Способ производства анкерных сошников стерневых сеялок с термической обработкой Российский патент 2023 года по МПК C21D5/00 B22D27/04 C21D1/20 

Изобретение относится к отраслям машиностроения, металлургии и сельскохозяйственного производства, в частности к способу повышения надежности чугунных анкерных сошников стерневых сеялок с применением термической обработки.

По данным различных источников, анкерные сошники являются наименее надежным звеном в системе стерневой сеялки. Анкерные сошники быстро изнашиваются, изменение геометрической формы приводит к нарушению качества посева, что напрямую влияет на себестоимость выполнения посева и качество технологической операции. Для повышения ресурса рабочих органов, которые взаимодействуют с почвой, используют различные варианты технологий упрочнения и получения износостойких структур и их комбинаций.

Известен способ получения износостойких структур в режущей кромке лемеха плуга, включающий изготовление песчано-глинистой формы, установку в форму холодильников, заливку чугуна в форму и последующее охлаждение кристаллизующегося металла, при этом устанавливают стальные холодильники объемом 1,5⋅10^-8 м³ на квадратный миллиметр отбеливаемой поверхности отливки, чугун с содержанием углерода 3,3-3,6%, кремния 1,27-1,59%, марганца 0,4-0,7%, магния 0,4-0,6% и серы ≤0,02% заливают в сырую песчано-глинистую форму при температуре 1360-1430°С, осуществляют отбел режущей кромки лемеха плуга на глубину 2-3 мм (Патент на изобретение РФ №2677326, опубл. 16.01.2019).

Известен способ электроконтактного термоупрочнения лезвия почвообрабатывающего орудия из высокопрочного чугуна ВЧ50 толщиной не менее 7 мм, включающий нагрев поверхности тыльной стороны лезвия почвообрабатывающего орудия электрической дугой обратной полярности путем перемещения электрода по криволинейной траектории, образованной линейным перемещением параллельно острой кромки лезвия почвообрабатывающих орудий и вращением вокруг вертикальной оси, при этом нагрев поверхности тыльной стороны лезвия осуществляют вольфрамовым электродом постоянным током, при этом диаметр вращения электрода вокруг вертикальной оси задают равным ширине лезвия, причем за один оборот электрода вокруг вертикальной оси линейное перемещение составляет 5 мм, а частоту вращения устанавливают 25 мин^-1 (Патент на изобретение РФ №2678723, опубл. 31.01.2019).

Известен способ обработки поверхности рабочих органов почвообрабатывающих орудий из высокопрочного чугуна, включающий лазерное воздействие на поверхность инструмента, формирование пятна лазерного луча с заданной мощностью пучка на образце, при этом осуществляют обработку поверхности режущих частей и лезвий рабочих органов из высокопрочного чугуна ВЧ 50 многоканальным СО₂ лазером с непрерывным режимом работы, при этом формируют пятно лазерного луча мощностью Р=2,0 кВт на образце, затем проводят обработку с диаметром пятна излучения в зоне обработки, равным d=9 мм, со скоростью перемещения лазера υ=470 мм/с и коэффициентом перекрытия пятна лазерного луча 0,3 (Патент на изобретение РФ №2711389, опубл. 17.01.2020).

К недостаткам данных способов можно отнести применение технологического процесса с высокой трудоемкостью, а также узкоспециализированным применением.

Известен способ получения заготовки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с различной структурой металлической матрицы в литом состоянии, включающий выплавку, легирование и модифицирование чугуна, получение отливки в песчаную, металлическую или керамическую форму, извлечение ее из формы при заданной температуре, перемещение в жидкую ванну с заданной температурой, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе, при этом отливки извлекают из формы при 900-1000°С и быстро перемещают в жидкую ванну с температурой, определяющейся требуемой структурой металлической матрицы, выдерживают в ванне определенное время, зависящее от конфигурации заготовки и требуемого типа структуры металлической матрицы, при этом изменением температуры жидкой ванны можно получать широкий диапазон структур металлических матриц, каждой из которой соответствует рекомендуемая температура закалочной среды: ферритной - 750-850°С; перлитной - 650-740°С; сорбитной - 550-640°С; трооститной - 450-540°С; верхнебейнитной - 350-440°С; нижнебейнитной - 290-340°С. (Патент на изобретение РФ №2196835, опубл. 20.01.2003).

