RU2643289C2 - Method of ultrasonic simple processing of details - Google Patents
Method of ultrasonic simple processing of details Download PDFInfo
- Publication number
- RU2643289C2 RU2643289C2 RU2016126583A RU2016126583A RU2643289C2 RU 2643289 C2 RU2643289 C2 RU 2643289C2 RU 2016126583 A RU2016126583 A RU 2016126583A RU 2016126583 A RU2016126583 A RU 2016126583A RU 2643289 C2 RU2643289 C2 RU 2643289C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- indenter
- processing
- ultrasonic
- angle
- microhardness
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B24—GRINDING; POLISHING
- B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
- B24B39/00—Burnishing machines or devices, i.e. requiring pressure members for compacting the surface zone; Accessories therefor
Landscapes
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к области обработки металлов поверхностным пластическим деформированием с использованием энергии ультразвуковых колебаний, и может быть использовано в автомобильной, станкостроительной, приборостроительной и других отраслях техники для повышения качества, твердости и износостойкости поверхности металлических изделий различной формы.The invention relates to the field of engineering, and in particular to the field of metal processing by surface plastic deformation using the energy of ultrasonic vibrations, and can be used in the automotive, machine-tool, instrument-making and other industries to improve the quality, hardness and wear resistance of the surface of metal products of various shapes.
В последние годы проблема создания на металлических поверхностях упрочненных слоев с субмикро- и нанокристаллическими структурами привлекает большое внимание специалистов, работающих в области повышения прочности и долговечности машиностроительных материалов. Одним из перспективных направлений в решении данной проблемы является ультразвуковая обработка поверхности.In recent years, the problem of creating hardened layers with submicro- and nanocrystalline structures on metal surfaces has attracted great attention of specialists working in the field of increasing the strength and durability of engineering materials. One of the promising directions in solving this problem is ultrasonic surface treatment.
Известен способ чистовой и упрочняющей обработки деталей машин [А.с. СССР №1291378], в котором деформирующему элементу, обрабатывающему цилиндрическую деталь, сообщают осевые колебания и ультразвуковые радиальные колебания, то есть обработка производится инструментом, направленным по нормали к поверхности. При такой обработке происходит упрочнение поверхностного слоя и создание регулярного рельефа, что повышает качество обрабатываемой детали и увеличивает срок службы.A known method of finishing and hardening processing of machine parts [A.S. USSR No. 1291378], in which axial vibrations and ultrasonic radial vibrations are reported to the deforming element processing the cylindrical part, that is, the processing is performed by a tool directed normal to the surface. With this treatment, the surface layer is hardened and a regular relief is created, which improves the quality of the workpiece and increases the service life.
В известном способе для создания внутренних сжимающих напряжений в поверхностном слое детали [WO 2004028739 А1] проводится обработка инструментом, колеблющимся с ультразвуковой частотой в направлении, перпендикулярном поверхности.In the known method for creating internal compressive stresses in the surface layer of a part [WO 2004028739 A1], a tool is machined by vibrating with an ultrasonic frequency in a direction perpendicular to the surface.
Недостатком вышеперечисленных способов ультразвуковой обработки (УЗО) с прямым ударом является небольшая степень деформации поверхности, что не обеспечивает получение упрочненного слоя большой толщины с максимально возможным для обрабатываемого материала уровнем твердости.The disadvantage of the above methods of ultrasonic treatment (RCD) with a direct impact is a small degree of surface deformation, which does not provide a hardened layer of large thickness with the maximum possible hardness level for the material being processed.
В большинстве известных способов ультразвуковая обработка проводится с применением контактного смазочного материала, в качестве которого чаще всего выступает индустриальное масло или промышленные смазочно-охлаждающие технологические среды (СОТС) [Патенты РФ №№2393076, 2530678 и А.с. СССР 1797221, Киселев Е.С.Интенсификация процессов механической обработки использованием энергии ультразвукового поля: Учебное пособие. - Ульяновск: УлГТУ, 2003. - 186 с.]. Стандартная ультразвуковая обработка со смазочным материалом (применяемая в качестве финишной операции, в первую очередь, для улучшения чистоты поверхности) часто не обеспечивает максимальных степеней пластической деформации поверхностного слоя достаточной толщины.In most known methods, ultrasonic treatment is carried out using contact lubricant, which is most often industrial oil or industrial lubricating cooling fluids (COTS) [RF Patents Nos. 2393076, 2530678 and A.S. USSR 1797221, Kiselev ES Intensification of machining processes using the energy of the ultrasonic field: Textbook. - Ulyanovsk: UlSTU, 2003. - 186 p.]. Standard ultrasonic treatment with a lubricant (used as a finishing operation, primarily to improve surface cleanliness) often does not provide maximum degrees of plastic deformation of a surface layer of sufficient thickness.
