ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Скользящее выглаживание позволяет минимизировать шероховатость и упрочнить поверхность сталей. Формируемые качество поверхности и прочностные характеристики поверхностного слоя определяются скоростью, силой и подачей выглаживания. Из-за опасности микроразрушений поверхности при выглаживании возникает проблема точного назначения нормальной силы при заданной подаче. Цель работы – изучение влияния нормальной силы при сухом алмазном выглаживании сферическим индентором на сглаживание микропрофиля поверхности и деформационное упрочнение поверхностного слоя аустенитной стали 03Х16Н15М3Т1. Методы исследования. Профилометрия, сканирующая электронная микроскопия, микродюрометрия. Результаты и обсуждение. В результате сухого выглаживания деформационно-стабильной аустенитной стали 03Х16Н15М3Т1 сферическим индентором с радиусом 2 мм из природного алмаза при скорости скольжения 10 м/мин и подаче 0,025 мм/об установлено, что в исследованном диапазоне изменения нормальной силы выглаживания 100…200 Н величина коэффициента сглаживания исходного микропрофиля поверхности стали после чистового точения составляет 79…90 %. Наибольшее сглаживание с уменьшением среднего параметра шероховатости Ra от 1,0 до 0,1 мкм достигается при силе 150 Н. При алмазном выглаживании обеспечивается упрочнение исходной (после точения) поверхности на 15…43 % (до 382…444 HV), по мере увеличения силы выглаживания от 100 до 175 Н происходит немонотонное повышение средней микротвердости от 409 до 444 HV 0,05. Выглаживание с нагрузкой 175 Н формирует градиентно-упрочненный слой толщиной 300…350 мкм с появлением на поверхности отдельных микроразрушений в виде наплывов и микротрещин, максимальное упрочнение обусловлено формированием сильно диспергированного поверхностного слоя толщиной 30…40 мкм со структурой высокодисперсного аустенита и соответствующей активизацией зернограничного и дислокационного механизмов упрочнения. Результаты могут быть использованы при выборе параметров алмазного выглаживания деталей из коррозионностойких аустенитных сталей по критериям получения низкой шероховатости поверхности без существенных микроразрушений и эффективного деформационного упрочнения поверхностного слоя.

1. Lo K.H., Shek C.H., Lai J.K.L. Recent developments in stainless steels // Materials Science and Engineering: R: Reports. – 2009. – Vol. 65, iss. 4–6. – P. 39–104. – DOI: 10.1016/j.mser.2009.03.001.

2. Borgioli F. From austenitic stainless steel to expanded austenite-S phase: formation, characteristics and properties of an elusive metastable phase // Metals. – 2020. – Vol. 10, iss. 2. – Art. 187. – DOI: 10.3390/met10020187.

3. Solomon N., Solomon I. Effect of deformation-induced phase transformation on AISI 316 stainless steel corrosion resistance // Engineering Failure Analysis. – 2017. – Vol. 79. – P. 865–875. – DOI: 10.1016/j.engfailanal.2017.05.031.

4. Hydrogen embrittlement effects on austenitic stainless steels with ultrafine-grained structure of different morphology / E.G. Astafurova, E.V. Melnikov, S.V. Astafurov, I.V. Ratochka, I.P. Mishin, G.G. Maier, V.A. Moskvina, G.N. Zakharov, A.I. Smirnov, V.A. Bataev // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 22, iss. 4. – P. 313–326. – DOI: 10.1134/S1029959919040076.

5. Влияние насыщения водородом на структуру и механические свойства аустенитной стали 01Х17H13M3, формируемые в процессе прокатки при разных температурах / Е.В. Мельников, Г.Г. Майер, В.А. Москвина, Е.Г. Астафурова // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2021. – Т. 23, № 2. – С. 81–97. – DOI: 10.17212/1994-6309-2021-23.2-81-97.

6. The influence of intermetallic ageing during irradiation by fast neutrons on void formation in austenitic stainless steels / V.V. Sagaradze, V.A. Pavlov, V.M. Alyabiev, B.N. Goshchitskiy, A.V. Kozlov, S.S. Lapin, Ye.N. Loguntsev, V.M. Nalesnik, N.V. Khakhalkin, V.I. Shalayev, M.G. Gaydukov, G.A. Sergeyev // Physics of Metals and Metallography. – 1988. – Vol. 65, iss. 5. – P. 128–135.

7. Патент № 1807735 Российская Федерация. Сталь: № 4913269/02: заявл. 10.12.1990: опубл. 30.04.1995, Бюл. № 12 / В.В. Сагарадзе, В.М. Налесник, А.Г. Шейнкман, Ю.К. Бибилашвили, В.М. Алябьев, В.И. Барсанов, А.В. Козлов, С.С. Лапин, В.А. Павлов, О.М. Сараев, А.И. Уваров, В.И. Шалаев. – 6 с.

