Виливки модульного типу та нові методи виготовлення деталей для землерийної та ґрунтообробної техніки

Умови воєнного часу роблять першочерговими дослідження, спрямовані на підвищення обороноздатності країни. Необхідна також інтенсифікація зусиль по створенню матеріалів із підвищеними властивостями, розроблення ефективних методів, технічних засобів і технологій для збільшення ресурсу різного обладнання та конструкцій, як військового, так і цивільного призначення. Відповідно до цих проблем і викликів, за урядовими програмами Україна планує виготовляти готову металопродукцію, переробляючи на метал більшість руди власного видобутку. Ці рішення викладено у статті [1] першого віцепрем'єр-міністра – міністра економіки Юлії Свириденко.

Україна дев’ята у світі за експортом металів (19 млн т на рік). Ми експортуємо велику кількість руди, яку за планом післявоєнного відновлення слід переробляти всередині країни. Адже тонна руди коштує 100-150 доларів (США, тут і далі), тонна металу – 500-1000 доларів, а готовий металевий виріб – 1,5-2 тис доларів. Якщо з металевих виробів виготовляти енергетичні машини, то ціна доходить до 15-20 тис доларів за тонну [1]. Безпека України залежить лише від нас самих, для чого нам потрібне власне виробництво зброї. Для цього є стартові майданчики у вигляді підприємств ВПК. Поставивши питання перед західними партнерами про трансфер військових технологій, уряд планує швидко налагодити виробництво усіх основних видів озброєння: від протиповітряної оборони до бронетехніки, ракет, стрілецької зброї, боєприпасів, літаків та кораблів [1], поставивши завдання – сформувати потужний військово-промисловий комплекс, що стане базою для подальшого розвитку в тому числі аерокосмічних технологій.

Ключова вимога – локалізація виробництва не менше 60 %. Важливу роль у цьому секторі відіграватиме IT, оскільки Україна робитиме ставку на military-tech. В цьому прикладом для наслідування може бути Ізраїль, який демонструє, як високі військові технології можуть стати двигуном цивільної економіки [1].

Розробка високоміцних литих модульних конструкцій для обладнання оборонного значення сприятиме поширенню передових ливарних технологій в галузі оборонно-промислового комплексу. Виробництво таких виливків для експлуатації за екстремальних умов стимулює розвиток високотехнологічних процесів лиття, сприяє впровадженню в ливарне виробництво 3D-технологій.

На розмінування окупованих східних територій України, за словами  міністра оборони О. Резнікова (www.pravda.com.ua, 2021) потрібно близько 25-30 років. Також потрібні надійні засоби подолання мінних полів військовою технікою для проведення оборонних операцій. Слід враховувати, що під час В'єтнамської війни 73 % втрат техніки припадали на підриви на протипіхотних та протитанкових мінах. Огляд останніх досліджень і публікацій за такою проблемою показав, що на виставці "Інтерполітех-2018" було представлено модульний мінний трал для бронетехніки, як один з нових засобів подолання мінних полів (рис. 1) [2].

Рис. 1. Макет модульного мінного тралу на виставці "Інтерполітех-2018" [2] та приклади бронетехніки для його застосування (на ескізі справа на трал встановлено на прутах додаткові легкі щитки).

Така конструкція тралу дозволяє збирати його з металевих модулів і швидко змінювати пошкоджені елементи в польових умовах. Модульний мінний трал при подоланні мінно-вибухових загорож робить практично невразливими танки та важкі БМП, в тому числі на вітчизняній платформі "Оплот", та дозволить забезпечити високу рухливість військ. Його призначення – знешкоджувати міни різних типів, у тому числі виставлені системами дистанційного мінування. При вазі близько 950 кг, він створює смугу тралення шириною до 4 м. При цьому швидкість рухи техніки може досягати 25 км/год. Час встановлення на бойову машину – 30 хв. Усього 15 секунд необхідно, щоб перевести систему у бойове становище. Трал складається з механізму підвіски, що несе рами двовідвальної конфігурації з закріпленими на валу поворотними секціями, що мають плужки чи зубці-культиватори для оранки землі на певну глибину подібно ґрунтообробній сільгосптехніці. На тралі [1] також передбачено електромагнітну приставку, що ініціює підрив мін заздалегідь.

Наша розробка полягала в проектуванні литих конструкцій полегшеної ваги для зменшення трудомісткості і собівартості виготовлення конструкцій тралів та ініціації створення серії таких модульних лито-збірних високоміцних металовиробів для роботи в екстремальних умовах [3]. Так, поворотні ободи з передніми щитками і зубцями-культиваторами (їх по 8 шт. встановлено по обидва сторони від центральної осі бронемашини вздовж напряму руху, рис. 1). нами запропоновано лити з високоміцного чи сірого чавуну високих марок, на відміну від конструкції [2], на якій вони виготовлені зі сталі з застосуванням зварювання.

