Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Murom, Vladimir, Russian Federation
Murom, Vladimir, Russian Federation
Murom, Vladimir, Russian Federation
Nowadays, industry development requires making new strengthening technologies that allow expanding the rational scope of their application. It is quite promising to use methods of combined hardening that allow changing the physical and mechanical properties of the surface layer during successive external actions having different physical nature: sequential plastic deformation and external thermal effects. Therefore, the objective of the conducted study is to make a complex technology of combined deformation and thermal hardening. Preliminary plastic deformation is proposed to be carried out by the method of wave deformation hardening, in which the improvement of properties is achieved by forming structural imperfections of the crystal lattice of the material under the action of prolonged shock pulses of significant energy and duration. The use of these pulses contributes to a more complete plastic deformation of the hardened metal and the formation of a deeper hardened surface layer than with traditional methods of deformation hardening. The proposed combined technology, consisting in the use of wave deformation hardening before thermal treatment, allows to obtain high hardness and plasticity in the surface layer, provides an additional resource to increase the operational characteristics of the part. The novelty of the work is in the complex development of a method for combined wave deformation and thermal hardening of the surface layer of alloy steels. The conducted studies of the method have shown the high efficiency of the technology of combined deformation wave and thermal hardening for various grades of alloy steels.
hardening, wave, deformation, treatment, hardness, plasticity, viscosity, surface layer
Введение
Упрочняющая обработка является важной технологической операцией, которая отвечает за обеспечение высоких эксплуатационных характеристик деталей машин. Известно большое количество технологических способов упрочнения, оказывающих благоприятное воздействие на изменение свойств материала несущего поверхностного слоя деталей, каждый из которых имеет свою определенную область применения. Современный уровень техники предъявляет все более высокие требования к надежности и ресурсу деталей машин, которые не всегда могут быть обеспечены известными способами упрочнения. В этой связи перспективным является развитие комбинированных упрочняющих технологий. Причем наиболее эффективно показали себя технологии, сочетающие воздействие на упрочняемый материал разной физической природы.
Материалы, модели, эксперименты и методы
Анализ существующих способов комбинированного упрочнения показал высокую эффективность совместного применения поверхностного пластического деформирования (ППД) и химико-термической обработки [1-4]. Использование ППД перед цементацией, повышает плотность дислокаций, интенсифицирует диффузионные процессы и позволяет достигнуть более высоких значений концентрации углерода в диффузионной зоне. Появляется возможность сокращения времени и энергетических затрат, связанных с процессом науглероживания, а поверхностный слой, упрочненный предварительным ППД и последующей цементацией, имеет дополнительные ресурсы для повышения эксплуатационных характеристик деталей.
В настоящее время известен комбинированный способ повышения прочностных характеристик металлических материалов – предварительная термомеханическая обработка (ПТМО), который заключается в предварительной пластической деформации исходной структуры и последующей термической обработке (ТО) [5, 6]. ПТМО может проводиться по двум вариантам:
- холодная пластическая деформация с последующей закалкой и отпуском;
- холодная пластическая деформация, затем термическая обработка, облегчающая сохранение влияния наклепа после двойной перекристаллизации, с последующей закалкой и отпуском.
Для пластического деформирования при ПТМО обычно используются методы объемной пластической деформации, такие как волочение, прокатка (особенно эффективна применительно к трубам) и др., которые обеспечивают образование дислокационной структуры устойчивой при нагреве. Однако объемное пластическое деформирование существенно ограничивает возможности такого упрочнения, поскольку может использоваться только для деталей постой геометрической формы. Предварительное упрочнение методами ППД для ПТМО не использовалось. Применение методов ППД позволит значительно расширить номенклатуру упрочняемых деталей.
Разработанный способ волнового деформационного упрочнения (ВДУ) статико-импульсной обработкой обладает увеличенным набором технологических факторов и широким диапазоном технологических возможностей. При ВДУ упрочненный поверхностный слой формируется под действием комбинированной статической и динамической нагрузки. Предударное статическое поджатие инструмента к обрабатываемой поверхности позволяет пролонгировать действие ударных импульсов за счет использования отраженных волн деформации и более полно передавать энергию удара в очаг деформации. Форма ударных импульсов регулируется геометрическими параметрами ударной системы, состоящей из бойка и волновода, на конце которого крепится деформирующий инструмент. Ударная система рассчитывается в соответствии с волновой теорией так, чтобы генерировать ударный импульс с формой, которая позволяет передавать максимальное количество кинетической энергии удара данному упрочняемому материалу. По сравнению с другими известными способами ППД, ВДУ позволяет обеспечивать большую глубину (до 6-
Результаты
Для более полного представления возможностей комбинированной обработки: предварительное ВДУ и последующее ТО (закалка, отпуск) - проведен комплекс экспериментальных исследований твердости и ударной вязкости образцов из различных сталей.