Известен способ ультразвуковой безабразивной обработки поверхностей [Лесюк Е.А. Зависимость микротвердости конструкционных и инструментальных сталей от эффективности охлаждения при ультразвуковой упрочняющей обработке. XLVII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», 2008, Нижний Новгород. Материалы конференции, ч. 2, с. 84-86], по которому процесс обработки поверхности производится ультразвуковым инструментом (индентором), установленным нормально к обрабатываемой поверхности. Процесс происходит на воздухе при естественном воздушном охлаждении или в жидкости, в качестве которой используется смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ) или керосин.A known method of ultrasonic non-abrasive surface treatment [Lesyuk EA Dependence of the microhardness of structural and tool steels on the cooling efficiency during ultrasonic hardening treatment. XLVII International Conference "Actual Problems of Strength", 2008, Nizhny Novgorod. Conference proceedings,
Обработка по данному способу повышает твердость поверхностного слоя по сравнению с исходным состоянием, однако установка инструмента перпендикулярно обрабатываемой поверхности не обеспечивает максимального упрочнения для исследованных материалов. Обработка на воздухе без применения контактной жидкости позволяет значительно увеличить долю сдвиговой составляющей пластической деформации за счет увеличения коэффициента трения между обрабатываемым материалом и индентором и приводит к образованию на поверхности нанокристаллического слоя и более значительному приросту твердости.Processing by this method increases the hardness of the surface layer compared with the initial state, however, the installation of a tool perpendicular to the surface being treated does not provide maximum hardening for the materials studied. Processing in air without the use of contact liquid can significantly increase the fraction of the shear component of plastic deformation due to an increase in the coefficient of friction between the processed material and the indenter and leads to the formation of a nanocrystalline layer on the surface and a more significant increase in hardness.
Однако побочным явлением создания нанокристаллических поверхностных слоев деформацией в окислительной среде воздуха является активное насыщение кислородом нанокристаллических структур трения, обусловленное их высокой дефектностью (большая плотность дислокаций, сильно развитая система границ фрагментов), а также действием ротационного механизма пластической деформации, способствующего ускоренной транспортировке атомов (ионов) кислорода с контактной поверхности в объем материала. Обогащение кислородом сильнодеформированного поверхностного слоя увеличивает его хрупкость и приводит к ускоренному разрушению [Korshunov L.G., Makarov A.V., Chernenko N.L. Ultrafine Structures Formed upon Friction and Their Effect on the Tribological Properties of Steels // The Physics of Metals and Metallography. 2000. V. 90. Suppl. 1. P. S48-S58; Макаров A.B., Коршунов Л.Г. Прочность и износостойкость нанокристаллических структур поверхностей трения сталей с мартенситной основой // Известия ВУЗов. Физика. 2004. №8. С. 65-80]. Поэтому УЗО в окислительной среде воздуха вследствие охрупчивания поверхностных слоев из-за механохимического взаимодействия металла с кислородом воздуха может приводить к шелушению и отслаиванию упрочненного слоя при достижении высоких степеней деформации. Кроме того, происходит образование окисной пленки на поверхности, что препятствует дальнейшему накоплению деформаций в металле под окисной пленкой и, соответственно, большему упрочнению поверхностного слоя. В данном случае окисная пленка играет роль «экрана», отделяющего обрабатываемую поверхность от источника деформации - ультразвукового инструмента. Применение жидкой среды хоть и повышает твердость поверхности, но не обеспечивает ее максимальный уровень вследствие малого коэффициента трения между инструментом и обрабатываемой поверхностью.However, a side effect of the creation of nanocrystalline surface layers by deformation in an oxidizing air environment is the active oxygen saturation of the nanocrystalline friction structures due to their high defectiveness (high dislocation density, a highly developed system of fragment boundaries), as well as the action of the rotational plastic deformation mechanism, which facilitates the accelerated transport of atoms (ions) ) oxygen from the contact surface to the volume of the material. Enrichment with oxygen of a strongly deformed surface layer increases its fragility and leads to accelerated destruction [Korshunov L.G., Makarov A.V., Chernenko N.L. Ultrafine Structures Formed upon Friction and Their Effect on the Tribological Properties of Steels // The Physics of Metals and Metallography. 2000. V. 90. Suppl. 1. P. S48-S58; Makarov A.B., Korshunov L.G. Strength and wear resistance of nanocrystalline structures of friction surfaces of steels with a martensitic base // Izvestiya VUZov. Physics. 2004. No. 8. S. 65-80]. Therefore, RCD in the oxidizing atmosphere of air due to embrittlement of the surface layers due to the mechanochemical interaction of the metal with oxygen in the air can lead to peeling and peeling of the hardened layer when high degrees of deformation are achieved. In addition, an oxide film forms on the surface, which prevents further accumulation of deformations in the metal under the oxide film and, consequently, greater hardening of the surface layer. In this case, the oxide film plays the role of a “screen” that separates the surface to be treated from the deformation source — an ultrasonic tool. The use of a liquid medium, although it increases the surface hardness, does not provide its maximum level due to the low coefficient of friction between the tool and the surface to be treated.
Известен также способ ультразвуковой ударной обработки [Миронов В.М., Мазанко В.Ф, Прокопенко Г.И. и др. Взаимодействие углерода с железом и его сплавами при ультразвуковой ударной обработке. Физика и химия обработки материалов. 2006. №3. С. 73-82], в котором плоские изделия обрабатываются в вакууме инструментом (концентратором), установленным нормально к поверхности. При обработке по данному способу защита от окисления поверхности обеспечивается вакуумом, что требует специального оборудования и значительно усложняет и удорожает процесс обработки. Установка инструмента нормально к поверхности не обеспечивает максимального накопления деформаций и, соответственно, максимального уровня упрочнения поверхностного слоя.There is also known a method of ultrasonic impact processing [Mironov V.M., Mazanko V.F., Prokopenko G.I. et al. Interaction of carbon with iron and its alloys during ultrasonic impact processing. Physics and chemistry of materials processing. 2006. No3. S. 73-82], in which flat products are processed in vacuum by a tool (concentrator) installed normally to the surface. When processing by this method, protection against surface oxidation is ensured by vacuum, which requires special equipment and significantly complicates and increases the cost of the processing. Setting the tool normally to the surface does not provide the maximum accumulation of deformations and, accordingly, the maximum level of hardening of the surface layer.
