Технологічні варанти підвищення зносостійкості ножів подрібнюючого барабану комбайну електроконтактним припіканням покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 14 Дудан О.В.,* Cолових Є.К.,** Волков Ю.В.,** Катеринич С.Є.,** Солових А.Є.,** Шевченко Д.В.** *Полоцький державний університет, м. Новополоцьк, Білорусь, **Центральноукраїнський національний технічний університет, м. Кропивницький, Україна E-mail: ekskntu09@gmail.com ТЕХНОЛОГІЧНІ ВАРАНТИ ПІДВИЩЕННЯ ЗНОСОСТІЙКОСТІ НОЖІВ ПОДРІБНЮЮЧОГО БАРАБАНУ КОМБАЙНУ ЕЛЕКТРОКОНТАКТНИМ ПРИПІКАННЯМ ПОКРИТТІВ УДК 621.793.620.172 DOI:10.31891/2079-1372-2018-90-4-14-21 На основі проведених досліджень було визначено, що серед методів нанесення покрить перевагу слід віддати електроконтактному припіканню – методу, який використовує теплову енергію, що виділяється електричним струмом. Електроконтактне припікання порошкових покриттів характеризується незначними енерговитратами, малою зона термічного впливу, високою міцністю зчеп- лення і щільністю. Причиною зносу традиційних покриттів є їх локальне перенапруження. З метою усу- нення цього недоліку було запропоновано наносити покриття не суцільним, а дискретним. Нанесення покриттів дискретної структури електроконтактним припіканням дозволяє поряд з високою щільністю і адгезійною міцністю забезпечити мінімальний рівень напружено-деформованого стану покриття під впливом експлуатаційних навантажень. Ключові слова: дискретне покриття, електроконтактне припікання, пористість, технологічні параметри, оптимізація, довговічність. Актуальність проблеми Довговічність робочих органів сільськогосподарських машин, що експлуатуються в умовах аб- разивного зношування, знаходиться в прямій залежності від здатності протистояти абразивному або корозійно-механічному руйнуванні їх ріжучих кромок [1]. Багаточисельні дослідження показали, що найбільш раціональним і економічно доцільним вирішенням проблеми підвищення зносостійкості робо- чих органів сільськогосподарських машин є застосування покриттів із композиційних матеріалів. Вирішення поставленої проблеми пов’язано з розробкою технологічних способів нанесення композиційних покриттів. Методи наплавлення покрить внаслідок високотемпературного нагрівання не дозволяють зберег- ти вихідні властивості покриття. Наплавленні деталі характеризуются значними термічними деформаціями і вимагають механічної обробки для отримання необхідної геометрії ріжучої кромки. Ме- тоди напилення зносостійких композиційних матеріалів не забезпечують достатню міцність зчеплення покриття і рівномірну твердість, потребують попередню підготовку поверхні перед напиленням і механічну обробку після напилення, малоефективні при зміцненні поверхонь невеликих розмірів із-за втрати матеріалу, який напилюється, характеризуються шкідливими умовами роботи персоналу під час попередньої підготовки поверхні та при самому напиленні. При підвищенні зносостійкості робочих органів сільськогосподарських машин доцільно викори- стовувати дисперсно-зміцнені (порошкові) композиційні матеріалі (ПКМ). В якості матеріалу матриці для зносостійких покрить пропонують використовувати порошки заліза ПЖ1, нікеля, міді, наплавочних сплавів, самофлюсуючі порошки ПГ- СР2, ПГ-СР3, ПГ - СР4 (системи Ni-Cr-B-Si-С) на нікелевій основі і ПГ-С1 на залізній основі, а в якості зносостійких наповнювачів – порошки ферросплавів, карбідів. оксидів. Матеріал зміцнюємої деталі необхідно вибирати враховуючи його роботу в композитній системі. Він повинен мати мінімальну різницю коефіцієнтів термічного розширення в порівнянні з по- криттям, забезпечувати максимальну міцність зчеплення з ним, мати невисоку вартість. Одним з підходів вибору матеріалу покриття є встановлення зв'язків усередині системи «експлуатація-матеріал», а з позиції технології – в умовному трикутнику «склад-структура-властивості». КП і матеріал деталі повинні мати ”експлуатаційну сумісність”. Виходячи з природи композиційних матеріалів, покриття доцільно наносити за допомогою методів порошкової металургії в режимі спікання і припікання. На основі проведених досліджень було визначено, що серед методів нанесення порошкових покрить в режимі спікання і припікання перевагу Технологічні варанти підвищення зносостійкості ножів подрібнюючого барабану