RU2439172C1 - Method of combined hardening of parts surfaces - Google Patents
Method of combined hardening of parts surfaces Download PDFInfo
- Publication number
- RU2439172C1 RU2439172C1 RU2010135492/02A RU2010135492A RU2439172C1 RU 2439172 C1 RU2439172 C1 RU 2439172C1 RU 2010135492/02 A RU2010135492/02 A RU 2010135492/02A RU 2010135492 A RU2010135492 A RU 2010135492A RU 2439172 C1 RU2439172 C1 RU 2439172C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- surface layer
- density
- steel
- tool
- hardening
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области упрочняюще-чистовой обработки деталей и может быть использовано в различных областях машиностроения для упрочнения поверхностей стальных изделий с целью повышения их износостойкости.The invention relates to the field of hardening and finishing of parts and can be used in various fields of engineering for hardening the surfaces of steel products in order to increase their wear resistance.
Современной проблемой машиностроения является увеличение износостойкости узлов трения. Перспективным направлением в решении данной задачи является поверхностное упрочнение с использованием концентрированных потоков энергии (лазерная, плазменная, электромеханическая и др.). Основанные на комплексном высокоскоростном температурно-силовом воздействии на обрабатываемую поверхность, они обеспечивают формирование высокопрочных износоустойчивых наноразмерных структур поверхностного слоя стальных изделий, так называемого белого слоя, или гарденита. Основной проблемой, с которой приходится сталкиваться при этом, является затруднение процесса приработки поверхностей трения из-за высокой прочности и малой пластичности упрочненного поверхностного слоя.The modern problem of mechanical engineering is to increase the wear resistance of friction units. A promising direction in solving this problem is surface hardening using concentrated energy flows (laser, plasma, electromechanical, etc.). Based on a comprehensive high-speed temperature and force effect on the treated surface, they provide the formation of high-strength wear-resistant nanoscale structures of the surface layer of steel products, the so-called white layer, or gardenite. The main problem encountered in this case is the difficulty of the running-in of the friction surfaces due to the high strength and low ductility of the hardened surface layer.
Известен способ упрочняюще-чистовой обработки, когда поверхность изделия обрабатывают пластическим деформированием выглаживающим инструментом, в качестве которого используется неподвижная твердосплавная пластина или вращающийся твердосплавный ролик, с одновременным пропусканием через зону контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью переменного электрического тока [авт. свид. №759299, В24В 39/00, БИ №32, 1980]. Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является невозможность получения градиентной структуры с частично разупрочненной поверхностью, обеспечивающей улучшение приработки поверхностей трения. Известен способ контроля белого слоя при механической обработке, при котором осуществляется отпуск белого слоя воздействием лазерного луча [патент US 2010/0031790 A1, B26D 7/10, 11.02.2010]. Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является отпуск белого слоя по всей его толщине, что снижает износостойкость поверхности трения.A known method of hardening-finishing, when the surface of the product is treated with plastic deformation with a smoothing tool, which is used as a fixed carbide plate or a rotating carbide roller, while passing through the contact zone of the tool with the treated surface of an alternating electric current [ed. testimonial. No. 759299, B24V 39/00, BI No. 32, 1980]. The reason that impedes the achievement of the required technical result is the impossibility of obtaining a gradient structure with a partially softened surface, which provides an improvement in the running-in of the friction surfaces. A known method of controlling the white layer during machining, in which the release of the white layer is carried out by the action of a laser beam [patent US 2010/0031790 A1, B26D 7/10, 02/11/2010]. The reason that impedes the achievement of the required technical result is the tempering of the white layer over its entire thickness, which reduces the wear resistance of the friction surface.
Наиболее близким по техническому решению является способ комбинированного упрочнения поверхностей деталей, при котором пластическое деформирование деталей из железоуглеродистых сплавов осуществляют инструментом с одновременном пропусканием через зону контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью переменного электрического тока с образованием фрагментов белого слоя [патент РФ №2203173, В24В 39/00, БИ №8, 2003]. Причиной, препятствующей достижению требуемого технического результата, является получение на обрабатываемой поверхности высокопрочных фрагментов белого слоя, что затрудняет процесс приработки поверхностей трения.The closest in technical solution is the method of combined hardening of the surfaces of parts, in which plastic deformation of parts from iron-carbon alloys is carried out with a tool while passing alternating electric current through the contact zone of the tool with the treated surface to form fragments of a white layer [RF patent No. 2203173, V24V 39/00 , BI No. 8, 2003]. The reason that impedes the achievement of the required technical result is the receipt of high-strength fragments of a white layer on the treated surface, which complicates the running-in of the friction surfaces.
