PL232267B1 - Sposób modyfikacji naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metali - Google Patents
Sposób modyfikacji naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metaliInfo
- Publication number
- PL232267B1 PL232267B1 PL411417A PL41141715A PL232267B1 PL 232267 B1 PL232267 B1 PL 232267B1 PL 411417 A PL411417 A PL 411417A PL 41141715 A PL41141715 A PL 41141715A PL 232267 B1 PL232267 B1 PL 232267B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- stresses
- surface layer
- burnishing
- thermo
- hardened metal
- Prior art date
Links
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 title claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 10
- 230000004048 modification Effects 0.000 title description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 title description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 6
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 5
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 claims description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 4
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 claims description 3
- 238000005496 tempering Methods 0.000 claims description 3
- 229910000760 Hardened steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000002715 modification method Methods 0.000 claims 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 description 9
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 6
- 229910001083 Sverker 21 Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 239000002436 steel type Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 229910009817 Ti3SiC2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000765309 Vanadis Species 0.000 description 1
- OLBVUFHMDRJKTK-UHFFFAOYSA-N [N].[O] Chemical compound [N].[O] OLBVUFHMDRJKTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005056 compaction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000010310 metallurgical process Methods 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000005480 shot peening Methods 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000009865 steel metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
- Finish Polishing, Edge Sharpening, And Grinding By Specific Grinding Devices (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
Abstract
Sposób modyfikacji naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metali polega na tym, że przeprowadza się proces technologiczny składający się z dwóch następujących po sobie operacji: obróbki plastycznej na zimno i obróbki cieplno-chemicznej. W warstwie wierzchniej utwardzonego stopu metali kształtuje się naprężenia ściskające poprzez odkształcenia sprężyste i plastyczne za pomocą powierzchniowej obróbki plastycznej na zimno, a następnie powoduje się ujednorodnienie naprężeń poprzez dyfuzyjne nasycenie warstwy wierzchniej azotem za pomocą obróbki cieplno-chemicznej.
Description
Przedmiotem wynalazku jest sposób modyfikacji naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metali. Sposób ten może być wykorzystywany jako element poprawy technologii wytwarzania elementów wykonanych z tych materiałów.
Znanym faktem jest, że w wyniku niemal wszystkich procesów nagniatania powstają w wa rstwie wierzchniej naprężenia ściskające, które wpływają korzystnie m.in. na wytrzymałość zmęczeniową obrobionych elementów. Z monografii Przybylskiego „Technologia obróbki nagniataniem WNT, Warszawa 1987r. wynika, że „przyczyną powstawania ściskających naprężeń wewnętrznych podczas nagniatania są przede wszystkim odkształcenia plastyczne, a następnie temperatura i przemiany strukturalne. Wskutek odkształcenia plastycznego zwiększa się gęstość materiału (zmniejszenie objętości właściwej o 0,3:0,8%) w warstwach położonych najbliżej powierzchni nagniatanej. Głębiej położone warstwy materiału nie pozwalają na swobodne i pełne rozprzestrzenianie się (w głąb) odkształceń plastycznych. W rezultacie tego w warstwie wierzchniej wytwarza się stan naprężeń”.
Wcześniejsze publikacje patentowe wskazują na możliwość uzyskiwania w warstwie wierzchniej naprężeń ściskających (US 005826453A) lub redukcji strefy naprężeń rozciągających (US006622570B1) w elementach, których powierzchnia poddana została procesowi nagniatania.
Prevey i Jayaraman w publikacji „Overview of low plasticity burnishing for mitigation off atigue damage mechanisms”. Proceedings of ICSP 9, Paris, Marne la Vallee, France, Sept. 69, 2005 wskazują, że nagniatanie statyczne - między innymi nagniatanie toczne i ślizgowe - zapewnia znacznie korzystniejsze właściwości warstwy wierzchniej w porównaniu z nagniataniem dynamicznym - kulowaniem. Nagniatanie statyczne umożliwia sterowanie głębokością zachodzącego odkształcenia plastycznego, podczas gdy kulowanie generuje dużą gęstość dyslokacji w warstwie wierzchniej wynikającą z dużego zgniotu, co z kolei powoduje niestabilny stan naprężeń szczątkowych.
