВ ПРИ АБРАЗИВНОМ ИЗНАШИВАНИИ, УПРОЧНЕННЫХ ПОВЕРХНОСТНЫМ ЭЛЕКТРОЛИЗНЫМ БОРИРОВАНИЕМ

Приведены результаты сравнительных стендовых испытаний шести марок углеродистых и легированных конструкционных сталей, упрочненных поверхностным электролизным борированием, а также данные о надежности борированных деталей в натурных условиях в гетерогенных абразивных средах и борированных черпа-ковых пальцев в шарнирных соединениях черпаковой цепи земснаряда.

По указанию Правительства РФ в ближайшее время планируется выполнение большого объема гидротехнических работ с целью решения актуальных транспортных и экологических проблем, связанных с необходимостью дноуглубления дельты Волги с ориентировочной стоимостью работ в течение 8—10 лет по 3—5 млрд руб. в год. Поскольку дноуглубительные работы выполняются судами технического флота (много-черпаковыми земмашинами и землесосными снарядами), то вопросы надежности, рабочих устройств земмашин и земснарядов, например уровень работоспособности деталей шарнирного соединения черпаковой цепи (пальцев, втулок и колец), подвергающихся интенсивному изнашиванию и в значительной степени определяющих эффективность эксплуатации дноуглубительной техники, приобретают важное значение.

В настоящее время в большинстве случаев детали шарнирного соединения черпа-ковой цепи земмашин изготавливают методом ковки из стали аустенитного класса Г13, содержащей 1, 0, . 1,4% углерода и 10, . 14% марганца. При горячей обработке из поверхностного слоя деталей выгорает углерод и марганец. Поэтому наружный слой деталей из этой стали не обладает достаточной износостойкостью при воздействии абразивных частиц и низкотемпературном схватывании поверхностей трения в сопряжениях и в течение 2, ., 3 недель работы земмашин детали изнашиваются, а зазоры в шарнирных соединениях увеличиваются на несколько миллиметров. Проблема повышения надежности шарнирных соединений многочерпаковых дноуглубительны снарядов в настоящее время в нашей стране и за рубежом не имеет удовлетворительного решения.

В настоящей приведены результаты исследований эффективности химико-термической обработки (электролизного борирования) сталей и черпаковых пальцев с целью повышения надежности рабочих устройств земснарядов.

Имеющиеся в печати данные по износостойкости деталей, подвергнутых поверхностному борированию, при работе в абразивных средах позволяют считать этот вид упрочняющей химико-термической обработки перспективным для повышения долговечности деталей шарнирного соединения черпаковой цепи земснарядов, например черпаковых пальцев. С наибольшим эффектом борирование можно осуществить электролизным и газовым борированием, а также борированием с применением обмазки [1, 2]. В качестве обмазки применяется смесь, состоящая из порошка карбида

Марка стали Глубина борированного слоя (в мм) при плотности тока 0,2 А/см2 и температуре 950°С Средняя твердость по Виккерсу после борирования в течение 4 часов Оптимальная плотность тока, А/см2

После 4 часов После 8 часов

Сталь 40 0,22 0,38 1120 0,20

27СГТ 0,22 0,35 1430 0,20

27СГ 0,21 0,31 1100 0,20-0,25

30ХГСА 0,20 0,28 1400 0,20

40ХСА 0,21 0,26 1450 0,20-0,25

20Х 0,19 0,25 1160 0,20

бора В4С и гидроэтилсиликата (в качестве связующего). После нанесения на поверхность детали этой смеси детали нагревают ТВЧ. При нагреве токами высокой частоты до 1150—1200° в течение 2 мин образуется боридный слой толщиной 0,06—0,08 мм. Увеличение выдержки до 3 мин приводит к увеличению слоя до 0,08—0,12 мм. Максимальный боридный слой может быть 0,2—0,25 мм, но для этого нужна выдержка 2—3 часа.

Достоинством метода борирования с применением обмазки является его относительная простота, а применительно к черпаковым пальцам — возможность создания твердого износостойкого подслоя при охлаждении деталей в воде после нагрева ТВЧ, что весьма важно для предотвращения выкрашивания твердого слоя при ударах. Недостатком метода является небольшая глубина диффузионного слоя и невысокая стабильность процесса с точки зрения результатов обработки. Для массового и крупносерийного производства деталей, этот метод борирования представляется более перспективным, чем метод электролизного борирования.

В таблице приведены значения глубины борированного слоя и твердости для шести марок стали при оптимальных значениях температуры электролизного борирования и плотности тока, обеспечивающих наибольшую трещиноустойчивость борированного слоя.

Анализ накопленных опытных данных указывает на то, что поверхностное электролизное борирование углеродистой стали может привести к повышению ее износостойкости при абразивном изнашивании примерно в 3—4 раза.

Для проверки этого положения была проведена сравнительная оценка стойкости борированной стали при абразивном изнашивании на машине Х4-Б [3], разработанной в Институте машиноведения им. А.А. Благонравова РАН. Для испытаний была выбрана углеродистая сталь 40 и легированные стали 27СГ, 30ХГСА, 27СГТ и 40ХСА. Образцы из этих сталей диаметром 5 мм под нагрузками соответственно 0,3; 0,6; 0,9; 1,2; 1,5 и 1,8 МПа прижимали к вращающемуся диску, покрытому шлифовальной шкуркой № 320. Путь образца по шкурке составлял 34 м при длительности испытаний около 2 мин.

