автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной стойкости изделий, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания

.; Ьткшшй ОРДЕНА ТРУДОВОГО красного^ знаМейи металлургический институт

имени серго орджоникидзе

На правах рукописи СИНЯВСКИЙ Александр Федосович

УДК 669.14.018.298.3(043)

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ

ИЗДЕЛИЙ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИВНОГО АБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ

Специальность 05-16.01. — «Металловедение и термическая обработка металлов»

автореферат

диссертации на соискание ученой степени - .'" кандидата технических.наук

Новокузнецк — 1990

/ 7 г

-) ' у

Работа йыдашела в ОхСярсгГам ордена* Трудового Красного Знамени металлургическом институте имени Серго Орджоникидзе.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Тараско Д. И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Черняк С. С., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Муратов В. М.

Ведущее предприятие:

Кузнецкий машиностроительный завод

Защита состоится «Л® »_¿(¡с н^_1990 г,

в часов на заседании специализированного Совета

К 063.99.01 в Сибирском ордена Трудового Красного Знамени металлургическом институте имени Серго Орджоникидзе по адресу: 654053, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского ордена Трудового Красного Знамени металлургического института имени Серго Орджоникидзе.

Автореферат разослан « /§~» ^и ¿ь^_ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного Совета,

к. т. в., доцент II / Я. В. ШАМЩ.

_ з -

ОЩАЯ- ХЛРАКГЕБ1СТ11КА' РАБОТЫ

Актуальность „работы. Одной аз главных задач машиностроения является поЕшэние надежности и долговечности машин, работаиднх в сложных условиях эксплуатации.

Повышение надежности и долговечности деталей машин горного, строительного а дорокиого машиностроения представляет особый интерес, где вследствие усиленного износа под воздействием абразива, прегдевремшго выходят из строя наиболее ответственные детали рабочих органов землеройных машин, например бульдозеров, гройдеров, скриплеров. Из строя выходят в первуо очередь ножи рабочих органов, что приводит к значительным ремонтным расходам п сшиению производительности машин из-за вынужденных простоев.

Ресурс серийно изготавливаемых ножей, как доказывает практика эксплуатации бульдозеров, неудовлетворительный. Так например средние ноги бульдозеров, изготовленные из -Лгали 65Г с.упрочнением передней режущей кромки поверхностной закалкой на глубину 1,5 - 2,0 мм, имеют ресурс около 1800 мч, а боковые нови тяжелых бульдозеров, изготовленных из стала 110Г131 -840 мч, в го время как по требованиям стандарта они должны иметь средний ресурс до замены 3000 мч и 1500 мч соответственно. Кроме того потребность страны в ногах соогааляет около 5 шш. шт.,- а в настоящее время эта потребность не удовлетворяется.

В связи с этим проблема изготовления надежных и долговечных, одного из металлоемких видов продукции, какими являются нозш бульдозеров и других машин, является актуальной задачей и имеет большое народнохозяйственное значение.

Анализ причин неудовлетворительной стойкости указанных деталей показывает, что в настоящее время повышение эксплуатационной стойкости может быть достигнуто за счет оптимизации технология термического упрочнения, повывшая ее качества,- а такие за счет разработки и применения новых износоустойчивых материалов в соответствии.о назначением и условиями работы. При атом повышение эксплуатационной стойкости нсаей необходимо увязывать со свойствами используемых материалов после упрочняющей обработки, при 'назначении которой необходимо детально изучать условия взаимодействия изнашиваемой детали и абразива.

Келью работы явилось изыскание новых возможностей увеличения долговечности ножей рабочих органов землеройных машин и разработка практических рекомендаций на основе экспериментальных данных по изучении свойств некоторых материалов после различных упрочняющих обработок.

В соответствии с этим в работе были поставлены следующие задачи:

1. Исследование механизма износа нокей исходя из условий их работы и анализ причин их низкой износостойкости.

2. Создание установок, имитирующих реальные условия износа для испытаний образцов шш фрагментов ножей.

3. Исследование влияния различного структурного состояния и параметров упрочненного слоя на абразивную износостойкость. Создание необходимой оснастка для осуществления способа. Разработка технология упрочнения некой. бульдозеров тягового класса до 10 т.е. с целью повышения износостойкости.

4. Проведение поиска с целью разработка марки стали и технологии ее термического упрочнения, применение которой позволит повисать износостойкость боковых нсией тя&елых бульдозеров. Провести исследования механических свойств, износостойкости, трещикостойкости и других свойств и на их основе оптимизировать химический состав и режимы термического упрочнения.

5. Проведение рассширэнных промышленных испытаний с целью проверки найденных решений, изучение закономерностей изнашивания и изменений, происходящих на поверхностях трения нолей

с различными методами упрочнения, оценка их эконошческбй эффективности и, исходя из результатов полученных данных, представление рекомендаций об их использовании.

Шутоя wmm>

1. На основе фрактографического,про£ялографического анализа, изучения шкротвердости поверхностей трения исследован механизм износа режущей кромки ножей. Установлено, что превалирующим механизмом изнооа опорной поверхности является процесс микрорезания, а передней и тыльной поверхности -'многогранное полидефорыационноэ ( усталостное ) разрушение.

2, Разработана новая ызрка лигой износостойкой отали ( A.C. СССР,

а II74490, С22С, 38/24 ), исследованы ее механические свой*

сета, ударная вязкость, трещиносгойкость и микроструктура в состоянии объемной закалка и "нормализации" в потоке сжатого воздуха.

3. Когятлекснш! исследованиями и с помощью механизма износа выявлена роль циклической и статической трещиностойкоотн в процессе абразивного изнашивания. Установлена связь мевду абразивной износостойкостью и характеристиками вязкости разруше-1шя, что создало основу дая оптимизации режима термического упрочнения нсгсой, привода к получению необходимого сочетания прочностных и пластических свойств. Показано, что наибольшей абразивной износостойкостью обладают структуры с высокими характеристикам! прочности, вязкости разрушения и по-ниненнымн значениями скорости роста усталостной трещшш.

