RU2556897C1 - Surface hardening by cutting-forming tool - Google Patents
Surface hardening by cutting-forming tool Download PDFInfo
- Publication number
- RU2556897C1 RU2556897C1 RU2014101642/02A RU2014101642A RU2556897C1 RU 2556897 C1 RU2556897 C1 RU 2556897C1 RU 2014101642/02 A RU2014101642/02 A RU 2014101642/02A RU 2014101642 A RU2014101642 A RU 2014101642A RU 2556897 C1 RU2556897 C1 RU 2556897C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- hardening
- cutting
- tool
- layers
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам термического поверхностного закалочного упрочнения, и может быть использовано для повышения износостойкости деталей машин из закаливаемых металлических сплавов, таких как железоуглеродистые сплавы, алюминиевые, титановые сплавы и др.The invention relates to the field of engineering, and in particular to methods of thermal surface hardening hardening, and can be used to increase the wear resistance of machine parts from hardened metal alloys, such as iron-carbon alloys, aluminum, titanium alloys, etc.
Уровень техники.The level of technology.
Известны способы термического поверхностного закалочного упрочнения с использованием дополнительных источников концентрированных потоков энергии, подводимых в поверхностные слои детали, такие как лазерная, электронно-лучевая, плазменная закалка, электромеханическая обработка и др., реализуемые в том числе на станках металлорежущей группы. Концентрированный источник энергии нагревает поверхность детали, обеспечивая закалку поверхностного слоя. Недостатками указанных способов являются необходимость использования дополнительного нагревательного оборудования, высокая энергоемкость процессов, сравнительно малая толщина упрочненного слоя, низкая производительность, резкое падение свойств упрочненного поверхностного слоя по его толщине, сложность интеграции в технологический процесс (электронно-лучевая закалка), небезопасность (лазерная закалка), низкая экологичность (плазменная закалка).Known methods of thermal surface hardening hardening using additional sources of concentrated energy flows supplied to the surface layers of the part, such as laser, electron beam, plasma hardening, electromechanical processing, etc., implemented including on machine tools of the metal cutting group. A concentrated energy source heats the surface of the part, providing hardening of the surface layer. The disadvantages of these methods are the need to use additional heating equipment, high energy intensity of the processes, the relatively small thickness of the hardened layer, low productivity, a sharp drop in the properties of the hardened surface layer by its thickness, the complexity of integration into the process (electron beam hardening), insecurity (laser hardening) low environmental friendliness (plasma hardening).
Известны способы упрочняющей обработки точением, близкие по технической реализации к заявляемому, устраняющие большинство вышеперечисленных недостатков, но обладающие собственными существенными недостатками. В данных способах предлагается ухудшить условия стружкообразования и за счет этого поднять температуру поверхностных слоев на обрабатываемой поверхности заготовки с получением закалочных структур, в том числе с так называемыми белыми слоями. Это достигается тем, что при точении используется инструмент, имеющей фаску на задней поверхности с нулевым задним углом [Kevin Chou Y. / Surface hardening of AISI 4340 steel by machining: a preliminary investigation // Journal of Materials processing technology - 2002, No 124, p. 171-177], либо используемый резец имеет значительные отрицательные значения переднего угла [Упрочнение покрытий специальным точением / Т.С. Скобло, В.В. Коломиец, В.Ф. Ридный, Р.В. Ридный, / Вiсник СевНТУ. Вип. 110: Механiка, енергетика, екологiя: зб. наук. пр. - Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2010, с. 208-211].Known methods of hardening turning, close in technical implementation to the claimed, eliminating most of the above disadvantages, but with their own significant disadvantages. In these methods, it is proposed to worsen the conditions of chip formation and thereby raise the temperature of the surface layers on the workpiece surface to be hardened, including with the so-called white layers. This is achieved by the fact that when turning, a tool is used that has a chamfer on the back surface with a zero rear angle [Kevin Chou Y. / Surface hardening of AISI 4340 steel by machining: a preliminary investigation // Journal of Materials processing technology - 2002, No. 124, p. 171-177], or the cutter used has significant negative values of the rake angle [Hardening of coatings by special turning / TS. Skoblo, V.V. Kolomiets, V.F. Ridny, R.V. Ridny, / News of SevNTU. Vip. 110: Mechanics, energy, ecology: ЗБ. sciences. etc. - Sevastopol: View of SevNTU, 2010, p. 208-211].
При обработке может образовываться белый слой, состоящий из остаточного аустенита, мелкоигольчатого мартенсита и дисперсных карбидов, обладающий повышенной твердостью по сравнению с мартенситом обычной закалки. Оба способа реализуются на стандартном металлорежущем оборудовании без привлечения дополнительных средств нагрева. Существенными недостатками вышеуказанных способов являются наличие отходов материала в виде стружки, небольшая толщина упроченного слоя (не более 100 мкм), неоднородность структуры и твердости по толщине упрочненного слоя.During processing, a white layer may form, consisting of residual austenite, fine-needle martensite and dispersed carbides, which has increased hardness compared to conventional quenching martensite. Both methods are implemented on standard metal-cutting equipment without involving additional heating means. Significant disadvantages of the above methods are the presence of waste material in the form of chips, the small thickness of the hardened layer (not more than 100 microns), the heterogeneity of the structure and hardness along the thickness of the hardened layer.