Також методу лиття металу за моделями, що газифікуються, (ЛГМ) властива достатня точність, що дозволяє застосовувати виливки в конструкції тралу без механічної обробки. Так за технологією ЛГМ ллють робочі органи ґрунтообробної техніки. На рис. 2 показано приклади серійного точного лиття культиваторів для сільгосптехніки методом ЛГМ та ескіз захисних ободів (мінних тралів) з двох частин.

               а                                                                б

Рис. 2. Приклади лиття культиваторів (виливки та їх пінопластові моделі) методом ЛГМ (а) та ескіз литих модульних ободів з двох частин (б).

Розробка конструкції з двох півободів дозволяє зробити вагу цих виливків не більше 50 кг, що згідно НПАОП 52.0-1.01-96 та НПАОП 63.12-1.03-96 для чоловіків віком понад 18 років допускає ручне переміщення вантажів з робочої поверхні не більше 50 кг. Це полегшить заміну зруйнованих деталей в польових умовах та дозволить зменшити їх число. Конструкції елементів потенційного контакту з перешкодами мають бути поворотними і відкидатись вгору навколо осі при можливому вибухові, що призводить до часткового гасіння енергії ударом при повороті модуля об грунт з обертанням на 180⁰, для чого верхня частина полички 1 на передньому півободі 2 виконується під відповідним кутом.

При збиранні ободу з двох частин 2 і 3 передбачено скріплювати, зокрема, зверху болтами крізь отвори 4. А знизу передбачено кріплення крізь отвори 5 на палець з шплінтуванням (аналогічно гусеничним тракам), з наступним заведенням півободів під вісь на підкладках і потім кріпленням зверху болтами. Тоді нижня поличка 6 встановлюється на такій висоті, що зуби 7 занурюються у землю (наче культиватори) для спушування її на певну глибину, яку забезпечують відповідні фіксатори на осі для утримання ободів.

Значний потенціал зміцнення виливків для експлуатації за екстремальних умов забезпечує їх термообробка (ТО) методом ізотермічного гартування (ІГ) до утворення в металі бейнітної структури, в тому числі з залишковим аустенітом, що під час їх експлуатації призводить до утворення мартенситу деформації за рахунок тріп-ефекту [3], а також важливий розроблений нами варіант ІГ для регулювання механічних властивостей виливків, що описаний нижче.

У ФТІМС НАНУ напрацьовано науково-технологічні основи ЛГМ і значний досвід точного лиття деталей – робочих органів землерийної та ґрунтообробної техніки (рис. 3), як виробів подвійного використання: як в цивільних будівельних чи промислових умовах, так і в оборонному плані, щоб копати окопи, траншеї, котловани для укриття, бліндажів тощо. Саме для таких виливків буде корисною описаний нижче спосіб ІГ.

   Рис. 3. Приклади литих робочих органів землерийної техніки і їх моделей для ЛГМ.

На сьогоднішній наявний значний науково-технологічний доробок по  створенню процесів ТО литих виробів, зокрема з графітизованих чавунів, що дозволяють створити в них бейнітну структуру, яка підвищує показники міцності виливка в 1,5-2 рази, порівняно з традиційними виливками, що отримані в піщаних формах. Зазначені високі показники міцності особливо важливі для деталей, що орудують в умовах, які призводять до їх зношування (як на рис. 2, 3). Саме способи ІГ рекомендовано для зміцнення таких виливків з залізовуглецевих сплавів, в тому числі чавунів.

Розглянемо процес ІГ для виливків з чавунів, яке починається з нагрівання їх до температури аустенізації металу і наступному ступінчастому охолодженні виливків. Зокрема, для високоміцного чавуну (ВЧ) вплив температури аустенізації, з якої виконують гартування, на твердість виливка, показано на рис. 4. При цьому вимірювали твердість загартованих зразків з ВЧ з наступним відпуском [4].

 Рис. 4. Вплив температури аустенізації на твердість загартованих зразків.

Найновіші способи підвищення властивостей залізовуглецевих сплавів полягають в отриманні двофазних (dual phase, DP) [5] чи багатофазних (зокрема, вітчизняні праці Л. С. Малинова, К. І. Узлова та ін.) мікро- і макронеоднорідних структур (аусферит, бейніт, мартенсит тощо) в металі виливків. Прикладом цього є двофазні за металевою матрицею ізотермічно загартовані чавуни DP-ADI, структура яких складається з аусфериту, вільного (проевтектоїдного), пересиченого вуглецем фериту та графіту. DP-ADI чавуни мають більшу пластичність, кращу оброблюваність, ніж звичайні ADI, що містять, наприклад, аусферит і графіт [5]. На рис. 5 [6] показано вертикальні розрізи потрійної діаграми Fe-C-Si паралельно стороні Fe-C при Si - 2,0 % і Si - 3,8 %. Область міжкритичного інтервалу температур (МКІТ), що містить α – ферит, γ – аустеніт і С – графіт (вуглець), зафарбовано сірим кольором.