Kolejnym znanym faktem jest, że w warstwie wierzchniej, niezależnie od sposobu azot owania (gazowe, jarzeniowe) również generowany jest określony stan naprężeń. Z publikacji Wróblewskiego i Skalskiego: „Properties of surface layer generated by new combined process of burnishing and nitriding”. Surface Engineering, 2006, vol .22, No. 2, 138-146 wynika, że w warstwie wierzchniej żelaza RMCO możliwe jest sterowanie rozkładem naprężeń w efekcie zmian parametrów technologicznych azotowania a w szeregu przypadków pomiar naprężeń na powierzchni może być wystarczający dla oszacowania globalnego stanu naprężeń.
Celem wynalazku jest uzyskanie ujednorodnienia naprężeń - zminimalizowania różnic między wartościami naprężeń głównych σ1 i σ2 - w warstwie powierzchniowej.
Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że przeprowadza się proces technologiczny składający się z dwóch następujących po sobie operacji: obróbki plastycznej na zimno i obróbki cieplno-chemicznej, podczas którego w warstwie wierzchniej utwardzonego stopu metali kształtuje się naprężenia ściskające poprzez odkształcenia sprężyste i plastyczne za pomocą powierzchniowej obróbki plastycznej na zimno zwanej nagniataniem, a następnie powoduje się ujednorodnienie naprężeń - minimalizowanie różnic między wartościami naprężeń głównych σ1 i σ2 - poprzez dyfuzyjne nasycenie warstwy wierzchniej azotem za pomocą obróbki cieplno-chemicznej, przy czym warstwę wierzchnią utwardzonej stali metali poddaje się działaniu obróbki cieplno-chemicznej w zakresie temperatur nie przekraczających temperatury odpuszczania stosowanej dla danego materiału.
Odkształcenie sprężyste i plastyczne w warstwie wierzchniej uzyskuje się za pomocą elementu nagniatającego ślizgającego się po powierzchni lub za pomocą elementu nagniatającego toczącego się po powierzchni.
Rozwiązanie według wynalazku przedstawiono w przykładach realizacji poniżej.
Przeprowadzono badanie deformacji plastycznej warstwy wierzchniej, która powstała w wyniku toczenia z późniejszym nagniataniem ślizgowym, narzędziem własnej konstrukcji z elementem roboczym z kompozytu diamentowego z ceramiczną fazą wiążącą w postaci Ti3SiC2, dwóch wybranych stali narzędziowych otrzymywanych dwoma różnymi metodami: konwencjonalnym procesem metalurgicznym - stal Sverker 21 oraz technologią metalurgii proszków - stal Vanadis 6, która to deformacja wpływa na uzyskanie ściskających naprężeń głównych σ i σ2, o wartościach przedstawionych poniżej:
PL 232 267 Β1
Tabela 1
| Stal | Rodzaj obróbki powierzchniowej | Wartość naprężeń głównych σι i 02 (φ - kąt pomiędzy kierunkiem naprężeń głównych a σι) |
| SVERKER 21 | Toczeni e-nagniatani e | σι = -1150±25 MPa 02 = -240 ± 40 MPa φ = 55 ± 2° |
| YANADIS 6 | Toczenie-nagniatanie | σι = -1225 ± 35 MPa oz = -345 ± 40 MPa φ = 60 ± 2 |
W przypadku toczenia „na twardo” (stali narzędziowych o twardości 60 HRC) stosowano płytki z ostrzami z PCBN. Parametry obróbki poprzedzającej nagniatanie zostały tak dobrane, aby wartość parametru Ra po toczeniu mieściła się w przedziale 0,70^-0,85 μητ Natomiast proces nagniatania ślizgowego kompozytem wykonano przy optymalnych parametrach gwarantujących największe wygładzenie nagniatanej powierzchni określone wskaźnikiem zmniejszenia chropowatości:
_ Ra' K*a ~ Ra gdzie:
Ra' [μηΊ] i Ra [μπι] - odpowiednio, zmierzona wartość parametru po toczeniu i nagniataniu.