Известен способ поверхностного закалочного упрочнения путем шлифования с форсированными режимами обработки [Niemeyer Ν., Foeckerer T., Chaphalkar Ν, Hyatt G. Grind Hardening Method and Apparatus US Patent Application 20130273811 A1, B24B 51/00, Filed: March 15, 2013]. Недостатками указанного способа является неравномерность свойств по толщине упрочненного слоя, высокая структурная неоднородность и наличие отходов в виде стружки, поскольку для достижения закалочных температур требуются большие глубины шлифования.A known method of surface hardening by grinding with forced processing modes [Niemeyer Ν., Foeckerer T., Chaphalkar Ν, Hyatt G. Grind Hardening Method and Apparatus US Patent Application 20130273811 A1, B24B 51/00, Filed: March 15, 2013]. The disadvantages of this method are the unevenness of the properties of the thickness of the hardened layer, high structural heterogeneity and the presence of waste in the form of chips, since large grinding depths are required to achieve quenching temperatures.
Известен способ поверхностного закалочного упрочнения деталей из железоуглеродистых сплавов по патенту РФ 2190024, при котором поверхность упрочняемого изделия нагревается прижатым быстровращающимся роликом и охлаждается путем подачи в зону обработки смазочно-охлаждающей жидкости. Способ устраняет такой недостаток, как отходы материала в виде стружки, но имеет собственные недостатки, такие как чрезвычайно низкая производительность процесса закалки (10…13 мм длины цилиндрической заготовки за минуту), а также сравнительно небольшую толщину упрочненного слоя (максимум 0,24…0,26 мм). Помимо этого необходим дополнительный привод ролика, трущегося об упрочняемую поверхность.A known method of surface hardening hardening of parts of iron-carbon alloys according to the patent of the Russian Federation 2190024, in which the surface of the hardened product is heated by a pressed fast-rotating roller and is cooled by supplying a cutting fluid to the treatment zone. The method eliminates such a disadvantage as waste material in the form of chips, but has its own disadvantages, such as the extremely low productivity of the hardening process (10 ... 13 mm of the length of a cylindrical workpiece per minute), as well as the relatively small thickness of the hardened layer (maximum 0.24 ... 0 , 26 mm). In addition, an additional drive of the roller rubbing against the hardened surface is required.
Наиболее близким по технической сущности является способ механической лезвийной обработки без отделения стружки [Пат. 2044606 (РФ). Способ получения поверхностей с чередующимися выступами и впадинами и инструмент для его реализации / Н.Н. Зубков, А.И. Овчинников // Изобретения - 1995 - №27], который принят за прототип. Целью данного изобретения является получение поверхностей с чередующимися выступами и впадинами. Сущность способа заключается в последовательном подрезании поверхностных слоев заготовки без его отделения от заготовки в виде стружки инструментом, имеющим одну режущую и одну деформирующую кромку и пластическом деформировании подрезанных слоев. По этому способу возможно получение макрорельефов в виде оребрения, в том числе ребер, плотно прижатых друг к другу. Использование данного метода для получения закалочных структур не возможно и не рассматривалось, поскольку предлагался инструмент с передними углами в диапазоне 10…65°, не обеспечивающий получение температур подрезанного слоя, необходимых для изменения его фазово-структурного состояния (закалки). Скорость резания и толщина подрезаемого слоя не рассматривалась как фактор управления свойствами материала получаемых ребер.The closest in technical essence is the method of mechanical blade processing without separation of chips [US Pat. 2044606 (RF). A method of obtaining surfaces with alternating protrusions and depressions and a tool for its implementation / N.N. Zubkov, A.I. Ovchinnikov // Inventions - 1995 - No. 27], which is adopted as a prototype. The aim of this invention is to obtain surfaces with alternating protrusions and depressions. The essence of the method consists in sequentially cutting the surface layers of the workpiece without separating it from the workpiece in the form of chips with a tool having one cutting and one deforming edge and plastic deformation of the cut layers. Using this method, it is possible to obtain macroreliefs in the form of fins, including ribs tightly pressed against each other. The use of this method to obtain quenching structures was not possible and was not considered, since a tool with rake angles in the range of 10 ... 65 ° was proposed that does not provide the temperatures of the trimmed layer necessary to change its phase-structural state (hardening). The cutting speed and the thickness of the cut layer was not considered as a factor in controlling the material properties of the resulting ribs.
Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.
Технический результат. Целью настоящего изобретения является создание на закаливаемых материалах полностью или частично закаленного поверхностного слоя большой толщины с однородными свойствами по всей толщине упрочненного слоя без привлечения дополнительных источников нагрева, кроме как тепла, выделяющегося при лезвийной обработке, без образования стружки и с большой производительностью.The technical result. The aim of the present invention is the creation on hardened materials of a fully or partially hardened surface layer of large thickness with uniform properties throughout the thickness of the hardened layer without attracting additional heat sources, except for the heat generated during blade processing, without chip formation and with high productivity.
Сущность изобретения как технического решения. The invention as a technical solution.