Методом ІГ з області МКІТ, що показана на рис. 5, забезпечують певну долю у структурі DP-ADI вільного (проевтектоїдного) пересиченого вуглецем фериту і тим самим регулюють твердість DP-ADI аналогічно як на рис. 4. Так, в зразках [5] чавуну хімічного складу, мас. %: 3,53С; 2,53Si; 0,35Mn; 0,045Cu; 0,07Ni; 0,055Mg; 0,031P; 0,015S; при долі 18,4 % і 78,8 % (за об’ємом) такого фериту (решта – аусферит і графіт) твердість DP-ADI, відповідно, доступна для регулювання від 300 до 178 НВ (рис. 6).

 Рис. 5. Вертикальні розрізи потрійної діаграми Fe-C-Si паралельно стороні Fe-C при Si - 2,0 % (а) та Si - 3,8 % (б) [6]: α – ферит, γ – аустеніт, Р – рідина, С – вуглець (графіт) [6]; область міжкритичного інтервалу температур (МКІТ) зафарбовано сірим кольором.

Рис. 6. Вплив відносного вмісту фаз (% за об’ємом) в структурі чавуну DP-ADI на його твердість [5]; Тγ - температура аустенізації.

Оскільки у ФТІМС НАНУ запатентовано ряд способів взаємного доповнення процесів лиття та термообробки - ІГ (або термообробки з литого стану) виливків з чавуну, то нами розроблено (як варіант ІГ) спосіб зовнішнього впливу на затверділий виливок для створення його диференційованих механічних властивостей. ФТІМС НАНУ давно удосконалює ЛГМ-процес, і розробленому способі регулювання і підвищення властивостей виливків застосували потенціал «сипкого піску» при ЛГМ, що дозволяє легке вибивання чи видалення виливка з форми. Тому гарячий виливок в аустенітному стані нескладно видалити з сипкого піску і провести його ІГ, підвищивши механічні показники чавуну не менше ніж 1,5 рази, або виконавши більш складне регулювання його властивостей.

З прикладу на рис. 6 видно, якщо одну поверхню виливка при ІГ загартувати з температури 820 °С, а другу - з 800 °С, то твердість першої поверхні буде 265 НВ, а другої -  195 НВ. Запропонований нами спосіб ґрунтувався на тому, що слід одну поверхню гарячого виливка захистити від охолодження, а другій прискорити охолодження, досягнувши, наприклад, вказаного перепаду температур. При цьому застосували прийом під умовною назвою «холодильник-навпаки» або металевий «нагрівальник чи теплоізолятор».

Металеві зовнішні холодильники давно застосовують для регулювання охолодження виливка у піщаній формі. Наведемо такий приклад. Якщо в термічній печі (термосі) тримати, наприклад, металеві пластини нагрітими до температури 820+5 °С, видалити чавунний виливок з сипкого піску форми (при ЛГМ) при температурі 830±10 °С, накласти гарячу пластину на одну стінку виливка, а другу відкриту охолодити до температури 800 °С самовільною конвекцією повітря, обдуванням повітря (в тому числі, вологого чи з аерозолем), і при досягненні 800 °С провести гартування виливка в воді чи іншому гартувальному середовищі з подальшим виконанням операцій згідно ІГ, то одна поверхня загартується з температури 820 °С, а друга - з 800 °С, відповідно буде і твердість цих поверхонь (як ми вище розглянули), а також міцність, що прямо залежить від твердості. А сучасними пірометрами, що дають похибки ±3 °С і менше, неважко контролювати ці температури.

З такими диференційованими механічними властивостями виливків їх доцільно застосувати для деталей, що служать в умовах зношування (рис. 7), потребують одної поверхні твердої і міцної, а другої - більш м’якої, в’язкої чи з неважкою оброблюваністю тощо. При цьому металева матриця [7] одної поверхні виливка може бути аусферитною з твердістю 300 – 550 НВ, а друга - майже повністю феритною з твердістю 150 - 200 НВ.

                      а                                       б                                                в

Рис. 7. Приклади виливків (а, б), що застосовують в умовах зношування, та пінополістирольні моделі серійного виготовлення подібних виливків (в) методом ЛГМ.

При зношуванні виливка - литого робочого органу землерийної чи ґрунтообробної техніки, що працюють в екстремальних умовах, прошарки металу від м’якшої поверхні будуть швидше зношуватись, ніж від твердішої, і цей робочий орган буде самозагострюватись в процесі зносу. Це призведе до зменшення зусиль і енерговитрат для руху таких робочих органів чи інструментів. 