4. Изучены изменения на поверхности трения в процессе эксплуатации, шрат.ашдаеся в изменении шкротвердосги, структуры

и химического состава. Определены основные закономерности иь носа нокей в процессе эксплуатации.

Приведено несколько схем маршрутной технологии изготовления а упрочнения ножей.

Птактичеседя ценность,. Исследована и показана целесообразность применения разработанной технологии упрочнения ноной бульдозеров тягового юисса до 10 т.е. по контуру режуцой кротка, возводящей ограничить износ задней и тыльной поверхности ножа и тем самым повысить износостойкость ножа в целом.

Показана перспективность применения новой экономиолегиро-ванной стали взамен применяемой шце стали 110Г13Л. Разработанные методы упрочнения могут бить нспользова1ш для упрочнения раяущих органов других землеройных машин, как например скреп-перов, грейдеров п т.п. Раэработашше технологии превосходят изустные применяемые в настоящее время серийно. Впервые установлено влияние дифференцированной твердости, получаемой при термообработке на различных поверхностях рожущей крошш с целью армирования ее стабильной конфигурации с высокими рожущими свойствами.

Результат проведенных наследований бши положены в основу технологии изготовления олитио-промшиденной партии нсиой. в промышленных условиях Калкамзнского, Николаевского заводов "Дорыли" били изготовлены олатнш детгии, которые обладают слу-

жебным! характеристиками, удометворяодш ОСТ ^¡-и'Оо-й.'! н.д

данные изделия. Промышленные испытания показати высокие эксплуатационные характеристики опытных деталей. Износостойкость ножей, упрочняемых ГБЧ по контуру режущей кромка из стали 65Г в 2,68 раза, сталей ЗСКГСМН и 45ХГСММ в 1,9 раза выше в сравнении с серийными. Оценка износостойкости кожей, упрочняемых по повой.технологии, подтверждена ,актами промызлешшх испытаний.

Результаты исследований внедрены на Калкаманском и Бердянском заводах "Дормаш". Годовой экономический эффект, полученный в результате применения новой технологии упрочнения ножей, составил 406,7 тыс.рублей в год. Результаты исследований внесены В ОСТ 22-1285-83.

■Апообатая работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на:

1. Республиканском научном семинаре "Тершческая обработка стала и сплавов" (г. Киев, 1983 г.).

2. Республиканском научном семинаре "Литые износостойкие материалы, их разрабчтка и применениа" (г. Киев, 1982, 1985, 1987 г.г.).

3. Всесоюзном семинаре "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий" ( Новокузнецк, 1988 г.).

4. Региональной научно-технической конференции "Достиаения науки - в производство" (Новокузнецк, 1984 г.).

5. Региональной научно-технической конференции "Повышение эффективности металлургического производства" ( Новокузнецк, 1985 г. ).

6. Зональном совещании "Структура и свойства металлов" ( Новокузнецк, 1988 г. ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 статей и получено авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем работы. Основное содержание работы наломано на 148 страницах машинописного текста. Работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованной литературы из 146 наименований, 62 рисунков, 18 таблиц и 5 приложений.

Содержание работы

Во введения показана актуальность проблемы, сформулирована цель работы и дана ее краткая аннотация.

В пепзой главе на основе изучения литературных данных рассмотрены особенности абразивного изнашивания, влияние внешних условий, в которых мокет проявляться абразивное изнашивание,классификация абразивного изнашивания. Особое внимание уделено пониманию механизма износа под воздействием абразивного материала.

В литературе практически отсутствует единое мнение о механизме отделения единичной часгида изнашиваемого материала, однако отмечается значительная роль повторгшх пластических деформаций, приводящих к образованию и развитию ми^дэотрещин, о последующим отделением частицы износа. Спорным является вопрос о влиянии твердости сталей на их износостойкость. Ряд авторов указывает, что твердость не является основным критерием износостойкости. В

главе рассмотрено также влияние структурных факторов и химического состава на абразивную износостойкость сталей.

Анализ состояния вопроса показал недостаточный срок службы ответственных деталей рабочих органов землеройных машин, например нолей, которые работают в трудных условиях эксплуатации, связанных с воздействием абразивности разрабатываемых грунтов под нагрузкой, что значительно сокращает долговечность я надежность машины в целом, увеличивает простои, снижает производительность, требует огромного количества запасных ножей, это отвлекает промышленность от своих основных задач. В главе дан критический обзор существующих сейчас методов упрочнения нолей бульдозеров различного класса.

До последнего времени в практика упрочнения ножей применяют г'эгоды, при которых упрочняется только передняя режущая кромка, либо поверхностной закалкой с нагрева ТВЧ, либо наплавкой дорогими износостойкими материалами.

Анализ условий работы ножей показал, что в процессе эксплуатации сильному износу подвергается неупрочнекная задняя кромка ноной, в результате чего передняя кромка работает в более трудных условиях, приводя к снижений износостойкости ножа в цело;,!.

Нельзя признать рациональным и изготовление боковых полюй бульдозеров класса свыше 10 т.е. из высоколегированной марганцовистой стали аустеиитного класса 110Г13Л, высокая износостой-

- а -

кость которой проявляется лишь при высоких контактных воздействиях.

Общая потребность в кожах дая землеройных машин составляет свыше 5 мин. штук, а заводы, производящие эти ножа, не в состоянии обеспечить эту потребность. Несмотря на некоторые по-"ытки эксплуатационных служб и исследователей найти рациональные возможности повышения эксплуатационной стойкости нояей до сих пор не удалось решить эту проблему.