8. Precipitation hardening and radiation damageability of austenitic stainless steels / V.V. Sagaradze, V.M. Nalesnik, S.S. Lapin, V.M. Aliabev // Journal of Nuclear Materials. – 1993. – Vol. 202, iss. 1–2. – P. 137–144. – DOI: 10.1016/0022-3115(93)90036-X.

9. Sagaradze V.V., Lapin S.S. Unconventional approaches to the suppression of irradiation-induced swelling of stainless steels // The Physics of Metals and Metallography. – 1997. – Vol. 83, iss. 4. – P. 417–427.

10. Enhanced wear resistance of 316 L stainless steel with a nanostructured surface layer prepared by ultrasonic surface rolling / C. Wang, J. Han, J. Zhao, Y. Song, J. Man, H. Zhu, J. Sun, L. Fang // Coatings. – 2019. – Vol. 9, iss. 4. – Art. 276. – DOI: 10.3390/coatings9040276.

11. Arifvianto B., Suyitno, Mahardika M. Effects of surface mechanical attrition treatment (SMAT) on a rough surface of AISI 316L stainless steel // Applied Surface Science. – 2012. – Vol. 258, iss. 10. – P. 4538–4543. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.01.021.

12. Effect of cold working and sandblasting on the microhardness, tensile strength and corrosion resistance of AISI 316L stainless steel / Suyitno, B. Arifvianto, T.D. Widodo, M. Mahardika, P. Dewo, U.A. Salim // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. – 2012. – Vol. 19, iss. 12. – P. 1093–1099. – DOI: 10.1007/s12613-012-0676-1.

13. Effect of friction treatment on the structure, micromechanical and tribological properties of austenitic steel 03Kh16N14M3T / A.V. Makarov, P.A. Skorynina, E.G. Volkova, A.L. Osintseva // Metal Science and Heat Treatment. – 2020. – Vol. 61, iss. 11–12. – P. 764–768. – DOI: 10.1007/s11041-020-00497-1.

14. Повышение трибологических свойств аустенитной стали 12Х18Н10Т наноструктурирующей фрикционной обработкой / А.В. Макаров, П.А. Скорынина, А.Л. Осинцева, А.С. Юровских, Р.А. Саврай // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2015. – № 4 (69). – С. 80–92. – DOI: 10.17212/1994-6309-2015-4-80-92.

15. Effect of the conditions of the nanostructuring frictional treatment process on the structural and phase states and the strengthening of metastable austenitic steel / A.V. Makarov, P.A. Skorynina, A.S. Yurovskikh, A.L. Osintseva // Physics of Metals and Metallography. – 2017. – Vol. 118, iss. 12. – P. 1225–1235. – DOI: 10.1134/S0031918X17120092.

16. Toward control of subsurface strain accumulation in nanostructuring burnishing on thermostrengthened steel / V.P. Kuznetsov, I.Yu. Smolin, A.I. Dmitriev, S.Yu. Tarasov, V.G. Gorgots // Surface and Coatings Technology. – 2016. – Vol. 285. – P. 171–178. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2015.11.045.

17. Sachin B., Narendranath S., Chakradhar D. Analysis of surface hardness and surface roughness in diamond burnishing оf 17-4 PH stainless steel // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 577. – Art. 012075. – DOI: 10.1088/1757-899X/577/1/012075.

18. Grzesik W., Zak K. Characterization of surface integrity produced by sequential dry hard turning and ball burnishing operations // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2014. – Vol. 136, iss. 3. – Art. 031017. – DOI: 10.1115/1.4026936.

19. Influence of ball-burnishing on roughness, hardness and corrosion resistance of AISI 1045 steel / Al. Saldaña-Robles, H. Plascencia-Mora, E. Aguilera-Gómez, Ad. Saldaña-Robles, A. Marquez-Herrera, J.A. Diosdado-De la Peña // Surface and Coatings Technology. – 2008. – Vol. 339. – P. 191–198. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.02.013.

20. Influence of ball burnishing on residual stress profile of a 15-5PH stainless steel / V. Chomienne, F. Valiorgue, J. Rech, C. Verdu // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2016. – Vol. 13. – P. 90–96. – DOI: 10.1016/j.cirpj.2015.12.003.

21. Shiou F.-J., Hsu C.-C. Surface finishing of hardened and tempered stainless tool steel using sequential ball grinding, ball burnishing and ball polishing processes on a machining centre // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – Vol. 205, iss. 1–3. – P. 249–258. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2007.11.244.

22. Effect of slide burnishing method on the surface integrity of AISI 316Ti chromium–nickel steel / J.T. Maximov, G.V. Duncheva, A.P. Anchev, N. Ganev, I.M. Amudjev, V.P. Dunchev // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2018. – Vol. 40, iss. 4. – Art. 194. – DOI: 10.1007/s40430-018-1135-3.

