Результаты оценки качества культиваторных лап

Введение. Износостойкость рабочих органов сельскохозяйственной техники и оборудования определяет не только надёжность машин, но и качество выполнения технологических операций [1, 2, 3]. Особенно это актуально для рабочих органов почвообрабатывающей техники, которые работают в абразивной среде и испытывают повышенные механические воздействия со стороны почвенного слоя [4, 5, 6]. Культиваторы применяются для сплошной или междурядной обработки почвы при возделывании почти всех известных в нашей стране культур. В настоящее время со стороны сельхозтоваропроизводителей поступает масса негативных отзывов о качестве рабочих органов почвообрабатывающих машин и особенно о качестве стрельчатых культиваторных лап. После наработки, не превышающей 10 га на лапу, многие из этих изделий теряют геометрические формы носовой части, их износ по ширине крыльев превышает 50 ^ 60%, режущие кромки полностью исчезают, а это негативно сказывается на качестве выполняемой технологической операции и увеличивает удельный расход топлива.

Для изготовления рабочих органов культиваторов и глубокорыхлителей рекомендуется применять высокоуглеродистые стали, в которые добавляют в различных пропорциях марганец, кремний и другие химические элементы [7, 8, 9]. Такие рабочие органы подвергают закалке с последующим температурным отпуском, что придаёт стали характерную структуру и повышает износостойкость и долговечность.

Для восстановления изношенных лап и их упрочнения применяют сварочно-наплавочные методы [8, 9], боридные покрытия [10], металлокерамические материалы [11], карбовиброду-говое упрочнение [12, 13] и другие методы.

Практика показывает, что в настоящее время у отечественных культиваторов наработка на предельный износ стрельчатых лап почти в 2 ^ 3 раза ниже, чем у импортных [9, 14]. Для выяснения причин такой ситуации мы провели исследование стрельчатых культиваторных лап отечественных производителей по ряду параметров, а также для сравнения привели данные по составу и твёрдости материалов рабочих органов импортных машин.

Цель исследований. Провести оценку качества стрельчатых культиваторных лап, реализуемых в торгующих организациях, на предмет соответствия техническим условиям отраслевого стандарта в части материала основы и его твёрдости, наличия термообработки и упрочнения.

Материалы и методы. В качестве объектов исследования были взяты пять культиваторных лап разных производителей с шириной 230 и 270 мм (рисунок 1), используемые на культиваторах типа КПС-4, КПМ-10, КСОП-4/12, КППУ-8 и др. для сплошной обработки почвы. Лапы выбирались исходя из предпочитаемого многими сельхозтоваропроизводителями ценового диапазона – от 160 до 400 руб./шт. и приобретались в торгующих организациях Ростовской области. Всем исследуемым изделиям присвоены порядковые номера.

160 руб.         376 руб.           180 руб.           335 руб.         230 руб.

а                б                    в                   г                 д

а – изделие № 1, 270 мм; б – изделие № 2, 230 мм; в – изделие № 3, 270 мм; г – изделие № 4, 230 мм; д – изделие № 5, 230 мм Рисунок 1 – Исследуемые стрельчатые культиваторные лапы

Все лапы исследовались в новом состоянии, а изделия № 1 и № 4 дополнительно анализировали после наработки 7 га и 22 га на лапу соответственно. Выбранные лапы относятся к 5 типу – лапы универсальные стрельчатые с хвостовиками, который устанавливает отраслевой стандарт ОСТ 23.2.164–87. По техническим условиям (ТУ) данного отраслевого стандарта для этого типа лап следует:

• 1.    Изготавливать лапы из стали по физико-механическим свойствам не ниже стали марки 65Г по ГОСТ 14959–2016.

• 2.    Лапы должны быть упрочнены твёрдым сплавом или другим технологическим приёмом, обеспечивающим самозатачиваемость лезвия и наработку лапы не менее 30 га. Например, самозатачивание обеспечивается при упрочнении лапы путём наплавки сормайта или белого нелегированного чугуна.

• 3.    Толщина наплавленного слоя по ТУ должна быть 0,4^ 25 мм, ширина - 15 мм.