Przeprowadzone również badania w zakresie pomiarów naprężeń w warstwie wierzchniej dwóch wybranych stali narzędziowych wysokostopowych, które po toczeniu poddano jedynie azotowaniu wykazują, że obróbka cieplno-chemiczna powoduje powstanie naprężeń ściskających w ich warstwach powierzchniowych.
Wyniki przedstawia tabela:
Tabela 2
| Stal | Rodzaj obróbki powierzchniowej | Wartość naprężeń głównych σι i σι (φ - kąt pomiędzy kierunkiem naprężeń głównych σν a σι) |
| SVERKER 21 | Toczenie-azotowanie | σι = -290 ± 40 MPa 02 = -260 ±30 MPa (σι ~ 02 - -280 ± 45 MPa) φ = 40 ± 35° |
| YANADIS 6 | T oczenie-azoto wanie | oi - -600 ± 40 MPa O2 = -520 ± 35 MPa (oi ~ 02 = -560 ± 40 MPa) φ - 50 ± 20° |
Następnie przeprowadzono modyfikację naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metali zgodnie z rozwiązaniem według wynalazku. Zastosowano po toczeniu łączony proces obróbki wykończeniowej tych stopów składający się z dwóch następujących po sobie operacji: powierzchniowej obróbki plastycznej na zimno (nagniatanie statyczne) i obróbki cieplno-chemicznej (azotowanie).
W warstwie wierzchniej utwardzonego stopu metali kształtowano naprężenia ściskające poprzez odkształcenia sprężyste i plastyczne za pomocą powierzchniowej obróbki plastycznej na zimno zwanej nagniataniem, a następnie dyfuzyjnie nasycano warstwę wierzchnią azotem za pomocą obróbki cieplno-chemicznej w zakresie temperatur nie przekraczających temperatury odpuszczania stosowanej dla danego materiału.
Przeprowadzone pomiary naprężeń w warstwach wierzchnich dwóch wybranych rodzajów stali narzędziowych poddanych opisanej wyżej obróbce łączonej dowodzą, że zastosowanie procesu odkształcenia plastycznego warstwy wierzchniej przed azotowaniem doprowadziło do ujednorodnienia naprężeń (zminimalizowania różnic między wartościami naprężeń głównych σ1 i σ2) w warstwie powierzchniowej, zgodnie z tabelą poniżej.
PL 232 267 Β1
Tabela 3
| Stal | Rodzaj obróbki powierzchniowej | Wartość naprężeń głównych σι i tn (φ - kąt pomiędzy kierunkiem naprężeń głównych σφ a <ri) |
| SVERKER 21 | Toczenie-nagniatanie-azotowanie | σι = 02 = -300 ± 60 MPa φ - nie ustalono |
| YANADIS 6 | Toczenie-nagniatanie-azotowanie | σι = 02 = -930 ±130 MPa φ - nie ustalono |
Korzystnym skutkiem proponowanego sposobu modyfikacji warstwy wierzchniej utwardzonych stopów metali, oprócz ujednorodnienia stanu naprężeń, jest wzrost właściwości mikromechanicznych -twardości i modułu Younga warstwy wierzchniej, jak również zawartości azotu oraz odporności na ścieranie.
Zastrzeżenia patentowe
Claims (3)
1. Sposób modyfikacji naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metali, znamienny tym, że przeprowadza się proces technologiczny składający się z dwóch następujących po sobie operacji: obróbki plastycznej na zimno i obróbki cieplno-chemicznej, podczas którego w warstwie wierzchniej utwardzonego stopu metali kształtuje się naprężenia ściskające poprzez odkształcenia sprężyste i plastyczne za pomocą powierzchniowej obróbki plastycznej na zimno zwanej nagniataniem, a następnie powoduje się ujednorodnienie naprężeń - minimalizowanie różnic między wartościami naprężeń głównych σ1 i σ2 - poprzez dyfuzyjne nasycenie warstwy wierzchniej azotem za pomocą obróbki cieplno-chemicznej, przy czym warstwę wierzchnią utwardzonej stali metali poddaje się działaniu obróbki cieplno-chemicznej w zakresie temperatur nie przekraczających temperatury odpuszczania stosowanej dla danego materiału.
