Технологічне забезпечення зносостійкості деталей машин методами хіміко-термічної та алмазно-абразивної обробок
Вантажиться...
Дата
2021
ORCID
DOI
Науковий ступінь
кандидат технічних наук
Рівень дисертації
кандидатська дисертація
Шифр та назва спеціальності
05.02.08 – технологія машинобудування
Рада захисту
Спеціалізована вчена рада Д 64.050.12
Установа захисту
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Науковий керівник
Степанов Михайло Сергійович
Члени комітету
Пермяков Олександр Анатолійович
Пижов Іван Миколайович
Зубкова Ніна Вікторівна
Пижов Іван Миколайович
Зубкова Ніна Вікторівна
Видавець
Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"
Анотація
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування. Об’єкт дослідження: технологічні процеси комплексного іонного
азотування та електро-ерозійного алмазного шліфування сталевих заготовок. Предмет дослідження: вплив параметрів технологічних процесів комплексного іонного азотування, алмазного шліфування (АШ) та електро-ерозійного алмазного шліфування на геометричні та фізико-механічні характеристики поверхневих шарів сталевих заготовок. Метою дослідження є підвищення зносостійкості деталей машин шляхом обробки комплексним іонним азотуванням (КІА) та зміцнюючим електро-ерозійним алмазним шліфуванням (ЕАШ). Для досягнення визначеної мети необхідно вирішити такі задачі:
1. Проаналізувати сучасні тенденції застосування зміцнюючих технологій обробки деталей машин й інструментів для визначення перспектив використання КІА та ЕАШ. 2. Провести моделювання дифузійного перерозподілу азоту в сталевих деталях при їх ізотермічному нагріві після операції іонного азотування в рамках комплексної технології та визначити залежність енергетичного впливу на
формування зміцнюючого шару для абразивного та електро-ерозійного алмазного шліфування. 3. Встановити вплив послідовності технологічних оперцій КІА на структуру та властивості поверхневих і приповерхневих шарів сталевих заготовок та проаналізувати можливість застосування КІА для деталей машин й інструментів різних за призначенням. 4. Вивчити вплив режимів ЕАШ на параметри якості ПШ сталевих заготовок, виявити особливості сформованих в результаті шліфування структури “білих шарів” (БШ) та визначити раціональні режимні параметри зміцнюючого ЕАШ ПШ деталей зі сталей, що відрізняються за хімічним складом. 5. Оцінити зносостійкість поверхні після ЕАШ в порівнянні з АШ і ЕАШ з включенням етапу виходження. 6. На основі отриманих результатів дати технологічні рекомендації та намітити шляхи їх впровадження у виробничу практику по застосуванню методів
КІА та ЕАШ для підвищення ресурсу деталей й інструментів. У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об’єкт, предмет і методи дослідження, наведено наукову новізну і практичне значення результатів дисертації, подано дані про апробацію роботи, публікації і
особистий внесок здобувача в ході виконання досліджень. У першому розділі виконано аналіз і дана класифікація сучасних обробно-зміцнюючих методів обробки сталевих деталей. Показано, що не існує
універсального методу зміцнення деталей, здатного посилити ту чи іншу експлуатаційну властивість. Проведений аналіз підтвердив положення про те, що конкретні умови єксплуатації деталей понукають застосування різніх зміцнюючих методів і технологій, а також соорієнтував сформулювати основні задачі дисертаційного дослідження. У другому розділі сформульовано теоретичні передумови технологій зміцнення КІА та ЕАШ. Запропоновано оцінювати можливість формування зміцненого шару, що отримується при виконанні технологічного процесу з урахуванням енергетичного впливу на заготовку, для цього виконано аналіз технологічного маршруту обробки шпинделя зубошліфувального верстату з побудовою діаграм температурного і силового впливу з урахуванням тимчасового чинника.