Технический результат достигается тем, что инструментом, имеющим режущую и деформирующую кромки, послойно подрезают поверхностный слой детали с сохранением механической связи подрезанного слоя с деталью по своей узкой стороне, при этом пластически деформируют подрезанные слои передней поверхностью инструмента, после чего подрезанные слои укладываются на деталь деформирующей кромкой инструмента. В процессе подрезания поверхностного слоя его пластического деформирования и трения об инструмент при соответствующем выборе геометрических параметров инструмента и технологических параметров обработки добиваются нагрева подрезанного слоя до температур фазовых переходов для данного обрабатываемого материала. Охлаждение подрезанного слоя осуществляется кондуктивным теплоотводом в заготовку. Для реализации способа используется инструмент, имеющий передний угол на режущей кромке не более 10° и передний угол на деформирующей кромке не более минус 30°. Как режущая, так и деформирующая кромка может быть прямолинейной, кусочно-прямолинейной или криволинейной. Передняя поверхность инструмента может быть как плоской, так и фасонной.The technical result is achieved by the fact that with a tool having a cutting and deforming edge, the surface layer of the part is trimmed in layers while maintaining the mechanical connection of the trimmed layer with the part on its narrow side, while the trimmed layers are plastically deformed by the front surface of the tool, after which the trimmed layers are laid on the deforming part tool edge. In the process of trimming the surface layer of its plastic deformation and friction against the tool with an appropriate choice of the geometric parameters of the tool and the technological parameters of the processing, the trimmed layer is heated to phase transition temperatures for the material being processed. The cutting layer is cooled by conductive heat removal into the workpiece. To implement the method, a tool is used having a rake angle on the cutting edge of not more than 10 ° and a rake angle on the deforming edge of not more than minus 30 °. Both the cutting and deforming edges can be straight, piecewise straight or curved. The front surface of the tool can be either flat or shaped.
Технический результат достигается также тем, что увеличением толщины срезаемого слоя или снижением скорости резания свободную (не контактирующую с инструментом) сторону подрезанного слоя не доводят до температур фазовых превращений.The technical result is also achieved by the fact that by increasing the thickness of the cut layer or reducing the cutting speed, the free (not in contact with the tool) side of the cut layer is not brought to the temperatures of phase transformations.
Технический результат достигается также тем, что до или в процессе закалочного упрочнения в зону обработки или до нее вводят легирующие, твердосмазочные или упрочняющие компоненты.The technical result is also achieved by the fact that before or during the hardening hardening, alloying, hard-lubricating or hardening components are introduced into or before the treatment zone.
Технический результат достигается также тем, что подрезанные слои укладываются на заготовку с зазором между слоями.The technical result is also achieved by the fact that the trimmed layers are stacked on the workpiece with a gap between the layers.
Технический результат достигается также тем, что обработка осуществляется с использованием технологических охлаждающих сред.The technical result is also achieved by the fact that the processing is carried out using technological cooling media.
Технический результат достигается также тем, что после закалочного упрочнения зазор между слоями заполняется смазочными или упрочняющими компонентами.The technical result is also achieved by the fact that after quenching hardening, the gap between the layers is filled with lubricating or hardening components.
Технический результат достигается также тем, что подбором режимов закалочного упрочнения производят самоотпуск упрочненного слоя.The technical result is also achieved by the fact that the selection of hardening hardening modes produce self-release of the hardened layer.
Заявляемый способ поясняется чертежами.The inventive method is illustrated by drawings.
На фиг. 1 показано схематичное изображение зоны обработки.In FIG. 1 is a schematic illustration of a treatment area.
На фиг. 2 показана схема реализации способа при токарной обработке.In FIG. 2 shows a diagram of the implementation of the method during turning.
На фиг. 3 представлены возможные варианты получаемых упрочненных поверхностных структур.In FIG. 3 shows the possible variants of the obtained hardened surface structures.
Фиг. 4 иллюстрирует принцип управления межреберным зазором.FIG. 4 illustrates the principle of controlling the intercostal space.
Фиг. 5 иллюстрирует возможность полного закалочного упрочнения поверхности и частичного закалочного упрочнения поверхности с образованием ламинатной структуры из слоев различной твердости.FIG. 5 illustrates the possibility of complete surface hardening and partial surface hardening with the formation of a laminate structure of layers of different hardness.
На фиг. 6 представлены результаты сравнительных триботехнических испытаний образцов, упрочненных по заявляемому способу по сравнению с объемно закаленными образцами.In FIG. 6 presents the results of comparative tribological tests of samples hardened by the present method in comparison with volumetric hardened samples.
Способ осуществляют следующим способом. Режуще-деформирующим инструментом 1 (фиг. 1), имеющим как минимум одну режущую 2 и одну деформирующую кромку 3 послойно подрезают поверхностный слой материала заготовки 4 без его отделения в виде стружки. Подрезанный слой 5 сохраняет механическую связь с заготовкой 4 по своей узкой стороне. После подрезания режущей кромкой 2 слой материала 5 деформируется передней поверхностью 6 инструмента 1 и укладывается деформирующей кромкой 3 на поверхность заготовки 4. Подрезанные слои остаются на поверхности заготовки 4 плотно прижатыми друг к другу 7 или в виде отдельно стоящих ребер. По сути ребро - это не отделившаяся по своей узкой стороне стружка. В процессе резания режущей кромкой 2, пластического деформирования подрезанного слоя 5 передней поверхностью инструмента 6 и деформирующей кромкой 3, а также его трения о контактные поверхности инструмента 1 производят нагрев подрезанного слоя 5 до температур фазовых превращений за счет соответствующего назначения геометрических параметров инструмента, выбора толщины подрезаемого слоя и скорости резания. Кондуктивный теплоотвод через корень ребра в тело заготовки 4 обеспечивает необходимые для закалки скорости охлаждения. При малой теплоаккумулирующей способности заготовки (малый размер, тонкостенная деталь) возможно охлаждение подрезанных слоев с привлечением жидких сред, например, поливом. При необходимости, возможно проведение отпуска после предлагаемой закалки как самостоятельной операции, либо подобрать режимные параметры обработки, обеспечивающие самоотпуск поверхностного слоя детали.The method is carried out in the following way. Cutting-deforming tool 1 (Fig. 1), having at least one cutting 2 and one