Наиболее близким к заявляемому является способ упрочнения деталей из конструкционных материалов [Патент РФ №2354715], в соответствии с которым деталь, предварительно обработанную на токарном станке с созданием на поверхности шероховатости в виде гребней с профилем трапецевидной формы с высотой 10-20 мкм, шириной при основании 25-35 мкм и углом наклона боковых сторон 5-10°, подвергают воздействию индентором, нормально колеблющимся с ультразвуковой частотой с применением смазочного материала. После обработки данным способом в поверхностном слое образца наблюдали нанокристаллическую структуру в поверхностном слое глубиной 2-3 мкм, продеформированную структуру исходного материала на глубине 3-12 мкм. Поверхностный слой характеризуется повышенными значениями микротвердости, которая монотонно снижается по глубине до уровня микротвердости материала в исходном состоянии.Closest to the claimed is a method of hardening parts from structural materials [RF Patent No. 2354715], according to which the part is pretreated on a lathe with the creation of a surface roughness in the form of ridges with a trapezoidal shape with a height of 10-20 microns, a width of the base of 25-35 microns and an angle of inclination of the sides of 5-10 °, is exposed to an indenter, normally oscillating with ultrasonic frequency using a lubricant. After processing by this method in the surface layer of the sample, a nanocrystalline structure was observed in the surface layer with a depth of 2-3 μm, the deformed structure of the starting material at a depth of 3-12 μm. The surface layer is characterized by increased values of microhardness, which monotonically decreases in depth to the level of microhardness of the material in the initial state.
К недостаткам известного способа следует отнести то, что обработка при нормальном (перпендикулярном к обрабатываемой поверхности) закреплении рабочего инструмента не обеспечивает максимального уровня упрочнения, а слой с деформированной структурой имеет малую глубину. Применение смазочного материала (стандартная среда для ультразвуковой обработки) уменьшает эффективность воздействия инструмента на поверхность и, следовательно, степень ее деформации, что также снижает возможный уровень упрочнения поверхности. Предварительная обработка на токарном станке с созданием шероховатости определенного профиля вносит дополнительные сложности в способ, требует специальной заточки инструмента, но при этом не достигается максимально возможное упрочнение поверхности детали и глубина деформированного слоя невелика, составляет всего 12 мкм.The disadvantages of this method include the fact that processing with normal (perpendicular to the surface being machined) fastening of the working tool does not provide the maximum level of hardening, and the layer with a deformed structure has a shallow depth. The use of a lubricant (a standard medium for ultrasonic treatment) reduces the effectiveness of the tool on the surface and, consequently, the degree of its deformation, which also reduces the possible level of surface hardening. Pretreatment on a lathe with the creation of a roughness of a certain profile introduces additional difficulties to the method, requires special sharpening of the tool, but the maximum possible hardening of the surface of the part and the depth of the deformed layer is not large, is only 12 microns.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение твердости поверхностного слоя и увеличение глубины упрочненного слоя металлических изделий различной формы за счет создания на поверхности слоя с нанокристаллической и субмикрокристаллической структурой.The problem to which the invention is directed is to increase the hardness of the surface layer and increase the depth of the hardened layer of metal products of various shapes by creating a layer with a nanocrystalline and submicrocrystalline structure on the surface.
Поставленная задача решается тем, что в способе ультразвуковой упрочняющей обработки деталей, включающем воздействие на поверхность металлической детали индентором, колеблющимся с ультразвуковой частотой, согласно изобретению индентор прижимают к обрабатываемой поверхности под острым углом наклона и обработку проводят в защитной безокислительной атмосфере, образованной подаваемым в зону обработки потоком газа.The problem is solved in that in the method of ultrasonic hardening of parts, including exposure to the surface of a metal part with an indenter oscillating with an ultrasonic frequency, according to the invention, the indenter is pressed against the surface to be machined at an acute angle of inclination and the treatment is carried out in a protective, non-oxidizing atmosphere formed by the feed to the treatment zone gas stream.
При этом:Wherein:
- острый угол наклона индентора к обрабатываемой поверхности составляет 60-80 градусов;- the acute angle of the indenter to the work surface is 60-80 degrees;
- в качестве защитной атмосферы применяют аргон, азот, гелий, СО2 или их смеси.- argon, nitrogen, helium, CO 2 or mixtures thereof are used as a protective atmosphere.
Использование острого угла наклона индентора к поверхности в пределах 60-80° позволяет использовать фрикционную составляющую взаимодействия индентора с обрабатываемым металлом. При этом значительно возрастает доля сдвиговой составляющей пластической деформации за счет увеличения коэффициента трения между обрабатываемым материалом и индентором, что приводит к образованию на поверхности нанокристаллического и субмикрокристаллического слоя большей толщины и к более значительному приросту твердости.Using a sharp angle of inclination of the indenter to the surface within 60-80 ° allows you to use the friction component of the interaction of the indenter with the metal being processed. In this case, the fraction of the shear component of plastic deformation significantly increases due to an increase in the coefficient of friction between the processed material and the indenter, which leads to the formation of a larger thickness on the surface of the nanocrystalline and submicrocrystalline layer and to a more significant increase in hardness.