2. Sposób modyfikacji naprężeń według zastrz. 3, znamienny tym, że odkształcenie sprężyste i plastyczne w warstwie wierzchniej uzyskuje się za pomocą elementu nagnlatającego ślizgającego się po powierzchni.
3. Sposób modyfikacji naprężeń według zastrz. 3, znamienny tym, że odkształcenie sprężyste i plastyczne w warstwie wierzchniej uzyskuje się za pomocą elementu nagniatającego toczącego się po powierzchni.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL411417A PL232267B1 (pl) | 2015-02-27 | 2015-02-27 | Sposób modyfikacji naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metali |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL411417A PL232267B1 (pl) | 2015-02-27 | 2015-02-27 | Sposób modyfikacji naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metali |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL411417A1 PL411417A1 (pl) | 2016-08-29 |
| PL232267B1 true PL232267B1 (pl) | 2019-05-31 |
Family
ID=56760168
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL411417A PL232267B1 (pl) | 2015-02-27 | 2015-02-27 | Sposób modyfikacji naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metali |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL232267B1 (pl) |
-
2015
- 2015-02-27 PL PL411417A patent/PL232267B1/pl unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL411417A1 (pl) | 2016-08-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pusavec et al. | Surface integrity in cryogenic machining of nickel based alloy—Inconel 718 | |
| Abrão et al. | The influence of deep rolling on the surface integrity of AISI 1060 high carbon steel | |
| Asi et al. | The effect of high temperature gas carburizing on bending fatigue strength of SAE 8620 steel | |
| Gundgire et al. | Synergistic effects of heat treatments and severe shot peening on residual stresses and microstructure in 316L stainless steel produced by laser powder bed fusion | |
| EP3118346B1 (en) | Nitriding method and nitrided part production method | |
| Avilés et al. | Influence of laser polishing on the high cycle fatigue strength of medium carbon AISI 1045 steel | |
| Soleimani et al. | The effect of plasma nitriding on the fatigue behavior of DIN 1.2210 cold work tool steel | |
| WO2018215996A1 (en) | Method and system for improving the surface fracture toughness of brittle materials, and a cutting tool produced by such method | |
| Leskovšek et al. | Modelling of residual stress profiles in plasma nitrided tool steel | |
| JP6521078B2 (ja) | 窒化処理鋼部品及びその製造方法 | |
| Hosseini et al. | Characterization of the surface integrity induced by hard turning of bainitic and martensitic AISI 52100 steel | |
| Thit et al. | Surface integrity and high-cycle fatigue life of direct laser metal deposited AISI 431 alloys modified by plasticity ball burnishing | |
| Jiang et al. | Tempering effect on the anisotropic mechanical properties of selective laser melted 420 stainless steel | |
| Sirin et al. | Influence of initial conditions on the mechanical behavior of ion nitrided AISI 4340 steel | |
| JPWO2017126695A1 (ja) | 非調質機械部品用鋼線及び非調質機械部品 | |
| PL232267B1 (pl) | Sposób modyfikacji naprężeń w warstwie wierzchniej utwardzonych stopów metali | |
| JP6416735B2 (ja) | 窒化部品の製造方法及び窒化部品 | |
| Wróblewski et al. | Properties of surface layer generated by new combined process of burnishing and nitriding | |
| Vander Voort | Failures of tools and dies | |
| Terres et al. | Effects of surface pre-treatment on the Nitrided layers properties | |
| Easton et al. | Effects of Forming Route and Heat Treatment on the Distortion Behavior of Case-Hardened Martensitic Steel type S156 | |
| Adenan et al. | Formation of expanded austenite using hybrid low temperature thermochemical heat treatment on 2205 duplex stainless steel | |
| Brezinová et al. | Vi náš | |
| Dorofeyev et al. | Effect of microalloying on the stability of the endurance characteristics of hot-deformed powder steels | |
| Podgornik et al. | Effect of different production phases on residual stress field in double-layer cast rolls |