Недостатком способа является применение термической обработки с использованием соляных ванн, что повышает себестоимость и не обеспечивает экологическую составляющую технологического процесса.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения износостойких структур в рабочем органе чизельного плуга. (Моторин В.А., Концептуальные основы использования высокоуглеродистых сплавов в технологиях упрочнения рабочих органов почвообрабатывающих машин, Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, ФГБОУ ВО «Волгоградский ГАУ, 2021»).

Задачей изобретения является повышение надежности анкерных сошников стерневых сеялок.

Техническим результатом изобретения является зональное распределение металлографических структур по функциональным зонам анкерных сошников стерневых сеялок в соответствии с видом преобладающих нагрузок за счет термоциклической закалки.

Технический результат достигается способом производства анкерных сошников стерневых сеялок с термической обработкой, включающим выплавку, легирование и модифицирование чугуна, получение отливки в песчаную форму, извлечение отливки из формы при заданной температуре, перемещение в жидкую ванну с заданной температурой, при этом отливку из чугуна, содержащего, мас.%: С 3,1-3,2, Si 2,4-2,6, Mn 0,6-0,7, Ni 2,5-2,6, Mo 1,5-1,6, Cr 0,6-0,7, Mg 0,07-0,09, S≤0,08, P≤0,08%, Fe - остальное, извлекают из формы при температуре 950-1020°С и перемещают в ванну с водой с температурой 20°С, причем термическую обработку производят четырьмя циклами погружения и извлечения режущей части анкерного сошника, при этом на первом цикле погружают режущую часть в воду и выдерживают 1,9 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 3,1 секунды, на втором цикле погружают в воду и выдерживают 1,8 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 4,0 секунды, на третьем цикле погружают в воду и выдерживают 1,8 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 8,9 секунды, на четвертом цикле погружают в воду и выдерживают 1,0 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде до полного охлаждения, причем на первом цикле погружают режущую часть в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до перпендикуляра к середине расстояния от нижней части второго утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния, а на втором и последующих циклах погружают режущую часть в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния.

В зависимости от функционального назначения зоны анкерного сошника воспринимают разные внешние нагрузки: носовая часть воспринимает фронтальные ударные нагрузки, обусловленные процессом взаимодействия с абразивом; переходная зона изделия нагружена динамическими изгибающими моментами; зона крепления представляет собой жесткую заделку, находящуюся под действием реакций связи.

Распределение твердости по зонам различного функционального назначения возможно за счет следующих структур: во фронтальной режущей части получают структуру бейнита, в переходной зоне - перлитную, в крепежной части рабочих органов - феррито-перлитную металлографическую структуру, указано на рисунке 1, где показано распределение металлографических структур в чугунном анкерном сошнике стерневой сеялки по функциональным зонам, где 1 - бейнит; 2 - переходная зона, перлит; 3 - феррито-перлитная структура.

Технология предусматривает следующие этапы: чугунные анкерные сошники 1 стерневой сеялки при температуре 950-1020°С размещаются в закалочную установку 2, режущую часть помещают в специальные подвижные фиксирующие рамки, обращенные к закалочной жидкости 3 (рисунок 2).

Экспериментальные исследования подтвердили достаточное аккумулирование теплоты в основной части анкерного сошника для нескольких саморазогревов режущей части в интервале температур бейнитного превращения от 350°С до 450°С.

При этом скорость охлаждения основной части рабочего органа намного ниже критической скорости охлаждения, поэтому в основной части формируется структура, состоящая из перлита с формированием феррита. Феррито-перлитная структура характеризуется относительно низкой твердостью и способностью воспринимать динамические нагрузки.

Объемная закалка режущей части анкерного сошника с резким охлаждением в закалочной жидкости до температуры 20°С приведет к формированию закалочных концентрационных напряжений в мартенситной структуре, значительному отличию значений твердости, образованию микротрещин.

