Збільшення зносостійкості ножів землерийно - транспортних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 30 Венцель Є.С., Щукін О.В. Харківський національний автомобільно-дорожній університет, м. Харків, Україна E-m ail: supercar_88@mail.ru ЗБІЛЬШЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ НОЖІВ ЗЕМЛЕРИЙНО - ТРАНСПОРТНИХ МАШИН УДК 621.878 Наведено методику та р езу льтати лабор атор них випр обу вань на машині тер тя СМ Ц-2 та на лабор атор ному стенді зр азків тер тя зі сталі 65Г, з якої виготовлені но жі р обочого обладнання земл ер ийно-тр анспор тних машин. По- казано, що застосу вання іонно-плаз мового покр иття TiN-Cr2N є найбільш р аціо нальним способо м підвищення зно- состійкості но жів (на пр икладі зр азків тер тя та фр агментів ножів автогр ейдер а). Показано, що іонно-плазмове по- кр иття TiN-Cr2N дозволяє підвищити зно состійкість фр агментів р ізальних елементів, у мови р оботи яких набл ижені до р еальних, пр иблизно в 1,7 р ази. Клю чові слова: ніж, знос, іонно-пла змове покриття , ко лодка, роли к, машина тертя. Вступ Підвищення зносостій кості р ізаль ни х е лементів робочи х органів (РО) землерийно-транспортни х машин (ЗТМ) є най важливішим резервом підвищен ня їх ефективності е ксп луатац ії. З ве ли кого різном а- ніття методів і способів підвищення зносостій кості РО слід ви ділити методи нанесення зносостійки х по- криттів, у тому числі, іонно-п лазмови х (ІПП), я кі в останн і роки зна хо дя ть все більш поширене застосу- вання в те хн іці. Але незважаючи на певн і успіхи в цьому напрямку, до цього часу ІПП не ви користову- ють для покращенн я зносостій ки х хара ктерис тик ножів РО ЗТМ. Найбільшого розповсюджен ня отримують ІПП, що скла даю ться з нітри дів, карбідів, карбонітри - дів і тугоп лавки х елемен тів [1]. Вони, на думку авторів робіт [1, 2 та ін.], забезпечують корозійну с тій- кіс ть, значно зменшують знос і я к наслідок, ресурс деталей машин. Та кі покри ття утворюються в умовах конденсац ії іонного бомбардування (КІБ) [3]. При цьому іонне бомбардування використовується для очищення поверхн і від домішок і значного підвищен ня адгезійного зв'я зку покриття з основним м еталом [4]. Особли віс ть таки х покри ттів – утворення нанокристалічної с труктури [1]. Досліджен нями було вста- новлено, що с труктура отриманого покри ття дозволяє зб іль ши ти міцн іс ть де талей на 35 – 40 % [1]. При цьому не знижується п ластичн іс ть, тобто зб ільшується конс трукти вна міцн іс ть в резуль таті «за лікову- вання» дефектів при іонному бомбардуванні і вп ли ві ме хан ізму надп ластичної деформації в повер хнево- му шарі [5]. Такі покри ття знайш ли зас тосування, наприкла д, в золо тникови х пара х гідроприводу, які ви го- товляютьс я зі с та лі 38Х2МЮА. У хо ді досліджень було вс тановлено, що ІПП T iN, що нанесене на пове- рхню зо лотни кови х пар, зменшує знос в 3,0 рази [2]. Разом з тим авторами роботи [5] вс тановлено, що ІПП Ti-Cr-N во лодію ть значним опором пластичній деформації. До того ж в [6] показана ефективн іс ть застосування ІПП Ti-Cr-N, нанесени х ме тодом КІБ, для кульок ра діа льно-поршневи х гідромашин одно- разової дії. При цьому, як свідча ть резуль тати досліджень, зносостій кість кульок, що виготовлен і зі с талі Р6М 5Ф3-М П, підвищується в 2,3 рази. Як відмічалося вище, ІПП в даний час не о тримала широкого зас тосування взага лі і для різаль - ни х е лементів РО ЗТМ, зокрема, в си лу малої вивченос ті пи тання вп ливу на ме хан ічні властивості р ізни х матеріалів ножів РО. Для досліджень було обрано ніж автогрейдера, оскільки ця де таль найбільш п іддана ш видкому зношуванню з боку абразивни х частинок ґрунту п ід час роботи машини. Мета і пос тановка задачі Метою дано ї роботи є виб ір і