Технологічне забезпечення експлуатаційних властивостей деталей машин із застосуванням комбінованих методів локального зміцнення поверхонь

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 05.02.08 – технологія машинобудування (13 – механічна інженерія). – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", Харків, 2019. Дисертацію присвячено вирішенню науково-практичної задачі поверхневого локального зміцнення деталей для значного підвищення довговічності виробів в цілому. Метою дисертаційної роботи є дослідження і створення технологічного забезпечення експлуатаційних властивостей деталей машин із застосуванням комбінованих методів локального зміцнення. Як об'єкт дослідження було обрано технологічні процеси формування локальних зміцнених поверхневих шарів деталей машин з вуглецевих і легованих сталей. Предметом цього дослідження стали закономірності утворення зміцнених шарів, технології ефективної комбінованої лазерної та хіміко-термічної обробки. Для комплексного вирішення завдань у межах цієї роботи було використано системний підхід та раціональне поєднання теоретичних і експериментальних досліджень, узагальнення та аналізу відомих наукових результатів. Експериментальні дослідження реалізовані з використанням установки YAG-Лазер "DY044" виробництва фірми "ROFІN-SІNAR". Лазерне зміцнення проводилося на установці "Латус-31". Мікротвердість зразків визначали на приладі ПМТ-3. Адекватність розроблених моделей оцінювали зі застосуванням теорії похибок. Наукова новизна основних результатів дисертаційної роботи полягає в такому, що вперше отримані закономірності впливу швидкості переміщення лазерного променя на глибину зміцненого шару залежно від марки сталі при обробці тільки лазером і комбінованою технологією зміцнення; розроблено метод інтенсифікації процесу азотування, який відрізняється від існуючих попереднім лазерною обробкою поверхні; розроблено метод інтенсифікації процесу борування, який відрізняється від існуючих попереднім лазерною обробкою поверхні; розроблено математичні моделі та номограми впливу швидкості пересування лазерного променя і тривалості азотування на товщину зміцненого шару та поверхневу твердість. Практичне значення роботи полягає у вирішенні важливої наукової і технічної задачі у розробці технологій комбінованого зміцнення поверхневих шарів сталевих деталей, які полягають в попередній лазерній обробки і наступної хіміко-термічної обробки. У першому розділі проведено аналіз літературних джерел, що стосуються досліджуваної в дисертаційній роботі проблеми локального зміцнення поверхневих шарів сталі із застосуванням лазерної обробки. Проаналізовані лазерні обробки металів, комбіновані технології обробки деталей. Виконано аналіз відомих способів підвищення експлуатаційних властивостей машинобудівних деталей. Встановлено, що відомі комбіновані технології лазерної обробки і хіміко-термічної обробки мають ряд невирішених питань. Зокрема, вони не забезпечують достатню товщину зміцненого шару, є складними у використанні, трудомісткими, енергозатратними, тривалими процесами. Тому перспективним напрямком збільшення терміну служби деталей машин є створення інноваційної технології комбінованого зміцнення поверхневого шару сталі завдяки прискоренню процесу азотування і борування. У другому розділі виконано формування раціональної структури і властивостей сталі шляхом лазерного гартування. У третьому розділі розроблена комбінована технологія зміцнення поверхневого шару сталі. Досліджено вплив попередньої лазерної обробки та кінцевого азотування на товщину зміцненого шару і мікротвердість поверхневих шарів зразків сталі 38Х2МЮА. У четвертому розділі розроблені способи підвищення експлуатаційних властивостей машинобудівних деталей. На основі комплексу проведених теоретичних та експериментальних досліджень, сформульованих принципів, закономірностей і положень отримані наступні результати: 1. Інтенсифіковано процес азотування за рахунок попередньої лазерної обробки поверхні сталевих виробів і застосування дисперсного азотовмісного середовища для хіміко-термічної обробки, який підвищує поверхневу твердість після азотування до 1,15 раз і сприяє значному збільшенню зміцненого шару, а саме до 0,49 мм (сталь 40), до 055 мм (сталь 40Х) і до 0,65 мм (сталь 38Х2МЮА). 2. Отримані математичні моделі, що описують залежності товщини зміцненого шару та поверхневої твердості від зміни значень швидкості пересування лазерного променя і тривалості азотування сталі після комбінованої обробки дозволяють побудувати номограми для вибору раціональних режимів зміцнювальної обробки. 3. Інтенсифіковано процес борування за рахунок попередньої лазерної обробки поверхні сталевих виробів і застосування дрібнодисперсного боровмісного порошку в якості насичувального середовища для хіміко-термічної обробки, що сприяє збільшенню зміцненого шару в 2,7–5,5 разів залежно від зміни швидкості переміщення лазерного променя. 