14552 (Технологічне забезпечення відновлення дисків сошників зернових сівалок), страница 6

Метал зварювальної ванни за хімічним складом практично завжди відрізняється від основного металу, особливо при використанні електродного або присадного матеріалів. Вони, в свою чергу, мають визначальний вплив на мікроструктуру, залишковий напружено-деформований стан, геометричні розміри і фізико-механічні властивості зварного з'єднання робочої ділянки відремонтованого диска. Основною зоною зварного з'єднання, яке отримується при зварюванні плавленням є шов 117,138. У зв'язку з цим його хімічний склад може істотно впливати на властивості робочої ділянки і тим самим на працездатність диска чи конструкції сошника в цілому 136.

Регулювати хімічний склад зварного шва можна за рахунок таких конструктивних параметрів з'єднання, як розмір щілини між деталями та геометрія розробки крайок. Однак у випадку зварювання деталей невеликої товщини (диск сошника δ=2,5 мм) цей спосіб не є ефективним. Іншим методом є легування зварювальної ванни 109 шляхом введення в неї металевих сплавів, чистих металів та металоподібних сумішей: зварювальні дроти та стрічки (суцільні та порошкові), а також прутки, порошки та пасти 91,109.

Для зварювання сталі 65Г, у випадку ремонту диска сошника зернової сівалки з відновленням їх за зовнішнім діаметром 51, найдоцільнішим є застосування порошкового дроту, з допомогою якого надійно можна одержати необхідний хімічний склад зварного шва 134.

Оскільки на даний час відсутня інформація про зварювання сталі 65Г порошковим високомарганцевистим дротом, в роботі, на підставі узагальнення теоретичної інформації про вплив типу металу шва на властивості з'єднання 42,109,127,128,132, а також даних про умови роботи дисків 5-7,9,14,23 та технічних вимог до них 7,18, 19,29,30, здійснюється моделювання з'єднання з оптимальним хімічним складом шва та його геометричними розмірами і фізико-механічними властивостями. Вони вибираються так, що утворений метал шва робочої ділянки відремонтованого диска повинен:

мати достатню зносостійкість під час експлуатації диска в абразивно-корозійному середовищі 7,39;

забезпечити необхідну релаксацію залишкових внутрішніх напружень, які виникають при зварюванні сталі 65Г 42,43,134;

забезпечити контактне зміцнення зварного з'єднання 64,136, яке дасть змогу підвищити його стійкість до втомного руйнування 22,63.

Основними легувальними елементами, які визначають властивості з'єднання сталі 65Г, отриманого за допомогою зварюванням матеріалами, які дають змогу утворити метал шва з аустенітною структурою, є вуглець та марганець 127,132,133. В праці, на підставі аналізу структурної діаграми високомарганцевистої сталі 109,131, вибрано раціональний хімічний склад зварного шва із аустенітною структурою, стійкою до утворення технологічних тріщин 127,130.

Схематично методику моделювання хімічного складу шва та необхідного для його утворення порошкового дроту зображено на рис.2.1

Окрім абсолютного вмісту цих елементів у шві важливим також є їхнє співвідношення, яке в певній мірі характеризує здатність поверхні високомарганцевистого шва до деформаційного зміцнення 128,132. Також, в залежності від концентрації С і Mn в шві, визначається запас його аустенітності, а отже, і здатність знижувати залишкові деформації та напруження в диску за рахунок пластичного деформування 136.

Моделювання зварного шва виконано на підставі таких припущень: хімічний склад порошкового дроту при зварюванні сталі 65Г забезпечує утворення в металі шва стабільну структуру аустеніту, і тим самим максимально знижує залишкові напруження; отриманий хімічний склад металу зварного шва

Рис.2.1 Послідовність етапів моделювання властивостей зварного з'єднання сталі 65Г

забезпечує високу зносостійкість внаслідок зміцнення пластичним деформуванням його поверхні, а також необхідні рівень напружень та технологічну міцність ділянок зварного з'єднання; геометричні параметри з’єднання під час приварювання ремонтного кільця змодельовані так, що поверхня з’єднання розміщена зовні і не заважає руху насіння; параметри з'єднання забезпечують необхідне контактне зміцнення, що істотно підвищує стійкість відремонтованого диска до утворення втомних тріщин під час експлуатації.

