Підвищення експлуатаційної стійкості деталей та інструменту методом термофрикційного зміцнення: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук : 05.02.01 – Матеріалознавство

Abstract

Метою дисертаційного дослідження є підвищення експлуатаційної стійкості деталей машин та інструменту із сталей шляхом розробки та використання технологічного комплексу термофрикційного зміцнення (ТФЗ) з можливістю одночасного формування необхідної якості поверхні, та визначення природи і закономірностей процесу зміцнення. У дисертаційній роботі виконана науково обґрунтована розробка технологічного комплексу оброблення сталей різних марок з використанням методу термофрикційного зміцнення, що дозволило забезпечити суттєве підвищення їх поверхневої твердості та зносостійкості в 2–3 рази. Експериментальні дослідження проводили на основі детального вивчення впливу на кінцеві характеристики сталей зовнішніх і внутрішніх факторів при їх комплексному обробленні. Для забезпечення ефективного зміцнення проводилася оптимізація параметрів процесу ТФЗ (режимів ТФЗ). Обрані марки сталей охоплюють основну промислову номенклатуру для деталей машин та інструмента, згідно діапазону за вмістом вуглецю. В роботі було проведено визначення взаємозв'язку між температурою нагрівання поверхні під час ТФЗ, швидкістю охолодження, формуванням структури, напруженим станом та властивостями сталей, зміцнених ТФО. При дослідженні вирішена задача теплопровідності, що дозволило корегувати температуру нагрівання поверхні зразків сталей 15Х11МФ, 65Г, У8А, Х12М при ТФЗ. Поверхневе зміцнення досягається формуванням «білого шару», що підтверджено вимірюванням мікротвердості. Показано, що деформаційний механізм зміцнення при короткочасному нагріванні поверхні, що зміцнювали, є переважним механізмом при ТФЗ. При зміцненні утворюється структура «деформованого зернистого мартенситу» з включенням фази ε-карбіду, твердість якої більш ніж удвічі перевищує твердість мартенситної структури, яка утворена при стандартному зміцненні даних сталей, і може розглядатися як тип наноструктури. Наукова новизна отриманих результатів полягає в узагальненні та розвитку теорій зміцнення матеріалів з урахуванням та можливістю керування тепловими та деформаційними явищами при структуроутворенні матеріалів в момент ТФЗ, що дозволяє вирішити актуальну проблему поверхневого зміцнення конструкційних та інструментальних сталей. Розроблено технологію зміцнення поверхні, а також комплексну технологію одночасного зміцнення та шліфування поверхні.

The purpose of the dissertation research is to increase the operational stability of machine parts and tools made of steel by developing and using the technological complex of thermofriction hardening (TFH) with the possibility of simultaneously forming the necessary surface quality, and determining the nature and laws of the hardening process. In the dissertation, the scientifically substantiated development of the technological complex for steel processing of different grades using the method of thermofriction hardening was performed, which made it possible to significantly increase their surface hardness and wear resistance by 2–3 times. Experimental studies were carried out on the basis of a detailed study of the influence on the final characteristics of steels of external and internal factors during their complex processing. In order to ensure effective hardening, TFH regimes were optimized. Selected steel grades cover the main industrial range for machine parts and tools, according to the range of carbon content. In the dissertation was to determine the relationship between the surface heating temperature during TFН, cooling rate, deformation, structure formation and properties of steels, hardened by TFP. The study solved the task thermal conductivity, which allowed determining the surface heating temperature of samples of steels 15Х11MФ, 65Г, У8A, Х12M at TFP. The photographs of microstructures, which show changes over the cross section of the samples are presented. The presence of surface-hardened «white layer» with increased hardness is obvious, as evidenced by the prints of micro-hardness measurements. The data showed that the deformation mechanism of hardening in a short-term heating of the hardenable surface is predominant at TFP. It is also noted that the «deformed grained martensite» and ε-carbide structure is formed, the hardness of which is more than twice the hardness of the martensite structure obtained in hardening of the proposed steels and can be considered as a type of nanostructure. Graphs of temperature fields are shown on the surface area adjacent to the edge. The data on the stress state and the phase composition of the surface after the TFP are given. The scientific novelty of the obtained results consists in the generalization and development of the theories of hardening and structure formation of materials, as well as the management by thermal phenomena and deformation, which allow to solve the actual problem of surface hardening of structural and tool steels. The technologies of surface hardening, as well as the technology of simultaneous hardening and grinding are developed.