Так, для стали 30ХГСА (исходная твердость HV=2790 МПа, исходная ударная вязкость KCU=148 Дж/см2) установлено, что упрочнение только ТО позволяет повысить твердость до 3290 МПа, при этом ударная вязкость снижается до 113 Дж/см2 (рис. 1). При комбинированном упрочнении ВДУ+ТО твердость повышается до 3290 МПа, ударная вязкость снижается до 116 Дж/см2. Следовательно, применение ВДУ способствует повышению твердости после комбинированного ВДУ+ТО до 25 %, относительно упрочнения только ТО, при сохранении ударной вязкости относительно полученной упрочнением только ТО.
Для стали 10ХСНД (исходная твердость HV=2090 МПа, исходная ударная вязкость KCU=196 Дж/см2), для которой обычно упрочняющая обработка не применяется, установлено, что упрочнение ТО позволяет повысить твердость до 2280 МПа, при этом ударная вязкость повышается до 251 Дж/см2 (рис. 1). При комбинированном упрочнении ВДУ+ТО твердость повышается до 2900 МПа, ударная вязкость составляет 227 Дж/см2. Следовательно, применение ВДУ способствует повышению твердости после комбинированного ВДУ+ТО до 27 %, относительно упрочнения только ТО, при этом ударная вязкость повышается до 16% относительно неупрочненной стали.
|
0 |
|
40 |
|
80 |
|
120 |
|
160 |
|
200 |
|
240 |
|
280 |
|
сталь 30ХГСА |
|
0 |
|
600 |
|
1200 |
|
1800 |
|
2400 |
|
3000 |
|
3600 |
|
4200 |
|
KCU, Дж/см2 |
|
HV, МПа |
|
без упрочнения |
|
2790 |
|
3290
|
|
4120 |
|
2090 |
|
2280 |
|
148 |
|
113 |
|
116 |
|
196 |
|
251 |
|
ТО |
|
ВДУ+ТО |
|
2900 |
|
227 |
|
сталь 10ХСНД |
|
ТО |
|
ВДУ+ТО |
|
без упрочнения |
Рис. 1. Твердость и ударная вязкость без упрочнения и после ТО и ВДУ+ТО для сталей 30ХГСА и 10ХСНД
Fig. 1. Hardness and toughness without hardening and after maintenance and VDU+ TO
for steels 30HGSA and 10HSND
Заключение
ППД, в частности ВДУ это один из способов, который позволяет полнее реализовать потенциальные возможности других упрочняющих технологий, с которыми применяется при комбинированном упрочнении. Комбинированная обработка, заключающаяся в использование волнового деформационного упрочнения перед термообработкой, позволяет достигнуть более высоких значений степени упрочнения в поверхностном слое. Для ряда сталей (например, сталь 10ХСНД) поверхностный слой после комбинированного упрочнения ВДУ+ТО, получает дополнительный ресурс повышения эксплуатационных характеристик детали, заключающийся в одновременном повышении твердости и ударной вязкости. Использование предлагаемого комбинированного упрочнения расширяет технологический потенциал традиционной термообработки сталей. Появляется возможность использования более дешевых марок легированных сталей, которые позволяют обеспечивать требуемых уровень механических свойств и эксплуатационных характеристик.
1. Kirichek AV, Solovyov DL. New technologies of surface plastic deformation treatment. Strengthening Technologies and Coatings. 2012;8:36-42.
2. Kirichek AV, Solovyov DL, Tarasov DE. Machinery life increasing by combined strengthening. Bulletin of Bryansk State Technical University. 2016;2(50):52-58
3. Kirichek AV, Tarasov DE. Promising methods of combined strengthening based on static-pulse PDT machining. Strengthening Technologies and Coatings. 2007;10(34):44-47.
4. Kirichek AV, Solovyov DL, Silantyev SA. Technology of combined strengthening by deformation wave and case-hardening of structural low-alloy steels. Science-intensive Technologies in Mechanical Engineering. 2017;8:30-35
5. Bernstein ML. Thermomechanical machining of metals and alloys. Moscow: Metallurgiya; 1968.
6. Ivashko VS, Buykus KV, Sarantsev VV. Modern technologies for the restoration of car components and parts. Minsk: Izobretatel; 2011.
7. Kirichek AV, Solovyov DL, Lazutkin AG. Technology and equipment of static-pulse treatment by surface plastic deformation. Library of production engineer. Moscow: Mashinostroenie; 2004.
8. Kirichek AV, Solovyov DL. Technological possibilities of static-pulse treatment. Strengthening Technologies and Coatings. 2006;8:3-5
9. Kirichek AV, Silantyev SA, Solovyov DL. Adaptation of industrial motor cycles for de-formation hardening of machine parts. Fundamental and Applied Problems of Technics and Technology. 2012;3-2 (293):94-98
10. Kirichek AV, Solovyov DL, Silantyev SA, Barinov SV, Yashin AV. Technological possibilities of controlling the effective depth of the surface layer strengthening by wave deformation hardening. Strengthening Technologies and Coatings. 2021;2(194):73-76.