У результаті моделювання процесу дифузії азоту в деталях з легованої сталі, отримали значення глибини проникнення азоту в ПШ, з урахуванням часу витримки заготовки в печі при температурі гартування. Отримані формули енергетичного коефіцієнту, який обумовлює виникнення БШ при ЕАШ і
абразивному шліфуванні. З урахуванням енергетичного коефіцієнту, отримано формулу для визначення глибини зміцненого шару, ця залежність враховує температурний, силовий і тимчасовий фактори в зоні різання. Запропоновано після зміцненого шліфування при виникненні тріщин
проводити остаточну обробку за проходами з урахуванням глибини тріщин, які утворилися після кожного проходу; визначено загальний припуск на обробку; для усунення дефектів, що виникають після ЕАШ, отримана залежність, яка дає можливість визначити тривалість виходження в залежності від розмірів дефекта (глибини лунки), що утворюється після ЕАШ. Третій розділ присвячений методиці експериментальних досліджень впливу технологий КІА та ЕАШ на структуру і властивості поверхонь сталевих заготовок. Було приведено параметри, зміст, послідовність технологічних операцій комплексного іонного азотування та режими електро-ерозійного алмазного шліфування. Наведено методики для вивчення мікро- і макроструктури, мікротвердості, залишкових макро- и мікронапруг,
характеристик субструктури, фазового аналізу, шорсткості, зносу. У четвертому розділі наведено результати експериментальних досліджень фізичних процесів, що відбуваються в ПШ металу при КІА та ЕАШ. Вивчено вплив послідовності технологічних операцій технології КІА на мікроструктуру,
мікротвердість і фазовий склад сталевих заготовок. Вивчено вплив режимів АШ та ЕАШ на параметри якості поверхневого шару сталевих заготовок. У п'ятому розділі дано практичні рекомендації щодо застосування технологій КІА та ЕАШ. Запропоновано використання КІА за одинарним і подвійним циклом для забезпечення експлуатаційних властивостей (зносостійкості) виробів в залежності від їх розмірів. Проаналізовано технологічні особливості ЕАШ як комбінованого обробно-зміцнюючого методу. Визначено область практичного застосування деталей, оброблених методом ЕАШ. Призначено схему для вибору технологічних параметрів обробно-зміцнюючої технології ЕАШ. Приведено дані, що стосуються економічного обґрунтування та виробничого впровадження.
Відповідно до поставленої мети та задач у дисертаційній роботі вирішена важлива науково-практична задача: підвищення зносостійкості деталей машин шляхом обробки комплексним іонним азотуванням (КІА) та зміцнюючим електро-ерозійним алмазним шліфуванням (ЕАШ), що знайшло відображення у
наступних основних наукових результатах: 1. У результаті аналізу сучасних тенденцій застосування зміцнюючих технологій встановлено, що КІА та ЕАШ можуть бути використані як перспективні зміцнюючі методи для підвищення ресурсу деталей, що працюють в умовах ударних навантажень і зносу. 2. У результаті моделювання дифузійного перерозподілу азоту встановлено, що при будь-якому часі витримки у приповерхневих шарах глибиною до 25 % від досягнутої товщини дифузійного насичення спостерігається не менш півтора кратне перевищення вмісту азоту в порівнянні з його значеннями в ПШ. При невеликому часі витримки під гартування маємо небажаний ефект, який повинен ураховуватися фінішною механічною обробкою. За даними моделювання, для дифузії азоту на глибину до 750 мкм потрібно майже часове витримування при температурі гартування. Визначена функціональна залежність енергетичного впливу (енергетичного коефіцієнту), який обумовлює виникнення БШ при електро-ерозійному алмазному і абразивному шліфуванні з урахуванням технологічних параметрів обробки та властивостей матеріалу. 3. Технологічний процес КІА з послідовностю технологічних операцій: азотування з наступною нормалізацією та азотуванням, наступного гартування з низьким відпуском – показали майже однаковий результат за рівнем зміцнення на деталях малих діаметрів (пуансонів d = 2 мм). При збільшенні діаметру деталей до
4 мм різниця рівня зміцнення між нормалізацією і гартуванням з відпуском після іонного азотування значно зросла. Наявність у мікроструктурі ПШ заготовок зі сталі 9ХС після комплексного іонного азотування зі застосуванням гартування та відпуску γ–фази, разом зі значеннями твердості, свідчить про глибинне азотування з досить високою концентрацією азоту – до 1%, що є достатнім для
високих експлуатаційних властивостей пуансонів, а саме: високу ударну в’язкість при достатньо високій твердості. Встановлено, що найбільший ефект від застосування КІА спостерігається
для деталей, які працюють в умовах ударних навантажень (пуансонів). 4. Досліджено режими процесу ЕАШ, що можна використовувати для зміцнення ПШ. Встановлено умови, коли на поверхні заготовки утворюється структура БШ, що являє собою безструктурний мартенсит (гарденіт). ЕАШ забезпечує стабільність формування зміцненого зносостійкого шару; при цьому: твердість ПШ заготівок зі сталі У7 зростає до 47% щодо твердості серцевини. Твердість і глибина БШ залежить від вмісту вуглецю в сталях: чим більше вміст вуглецю, тим твердіше шари утворюються. Вміст вуглецю, близький до
