Результат интеллектуальной деятельности: Способ упрочнения лапы культиваторной

Изобретение относится к области сельскохозяйственного и лесного машиностроения и ремонта машин, в частности к упрочнению и восстановлению лап культиваторов различного функционального назначения, может быть применено в производстве лап культиваторных.

Известен способ восстановления лап культиваторных где с тыльной стороны лапы культиватора формируют запас металла в области носка и по длине лезвия путем наплавки электродом с получением объема наплавленного металла, обеспечивающего восстановление нормированных размеров лапы, при этом оттяжку лапы осуществляют горячим деформированием с использованием формообразующей оправки, копирующей форму носка и лезвия лапы, с последующим упрочнением путем закалки (Патент РФ на изобретение №2443523, опубл. 27.02.2012, бюл. №6).

Недостатком аналога является сложность процесса наплавки электродом запаса металла и затем оттяжки, требующего наличия сложного оборудования и высоких профессиональных навыков, повышенная энергоемкость процесса наплавки приводящая к понижению энергоэффективности.

Известен способ где упрочнение носовой части и крыльев осуществляют одновременно сверху и снизу, причем сверху упрочнение ведут индукционной наплавкой твердым сплавом носка и режущей кромки крыльев не менее 1/3 их длины, а снизу - борированием по всей поверхности режущей кромки полосой не менее 3/4 их ширины, закалку осуществляют объемным способом в закалочной среде, после подстуживания рабочего органа до температуры закалки металла, из которого он изготовлен, после чего осуществляют низкий отпуск.. (Патент РФ на изобретение №2474098, опубл. 10.02.2013, бюл. №4)

Также известен способ восстановления и упрочнения плужных лемехов, имеющих лучевидный износ, включающий двухслойную наплавку материалов различной твердости вдоль оси лучевидного износа, при этом первый слой наплавляют электродом с малоуглеродистым стержнем, позволяющим получить пластичный наплавленный металл, а второй слой наплавляют износостойким материалом, в качестве которого используют, например, электроды типа Э37Х9С2-ОЗШ-УОНИИ-13/55-3-УД (Патент РФ 2370351, опубл. 20.10.2009, бюл. №29).

Недостатком способа является то, что при использовании данного способа не обеспечиваются высокие износостойкость и ресурс восстановленных и упрочненных рабочих органов почвообрабатывающих машин при их эксплуатации на почвах, обладающих высокой изнашивающей способностью, прежде всего, песчаных и супесчаных.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ в котором в качестве износостойкого материала используют пасту, в которой содержится 65…70% порошка на основе железа типа ПРХ30СРНДЮ, 20…23% карбида титана, 3…5% никеля и клей БФ-2 - остальное, при этом пасту наносят слоем толщиной 1,6…1,8 мм на поверхность первого наплавленного слоя, высушивают до затвердевания при температуре 80°С в течение 6…8 мин, а наплавку осуществляют электрической дугой прямой полярности с использованием вибрирующего угольного электрода, при этом сила тока составляет 55…60 А, напряжение - 27…30 В, частота и амплитуда вибрации угольного электрода - 8…10 Гц и 2…3 мм соответственно. (Патент РФ 2626129, опубл. 21.07.2017, бюл. №21)

Предлагаемое решение позволяет получить новый технический эффект-повышение сцепления наносимых упрочняющих слоев и снижения деформационных воздействий на металлокерамический слой.

Данный технический эффект достигается тем, что первый слой получают путем нанесения на поверхность режущей части лапы обмазки, содержащей частицы легирующих металлов, и последующего воздействия на нее лазерным излучением с формированием локального оплавления упомянутой обмазки в виде полос или змейки, а второй слой наносят поверх первого слоя напылением металлокерамических частиц.

Сущность изобретения заключается в модификации поверхностного слоя лап культиваторов и как следствие улучшение прочностных характеристик с заданным комплексом свойств путем целенаправленного формирования его структуры, реализации возможности формировать такие поверхностные слои, которые имеют высокий уровень твердости, износостойкости, коррозионной стойкости и других характеристик.

Способ упрочнения лапы культиваторной реализуется следующим образом. Первым слоем на режущую часть лапы тонким слоем наносят обмазку, содержащую частицы легирующих металлов. Лазерным излучением обмазка локально оплавляется в виде полос или змейки, легирующие металлов переходят в объем жидкой ванны металла, которая затем кристаллизуется. При перемещении лазерного луча расплавленный металл вследствие явления массопереноса (интегрального действия давления пара, разницы сил поверхностного натяжения в центральной и хвостовой частях ванны расплава, турбулентных течений расплава) оттесняется в хвостовую часть ванны [1, 5]. В момент существования жидкого металла благодаря термокапиллярной конвекции Марангони происходит перемешивание расплавленной обмазки с металлической матрицей [2], при этом происходит насыщение поверхности сталей легирующими металлами обмазки, образование химических соединений, частичная гомогенизация в зоне жидкого металла [1, 3, 4, 5], при кристаллизации металла ванны расплава образуется легированный слой. Второй слой наносится поверх первого напылением металлокерамических частиц на легированный слой. При этом процесс соударения частиц с поверхностью характеризуется временем 10^-7 сек. Частицы, вступая в физический контакт с первым слоем, формируют слоистое покрытие, которое представляет собой тонкие слои из совокупности деформированных частиц соединенных по контактным поверхностям участками схватывания, где температура и время - главные параметры оценки кинетики протекания реакций, а температура контакта лежит между температурой жидких частиц и температурой поверхности легированного слоя, где при увеличении температуры легированного слоя и металлокерамических частиц прочность сцепления растет.

Таким образом, для обеспечения формирования металлокерамического покрытия с высоким уровнем свойств необходимо проведение предварительной обработки - создание шероховатой поверхности, что в свою очередь увеличивает протяженность границы и количество мест «приваривания» между напыляемым слоем металлокерамических частиц и первого слоя, а также может способствовать механическому сцеплению покрытия с основой. При ступенчатом повышении прочности лапы культиватора осуществляется адгезионная связь легированного первого слоя с напыленным металлокерамическим слоем за счет межмолекулярных сил и механического сцепления с неровностями поверхности первого слоя. По сути легирование лазерным напылением является формированием подслоя для металлокерамического напыления. Из этого исходит, что кроме металлокерамического напыления получаем дополнительное (ступенчатое) упрочнение режущей поверхности лапы культиватора, что приводит к повышению прочности сцепления напыляемого материала с поверхностью. Напыление металлокерамического слоя на поверхность, выполненное металлами, обладающими высокой твердостью и деформационными свойствами, уменьшает воздействие касательных напряжений и снижает вероятность образования в нем микротрещин, что гарантирует высокие значения прочности сцепления и значительное увеличение срока службы лапы культиватора.

Источники информации

1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 664 с.

2. Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layer in manufacturing / J.-P. Kruth, G. Levy, F. Klocke, Т.Н. Childs // CIRP Annals - Manufacturing Technology. - 2007. - 56, Issue 2. - P. 730-759.

3. Anandan S., Pityana L., Majumdar J. D. Structure property correlation in laser surface alloyed AISI 304 stainless steel with WC + Ni + NiCr // Ibid. - 2012. - Vol. 536. - P. 159-169.

4. Коваленко В.С, Головко Л.Ф., Черненко В.С. Упрочнение и легирование деталей машин лучом лазера. - Киев: Технжа, 1990. - 192 с.

5. Бернацкий, А.В. Лазерное поверхностное легирование стальных изделий (Обзор) / А.В. Бернацкий // Сварочное производство. - 2013. - №12. - С. 3-10.