4. Використання розроблених комбінованих технологій поверхневого зміцнення сталевих виробів має такі переваги: спрощена технологія отримання твердого зміцненого шару на сталях за рахунок інтенсифікації процесів хіміко-термічної обробки; забезпечені високі експлуатаційні властивості зміцнених шарів сталевих виробів; застосування технології борувания сталевих виробів дозволяє поєднувати хіміко-термічну обробку (борування) з операцією термообробки (гартування), що підвищить термін служби деталей обладнання, експлуатаційних властивостей дифузійних шарів інструментів, штампового і пресового устаткування. 5. За технологічною ознакою розроблено дві комбіновані технології локального поверхневого зміцнення сталевих виробів. 6. Визначено можливість використання розроблених технологій локального поверхневого зміцнення для широкої номенклатури виробів зі сталей. 7. Розроблений ефективний технологічний процес комбінованого зміцнення поверхневого шару сталевих виробів був впроваджений для підвищення поверхневої твердості зубців зубчастого колеса зі сталі 40 на ТОВ "НВЦ ЄТМ" (м. Харків ). Його впровадження дозволило підвищити зносостійкість зубців у 1,5 рази та експлуатаційну стійкість виробу в цілому до 2,5 разів. 8. Розроблений ефективний технологічний процес комбінованого зміцнення поверхневого шару сталевих виробів був впроваджений для підвищення поверхневої твердості зубців вал-шестерень, зубчастих коліс, шестерень, зірочок та втулок зі сталей 40, 40Х та 38Х2МЮА на ПАТ "Харківський машинобудівний завод "Світло шахтаря". Виробничими випробуваннями встановлено, що розроблений процес комбінованого зміцнення дозволив підвищити поверхневу твердість зубців у 1,5-2,5 рази, зносостійкість у 1,5-2 рази, експлуатаційну стійкість у 3-7 разів у порівнянні з поверхневими зміцнюючими обробками, які використовуються у виробництві. 9. Розроблені технологічні процеси комбінованого зміцнення поверхневого шару сталевих деталей були впроваджені для поверхневого зміцнення зубців вал-шестерні зі сталі 40Х та зубців втулки зі сталі 40Х на АТ "Харківський тракторний завод". Виробничими випробуваннями встановлено, що стійкість вал-шестерні та втулки зі сталі 40Х після комбінованого зміцнення поверхневого шару підвищується від 2 до 3,6 разів у порівнянні зі стійкістю вал-шестерні та втулки зміцненою лише лазерною обробкою. 10. Розробки, виконані в дисертації, впроваджені в навчальний процес для студентів механіко-технологічного факультету НТУ "ХПІ" спеціальностей 131 "Прикладна механіка" спеціалізації 131-09 "Обладнання та технології ливарного виробництва" та 151 "Автоматизація та комп'ютерно інтегровані технології" спеціалізації 151-07 "Комп'ютеризовані системи управління технологічними процесами".Thesis for granting Candidate of Technical sciences Degree (PhD) in specialty 05.02.08 – technology of mechanical engineering (13 – mechanical engineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Kharkiv, 2019. The thesis is devoted to the solution of the scientific and practical problem of surface local hardening of details for increase of durability of products. The aim of the thesis is to study and create technological support for the operational properties of machine parts using combined methods of local strengthening. Technological processes of formation of local hardened surface layers of carbon and alloyed steels machine parts were chosen as the object of research. The subject of this study was the regularities of formation of hardened layers, the technology of effective combined laser and chemical-thermal treatment. For the complex solution of problems within this work the system approach and a rational combination of theoretical and experimental researches, generalization and the analysis of the known scientific results were used. Experimental studies are implemented using the YAG-Laser "DY044" production company "ROFІN-SІNAR". Laser strengthening was carried out on the installation "Latus-31". The microhardness of the samples was determined on the device PMT-3. The adequacy of the developed models was evaluated using the theory of errors. The scientific novelty of the main results of the thesis is that for the first time obtained regularities of influence of the velocity of the laser beam to the depth of the hardened layer depending on the grade of steel in the processing of only a laser and combined technologies of hardening; developed a method of intensification of nitriding process, different from the existing previous laser treatment of the surface; developed a method of intensification of the process of boriding, which differs from previous existing laser surface treatment; developed mathematical models and nomograms influence the speed of movement of the laser beam and duration of nitriding on the thickness of the hardened layer and surface hardness. Practical value of work consists in the solution of important scientific and technical challenges in the development of technologies of combined hardening of surface layers of steel parts, which are advanced laser processing and subsequent chemical and thermal treatment. In the first chapter the analysis of literary sources concerning the problem of local hardening of surface layers of steel with the use of laser processing is carried out. Laser processing of metals, combined