ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Аннотация
Для повышения эксплуатационных свойств деталей машин все большее распространения получают методы модифицирования поверхностных слоев деталей с использованием источников энергии высокой концентрации, обеспечивающих скорости нагрева порядка 104…105 oC/с. Объектом данных исследований является поверхностная закалка высокоэнергетическим нагревом токами высокой частоты (ВЭН ТВЧ). Данному источнику энергии свойственно весьма сложное распределение энергии по толщине нагреваемого слоя, что может являться причиной образования в глубине материала микрообъемов расплавленного металла, приводящее к существенному снижению качества обрабатываемого изделия. Следовательно, при назначении технологических режимов, необходимо учитывать характерные особенности обработки данными источниками нагрева. Натурные эксперименты проводились на круглошлифовальном станке модели 3Б12, оснащенного дополнительным источником энергии, в качестве которого использовался выносной закалочный контур, реализующий высокоэнергетический нагрев токами высокой частоты. Структурные исследования производили с применением оптической и растровой микроскопии. Математическое моделирование тепловых полей и структурно-фазовых превращений при ВЭН ТВЧ осуществлялось в программных комплексах ANSYS и SYSWELD. Теоретически обоснована и практически доказана возможность возникновения в процессе поверхностной закалки стали 45 с использованием высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты с одновременным душевым водяным охлаждением жидкой фазы не на поверхности, а на глубине 0,15…0,2 мм. На основании проведенных исследований сделан вывод о том, что назначать режимы поверхностной закалки с использованием ВЭН ТВЧ с одновременным душевым охлаждением необходимо исходя из наиболее теплонапряженного слоя.

Список литературы
1. Multipass surface hardening of steel samples with inclined surfaces by concentrated electron beam in the air of atmosphere pressure / V.V. Abashkin, O.A. Gorshkov, A.A. Ilyin, A.S. Lovtsov, R.N. Rizakhanov // High Temperature Material Processes: an International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. – 2004. – Vol. 8, N 3. – P. 427–432. – doi: 10.1615/HighTempMatProc.v8.i3.80.

2. Davis J.R. Surface hardening of steels: understanding the basics. –Materials Park, OH: ASM International, 2002. – 364 p. – ISBN 978-0-87170-764-2.

3. Анализ напряженно-деформированного состояния материала при высокоэнергетическом нагреве токами высокой частоты / В.Ю. Скиба, В.Н. Пушнин, И.А. Ерохин, Д.Ю. Корнев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 3 (64). – С. 90–102.

4. Béjar M.A., Henríquez R. Surface hardening of steel by plasma-electrolysis boronizing // Materials and Design. – 2009. – Vol. 30, iss. 5. – P. 1726–1728. – doi: 10.1016/j.matdes.2008.07.006.

5. Hybrid processing: the impact of mechanical and surface thermal treatment integration onto the machine parts quality / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, A.V. Kutyshkin, K.A. Parts // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126. – P. 012016. – doi: 10.1088/1757-899X/126/1/012016.

6. Skeeba V., Pushnin V., Kornev D. Quality improvement of wear-resistant coatings in plasma spraying integrated with high-energy heating by high frequency currents // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 788. – P. 88–94. – doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.788.88.

7. Perspective of high energy heating implementation for steel surface saturation with carbon / N. Plotnikova, A. Losinskaya, V. Skeeba, E. Nikitenko // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 698. – P. 351–354. – doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.698.351.

8. Surface hardening of steels with carbon by non-vacuum electron-beam processing / I.A  Bataev, M.G. Golkovskii, A.A. Bataev, A.A. Losinskaya, A.I. Popelyukh, E.A. Drobyaz // Surface and Coatings Technology. – 2014. – Vol. 242. – P. 164–169. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.038.

9. Oxide powder plasma processing by low-energy ions of titanium / E.M. Vodopyanov, A.V. Loginova, A.S. Ivashutenko, N.V. Martyushev // Applied Mechanics and Materials. – 2015 – Vol. 756. – P. 299–302. – doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.756.299.

10. Physical-mechanical properties of corundum-zirconium ceramic obtained by the technology of radial magnetoimpulse pressing / S.V. Akarachkin, A.A. Sivkov, A.S. Ivashutenko, N.V. Martyushev // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 756. – P. 286–292. – doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.756.286.

11. Ion J.C. Laser processing of engineering materials: principles, procedure and industrial application. – Burlington: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2005. – 576 p. – ISBN-10: 008097189X. – ISBN-13: 978-0080971896.

12. Fauchais P.L., Heberlein J.V.R., Boulos M.I. Thermal spray fundamentals. – New York: Springer, 2014. – 1566 p. – ISBN 978-0-387-28319-7. – doi: 10.1007/978-0-387-68991-3.

13. Handbook of thermal spray technology / J.R. Davis, ed. – Materials Park, OH: ASM International, 2004. – 338 p. – ISBN-10: 0-87170-795-0. – ISBN-13: 978-0-87170-795-6.

14. ASM Handbook. Vol. 5A. Thermal spray technology / R.C. Tucker jr, ed. – Materials Park, Ohio: ASM International, 2013. – 412 p. – ISBN 978-1-61503-996-8.