Фиг. 2 показывает пример реализации способа на токарном станке при упрочнении наружной цилиндрической поверхности. Режуще-деформирующий инструмент в виде резцовой вставки 1 закреплен в державке 8, которая, в свою очередь, закреплена в резцедержателе токарного станка. Заготовка 4 имеет главное вращательное движение Dг, инструмент имеет поступательное движение Ds вдоль оси заготовки. В результате обработки на поверхности заготовки образуется слой из плотно прижатых к друг к другу, или стоящих с зазором, частично, или полностью закаленных ребер 7.FIG. 2 shows an example implementation of the method on a lathe when hardening the outer cylindrical surface. The cutting-deforming tool in the form of a
Интенсификацией пластических деформаций за счет изменения геометрических параметров инструмента и большими скоростями резания, по сравнению с прототипом (патент РФ №2044606), достигаются температуры подрезанного слоя, превышающие температуру структурно-фазовых превращений обрабатываемого материала. Высокие температуры и скорости нагрева, высокие скорости и степени деформации, существенно интенсифицируют процесс фазовых переходов и приводят к образованию структур нового типа, вплоть до наноструктурированных. Измерение температуры резания методом естественной термопары при закалочном упрочнении стали показало ее значение, превышающее 1000°C, что с учетом высоких степеней деформации достаточно для осуществления фазовых переходов. Расчет скорости нагрева подрезанного слоя показал значение 1,0…1,5 миллиона градусов в секунду.The intensification of plastic deformations due to changes in the geometric parameters of the tool and high cutting speeds, compared with the prototype (RF patent No. 2044606), the temperature of the trimmed layer is higher than the temperature of the structural-phase transformations of the processed material. High temperatures and heating rates, high rates and degrees of deformation, significantly intensify the process of phase transitions and lead to the formation of structures of a new type, up to nanostructured. Measurement of the cutting temperature by the natural thermocouple method during quenching hardening of steel showed its value exceeding 1000 ° C, which, given the high degrees of deformation, is sufficient for phase transitions. The calculation of the heating rate of the trimmed layer showed a value of 1.0 ... 1.5 million degrees per second.
Производительность операции закалочного упрочнения по предлагаемому способу аналогична производительности получистовой токарной обработки. Например, время на обработку участка стального вала длиной 200 мм и диаметром 80 мм составляет около 1 минуты.The performance of the hardening operation according to the proposed method is similar to the productivity of semi-turning. For example, the processing time for a section of a steel shaft 200 mm long and 80 mm in diameter is about 1 minute.
В условиях значительных пластических деформаций, трения подрезанного слоя о рабочие поверхности инструмента, высокоскоростного нагрева до температур фазовых переходов и последующего охлаждения со сверхкритическими скоростями за счет кондуктивного теплоотвода в холодную сердцевину заготовки (при необходимости, с привлечением охлаждающих сред) в материале ребра протекают структурные превращения с образованием зон сплошной или частичной (по толщине подрезанного слоя) закалки. Указанные условия позволяют получать в материале ребра высокотвердые нетравящиеся структуры (так называемый "белый слой"), которые представляют собой квазиравновесную аустенит-мартенситную систему с высокодисперсным наноразмерным кристаллическим состоянием.Under conditions of significant plastic deformations, friction of the trimmed layer on the working surfaces of the tool, high-speed heating to phase transition temperatures and subsequent cooling with supercritical velocities due to conductive heat removal to the cold core of the workpiece (if necessary, with the use of cooling media), structural transformations occur in the rib material with the formation of zones of continuous or partial (by the thickness of the cut layer) hardening. These conditions make it possible to obtain highly solid non-etching structures (the so-called “white layer”) in the rib material, which are a quasiequilibrium austenite-martensite system with a highly dispersed nanoscale crystalline state.
Возможна сквозная закалка ребра, либо его частичная закалка на определенную толщину. На фиг. 3 представлены возможные варианты поверхностного закалочного упрочнения по предлагаемому способу: с полным (фиг 3а, б) или частичным (фиг 3в, г) упрочнением материала ребра, с плотно упакованными ребрами без зазоров между ними (фиг 3а, в) или с оставлением межреберных зазоров (фиг 3б, г).It is possible through hardening of the rib, or its partial hardening to a certain thickness. In FIG. 3 presents possible options for surface hardening by the proposed method: with full (Fig 3a, b) or partial (Fig 3c, d) hardening of the rib material, with densely packed fins without gaps between them (Fig 3a, c) or with the intercostal gaps (Fig 3b, d).
Принцип управления шириной межреберного зазора основан на выборе угла подрезания поверхностного слоя φ и угла отгибки подрезанного слоя φ1 режуще-деформирующим инструментом и поясняется фиг. 4. При значениях угла подрезания φ<φ1 формируются оребренная структура, имеющая межреберный зазор b (фиг. 4а), равныйThe principle of controlling the width of the intercostal gap is based on the choice of the cutting angle of the surface layer φ and the bending angle of the trimmed layer φ 1 by the cutting-deforming tool and is illustrated in FIG. 4. When the values of the cutting angle φ <φ 1 , a finned structure is formed having an intercostal gap b (Fig. 4a) equal to
b=S0·(sinφ1-sinφ),b = S 0 · (sinφ 1 -sinφ),
где S0 - величина подачи инструмента за цикл главного движения резания (подача на оборот детали для токарной обработки, или подача на зуб для фрезерной обработки), обеспечивающая величину шага оребрения. Межреберный зазор при полностью или частично закаленных ребрах может служить объемом для размещения жидких или твердых смазок, а также карманами для сбора продуктов износа в паре трения.where S 0 is the feed rate of the tool for the cycle of the main cutting movement (feed per revolution of the part for turning, or feed per tooth for milling), providing the value of the finning step. The intercostal gap with fully or partially hardened ribs can serve as a volume for placing liquid or solid lubricants, as well as pockets for collecting wear products in a friction pair.