Использование термоциклической закалки, с нагревом и охлаждением режущей части в интервале температур бейнитного превращения (350°С до 450°С), позволит получить структуры в соответствии с требуемыми свойствами по функциональным зонам с одного нагрева, а также исключить концентрационные температурные напряжения в носовой части анкерного сошника, испытывающей вместе с интенсивным абразивным износом динамические нагрузки. Соответственно, формирование в зоне крепления анкерного сошника феррито-перлитной структуры, а в носовой части бейнитной структуры происходит за счет одного объемного нагрева чугунной заготовки и нескольких циклов взаимодействия ее режущей части с закалочной жидкостью.

Режимы термообработки выбирались исходя из свойств охлаждающей среды, геометрических параметров рабочего органа, физических свойств обрабатываемого материала и др.

Пример конкретного выполнения 1

Посев осуществлялся в условиях каштановых почв Волгоградской области. Из-за высоких показателей интенсивности абразивного изнашивания данных почв, особенно при низкой влажности почв, анкерные сошники стерневых сеялок имеют низкую наработку на отказ. Разработан способ производства анкерных сошников стерневых сеялок с термической обработкой.

Способ производства анкерных сошников стерневых сеялок с термической обработкой включает выплавку, легирование и модифицирование чугуна, получение отливки в песчаную форму.

Отливка из чугуна содержит, мас.%: С 3,1, Si 2,4, Mn 0,6, Ni 2,5, Mo 1,5, Cr 0,6, Mg 0,07, S≤0,08, P≤0,08%, Fe - остальное.

Извлечение отливки из формы происходит при температуре 950°С, затем перемещают отливку в жидкую ванну с температурой 20°С, причем термическую обработку производят четырьмя циклами разноглубинного погружения и извлечения режущей части анкерного сошника стерневой сеялки.

На первом цикле режущую часть погружают в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до перпендикуляра к середине расстояния от нижней части второго утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния и выдерживают 1,9 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 3,1 секунды.

На втором цикле погружают режущую часть в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния и выдерживают 1,8 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 4,0 секунды.

На третьем цикле погружают режущую часть в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния и выдерживают 1,8 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 8,9 секунды.

На четвертом цикле погружают режущую часть в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния и выдерживают 1,0 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде до полного охлаждения.

В результате циклической термообработки в режущей части анкерного сошника стерневой сеялки значения твердости 400 HB на всем ее протяжении и наблюдают структуру бейнит. В переходной части рабочего органа наблюдают перлитную структуру со значениями твердости 200 HB. В зоне крепления рабочего органа металлографический анализ показывает наличие феррито-перлитной структуры металлической основы твердостью 124 HB, с наличием 40% феррита.

Пример конкретного выполнения 2

Посев осуществлялся в условиях каштановых почв Волгоградской области. Из-за высоких показателей интенсивности абразивного изнашивания данных почв, особенно при низкой влажности почв, анкерные сошники стерневых сеялок имеют низкую наработку на отказ. Разработан способ производства анкерных сошников стерневых сеялок с термической обработкой.

Способ производства анкерных сошников стерневых сеялок с термической обработкой включает выплавку, легирование и модифицирование чугуна, получение отливки в песчаную форму.

Отливка из чугуна содержит, мас.%: С 3,2, Si 2,6, Mn 0,7, Ni 2,6, Mo 1,6, Cr 0,7, Mg 0,09, S≤0,08, P≤0,08%, Fe - остальное.

Извлечение отливки из формы происходит при температуре 1020°С, затем перемещают отливку в жидкую ванну с температурой 20°С, причем термическую обработку производят четырьмя циклами разноглубинного погружения и извлечения режущей части анкерного сошника стерневой сеялки.

На первом цикле режущую часть погружают в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до перпендикуляра к середине расстояния от нижней части второго утолщения сверху до нижнего затылочного угла, относительно установленного состояния, и выдерживают 1,9 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 3,1 секунды.

На втором цикле погружают режущую часть в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния и выдерживают 1,8 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 4,0 секунды.

