Ученые Алтайского аграрного университета получили престижную награду всероссийской выставки «Золотая осень». Коллектив кафедры технологии конструкционных материалов и ремонта машин АГАУ взял золотую медаль в области инноваций в сельском хозяйстве. Технология алтайских ученых – новое слово в применении композиционных покрытий для упрочнения рабочих органов сельхозмашин и агрегатов. По такому замечательному поводу мы побеседовали с командой разработчиков.

15 лет работы
Конструкционные материалы в сельхозмашиностроении, как погода в растениеводстве, несут в себе до 90 % успеха. От металлов и сплавов, из которых сделан агрегат, непосредственно зависит его качество и надежность. Можно ли измерить эти параметры — вопрос сложный. Даже простая борона — это уже техническая система из деталей и узлов, сварных и резьбовых соединений, где каждый элемент вносит вклад в общий срок службы. Зачастую здесь главенствует принцип «где тонко — там и рвется», но не менее значимы при этом условия и параметры почвообработки.

Первыми в полях всегда изнашиваются рабочие органы — сошники, стрельчатые лапы, диски и лемехи. Раньше эти детали затачивали, пытались чинить, теперь же просто заменяют, словно масло в двигателе. На современные широкозахватные почвообрабатывающие комплексы устанавливают по 40–60 стрельчатых лап. Каждая стоит от тысячи рублей и выше. Сами прицепные агрегаты могут прослужить и по десять лет, однако рабочие органы меняются ежегодно. В последние годы с возросшей интенсивностью обработки почв они стали изнашиваться и того быстрей.

При отвальной вспашке рабочие органы прослужат дольше, учитывая ход по чернозему при отсутствии песка. Но если взять популярную сегодня безотвальную вспашку, например, в Кулундинской степи, износ вырастет в разы. На памяти профессора АГАУ Алексея Ишкова есть случай, когда стрельчатые лапы истирались до креплений, пройдя всего 30 га пашни.

Проблема давно интересовала коллектив профильной кафедры АГАУ. Искали решение — нашли, создали и успешно испытывали технологию, оплачивая все из своего кармана. На все про все потребовалось около 15 лет. В этом году представили результат на выставке «Золотая осень», тут же взяли первое место в номинации «Инновационные разработки в области механизации, электрификации и автоматизации сельского хозяйства». Авторы проекта — завкафедрой Николай Кривочуров и два профессора, Алексей Ишков и Виктор Иванайский. Первый инженер, второй химик, третий металлург. Как и многие новшества, идея проекта родилась на стыке знаний.

Не только хром

Советское сельхозмашиностроение никогда не могло похвастать дорогими сталями, это наследие у отрасли и сегодня. Поэтому упор здесь делается на различные методы закалки и поверхностного упрочнения деталей из дешевой стали. Обычно при этом используется ТВЧ-нагрев, индукционная наплавка, напайка твердосплавных пластин. Процесс следующий: берутся пластинки из карбидов редкоземельных металлов и наплавляются через медную или латунную прослойку при нагреве током высокой частоты на рабочий орган, например – стрельчатую лапу, и именно там, где деталь испытывает максимум нагрузки, трения, износа. Отсюда долговечность, рассказывает профессор АГАУ Виктор Иванайский.  

Наплавку производят, помещая деталь в специальное приспособление (индуктор), который сам подключается к высокочастотной установке (генератору). Используемая при этом сила тока достигает 2000 ампер, для сравнения: в бытовой электросети всего до 5-7 ампер.

Сколько будет стоить хорошенько упрочнить рабочие органы бороны или плуга, представить несложно. Из дорогостоящих материалов применяется твердый сплав из карбидов вольфрама и кобальта. На каждую стрельчатую лапу наплавляется минимум четыре пластины – две сверху и две снизу. Каждая имеет 60 мм в длину и 16 мм в ширину, а стоит одна такая пластинка около 300 рублей. Более «бюджетный» и ходовой вариант – твердый сплав на основе никеля или железа, имеющего в составе карбиды хрома (система Fe-Cr-C).