В связи с этим ставится задача повышения работоспособности деталей такого типа. Сложность поставленной задачи обусловливается тем, что нояи рабочих органов землеройных машин должны иметь высокие прочностные свойства с достаточным запасом вязкости, обеспечивакщих работу ножей без хрупкого разрушения.

В литературе отсутствуют сведения о влиянии конфигурации закаленного слоя, его толщины на износостойкость, об оптимизации режима термической обработки сталей, подвергаемых объемному упрочнению. Мало изучены вопросы о влиянии структурного состояния, скорости роста трещины, вязкости разрушения, внешних факторов нагружения на абразивную износостойкость сталей. Неясны также основные закономерности износа и структурных изменений в зоне трения, происходящие в процессе эксплуатации.

На основании анализа литературных данных определены пути поисковых исследований, направленных на изыскание наиболее перспективных методов упрочнения нояей различного типа.

ро второй главе"приведены используемые в исследовании материалы и методики выполнения экспериментальной части.

Исследования проводились на качественной углеродистой стали 45 и низколегированных сталях 65Г, ЗОХГСА, 55ХГСФ ( ГОСТ 4543-71 ), которые была выплавлены и прокатаны на лист толщиной 18 мм, и на литых сталях экспериментальных марок ЗОЩШ, 40ХГС1, 45ХГС1Ш, которые выплавлялись в 3-тонной электродуговой печи Николаевского завода "Дормашана". Применялась также серийная сталь ПОЛЗИ производства Нязепегровского завода строительных, машин. Образцы дая исследований вырезались непосредственно из готовых изделий.

Изучение абразивной износостойкости проводила в условиях прямого и полидеформацаонного разрушений на специально сконструированных дая зтой цели установках,- позволяющих получать идентичный механизм изнашивания различных поверхностей ноаа, с воз-

мощностью варьирования в широких пределах нагрузки, скорости сколь-иения я угла атаки. Эксплуатационную стойкость опытных деталей проверяли в прокиданных условиях эксплуатации бульдозеров, при этом износ определялся по изменению линейных размеров, а конфигурация рабочей кромки ножа - методом слепков.

Оценка упрочненного состояния исследуемых сталей проводилась с помощью испытаний на статическое растяаение и ударный изгиб изменений твердости и микротвердости, а такае по определено вязкости разрушения, сопротивления сталей, распространению усталостной трещины и износостойкости.

Для исследования структурного состояния сталей применяли методы световой и электронной микроскопии.

Металлографический анализ проводили при различных увеличениях (от ЮО до 500х). Размер зерна аустенита определяли по ГОСТ 5639-82 методом секущих.

Фрактографпческие исследования изломов, поверхностей износа а ьетфоструктуры проводили с помощью электронного микроскопа УЗМВ-ЮОК. Объектами исследований служили угольше реплики, полученные с поверхности шкрошшфа или поверхности изломов разрушению: образцов.

Анализ тонкой кристаллической структуры образцов проводили рентгенографическим методом по величине физического уншрения линий (110) 00 а (220) СС на дафрактоштре ДРОН-2.

Микрорентгеноспекгральный анализ проводили для исследования распределения легирующих элементов в структуре после термической обработки, неметаллических включений и на поверхности изношенных поверхностей. Исследование проводили на элекгронно-зондовом микроанализаторе 11СХА-733 (3611 Ь).

В работе применяли также другие метода исследования. Критические точки экспериментальных сталей определялись дилатометрическим и термическим методом. Для изучения шкронеровностей использовали метод профадографирования (ГОСТ 2789-73). Полученные результаты измерений обрабатывались методами математической статистики.

третьей глдзе представлены экспериментальные данные, поправленные на разработке технологии термического упрочнения нолсей с индукционного нагрева по контуру реяущей кромки. Дана краткая характеристика индукционного нагрева ее достоинства дая обработки деталей данного типа в поточном производстве, возмогмоетью получения благоприятного сочетания поверхностного износостойко!'« слоя

и вязкой сердцевины, приводящей к получению высокой конструктивной прочности ножей.

Учитывая, что более 50% всех ноаей бульдозеров класса до

10 т.е. изготавливают с применением закалки с индукционного нагрева, представляется необходимым использобйть этот производительны,! способ.

Недостаточная износостойкость серийных ножей связана с усиленным износом неупрочненной кромки, поэтому в главе рассмотрены особенности формирования закаленных слоев при упрочнении различных поверхностей. Изучено влияние параметров упрочненного слоя на износостойкость при трещи в условиях прямого разрушения.

Для реализации закалки по контуру лезвия кока было разработано техническое задание на проектирование соответствующего оборудования, которое было выполнено ВПО "БПГистройдормаш" и впоследствии бшю изготовлено на опытном заводе этого объединения при непосредственном участии автора. Это оборудование было установлена на полуавтоматических закалочных станках на Калкаманском и Бердянском заводах "Дормаш". Разработанный индуктор позволял производить закалку ножей шириной 180 мм и получать слой глубиной 25 мм и шириной до 50 ш с обеих сторон лезвия. Опытные ножи зг.каливались непрерывно-последовательным методом на различную глубину (2,5-4,5 мм), которую получали за счет изменения скорости прохождения ножа в индукторе. Дяя получения глубины слоя в 2,02,5 мм; 2,5-3,5 мм и 3,5-4,5 мм использовали скорости, соответственно 6,5; 5,6 и 4,2 мм/с. Охлаждение спрейарное. Закалочные трещины при этом отсутствовали. Величина зерна соответствовала 10 -

11 баллу, что способствовало получению высоких механических свойств за счет мелкоигольчэтого строения мартенсита,-

Изучение твердости показало однородность в ее распределении на различных закаливаемых поверхностях. В сравнении с твердостью основы твердость слоя повышается в 3,1 раза. Колебания значений поверхностной твердости находилось в пределах 0,24 - 0,63 ед НЬС, а среднее квадратичное отклонение среднего значения с доверительной вероятность» 0,95 не превышало С,22.