обґрунтування матеріа лу складу та кого ІПП з уже встановленими режимами, яке би забезпечило найбільшу зносостій кість ножів ЗТМ. Виклад мате рі алів д ослідження Для вибору скла ду ІПП для нож ів автогрей дера були прове ден і лабораторні випробування на машині тертя СМЦ-2, я кі проводи лися за с хемою «колодка-роли к», що імітує умови роботи нижчи х кі- нематични х пар. Характерис ти ка зразків була нас тупна : - матеріа л – с та ль 65Г , за гартована СВЧ (хімічний склад наве дено в таб л. 1); - твердіс ть – 55HRC; - чисто та повер хонь – 0,4 мкм. Збільшення зносостійкості ножів землерийно - транспортних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 31 Такі показни ки с талі повн іс тю відповідаю ть матер іалу, з яко го виго товляються реальн і нож і РО автогрей дерів. Таблиця 1 Хімічний с клад роликів і колодок, виг отовле них зі сталі м арки 65 Г і викорис таних у випробуваннях Вміс т е лементів, % Найменування де талі C Si Mn Cr Ni Ролики і колодки 0,68 0,22 1,05 0,03 0,07 Примітка: хімічний с клад роликів і коло док відповідає матеріа лу нож ів РО автогрейдер ів. Діаметр роли ків с тановив 50 мм, ширина – 12 мм, ширина коло дки – 10 мм, частота обертання ролика – 500 об/ хв. Ро лики занурювалися в кюве ту з гус тим абразивним середовищем, що скла дає ться з оливи І-Г-А-32 і дрібнозернисто го кварцового піску із середн ім розміром абразивни х частинок 0,4 мм. Концен трація абразиву (кварцового п іску) у о ливі с кла ла 30% за об'ємом. Як показа ли пошукові експерименти і досвід проведення анало гічни х випробувань на машин і тертя СМЦ-2, наван тажен ня на випробовувані зразки не повинна перевищува ти 200 Н, оскіль ки в іншому випадку спостер ігається утворення за дирів на повер хня х тертя . Режим випробувань зразків, ви хо дячи з вищес казани х м іркувань, був наступний. Чотири партії роликів і коло док піддава лися припрацюванню протягом 15 хвили н при навантаженн і, що відповідає вазі каретки машини . По тім випробування тривали протя гом 4 годин и 45 хви лин для кожної з чо тирьо х пар- тій коло док при навантажен ні 50 Н (перша партія), 100 Н (друга партія), 150 Н (третя партія ) і 200 Н (че- твер та партія ). Знос зразків визначали за втрати н ими маси за час випробування за допомогою зважування на аналітични х вага х ВЛА-200г-М з точн істю до ± 0,0001 г з дове денням зразків до пос тій ної маси. Кожна з чотирьо х партій роли ків була розділена на чотири групи: - перша група – 8 роли ків з загар туванням СВЧ при температурі 910ºС на глибину 3 - 4 мм; - друга група – 8 роли ків з ІПП T iN; - третя група – 8 роли ків з ІПП MoN; - четверта група – 8 роликів з ІПП T iN-Cr2N. Виб ір саме таки х матеріа лів покри ття пояснюється тим, що дан і ІПП на основі Т і, одержан і пла - змовим напиленням, найбільш часто викорис товуються при виробництві дета лей ковш ів землерийни х машин, де та лей гідроприводів ЗТМ, бурів для ви добутку нафти, с ільсь когосподарськи х машин , молотів в молоткови х млина х з метою зни ження їх зносу [2, 5, 7 та ін.]. Для о тримання дос товірни х резу льта тів е ксперименти проводилися по віс ім разів з використан - ням нових зразків і нови х порцій змішаного з абразивом оливи. Така повторніс ть екс периментів забезпе- чила можливіс ть о тримання відносно ї по хиб ки не більше 0,20 при довірчій ймовірності 0,9. Резуль та ти випробувань на машині тертя СМ Ц-2 наведен і на рис. 1, з я ки х видно, що найбіль - ший знос мають ті зразки , які були п іддані тільки загартуван ню СВЧ (наприклад, при наван таженн і 200 Н знос зразків з загар туванням СВЧ скла в 6,51 г). При цьому найменший знос 3,14 г при аналогічно- му навантаженн і мають ті зразки , на повер хню я ки х наносилось ІПП ТіN-Cr2N. Рис. 1 – Залежні сть зносу W досліджуваних