ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Ультразвуковая ударно-фрикционная обработка (УЗУФО) – новый метод поверхностного деформационного упрочнения, позволяющий изменять свойства и микроструктуру поверхностного слоя металла. В отличие от традиционной ультразвуковой ударной обработки (УЗУО) особенностью УЗУФО является приложение ударного воздействия с ультразвуковой частотой под острым углом α к обрабатываемой поверхности для активизации ротационного механизма деформации за счет дополнительного фрикционного нагружения. Для усиления фрикционного воздействия и предотвращения охрупчивания диффузионно-активного деформированного слоя УЗУФО проводится в безокислительной атмосфере аргона. Уменьшение угла α при УЗУФО приводит к смещению пластического валика, вытесненного инструментом металла в направлении удара. Следовательно, положение инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой, относительно траектории его перемещения может оказывать сильное влияние на получаемый микрорельеф поверхности. Цель работы – изучить влияние направления ударного воздействия относительно поперечной подачи инструмента в процессе УЗУФО под углом α = 50º в среде аргона на шероховатость и степень упрочнения поверхности конструкционной стали 09Г2С. Методы исследования. Проведены измерения микротвердости, атомно-силовая микроскопия, оптическая профилометрия, оптическая и сканирующая электронная микроскопия с использованием EBSD-анализа. Результаты и обсуждение. После шлифовки поверхность стали имеет микротвердость 200 HV 0,1 и среднее арифметическое отклонение профиля поверхности Ra = 0,6 мкм. УЗУО под углом α = 90º в среде индустриального масла приводит к упрочнению поверхности до 260 HV 0,1, при этом параметр Ra возрастает до 1,6 мкм. УЗУФО с отклонением направления ударного воздействия от вертикали в направлении поперечной подачи образца (обработка «углом вперед») позволяет получить относительно однородный микрорельеф с параметром Ra = 0,4 мкм и микротвердостью деформированного слоя до 500 HV 0,1. Отклонение инструмента в противоположном направлении относительно поперечной подачи образца (обработка «углом назад») увеличивает степень упрочнения поверхности (620 HV 0,1), но ведет к формированию развитого микрорельефа, состоящего из пластических валиков вытесненного инструментом металла, и росту параметра Ra до 3,5 мкм. При этом шероховатость субмикрорельефа остается приблизительно на одном уровне (Ra = 0,03…0,04 мкм) для всех трех схем упрочняющей обработки. Таким образом, угол и направление ударного воздействия при ультразвуковой поверхностной обработке можно рассматривать как важные технологические параметры, позволяющие в широких пределах управлять микрорельефом поверхности при реализации УЗУФО в качестве финишной упрочняющей обработки. УЗУФО является эффективным способом поверхностного упрочнения, позволяющим формировать поверхность даже с меньшей шероховатостью микропрофиля, чем после стандартной УЗУО с использованием смазки.

1. Advanced characterization methods for wear resistant hard coatings: a review on recent progress / M. Tkadletz, N. Schalk, R. Daniel, J. Keckes, C. Czettl, C. Mitterer // Surface & Coating Technology. – 2016. – Vol. 285. – P. 31–46. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.11.016.

2. Получение упрочняющих покрытий из аморфизируемых сплавов FE-CR-SI-B-C лазерно-плазменными методами / М.Н. Хомяков, П.А. Пинаев, П.А. Стаценко, И.Б. Мирошниченко, Г.Н. Грачев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 4. – С. 21–34. – DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.4-21-34.

3. Corrosion resistance of low-carbon steel modified by plasma nitriding and diamond-like carbon / C.P. Fenili, F.S. de Souza, G. Marin, S.M.H. Probst, C. Binder, A.N. Klein // Diamond and Related Materials. – 2017. – Vol. 80. – P. 153–161. – DOI: 10.1016/j.diamond.2017.11.001.