Таким образом, известные способы поверхностного упрочнения имеют низкий технический уровень, связанный с затруднением процесса приработки поверхностей трения из-за высокой твердости и малой пластичности поверхностного слоя.Thus, the known methods of surface hardening have a low technical level associated with the difficulty of the running-in process of friction surfaces due to the high hardness and low ductility of the surface layer.
В этой связи важнейшей задачей является создание нового способа поверхностного упрочнения стальных изделий, работающих в условиях трения и изнашивания.In this regard, the most important task is to create a new method of surface hardening of steel products operating in conditions of friction and wear.
Техническим результатом является создание нового способа упрочнения поверхности стальных изделий с целью улучшения процесса приработки поверхностей трения стальных изделий в сочетании с высокой износостойкостью поверхностного слоя за счет образования высокопрочного поверхностного слоя на первом этапе упрочнения и разупрочнения на глубину приработки на втором этапе, что обеспечивает качество упрочнения обрабатываемой поверхности и получение высокой износостойкости упрочненных деталей.The technical result is the creation of a new method of hardening the surface of steel products in order to improve the running-in process of the friction surfaces of steel products in combination with high wear resistance of the surface layer due to the formation of a high-strength surface layer at the first stage of hardening and softening to the running-in depth at the second stage, which ensures the quality of hardening of the machined surfaces and obtaining high wear resistance of hardened parts.
Технический результат достигается тем, что способ комбинированного упрочнения поверхности стальных деталей заключается в том, что пластическую деформацию поверхности детали осуществляют инструментом с одновременным пропусканием через зону контакта инструмента с обрабатываемой поверхностью детали переменного электрического тока, при этом пластическую деформацию поверхностного слоя осуществляют на глубину упрочнения δ, равную допуску на предельный односторонний износ детали при прохождении через зону контакта тока плотностью i1, определяемой по формуле:The technical result is achieved by the fact that the method of combined hardening of the surface of steel parts consists in the fact that plastic deformation of the surface of the part is carried out by a tool with simultaneous transmission of alternating electric current through the zone of contact of the tool with the workpiece surface of the part, while plastic deformation of the surface layer is carried out to a hardening depth δ, equal to the tolerance on the extreme one-sided wear of the part when passing through the contact zone of the current with a density of i 1 , determined by the formula:
где V - скорость обработки (м/с); С - содержание углерода в сплаве, а затем производят разупрочнение поверхностного слоя детали на толщину приработки путем прохождения через зону контакта тока плотностью i2, определяемой по формуле:where V is the processing speed (m / s); C is the carbon content in the alloy, and then the surface layer of the part is softened by the running-in thickness by passing through the contact zone a current with a density of i 2 determined by the formula:
i2=(0,1-0,2)·i1<imin,i 2 = (0.1-0.2) i 1 <i min ,
где imin - минимальная плотность тока, при которой происходит формирование упрочненного поверхностного слоя.where i min is the minimum current density at which the formation of a hardened surface layer occurs.
Таким образом, комбинированное упрочнение поверхности стальных деталей позволяет формировать поверхностный слой, имеющий двухслойную градиентную структуру, которая обеспечивает качество упрочненной поверхности и повышение износостойкости упрочненных деталей за счет улучшения процесса приработки поверхностей трения, обусловленное наличием разупрочненного поверхностного слоя в сочетании с высокой износостойкостью поверхности, определяемой высокими прочностными свойствами белого слоя.Thus, the combined hardening of the surface of steel parts allows the formation of a surface layer having a two-layer gradient structure, which ensures the quality of the hardened surface and increase the wear resistance of hardened parts by improving the running-in of friction surfaces due to the presence of a softened surface layer in combination with high wear resistance of the surface, determined by high strength properties of the white layer.
На фиг.1 показан график распределения микротвердости по толщине поверхностного слоя после упрочнения с плотностью тока i1.Figure 1 shows a graph of the distribution of microhardness over the thickness of the surface layer after hardening with a current density of i 1 .
На фиг.2 показан график распределения микротвердости по толщине поверхностного слоя после разупрочнения с плотностью тока i2.Figure 2 shows a graph of the distribution of microhardness over the thickness of the surface layer after softening with a current density of i 2 .
На фиг.3 показаны графики зависимости толщины формирования белого слоя на среднеуглеродистой стали от плотности тока при различных скоростях обработки.Figure 3 shows graphs of the dependence of the thickness of the formation of the white layer on medium carbon steel on the current density at various processing speeds.