мате ріалі в від прикладе ного навантаже ння P 1 – сталь 65Г з загартуванням СВЧ; 2 – сталь 65Г з покриттям MoN; 3 – сталь 65Г з покриттям TiN; 4 – сталь 65Г з покриттям Ti N-Cr2N Збільшення зносостійкості ножів землерийно - транспортних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 32 Крім то го,сумарний знос зразків п ісля випробувань на машині тертя СМ Ц-2 збільшує ться прямо пропорційно підвищен ню наван таженн я на ни х. При цьому знос зразків, п іддани х загар туванню СВЧ, при всіх наван таження х значно більше ніж при нанесенні ІПП (в 2,78 рази при наван тажен ні 50 Н і в 2,08 рази при наван таженн і 200 Н). Звер тає на себе увагу той факт, що в міру підви щення наван таже ння різ- ниця в зносі всіх чо тирьо х пар тій зразків зб іль шується. Знос зразків з ІПП МоN і ТіN при всіх на ван таження х менше порівняно із зразками піс ля гарту СВЧ, а ле більше , н іж при ви користанн і ІПП Т іN-Cr2N. Однак, машина тертя СМ Ц-2 не дозволяє наблизи ти умови випробувань до умов експ луатац ії ЗТМ та врахува ти в процесі зношуванн я геометричні параметри ножів, проаналізува ти особливості тако- го процесу конкретно для нож ів ЗТМ. Тому для того, щоб оціни ти впли в ци х факторів на процес зношу- вання, нами була спроектована і ви готовлена лабораторна установка (рис. 2). Рис. 2 – Загаль ний вигляд лабораторної установки Принцип роботи лабораторної установки по лягає в нас тупному. У заван тажуваль ний бункер по- міщається абразивна середови ще, в я кому встановлюється фрагмент ножа, що обертає ться безпосередньо в ґрунті з пос тійною ку товою шви дкіс тю, що імітує роботу РО ЗТМ з ґрунтом. За допомогою цієї установки нами були проведені три серії експеримента льни х випробувань, сутніс ть яки х поля гала у визначенн і зносу фрагментів ножа, виго товлено го зі ста лі 65Г з обраним ІПП TiN-Cr2N і без нього. Знос фрагментів ножа визначався шля хом встановлен ня втрати ними маси за час випробування за допомогою зважування на компараторі «Sa rtorius» з точніс тю до ± 0,0005 г. До і піс ля випробувань фрагменти ножа знежирюємо в бензині, просушувалися протягом 20 хвилин і доводи лися до постійно ї маси. Кожна серія випробувань прохо ди ла в два е тапи. На першому етапі зношувалися звичайн і ножі, загартован і СВЧ, а на другому – ті ж нож і, але на їх повер хню наноси лося ІПП T iN-Cr2N. У перш ій і дру- гій сер ія х випробувань в заван тажува льний бункер установки міс ти лася абразивна середу – кварцовий пісок з розміром абразивних час ток 3 і 5 мм, відповідно, в тре тій серії викорис товувався щебінь з розмі- ром частинок 10 мм. При цьому щебінь в періо д випробувань замінюва ли на нови й кожн і 10 го дин , так як він має значно меншу твердість , н іж зерна кварцового п іску, а отже, с хи льний до диспергування під впли вом дії фрагмента ножа. Вологіс ть абразивного середовища відповідно до її сер тифікату становила не б іль ше 5 % . Частота обертання ножів – 60 хв-1, час випробувань, при якому можна отримати відчутний знос – 50 годин. Піс ля закінчення кожни х 10 годи н роботи установки фрагмент ножа демонтува ли і п ісля ре тель - ного промивання в бензині з наступним просушуванням піддавали зважуванню. Різниця в масі до і піс ля випробувань предста вля ла собою їх знос. Резуль та ти випробувань на знос наве дені на рис . 