4. Влияние низкотемпературной цементации в плазме электронного пучка на упрочнение и шероховатость поверхности метастабильной аустенитной стали / П.А. Скорынина, А.В. Макаров, А.И. Меньшаков, А.Л. Осинцева // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2019. – Т. 21, № 2. – С. 97–109. – DOI: 10.17212/1994-6309-2019-21.2-97-109.

5. Блюменштейн В.Ю., Кукареко В.А. Структурные превращения в поверхностном слое при обработке мультирадиусным деформирующим инструментом // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2018. – Т. 20, № 2. – С. 75–86. – DOI: 10.17212/1994-6309-2018-20.2-75-86.

6. Effect of shot peening using ultra-fine particles on fatigue properties of 5056 aluminum alloy under rotating bending / S. Kikuchi, Y. Nakamura, K. Nambu, M. Ando // Materials Science and Engineering: A. – 2016. – Vol. 652. – P. 279–286. – DOI: 10.1016/j.msea.2015.11.076.

7. Experimental study on macro- and microstress state, microstructural evolution of austenitic and ferritic steel processed by shot peening / M. Chen, C. Jiang, Z. Xu, K. Zhan, V. Ji // Surface & Coatings Technology. – 2019. – Vol. 359. – P. 511–519. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.12.097.

8. Lu K., Lu J. Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment // Materials Science and Engineering: A. – 2004. – Vol. 375–377. – P. 38–45. – DOI: 10.1016/j.msea.2003.10.261.

9. Progress in mechanical properties of gradient structured metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment / X. Yang, H. Pan, J. Zhang, H. Gao, B. Shu, Y. Gong, X. Zhu // Materials Transactions. – 2019. – Vol. 60, iss. 8. – P. 1543–1552. – DOI: 10.2320/matertrans.MF201911.

10. Microstructure and surface properties of 17-4PH stainless steel by ultrasonic surface rolling technology / Q. Zhang, Z. Hu, W. Su, H. Zhou, C. Liu, Y. Yang, X. Qi // Surface & Coatings Technology. – 2017. – Vol. 321. – P. 64–73. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.04.052.

11. Enhanced mechanical behaviors of gradient nano-grained austenite stainless steel by means of ultrasonic impact treatment / X. Yang, X. Wang, X. Ling, D. Wang // Results in Physics. – 2017. – Vol. 7. – P. 1412–1421. – DOI: 10.1016/j.rinp.2017.04.002.

12. The effect of ultrasonic impact treatment on the deformation behavior of commercially pure titanium under uniaxial tension / A.V. Panin, M.S. Kazachenok, A.I. Kozelskaya, R.R. Balokhonov, V.A. Romanova, O.B. Perevalova, Yu.I. Pochivalov // Materials & Design. – 2017. – Vol. 117, iss. 5. – P. 371–381. – DOI: 10.1016/j.matdes.2017.01.006.

13. Патент 2643289 Российская Федерация. Способ ультразвуковой упрочняющей обработки деталей / Макаров А.В., Малыгина И.Ю., Буров С.В., Саврай Р.А. – № 2016126583; заявл. 01.07.2016; опубл. 31.01.2018, Бюл. № 4. – 16 с.: ил.

14. Nanostructuring and surface hardening of structural steels by ultrasonic impact-frictional treatment / A.V. Makarov, R.A. Savrai, I.Yu. Malygina, E.G. Volkova, S.V. Burov // AIP Conference Proceedings. – 2018. – Vol. 2053, iss. 1. – P. 020006-1–020006-5. – DOI: 10.1063/1.5084352.

15. Lezhnin N.V., Makarov A.V., Luchko S.N. The effect of ultrasonic impact-frictional treatment on the surface roughness and hardening of 09Mn2Si constructional steel // Letters on Materials. – 2019. – Vol. 9, iss. 3. – P. 310–315. – DOI: 10.22226/2410-3535-2019-3-310-315.

16. Influence of multiple ultrasonic impact treatments on surface roughness and wear performance of SUS301 steel / L. Li, M. Kim, S. Lee, M. Bae, D. Lee // Surface & Coatings Technology. – 2016. – Vol. 307. – P. 517–524. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2016.09.023.

