ВОЛНОВОЕ ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ В КОМБИНИРОВАННЫХ И АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Полный текст

Обоснование

Одной из главных задач технологии машиностроения является обеспечение эксплуатационных свойств наиболее нагруженных ответственных деталей машин, которые определяют срок службы всего механизма или изделия. Для ее решения обычно используется упрочняющая обработка. Поверхностное пластическое деформирование (ППД) хорошо известный способ упрочнения деталей машин, преимуществами которого является простота реализации и широкие технологические возможности получения поверхностного слоя с необходимыми параметрами качества.

Среди известных способов ППД волновое деформационное упрочнение (ВДУ) статико-импульсной обработкой занимает особое место, поскольку позволяет создавать глубокий упрочненный поверхностный слой до 6-8 мм и более, при этом существует возможность регулировать равномерность упрочнения, которая крайне важна для повышения эксплуатационных свойств деталей. Возможность получения большой глубины упрочнения достигается за счет концентрирования ударных волн деформации в пятне контакта инструмента и упрочняемой поверхности, которые возникают в ударной системе боек-волновод после удара. Управление ударными волнами осуществляется за счет изменения геометрических параметров ударной системы. Волны деформации образуют в пятне контакта ударные импульсы, форма которых адаптирована для передачи максимальной энергии упрочняемому металлическому материалу. Упрочнение волной деформации осуществляется в условиях комбинированного воздействия статической и ударной нагрузки. Статическая нагрузка должна обеспечивать непрерывный контакт ударной системы с упрочняемой поверхностью и обычно составляет не менее 10% от динамической. Постоянный контакт с деформируемым телом создает эффект пролонгированного ударного импульса. Это позволяет более полно передавать энергию ударов от ударной системы к нагружаемому материалу, максимально повышая КПД процесса упрочнения. В результате воздействия волн деформации на поверхности образуются пластические отпечатки требуемых размеров с заданным перекрытием, что позволяет регулировать равномерность упрочнения, создавая как равномерно, так и гетерогенно модифицированную структуру, которая часто более эффективна для повышения эксплуатационных характеристик деталей, работающих в условиях действия циклических нагрузок [1, 2].

Особенности ВДУ позволяют использовать его как самостоятельно, так и в составе комбинированных упрочняющих технологий, а также в аддитивных технологиях, которые в последнее время развиваются достаточно интенсивно.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Все чаще традиционные методы упрочнения не всегда отвечают современным требованиям к надежности и долговечности деталей машин. Поэтому в настоящее время достаточно актуальным становится развитие комбинированных технологий упрочнения. Особенно эффективными оказались подходы, которые объединяют воздействия на упрочняемый материал с различной физической природой. Анализ существующих методов комбинированного упрочнения продемонстрировал высокую эффективность совместного применения ППД и химико-термической обработки. Применение ППД перед процессом цементации увеличивает плотность дислокаций, активизирует диффузионные процессы и позволяет достичь более высоких уровней концентрации углерода в диффузионной зоне. Это создает возможность сокращения времени и энергетических затрат на процесс упрочнения, а также обеспечивает дополнительный ресурс для улучшения эксплуатационных характеристик деталей [3, 4]. Применение ВДУ при комбинированном упрочнении позволяет формировать более глубокую диффузионную зону для проникновения углерода при последующей цементации.

В результате проведенных исследований установлено, что при комбинированном упрочнении цементацией с предварительным ВДУ формируется равномерно модифицированный поверхностный слой, наиболее насыщенный углеродом после цементации, и расположенный под ним гетерогенно модифицированный подслой. Изменение чередования твердых и мягких участков гетерогенно модифицированного подслоя осуществляется режимами ВДУ [5-8]. Установлены режимы комбинированного упрочнения цементацией с предварительным ВДУ, способствующие повышению долговечности при действии контактно-усталостных нагрузок до 2,5 раз. Применение предварительного ВДУ позволило сократить время и энергетические затраты, связанные с процессом науглероживания и ускорить процесс цементации до 6 раз. Это особенно важно при получении глубоких науглероженных слоев до 5 мм и более.

Традиционно считается, что предварительное ППД металлических материалов перед термической обработкой (ТО) не имеет смысла, так как упрочнение исчезает при последующем термическом воздействии. Однако известен способ упрочнения, использующий комбинированное воздействие предварительным объемным пластическим деформированием (волочение, прокатка и др.) и последующей ТО – предварительная термомеханическая обработка (ПТМО). Целью ПТМО является повышение прочностных характеристик металлических материалов за счет образования пластическим деформированием дислокационной структуры, которая сохраняет свою устойчивость при нагреве ТО [9, 10]. Недостатком такого способа является невозможность регулирования равномерности упрочнения и, соответственно, создание гетерогенно модифицированной структуры.

Сочетание, когда вначале осуществляется предварительное упрочнение ППД, а затем происходит упрочнение ТО, не применялось. Использование при комбинированной обработке ВДУ позволит не только создавать гетерогенно модифицированную структуру, но и  получать глубокий упрочненный поверхностный слой что, как показывает ПТМО, достаточно важно для дополнительного эффекта при сочетании с ТО.