technologies of processing of details are analyzed. The analysis of known methods of improving the performance properties of engineering parts. It is established that the known combined technologies of laser processing and chemical-thermal treatment have a number of unresolved issues. In particular, they do not provide sufficient thickness of the hardened layer, are difficult to use, time-consuming, energy-consuming, long-term processes. Therefore, a promising direction of increasing the service life of machine parts is the creation of innovative technologies of combined hardening of surface layers of steel due to the acceleration of the nitriding process and brovana. In the second chapter, the formation of a rational structure and properties of steel by laser hardening is performed. The third chapter developed a combined technology to strengthen the surface layer of steel. The influence of advanced laser processing and final nitriding on the thickness of the hardened layer and the microhardness of surface layers of samples of steel 38Cr2MoAl. In the fourth chapter developed ways to improve the performance properties of engineering parts. Based on the conducted theoretical and experimental studies of the formulated principles, laws and regulations obtained the following results: 1. Intensified nitriding process due to the advanced laser surface treatment of steel products and application of disperse usatovskogo environment for chemical-thermal treatment that increases surface hardness after nitriding 1.15 times and contributes to a significant increase in the hardened layer, namely to 0.49 mm (steel 40), 055 mm (steel 40Cr) and to 0.65 mm (steel 38Cr2MoAl). 2. The obtained mathematical models describing the dependence of the thickness of the hardened layer and surface hardness from changes in values of the speed of movement of the laser beam and duration of nitriding steel after combined treatment allows to build a nomogram for the choice of rational modes of hardening treatment. 3. Intensified process brovana due to the advanced laser surface treatment of steel products and application of fine powder browse as nasicournia environment for chemical-thermal treatment, which increases the hardened layer 2.7–5.5 times depending on the changes of the velocity of the laser beam. 4. The use of the developed combined technologies of surface hardening of steel products has the following advantages: simplified technology of obtaining solid hardened layer on the steel due to the intensification of processes of chemical-heat treatment; provide high operational properties of hardened layers of steel products; the technology boriding steel products allows the combination of chemical-heat treatment (boriding) with the operation of heat treatment (hardening), which can increase the service life of equipment parts, the performance properties of diffusion layers, tools, and stamping press equipment. 5. On technological grounds by the two local combined technologies of surface hardening of steel products. 6. The application of developed technologies to the local surface hardening of a wide range of products from steel. 7. Developed an effective technological process of combined hardening of surface layers of steel products were introduced to enhance the surface hardness of the gear teeth of steel on 40 the limited liability company "Scientific-production Centre of the European mechanical engineering technology" (Kharkiv). Its implementation allows to increase the wear resistance of the teeth 1.5 times the operational reliability of the products in General up to 2.5 times. 8. Developed an effective technological process of combined hardening of surface layers of steel products were introduced to enhance the surface hardness of the teeth of the shaft-gears, gear wheels, gears, sprockets and bushings from steel, 40, 40Cr and 38Cr2MoAl at Public company "Kharkiv machine-building plant "Light miner". Production tests have proved that the developed combined process of hardening possible to increase the surface hardness of the teeth is 1.5-2.5 times the wear resistance in 1,5-2 times, service life 3-7 times compared to surface hardening treatments, which are used in the production. 9. Developed technological processes of the combined hardening of surface layers of steel parts has been introduced for surface hardening of the teeth of the gear shafts of steel 40Cr and teeth of a sleeve of steel 40Cr at JSC "Kharkiv Tractor Plant". Production tests established that the stability of the shaft-gear and bushings from steel 40Cr after the combined hardening of surface layers increases from 2 to 3.6 times compared to the resistance shaft gear and bushing elastic laser treatment. 10. Of the developments made in the thesis introduced in the educational process for students of mechanical engineering faculty of NTU "KhPI" special 131 "Applied mechanics" specialization 131-09 "Equipment and technology of foundry" and 151 "Automation and computer integrated technologies" specialization 151-07 "Computerized control of technological processes".