При значениях φ≥φ1 (фиг. 4б) ребра будут плотно прижаты друг другу с нулевым межреберным зазором.At values φ≥φ 1 (Fig. 4b), the ribs will be tightly pressed against each other with zero intercostal space.
После закалочного упрочнения по заявляемому способу для деталей трения требуется дополнительная механическая обработка для устранения заостренных вершин ребер, что возможно осуществлять на том же станке, на котором производилась закалка. Это могут быть методы пластического деформирования (например, алмазное выглаживание), лезвийной обработки (так называемое твердое точение резцами из режущей керамики или эльбора) или шлифование (при установке на токарный станок шлифовального приспособления). Удаление вершин может также осуществляться отдельно на шлифовальных станках.After quenching hardening according to the claimed method for friction parts requires additional machining to eliminate the pointed tops of the ribs, which can be done on the same machine on which the quenching was performed. This can be methods of plastic deformation (for example, diamond smoothing), blade processing (the so-called hard turning with cutters made of cutting ceramics or elbor) or grinding (when installing a grinding device on a lathe). Peaks can also be removed separately on grinding machines.
Для сталей апробировано получение полностью упрочненного поверхностного слоя с формированием так называемого "белого" слоя. На фиг. 5а показан поперечный срез образца из стали 40Х с толщиной упрочненного слоя 0,6 мм и твердостью 720 HV0,1, что эквивалентно твердости HRC 61. На среднеуглеродистых сталях получена частично упрочненная поверхность с чередованием наклонных "белых" слоев толщиной 50…100 мкм твердостью 650…950 HV0,1 и менее твердыми слоями (400…550 HV0,1). Также получены частично закаленные структуры с мягкими прослойками материала (280…370 HV 0,1) глубиной до 1,5 мм (фиг. 5б).For steels, the preparation of a fully hardened surface layer with the formation of the so-called “white” layer was tested. In FIG. 5a shows a cross-section of a specimen made of 40X steel with a thickness of a hardened layer of 0.6 mm and a hardness of 720 HV 0.1 , which is equivalent to a hardness of HRC 61. On medium-carbon steels, a partially hardened surface is obtained with alternating inclined “white” layers with a thickness of 50 ... 100 μm hardness 650 ... 950 HV 0.1 and less hard layers (400 ... 550 HV 0.1 ). Partially hardened structures with soft layers of material (280 ... 370 HV 0.1) with a depth of up to 1.5 mm were also obtained (Fig. 5b).
На низкоуглеродистых сталях (сталь 20) получен упрочненный слой с твердостью 580 HV0,1 (эквивалентно HRC 54), что недостижимо другими методами, использующими концентрированные потоки энергии.On low-carbon steels (steel 20), a hardened layer with a hardness of 580 HV 0.1 (equivalent to HRC 54) was obtained, which is unattainable by other methods using concentrated energy flows.
Способ апробирован также при получении упрочненного слоя на предварительно термообработанных деталях (сталь 40Х) с твердостью до упрочнения HRC 56. После поверхностного упрочнения по заявляемому способу получена твердость 830 HV0,1, что эквивалентно HRC 65.The method was also tested upon receipt of a hardened layer on pre-heat-treated parts (40X steel) with a hardness of HRC 56 before hardening. After surface hardening, the inventive method obtained a hardness of 830 HV 0.1 , which is equivalent to HRC 65.
Известно, что "белые слои" обладают повышенной коррозионной стойкостью, что дает основания для использования заявляемого способа для повышения коррозионной стойкости деталей.It is known that the "white layers" have increased corrosion resistance, which gives reason to use the proposed method to increase the corrosion resistance of parts.
Предлагаемый способ упрочения реализуется на стандартном металлорежущем оборудовании токарной или фрезерной групп и не требует привлечения дополнительной технологической оснастки. На примере токарной обработки инструмент устанавливается в резцедержатель токарного станка, заготовке придается вращательное движение, инструменту поступательное движение подачи вдоль оси детали. Благодаря простоте организации предлагаемого способа, появляется возможность совмещения операций механической обработки и ее поверхностной закалки на одном станке. По сравнению с лазерной, плазменной, электромеханической закалкой не требуются дорогостоящие и энергоемкие дополнительные источники энергии. Также существенно повышается скорость термообработки. По сравнению с печной закалкой значительно сокращается время изготовления детали (время закалки по предлагаемому способы в разы меньше времени печной закалки, отпадают транспортные и установочные операции).The proposed method of hardening is implemented on standard metal-cutting equipment of turning or milling groups and does not require the involvement of additional technological equipment. Using the example of turning, the tool is installed in the tool holder of the lathe, the workpiece is given a rotational movement, the tool is driven by the feed along the axis of the part. Due to the simplicity of the organization of the proposed method, it becomes possible to combine the operations of machining and its surface hardening on one machine. Compared to laser, plasma, electromechanical hardening, expensive and energy-intensive additional energy sources are not required. Also significantly increases the speed of heat treatment. Compared with furnace hardening, the manufacturing time of the part is significantly reduced (the hardening time according to the proposed method is several times less than the time of furnace hardening, transport and installation operations disappear).