3 - 5, з яки х ви дно, що знос р ізаль ни х елемен тів у всіх трьо х абразивн и х середовища х носи ть лінійний характер протя гом усього періоду ви пробувань. Це пояснюється, мабуть, тим що як і в реальни х ЗТМ, в зоні конта кту ножа з абразивної середовищем відбу- вається постійне оновлення абразивни х частинок новими, у яки х відсутня можливіс ть постійно взаємоді- яти о дин з одн им і я к нас лідок, зн ижува ти свій вплив у процесі зношування. При цьому нанесення ІПП TiN-Cr2N вельми іс тотно знижує знос фрагментів ножів: - в середовищ і кварцового п іску з розміром абразивни х часто к 3 і 5 мм – в 1,8 і 1,7 рази , відповідно; - в сере довищ і щебеню з розміром абразивни х час ток 10 мм – в 1,6 рази. Збільшення зносостійкості ножів землерийно - транспортних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 33 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 10 20 30 40 50 t, год W, г Рис. 3 – Графі к залежності зносу W штатного ножа (1) і з іонно-плазмовим покриттям Ti N-Cr2N (2) від часу t роботи в се редовищі кварцового піску з розмі ром частинок 3 мм 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0 10 20 30 40 50 t, год W, г Рис. 4 – Графі к залежності зносу W штатного ножа (1) і з іонно-плазмовим покриттям Ti N-Cr2N (2) від часу t роботи в се редовищі кварцового піску з розмі ром часток 5 мм 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 10 20 30 40 50 t, год W, г Рис. 5 – Графі к залежності зносу W штатного ножа (1) і з іонно - плазмовим покриттям TiN-Cr2N (2) від часу t роботи в се редовищі щебе ню розміром частинок 10 мм Одночасно можна відзначи ти, що знос фрагментів нож ів ав тогрей дера в значній мір і за лежи ть від розміру абразивни х части нок і їх твердос ті. 1 2 1 2 1 2 Збільшення зносостійкості ножів землерийно - транспортних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 34 До того ж, в процесі випробувань було відмічено, що кварцові зерна змінюютьс я в розмірі не- значно, що пояснюється відносно вели кою твердіс тю частинок кварцу. При цьому відбувається перемі- шування і опускання б ільш дрібни х зерен кварцу на дно заван тажуваль ного бункера лабораторної ус та- новки. Це пояснює ться тим, що великі зерна кварцу при зіткненн і один з о дним с хильні у творювати осе- редки відносно ве ли ки х розмірів, я кі і служа ть лока льними облас тями прова лювання більш др ібни х аб- разивни х кварцови х частино к на дно заван тажува льного бункера. В резуль та ті та кого процесу фрагмент ножа конта ктує з новими б іль ш ве ликими абразивними частин ками. Висновок Покриття MoN і TiN зменшують знос досліджувани х зразків (роликів на машині тертя СМЦ-2) в порівнянн і з загар туванням СВЧ в 1,3 - 1,5 рази, а покриття T iN-Cr2N – в 2,0 рази. Та ким чином, ІПП TiN-Cr2N є найкращим з точки зору зниженн я зносу. При ви пробування х фрагментів реальни х нож ів з ста лі 65Г, за гартовано ї СВЧ, встановлено, що у процесі тер тя їх в абразивному середовищі знос ножа ЗТМ в за лежності від часу його роботи носить лі- нійний хара ктер і при нанесенн і ІПП ТіN-Cr2N зменшується у 1,7 разів порівн яно зі шта тним ножем. При цьому відбуваєтьс я ін тенсивне закругле ння (за туплення ) р ізаль ної час тини ножа. Літе ратура 1. Д’ячен ко С.С. Новий аспект ви користання іонно-пла змової обробки / С.С. Д яченко, І.В. Поно- маренко // Металознавс тво та обробка металів. – №3. – 2009. – С. 53-56. 2. Рижков Ю.В. Підвище ння зносо- і корозійно ї с тійкості де талей об’ємного гідроприводу нане - сенням іонно-плазмови х покри ттів : автореф. дс. на соискание уч. степени канд. те хн . наук : спец. 05.02.01 «Матер іалознавс тво» / Ю. В. Рижков. – Дн іпропетровсь к, 2010. – 19 с. 3. Д ’яченко С.С. Вли яние нанокрис талически х покрытий на свойс тва изделий из конструкцион - ной ста ли / С.С. Дьячен ко, И.В. Пономаренко, И.В. Дощечкина // Современное материалове дение : дос- тижени я и проблемы: междунар. Конф. 26-30 сентября 2005 г. : те зисы докл. – К., 2005. – С. 665-666. 4. Д’яченко С.С. Іонно-п лазмова обробка як фактор п ідвищен ня конструкц ійно ї міцнос ті с тале - ви х виробів / С.С. Д яченко, І.В. Пономаренко // Нові матеріали і те хнології в металургії та машинобуду- ванні. – 2009. – №1. – С. 71-77. 