Показані нами приклади виливків є, по суті, прикладами деталей - змінних модулів, якими заміщають зношені деталі. Їх виготовлення відпрацьовано методом ЛГМ часто з отворами для кріплення, вони практично не потребують механічної обробки. Як і розглянуті трали, так і плуги, культиватори, диско-чизельні борони до сучасних потужних тракторів встановлюються рядами. Зуби для ківшів екскаваторів чи подавальних конвеєрів також монтують рядами. Модульна будова дозволяє заміну зіпсованих модулів (як розхідних матеріалів) на нові чи більш досконалі з мінімальною затримкою експлуатації основних несучих конструкцій, що пов’язані з привідним механізмом чи машиною.

Таким чином, в роботі удосконалено конструкцію мінного тралу шляхом переведення зі зварних деталей на литі модулі (з двох частин), що за вагою доступні для збирання цих точних чавунних виливків в польових умовах, а також при виготовлені для експлуатації в екстремальних умовах рекомендовано їх додаткове зміцнення термообробкою. Запропоновано і обґрунтовано новий вид гартування литих робочих органів для досягнення диференційної твердості їх поверхонь, що в умовах зношування буде призводити до самозагострювання робочих органів землерийного і ґрунтообробного обладнання. Також наведено приклади деталей модульних конструкцій, виготовлених точним литтям методом ЛГМ.

Список літератури

1. Свириденко Ю. Як буде відновлюватися Україна? 21.04.2022. URL: https://www.pravda.com.ua/columns/2022/04/21/7341214/
2. Модульный минный трал с улучшенными характеристиками. URL: https://photos.rg.ru/2018/10/24/2c3a3bc0.html/
3. Патент 139560 Україна, МПК B22D 7/00, B22D 23/00, F41H 5/00. Спосіб виробництва броньової перешкоди з високоміцного чавуну у ливарних формах з сипкого піску / В.С. Дорошенко, В.О. Шинський. Опубл. 10.01.2020, Бюл. №1.
4. Jon L. Dossett, Howard E. Boyer. Practical Heat Treating: Second Edition. 2006. ASM International. 296 р. DOI: 10.1361/pht2006_FM.
5. Olivera Eric et al. Dual Phase Austempered Ductile Iron - The Material Revolution and Its Engineering Applications // Computational and Experimental Approaches in Mat. Sc. and Engineering. CNNTech. – 2019, September. - Р. 22-38.
6. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.: Металлургия, 1989. – 456 с.
7. Макаренко К. В. Рациональное структурирование графитизированных чугунов // Труды Нижегородского ГТУ им. Алексеева, 2014. - № 2. - С. 196-205.

Анотація.

Розробка високоміцних литих модульних конструкцій для обладнання оборонного чи подвійного застосування сприяє поширенню передових ливарних технологій в галузі оборонно-промислового комплексу. В роботі удосконалено конструкцію модульного тралу шляхом переведення зі зварних деталей на литі модулі (з двох частин), що за вагою доступні для збирання цих точних чавунних виливків в польових умовах, а також при виготовлені для експлуатації в екстремальних умовах рекомендовано їх додаткове зміцнення термообробкою. Запропоновано і обґрунтовано новий вид гартування литих робочих органів для досягнення диференційної твердості їх поверхонь, що в умовах зношування буде призводити до самозагострювання робочих органів землерийного і ґрунтообробного обладнання. Також наведено приклади деталей модульних конструкцій, виготовлених точним литтям методом ЛГМ. Ці приклади виливків є, по суті, приклади деталей - змінних модулів, якими заміщають зношені деталі. Їх виготовлення відпрацьовано методом ЛГМ часто з отворами для кріплення, вони практично не потребують механічної обробки. Як і розглянуті трали, так і плуги, культиватори, диско-чизельні борони до сучасних потужних тракторів встановлюються рядами. Зуби для ківшів екскаваторів чи подавальних конвеєрів також монтують рядами.  Модульна будова дозволяє заміну зіпсованих модулів (як розхідних матеріалів) на нові чи більш досконалі з мінімальною затримкою експлуатації основних несучих конструкцій, що пов’язані з привідним механізмом чи машиною.

Ключові слова: модульні конструкції, виливки, зношування, високоміцний чавун, гартування, грунтооброблювальні, землерийні, твердість металу, термообробка.

Автор:

Дорошенко Володимир Степанович, doro55v@gmail.com

Вчений ступінь: доктор технічних наук.

Вчене звання: старший науковий співробітник.

Посада: провідний науковий співробітник.

Місце роботи: Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України

Литье Украины, №7-8, 2022, с.15-21