На фиг.4 показана структура поверхностного слоя стали 45, обработанной по предложенному способу.Figure 4 shows the structure of the surface layer of steel 45 processed by the proposed method.
Предлагаемый способ комбинированного упрочнения поверхности стальных деталей реализуется при пропускании электрического тока большой плотности и малого напряжения через зону контакта деформирующего электрод-инструмента с обрабатываемой поверхностью. В результате выделения большого количества Джоулева тепла происходит нагрев локального объема до температур 1300-1500 К и последующий быстрый теплоотвод в основной объем материала. Проходящие структурные и фазовые превращения приводят к образованию на поверхности стального изделия высокопрочной наноразмерной структуры высокодисперсного мартенсита - белого слоя - с высокой твердостью и износостойкостью. Пластическую деформацию поверхностного слоя осуществляют на глубину упрочнения δ, равную допуску на предельный односторонний износ детали (фиг.1) при прохождении через зону контакта тока плотностью i1, определяемой по формуле:The proposed method of combined hardening of the surface of steel parts is realized by passing an electric current of high density and low voltage through the contact zone of the deforming electrode tool with the surface being treated. As a result of the release of a large amount of Joule heat, a local volume is heated to temperatures of 1300-1500 K and subsequent rapid heat removal to the bulk of the material. Passing structural and phase transformations lead to the formation on the surface of a steel product of a high-strength nanoscale structure of a highly dispersed martensite - a white layer - with high hardness and wear resistance. Plastic deformation of the surface layer is carried out at a depth of hardening δ equal to the tolerance on the ultimate one-sided wear of a part (Fig. 1) when passing through a current contact zone with a density of i 1 determined by the formula:
где V - скорость обработки (м/с); С - содержание углерода в сплаве, а затем производят разупрочнение поверхностного слоя детали на толщину приработки (фиг.2) путем прохождения через зону контакта тока плотностью i2, определяемой по формуле:where V is the processing speed (m / s); C is the carbon content in the alloy, and then the surface layer of the part is softened by the running-in thickness (Fig. 2) by passing through the contact zone a current with a density of i 2 determined by the formula:
i2=(0,1-0,2)·i1<imin,i 2 = (0.1-0.2) i 1 <i min ,
где imin - минимальная плотность тока, при которой происходит формирование упрочненного поверхностного слоя.where i min is the minimum current density at which the formation of a hardened surface layer occurs.
Величина i2=(0,1-0,2)·i1<imin обусловлена тем, что при значениях i2>imin возможно фрагментарное образование белого слоя, что нарушит процесс частичного разупрочнения поверхностного слоя, а при значениях i2<(0,1-0,2)·i1 толщина частично разупрочненного поверхностного слоя будет меньше толщины приработки поверхностного слоя.The value of i 2 = (0.1-0.2) · i 1 <i min is due to the fact that fragmentary formation of a white layer is possible at values of i 2 > i min , which disrupts the process of partial softening of the surface layer, and at values of i 2 < (0.1-0.2) · i 1 the thickness of the partially softened surface layer will be less than the running-in thickness of the surface layer.
Реализация предложенного способа осуществляется по следующим этапам.Implementation of the proposed method is carried out in the following steps.
Определяют плотность тока i1 для поверхностного упрочнения обрабатываемой стали с содержанием углерода С и выбранной скорости обработки V для заданного допуска на максимальный линейный износ δ по формуле:Determine the current density i 1 for surface hardening of the treated steel with carbon content C and the selected processing speed V for a given tolerance on the maximum linear wear δ by the formula:
Проводят упрочнение деформирующим инструментом, пропуская через зону контакта электрический ток плотностью i1, формируют на обрабатываемой поверхности белый слой толщиной упрочнения δ (фиг.1). Результаты расчета плотности тока i1 по предложенной формуле для стали 45 представлены в таблице 1.Hardening is carried out by a deforming tool, passing an electric current of density i 1 through the contact zone, a white layer is formed on the surface to be treated with a hardening thickness δ (Fig. 1). The results of calculating the current density i 1 according to the proposed formula for steel 45 are presented in table 1.
Производят разупрочнение поверхностного слоя детали на толщину приработки (фиг.2) путем прохождения через зону контакта тока плотностью i2.Produce softening of the surface layer of the part to the running-in thickness (Fig. 2) by passing through a contact zone a current of density i 2 .