Обработка при наклоне индентора на угол, меньший нижнего предела 60° приводит к избыточному накоплению деформаций в упрочненном слое, что вызывает появление микропор, трещин и возможность его шелушения и отслаивания. Угол, больший 80°, не обеспечивает в достаточной мере увеличения доли сдвиговой составляющей пластической деформации и, соответственно, максимального прироста твердости.Processing when the indenter is tilted at an angle less than the lower limit of 60 ° leads to excessive accumulation of deformations in the hardened layer, which causes the appearance of micropores, cracks and the possibility of peeling and peeling. An angle greater than 80 ° does not provide a sufficient increase in the fraction of the shear component of plastic deformation and, consequently, the maximum increase in hardness.
В предлагаемом способе проведение ультразвуковой обработки в защитной безокислительной среде (аргон, азот, гелий или углекислый газ) позволяет предотвратить кислородное охрупчивание и окисление поверхности и обеспечить непосредственный контакт индентора с обрабатываемой поверхностью. Это обеспечивает накопление максимальных степеней пластической деформации и формирование нанокристаллических и субмикрокристаллических структур в возможно более толстом поверхностном слое, за счет этого достигается его повышенное упрочнение. Кроме того, поток защитного газа охлаждает обрабатываемую поверхность и индентор, что предотвращает термическое разупрочнение.In the proposed method, the implementation of ultrasonic treatment in a protective non-oxidizing environment (argon, nitrogen, helium or carbon dioxide) can prevent oxygen embrittlement and oxidation of the surface and provide direct contact of the indenter with the treated surface. This ensures the accumulation of maximum degrees of plastic deformation and the formation of nanocrystalline and submicrocrystalline structures in a thicker surface layer, due to this, its increased hardening is achieved. In addition, the flow of protective gas cools the treated surface and the indenter, which prevents thermal softening.
Таким образом, новый технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, заключается в повышении твердости поверхностного слоя и увеличении глубины упрочненного слоя металлических деталей за счет создания на поверхности слоя с нанокристаллической и субмикрокристаллической структурой.Thus, the new technical result provided by the claimed invention consists in increasing the hardness of the surface layer and increasing the depth of the hardened layer of metal parts by creating a layer with a nanocrystalline and submicrocrystalline structure on the surface.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими чертежами:The proposed method is illustrated by the following drawings:
на фиг. 1 представлена схема ультразвуковой упрочняющей обработки деталей по предлагаемому способу;in FIG. 1 shows a diagram of ultrasonic hardening processing of parts according to the proposed method;
на фиг. 2 показано изменение микротвердости, измеренной при нагрузке 25 г (HV 0,025), стали 50, закаленной и отпущенной при 350°С, в зависимости от угла наклона α инструмента при ультразвуковой обработке в различных средах: 1 - обработка в аргоне; 2 - обработка на воздухе; 3 - исходная микротвердость;in FIG. 2 shows the change in microhardness, measured at a load of 25 g (HV 0.025),
на фиг. 3 показано изменение микротвердости HV0,025 стали 09Г2 в состоянии поставки в зависимости от угла наклона α инструмента при ультразвуковой обработке в различных средах: 1 - обработка в аргоне; 2 - обработка на воздухе; 3 - обработка в масле; 4 - исходная микротвердость;in FIG. Figure 3 shows the change in the microhardness HV0.025 of steel 09G2 in the delivery state depending on the angle of inclination α of the instrument during ultrasonic treatment in various environments: 1 - processing in argon; 2 - processing in air; 3 - processing in oil; 4 - initial microhardness;
на фиг. 4 показана микроструктура поверхностного слоя стали 09Г2 после ультразвуковой обработки по нормали к поверхности (α=90°) в масле (а), ультразвуковой обработки (α=80°) на воздухе (б) и в аргоне (в): h1 - глубина деформированного слоя в масле; h2 - глубина деформированного слоя на воздухе; h3 - глубина деформированного слоя в аргоне;in FIG. Figure 4 shows the microstructure of the surface layer of steel 09G2 after ultrasonic treatment along the normal to the surface (α = 90 °) in oil (a), ultrasonic treatment (α = 80 °) in air (b) and in argon (c): h 1 - depth deformed layer in oil; h 2 - the depth of the deformed layer in air; h 3 - the depth of the deformed layer in argon;
на фиг. 5 показано изменение микротвердости HV0,025 по толщине поверхностного слоя h стали 09Г2 после ультразвуковой обработки (α=80°) в аргоне.in FIG. Figure 5 shows the change in microhardness HV0.025 over the thickness of the surface layer h of steel 09Г2 after ultrasonic treatment (α = 80 °) in argon.
Пример реализации способаAn example implementation of the method
Способ реализуется следующим образом. Ультразвуковую обработку осуществляют индентором 1, соединенным соосно с волноводом 2 и магнитострикционным или пъзоэлектрическим преобразователем 3, воздействующим на поверхность образца 4 колебаниями с ультразвуковой частотой под острым углом α. Воздействие индентором 1 на поверхность металлической детали 4 осуществляют в защитной безокислительной атмосфере, образованной подаваемым через сопло 5 в зону обработки потоком газа.The method is implemented as follows. Ultrasonic processing is carried out by an
Ультразвуковой обработке подвергались плоские образцы 4 из стали 50 после закалки и среднего отпуска при 350°С и образцы 4 из стали 09Г2 в состоянии поставки с феррито-перлитной структурой. Индентор 1 закреплялся под различными углами к поверхности образцов 4. Обработка проводилась в среде аргона.