Микротвердость поверхностного слоя, измеренной на расстоянии 20 мкм составила в среднем 7480 и 7230 МПа соответственно для сталей 65Г и 45. Изучение шкротвердости по сечению фрагмента нона позволило выявить три характерные зоны, отличающиеся собой как структурой, так и протяженностью. Выявлена протяженность переход-нэп зоны, от которой во шогом зависит распределение структурных

напряжений и конструктивная прочность детали в целом. Для нокей, упрочненных: на глубину 2,0 - 2,5 и, 2,5 - 3,5 и 3,5 - 4,5 мм протяженность переходного слоя составила 1,5; 2,2 и 3,5 мм. За переходный слой принимался слой со структурой троостита с небольшим количеством мартенсита, троостита и троостосорбита.

Изученио влияния конфигурации и глубины закаленного слоя на абразивную износостойкость в наиболео кестких условиях испытаний, при которых реализуется механизм прямого разрушения,,выявило на кривой "износостойкость - число циклов испытаний" три характерные зоны с различной интенсивностью изнашивания - зону приработки, установившего и прогрессирующего износа. Установлено, что большое влияние на износостойкость фрагментов серийных ножей оказывает износ ноупрочнеяной кромга. Износостойкость фрагментов ножей, упрочненных по контуру режущей кромки при глубине закаленного слоя в 2 мм, превышает износостойкость серийных ноаей с такой же глубиной упрочнения в 1,5 раза. Сравнительные испытания фрагментов но-г.ей с различной глубиной закалки в зоне установившегося износа показало повышение износостойкости фрагментов с увеличением глубины слоя при прочих равных условиях. Лабораторные исследования но позволили выявить оптимальную требуемую глубину слоя, а следовательно п запас хрупкой прочности нохей из-за маокаства факторов, имеющих место при эксплуатации. Это было сделано при производственных испытаниях С гл. 5 ).

В четр^птоН .глпрп приведет результаты исследований по разработке стали и технологии ее упрочнения для боковых ногой тяжелых бульдозеров тягового класса свыше 10 т.е. При назначении химсостава стали исходили, во-первых, из того, что ноет долины обладать высокими значениями прспюста и пластичности, обеспечиваетлх работу без хрупкого" разрушения. Во-вторых, используемые литые стали долшш быть экономно легированными. В-третьих, упрочняющая обработка литых деталей дожша быть максимально простой. Поэтому химический состав должен обеспечивать при однократной термической обработке заданные свойства и структуру. В качестве основных лег::-рувдьч элементов были приняты широко применяемо хром, марганец, кремний. В то зо время била исследована эффективность легирования стали небольшим количеством молибдена и ванадия, которые обладают рядом положительных свойств, приводящих к повышению прочностных свойств при сохрашзшюй или повышенной пластичности.

Выбор системы легирования обеспечивал требуемо щлкчшшый-г.ссть.

Дяя определения оптимального режима.термической обработки, обеспечивающего необходимый комплекс свойств оптимальных с точки зрения износостойкости и работоспособности, бшш рассмотрены следу -лцие варианты:

1) Закалка и последующий отпуск при температурах 250, 350, 450, 550 и 600°С

2) "Нормализация" в потоке сжатого воздуха '

3) Изотермическая закалка при температуре изотермы 320°С Полученные зависимости механических свойств, ударной вязкости сталей ЗОХГСЫД, 40ХГСЛ и 45ХГСШД в зависимости от температуры отпуска показало, что стали 30ХГС1/Л и 45ХГСМШ. имеют более высокий предел прочности и предел текучести, чем у стали 40ХГСД. После отпуска при 450°С стали 30ХГСМП и 45ХШЖ имеют значения временного сопр тивдения и предела текучести соответственно 1400 и 1200 Ша ;уш стали ЗОШШ и 1470 и 1240 Ша дня стали 45ХГСШД при достаточно высокой твердости 4090 Ша и 4150 Ша, что свидетельствует

о некотором преимуществе этрх сталей в сравнении со сталью 40ХГСД, у которой временное сопротивление и предел текучести при этой температуре отпуска составляет соответственно 1170 и 230 Ша,' Некоторое преимущество эти стали имеют и по показателям ударной вязкости, у которых снижение величина ударной вязкости со снижением температуры испытаний имеет более пологай характер.

фрактографическими исследованиями установлено, что при температуре отпуска 450°С в изломе наблодаются участки, характерные для вязкого разрушения - гак называемые участки с "чашечным" изломом.

Исследования механических свойств после "нормализации" и изотермической закалки, при 320°С также доказало небольшое преимущество сталей ЗОХГСМП и 45ХГСМФ1 в сравнении со сталью 40ХГ0Д . по показателям пределов прочности и текучести. Различий в показателях ударной вязкости практически не наблюдается.

Изучение микроструктуры на оптическом и электронном микроскопах показало, что "нормализация" в потоке сжатого воздуха и изотермическая закалка обеспечивает получение бейяитной структуры. Раз-мор мелкодисперсной фазы в бейнитной структуре неоднороден и колеблется с 0,008 мкм до 0,125 мкм, преимуществённый размер составляет 0,003 мкм. При температуре отпуска 450°С в сталях количество и размер карбидной фазы увеличивается до 0,2 мкм, однако лреимущест-!-5шшй размер с$азы по-прежнему составляет 0,008 мкм.