• 4.    В лапах, изготовленных без наплавки износостойким сплавом, твёрдость режущих кромок после термообработки должна быть 44...54 HRC в закалённой зоне.

Современные технические условия на изготовление культиваторных лап предусматривают наличие поверхностного слоя с твёрдостью HRC 38-52 [6]. В течение наработки до 30 га культиваторная лапа должна сохранять ширину крыльев и иметь износ по этому параметру не более 9 мм. При этом толщина режущей кромки лезвий должна составлять до 0,3 мм.

Определение химического состава и марки стали осуществлялось методом спектрального анализа на эмиссионном спектрометре SPECTRO LAB JB-CCD. Микроструктуры сталей анализировались на микрошлифах с помощью микроскопов МИМ-8 и ПМТ-3 с учётом положений и шкал оценки ГОСТ 8233–56 «Стали. Эталоны микроструктуры». Твёрдость материалов лап определялась твердомером Роквелла ТК-2М. Измерение микротвёрдости HV сплавов производили с помощью твердомера ПМТ-3.

Результаты исследований и их обсуждение. Внешний визуальный осмотр новых лап показал целостность поверхности образцов, отсутствие наружных трещин и раковин. Все лапы имеют наплавку на тыльной стороне лезвия. Ширина наплавленной полосы упрочняющего материала у лап составляет от 12 до 16 мм. Толщина наплавленного слоя у изделия № 1 составляет 0,4 : 0,5 мм, у остальных изделий - 0,9 : 1,2 мм, что значительно превышает требования ОСТ. Анализ зоны сплавления металла основы лап и наплавленной части на микроскопе ПМТ-3 показывает отсутствие микропор, трещин и раковин в этой зоне у всех лап, что говорит о хорошем прилегании наплавки к основе (рисунок 2). Наплавленный упрочняющий слой у всех изделий имеет твёрдость по шкале Роквелла в диапазоне 61...64 HRC. Это достаточно высокий уровень твёрдости материала и он превышает требования ТУ. Разница в твёрдостях материала основы и наплавленной части позволит создать условия самозатачивания лезвия лапы.

Изделия № 1 и № 3 в состоянии поставки имеют заточку режущей кромки, у остальных изделий предварительная заточка отсутствует.

В таблице 1 представлены результаты анализа химического состава материалов основы исследуемых лап. По содержанию углерода, марганца и кремния установлены марки сталей. Изделие № 1 изготовлено из стали 20Г, изделия № 2, № 3 и № 4 – из стали 45, а изделие № 5 – из стали 40 по ГОСТ 1050-2013.

Рисунок 2 - Режущая кромка с наплавкой у изделия № 3 (увеличено х 88)

Таблица 1 – Результаты анализа химического состава материалов лап

№ изделия	C %	Mn %	Si %	Cr %	W %	Co %	Ni %	P %	Cu %	Al %	Fe %
№ 1	0,202	0,81	0,179	0,019	0,013	0,0320	–	–	–	–	97,63
№ 2	0,484	0,61	0,2221	0,099	<0,01	0,0148	0,0923	<0,01	0,3444	0,011	97,98
№ 3	0,491	0,52	0,1703	0,059	–	<0,01	0,0483	<0,01	0,1162	–	98,44
№ 4	0,476	0,51	0,195	0,092	<0,01	0,0136	0,090	<0,01	0,278	0,009	98,36
№ 5	0,38	0,58	0,236	<0,030	–	–	0,003	0,003	0,006	–	98,76

Все исследуемые сплавы относятся к доэвтектоидным сталям. Марганец придает сплаву прочность и ударную вязкость, вытесняет железо из окислов, не даёт образовываться сульфидам железа, которые способствуют образованию закалочных трещин при термообработке. Кремний вводится в состав сплава с целью раскисления, он вытесняет кислород из окислов в расплаве. Количество кремния до 1% положительно влияет на прочность и упругость стали. Марганец вместе с кремнием взаимно дополняют друг друга в составе сплава – они увеличивают прочность, износостойкость и вязкость, при этом исключают повышенную хрупкость стали.

Стали 40, 45 и сталь 20Г имеют относительно низкое содержание углерода в сравнении со сталью 65Г, поэтому они не рекомендуются отраслевым стандартом в качестве материала для изготовления стрельчатых лап.