Пример. Осуществляли обработку по предложенному способу партии образцов (материал - сталь 45 ГОСТ 1050-74, НВ224-240, Rz20 D=40 мм, L=10 мм). Деформирующее усилие инструмента (ролик из сплава ВК-4М диаметром 40 мм с радиусом профиля 6 мм) составляло 500 Н. Плотность тока i1 определялась в соответствии с формулойExample. We carried out processing according to the proposed method of a batch of samples (material - steel 45 GOST 1050-74, HB224-240, Rz20 D = 40 mm, L = 10 mm). The deforming force of the tool (a VK-4M alloy roller with a diameter of 40 mm with a profile radius of 6 mm) was 500 N. The current density i 1 was determined in accordance with the formula
результаты расчета приведены в таблице 1 и на графике (фиг.3) и составляла i1=751 А/мм2 при скорости обработки 5 м/мин и глубине упрочнения δ=250 мкм (в таблице 1 соответствующие ячейки закрашены серым цветом), определяли плотность тока i2 в соответствии с условием i2=(0,1-0,2)·i1<imin, где imin - минимальная плотность тока, при которой происходит формирование упрочненного поверхностного слоя для стали 45, составляла imin=336 А/мм2, а плотность тока, при которой производится разупрочнение на толщину 50 мкм, выбираем из таблицы 2 - i2=150 А/мм2 (в таблице 2 соответствующие ячейки закрашены серым цветом). В результате комбинированного упрочнения по предложенному способу на поверхности стали 45 формировалась градиентная структура (фиг.4), состоящая из белого слоя толщиной 250 мкм, с микротвердостью 8000 МПа, частично разупрочненная с поверхности на толщину порядка 50 мкм до микротвердости 3500-4000 МПа, что подтверждает эффективность предложенного способа.the calculation results are shown in table 1 and in the graph (Fig. 3) and amounted to i 1 = 751 A / mm 2 at a processing speed of 5 m / min and hardening depth δ = 250 μm (in table 1, the corresponding cells are shaded in gray), determined current density i 2 in accordance with the condition i 2 = (0.1-0.2) · i 1 <i min , where i min is the minimum current density at which the formation of a hardened surface layer for steel 45 was i min = 336 A / mm 2 , and the current density at which softening is carried out to a thickness of 50 μm is selected from table 2 - i 2 = 150 A / mm 2 (in table 2, the corresponding shading cells are grayed out). As a result of the combined hardening according to the proposed method, a gradient structure was formed on the surface of steel 45 (Fig. 4), consisting of a
Предлагаемый способ комбинированного упрочнения поверхности стальных деталей обеспечивает качество поверхностного слоя деталей путем улучшения процесса приработки поверхностей трения деталей в сочетании с высокой износостойкостью поверхностного слоя за счет образования высокопрочного поверхностного слоя (фиг.1) который образуется в процессе прохождения через зону контакта инструмента с деталью переменного электрического тока с плотностью, определяемой по формуле
i2=(0,1-0,2)·i1<imin,i 2 = (0.1-0.2) i 1 <i min ,
где imin - минимальная плотность тока, при которой происходит формирование упрочненного поверхностного слоя (фиг.2). Сочетание на поверхности стальной детали разупрочненного слоя и высокопрочного износостойкого слоя создает необходимое качество поверхности с оптимальными условиями прирабатывания детали в ходе эксплуатации, что уменьшает время на этапе ввода детали в эксплуатацию, в процессе которого детали притираются друг к другу, приобретают гладкость поверхностей, увеличивается контактная площадь и, как следствие, существенно повышается износостойкость упрочненных деталей.where i min is the minimum current density at which the formation of a hardened surface layer occurs (figure 2). The combination of a weakened layer and a high-strength wear-resistant layer on the surface of the steel part creates the required surface quality with optimal conditions for the part being worked in during operation, which reduces the time at the stage of commissioning the part, during which the parts are rubbed against each other, acquire smooth surfaces, and the contact area increases and, as a result, the wear resistance of hardened parts is significantly increased.
Таким образом, предложенный способ комбинированного упрочнения поверхности стальных деталей повышает скорость приработки деталей из-за ускоренного износа разупрочненного поверхностного слоя на толщину приработки поверхностей трения с обеспечением высокой износостойкости в процессе эксплуатации за счет высокой прочности приповерхностного белого слоя.Thus, the proposed method of combined hardening of the surface of steel parts increases the running-in time of parts due to the accelerated wear of the weakened surface layer by the running-in thickness of the friction surfaces with high wear resistance during operation due to the high strength of the surface white layer.