комбайну електроконтактним припіканням покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 15 слід віддати електроконтактному припіканню – методу зміцнення, який використовує теплову енергію, що виділяється електричним струмом. Покриття, одержані цим методом має міцність зчеплення 180 - 220 МПа і щільність 96 - 98 %. Його характеризують незначні енерговитрати, мала зона термічного впливу, висока продуктивність. Електроконтактне припікання дозволяє зберегти вихідну (спадкову) структуру порошку сплаву і забезпечити дрібнозернисту гомогенну структуру покриття. Основним недоліком покрить, нанесених на деталь при допомозі роликового електроду, являється зменшенням їх твердості і щільності, а також міцності зчеплення на граничних ділянках. Це явище, що пояснюється специфікою ущільнення і нагріву порошкових шарів у відкритого торця елек- троду, утруднює формування стабільної і якісної кромки при зміцненні ріжучих елементів деталей ма- шин. Для усунення вищевказаних недоліків необхідно було розробити спеціальні технологічні варіанти способу електроконтактного припікання на ріжучі кромки ножів подрібнюючого барабану. Аналіз попередніх досліджень Одним із технологічних варіантів способу електроконтактного припікання на ріжучі кромки ножів подрібнюючого барабану являється способ, по якому дві деталі стикуються одна з одною з утво- ренням єдиної плоскої поверхні, і на цю поверхню в місці стику наносять шар порошку, що дорівнює подвійній ширині зміцнюємої ріжучої кромки, а в процесі прокатки площина симетрії роликового елек- троду проходить через лінію стику сполучених деталей. На рис. 1 представлена схема реалізації способу. Зміцнюємі деталі 1 і 2 стикують один з одним таким чином, щоб зміцнюємі поверхні ріжучих кромок 3 і 4 утворювали загальну поверхню. Деталі стикуються під дією стискаючого навантаження Р, що прикладається до їх бокових поверхонь. Потім наносять шар порошку 5, ширина якого рівна подвійній ширині зміцнюємої ріжучої кромки. Шар порошку прокочують роликовим електродом 6, ввімкненим в коло зварювального трансформатора 7, причому замикання цього кола здійснюють через шар порошку і зміцнюємі деталі. При протіканні електричного струму через порошковий шар відбувається інтенсивне нагрівання останнього, а одночасно прикладуємий до ролика 6 тиск Р0 забезпечує припікання покриття до поверхні деталі. Прокатка ролика 6 по шару порошку здійснюється при безперервному співпаданні площини симетрії Б, розташованої перпендикулярно осі ролика з лінією з’єднання деталей. Після зміцнення електричний струм відключають, а тиск з ролику знімають. Зміцнюємі деталі 1 і 2 роз’єднують по лінії. Ця операція утворює ріжучу кромку на зміцнюємих деталях (рис.1), причому її фізико-механічні властивості (твердість, щільність і інші) являються найкращими. Як правило (при нанесенні шарів з товщиною до 1,0 ... 1,2 мм) рознімання деталей відбувається мимовільно внаслідок за- лишкових напружень в шарі зразу ж після зняття стискаючого зусилля (рис. 1). Зміцнення вказаним спо- собом деталі не потребує подальшої механічної обробки і володіє високою зносостійкістю (рис. 2). Б А Р Р Р 0 2 3 7 1 5 6 4 Рис. 1 – Технологічна схема нанесення покрить на дві ріжучі кромки Рис. 2 -- Ніж з покриттям суцільної структури Технологічні варанти підвищення зносостійкості ножів подрібнюючого барабану комбайну електроконтактним припіканням покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 16 Мета досліджень Зміцнення ріжучі кромки ножів подрібнюючих барабанів електроконтактним припіканням по- крить дискретної структури. Результати досліджень Для зміцнення ріжучих елементів робочих органів сільськогосподарських машин запропонова- ний спосіб електроконтактного припікання покрить дискретної структури, суть якого полягає в наступ- ному. На ріжучу кромку наноситься покриття у вигляді дискретів із зазором 1 ... 1,5мм (рис. 3). Величина кута нахилу визначає інтенсивність розширення зазору і нерівномірність зносу покриття по його довжині в процесі експлуатації. На рис. 4 представлені експериментальні криві, що відображають вплив кута на- хилу на розширення зазору d: 1 2 d d   , де d1 – величина зазору на початку процесу експлуатації; d2 – після напрацювання 2000 т зеленої маси; Коефіцієнт нерівномірності зносу: ' '' 1 1 ' 1 h h h    , де '1h – товщина покриття в зоні входу ножа; " 1h – товщина покриття в зоні виходу ножа. Як випливає з експериментальних даних, оптимальним кутом нахилу бічних граней елементу покриття до його основи є 35 ... 