Определение наличия термообработки изделий проводилось путём анализа микроструктур материалов лап (рисунок 3). Наблюдаемая микроструктура поверхности изделия № 1 (рисунок 3 а ) представляет собой ферритноперлитную сетку. Соотношение феррита и перлита соответствует структуре ²⁰ по ГОСТ

8233–56. Такая микроструктура характерна для «сырых» стальных сплавов с содержанием углерода « 0,2%, не подверженных термической закалке и отпуску.

Материал лап изделий № 2 и № 4 имеет мартенситную средне- и крупноигольчатую структуру 6–7 баллов по ГОСТ 8233–56 (рисунок 3 б ). Такая микроструктура характерна для стальных сплавов, подверженных термической закалке и отпуску.

Анализ рисунков 3 в и 3 г показывает, что материал основы лап у изделий № 3 и № 5 имеет структуру, характерную для сталей 40 и 45 в состоянии поставки после отжига или нормализации без закалки – сорбитообразный и частично мелкопластинчатый перлит, 20–30% феррита с иглами Видманштетта 2–3 балла, распределённый по границам зёрен.

Результаты измерения твёрдости образцов по шкалам Виккерса и Роквелла представлены в таблице 2. Анализ данных таблицы 2 показывает, что по параметру твёрдости материалы изделий № 2 и № 4 отвечают действующим техническим условиям (38...52 HRC), предъявляемым к культиваторным лапам, а твёрдость материала у изделий № 1, № 3 и № 5 не отвечает ТУ.

а                      б                         в                        г а - изделие № 1 (х900); б - изделия № 2 и 4 (х500); в - изделие № 3 (х 500); г - изделие № 5 (х 500) Рисунок 3 – Микроструктуры материалов основы лап

Таблица 2 – Твёрдость исследуемых образцов в зоне режущих кромок

№ образца	Твёрдость HV	Твёрдость HRC
№ 1	175	9...10
№ 2	440,6	44
№ 3	187,2	10...12
№ 4	410,0	41
№ 5	264,3	24,5

Для сравнения мы исследовали химический состав долота культиватора-глубокорыхли-теля немецкой фирмы (таблица 3). В основе данного рабочего органа содержится сталь конструкционная рессорно-пружинная, отечествен- ными аналогами которой являются стали марок 60Г2С и 70Г2 по ГОСТ 14959-2016. Среднее содержание углерода в стали 0,73%, поэтому ее можно отнести к эвтектоидным сталям, для которых содержание углерода равно 0,77%.

Таблица 3 – Содержание химических элементов в импортном сплаве, %

C 0,7323	Si 0,76	Mn 2,410	P 0,1034	S 0,0080	Cr 0,0634	Mo 0,0156	Ni 0,114	Al 0,0123
Co	Cu	Nb	Ti	V	W	Pb	Sn	As
0,0320	0,0123	0,0028	0,0131	0,0043	0,0428	0,1034	0,0148	0,0024
Zr	Ca	Ce	Ta	B	Zn	La	Fe
0,0139	0,0011	0,01241	0,0245	0,0160	0,0068	0,2009	95,2805

Импортный сплав содержит порядка 10– 15 легирующих элементов, включая металлы лантаноидной группы (редкоземельные металлы), которые повышают сопротивление износу. Твёрдость материала импортного рабочего органа составляет 56...58 HRC. Лантан и церий даже в сотых долях процентов способствуют повышению антикоррозионных свойств стали, связывают и выводят вредные примеси серы из сплава, а также повышают стойкость против истирания и несколько увеличивают пластичность. Химический состав и твёрдость импортных рабочих органов объясняют их относительно более высокий ресурс. Имеющееся многообразие химических элементов в импортном ра- бочем органе преследует достижение нескольких целей:

• –    повышение прочности и износостойкости рабочего органа;

• –    противодействие атмосферной и грунтовой коррозии;

• –    снижение коэффициента трения металла о почвенный горизонт и уменьшение энергозатрат при работе.