."дн:рорентгекоструктурным анализом установлено наличие в твер-:: детвора хрома, кремния и марганца. Молибден и ванадий обра-гь-лтсодасперснае карбида типа С Ге, Мо) С 11 УС • Анализ не-

метзлличоских включений в характеристическом рентгеновском излучении свидетельствует о их сложном состаЕе, Учитывая, что в процессе абразивного изнашивания износостойкость стали определяется но только структурой, но и трещиностойкостью, так как при взаимодействии абразивной частицы с металлом образуются надрывы и мн1<ротре:дц-ны, приводящш к усиленному износу. В этой связи выбор марки стали и рациональных ендов термической обработки, оптиказирувдлх структуру» в отношении износостойкости так и трецинссгойкооти и:,?оет первостепенноо значение»

Розультата-и испытаний стал! на циклическую хрециностоПкоста. показано, что трещииоетойкосГ-Ь стали ЗОХГСМД и 45ХГСШД ьо ¡.логом сходится. При малых значениях Д К зависимости роста усталостной трещины от рзкяга термической обработки ш:еег такой порядок, что !,максимальной скоростью роста обладает стала в соотояив закалки ¡1 низкого отпуска, далее по керо упэньшт скорости роста трекзнш иду? стали посяо нормализации в потоке скатого воздуха закалки и отпуска при 450°С и изотермической загадки.

С ростом размаха коо$£и«иенга иш'висввиоста напряжений рззш-ца в скорости роста усталостной трещит в сталях с различны?.! структурным состоянием вц-чвляется болэе отчетливо и при значениях

31 Шал/м г.тет достигать двух пределов. При этом циклическая тре-ЕгпносяоЗкоогъ для сталей с различны»! структурнш состоянием тпя-ется. Максимальной трвсрностсйкость» обладают стали после закалки и отпуска при 450°С, далое по мере убывания идут стали после нормализации в потоке сжатого воздуха и изотермической закалка.

Цовызйюш циклячоская трвизаостоШкоагь объясняется пошшвш-ем подлинности дислокаций в трооститной и бейнптных структурах в результате уменьшения их плотности и уменьшением содержания углерода и леглрувцих элементов в твердом растворе, приводящим к оптимальному сочетании прочности и пластичности, при удовлатворительной вязкости, которая издавшее исчерпывается впереди фронта усталостной трещины.

Испытания на статическую трецвкостойкость показало следующее: Сталь ЗОХГСМ и 45ХГСММ в состогпши заиалкн и отпуска обладает максимальной трсщшостойкостыо - 58,5 Шал/м и 64,3 Ша-\/РГ со-ответстпонно. Структуры сталей в состоянии нормализации в потоке сжатого воздуха и изотермической закалки обладают значениями рта-кости разрушения для стали ЗОХГСМ - 63,0 п 52,5 .:'.1л-\/;.? , с стал:? 45лГС;Ш - 51,2 я <?.0 ШЛ/ГТ . - ■

""'^у.-^Гс..;,! олектрО: " 1 ■ '

излома показало, что характер разрушения сталей с мартенситной структурой хорошо согласуется с данными по определению скорости роста усталостной трещины и вязкости разрушения, которые имеют низкие значения.

В сталях со структурой троостита отпуска в первой зоне разрушения, в изломе сталей ЗОХГСШ. и 45ХГС5Ш наблюдаются участки с мелкими включениями и волнистыми шкрообразоэаниямл, напоминаиь цимн борозда. На втором и третьем участке основную долю излома занимают участка с мелкими микротрещинаап характерными, как для вязкого, так и дая хрупкого разрушения. Разрушение образцов после нормализации в потоке сжатого воздуха и изотермической закалки показало сходность морфологии изломов в первой зоне усталостного разрушения и различный механизм в зоне распространения усталостной трендош и в зоне долог,¡а. В первом случае разрушение идет с большим поглощением энергии. Здесь, превалируют участки, вязким чашечным изломом. Во втором случае в зоне развития усталостной тредани имеется участки с очень мелкой вязкой составляющей, иногда прослеживаются усталостные бороздки, В зоне долома ясно виден кежзерешшй безъямочшй характер разрушения, осуществляемый по принципу меазаренного разрушения,

Результаты микрофрактографического исследования позволили связать характерный рельеф излома не только со структурой, но и с величиной ее сопротивления росту усталостной трещины. Наиболее высокая трещиностойнооть соответствует механизму роста трещиш, идентифицируемому по рельефу с вязким чаиечшш изломом. Именно этот меха1шзм обусловливает повышенную трещиностойкость исследованных сталей в состоянии закалки а отпуска при 450°С или норш-лизации в потоке сжатого воздуха. Это характерно для высоких скоростей роста усталостной трецшш. Для низких скоростей роста трещины механизмы, которые приводят к образованию ручьистых узоров, характерных: для бороздчатого квазискола, для трооститных я бейнит-ных структур, па-кздамому близки хотя бы по энергоемкости, а поэтому здесь близки и скорости роста усталостной трещины.

Испытания на износостойкость в условиях прямого'и полидефор-. мационного разрушений показало, что в условиях прямого разрушения зависимость относительной износостойкости от твердости является линейной. Относительная износостойкость сталей 30ХГСШ1 и 45ХГСИШ несколько выше чем у стали 40ХГС1. Износостойкость образцов с бей-

ниткой структурой вше износостойкости образцов с трооститной структурой, при равной твеходости на 10-15$.

В условиях полидаТюрг.пционного разрушения высокая твердость стали не приводит к повышению и износостойкости из-за хрупкого скола фрагментов из "блоковой" структуры приповерхностного слоя. В результате сколов на поверхности износа образуется густая соть микротровдн, которые, развиваясь, приводят к отделегош новых частиц износа. В этом случае и трещиностойхость характеризуется- по-шиешшми значениями вязкости разрушения и повышенными значениями скорости роста усталостной трещины. Выявлена связь между хрракте-ристикаш вязкости разрушения и износостойкостью.