60°. d D 1 2 a Рис. 3 – Схема нанесения дискретного покриття (1) на ріжучу кромку (2) деталі 0 30 60 0,2 0,4 0,6   ao Рис. 4 – Вплив кута нахилу α на збільшення зазору та коефіцієнт нерівномірності зносу ріжучої кромки Для реалізації процесу нанесення дискретних покриттів розроблений електрод із спеціальною поверхнею. Спеціальний електрод створює переривчастість шару покриття (рис. 5, 6). Вибір геометрич- них параметрів електродів, а у випадку електроконтактного припікання і параметрів дискретних покрить Технологічні варанти підвищення зносостійкості ножів подрібнюючого барабану комбайну електроконтактним припіканням покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 17 здійснювався із результатів теоретичних і експериментальних досліджень їх напружено-деформованого стану і емпірично із умов рівномірної пористості і адгезійної міцності покриття. Рис. 5 – Технологічна схема електроконтактного припікання дискретних порошкових покрить на дві ріжучі кромки: 1 – спеціальний електрод; 2 – деталь; 3 – покриття; Р – тиск на електроді; S – подача електроду; ω, ωд – кутові швидкості електрода і детали Рис. 6 – Ніж з покриттям дискретної структури В процесі експлуатації особливістю зносу ріжучих елементів робочих органів є його локальний характер і нерівномірність. Враховуючи цю особливість, доцільно дискретне покриття наносити відповідно з епюрою нерівномірного зносу. Диференціальне відновлення і зміцнення може здійснюватися дискретними покриттями змінною суцільності. У основу вибору величини суцільності по- кладена залежність зносостійкості від суцільності. Типова залежність зносостійкості від суцільності по- криття (відношення площі, яку займає покриття, до загальної площі поверхні, що зміцнюється, наведено на рис. 7. Рис. 7 – Залежність вагового зносу від суцільності покриття Технологічні варанти підвищення зносостійкості ножів подрібнюючого барабану комбайну електроконтактним припіканням покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 18 Одним з важливих питань при виборі покриття є його товщина. При відновленні зношених дета- лей прагнуть досягти максимально можливої товщини покриття, що можливо шляхом застосування спо- собу електроконтактного припікання (табл. 1). Несуча здатність деталі з покриттям в умовах експлуатації має функціональний зв'язок із товщиною покриття. Встановлені залежності товщини покриття, його адгезійної міцності, залишкових напружень, а також експлуатаційних навантажень. Ці залежності вста- новлюють граничні значення товщини покриття суцільної структури. Таблиця 1 Розміри покриття в залежності від розмірів деталі Максимальна довжина покриття, мм товщина покриття, мм Товщина деталі, мм 0,1 0,5 1,0 2,0 5,0 5 18,2 3,6 1,7 - - 0 42,1 7,8 3,6 1,7 - 20 80,5 15,7 7,7 3,6 1,2 40 158,3 31,6 15,6 7,5 2,6 50 201,2 39,7 20,1 10,4 3,9 По критерію міцності і зносостійкості, дискретна структура успішно працює при відновленні ве- ликого зносу, тоді як суцільні покриття непрацездатні із-за руйнування і фрагментації при малих деформаціях деталі. Залежність інтенсивності зношування In від товщини диференційних дискретних покриттів hn приведена на рис. 8. 0,1 0,3 0,4 0,3 0,35 0,45 0,5 0,38 0,5 0,6 0,4 0,6 0,7 0,45 1,4 0,8 0,55 2,6 0,9 0,8 0,95 1,25 1 2,3 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 0,1 0,3 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 1 И п* 10 - 5, кг *с м - 2 10 00 м п ут и hп, мм М0, М1 М2 Рис. 8 – Залежність інтенсивності зношування від товщини покриття: 1 – двошарове покриття; 2 – одношарове покриття Виходячи із загальних представлень процесу ЕКПП була побудована регулювальна характери- стика електроконтактного припікання порошків ПГ-С1 з наповнювачами типу ФХ-800 (рис. 9). Обме- ження по осям абсцис і ординат проводилось по максимальним значенням струму припікання (І = 30 кА) і тиску (ΔР = 0,65 МН/м). Вибір параметрів в заштрихованій області гарантує отримання шарів з висо- кими фізико-механічними властивостями: σзч = 150 ... 180 МПа, твердість (для ПГ- С1) HRC 51 ... 