5. Роик Т.А. Повы шение износо- и коррозионной стойкости де та лей объемного гидропривода нанесением ионно-плазменны х покрыти й: монография / Т.А. Роик, Д.Б. Глушкова, Ю.В. Рыжков. – Харьков: 2012. – 112 с . 6. Применение плазменны х покрытий для повышен ия эксп луатационны х характерис ти к де та лей гидропередач / В.А. Карпенко, Д.Б. Глуш кова, Г.А. Аврунин, Ю.В. Ры жков // Автомобильный транспорт: сборник научных ста тей . – 2008. – №23. – С. 116–119. 7. Современная те хнология воздушно-п лазменного напыле ния износостойки х покры тий / [Г лад- ков В.Ю., Карцев С.В., Кравченко И.Н., Афонин Н.В.] // Строите льные и дорожные машины. – 2003. – №5. – С. 30-34. Поступи ла в редакц ію 26.03.2015 Збільшення зносостійкості ножів землерийно - транспортних машин Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2015, № 2 35 Ventsel Ye. S., Shchuk in A.V. Increasing the wear resistance of earthmovers knives. The method and results of p erformance tests grader blades exp osed hardened by high frequ ency and sp utter TiN- Cr2N. Recently , the ion-p lasma coatin g has been inflicted on surface blades, initially exp osed hardened by high frequen cy . Choice co mp osition for ion-p lasma p avement for nozhey graders bыly p rovedenы laboratory equip ment y sp ыtanyy a by friction machine SM C-2. The wear test samp les were subjected to ion-p lasma coatin gs such as М оN, ТіN and TiN-Cr2N. As a result of laboratory tests was found to ion-p lasma coating TiN-Cr2N imp roves the wear resistance of the cutting elements graders about 2.0 times. Furthermore, the wear of the samp les with the ion p lasma coatin g TiN and M oN at all lo ads is less than the samp les after quenching by high frequen cy but higher than when using the co ating TiN-Cr2N. In actual tests of blades fragments with 65G steel, hardened by high frequ ency , using the exp erimental setup shown that during op eration in the abrasive environ ment earthmovers blad e wear versus time its op eration is linear and coatin g TiN- Cr2N decreases in 1.7 times co mp arison with the standard knife. Keywords: kn ife, wear, ion-p lasma coatin g, blo ck, roller, friction machin e. References 1. D’jachenko S.S., Pono marenko І.V Novij aspekt vikoristannja іonno-plazmovoy obrobki. Metaloznavstvo ta obrobka metalіv, No 3, 2009, рр. 53–56. 2. Rizh kov Ju.V. Pіdvishhennja znoso- і korozіjnoy stіjkostі detalej ob’e mnogo gіdroprivodu nane- sennjam іonno-plazmovih pokrittіv : avtoref. ds. na soiskanie uch. stepeni kand. tehn. nauk : spec. 05.02.01 «Materіaloznavstvo» .Dnіpropetrovs'k, 2010, 19 р. 3. D’jachenko S.S., Pono marenko I.V., Doshhechkina I.V. Vlijan ie nanokristalicheskih pokrytij na svojstva izdelij iz konstrukcionnoj stali. Sovre mennoe materialovedenie : dostizhenija i proble my : me zhdunar. konf. 26-30 sentjabrja 2005 g. : te zisy dokl. Kiev, 2005, рр. 665–666. 4. D’jachenko S.S., Ponoma renko І.V Іonno-plazmova obrobka ja k faktor pіdvishhennja konstrukcіjnoy mіcnostі stalevih virobіv. Novі materіa li і tehnologіy v metalurg іy ta mashinobuduvannі, 2009, No 1, рр. 71– 77. 5. Ro ik T.A., Glushkova D.B., Ryzhkov Ju.V. Povyshenie iznoso- i korrozionnoj stojkosti detalej ob- emnogo gidroprivoda naneseniem ionno-plazmennyh pokrytij: monografija. Har'kov: 2012, 112 р. 6. Karpenko V.A., Glushkova D.B., Avrunin G.A Ryzh kov., Ju.V. Primenenie pla zmennyh pokrytij dlja povyshenija je kspluatacionnyh harakteristik detalej g idroperedach. Avtomobil'ny j transport: sbornik nauchnyh statej. 2008, No 23, рр. 116–119. 7. Gladkov V.Ju., Karcev S.V., Kravchenko I.N., Afonin N.V. Sovre mennaja tehnologija vozdushno- plazmennogo napylenija iznosostojkih pokrytij. Stroite l'nye i dorozhnye mashiny. 2003, No 5, рр. 30–34.