ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Среди способов модификации поверхностей металлических изделий, позволяющих изменить физико-механические и геометрические свойства поверхностного слоя, наиболее распространены способы поверхностного пластического деформирования (ППД). Использование ультразвука для повышения эффективности деформационных процессов позволяет повысить микротвердость и снизить шероховатость по сравнению с обкатыванием и выглаживанием. Наибольшие технологические сложности вызывает ультразвуковое поверхностное пластическое деформирование криволинейных поверхностей, в том числе полученных аддитивными технологиями. Учитывая, что большинство способов ультразвукового ППД основано на продольном характере колебаний, для обеспечения равномерной обработки криволинейных поверхностей ось инструмента должна быть направлена под заданным углом к любому участку обрабатываемой поверхности. В связи с этим целью работы является изучение влияния угла наклона колебательной системы на поверхностные свойства стали 45 при ультразвуковом поверхностном пластическом деформировании. В работе исследованы образцы стали 45, обработанные ультразвуковым ППД с разными углами наклона колебательной системы: 90°, 75°, 60°, 45°. Методами исследования являлись металлографические исследования микроструктуры поверхностного слоя образцов, измерение их микротвердости и шероховатости, а также сравнительные испытания на износ. Результаты и обсуждение. Ультразвуковое поверхностное деформирование при любом из рассмотренных углов наклона инструмента α создает наклепанный слой – от 30 мкм при α = 45° до 350 мкм при α = 90°. При этом микротвердость повышается до 240 HV при α = 45°. При любом α также наблюдается значительное уменьшение шероховатости. Так, например, высотные параметры уменьшаются более чем в 8 раз. Лучшие результаты достигнуты при α = 60°. Результаты испытаний на износ показали, что износ по массе значительно уменьшается при ультразвуковой обработке. Наибольшее снижение износа (более чем в 2 раза) наблюдается при угле наклона α = 90°.

1. Radchenko V.P., Saushkin M.N., Bochkova T.I. A mathematical modeling and experimental study of forming and relaxation of the residual stresses in plane samples made of EP742 alloy after the ultrasonic hardening under the high-temperature creep conditions // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2016. – Vol. 1. – P. 93–112. – DOI: 10.15593/perm.mech/2016.1.07.

2. Крылова Н.А., Шуваев В.Г. Обеспечение надежности и качества поверхностей деталей ультразвуковым поверхностным пластическим деформированием // Надежность и качество. – 2018. – Т. 2. – С. 205–206. – EDN YAFGEH.

3. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении / под ред. О.В. Абрамова и В.М. Приходько. – М.: Янус-К, 2006. – 687 с. – ISBN 5-8037-0314-1. – EDN QNBJAF.

4. Impact of time on ultrasonic cavitation peening via detection of surface plastic deformation / F. Bai, K.-A. Saalbach, L. Wang, X. Wang, J. Twiefel // Ultrasonics. – 2018. – Vol. 84. – P. 350–355. – DOI: 10.1016/j.ultras.2017.12.001.

5. Effects of ultrasonic surface rolling on fretting wear behaviors of a novel 25CrNi2MoV steel / Y. Zhang, L. Huang, F. Lu, S. Qu, V. Ji, X. Hu, H. Liu // Materials Letters. – 2021. – Vol. 284 (2) – P. 128955. – DOI: 10.1016/j.matlet.2020.128955.

6. Microstructure and mechanical properties of additively manufactured CrMnFeCoNi high-entropy alloys after ultrasonic surface rolling process / Z. Cui, Y. Mi, D. Qiu, P. Dong, Z. Qin, D. Gong, W. Li // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 887. – P. 161393. – DOI: 10.1016/j.jallcom.2021.161393.

7. The influence of ultrasonic surface rolling on the fatigue and wear properties of 23-8N engine valve steel / F. Lai, S. Qu, R. Lewis, T. Slatter, W. Fu, X. Li // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 125. – P. 299–313. – DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2019.04.010.

8. Физика и техника мощного ультразвука. Кн. 3 / под ред. Л.Д. Розенберга. – М.: Наука, 1970. – 689 с.

9. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов / под ред. А.И. Манохина. – М.: Наука, 1986. – 277 с.

10. Справочник технолога / под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Инновационное машиностроение, 2019. – 800 с. – ISBN 978-5-907104-23-5. – EDN WNWHDF.

11. Effects of the different frequencies and loads of ultrasonic surface rolling on surface mechanical properties and fretting wear resistance of HIP Ti–6Al–4V alloy / G. Li, S.G. Qu, Y.X. Pan, X.Q. Li // Applied Surface Science. – 2016. – Vol. 389. – P. 324–334. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2016.07.120.

12. Effect of ultrasonic surface rolling at low temperatures on surface layer microstructure and properties of HIP Ti-6Al-4V alloy / G. Li, S. Qu, M.X. Xie, X. Li // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 316. – P. 75–84. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.01.099.

13. Effect of multi-pass ultrasonic surface rolling on the mechanical and fatigue properties of HIP Ti-6Al-4V alloy / G. Li, S. Qu, M. Xie, Z. Ren, X. Li // Materials. – 2017. – Vol. 10. – P. 133. DOI: 10.3390/ma10020133.

14. Experimental study on surface integrity of ultra-high-strength steel by ultrasonic hot rolling surface strengthening / X. Luan, W. Zhao, Z. Liang, S. Xiao, G. Liang, Y. Chen, S. Zou, X. Wang // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 392. – P. 125745. – DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.125745.

15. The effect of ultrasonic nanocrystal surface modification on low temperature nitriding of ultra-high strength steel / W. Zhao, D. Liu, H. Qin, X. Zhang, H. Zhang, R. Zhang, Z. Ren, C. Ma, A. Amanov, Y.-S. Pyun, G.L. Doll, Y. Dong, C. Ye // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 375. – P. 205–214. – DOI: 0.1016/j.surfcoat.2019.07.006.

16. Investigations on the nanocrystallization of 40Cr using ultrasonic surface rolling processing / W. Ting, W. Dongpo, L. Gang, G. Baoming, S. Ningxia // Applied Surface Science. – 2008. – Vol. 255 (5). – P. 1824–1829. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2008.06.034.

17. Ultrasonic surface rolling process: properties, characterization, and applications / M. John, A.M. Ralls, S.C. Dooley, A.K.V. Thazhathidathil, A.K. Perka, U.B. Kuruveri, P.L. Menezes // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11 (22). – P. 10986. – DOI: 10.3390/app112210986.

18. Применение ультразвука при сборочно-разборочных операциях / В.Ф. Казанцев, Б.А. Кудряшов, А.Н. Неверов, Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько. – М.: Техполиграфцентр, 2008. – 145 с. – ISBN 978-5-94385-040-0. – EDN QNCHIX.

19. Приходько В.М. Ультразвуковые технологии при производстве и ремонте автотракторной техники. – М.: Техполиграфцентр, 2000. – 252 с. – ISBN 5-900095-16-9.

20. Cao X.J., Pyoun Y.S., Murakami R. Fatigue properties of a S45C steel subjected to ultrasonic nanocrystal surface modification // Applied Surface Science. – 2010. – Vol. 256 (21). – P. 6297–6303. – DOI: 10.1016/j.apsusc.2010.04.007.

21. Муханов И.И., Голубев Ю.М. Упрочнение стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой // Вестник машиностроения. – 1966. – № 11. – С. 52–53.

22. Авторское свидетельство № 456704 A1 СССР, МПК B23P 1/18. Способ поверхностного упрочнения: № 1718835: заявл. 29.11.1971: опубл. 15.01.1975 / И.А. Стебельков; заявитель Предприятие П/Я Г-4561. – EDN DXTPEB.

23. Способы ультразвукового поверхностного пластического деформирования / Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, С.К. Сундуков, А.В. Сухов, Д.С. Фатюхин // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2022. – № 7 (133). – С. 33–39. – DOI: 10.30987/2223-4608-2022-1-7-33-39. – EDN EGTURS.