53, пористість 3 ... 5 %. Кінцевою метою роботи є розробка технологічного процесу зміцнення і відновлення ріжучих кромок ножів подрібнюючого барабану кормозбирального комбайну композиційними покриттями дискретної структури методом електроконтактного припікання. Технологічний процес нанесення зносостійких покрить на ріжучі кромки ножів складається із наступних операцій : 1. Закріплення двох зміцнюємих деталей в рамці-касеті. Ножі встановлюються на контактній мідній плиті з утворенням загальної зміцнюємої поверхні, після чого вони стискаються боковими поверхнями з зусиллям 1000 ... 1500 Н. При встановлені ножів необхідно щоб стик сполучених деталей співпадав з площиною симетрії роликового електроду. Для Технологічні варанти підвищення зносостійкості ножів подрібнюючого барабану комбайну електроконтактним припіканням покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 19 рівномірного прогрівання обох ріжучих кромок електрод повинен щільно прилягати до деталей (з відхиленням не більше 0,05 ... 0,08 мм). РV I V=0.025м/с V =0,033м/с V=0,016м/с V=0,008м/с I, кА 30 20 0,3 0,35 0,40 0,45 0,5 0,55 Р, МН/мΔ Рис. 9 – Регулювальна характеристика процесу електроконтактного припікання: σзч = 150 ... 180 МПа; HRC = 51 ... 53 верхній електрод зносостійке покриття нижній електродзміцнюємідеталі 4 4 4 43 2 2 2 2 3 331 11 1 ІІ ІІІ І Рис. 10 – Схема нанесення покриття на дві ріжучі кромки Рис. 11 – Електроконтактне припікання покриття на ножи подрібнюючого барабану Технологічні варанти підвищення зносостійкості ножів подрібнюючого барабану комбайну електроконтактним припіканням покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 20 2. Нанесення порошкової шихти (ПГ-С1 + 40 ... 50 % ФХ-800). Шар порошку наноситься в місці стику шириною, що дорівнює подвоєній ширині ріжучої кромки – 14 мм. Товщина шару порошку при d1/d2 = 0.2 … 0,5 складала 1,6 ... 1,8 мм. 3. Прокатка порошкового шару з одночасним пропусканням електричного струму роликовим електродом в рамці-касеті. Режими: I – 16 ... 20 кА, ΔР = 0,55 ... 0,6 МН/м, V = 0,01 ... 0,016 м/с, tu = tn = = 0,04 c. 4. Повернення рамки-касети в вихідне положення. Гаряча прокатка: І = 7 ... 8 кА, ΔР = 0,8 ... 0,99 МН/м, V = 0,008 ... 0,01 м/с, tu = 0,02 c, tn = 0,04 c. При зміцненні двох ріжучих кромок припікання здійснювалось по схемі, яка представлена на рис. 10. Для нанесення порошкового покриття на плоскі деталі (наприклад, ножі і протиріжучі бруски комбайна) можна використовувати машину для шовного зварювання. Порошок вільно насипають (із бункера) на поверхню, що зміцнюється, далі деталі пропускають через ролики-електроди одночасно з подачею на них імпульсів електричного струму силою до 25  30 кА та напругою 1,5  6 В (рис. 11). Висновки При виборі методу зміцнення і відновлення шляхом використання зносостійких покриттів вра- ховували використання безвідходних та маловідходних технологій. На основі проведених досліджень було визначено, що серед методів нанесення покрить перевагу слід віддати електроконтактному припіканню – методу, який використовує теплову енергію, що виділяється електричним струмом. По- криття, отримані цим методом має міцність зчеплення 180 - 220 МПа і щільність 96 - 98 %. Електрокон- тактне припікання порошкових покриттів характеризується незначнимми енерговитратами, малою зона термічного впливу, високою продуктивністю. Причиною зносу традиційних покриттів є їх локальне перенапруження. З метою усунення цього недоліку було запропоновано наносити покриття не суцільними, а дискретними. Мета нанесення покрить дискретної структури ЕКПП – поряд з високою щільністю і адгезійною міцністю забезпечити мінімальний рівень напружено-деформованого стану покриття під впливом експлуатаційних наванта- жень. Моделювання покриттів дискретної структури при ЕКП дозволило вибрати геометричні па- раметри дискретної поверхні, матеріал і оптимальні режими нанесення покриття. На основі експериментальних досліджень та використання математичного моделювання прове- дено комплексну оцінку впливу основних технологічних параметрів (тиску, струму, швидкості спікання) електроконтактного припікання порошків на фізико-механічні властивості покриттів (адгезійна міцність і довговічність). Багатовимірний експеримент з певною зміною цих параметрів дозволив оцінити вплив кожного з них на властивості покриттів і виявити ефекти взаємодії. Зроблено висновок, що для поліпшення фізико-механічних властивостей покриттів, що одержуються, доцільно використовувати всі три технологічні параметри процесу. Література 1. Ярошевич В.