Наряду с реализацией заявленного способа были проведены испытания известных способов: на воздухе под различными углами наклона индентора 1 и с применением смазки (масло индустриальное И-30) под углом 90° к поверхности образца 4 на стали 50 и под различными углами наклона индентора 1 на стали 09Г2. Обработку плоских поверхностей образцов 4 осуществляли при сканировании поверхности (с поперечным смещением) твердосплавным индентором 1 со сферической заточкой радиусом 4 мм, предварительно прижатым к обрабатываемой поверхности со статической нагрузкой Р=100 Н (при обработке стали 50) и 170 Н (при обработке стали 09Г2), и частоте ультразвуковых колебаний ƒ=21,5 кГц. Средняя скорость перемещения индентора составляла V=36 мм/с при обработке стали 50 и V=10 мм/с при обработке стали 09Г2. Шаг поперечного смещения индентора 1 при сканировании составлял d=0,1 мм при обработке стали 50 и d=0,2 мм при обработке стали 09ГС.Along with the implementation of the claimed method, tests of known methods were carried out: in air at various angles of inclination of the
В ходе реализации заявленного и известного способов на обработанных поверхностях определяли шероховатость, остаточные напряжения и замеряли значения микротвердости при нагрузке 25 г (HV 0,025). Результаты представлены в таблицах 1 и 2 и на фиг. 2-5.During the implementation of the claimed and known methods on the treated surfaces, roughness, residual stresses were determined and microhardness values were measured at a load of 25 g (HV 0.025). The results are presented in tables 1 and 2 and in FIG. 2-5.
Параметры режима УЗО и характеристики поверхности стали 50, подвергнутой закалке с отпуском при температуре 350°С, после ультразвуковой обработки по различным режимам представлены в таблице 1The parameters of the RCD mode and characteristics of the surface of
Из представленной таблицы 1 видно, что ультразвуковая упрочняющая обработка на воздухе приводит к значительному повышению микротвердости поверхности (до 600-958 HV 0,025) по сравнению с металлом без упрочняющей обработки (351 HV 0,025) и по сравнению с обработкой в масле (563 HV 0,025). На упрочненной поверхности наблюдается окисная пленка.From table 1 it is seen that ultrasonic hardening treatment in air leads to a significant increase in surface microhardness (up to 600-958 HV 0.025) compared to metal without hardening treatment (351 HV 0.025) and compared to processing in oil (563 HV 0.025) . An oxide film is observed on the hardened surface.
Обработка в атмосфере аргона по заявляемому способу обеспечивает более высокий уровень микротвердости (до 734-1017 HV 0,025) по сравнению с УЗО на воздухе, и, кроме того, предотвращает образование окислов, т.е. улучшает качество обработанной поверхности.Processing in an argon atmosphere according to the claimed method provides a higher level of microhardness (up to 734-1017 HV 0.025) compared to RCD in air, and, in addition, prevents the formation of oxides, i.e. improves quality of the processed surface.
На фиг. 2 представлены кривые зависимости микротвердости HV0,025 от угла наклона а индентора 1 для стали 50, подвергнутой объемной закалке от 850°С в воде и отпуску при 350°С, 2 часа. Видно, что обработка при наклоне индентора 1 относительно поверхности на угол меньше 90° повышает степень упрочнения обработанного слоя. Наиболее высокие значения микротвердости достигаются при угле наклона индентора 1 60-70°. После обработки в атмосфере аргона микротвердость при нормальном положении индентора 1 относительно поверхности составляет 744 HV0,025, а при угле наклона 70° возрастает до 1017 HV0,025. Дальнейшее уменьшение угла наклона индентора 1 приводит к некоторому снижению уровня твердости поверхности (для угла наклона 55° - до 898 HV0,025) и поэтому является нерациональным. Влияние угла наклона индентора 1 на микротвердость поверхностного слоя при обработке в окислительной воздушной атмосфере имеет аналогичный характер, но уровень микротвердости ниже, чем при обработке в аргоне. Микротвердость для угла 90° составляет 600 HV0,025, максимальный уровень микротвердости 958 HV0,025 достигается при угле 60°, для угла наклона 55° - уменьшается до 859 HV0,025. Однако и после обработки при угле наклона индентора 1 α=55° достигается большее упрочнение стали, чем при ударном воздействии по нормали к поверхности - при угле 90°.In FIG. Figure 2 shows the curves of the microhardness HV0.025 versus the angle of inclination a of the
При всех условиях осуществления способа обработки в упрочненном поверхностном слое возникают благоприятные сжимающие напряжения. Например, при использованных углах наклона индентора 1 их уровень при обработке в аргоне составляет от -730 до -1430 МПа, а при обработке на воздухе достигает значений от -710 до -1280 МПа. Таким образом, УЗО по заявляемому способу не ухудшает напряженное состояние поверхностного слоя по сравнению с обработкой на воздухе. Поверхность после ультразвуковой упрочняющей обработки в аргоне характеризуется меньшей шероховатостью по сравнению с обработкой на воздухе. Например, при угле наклона индентора 1 70°, обеспечивающем наиболее высокий уровень микротвердости после обработки в аргоне показатели шероховатости составляют: Ra=26-58 нм, Rz=0,24-0,48 мкм. После обработки на воздухе при тех же параметрах режима Ra=90-98 нм, Rz=0,90-1,64 мкм.Under all conditions of the processing method, favorable compressive stresses arise in the hardened surface layer. For example, when the indenter tilt angles 1 are used, their level during processing in argon is from -730 to -1430 MPa, and when processing in air it reaches values from -710 to -1280 MPa. Thus, the RCD according to the claimed method does not worsen the stress state of the surface layer compared with processing in air. The surface after ultrasonic hardening treatment in argon is characterized by a lower roughness compared to processing in air. For example, at an indenter angle of 1 ° 70 °, which provides the highest microhardness after treatment in argon, the roughness indices are: Ra = 26-58 nm, Rz = 0.24-0.48 μm. After processing in air at the same regime parameters Ra = 90-98 nm, Rz = 0.90-1.64 μm.