15. Numerical simulation of temperature field in steel under action of electron beam heating source / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, N.V. Martyushev, D.V. Lobanov, N.V. Vakhrushev, A.K. Zhigulev // Key Engineering Materials. – 2016. – Vol. 712. – P. 105–111. – doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.712.105.

16. Особенности структурных превращений в сталях, обусловленные использованием источников высококонцентрированной энергии / А.А. Батаев, И.А. Батаев, В.Г. Буров, В.В. Иванцивский // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2004. – № 4 (25). – С. 18–19.

17. Иванцивский В.В. Численное моделирование температурных полей в материалах при упрочнении с использованием концентрированных объемных источников нагрева // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. – 2004. – № 2. – С. 161–172.

18. Skeeba V., Ivancivsky V., Pushnin V. Numerical modeling of steel surface hardening in the process of high energy heating by high frequency currents // Applied Mechanics and Materials. – 2015. – Vol. 698. – P. 288–293. – doi: 10.4028/www.scientific.net/AMM.698.288.

19. Иванцивский В.В., Батаев В.А. Упрочнение поверхностных слоев деталей машин с использованием высокоэнергетического нагрева токами высокой частоты // Ползуновский вестник. – 2005. – № 2-2. – С. 104–112.

20. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю., Зуб Н.П. Методика назначения режимов обработки, обеспечивающих рациональное распределение остаточных напряжений при поверхностной закалке ВЭН ТВЧ // Научный вестник НГТУ. – 2008. – № 3 (32). – С. 83–94.

21. Структура износостойких плазменных покрытий после высокоэнергетического воздействия ТВЧ / Ю.С. Чёсов, Е.А. Зверев, В.В. Иванцивский, В.Ю. Скиба, Н.В. Плотникова, Д.В. Лобанов // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2014. – № 4 (65). – С. 11–18.

22. Integration of production steps on a single equipment / V. Skeeba, V. Pushnin, I. Erohin, D. Kornev // Materials and Manufacturing Processes. – 2015. – Vol. 30, iss. 12. – P. 1408–1411. – doi: 10.1080/10426914.2014.973595.

23. Integrated processing: quality assurance procedure of the surface layer of machine parts during the manufacturing step "diamond smoothing" / V.Yu. Skeeba, V.V. Ivancivsky, D.V. Lobanov, A.K. Zhigulev, P.Yu. Skeeba // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2015. – Vol. 125. – P. 012031. – doi: 10.1088/1757-899X/125/1/012031.

24. Моделирование напряженно-деформированного состояния материала в программном комплексе SYSWELD при поверхностной закалке ТВЧ / В.Ю. Скиба, В.Е. Воротников, Р.А. Гарин, Е.А. Гарин // В мире научных открытий. – 2010. – № 2-3. – С. 16–19.

25. Бабат Г.И. Индукционный нагрев металлов и его промышленное применение. – М.; Л.: Энергия, 1965. – 552 с.

26. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов / под ред. Я.Л. Лившица. – М.: Металлургия, 1980. – 320 с.

27. Теплопроводность твердых тел: справочник / под ред. А.С. Охотина. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 320 с.

28. Стали и сплавы. Марочник: справочник / под ред. В.Г. Сорокина, М.А. Гервасьева. – М.: Интермет инжиниринг, 2001. – 608 с. – ISBN 5-89594-056-0.

29. Denis S., Sjöström S., Simon A. Coupled temperature, stress, phase transformation calculation model numerical illustration of the internal stress evolution during cooling of a eutectoid steel cylinder // Metallurgical and Materials Transactions: A. – 1987. – Vol. 18, N 7. – P. 1203–1212. – doi: 10.1007/BF02647190.

30. Hildenwall B., Ericsson T. Prediction of residual stresses in case-hardening steel // Hardenability Concepts with Application to Steel / D.V. Doane and J.S. Kirkaldy, eds. – Warrendale: AIME, 1978. – P. 579–605.

31. Прус А.А., Ермолаев Б.И. Металлы и сплавы: справочные данные о физико-механических свойствах при различных температурах и условиях нагружения. – М.: ЦНИИ, 1975. – 583 c.

32. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: справочник. – М.: Металлургия, 1989. – 383 c.

33. Скиба В.Ю. Повышение эффективности технологического процесса обработки деталей машин при интеграции абразивного шлифования и поверхностной закалки ТВЧ: дис. … канд. техн. наук: 05.03.01 / Новосибирский государственный технический университет. – Новосибирск, 2008. – 257 с.

34. Fortunier R., Leblond J.B., Bergheau J.M. A Numerical model for multiple phase transformations in steels during thermal processes // Journal of Shanghai Jiaotong University (Science). – 2000. – Vol. E5, no. 1. – P. 213–220.

35. Sjöström S. The calculation of quench stresses in steel: PhD diss. no. 84 / Linköping University, Linköping Studios in Science and Technology, Division of Solid Mechanics and Strength of Materials, Department of Mechanical Engineering. – Linköping, Sweden, 1982. – 126 p.

36. Иванцивский В.В. Управление структурным и напряженным состоянием поверхностных слоев деталей машин при их упрочнении с использованием концентрированных источников нагрева и финишного шлифования: дис. … д-ра техн. наук: 05.16.09 / Новосибирский государственный технический университет. – Новосибирск, 2012. – 425 с.