Установлены зависимости относительной износостойкости от внешних условий нагруаения - нагрузка, скорости, пути трения и угла атаки.

йрактографическими и электронно-микроскопическими исоледова-Ш1ЯМИ поверхности трения установлено, что при испытании з условиях прямого разрушения на поверхности трения наблюдаются канавки, на дне которых зачастую имеются поперечные микротрещины, образующиеся в результате растягиваниях напряжений. По краям канавок наблюдаются гребни предразрушенного металла.

При испытании в условиях полидеформационного разрушения на фрактограммах наблюдаются следы интенсивной пластической деформации, приводящие мшерообъеш металла в предразрупенное состояние в результате усталости. Оценка дефектности кристаллического строения, определяемая по физическому уширению рентгеновских линий показала, что наибольшим приростом физического уширения линий обладают стали с сорбитной структурой. Далее идут стаж? с бейзгатной и мартенсит-ной структурами.

Наряду с характеристиками прочности дая оптишзации режима термической обработки асследоЕана зависимость статической и циклической трещяностойкооти от структуры и твердости. Исследования проводили на прокатных статях ЗОХГСА, 55ХГСФ в состоянии объемной закалки и отпуска на различную твердость и изотермической загал-ки при различных температурах. Данные зависимости сравнивались с зависимостями относительной износостоШсости в различных условиях разрушения.

Показано, что величина вязкости разрушения во всем интервале твердости применяется по кривой с максимумом. Максимальные значения Кс достигаются при определении соотношения моэду прочностными и пластическими свойствами штоплолов, гэа^рпго-:

структурных состояний разного типа. Сопоставление хода кривых "вязкость разрушения - твердость" и "относительная износостойкость - твердость" показало, что существует твердость, при которой наблюдается благоприятное сочетание характеристик вязкости разрушения, износостойкости и скорости роста усталостной трещины. Проведенными исследованиями установлено, что для сталей ЗОХГСА и 55 ХГСО такой твердостью является твердость 47-50 НЕС.

При разработке технологии термического упрочнения износостойких изделий необходимо учитывать комплекс свойств "твердость -трещиностойкость".

р пятой главе приведена результаты промышленных испытаний. Результаты исследований, изложенные в главо 3 л 4, была полажена в основу изготовления партии ножей для производственных испытаний в реальных условиях эксплуатации. Ножи били упрочнены поверхностной закалкой. В первом случав кони изготавливались из стали 65Г и стали 45. Всего было изготовлено 105 ножей типа Ш102 160x16x700 и П1Д2 180x16x380 в соответствии с ОСТ 22-1285-83, которые были разделены на серии, отличающиеся между собой конфигурацией и глубиной упрочненного слоя.

Во втором случае боковые ножи типа ВДД2 425x25 отливались из сталей ЗОХГСМЯ, 40ХГСЛ и 45ХГСЖ[ после выплавки их в 3-тонной электропечи в условиях Николаевского завода "Дормашна". Были выбраны в качества упрочнения объемная закалка с вослеедкщим отпуском при 450°С и нормализация в потоке сжатого воздуха. Для ножей из стали 45ХГСШ1 -использовала дифференцированное охлаждение для получения различия в значениях твердости передней и тыльной поверхностей. Серийные ножи изготавливались из стали ПОГОД. Всего на испытания было поставлено 42 ножа, что позволило оснастить 21 бульдозер. '

Промышленные испытания ножей бшш проведены Государственной цашшсо-исгштательной станцией Шнстройдормаша в реальных условиях эксплуатации. Для испытаний исследовали булздозеры Д606, Д3101, Д3104, Д272, Д492 с экспериментальными и серийными коками, которые работали в идентичных условиях на группах I-Ш категорий. Общая .средняя наработка при испытаниях составила 1200 моточасов.

Данные замеров линейного износа обрабатывались на ЭВМ, что позволило выявить аналитические зависимости распределения износа от наработки и характер его распределения вдоль рабочей кромки. Показателем сравнения износостойкости слухшл коэ^ащент сравнительной износостойкости, равный отношению скорости изнашивания эта-

лонного комплекта ножей к скорости изнашивания экспериментального комплекта нолей.

Показано, что зависимость износа ножей от наработки описывается линейным уравнением, за исключением периода проработки, а распределение износа вдоль рабочей кромки ножей хорошо описывается полиномом 4-2 степени, что указывает на повышенный износ крайних нолей.

В результате промышленных испытаний установлено, что закачка по контуру ревущей кромки нокей позволяет снизить скорость изнашивания серийных нокэй с 3,59 мм / 100 часов активной работы до 1,30 мм / 100 часов работы, при глубине закаленного слоя 3,5 -4,5 мм. При глубине слоя в 2,5 - 3,5 мм скорость изнашивания составляет 1,42 ш / 100 часов работы. Износостойкость нояей из стали -45 практически но уступает износостойкости ножам из стали 65Г. Благоприятное сочетание конфигурации и глубины закаленного слоя при.закалке по контуру рекуцей кромки позволило повысить износостойкость ножей в 2,75 раза.

Оценка эксплуатационной стойкости боковых кожей тяжелых бульдозеров показала преимущество экспериментальных нонай, упрочненных закалкой и отпуском, а также нормализацией в потоке сжатого воздуха перед серийными, изготавливаемых из высокомарганцеЕоИ аус-тенитной стали 110Г13Л. Наибольший коэффициент износостойкости имеют ножи из стали ЗОХГСУД и 45ХГСММ ( К = 1,66 - I.9G ), при средней скорости изнашивания 3,20 - 3,74 мм / 100 часов работы в •сравнении с серийной ПСИТЗДгУ которой средняя скорость изнашивания составила 6,20 мм / 100 часов работы.