На третьем цикле погружают режущую часть в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния и выдерживают 1,8 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 8,9 секунды.

На четвертом цикле погружают режущую часть в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла, относительно установленного состояния, и выдерживают 1,0 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде до полного охлаждения.

В результате циклической термообработки в режущей части анкерного сошника стерневой сеялки значения твердости 420 HB на всем ее протяжении и наблюдают структуру бейнит. В переходной части рабочего органа наблюдают перлитную структуру со значениями твердости 260 HB. В зоне крепления рабочего органа металлографический анализ показывает наличие феррито-перлитной структуры металлической основы твердостью 138 HB, с наличием 45% феррита.

Таким образом, способ производства анкерных сошников стерневых сеялок с термической обработкой зонально распределяет металлографические структуры по функциональным зонам анкерных сошников стерневых сеялок в соответствии с видом преобладающих нагрузок за счет термоциклической закалки.

Таблица Циклы, п/п 1 2 3 4 Выдержка в воде, секунд 1,9 1,8 1,8 1,0 Выдержка
на воздухе, секунд 3,1 4,0 8,9 До полного охлаждения Погружение режущей части плоскость от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до перпендикуляра к середине расстояния от нижней части второго утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния

Изобретение относится к областям машиностроения, металлургии и сельского хозяйства. Способ производства анкерных сошников стерневых сеялок с термической обработкой включает получение отливки в песчаной форме и ее термическую обработку. Отливку из чугуна, содержащего, мас.%: С 3,1-3,2, Si 2,4-2,6, Mn 0,6-0,7, Ni 2,5-2,6, Mo 1,5-1,6, Cr 0,6-0,7, Mg 0,07-0,09, S≤0,08, P≤0,08, Fe – остальное, извлекают из формы при 950-1020°С, перемещают в ванну с водой температурой 20°С и обрабатывают циклами. На 1 цикле погружают в воду режущую часть плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до перпендикуляра к середине расстояния от нижней части второго утолщения сверху до нижнего затылочного угла, выдерживают 1,9 с, извлекают и выдерживают в воздушной среде 3,1 с. На 2 – выдерживают в воде 1,8 с, в воздушной среде – 4 с, на 3 – в воде 1,8 с, в воздушной среде – 8,9 с, на 4 – в воде 1 с, в воздушной среде – до полного охлаждения. На 2-4 циклах погружают режущую часть в воду от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла. Обеспечивается зональное распределение металлографических структур по функциональным зонам согласно виду преобладающих нагрузок. 2 ил., 1 табл., 2 пр.

Способ производства анкерных сошников стерневых сеялок с термической обработкой, включающий выплавку, легирование и модифицирование чугуна, получение отливки в песчаную форму, извлечение отливки из формы при заданной температуре, перемещение в жидкую ванну с заданной температурой, отличающийся тем, что отливку из чугуна, содержащего, мас.%: С 3,1-3,2, Si 2,4-2,6, Mn 0,6-0,7, Ni 2,5-2,6, Mo 1,5-1,6, Cr 0,6-0,7, Mg 0,07-0,09, S≤0,08, P≤0,08, Fe – остальное, извлекают из формы при температуре 950-1020°С и перемещают в ванну с водой с температурой 20°С, причём термическую обработку производят четырьмя циклами погружения и извлечения режущей части анкерного сошника, при этом на первом цикле погружают режущую часть в воду и выдерживают 1,9 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 3,1 секунды, на втором цикле погружают в воду и выдерживают 1,8 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 4,0 секунды, на третьем цикле погружают в воду и выдерживают 1,8 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде 8,9 секунды, на четвертом цикле погружают в воду и выдерживают 1,0 секунды, затем извлекают и выдерживают в воздушной среде до полного охлаждения, причём на первом цикле погружают режущую часть в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до перпендикуляра к середине расстояния от нижней части второго утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния, а на втором и последующих циклах погружают режущую часть в воду плоскостью от верхнего фронтального угла первого утолщения сверху до нижнего затылочного угла относительно установленного состояния.