Параметры режима УЗО и характеристики поверхности стали 09Г2 после ультразвуковой обработки по различным режимам представлены в таблице 2.The parameters of the RCD mode and surface characteristics of steel 09Г2 after ultrasonic treatment in various modes are presented in table 2.
Из представленной таблицы 2 видно, что ультразвуковая обработка в масле стали 09Г2 в состоянии поставки практически не приводит к повышению микротвердости поверхности по сравнению с металлом без упрочняющей обработки.From table 2 it can be seen that ultrasonic treatment in 09G2 steel oil in the delivery state practically does not increase the surface microhardness compared to metal without hardening treatment.
Обработка на воздухе приводит к значительному повышению микротвердости поверхности (до 300-400 HV 0,025) по сравнению с металлом без упрочняющей обработки (260 HV 0,025) и по сравнению с обработкой в масле (258-268 HV 0,025). На упрочненной на воздухе поверхности наблюдается окисная пленка.Processing in air leads to a significant increase in surface microhardness (up to 300-400 HV 0.025) compared to metal without hardening treatment (260 HV 0.025) and compared to processing in oil (258-268 HV 0.025). An oxide film is observed on a surface hardened in air.
Обработка в атмосфере аргона по заявляемому способу приводит к несколько большему упрочнению поверхности (319-420 HV 0,025) по сравнению с обработкой в масле и на воздухе, а также предотвращает образование окислов, т.е. улучшает качество обработанной поверхности по сравнению с обработкой на воздухе.Processing in an argon atmosphere according to the claimed method leads to a slightly greater surface hardening (319-420 HV 0.025) compared to processing in oil and in air, and also prevents the formation of oxides, i.e. improves quality of the processed surface in comparison with processing in the air.
На фиг. 3 представлены кривые зависимости микротвердости HV0,025 от угла наклона индентора 1 α для стали 09Г2 в состоянии поставки. Показано, что обработка при наклоне индентора 1 относительно поверхности на угол меньше 90° повышает степень упрочнения обработанного слоя. Наиболее высокие значения микротвердости достигаются при угле наклона индентора 1 70°. После обработки в атмосфере аргона микротвердость при нормальном положении индентора 1 относительно поверхности составляет 319 HV0,025, а при угле наклона 70° возрастает до 420 HV0,025. Влияние угла наклона индентора 1 на микротвердость поверхностного слоя при обработке в окислительной воздушной атмосфере имеет аналогичный характер, но уровень микротвердости несколько ниже, чем при обработке в аргоне: микротвердость для угла 90° составляет 300 HV0,025, максимальный уровень микротвердости 410 HV0,025 достигается при угле 70°. Изменение угла наклона индентора 1 при ультразвуковой обработке в масле практически не оказывает влияния на микротвердость поверхности, которая не отличается от микротвердости металла в неупрочненном исходном состоянии, лишь при угле наклона индентора 1 70° наблюдается незначительное повышение микротвердости до 268 HV0,025.In FIG. Figure 3 shows the curves of the microhardness HV0.025 versus the
При всех трех способах обработки (в масле, на воздухе и в аргоне) в упрочненном поверхностном слое возникают благоприятные сжимающие напряжения, уровень которых составляет от -460 до -610 МПа. Обработка по заявляемому способу в защитной атмосфере аргона не снижает уровня напряжений по сравнению с другими способами.With all three processing methods (in oil, in air and in argon), favorable compressive stresses arise in the hardened surface layer, the level of which is from -460 to -610 MPa. Processing according to the claimed method in a protective atmosphere of argon does not reduce the level of stress compared with other methods.
Поверхность стали 09Г2 после ультразвуковой упрочняющей обработки характеризуется низкой шероховатостью. Например, при угле наклона индентора 1 70°, обеспечивающем наиболее высокий уровень микротвердости после обработки в аргоне показатель шероховатости Ra составляет 112-273 нм. После обработки на воздухе при тех же параметрах режима Ra=220-239 нм, после обработки в масле Ra=148-242 нм.The surface of 09G2 steel after ultrasonic hardening treatment is characterized by low roughness. For example, at an indenter angle of 1 ° 70 °, which provides the highest microhardness after processing in argon, the roughness index Ra is 112-273 nm. After processing in air at the same regime parameters Ra = 220-239 nm, after processing in oil Ra = 148-242 nm.