евтеїдного складу, (0,65-0,8 %), є оптимальним для ЕАШ-обробки. Доведено, що режим ЕАШ №1 (Vкр = 35 м/с; Sпр = 1600 мм/хв; t = 0,07 мм; Vз =10 м/хв; z = 0,2-0,5 мм; U = 36 В; I = 80-100 А) забезпечує стискаючі залишкові напруги після ЕАШ і його можна рекомендувати як обробно-зміцнюючу
технологію для заготівок із доевтектоїдних і евтектоїдних сталей. Для заготовок із заевтектоїдних сталей, що містять більше 1% вуглецю, рекомендовано режим ЕАШ №2 (Vкр = 35 м/с; Sпр = 1300 мм/хв; t = 0,035 мм; Vз =20 м/хв; z = 0,2-0,5 мм; U = 36 В; I = 20-40 А), що забезпечує стискаючі напруги і високий рівень зміцнення. Оцінено розміри областей когерентного розсіювання (ОКР) L і рівень
мікродеформації ε. Встановлено, що ЕАШ за всіма дослідженими режимами зменшує розміри ОКР, в порівнянні з вихідним станом, після гартування і низького відпуску, і встановлено, що структура стає більш дисперсною. ЕАШ №1 (Vкр = 35 м/с; Sпр = 1600 мм/хв; t = 0,07 мм; Vз =10 м/хв; z = 0,2-0,5 мм; U = 36 В; I = 80-100 А) забезпечує найменший розмір ОКР і найбільший рівень мікродеформації. На підставі порівняння ступеня зміцнення різних вихідних структур заготовок зі сталей У7 і 40Х для ефективного ЕАШ-зміцнення рекомендується застосовувати наступні вихідні структури: для заготовок з середньовуглецевих і високовуглецевих доевтектоїдних сталей: мартенсит відпуску, тростит відпуску і
сорбіт відпуску. Для заготовок зі сталей, близьких до евтектоїдних за будовою (У7, У8, 65Г та ін.), рекомендуються вихідні структури: мартенсит відпуску, тростит відпуску, сорбіт відпуску, структури після відпалу (нормалізації). 5. Оцінка зносостійкості поверхні після ЕАШ у порівнянні з алмазним
шліфуванням показала, що включення в цикл обробки ЕАШ етапу виходження, значно покращує показники шорсткості (на 40%), отже, і зносостійкості. Виходження рекомендовано проводити з урахуванням глибини зміцненого БШ. Припуск на виходження – 20-30 мкм. Отримано залежності значення знімання при виходженні від глибини ерозійної лунки. 6. На основі отриманих результатів пропоновано технологічні рекомендації для підвищення ресурсу деталей та інструментів в технології КІА, що базуються у необхідності враховувати розміри деталей. Для деталей з розміром поперечного
перерізу більше ніж 2 мм рекомендовано КІА з гартуванням і низьким відпуском після азотування. Для пуансонів з розміром поперечного перерізу більше ніж 5 мм для забезпечення високих експлуатаційних властивостей (зносостійкості, ударної в’язкості) рекомендовано технологію КІА за подвійним циклом.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в підтвердженні можливості створення оптимальних технологічних умов зміцнення поверхні деталей і інструментів на етапах технологічного процесу обробки комплексним іонним азотуванням за рахунок глибинного легування азотом та електро-
ерозійним алмазним шліфуванням за рахунок формування безструктурного мартенситу ‒ гарденіту. При цьому вперше: ‒ для шліфування отримані залежності, які визначають характер енергетичного впливу, що сприяє утворенню зміцненого БШ, і враховують деформаційний фактор в зоні різання;
‒ запропоновано раціональну структуру технологічного процесу КІА, що забезпечує зміцнення деталей й інструментів, які працюють в умовах зносу і ударних навантажень, що дає змогу збільшити ресурс деталей; ‒ визначено вплив вихідного структурного стану, концентрації вуглецю і його розподіл по глибині БШ при зміцнюючому ЕАШ на мікротвердість, ступінь зміцнення, характеристики субструктури і розміри поверхневих ерозійних дефектів, що дало змогу керувати процесом зміцнення ПШ деталей;
отримав подальший розвиток: – аналіз закономірностей формування структури ПШ, факторів її стабільності і визначаючих виникаючого після КІА дефектного шару, який усувається методами механічної обробки. Практичне значення отриманих результатів: експеріментально вивчено
вплив послідовності технологічних операцій КІА на морфологію структури і рівні твердості сталевих виробів, що стало основою запропонованого технологічного процесу з визначеними в дослідженні режимами і припусками. Отримано патент на корисну модель «Спосіб хіміко-термічної обробки сталевих виробів» (№ 117008 Україна, МПКС23С 14/32, С21D 1/06). Експериментально доведено
можливість використання методу ЕАШ для забезпечення високої твердості і зносостійкості ПШ з одночасним формуванням в деталях необхідної геометричної форми, розмірів і шорсткості. Розроблено практичні рекомендації щодо оптимізації структури в процесі ЕАШ для доевтектоїдних і заевтектоідних сталей. Розроблено технологічну схему зміцнення для прогнозування характеристик БШ (твердості, глибини) для сталей, що відрізняються вмістом вуглецю шляхом варіювання параметрами ЕАШ. Рекомендовано оптимальна область застосування методу електро-ерозійного алмазного зміцнення: для прецизійних деталей, що працюють на тертя при відсутності динамічних навантажень.
Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences in speciality 05.02.08 Manufacturing engineering. Object of research: technological processes of complex ionic nitriding and electro-erosion diamond grinding of steel blanks. Subject of research: the influence of the parameters of technological processes complex ionic nitriding, diamond grinding and electro-erosion diamond grinding on the geometric and physicomechanical characteristics of the surface layers of steel blanks. The aim of the study is to increase the wear resistance of machine parts by processing by complex ionic nitriding (CIN) and strengthening electro-erosion diamond grinding (EDG). To achieve this goal, it is necessary to solve the following tasks: 1. Analyze current trends in the use of strengthening technologies for processing machine parts and tools to determine the prospects for using CIN and EDG. 2. Simulate the diffusion redistribution of nitrogen in steel parts during isothermal heating after the operation of ion nitriding within the framework of a complex technology and determine the dependence of the energy effect on the formation of a hardened layer for abrasive and electro-erosion diamond grinding. 3. To establish the influence of the sequence of CIN technological operations on the structure and properties of the surface and near-surface layers of steel billets and to analyze the possibility of using CIN for machine parts and tools of various purposes. 4. To study the influence of the EDG modes on the quality parameters of the surface layer of steel workpieces, to reveal the features of the "white layers" structure formed as a result of grinding and to determine the rational operating parameters of the strengthening EDG of the surface layer of parts made of steels that differ in chemical composition. 5. Evaluate the wear resistance of the surface after EDG in comparison with diamond grinding (DG) and EDG with the inclusion of the stage of aging. 6. On the basis of the results obtained, give technological recommendations and outline the ways of their introduction into industrial practice for the application of CIN and EDG methods to increase the resource of parts and tools. The introduction substantiates the relevance of the topic, formulates the goal, objectives, object, subject and methods of research, provides the scientific novelty and practical significance of the dissertation results, presents data on the approbation of the work, publications and the personal contribution of the applicant in the course of research. The first chapter analyzes and gives a classification of modern finishing and hardening methods of processing steel parts. It is shown that there is no universal method of parts hardening capable of enhancing one or another operational property. The analysis confirmed the position that the specific operating conditions of the parts induce the use of different strengthening methods and technologies, and made it possible to formulate the goal and main objectives of the dissertation research. In the second chapter, the theoretical prerequisites for strengthening technologies CIN and EDG are formulated. It is proposed to evaluate the possibility of forming a hardened layer obtained during the execution of the technological process, taking into account the energy effect on the workpiece; for this, an analysis of the technological route of processing the spindle of a gear grinding machine is carried out with the construction of diagrams of the temperature and force effects taking into account the time factor. As a result of modeling the process of nitrogen diffusion in alloy steel parts, the value of the penetration depth of nitrogen into the surface layer was obtained, taking into account the holding time of the workpiece in the furnace at the hardening temperature. The formulas of the energy coefficient are obtained, which determines the appearance of "white layers" (WL) during EDG and abrasive grinding. Taking into account the energy coefficient, a formula was obtained to determine the depth of the hardened layer; this dependence considers the temperature, power and time factors in the cutting zone. It is proposed, after hardened grinding, when cracks occur, to carry out final processing with passes taking into account the depth of cracks formed after each pass; the total machining allowance has been determined; To eliminate defects arising after the EDG, a dependence was obtained, which makes it possible to determine the duration of nursing depending on the size of the defect (the depth of the hole) formed after the EDG. The third chapter is devoted to the methodology of experimental studies of the influence of the CIN and EDG technologies on the structure and properties of the surfaces of steel blanks. The parameters, content, sequence of technological operations of the CIN and EDG modes were given. Methods for studying the micro- and macrostructure, microhardness, residual macro- and microstresses, characteristics of the substructure, phase analysis, roughness, wear are presented. The fourth chapter presents the results of experimental studies of the physical processes occurring in the surface layers of the metal during CIN and EDG. The influence of the sequence of technological operations of the CIN technology on the microstructure, microhardness and phase composition of steel billets has been studied. The influence of the DG and EDG modes on the quality parameters of the surface layer of steel billets has been studied. In the fifth chapter, practical recommendations are given on the use of CIN and EDG technologies. The use of CIN for single and double cycles is proposed to ensure the operational properties (wear resistance) of products, depending on their dimensions. The technological features of EDG as a combined finishing and hardening method are analyzed. The area of practical application of parts processed by the EDG method is determined. A scheme for the selection of technological parameters