На підставі аналізу структурної діаграми системи Fe-С-Mn встановлено, що при вмісті у сплаві вуглецю в межах 0,5. .1,3% та марганцю 6. .15%, при швидкостях охолодження W_ох=15. .20 ⁰С/с у діапазоні температур 500. .600⁰С можна отримати високомарганцевистий метал зварного шва з аустенітною структурою [109] (рис.2.2). При цьому необхідно приділити увагу забезпеченню високих швидкостей охолодження з метою одержання сплаву високого запасу аустенітності [136,138]. Вибір хімічного складу високомарганцевистого металу шва виконано із використанням структурної діаграми (рис.2.2), на якій можна виділити такі характерні ділянки:

“1” - суміш структур аустеніту та мартенситу: низькі пластичність і здатність до зміцнення; схильність до утворення холодних тріщин

“2” - стабільна аустенітна структура: високі пластичність і здатність до зміцнення та релаксації напружень; достатня технологічна міцність

“3” - аустенітна структура із карбідними включеннями: високі крихкість; схильність до утворення тріщин та відколів; низька здатність до зміцнення

“4” - мартенситна структура: високі твердість, крихкість та схильність до утворення ХТ

Рис.2.2 Структурна діаграма залізомарганцевистої сталі.

А - аустеніт, М - мартенсит, К - карбіди

“А", “В”, “С” - досліджувані хімічні склади швів

Аналіз свідчить, що сплав, який знаходиться у ділянці “2", забезпечує утворення бездефектної аустенітної структури та оптимальні механічні властивості. Хімічний склад швів вибирався із урахуванням особливостей виготовлення промисловістю зварювальних порошкових дротів, а також економічного чинника, який суттєво впливає на собівартість відремонтованого диска.

Залежно від розмірів щілини b між крайками деталей при зварюванні (рис.2.3) можна отримати різні за хімічним складом та властивостями зварні шви. Це пояснюється насамперед тим, що під час зварювання відбувається перемішування основного та присадного матеріалів. Залежно від їх співвідношення в утвореному металі, як шов так і зварне з'єднання можуть змінювати свої фізико-механічні властивості.

Для одержання необхідних параметрів, з використанням розрахункового апарату 135, виконано моделювання геометричних характеристик з'єднання, і на 2.3 зображено змодельовані геометричні параметри зварного з'єднання.

Диски сошника зернової сівалки експлуатуються в абразивному середовищі, і будь-які нерівності на поверхні зварного з’єднання можуть стати місцями скупчення дрібних частинок, що в подальшому призвести до зародження дефекту і відповідно до руйнування конструкції в цілому 134. Це, насамперед, стосується геометричних розмірів з’єднання, особливо висоти підсилення зварного шва с. Слід зауважити також, що останні мають визначальний вплив на втомну міцність зварних з'єднань під час експлуатації дисків в ґрунті 146,147.

Вибір вмісту C і Mn в зварному шві виконано шляхом регулювання величини щілини b, яка впливає на ширину зварного шва а. Із зміною величини b можна регулювати частку присадного та основного матеріалів в металі зварного шва. Провівши математичні разрахунки, та врахувавши коефіцієнти переходу вуглецю та марганцю в метал шва при зварюванні, розмір щілини між деталями b=0,2. .0,5 мм. При цьому висота підсилення шва - с=0,7. .0,9 мм. Така підготовка деталей, згідно попередніх розрахунків, дає змогу отримати зварний шов, де частка присадного металу є шириною 1,8. .2 мм., і це зєднання здатне до контактного зміцнення 64,136.