Из фиг. 4 видно, что на поверхности стали 09Г2 образуется слой с измененной микроструктурой. УЗО в масле, которая является стандартным используемым методом обработки, приводит к изменению структуры в поверхностном слое толщиной h1=50 мкм. Зерна феррита вытягиваются и разворачиваются под углом ~ 45° к поверхности, толщина зерен уменьшается до 2-5 мкм, длина составляет 8-20 мкм. Наиболее ярко этот эффект проявляется в слое толщиной 20 мкм. Изменений перлитных зерен в деформированном поверхностном слое не наблюдается. Небольшая толщина деформированного слоя при стандартной ультразвуковой обработке в масле обусловлена наличием на обрабатываемой поверхности смазки, смягчающей удар и препятствующей развитию деформации.From FIG. Figure 4 shows that a layer with a modified microstructure forms on the surface of 09G2 steel. RCD in oil, which is the standard processing method used, leads to structural changes in the surface layer with a thickness of h 1 = 50 μm. Ferrite grains are elongated and turned at an angle of ~ 45 ° to the surface, the grain thickness decreases to 2-5 microns, the length is 8-20 microns. This effect is most pronounced in a layer with a thickness of 20 μm. No changes in pearlite grains in the deformed surface layer are observed. The small thickness of the deformed layer during standard ultrasonic processing in oil is due to the presence of a lubricant on the treated surface that softens the impact and prevents the development of deformation.
Ультразвуковая обработка на воздухе с углом наклона индентора 1 к поверхности 80° приводит к образованию на поверхности деформированного слоя общей толщиной h2=80 мкм, наиболее существенные изменения структуры поверхностного слоя наблюдаются на глубине до 15 мкм. У поверхности зерна вытягиваются вдоль, при этом их толщина составляет 1-2 мкм. По мере удаления от поверхности толщина зерен увеличивается, изменяется угол разворота относительно упрочняемой поверхности, который при приближении к основному металлу составляет, как при обработке в масле, -45°.Ultrasonic treatment in air with an indenter angle of 1 to a surface of 80 ° leads to the formation on the surface of the deformed layer with a total thickness of h 2 = 80 μm, the most significant changes in the structure of the surface layer are observed at a depth of 15 μm. At the surface of the grain are elongated along, while their thickness is 1-2 microns. As you move away from the surface, the grain thickness increases, the angle of rotation relative to the hardened surface changes, which, when approaching the base metal, amounts to -45 °, as when processing in oil.
После ультразвуковой обработки в аргоне с углом наклона индентора 1 к поверхности 80° в поверхностном слое происходят изменения, аналогичные изменениям после ультразвуковой обработки на воздухе, но при этом глубина h3 слоя с деформированными зернами увеличивается и составляет 130 мкм.After ultrasonic treatment in argon with an
На фиг. 5 показано изменение микротвердости HV0,025 по толщине поверхностного слоя h стали 09Г2 после ультразвуковой обработки (α=80°) в аргоне. Видно, что наиболее интенсивное изменение микротвердости происходит от поверхности до глубины 20 мкм: микротвердость снижается от 415 до 320 HV0,025. На уровне 320 HV0,025 микротвердость сохраняется до глубины слоя 100 мкм, а затем плавно снижается при увеличении глубины до 150 мкм до уровня твердости основного неупрочненного металла 240 HV0, 025. Таким образом, обработка по заявляемому способу обеспечивает увеличение глубины деформированного слоя (h3>h2>h1) и, как следствие, толщины упрочненного слоя. При этом глубина упрочнения соответствует глубине деформированного слоя h3.In FIG. Figure 5 shows the change in microhardness HV0.025 over the thickness of the surface layer h of steel 09Г2 after ultrasonic treatment (α = 80 °) in argon. It is seen that the most intense change in microhardness occurs from the surface to a depth of 20 μm: microhardness decreases from 415 to 320 HV0.025. At the level of 320 HV0.025, the microhardness is maintained up to a layer depth of 100 μm, and then gradually decreases with increasing depth up to 150 μm to the hardness level of the base unstrengthened metal 240 HV0, 025. Thus, processing by the present method provides an increase in the depth of the deformed layer (h 3 > h 2 > h 1 ) and, as a consequence, the thickness of the hardened layer. Moreover, the depth of hardening corresponds to the depth of the deformed layer h 3 .
Таким образом, показано, что ультразвуковая обработка сталей 50 и 09Г2 заявляемым способом приводит к образованию на поверхности деформированных слоев с измененной структурой, характеризующихся высоким уровнем микротвердости, формированием благоприятных сжимающих напряжений и низкой шероховатостью.Thus, it is shown that the ultrasonic treatment of
Технический результат получаемый в результате реализации заявляемого способа обеспечивает большую степень упрочнения и глубину упрочненного слоя в сочетании с сжимающими напряжениями и низкой шероховатостью поверхности при отсутствии ее окисления.The technical result obtained by the implementation of the proposed method provides a greater degree of hardening and depth of the hardened layer in combination with compressive stresses and a low surface roughness in the absence of oxidation.