24. Development, characterization and test of an ultrasonic vibration-assisted ball burnishing tool / R. Jerez-Mesa, J.A. Travieso-Rodriguez, G. Gomez-Gras, J. Lluma-Fuentes // Journal of Materials Processing Technology. – 2018. – Vol. 257. – P. 203–212. – DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2018.02.036.

25. Influence of surface ultrasonic rolling on microstructure and corrosion property of T4003 ferritic stainless steel welded joint / P. Liu, R. Yu, X. Gao, G. Zhang // Metals. – 2020. – Vol. 10. – P. 1081. – DOI: 10.3390/met10081081.

26. 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. – P. 276. – DOI: 10.3390/coatings9040276.

27. Optimizing the parameters of ultrasonic surface plastic deformation by a free steel indenter / R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, S.K. Sundukov, A.V. Sukhov, D.S. Fatyukhin // Russian Engineering Research. – 2022. – Vol. 42 (11). – P. 1195–1198. DOI: 10.3103/S1068798X22110181.

28. Выбор и оптимизация режимов ультразвукового поверхностного деформирования / В.Ф. Казанцев, Ю.М. Лужнов, Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2016. – № 4 (47). – С. 26–32. – EDN XDBUGV.

29. Упрочнение поверхностного слоя деталей машин методами химико-термической обработки и ультразвуковыми технологиями / Л.Н. Бритвин, В.А. Германова, В.И. Карагодин, Р.И. Нигметзянов, Д.С. Фатюхин // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2017. – № 1 (48). – С. 63–67. – EDN YGTWIP.

30. Sequential treatment of steel surfaces by nitriding and ultrasonic hardening / S.K. Sundukov, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, D.S. Fatyukhin // Key Engineering Materials. – 2022. – Vol. 910. – P. 484–489. – DOI: 10.4028/p-vz1gn6. – EDN IZHMOF.

31. Hybrid technology for surface hardening of structural steel / O.V. Chudina, V.M. Prikhod'ko, D.S. Simonov, P. Bringulis // Russian Engineering Research. – 2022. – Vol. 42 (11). – P. 1192–1194. – DOI: 10.3103/s1068798x22110065. – EDN PWBBGV.

32. Effective combined surface hardening processes of structural steels using ultrasound / O. Chudina, D. Simonov, T. Simonova, A. Litovchenko // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 431. – P. 06024. – DOI: 10.1051/e3sconf/202343106024.

33. Salmi M., Huuki J., Ituarte I.F. The ultrasonic burnishing of cobalt-chrome and stainless steel surface made by additive manufacturing // Progress in Additive Manufacturing. – 2017. – Vol. 2. – P. 31–41. – DOI: 10.1007/s40964-017-0017-z.

34. Enhancement of the microstructure and fatigue crack growth performance of additive manufactured titanium alloy parts by laser-assisted ultrasonic vibration processing / S.A. Ojo, K. Manigandan, G.N. Morscher, A.L. Gyekenyesi // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – Vol. 33. – P. 10345–10359. – DOI: 10.1007/s11665-024-09323-8.

35. Surface properties of additively manufactured 316L steel subjected to ultrasonic rolling / Q. Xu, Z. Qiu, D. Jiang, G. Cai, X. Yang, J. Liu, G. Li // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – P. 1–10. – DOI: 10.1007/s11665-024-09173-4.

36. Effects of ultrasonic impact treatment on the stress-controlled fatigue performance of additively manufactured DMLS Ti-6Al-4V alloy / P. Walker, S. Malz, E. Trudel, S. Nosir, M.S.A. ElSayed, L. Kok // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9 (22). – P. 4787. – DOI: 10.3390/app9224787

37. Comprehensive estimation of changes in the microgeometry of steel 45 by ultrasonic plastic deformation with a free deforming element / D.S. Fatyukhin, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, A.V. Sukhov, S.K. Sundukov // Metals. – 2023. – Vol. 13 (1). – P. 114. – DOI: 10.3390/met13010114. – EDN VTASEF.

38. Машина трения универсальная МТУ-01. ТУ 32.99.53-001-78940767-2018. Руководство по эксплуатации. – ООО «Продвинутые технологии», 2023. – 18 с.