of the finishing and hardening technology EDG has been assigned. Provides data related to the business case and production application. According to the set goal and objectives, an important scientific and practical task was solved in the dissertation work: increasing the wear resistance of machine parts by processing by complex ion nitriding (CIN) and hardening electro-erosion diamond grinding (EDG), which is reflected in the following main scientific results: 1. As a result of the analysis of modern trends in the use of hardening technologies, it was found that CIN and EDG can be used as promising hardening methods to increase the resource of parts operating under shock loads and wear. 2. As a result of modeling the diffusion redistribution of nitrogen, it was found that for any holding time in the near-surface layers with a depth of up to 25% of the achieved thickness of diffusion saturation, at least one and a half times excess of the nitrogen content is observed in comparison with its values in the surface layer. With a short holding time for hardening, we have an undesirable effect that must be taken into account by finishing machining. According to the simulation data, for the diffusion of nitrogen to a depth of 750 microns at the hardening temperature, exposure is required for almost an hour. The functional dependence of the energy impact (energy coefficient), which causes the appearance of a white layer during EDG and abrasive grinding, taking into account the technological processing parameters and material properties, has been determined. 3. The technological process of CIN with a sequence of technological operations: nitriding followed by normalization and nitriding followed by quenching and low tempering – showed almost the same result in terms of the level of hardening on parts of small diameters (punches d = 2 mm). With an increase in the diameter of the parts to 4 mm, the difference in the level of hardening between normalization and quenching with tempering after ion nitriding increased significantly. The presence in the microstructure of the surface layer of blanks made of 9ХС steel after CIN using quenching and tempering of the γ-phase, together with the hardness values, indicates deep nitriding with a high nitrogen concentration – up to 1%, which ensures high operational properties of punches, namely: high toughness at a sufficiently high hardness. It was found that the greatest effect from the use of CIN is observed for parts operating under shock loads (punches). 4. The modes of the process of EDG have been investigated, which can be used to harden the surface layer. The conditions have been established when the structure of a WL, which is a structureless martensite (gardenite), is formed on the surface of the workpiece. EDG ensures the stability of the formation of a hardened wear-resistant layer; at the same time: the hardness of the surface layer of workpieces made of У7 steel increases to 47% in comparison with the hardness of the core. The hardness and depth of the WL depends on the carbon content in steels: the higher the carbon content, the harder the layers are formed. The carbon content close to the eutectoid composition (0.65-0.8%) is optimal for EDG treatment. It is proved that the EDG mode № 1 (Vgr.wh. = 35 m/s; Sl.f. = 1600 mm/min; t = 0.07 mm; Vw = 10 m/min; z = 0.2-0.5 mm; U = 36 V; I = 80-100 A) provides compressive residual stresses after EDG and it can be recommended as a finishing and hardening technology for workpieces made of hypoeutectoid and eutectoid steels. For workpieces made of hypereutectoid steels containing more than 1% carbon, the EDG mode № 2 is recommended (Vgr.wh. = 35 m/s; Sl.f. = 1300 mm/min; t = 0.035 mm; Vw = 20 m/min; z = 0.2-0.5 mm; U = 36 V; I = 20-40 A), which provides compressive stresses and a high level of hardening. The sizes of the coherent scattering regions (CSR) L and the level of microstrain ε are estimated. It was found that the EDG in all studied modes reduces the size of the CSR, in comparison with the initial state, after quenching and low tempering, and it was found that a more dispersed structure is formed. EDG mode № 1 (Vgr.wh. = 35 m/s; Sl.f. = 1600 mm/min; t = 0.07 mm; Vw = 10 m/min; z = 0.2-0.5 mm; U = 36 V; I = 80-100 A) provides the smallest CSR size and the greatest level of microstrain. Based on a comparison of the degree of hardening of various initial structures of billets made of У7 and 40Х steels, it is recommended to use the following initial structures for effective EDG-hardening: for billets from medium-carbon and highcarbon hypoeutectoid steels: tempering martensite, tempering trostite and tempering sorbitol. For blanks made of steels close in structure to eutectoid (У7, У8, 65Г, etc.), the initial structures are recommended: tempering martensite, tempering reeds, tempering sorbite, structures after annealing (normalization). 5. Evaluation of the wear resistance of the surface after the EDG in comparison with diamond grinding showed that the inclusion of the aging stage in the EDG processing cycle significantly improves the roughness (by 40%), and hence the wear resistance. Nursing is recommended to be carried out taking into account the depth of the hardened white layer. The allowance for nursing is 20-30 microns. The dependences of the removal value during nursing on the depth of the erosion hole were obtained. 