В шестой главе рассматриваются изменения, происходящие на поверхности, дается анализ результатов исследований, направленных на повышение износостойкости, предлагается несколько схем маршрутной технологии упрочнения ножей бульдозеров различного класса,приводится оценка экономической зд&шстиЕНости предлагаемого технологического процесса упрочнения нояей.

Показано, что применение технологии упрочнеш!я, при которой на передней поверхности достигается твердость на 40-50 Ша, превышающая твердость тыльной поверхности, в конечном счете приводит к .получению стабильной редуцей кромки с высокими ревущими свойствами .

Установлено, что в процессе тремя различные участки рехгу-щей кромки имеют различную мпкротвердость и глубину наклепанного

слоя. Большой разброс значений шкротвордости наблвдается у самого носка ножа, хам где действуют наибольшие давления, что свидетельствует о процессах упрочнения - разупрочнения в приповерхностном слое металла этой зош в процессе износа. Определены зоны, в которых прирост микротвердости в процессе трения заметно отличается от средних значений. Максимальный наклеп наблвдается вблизи носка нона со стороны опорной поверхности, где прирост кикротввр-дости составил в среднем 20-22$ при глубине наклепанного слоя в 200-250 мкы.

Рентгеноструктурными исследованиями установлено, что участкам с маясимальной глубиной наклепанного слоя и максимальной микротвердостью, соответствует наибольшее возрастание физической ширины рентгеновских линий (110) СС и (220) (Х- , что указывает на повышенную плотность дефектов кристаллического строения в этих участ-

фрактографическиш исследованиями подтвервденс^ревалируодим механизмом износа передней поверхности режущей кромки ноаа является усталостное разрушение. На поверхности видны следа пластической деформации, продолговатые луюси с небольшой глубиной и протяженностью. йрактограммы в этом случае имеют сходство о фракто-граммами поверхности образцов, испытанных в условиях полидеформационного разрушения, что подтверждает усталостный характер разрушения и свидетельствует о едином механизме изнашивания. На опорной поверхности видны канавки и риски, ориентированные в направлении трения, гребни по краям канавок и следы, характерные для микрорезания и локальной пластической деформации. Данные результаты подтверждаются и профилографическими исследованиями. Еысота борозд по опорной поверхности в несколько раз превышает высоту борозд по передней поверхности.

Изучение микроструктуры поверхностного слоя передней поверхности показало: в структуре наблвдается следа усталостного разрушения. На носко ножа обнаружены "белые слои", за которыми следовала зона повышенной травимостн. Микрорентгеноспеюгралышм анализом установлено повышение содергаакия кремния"в поверхностном слое. _Сложные явления, протекающие в зоне трения, могут привести к проявлению того или иного механизма износа, степень развития которого будет зависеть как от схемы напряженного состояния в зоне контакта, так и структурного состояния материала в данный момент времени.

Таким образом, проведенный комплекс исследований позволил

выявить основшэ причины, влияющие на абразивную износостойкость ногой, проддолять технологию термического упрочнения, с получением оптимального сочетания прочностных и пластических свойств, выявить роль тресршостойкостп в процессе разрушения при износе,что в конечном счете позволило повысить износостойкость ножей.

Разработана маршрутная технология изготовления нахей различного типа. Для ножей бульдозеров тягового класса до Ю т.е. предлагается следующая схема производства нолей в потоке прокатных стоков: прокатка полосы со скошенными кромками, толщиной 16-18 мм л шириной 180 мм; горячая резка на мерные длины; подача заготовки под пресс для формирования болтовых отверстий и охлавдение в накопителе; закалка на полуавтоматических станках о получением закаленного слоя по контуру реяущей кромки, глубиной 2,5 - 4,5 мм и дифференцированной твердости по передней л тыльной режущей кромке. Самоотпуск.

• Для боковых литых нолей бульдозеров класса свыше 10 т.е. предлагается следующая схема: выплавка стали в электропечах я отливка ножей в соответствии с ОСТ 22-1285-83; диффузионный отжиг; термомеханическая обработка на прессах для уплотнения структуры и формирования болтовых отверстий; закалка от + (30 * 50)°С в масле и последующий отпуск на твердость 4000-4500 Ша либо ох-лазде1ше е струе сжатого воздуха с получением бейнитной структуры на твердость 4000-5000 Ша.

Экономический эффект от внедрения результатов работы на Кал-каманском и Бердянском заводе "Дормэш" составил 406,7 тыс.рублей. Личный долевой вклад от получения экономического эффекта составил 81,2 тыс.рублей.

ОБЩЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ причин износа ножей, работающих в реальных условиях эксплуатации под влиянием динамического воздействия абразива.

2. Исследован механизм износа по данным микрорельефа изношенных поверхностей в процессе эксплуатации. Показано, что износ раз-ллчных поверхностей реяущей кромки происходит по разному механиз-г.ту. Превалирующим механизмом износа передней поверхности являются полидеформационнов разрушение. Превалирующим механизмом износа опорной поверхности является прямое разрушение в результате дискретного внедрения абразивных частиц в изнашиваема поверхность 1! "пропахивания".

3. Создана установи) дяя искитаний на абразивный износ, позволяющие проводить испытания, при которых осуществляется механизм прямого и шш!дефор,\и>ционно1\> разрушений с высокой воспроизводимостью результатов и нозиаллыщпх в широких пределах варьировать скорость скольжения, нагрузку на испытуемый образец, путь трения и угол атаки.

4. Исследовано влияние глубины конфигурации упрочненного слоя и распределения твердости по сечению пока на абразивную износостойкость, что позволило разработать технологию упрочнения ншей бульдозеров тягового класса до 10 т.е. Разработано Техническое задание на проектирование и изготовление необходимой оснастки с целью получения упрочненного слоя по контуру релсущой кромки.