Рис.2.3 Геометричні параметри та склад зварного з’єднання із частками основного та присадного матеріалів: а-ширина шва, b-ширина щілини між деталями, с-висота підсилення шва; 1-присадний матеріал, 2-основний метал

Важливим є питання оптимізації термічного циклу зварювання і особливо швидкості охолодження, які, окрім хімічного складу та геометричних параметрів шва, суттєво впливають на структуру та механічні характеристики зварного з'єднання 136. При швидкому охолодженні від температур вище 950⁰С сплав, в якому міститься 0,5. .1,3%С та 6. .16% Mn, набуває стабільної аустенітної структури і відрізняється високою пластичністю. Завдяки високій розчинності вуглецю в -твердому розчині (при високому вмісті марганцю) карбіди відсутні. В такому стані початкова твердість металу невелика - HV180. .220, однак він схильний до зміцнення при холодному деформуванні завдяки утворенню мартенситу по площинах ковзання. Твердість в деформаційній зоні може підвищитись до HV450. .550 127,128.

Рис.2.4 Термокінетична діаграма висомарганцевистої сталі (0,8. .0,9%С, 10. .13%Mn) із зоною оптимальних термічних циклів, А-аустеніт, К - карбід, Н-голкоподібний карбід, П-перліт, q_еф -ефективна потужність зварювальної дуги, - зона оптимальних термічних циклів зварювання.

Для того, щоб уникнути окрихчення зварного шва та зони термічного впливу, процес зварювання виконується з мінімальним тепловкладенням: малі сила струму і напруга дуги, вузькі валики та підвищена швидкість зварювання. При дотриманні цих умов зварювання швидкість охолодження дає змогу забезпечити бездефектну аустенітну високомарганцевисту структуру.

Проведений аналіз термокінетичної діаграми марганцевистої сталі (0,8. .0,9%С,

10. .13%Mn) [138] (рис.2.4) свідчить, що змодельований та співставлений із термокінетичною діаграмою термічний цикл зварювання забезпечує отримання аустенітної структури металу зварного шва на основі залізомарганцевистого сплаву з необхідними фізико-механічними властивостями, зокрема схильністю до поверхневого деформаційного зміцнення, стійкістю до утворення технологічних тріщин та достатньою пластичністю для зниження рівня залишкових зварювальних напружень. Параметри режиму зварювання, що забезпечують отримання такого з’єднання, розглянуто в п.4.2.1

З врахуванням геометричних розмірів з'єднання та особливостей металургійних процесів в реакційній зоні зварювання, розроблено хімічний склад порошкових зварювальних дротів 90Г14, 120Г20, 40Г20 (див. додаток А), які забезпечують необхідні експлуатаційні властивості з'єднання та стійкість проти утворення технологічних тріщин. Зварні шви, які ці дроти утворюють при зварюванні, схематично позначені символами “А", “В” і “С” в області існування аустенітної структури (рис.2.2). Хімічний склад зварних швів та дротів для їх одержання подано в таблиці 2.1

Із застосуванням прикладної програми Mathkad-2000 96 встановлено оптимальний діапазон погонних енергій зварювання, який знаходиться в межах (3,2. .3,8) ×10⁵ Дж/м.

Таблиця 2.1

Вміст вуглецю та марганцю у металі шва та порошковому дроті

На підставі попереднього аналізу умов експлуатації диска сошника в процесі висівання зерна, приведеного в п.1.2, зображено силову схему його роботи (рис.2.5). Із багатьох чинників, що впливають на спрацювання в умовах абразивного навантаження, основними є механічний склад ґрунту (тип ґрунту), який визначає абразивне зношення, а також густина та величина абразивних частинок, які визначають тиск ґрунтової маси на диск та інтенсивність спрацювання його різальної крайки 63.