6. On the basis of the results obtained, technological recommendations are proposed for increasing the resource of parts and tools in the technology of CIN, based on the need to take into account the dimensions of the parts. For parts with a crosssectional size of more than 2 mm, CIN with hardening and low tempering after nitriding is recommended. For punches with a cross-sectional size of more than 5 mm, to ensure high performance properties (wear resistance, impact toughness), a double-cycle CIN technology is recommended. The scientific novelty of the results obtained consists in confirming the possibility of creating optimal technological conditions for hardening the surface of parts and tools at the stages of the technological process of processing by CIN due to deep alloying with nitrogen and EDG due to the formation of structureless martensite – gardenite. In this case, for the first time: – for grinding, dependencies were obtained that determine the nature of the energy impact that promotes the formation of a hardened WL, and which take into account the deformation factor in the cutting zone; – a rational structure of the technological process of CIN has been proposed, which ensures the strengthening of parts and tools operating under wear and shock loads, which makes it possible to increase the resource of parts; – the influence of the initial structural state, carbon concentration and its distribution over the depth of the white layer with the strengthening EDG on the microhardness, the degree of hardening, the characteristics of the substructure and the size of surface erosion defects was determined, which made it possible to control the hardening process of the surface layer of parts; was further developed: – analysis of the regularities of the formation of the structure of surface layers, the factors of its stability and determining the appearance of a defect layer after CIN, which is eliminated by the methods of mechanical treatment. The practical significance of the results obtained: the influence of the sequence of technological operations of CIN on the morphology of the structure and the level of hardness of steel products was experimentally studied, which became the basis of the proposed technological process with the modes and allowances defined in the study. A patent for a useful model “Method for chemical-thermal treatment of steel products” was received (No. 117008 Ukraine, MPKS23S 14/32, C21D 1/06). The possibility of using the EDG method to ensure high hardness and wear resistance of the surface layer with the simultaneous formation of the required geometric shape, dimensions and roughness in the details has been experimentally proved. Practical recommendations have been developed for optimizing the structure in the EDG process for hypoeutectoid and hypereutectoid steels. A technological hardening scheme has been developed to predict the characteristics of the WL (hardness, depth) for steels differing in carbon content by varying the EDG parameters. Recommended optimal area of application of the method of electro-erosion diamond hardening: for precision parts operating in friction in the absence of dynamic loads.
Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences in speciality 05.02.08 Manufacturing engineering. Object of research: technological processes of complex ionic nitriding and electro-erosion diamond grinding of steel blanks. Subject of research: the influence of the parameters of technological processes complex ionic nitriding, diamond grinding and electro-erosion diamond grinding on the geometric and physicomechanical characteristics of the surface layers of steel blanks. The aim of the study is to increase the wear resistance of machine parts by processing by complex ionic nitriding (CIN) and strengthening electro-erosion diamond grinding (EDG). To achieve this goal, it is necessary to solve the following tasks: 1. Analyze current trends in the use of strengthening technologies for processing machine parts and tools to determine the prospects for using CIN and EDG. 2. Simulate the diffusion redistribution of nitrogen in steel parts during isothermal heating after the operation of ion nitriding within the framework of a complex technology and determine the dependence of the energy effect on the formation of a hardened layer for abrasive and electro-erosion diamond grinding. 3. To establish the influence of the sequence of CIN technological operations on the structure and properties of the surface and near-surface layers of steel billets and to analyze the possibility of using CIN for machine parts and tools of various purposes. 4. To study the influence of the EDG modes on the quality parameters of the surface layer of steel workpieces, to reveal the features of the "white layers" structure formed as a result of grinding and to determine the rational operating parameters of the strengthening EDG of the surface layer of parts made of steels that differ in chemical composition. 5. Evaluate the wear resistance of the surface after EDG in comparison with diamond grinding (DG) and EDG with the inclusion of the stage of aging. 6. On the basis of the results obtained, give technological recommendations and outline the ways of their introduction into industrial practice for the application of CIN and EDG methods to increase the resource of parts and tools. The introduction substantiates the relevance of the topic, formulates the goal, objectives, object, subject and methods of research, provides the scientific novelty and practical significance of the dissertation results, presents data on the approbation of the work, publications and the personal contribution of the applicant in the course of research. The first chapter analyzes and gives a classification of modern finishing and hardening methods of processing steel parts. It is shown that there is no universal method of parts hardening capable of enhancing one or another operational property. The analysis confirmed the position that the specific operating conditions of the parts induce the use of different strengthening methods and technologies, and made it possible to formulate the goal and main objectives of the dissertation research. In the second chapter, the theoretical prerequisites for strengthening technologies CIN and EDG are formulated. It is proposed to evaluate the possibility of forming a hardened layer obtained during the execution of the technological process, taking into account the energy effect on the workpiece; for this, an analysis of the technological route of processing the