5. Для боковых ножей бульдозеров разработана Mapita стала и технология ее упрочнения ( A.C. II7449Q, СССР, С22С, 38/24 ), заключающаяся в"нормали задай "в потоке с&атого воздуха и обеспечивающая получение бейнитких структур. Выбор режимов термической обработки оптимизирован, исходя из результатов испытаний на механические свойства, трещиностойкость и износостойкость. Установлена ошзь характеристик вязкости разрушения и износостойкости. Установлено, что оптимальным сочетанием предела текучести и вязкости разрушения обладают стали 30ХГСШ1 и 45ХГСШД, У которых значение

графическими исследованиями установлено, что микроструктура изломов образцов при температуре отпуска 450°С носит вязкий характер.

6. Показано, что при полидеформациошгом разрушении высокая твердость не является критерием высокой износостойкости. Установлена зависимость износа образцов от угла атаки.

7. Результаты исследований бшш- положены в основу технологии упрочнения опытной партии ножей бульдозеров различного класса, что позволило провести их испытания непосредственно в производстве.

8. Определены зависимости износа нокей от наработки, распределение износа едоль рабочей кромки лезвия, определена динамика формирования стабильной режущей кромки и условия сохранения высоких режущих свойств в процессе эксплуатации.

9. Промышленными испытаниями установлено, что ножи, упрочненные закалкой с индукционного нагрева по контуру режущей кромки, имеют эксплуатационную стойкость в 1,75 - 2,75 раза выше, чем серийно выпускаемые ножи. Установлена оптимальная глубина и конфигурация слоя (для стали 65Г - глубина 2,5 - 3,5 мм, для стали 45 -

глубина 3,5 - 4,5 ш, ширина моя - 50-55 мм), что обесточивает повышение долговечности более чем в 2,5 раза и работу деталей без хрупкого разрушения. Стойкость боковых ножей из литых сталей 40ХГСШ, ЗОХГСЖ, 45ХГСШ1 выше стойкости серийных ножей из стали П0Г13Л в 1,3 - 1,96 раза.

10. ■ Экономический эуй'экт от внедрения технологии закалки ножей по контуру режущей кромки с индукционного нагрева на Кал-таманском и Бердянском заводах "Дормаи" составил 406,7 тыс.рублей. Ожидаемый экономический оффоке от внедрения результатов исследований яо замене стали II0II3JI на опытные стали, при объеме производства 4000 тонн литья в год ( Нязепетровский завод строительных машин ) составит 756,3 тыс.рублей в год. Личный долевой вклад в получении экономического эффекта составил 81,2 тыс. рублей. Результаты исследований внесены в ОСТ 2285-83.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Шхайличенко Г.А., Тараско Д.И., Синявский А.Ф. Связь между структурой п абразивной износостойкостью некоторых сталей // Повышение износостойкости и срока службы машин: Тез.докл. 4-й респуб. науч.-техн. конф., Киев, 1977. - С. I0-II.

2. Ыихайличенко Т.А., Тараско Д.П., Синявский А.5. Некоторые структурные аспекты повышения долговечности рабочих органов землеройных маши // Материалы научно-технической конференции "Структура и свойства металлов в шроком интервале температур". Новокузнецк, 1982. - С. 149-150.

3. Тараско Д.И., Алалыкин А.Б., Шхайличенко Т.к., Синявский A.Q. Выбор марок сталей я оптимальных режимов термической обработки ножей землеройных машин // Известия Вузов. Черная металлургия. - 1978. - Js 4 - С. I02-IG4.

4. Тараско Д.И., Синявский А.Ф., Алалшслн А.Б., Михайли-ченко Т.Д. Разработка технологии закалка с индукционного нагрева ггодой зегллоройшх машин // Известия Вузов. Черная металлургия. - 1282. - J5 8. - С. 91-95.

5. Двигун В.Н., Алалшаи A.B., Челыиев II.А.,Синявский А.Ф., Тараско д,П.,Рогова Е.В. Выбор режима термической обработки ста--

ли ЗОХГСА, обеспечивающей максимальную трещшюстойкость и износостойкость // Известия Вузов. Черная металлургия. - 1984. - ß 6. -С. 85-88.

6. Синявский А.Ф., Тараско Д.И., Алалшаш А.Б. Назначение режимов термической обработки из условий испытаний на износостойкость и трещиностойкость // Материалы научно-технической конференции "Повышение эффективности металлургического производства". Новокузнецк.' - 1985. - С. 74.

7. Тараско Д.И., Синявский А.Ф., Алалыкин А.Б., Цихайдичен-ко Т.А. Свойства литых износостойких низколегированных сталей

// Известия Вузов. Черная металлургия. - 1985. - ß 12. - С. 79-81.

8. A.C. II7449Q СССР, МКИ С22С 38/24. Литая износостойкая сталь / Тараско д.И., Синявский А.Ф., Михайличенко Т.А., Алалнкин А.Б. / 22-02; Заявл. 22.02.84. Олуб. Б.И., 1985. - Ü 3X. -С. 109.

9. Синявский А.Ф., Тараско Д.И., Исследование изменений в поверхностном слое сталей при изнашивании // Материалы Всесоюзного семинара • "Пластическая деформация материалов в условиях внешних энергетических воздействий". Новокузнецк. - 1988. - С.

10. Синявский А.Ф., Тараско Д.И., Корочкин А.Е. О механизме разрушения сталей при различных-схемах изнашивания. // Ыатериалк научно-технической конференции "Структура и свойства металлов". Новокузнецк. - 1988. - С.

11. Синявский А.Ф., Тараско Д.И., Челышев U.A., Алалшаш А.Б. и др. Влияние термической обработки на износостойкость и трещиностойкость стали // Известия вузов, Черная металлургия. - 1989.' -

№ 2. - С. 102-106.