Технологічне забезпечення відновлення дисків сошників зернових сівалок (стр. 9 из 25)

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 g-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

Позначення шва	Зварний шов%		Mn: С	Порошко-вий дріт	Порошковий дріт%
	С,%	Mn,%			С,%	Mn,%
“А”	0,55-0,6	11-11,5	19.20	40Г20	0,35-0,40	20-21
“В”	0,8-0,85	11-11,5	14. .15	120Г20	1,1-1,2	20-21
“С”	0,65-0,7	7-7,5	10. .11	90Г14	0,9-0,95	14-15

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].

Диск на сошнику закріплюється під кутом атаки, який лежить у двох площинах: у фронтальній площині кут атаки α становить близько 20⁰, а у вертикальній β - близько 25⁰.

Основними зусиллями, які чинять опір руху диска в умовах абразивного середовища, є - F, N та Q. Зокрема, дія навантаження F зосереджена на робочу крайку диска, і відповідно зварний шов працює як на стиск, так і на разтяг. Внаслідок дії ґрунту по складових навантаження N та Q в диску діють додаткові зусилля згинання. Таким, чином узагальнено можна стверджувати, що під час експлуатації диск перебуває під дією знакозмінних згинальних сил, які можуть бути причиною його руйнування.

Під час згинання та розтягу зразка з м'яким прошарком (зварний шов) в той момент, коли середні напруження досягають границі текучості металу прошарку, в ньому виникає пластична деформація [64,136]. Однак розвитку такої деформації чинить опір сусідній більш міцніший метал, який ще продовжує працювати пружно. Такий ефект призводить до виникнення на контактних поверхнях дотичних напружень. В результаті цей прошарок в приконтактній області набуває об'ємного напруженого стану на деяку глибину.

Рис.2.5 Силова схема дії робочого навантаження на диск сошника:α=20⁰, β=25⁰ - кути атаки відповідно у фронтальній і вертикальній площинах, F, N, Q - зусилля, які діють на диск під час руху у ґрунті

Тому вплив цього стану на властивості м'якого прошарку та його контактне зміцнення залежить від розмірів самого прошарку, товщина якого повинна бути меншою за товщину основного металу. Коли їх відношення

(b - ширина м'якого прошарку, h=2,5мм. товщина матеріалу диска) (рис.2.3), тоді ефект контактного зміцнення проявляється істотніше.

На підставі проведеного моделювання геометричних розмірів зварного шва встановлено, що оптимальна ширина м'якого прошарку b=1,8. .2 мм. Відносна товщина прошарку при цьому

, що теоретично може забезпечити необхідну схильність з'єднання до контактного зміцнення, яке підвищить стійкість диска до втомного руйнування під час експлуатації в ґрунті.

2.2 Структурні перетворення при зварюванні сталі 65Г

Під час рівномірного нагрівання металу відбувається його вільне розширення без утворення напружень. Якщо ж нагрівання нерівномірне, що має місце при зварюванні, то менш нагріті ділянки тіла перешкоджають вільному розширенню більш нагрітих, і в результаті, виникають температурні напруження. Такі напруження існують в металі на усіх стадіях термічного циклу.

Внаслідок нерівномірного нагрівання металу та зміни його об'єму через температурне розширення під час зварювання, а також в результаті фазових і структурних перетворень, призводять до виникнення пружних і пластичних деформацій. Під впливом пластичних деформацій при високих температурах у зварному з'єднанні після повного охолодження залишаються власні напруження або так звані залишкові напруження.

Поряд з тепловими напруженнями при зварюванні сталі 65Г виникають структурні напруження, що зумовлені перетвореннями із зміною структури в тих зонах основного металу, які в процесі зварювання були нагріті вище критичної температури A_C3. При охолодженні від цієї температури в результаті переходу аустеніту в мартенсит, у діапазоні температур початку (для сталі 65Г М_П=270⁰С) та кінця (М_К=-5⁰С) мартенситного перетворення, відбувається збільшення об'єму металу [138].

Розширенню об'ємів новоутвореної структури мартенситу перешкоджають ділянки зварного з'єднання, у яких структурні перетворення не відбулись. Тому в об'ємах із структурою мартенситу виникають залишкові напруження стиску, а у примежових ділянках - напруження розтягу, які зумовлюють додаткове зростання пластичних деформацій.

Схематично вигляд дилатометричної кривої для сталі 65Г зображено на рис.2.6

Рис.2.6 Дилатолометрична крива сталі 65Г при охолодженні

Величина та характер розподілу залишкових напружень, які виникають у зварному з'єднанні сталі 65Г, є головними чинниками, відповідальними за технологічну та експлуатаційну міцність. Природа виникнення цих напружень залежить від багатьох факторів, і одним з основних є хімічний склад основного металу і, зокрема, вміст вуглецю.

В порівнянні з іншими структурними складовими [47], мартенсит, який утворився при зварюванні сталі 65Г, має високу твердість, крихкість та підвищений питомий об'єм. Для порівняння, структурні складові аустеніт та перліт мають питомий об'єм відповідно 0,1275×10^-3 та 0,1286×10^-3 м³/кг, а для мартенситу він рівний 0,1310×10^-3 м³/кг [48].

Отже, структурні перетворення аустеніту в мартенсит при зварюванні сталі 65Г зумовлюють різку зміну об'єму у біляшовній зоні, і розтягувальні напруження, що виникають на стадії охолодження металу, переходять у стискальні, які після завершення структурного перетворення можуть знову перейти в розтягувальні [44,46].

Таким чином, на відносно неширокій ділянці зварного з'єднання має місце значний перерозподіл величини та характеру залишкових напружень, для визначення яких доцільно застосовувати непрямі методи оцінки. Небезпека таких напружень та складність їх визначення підвищується у випадку утворення криволінійного зварного з'єднання, зокрема, колового, що має місце при відновленні робочої поверхні за зовнішнім діаметром диска сошника зернової сівалки електродуговим способом зварювання.