К., Верещагин В.А., Гафо Ю.Н. Разработка технологии электроконтактного уп- рочнения деталей сельскохозяйственных машин. – В кн.: Технологическое обеспечение ресурса и надеж- ности машин: Тез. Всесоюзн. научн. -техн. конф., М.: ЦНТО Машпром, 1980. – 198 с. 2. Ляшенко Б.А. Упрочняющие покрытия дискретной структуры /Б.А. Ляшенко, А.Я. Мовшо- вич, А.И. Долматов // Технологические системы – 2001. – № 4. – С. 17-25. 3. Ляшенко Б.А. Восстановление деталей машин дифференциальными покрытиями дискретной структуры / Б.А. Ляшенко, О.А. Розенберг, В.В. Ермолаев и др. // Тяжелое машиностроение – 2001. – № 2. – С. 21-23. 4. Лопата Л.А. Получение износостойких дискретных покрытий электроконтактным припекани- ем/ Л.А. Лопата, Б.А. Ляшенко, В.И. Калиниченко, Ю.В. Волков, Т.В. Ворона // Проблемы трения и из- нашивания: науч. - техн. сб. – Киев: НАУ, 2009. – № 51. – С. 139–148. Надійшла в редакцію 17.12.2018 Технологічні варанти підвищення зносостійкості ножів подрібнюючого барабану комбайну електроконтактним припіканням покриттів Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2018, № 4 21 Dudan A.V., Solovykh Ye.K., VolkovY.V, Katerinch S.Ye., Solovykh A.Ye., Shevchenko D.V. Technological options for improving the wear resistance of the knives of the chopping drum of the combine by electrical contact welding of coatings. On the basis of the studies conducted, it was determined that among the methods of applying coatings, preference should be given to the method of electrocontact welding, which uses thermal energy emitted by electric current. Electrocontact powder coating is characterized by low energy consumption, a small heat-affected zone, high performance, adhesion strength and density. The reason for the wear of traditional coatings is their local overstrain. In order to eliminate this drawback, it was proposed to apply a coating not solid, but discrete. The coating of a discrete structure by electrocontact welding allows, along with high density and adhesive strength, to ensure a minimum level of stress-strain state of the coating under the influence of operating loads. Simulation of the coatings of a discrete structure during electrocontact sintering allowed choosing the geometrical parameters of a discrete surface, material and optimal coating application modes. On the basis of experimental studies and using mathematical modeling comprehensive assessment of the impact of major technological parameters (pressure, current, speed of sintering) of the electrocontact sintering process of powders on physical and mechanical properties of the coatings (adhesion strength and durability) is given. Multivariate experiment with a certain variation of these parameters allowed us to estimate the impact of each of them on the properties of the coatings and to identify the effects of the interaction. It is concluded that in order to improve the physical and mechanical properties of the resulting coatings is advisable to use all three complex technological parameters of the process. Key words: discrete coating, electrocontact sintering, optimization, durability, porosity, technological parameters. References 1. Iaroshevich V. K., Vereshagin V. A., Gafo Y. N. Razrabotka tecgnologii elektrokontaktnogo uprochneniya detaley selskohoziastvennyh mashyn: Tez. Vsesoyzn. Nauchn.-techn. konf. M. ZNTO Mashprom, 1980. 198s. 2. Liashenko B. A. Uprochniayshie pokrytiia diskretnoy struktury.B. A. Liashenko A. Ia. Movshovich, A. I. Dolmatov. Teshnologicheskie sistemy. 2001. №4. S. 17-25. 3. Liashenko B. A. Vosstanovlenie detaley machyn differencial’nymi pokrytiiami diskretnoi struktury. B. A. Liashenko, O. A. Rozenberg, V. V. Ermolaev I dr. Tz;oleo mashinostroenie. 2001. №2. S. 21-23. 4. Lopata L. A. Poluchenie iznosostoiykih diskretnyh pokrytiiy elektrokontaktnym pripekaniem. L. A. Lopata, B. A. Liashenko, V. I. Kalinichenko, Y. V. Volkov, T. V. Vorona. Problemy treniia I iznashyvaniia: nauch. teshn. sb. Kiev: NAU, 2009. №51. S. 139-148.