Предлагаемый метод поверхностной закалки совмещает преимущества как высокотемпературной термомеханической обработки (высокие температуры и степени деформаций), так и лазерной закалки (высокие скорости нагрева и охлаждения), при этом на детали толщина модифицированного слоя существенно превосходит ту, что образуется после лазерной закалки при обеспечении постоянства свойств упрочненного слоя по толщине.The proposed surface hardening method combines the advantages of both high-temperature thermomechanical processing (high temperatures and degrees of deformation) and laser hardening (high heating and cooling rates), while the thickness of the modified layer on the part is significantly higher than that formed after laser hardening while ensuring constant properties hardened layer in thickness.
Проведенные триботехнические испытания образцов с упрочнением по заявляемому способу подтвердили их работоспособность в узлах трения скольжения. Сравнивалась интенсивность изнашивания и коэффициент трения (фиг. 6) образцов из стали 40Х с объемной закалкой в воду и масло и последующим низким отпуском (по режимам, рекомендованным справочниками) с образцами, упрочненными по заявляемому способу без отпуска и с низким отпуском при температуре 200°C в течение 40 минут. Испытания проводились на машине трения Amsler A135 по схеме трения диск по диску со скоростью проскальзывания 0,08 м/с с нагрузкой 185H. Материал контртела - твердый сплав ВК8. Как видно из гистограммы (фиг. 6а), образцы, закаленные по предлагаемому способу имеют износостойкость на 10…40% выше по сравнению с образцами, закаленными объемной закалкой. Образцы, упрочненные по предлагаемому методу, также имеют пониженный на 6…16% коэффициент трения (фиг. 6б).The tribological tests of samples with hardening by the claimed method confirmed their performance in sliding friction units. The wear rate and friction coefficient (Fig. 6) of 40X steel samples with volumetric quenching in water and oil and subsequent low tempering (according to the regimes recommended by the handbooks) were compared with samples strengthened by the present method without tempering and with low tempering at a temperature of 200 ° C for 40 minutes. The tests were carried out on an Amsler A135 friction machine according to the friction scheme disk by disk with a slip velocity of 0.08 m / s with a load of 185H. The counterbody material is VK8 hard alloy. As can be seen from the histogram (Fig. 6a), samples hardened by the proposed method have a wear resistance of 10 ... 40% higher compared to samples hardened by volume hardening. Samples hardened by the proposed method also have a friction coefficient reduced by 6 ... 16% (Fig. 6b).
Пример реализации способа. Упрочнялась наружная поверхность цилиндрического образца диаметром 40 мм длиной 80 мм из стали 40Х в состоянии поставки с получением полностью закаленных ребер, не имеющих зазора между ними (структура, изображенная на фиг. 3а) с толщиной упрочненного слоя 0,5 мм и твердостью HRC 58…61. В качестве базового станка использовали токарно-винторезный станок модели 16К20. Режуще-деформирующий инструмент из режущей керамики, имел угол подрезания (главный угол инструмента в плане) и угол отгибки (вспомогательный угол инструмента в плане) φ=φ1=51°. Передний угол на режущей и деформирующей кромках составлял минус 49°. Продольная подача инструмента составляла 0,1 мм, глубина резания 0,8 мм, скорость резания 3,3 м/с. Время закалочного упрочнения участка вала длиной 80 мм составило 30 секунд. Смазочно-охлаждающих жидкостей не использовалось. После упрочняющей обработки выполнялось снятие треугольных заострений вершин ребер на этом же токарном станке резцом с режущей частью из кубического нитрида бора.An example implementation of the method. The outer surface of a cylindrical specimen with a diameter of 40 mm and a length of 80 mm from 40X steel was hardened in the delivery state to obtain fully hardened ribs without a gap between them (the structure shown in Fig. 3a) with a hardened layer thickness of 0.5 mm and a hardness of HRC 58 ... 61. As the base machine used model 16K20 screw-cutting lathe. The cutting-deforming tool made of cutting ceramics had a cutting angle (the main angle of the tool in plan) and an angle of bending (auxiliary angle of the tool in plan) φ = φ 1 = 51 °. The rake angle on the cutting and deforming edges was minus 49 °. The longitudinal feed of the tool was 0.1 mm, the cutting depth was 0.8 mm, and the cutting speed was 3.3 m / s. The quenching hardening time of the shaft section with a length of 80 mm was 30 seconds. No cutting fluids have been used. After hardening processing, the triangular sharpening of the tops of the ribs was performed on the same lathe with a cutter with a cutting part made of cubic boron nitride.