В своей технологии ученые совместили два процесса – индукционную наплавку твердого сплава и разработанное ими высокоскоростное ТВЧ-борирование. В итоге пришли к формуле Fe-Cr-C-B, где железо, хром и углерод были дополнены бором. При этом новый материал образовался сам - в процессе индукционной наплавки.

— Бор не встречается в природе чистым, поскольку этот элемент чрезвычайно активен и сразу вступает в реакцию с другими металлами и неметаллами.

Важно, что при этом бор образует в твердом сплаве новые фазы, меняя структуру и свойства материала. Таким образом помимо карбидов в твердом сплаве образуются еще и бориды, а они в два-четыре раза тверже, – пояснил Алексей Ишков. – На износ рабочих органов влияет не столько прочность, сколько именно твердость сплава.

— Одним из недостатков карбидов хрома всегда была хрупкость, теперь же удалось добиться хорошей упругости и ударной вязкости наплавочного материала, за счет его «измельчения» и модификации бором, – объясняет Виктор Иванайский. – И что также немаловажно – бор гораздо дешевле хрома.

Суть технологии в том, что количество дорогих металлов в новом сплаве играет не такую уж важную роль. Гораздо больше его свойства зависят от новых фаз – боридов и внутренней структуры материала. Это как с углеродом, который в природе может быть, и сажей, и хрупким графитом, и прочнейшим алмазом.

Сейчас ученые ведут дальнейшее исследование свойств бора, чтобы в будущем многократно уменьшить или совсем отказаться от дефицитного хрома, что дополнительно снизит себестоимость упрочнения. Задача №1 – прийти к износостойкости, аналогичной дорогим материалам, в разы снизив себестоимость нового композита.

В испытаниях проекта участвовали несколько хозяйств в разных почвенно-климатических зонах нашего региона. Стрельчатые лапы, покрытые новым сплавом, работали наряду с типовыми. В течение нескольких полевых сезонов заводские детали приходилось менять два-три раза, а те, что предоставили ученые, почти не износились. Кроме того, новинку испытывали на роторных комбайнах, изготовив из сплава несколько десятков ножей измельчителя-разбрасывателя соломы. Результат получили такой же.

И лапы целы

Что касается дальнейших перспектив разработки АГАУ, ее внедрением в настоящее время заинтересовались несколько российских сельхозмашиностроительных предприятий. Алтайские в их числе.
Подвох в том, что производители рабочих органов не всегда заинтересованы в их долговечности. В то же время некоторые клиенты осознанно берут рабочие органы подешевле, по своим причинам, отмечают ученые. Какие детали приобретать, зависит от предпочтений аграриев. По их желанию многие заводы могут предоставить разные варианты.

По этому поводу Николай Кривочуров припомнил историю с «лампочкой Ильича». Однажды в СССР разработали лампы накаливания, которые светили годами, и их попросту перестали покупать за ненадобностью. Склады были забиты, и уже встал вопрос — не останавливать ли завод? В итоге сделали такую лампочку, которая горела около трех месяцев, — и люди не жалуются, и завод работает.

— Можно ли представить, что заводы будут делать «вечную» сельхозтехнику? Нет, конечно. С другой стороны, им приходится терпеть нарекания. Здесь необходима золотая середина, — поясняет Николай Кривочуров. — Задача сделать рабочий орган, обладающий «беспредельной» износостойкостью, не ставится. Однако его должно хватить для соблюдения агротехнологии на указанный срок службы — ровно сезон или два, а затем деталь подлежит плановой замене. Именно так поступают многие фермеры за рубежом.

Ясно одно: остановки в течение полевого сезона недопустимы — серьезный износ рабочих органов нарушает агротехнологию. Такая лапа или сошник не выполнит требований, которые предъявляются к почвообработке со стороны агронома, а неравномерность глубины вспашки или заделки семян серьезно повлияет на всхожесть и в итоге на урожай.