Заявляемый способ может быть реализован при создании поверхностных нанокристаллических слоев на поверхностях металлических изделий.The inventive method can be implemented when creating surface nanocrystalline layers on the surfaces of metal products.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016126583A RU2643289C2 (en) | 2016-07-01 | 2016-07-01 | Method of ultrasonic simple processing of details |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016126583A RU2643289C2 (en) | 2016-07-01 | 2016-07-01 | Method of ultrasonic simple processing of details |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2643289C2 true RU2643289C2 (en) | 2018-01-31 |
Family
ID=60999320
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016126583A RU2643289C2 (en) | 2016-07-01 | 2016-07-01 | Method of ultrasonic simple processing of details |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2643289C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2703072C1 (en) * | 2019-03-22 | 2019-10-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук | Method for parts surface strengthening treatment of by smoothening |
| RU206757U1 (en) * | 2021-02-25 | 2021-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | INSTALLATION FOR ULTRASONIC SURFACE TREATMENT |
| RU2800481C1 (en) * | 2022-09-30 | 2023-07-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Method for ultrasonic hardening treatment of parts from low-carbon structural steel |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1252145A1 (en) * | 1985-01-03 | 1986-08-23 | Омский политехнический институт | Ultrasonic device for strengthening parts |
| SU1303354A1 (en) * | 1985-12-16 | 1987-04-15 | Белорусский технологический институт им.С.М.Кирова | Method of strengthening the surface of metallic articles |
| SU1447646A1 (en) * | 1987-02-24 | 1988-12-30 | Институт Электросварки Им.Е.О.Патона | Method of ultrasonic treatment of part with coating |
| RU2029667C1 (en) * | 1988-03-29 | 1995-02-27 | Александр Михайлович Довгалев | Method of decorative and strengthening treatment and tool for performing the method |
| EP1439933B1 (en) * | 2001-11-02 | 2010-04-07 | The Boeing Company | Apparatus and method for forming weld joints having compressive residual stress patterns |
-
2016
- 2016-07-01 RU RU2016126583A patent/RU2643289C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1252145A1 (en) * | 1985-01-03 | 1986-08-23 | Омский политехнический институт | Ultrasonic device for strengthening parts |
| SU1303354A1 (en) * | 1985-12-16 | 1987-04-15 | Белорусский технологический институт им.С.М.Кирова | Method of strengthening the surface of metallic articles |
| SU1447646A1 (en) * | 1987-02-24 | 1988-12-30 | Институт Электросварки Им.Е.О.Патона | Method of ultrasonic treatment of part with coating |
| RU2029667C1 (en) * | 1988-03-29 | 1995-02-27 | Александр Михайлович Довгалев | Method of decorative and strengthening treatment and tool for performing the method |
| EP1439933B1 (en) * | 2001-11-02 | 2010-04-07 | The Boeing Company | Apparatus and method for forming weld joints having compressive residual stress patterns |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2703072C1 (en) * | 2019-03-22 | 2019-10-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения Уральского отделения Российской академии наук | Method for parts surface strengthening treatment of by smoothening |
| RU206757U1 (en) * | 2021-02-25 | 2021-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский Государственный Университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) | INSTALLATION FOR ULTRASONIC SURFACE TREATMENT |
| RU2800481C1 (en) * | 2022-09-30 | 2023-07-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Method for ultrasonic hardening treatment of parts from low-carbon structural steel |
| RU2812654C1 (en) * | 2023-06-02 | 2024-01-31 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова" | Method for strengthening steel tool by creating subfine crystallographically disordered structure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Krishna et al. | Surface modification of AISI 410 stainless steel using laser engineered net shaping (LENSTM) | |
| US8782902B2 (en) | Method of making bearing using ultrasonic nano crystal surface modification technology | |
| Turenne et al. | Matrix microstructure effect on the abrasion wear resistance of high-chromium white cast iron | |
| Varela et al. | Surface integrity in hard machining of 300 M steel: effect of cutting-edge geometry on machining induced residual stresses | |
| RU2643289C2 (en) | Method of ultrasonic simple processing of details | |
| Makarov et al. | Metallophysical foundations of nanostructuring frictional treatment of steels | |
| Dhar et al. | Wear behavior of uncoated carbide inserts under dry, wet and cryogenic cooling conditions in turning C-60 steel | |
| Krechetov et al. | The study of multiradius roller running process | |
| Joshi et al. | Tribological response of mechanical attrition treated surface of AISI 316L steel: The role of velocity of colliding balls | |
| KR100676333B1 (en) | Method of increasing strength of cold worked part by ultrasonic shock treatment, and metal product with high fracture toughness and fatigue strength | |
| Rodrigues et al. | Surface integrity analysis when milling ultrafine-grained steels | |
| Chaudhari et al. | Effect of ultrasonic vibration assisted dry grinding on hysteresis loop characteristics of AISI D2 tool steel | |
| Hotz et al. | Combination of cold drawing and cryogenic turning for modifying surface morphology of metastable austenitic AISI 347 steel | |
| Zhang et al. | Wear and friction properties of laser surface hardened En31 steel | |
| Guimarães et al. | Evaluation of surface and sub-surface integrities of a mold steel under different grinding conditions | |
| Aldajah et al. | Effect of laser surface modifications tribological performance of 1080 carbon steel | |
| RU2458777C2 (en) | Method of part surface hardening by burnishing | |
| Larson et al. | Influencing effects of variant laser pulse energy on fatigue behavior induced by LSP | |
| Souza et al. | Formation of white etching layers by deep rolling of AISI 4140 steel | |
| Vyas et al. | The significance of the white layer in a hard turned steel chip | |
| Chou et al. | Microstructural effects in precision hard turning | |
| Ji et al. | Surface integrity of quenched steel 1045 machined by CBN grinding wheel and SiC grinding wheel | |
| RU2194773C2 (en) | Method of steel articles working | |
| RU2375465C1 (en) | Method of surface hardening | |
| RU2800481C1 (en) | Method for ultrasonic hardening treatment of parts from low-carbon structural steel |