В результате проведенных исследований комбинированной обработки ВДУ+ТО установлено что применение ВДУ позволяет достигнуть более высоких значений средней твердости в поверхностном слое относительно упрочнения только ТО. Так, для стали 30ХГСА твердость может быть повышена до 25% при неизменной ударной вязкости, а для стали 10ХСНД поверхностный слой получает одновременное повышение твердости и ударной вязкости соответственно до 39% и 25% относительно неупрочненной стали [11-15].

При режимах ВДУ, обеспечивающих равномерно модифицированную структуру, комбинированная обработка ВДУ+ТО позволила увеличить абразивную износостойкость образцов из стали 30ХГСА до 16%. При создании ВДУ гетерогенно модифицированной структуры комбинированная обработка ВДУ+ТО позволила увеличить усталостную долговечность более чем на 60% по сравнению с образцами упрочненными только ТО.

В настоящее время аддитивные технологии, используемые для создания металлических деталей машин, активно развиваются и внедряются в производство [16-20]. Однако, несмотря на растущую популярность, главным недостатком деталей полученных таким способом является наличие внутренних дефектов структуры выращенного металлического материала и, в связи с этим, низкие прочностные характеристики относительно материалов полученных традиционными методами. Для улучшения структуры и повышения прочностных характеристик, выращиваемых металлических материалов, достаточно эффективно применение упрочняющей обработки ППД.

Проблема улучшения структуры и механических характеристик выращиваемого металла может быть решена применением деформационной упрочняющей обработки в процессе послойного синтеза. В настоящее время активно развивается применение при выращивании металлических материалов различных способов ППД, таких как накатывание, ультразвуковая ударная обработка, чеканка, лазерная ударная обработка, когда каждый последующий наплавленный слой подвергается пластическому деформированию в горячем или холодном состоянии, измельчая и оптимизируя размер зерна наплавленного металла и, тем самым, улучшая механические свойства материала изделия [21-26]. Такие способы, как правило, обеспечивают упрочненный поверхностный слой глубиной не более 1-3 мм, тогда как синтезируемый слой при выращивании наплавкой может достигать 1,5-2,5 мм и более. Поверхностный слой синтезируемой ЗDMP-методом детали, нагреваясь до высоких температур тепловым потоком от ванны расплава, частично утрачивает эффект деформационного упрочнения. Решение проблемы эффективного упрочнения возможно при использовании ВДУ, обеспечивающего большую глубину упрочненного поверхностного слоя, позволяя упрочнять одновременно несколько наплавленных слоев. Процесс ВДУ целесообразно проводить при температуре деформируемой поверхности 200…400°С, то есть через небольшой промежуток времени после наплавки, без необходимости полного охлаждения наплавленного материала.

Волновое термодеформационное упрочнение (ВТДУ) показало высокую эффективность в повышении прочностных характеристик выращенного металлического материала [27, 28]. В результате проведенных исследований установлено, что в отличие от неупрочненных, синтезированные с применением ВТДУ образцы из сталей и сплавов Cr-Ni и Cr-Ni-Mо группы имеют более высокие механические свойства: твердость может быть повышена в 2,5-2,6 раза, предел текучести – в 2-2,2 раза, предел прочности – в 1,5-1,7 раза, что существенно (в 1,4-2,5 раза) превышает аналогичные свойства проката из материала той же марки.

Заключение

Технологические возможности ВДУ позволяют создавать глубокий упрочненный поверхностный слой с требуемой равномерностью упрочнения, формирую при необходимости как равномерно, так и гетерогенно модифицированную структуру. Обладая высоким потенциалом ВДУ может достаточно эффективно применяться не только самостоятельно, но и при комбинированной обработке цементацией с предварительным ВДУ, ВДУ+ТО, а также для упрочнения синтезируемых слоев при аддитивном синтезе.

Об авторах

Андрей Викторович Киричек

Брянский государственный технический университет

Email: avkbgtu@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3823-0501
SPIN-код: 6910-0233

д-р техн. наук, профессор, проректор по перспективному развитию

Россия, Брянск

Дмитрий Львович Соловьев

Владимирский государственный университет имени А. Г. и Н. Г. Столетовых

Email: murstin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4475-319X

д-р техн. наук, профессор, профессор кафедры технология машиностроения

Россия, Владимир

Александр Васильевич Яшин

Владимирский государственный университет имени А. Г. и Н. Г. Столетовых

Email: yashin2102@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3186-1300
SPIN-код: 3473-4047

канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры технология машиностроения

Россия, Владимир

Сергей Александрович Силантьев

Владимирский государственный университет имени А. Г. и Н. Г. Столетовых

Автор, ответственный за переписку.
Email: ppdsio@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3524-385X
SPIN-код: 2686-4678

канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры технология машиностроения

Россия, Владимир

Список литературы

Дополнительные файлы