Результаты сравнительных испытаний на износостойкость образцов из стали 45, упрочненных по известному и предложенному способам, в условиях граничного трения приведены в таблице 3The results of comparative tests on the wear resistance of samples of steel 45, hardened by the known and proposed methods, in conditions of boundary friction are shown in table 3
Как видно из представленной таблицы 3, время приработки образцов в 1,7 раза больше, чем по известному способу, а интенсивность изнашивания в 2 раза меньше, что подтверждает эффективность данного технического решения.As can be seen from the table 3, the running-in time of the samples is 1.7 times longer than by the known method, and the wear rate is 2 times less, which confirms the effectiveness of this technical solution.
Claims (1)
где V - скорость прохождения инструмента, м/с;
С - содержание углерода в стали, %,
а затем производят разупрочнение поверхностного слоя детали на толщину приработки путем прохождения через зону контакта тока плотностью i2, определяемой по формуле
i2=(0,1-0,2)·i1<imin,
где imin - минимальная плотность тока, при которой происходит формирование упрочненного поверхностного слоя. The method of combined hardening of the surface of steel parts, including plastic deformation of the surface of the part with a tool while passing through the contact area of the tool with the workpiece surface of the part an alternating electric current, characterized in that the plastic deformation of the surface layer of the part is carried out at a depth of hardening δ equal to the tolerance on the ultimate unilateral wear of the part when passing through the contact zone of a current of density i 1 , determined by the formula
where V is the speed of the tool, m / s;
C is the carbon content in steel,%,
and then, the surface layer of the component is softened by the running-in thickness by passing through the contact zone a current of density i 2 determined by the formula
i 2 = (0.1-0.2) i 1 <i min ,
where i min is the minimum current density at which the formation of a hardened surface layer occurs.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010135492/02A RU2439172C1 (en) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Method of combined hardening of parts surfaces |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010135492/02A RU2439172C1 (en) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Method of combined hardening of parts surfaces |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2439172C1 true RU2439172C1 (en) | 2012-01-10 |
Family
ID=45784049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010135492/02A RU2439172C1 (en) | 2010-08-24 | 2010-08-24 | Method of combined hardening of parts surfaces |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2439172C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2574951C1 (en) * | 2014-11-17 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина" | Electromechanical burnishing |
-
2010
- 2010-08-24 RU RU2010135492/02A patent/RU2439172C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2574951C1 (en) * | 2014-11-17 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина" | Electromechanical burnishing |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | Behaviors of 40Cr steel treated by laser quenching on impact abrasive wear | |
| Lesyk et al. | Effects of laser heat treatment combined with ultrasonic impact treatment on the surface topography and hardness of carbon steel AISI 1045 | |
| Rashid et al. | The development of a surface defect machining method for hard turning processes | |
| Shim et al. | Influence of heat treatment on wear behavior and impact toughness of AISI M4 coated by laser melting deposition | |
| Adel | Enhancement of dry sliding wear characteristics of CK45 steel alloy by laser surface hardening processing | |
| Kim et al. | Surface modification of the metal plates using continuous electron beam process (CEBP) | |
| Klocke et al. | Dry broaching using carbon free steel as tool material | |
| RU2460810C1 (en) | Ploughshare strengthening method | |
| JP5704524B2 (en) | Method for surface modification of metal materials | |
| Wang et al. | Scanning electron beam surface strengthening of column-faced 45 steel | |
| RU2439172C1 (en) | Method of combined hardening of parts surfaces | |
| Talebizadehsardari et al. | Measurement and evaluation of magnetic field assistance on fatigue life and surface characterization of Inconel 718 alloy processed by dry electrical discharge turning | |
| Šebek et al. | The effects of laser surface hardening on microstructural characteristics and wear resistance of AISI H11 hot work tool steel | |
| Chopra et al. | Detailed experimental investigations on machinability of EN31 steel by WEDM | |
| RU2364662C2 (en) | Method of steel and cast iron products surface treatment | |
| Nogueira et al. | A Brief Review of Injection-Mould Materials Hybrid Manufacturing Processes | |
| Afanasieva et al. | Surface micromorphology and abrasive wear resistance of tool steel after gas-laser cutting | |
| Rathod et al. | Laser surface hardening of ductile irons | |
| Hofmann | Deep drawing of process optimized blanks | |
| Ulewicz et al. | Impact of Laser Machining on the Structure and Properties of Tool Steels | |
| Pedroso et al. | A review of INCONEL® alloy's non-conventional machining processes | |
| Volkov et al. | Additional strengthening of “screper” jewelry tool using friction | |
| Nemecek et al. | Laser hardening of gear wheels | |
| Marinin et al. | The capability of pulsed laser radiation for cutting band saws hardening | |
| Fauzun et al. | Design of laser melting of tool steel for surface integrity enhancement |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140825 |