Другой пример реализации способа. Данным способом упрочнялась наружная поверхность цилиндрического образца диаметром 60 мм длиной 90 мм из стали 35 в состоянии поставки с получением плотно упакованных частично упрочненных ребер (структура, изображенная на фиг. 3в) с толщиной упрочненного слоя 0,8 мм, твердостью в зонах закалки HRC 55…67 и в мягких прослойках HRC 35…37. В качестве базового станка использовали токарно-винторезный станок 16К20. Режуще-деформирующий инструмент из твердого сплава имел угол подрезания (главный угол инструмента в плане) φ=45° и угол отгибки (вспомогательный угол инструмента в плане) φ1=39°. Передний угол на режущей и деформирующей кромках составлял минус 18° и минус 60° соответственно. Продольная подача инструмента составляла 0,3 мм, глубина резания 1,2 мм, скорость резания 2,5 м/с. Толщина закаленной прослойки в ребре составила в среднем 0,07 мм при толщине ребра 0,24 мм. Время закалочного упрочнения участка вала длиной 90 мм составило 23 секунды. Смазочно-охлаждающих жидкостей не использовалось. После упрочняющей обработки выполнялось снятие треугольных заострений вершин ребер на этом же токарном станке резцом с режущей частью из кубического нитрида бора.Another example of the implementation of the method. This method hardened the outer surface of a cylindrical specimen with a diameter of 60 mm and a length of 90 mm from steel 35 in the delivery state to obtain tightly packed partially hardened ribs (the structure shown in Fig. 3c) with a thickness of the hardened layer of 0.8 mm, hardness in the hardening zones HRC 55 ... 67 and in the soft layers of HRC 35 ... 37. A 16K20 turning screw machine was used as the base machine. The carbide cutting and deforming tool had a cutting angle (main tool angle in plan) φ = 45 ° and a bending angle (auxiliary tool angle in plan) φ 1 = 39 °. The rake angle on the cutting and deforming edges was minus 18 ° and minus 60 °, respectively. The longitudinal feed of the tool was 0.3 mm, the cutting depth was 1.2 mm, and the cutting speed was 2.5 m / s. The thickness of the hardened layer in the rib averaged 0.07 mm with a thickness of 0.24 mm. The quench hardening time of the 90 mm shaft section was 23 seconds. No cutting fluids have been used. After hardening processing, the triangular sharpening of the tops of the ribs was performed on the same lathe with a cutter with a cutting part made of cubic boron nitride.
Использование предлагаемого способа обеспечивает локальный нагрев поверхности деталей, методом, имеющим максимальный тепловой КПД непосредственного преобразования механической энергии металлорежущего станка в тепловую энергию, и не требует дополнительных устройств или длительного печного нагрева. Локальный быстропротекающий нагрев и охлаждение поверхности детали исключает обезуглероживание поверхностного слоя, поводки детали, существенно снижает окисление. Способ позволяет формировать композиционную структуру поверхностного слоя деталей с чередованием слоев высокотвердых и более пластичных прослоек при сохранении исходных свойств нижележащих слоев металла. Способ позволяет формировать наноструктурированные композиционные упрочненные поверхностные структуры с высокими трибологическими свойствами, повышающими износостойкость поверхностей деталей машин, что недоступно ни одному из известных методов обработки.Using the proposed method provides local heating of the surface of parts, by a method having a maximum thermal efficiency of the direct conversion of the mechanical energy of a metal cutting machine into thermal energy, and does not require additional devices or prolonged furnace heating. Local rapid heating and cooling of the surface of the part eliminates decarburization of the surface layer, leads of the part, significantly reduces oxidation. The method allows to form a composite structure of the surface layer of parts with alternating layers of high hard and more plastic layers while maintaining the original properties of the underlying metal layers. The method allows the formation of nanostructured composite hardened surface structures with high tribological properties that increase the wear resistance of the surfaces of machine parts, which is not available to any of the known processing methods.
В процессе закалочного упрочнения в зону обработки или до нее можно вводить поливом, распылением, смазыванием и т.п. легирующие, твердосмазочные или упрочняющие компоненты в виде паст, суспензий, аэрозолей, порошков. В качестве легирующего компонента может быть использована суспензия коллоидного графита в минеральном масле, наносимая на поверхность резания пористым роликом или поливом непосредственно в зону резания. Несмотря на кратковременность процесса, углеродсодержащие компоненты суспензии будут частично диффундировать в тонкие высоконагретые и активированные высокими степенями деформации подрезанные слои.During quenching hardening, it is possible to introduce watering, spraying, lubrication, etc. into or into the treatment zone. alloying, solid lubricant or hardening components in the form of pastes, suspensions, aerosols, powders. As an alloying component, a suspension of colloidal graphite in mineral oil can be used, applied to the cutting surface by a porous roller or by irrigation directly into the cutting zone. Despite the short duration of the process, the carbon-containing components of the suspension will partially diffuse into thin, highly heated and activated by high degrees of deformation clipped layers.
В качестве твердосмазочного компонента могут быть использованы порошки или суспензии чешуйчатого графита, дисульфида молибдена и др. веществ. Возможно натирание поверхности резания баббитовым, оловянным, медным стержнем или другим металлом, или веществом, являющимся твердой смазкой.As a solid lubricating component, powders or suspensions of flake graphite, molybdenum disulfide, and other substances can be used. It is possible to rub the cutting surface with babbitt, tin, copper rod or other metal, or a substance that is a solid lubricant.