spindle of a gear grinding machine is carried out with the construction of diagrams of the temperature and force effects taking into account the time factor. As a result of modeling the process of nitrogen diffusion in alloy steel parts, the value of the penetration depth of nitrogen into the surface layer was obtained, taking into account the holding time of the workpiece in the furnace at the hardening temperature. The formulas of the energy coefficient are obtained, which determines the appearance of "white layers" (WL) during EDG and abrasive grinding. Taking into account the energy coefficient, a formula was obtained to determine the depth of the hardened layer; this dependence considers the temperature, power and time factors in the cutting zone. It is proposed, after hardened grinding, when cracks occur, to carry out final processing with passes taking into account the depth of cracks formed after each pass; the total machining allowance has been determined; To eliminate defects arising after the EDG, a dependence was obtained, which makes it possible to determine the duration of nursing depending on the size of the defect (the depth of the hole) formed after the EDG. The third chapter is devoted to the methodology of experimental studies of the influence of the CIN and EDG technologies on the structure and properties of the surfaces of steel blanks. The parameters, content, sequence of technological operations of the CIN and EDG modes were given. Methods for studying the micro- and macrostructure, microhardness, residual macro- and microstresses, characteristics of the substructure, phase analysis, roughness, wear are presented. The fourth chapter presents the results of experimental studies of the physical processes occurring in the surface layers of the metal during CIN and EDG. The influence of the sequence of technological operations of the CIN technology on the microstructure, microhardness and phase composition of steel billets has been studied. The influence of the DG and EDG modes on the quality parameters of the surface layer of steel billets has been studied. In the fifth chapter, practical recommendations are given on the use of CIN and EDG technologies. The use of CIN for single and double cycles is proposed to ensure the operational properties (wear resistance) of products, depending on their dimensions. The technological features of EDG as a combined finishing and hardening method are analyzed. The area of practical application of parts processed by the EDG method is determined. A scheme for the selection of technological parameters of the finishing and hardening technology EDG has been assigned. Provides data related to the business case and production application. According to the set goal and objectives, an important scientific and practical task was solved in the dissertation work: increasing the wear resistance of machine parts by processing by complex ion nitriding (CIN) and hardening electro-erosion diamond grinding (EDG), which is reflected in the following main scientific results: 1. As a result of the analysis of modern trends in the use of hardening technologies, it was found that CIN and EDG can be used as promising hardening methods to increase the resource of parts operating under shock loads and wear. 2. As a result of modeling the diffusion redistribution of nitrogen, it was found that for any holding time in the near-surface layers with a depth of up to 25% of the achieved thickness of diffusion saturation, at least one and a half times excess of the nitrogen content is observed in comparison with its values in the surface layer. With a short holding time for hardening, we have an undesirable effect that must be taken into account by finishing machining. According to the simulation data, for the diffusion of nitrogen to a depth of 750 microns at the hardening temperature, exposure is required for almost an hour. The functional dependence of the energy impact (energy coefficient), which causes the appearance of a white layer during EDG and abrasive grinding, taking into account the technological processing parameters and material properties, has been determined. 3. The technological process of CIN with a sequence of technological operations: nitriding followed by normalization and nitriding followed by quenching and low tempering – showed almost the same result in terms of the level of hardening on parts of small diameters (punches d = 2 mm). With an increase in the diameter of the parts to 4 mm, the difference in the level of hardening between normalization and quenching with tempering after ion nitriding increased significantly. The presence in the microstructure of the surface layer of blanks made of 9ХС steel after CIN using quenching and tempering of the γ-phase, together with the hardness values, indicates deep nitriding with a high nitrogen concentration – up to 1%, which ensures high operational properties of punches, namely: high toughness at a sufficiently high hardness. It was found that the greatest effect from the use of CIN is observed for parts operating under shock loads (punches). 