Отечественные изделия № 1 и № 4 были испытаны в реальном производстве на операции сплошная культивация глубиной 8–10 см на чернозёмах, характерных для условий Зерноградского района. После наработки 7 га исследуемая лапа № 1 потеряла 25,5% массы из-за износа крыльев и носовой части. При этом средний относительный износ крыльев по ширине составляет 58,32%, относительный износ носовой части – 44,5%. Толщина режущей кромки лезвия на обоих крыльях лапы составляет от 2 до 3 мм, что значительно превышает требования ТУ – 0,3 мм. Упрочняющего материала в районе режущей кромки крыльев лапы не обнаружено, т.е. он был потерян в результате износа.

Исследуемая лапа № 4 после наработки 22 га потеряла 30,6% массы из-за износа крыльев и носовой части. Со стороны режущей кромки на обоих крыльях лапы сохраняется подобие заточки, но толщина режущей кромки лезвия превышает 1 мм. Упрочняющего материала в районе режущей кромки крыльев исследуемой лапы не обнаружено ни с тыльной, ни с лицевой части.

В результате выполненных исследований можно сделать следующие выводы.

• 1.    Материал основы всех пяти исследуемых отечественных культиваторных лап не соответствует требованиям ОСТ 23.2.164–87. Физико-механические свойства сталей 20Г, 40 и 45 ниже, чем свойства рекомендуемой ОСТ рессорно-пружинной стали 65Г. Сталь 20Г в изделии № 1 имеет критически низкое содержание углерода, а стали 40, 45 в остальных изделиях – относительно низкое содержание углерода и недостаток марганца, и при этом они не являются рессорно-пружинными сталями. Материалы сталь 20Г и стали 40, 45 не рекомендуется использовать для изготовления культиваторных лап. При этом материал сталь 45 массово используется для изготовления культиваторных лап, и при определённых условиях упрочнения и термообработки он может обеспечить наработку лапы до 30 га, однако в нашем случае закалённый образец № 4 при наработке 22 га потерял более 30% массы, а абсолютный износ крыльев по ширине превышал 9 мм, что позволяет признать их неработоспособными.

• 2.    Характер микроструктуры материала изделий № 1, № 3 и № 5 говорит об отсутствии температурной закалки и отпуска сталей, что является нарушением ТУ. Это объясняет критически низкий уровень твёрдости материалов и является причиной форсированного износа лап. Сталь 45 в изделиях № 2 и № 4 имеет мартенситную средне- и крупноигольчатую структуру, что подтверждает наличие температурной за-

• калки и отпуска сплавов. Термообработка придаёт материалам этих лап более высокую твёрдость – 44 HRC (соответствует ТУ), но недостаток углерода и легирующего марганца не позволяет достичь требуемой износостойкости изделий.

• 3.    Отсутствие острых режущих кромок и эффекта самозатачивания у большинства лап обусловлено преждевременной потерей упрочняющей односторонней наплавки, которая теряется по причине быстрого износа основы.

• 4.    Для изготовления стрельчатых лап целесообразнее применять сплавы с более высоким содержанием углерода и марганца, например рессорно-пружинные стали типа 65Г, 60Г2С, 70Г и др.

• 5.    Насыщение отечественного рынка некачественными рабочими органами прежде всего нарушает права потребителей путём введения их в заблуждение относительно свойств и характеристик технических изделий. Очевидна острая необходимость в более совершенной системе управления качеством рабочих органов почвообрабатывающей и другой техники. В конкретном регионе необходимо наличие группы сертифицированных центров, осуществляющих анализ химического состава сплавов и оценку характеристик изделий методами неразрушающего контроля. Тогда конкретный потребитель мог бы за относительно небольшую стоимость получить исчерпывающую информацию о приобретённом рабочем органе. Это послужит налаживанию обратной связи в системе управления качеством данных изделий. В решении этой задачи активность могут проявить научноисследовательские подразделения профильных вузов и НИИ, а также машиноиспытательные центры. Для вузов данный вопрос актуален с точки зрения обновления материальной базы и совершенствования учебного процесса. Имеющий место контраст между существующим уровнем развития технологий производства, восстановления и упрочнения отечественных рабочих органов и фактически наблюдаемым уровнем их качества неприемлем. Совершенствование системы управления качеством данных изделий создаст почву для массового внедрения инновационных разработок в области восстановления и упрочнения рабочих органов машин.