После обработки зазоры между упрочненными слоями, показанными на фиг. 3б, г, могут быть заполнены смазочными или упрочняющими компонентами. Например, в качестве смазочного компонента может служить консистентная смазка, или фторопластовая эмульсия с частицами MoS2 с последующей полимеризацией эмульсии в межреберных зазорах. Зазоры могут быть заполнены баббитом, оловом или др. твердосмазочными металлами посредством газопламенного нагрева. В качестве упрочняющего компонента зазоры могут быть заполнены керамиконаполненными полимерными композициями с их последующей полимеризацией.After processing, the gaps between the reinforced layers shown in FIG. 3b, d can be filled with lubricating or hardening components. For example, a lubricating component can be a grease, or a fluoroplastic emulsion with MoS 2 particles, followed by polymerization of the emulsion in the intercostal spaces. The gaps can be filled with babbitt, tin or other solid lubricating metals by means of gas-flame heating. As a reinforcing component, the gaps can be filled with ceramic-filled polymer compositions with their subsequent polymerization.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014101642/02A RU2556897C1 (en) | 2014-01-21 | 2014-01-21 | Surface hardening by cutting-forming tool |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014101642/02A RU2556897C1 (en) | 2014-01-21 | 2014-01-21 | Surface hardening by cutting-forming tool |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2556897C1 true RU2556897C1 (en) | 2015-07-20 |
Family
ID=53611602
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014101642/02A RU2556897C1 (en) | 2014-01-21 | 2014-01-21 | Surface hardening by cutting-forming tool |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2556897C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741047C1 (en) * | 2019-12-06 | 2021-01-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Би Концепт", (ООО "Би Концепт") | Protective-lubricant material for hot metal forming |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU594191A1 (en) * | 1976-11-01 | 1978-02-25 | Московский вечерний металлургический институт | Method of treating welded joints made from precipitation-hardening steels of martensitic class |
| SU670426A1 (en) * | 1976-09-14 | 1979-06-30 | Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Article surface-hardening method |
| SU855018A1 (en) * | 1979-02-01 | 1981-08-15 | Башкирский сельскохозяйственный институт | Method of strengthening metal coatings |
| SU1397508A1 (en) * | 1986-03-20 | 1988-05-23 | Украинский Государственный Институт По Проектированию Металлургических Заводов | Method of hardening article holes |
| RU2044606C1 (en) * | 1993-04-30 | 1995-09-27 | Николай Николаевич Зубков | Method of obtaining surfaces with alternative projections and hollows (variants) and tool for its realization |
| RU2120478C1 (en) * | 1997-04-01 | 1998-10-20 | Открытое акционерное общество "ГАЗ" | Method of forming strengthened layer of part |
-
2014
- 2014-01-21 RU RU2014101642/02A patent/RU2556897C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU670426A1 (en) * | 1976-09-14 | 1979-06-30 | Куйбышевский политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Article surface-hardening method |
| SU594191A1 (en) * | 1976-11-01 | 1978-02-25 | Московский вечерний металлургический институт | Method of treating welded joints made from precipitation-hardening steels of martensitic class |
| SU855018A1 (en) * | 1979-02-01 | 1981-08-15 | Башкирский сельскохозяйственный институт | Method of strengthening metal coatings |
| SU1397508A1 (en) * | 1986-03-20 | 1988-05-23 | Украинский Государственный Институт По Проектированию Металлургических Заводов | Method of hardening article holes |
| RU2044606C1 (en) * | 1993-04-30 | 1995-09-27 | Николай Николаевич Зубков | Method of obtaining surfaces with alternative projections and hollows (variants) and tool for its realization |
| RU2120478C1 (en) * | 1997-04-01 | 1998-10-20 | Открытое акционерное общество "ГАЗ" | Method of forming strengthened layer of part |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2741047C1 (en) * | 2019-12-06 | 2021-01-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Би Концепт", (ООО "Би Концепт") | Protective-lubricant material for hot metal forming |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gupta et al. | Machinability investigations of hardened steel with biodegradable oil-based MQL spray system | |
| Grzesik et al. | Surface integrity of machined surfaces | |
| Wojciechowski et al. | The evaluation of surface integrity during machining of Inconel 718 with various laser assistance strategies | |
| Świrad | The surface texture analysis after sliding burnishing with cylindrical elements | |
| Rifat et al. | A review on application of nanofluid MQL in machining | |
| Abhang et al. | Parametric investigation of turning process on en-31 steel | |
| Das et al. | Hard turning of AISI D6 steel with recently developed HSN2-TiAlxN and conventional TiCN coated carbide tools: comparative machinability investigation and sustainability assessment | |
| Zhang et al. | Influences of machining parameters on tool performance when high-speed ultrasonic vibration cutting titanium alloys | |
| Kuljanic et al. | Machinability of difficult machining materials | |
| CN105525230A (en) | Method for manufacturing cutting tools from high-speed W18Cr4Nb material | |
| Yip et al. | Sustainable ultra-precision machining of titanium alloy using intermittent cutting | |
| Zubkov et al. | Surface Hardening by Turning without Chip Formation. | |
| Vahdani et al. | Experimental investigation of formability and surface finish into resistance single-point incremental forming of Ti–6Al–4V titanium alloy using Taguchi design | |
| Lian et al. | Performance of microtextured tools fabricated by inductively coupled plasma etching in dry cutting tests on medium carbon steel workpieces | |
| Bakar et al. | Wear mechanisms of solid carbide cutting tools in dry and cryogenic machining of AISI H13 steel with varying cutting-edge radius | |
| RU2556897C1 (en) | Surface hardening by cutting-forming tool | |
| Ovali et al. | Comparison of burnishing process with other methods of hole surface finishing processes applied on brass materials | |
| Rakurty et al. | Effects of targeted Minimum Quantity Fluid (MQF) application on surface integrity | |
| Guimarães et al. | Evaluation of surface and sub-surface integrities of a mold steel under different grinding conditions | |
| Belevskii et al. | Surface modification by a flexible tool. 2. Practical use of coating application by rotary wire brushes | |
| Kinalkar et al. | A review on various cooling system employed in grinding | |
| Naresh Babu et al. | Effect of ionic liquid as lubricants in turning H 13 tool steel-an experimental study | |
| Nandakumar et al. | Grinding of MMC using MQL based vegetable oil-Review | |
| Leal et al. | Chamfer texturing of tungsten carbide inserts applied to turning of grey cast iron | |
| Nicolodi et al. | Effect of wear progression in an'S'-type mixed ceramic tool on machining forces and surface roughness in the turning of hardened AISI 4140 steel |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200122 |