4. The modes of the process of EDG have been investigated, which can be used to harden the surface layer. The conditions have been established when the structure of a WL, which is a structureless martensite (gardenite), is formed on the surface of the workpiece. EDG ensures the stability of the formation of a hardened wear-resistant layer; at the same time: the hardness of the surface layer of workpieces made of У7 steel increases to 47% in comparison with the hardness of the core. The hardness and depth of the WL depends on the carbon content in steels: the higher the carbon content, the harder the layers are formed. The carbon content close to the eutectoid composition (0.65-0.8%) is optimal for EDG treatment. It is proved that the EDG mode № 1 (Vgr.wh. = 35 m/s; Sl.f. = 1600 mm/min; t = 0.07 mm; Vw = 10 m/min; z = 0.2-0.5 mm; U = 36 V; I = 80-100 A) provides compressive residual stresses after EDG and it can be recommended as a finishing and hardening technology for workpieces made of hypoeutectoid and eutectoid steels. For workpieces made of hypereutectoid steels containing more than 1% carbon, the EDG mode № 2 is recommended (Vgr.wh. = 35 m/s; Sl.f. = 1300 mm/min; t = 0.035 mm; Vw = 20 m/min; z = 0.2-0.5 mm; U = 36 V; I = 20-40 A), which provides compressive stresses and a high level of hardening. The sizes of the coherent scattering regions (CSR) L and the level of microstrain ε are estimated. It was found that the EDG in all studied modes reduces the size of the CSR, in comparison with the initial state, after quenching and low tempering, and it was found that a more dispersed structure is formed. EDG mode № 1 (Vgr.wh. = 35 m/s; Sl.f. = 1600 mm/min; t = 0.07 mm; Vw = 10 m/min; z = 0.2-0.5 mm; U = 36 V; I = 80-100 A) provides the smallest CSR size and the greatest level of microstrain. Based on a comparison of the degree of hardening of various initial structures of billets made of У7 and 40Х steels, it is recommended to use the following initial structures for effective EDG-hardening: for billets from medium-carbon and highcarbon hypoeutectoid steels: tempering martensite, tempering trostite and tempering sorbitol. For blanks made of steels close in structure to eutectoid (У7, У8, 65Г, etc.), the initial structures are recommended: tempering martensite, tempering reeds, tempering sorbite, structures after annealing (normalization). 5. Evaluation of the wear resistance of the surface after the EDG in comparison with diamond grinding showed that the inclusion of the aging stage in the EDG processing cycle significantly improves the roughness (by 40%), and hence the wear resistance. Nursing is recommended to be carried out taking into account the depth of the hardened white layer. The allowance for nursing is 20-30 microns. The dependences of the removal value during nursing on the depth of the erosion hole were obtained. 6. On the basis of the results obtained, technological recommendations are proposed for increasing the resource of parts and tools in the technology of CIN, based on the need to take into account the dimensions of the parts. For parts with a crosssectional size of more than 2 mm, CIN with hardening and low tempering after nitriding is recommended. For punches with a cross-sectional size of more than 5 mm, to ensure high performance properties (wear resistance, impact toughness), a double-cycle CIN technology is recommended. The scientific novelty of the results obtained consists in confirming the possibility of creating optimal technological conditions for hardening the surface of parts and tools at the stages of the technological process of processing by CIN due to deep alloying with nitrogen and EDG due to the formation of structureless martensite – gardenite. In this case, for the first time: – for grinding, dependencies were obtained that determine the nature of the energy impact that promotes the formation of a hardened WL, and which take into account the deformation factor in the cutting zone; – a rational structure of the technological process of CIN has been proposed, which ensures the strengthening of parts and tools operating under wear and shock loads, which makes it possible to increase the resource of parts; – the influence of the initial structural state, carbon concentration and its distribution over the depth of the white layer with the strengthening EDG on the microhardness, the degree of hardening, the characteristics of the substructure and the size of surface erosion defects was determined, which made it possible to control the hardening process of the surface layer of parts; was further developed: – analysis of the regularities of the formation of the structure of surface layers, the factors of its stability and determining the appearance of a defect layer after CIN, which is eliminated by the methods of mechanical treatment. The practical significance of the results obtained: the influence of the sequence of technological operations of CIN on the morphology of the structure and the level of hardness of steel products was experimentally studied, which became the basis of the proposed technological process with the modes and allowances defined in the study. A patent for a useful model “Method for chemical-thermal treatment of steel products” was received (No. 117008 Ukraine, MPKS23S 14/32, C21D 1/06). The possibility of using the EDG method to ensure high hardness and wear resistance of the surface layer with the simultaneous formation of the required geometric shape, dimensions and roughness in the details has been experimentally proved. Practical recommendations have been developed for optimizing the structure in the EDG process for hypoeutectoid and hypereutectoid steels. A technological hardening scheme has been developed to predict the characteristics of the WL (hardness, depth) for steels differing in carbon content by varying the EDG parameters. Recommended optimal area of application of the method of electro-erosion diamond hardening: for precision parts operating in friction in the absence of dynamic loads.
Опис
Ключові слова
дисертація, технологія комплексного іонного азотування, технологія електро-ерозійного алмазного шліфування, параметри якості поверхні, параметри точності, припуск, структура, шорсткість, зміцнення, зносостійкість, technology of complex ion nitriding, technology of electro-erosion diamond grinding, surface quality parameters, accuracy parameters, allowance, structure, roughness, hardening, wear resistance
Бібліографічний опис
Шевченко С. М. Технологічне забезпечення зносостійкості деталей машин методами хіміко-термічної та алмазно-абразивної обробок [Електронний ресурс] : дис. ... канд. техн. наук : спец. 05.02.08 / Світлана Михайлівна Шевченко ; наук. керівники: Соболь О. В., Степанов М. С. ; Нац. техн. ун-т "Харків. політехн. ін-т". – Харків, 2021. – 260 с. – Бібліогр.: с. 206-235. – укр.