23. Упрочнение и повышение качества поверхности деталей из аустенитной нержавеющей стали алмазным выглаживанием на токарно-фрезерном центре / В.П. Кузнецов, А.В. Макаров, А.Л. Осинцева, А.С. Юровских, Р.А. Саврай, С.А. Роговая, А.Е. Киряков // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2011. – № 11 (83). – С. 16–26.

24. Influence of the process parameters on the surface roughness, micro-hardness, and residual stresses in slide burnishing of high-strength aluminum alloys / J.T. Maximov, A.P. Anchev, G.V. Duncheva, N. Ganev, K.F. Selimov // Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. – 2017. – Vol. 39. – P. 3067–3078. – DOI: 10.1007/s40430-016-0647-y.

25. Kuznetsov V.P., Tarasov S.Yu., Dmitriev A.I. Nanostructuring burnishing and subsurface shear instability // Journal of Materials Processing Technology. – 2015. – Vol. 217. – P. 327–335. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2014.11.023.

26. Электроимпульсное полирование на основе железа, хрома и никеля / Ю.В. Синькевич, В.К. Шелег, И.Н. Янковский, Г.Я. Беляев. – Минск: БНТУ, 2014. – 325 с. – ISBN 978-985-550-516-2.

27. Savrai R.A., Osintseva A.L. Effect of hardened surface layer obtained by frictional treatment on the contact endurance of the AISI 321 stainless steel under contact gigacycle fatigue tests // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 802. – Art. 140679. – DOI: 10.1016/j.msea.2020.140679.

28. Savrai R.A., Kolobylin Yu.M., Volkova E.G. Micromechanical characteristics of the surface layer of metastable austenitic steel after frictional treatment // Physics of Metals and Metallography. – 2021. – Vol. 122, iss. 8. – P. 800–806. – DOI: 10.1134/S0031918X21080123.

29. Владимиров В.И. Физическая природа разрушения материалов. – М.: Металлургия, 1984. – 280 с.

30. Смирнов С.В., Швейкин В.П. Пластичность и деформируемость углеродистых сталей при обработке давлением. – Екатеринбург: УрО РАН, 2009. – 255 с. – ISBN 973-5-7691-2081-7.

31. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов В.С. Основы расчетов на трение и износ. – М.: Машиностроение, 1977. – 526 с.

32. The effect of contact stresses on the phase composition, strength and tribological properties of nanocrystal structures formed in steels and alloys upon sliding friction / L.G. Korshunov, V.A.  Shabashov, N.L. Chernenko, V.P. Pilyugin // Metal Science and Heat Treatment. – 2008. – Vol. 50, iss. 11–12. – P. 583–592. – DOI: 10.1007/s11041-009-9103-2.

33. Jiang W.H., Pinkerton F.E., Atzmon M. Deformation-induced nanocrystallization: A comparison of two amorphous Al-based alloys // Journal of Materials Research. – 2005. – Vol. 20, iss. 3. – P. 696–702. – DOI: 10.1557/JMR.2005.0090.

34. 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.

35. 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 // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 458. – P. 253–261. – DOI: 10.1016/j.msea.2006.12.049.

36. Strength of ultrafine-grained corrosion-resistant steels after severe plastic deformation / O.V. Rybal’chenko, S.V. Dobatkin, L.M. Kaputkina, G.I. Raab, N.A. Krasilnikov // Materials Science and Engineering: A. – 2004. – Vol. 387–389. – P. 244–248. – DOI: 10.1016/j.msea.2004.03.097.

37. Fatigue life improvement through surface nanostructuring of stainless steel by means of surface mechanical attrition treatment / T. Roland, D. Retraint, K. Lu, J. Lu // Scripta Materialia. – 2006. – Vol. 54, iss. 11. – P. 1949–1954. – DOI: 10.1016/j.scriptamat.2006.01.049.

38. Enhanced mechanical behavior of a nanocrystallised stainless steel and its thermal stability / T. Roland, D. Retraint, K. Lu, J. Lu // Materials Science and Engineering: A. – 2007. – Vol. 445–446. – P. 281–288. – DOI: 10.1016/j.msea.2006.09.041.

39. Tribological aspects in nanostructuring burnishing of structural steels / V.P. Kuznetsov, A.V. Makarov, S.G. Psakhie, R.A. Savrai, I.Y. Malygina, N.A. Davydova // Physical Mesomechanics. – 2014. – Vol. 17 (4). – P. 250–264. – DOI: 10.1134/S102995991404002X.

40. Korshunov L.G. Structure transformations during friction and wear resistance of austenitic steels // Physics of Metals and Metallography. – 1992. – Vol. 74, iss. 2. – P. 150–162.

41. Heilmann P., Clark W.A., Rigney D.A. Orientation determination of subsur-face cells generated by sliding // Acta Metallurgica. – 1983. – Vol. 31, iss. 8. – P. 1293–1305.