17. Chamgordani S.A., Miresmaeili R., Aliofkhazraei M. Improvement in tribological behavior of commercial pure titanium (CP-Ti) by surface mechanical attrition treatment (SMAT) // Tribology International. – 2018. – Vol. 119. – P. 744–752. – DOI: 10.1016/j.triboint.2017.11.044.

18. Effect of structure evolution induced by ultrasonic peening on the corrosion behavior of AISI-321 stainless steel / B.N. Mordyuk, G.I. Prokopenko, M.A. Vasylyev, M.O. Iefimov // Material Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 458. – P. 253–261. – DOI: 10.1016/j.msea.2006.12.049.

19. Influence of re-ultrasonic impact treatment on fatigue behaviors of S690QL welded joints / Y. Liu, D. Wang, C. Deng, L. Xia, L. Huo, L. Wang, B. Gong // International Journal of Fatigue. – 2014. – Vol. 66. – P. 155–160. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2014.03.024.

20. Comparative study of the effects of surface mechanical attrition treatment and conventional shot peening on low cycle fatigue of a 316L stainless steel / J. Zhoua, D. Retrainta, Z. Suna, P. Kanouté // Surface & Coatings Technology. – 2018. – Vol. 349. – P. 556–566. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.06.041.

21. Kovalevskaya Zh.G., Uvarkin P.V., Tolmachev A.I. Some features of the formation of the surface microrelief of steel under ultrasonic finishing treatment // Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2012. – Vol. 48, iss. 3. – P. 153–158. – DOI: 10.1134/S1061830912030047.

22. A two-step periodic micro-nano patterning process via ultrasonic impact treatment on a rough SUS301 stainless steel surface / L. Li, M. Kim, S. Lee, T. Kim, J. Lee, D. Lee // Surface & Coatings Technology. – 2017. – Vol. 330. – P. 204–210. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.10.004.

23. Алехин В.П., Алехин О.В. Нанотехнология поверхностной упрочняющей и финишной обработки деталей из конструкционных и инструментальных сталей // Машиностроение и инженерное образование. – 2007. – № 4 (13). – С. 2–13.

24. Mechanisms of surface roughening of commercial purity titanium during ultrasonic impact treatment / A.V. Panin, M.S. Kazachenok, A.I. Kozelskaya, R.R. Hairullin, E.A. Sinyakova // Materials Science and Engineering: A. – 2015. – Vol. 647. – P. 43–50. – DOI: 10.1016/j.msea.2015.08.086.

25. Зондовая микроскопия: применения и рекомендации по разработке / Б.А. Логинов, П.Б. Логинов, В.Б. Логинов, А.Б. Логинов // Наноиндустрия. – 2019. – Т. 12, № 6 (92). – С. 352–364.

26. Makarov A.V., Korshunov L.G. Metallophysical foundations of nanostructuring frictional treatment of steels // The Physics of Metals and Metallography. – 2019. – Vol. 120, iss. 3. – P. 303–311. – DOI: 10.1134/S0031918X18120128.

27. On the application of the Kitagawa–Takahashi diagram to foreign-object damage and high-cycle fatigue / J.O. Peters, B.L. Boyce, X. Chen, J.M. McNaney, J.W. Hutchinson, R.O. Ritchie // Engineering Fracture Mechanics. – 2002. – Vol. 69. – P. 1425–1446. – DOI: 10.1016/S0013-7944(01)00152-7.

28. Mordyuk B.N., Prokopenko G.I. Ultrasonic impact peening for the surface properties’ management // Journal of Sound and Vibration. – 2007. – Vol. 308. – P. 855–866. – DOI: 10.1016/j.jsv.2007.03.054.

29. Arifvianto B., Mahardika M. Effects of surface mechanical attrition treatment (SMAT) on a rough surface of AISI 316L stainless steel // Applied Surface Science. – 2012. – Vol. 258. – P. 4538–4543. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.01.021.