Каждую марку стали испытывали в состоянии поставки, после закалки и низкого отпуска до твердости 50 HRC и поверхностного электролизного борирования при температуре 950°, плотности тока 0,2 А/см2 в течение 3 часов (испытания производили в Ленинградском институте водного транспорта).

Результаты испытаний указанных образцов приведены на рис. 1 (P — давление). Анализ результатов испытаний показал, что в условиях абразивного изнашивания с преобладанием микрорезания легированные стали мало отличаются по износостойкости одна от другой. Закалка сталей в среднем лишь в 1,3 раза повышает их износо-

Рис. 1. Стойкость сталей при абразивном изнашивании на машине Х4-Б: а - сплошные линии — образцы без т/о; пунктирные линии 1 '-5' — закаленные образцы: б - борированные образцы: 1, 1'- Ст. 40; 2' - 27 СГ, 3, 3' - 27СГТ; 4, 4'- 30 ХГСА; 5, 5'- 40 ХСА

10 15 20 ■ 10-1 Р, МПа

стойкость (при давлении 1,5 МПа). Поверхностное борирование увеличивает износостойкость углеродистой стали примерно в 10 раз, а легированной в 7 раз. Закалка стали 40 в 2 раза повышает ее износостойкость при испытании на машине Х4-Б, а борирование еще значительнее - в 11,2 раза.

Были проведены сравнительные испытания серийных, закаленных, а также бори-рованных пальцев в условиях, наиболее приближенных к условиям их работы в полевых условиях. С этой целью была разработана и изготовлена установка, позволяющая одновременно испытывать до 12 образцов при скоростях их перемещения в емкости с грунтом, равных соответственно 1,8; 2,0; 2,5; 3,5; 4,2 м/с. Рабочая смесь состояла (по весу) из 70% подзолистой почвы и глины с добавлением 20% речного песка и до 10% речного гравия крупностью до 8 мм при влажности смеси до 20%.

Испытания по каждому варианту повторяли от 3 до 5 раз. Контрольные испытания проводили в сухой и переувлажненной среде. На рис. 2 приведены результаты испытаний для некоторых вариантов при скоростях 2,6 и 3,5 м/с (? - время). Они показывают, что долговечность серийно выпускаемых черпаковых пальцев повышается за счет термической и химико-термической обработки (борирования). В испытанных вариантах наибольшее увеличение износостойкости образцов было достигнуто в результате их поверхностного электролизного борирования. При этом коэффициент износостойкости упрочненных образцов, подсчитанный по величинам их линейного износа, составил 2,78-6,6 (в среднем 3,9), что согласуется с результатом, определенным при испытании на машине Х4-Б, где он равен 3,68.

В производственных испытаниях борированные пальцы из стали Ст. 5 и стали 45 (100 шт) оказались более износостойкими по сравнению со стандартными из стали Г1ЗЛ. Средняя величина износа для 20 борированных пальцев после 700 часов работы составляла 2,5 мм, а для стандартных - 3,82 мм. Износ замеряли по уменьшению диаметра в наиболее изношенном сечении.

После разрушения борированного слоя интенсивность изнашивания деталей резко возрастала. Результаты эксплуатационных испытаний показали, что износостойкость борированных деталей в условиях высоких давлений зависит от исходного рельефа ра-

0 6 12 18 24 30

Рис. 2. Кинетика изнашивания образцов (при скорости 2,6 м/с): 1 — 2 Ст. 5; 2 — стали 45 (45-50 ЫЯС);

3 — стали 45 борированной Рис. 3. Зависимость износа борированных черпаковых пальцев из стали: 45 (1) и стали Ст. 5 (2) от продолжительности работы в натурных условиях

бочих поверхностей деталей, что в значительной степени определяет период работы борированного слоя до начала разрушения. Увеличение долговечности борированно-го слоя в связи с этим может быть достигнуто предварительной токарной обработкой деталей и более точной сборкой шарнирного узла.

Несколько более высокой износостойкостью обладали пальцы из стали 45 с поверхностным борированным слоем (рис. 3). Это объясняется более глубоким твердым подслоем (после закалки и отпуска). Рабочая поверхность — после ковки и пескоструйной очистки, зазор в шарнире 0,5—1,5 мм. Втулки и пальцы, обработанные на токарном станке, после борирования и закалки показали более высокую износостойкость вследствие уменьшения зазоров в шарнирном узле.

Таким образом, упрочнение черпаковых деталей поверхностным электролизным борированием можно рекомендовать как прогрессивный метод для широкого производственного внедрения. Однако при этом рабочие поверхности черпаковых деталей должны иметь достаточную чистоту поверхности (Rz < 20, . 40 мкм). После сборки деталей зазоры в сопряжении должны быть небольшими (не более 0,3 мм). Под бо-рированным слоем должен находиться значительный по

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