Підвищення експлуатаційних властивостей сталевих виробів комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкою

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЛесик, Дмитро Анатолійович
dc.contributor.authorДанилейко, Олександр Олександрович
dc.date.accessioned2024-01-17T10:56:22Z
dc.date.available2024-01-17T10:56:22Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractДанилейко О. О. Підвищення експлуатаційних властивостей сталевих виробів комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкою. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії зі спеціальності 131 «Прикладна механіка». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Міністерство освіти і науки України. – Київ, 2023. У дисертаційній роботі висвітлюються способи підвищення надійності та довговічності інструментів зі сталі 30ХГСА, які використовуються в дробарках ударного типу, а також корпусів коронок для колонкового буріння комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкою. При проведенні теоретичної розвідки опрацьовано новітні наукові доробки з механіки контактної взаємодії, інженерії поверхні, теорії теплопровідності при дії концентрованих джерел енергії. Для обробки результатів дослідження та оптимізації технологічного процесу зміцнення поверхні сталевих деталей лазерною обробкою використано методи багатофакторного планування експерименту та математичної статистики. Випробування на зносостійкість зразків зі сталі 30ХГСА, зміцнених комбінованими методами, проводились в умовах тертя жорстко закріплених абразивних часток з подальшим визначенням стійкості ударного інструмента до корозії. Завдяки отриманим результатам проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблено спосіб термомеханічної поверхневої обробки металевих виробів за роздільною схемою, відповідно до якої передбачається спочатку проведення пластичної деформації поверхневого шару виробу високошвидкісним потоком із сферичними дрібнорозмірними частками протягом визначеного часу (для утворення подрібненої активованої структури та шорсткості текстури на поверхні), а потім – термообробку з високошвидкісним нагріванням лазерним променем поверхні деталі до температури області стабільного аустеніту, та подальшим миттєвим охолодженням із швидкістю вище критичної швидкості гартування. Запропоновано алгоритм визначення технологічних режимів комбінованої термомеханічної поверхневої обробки інструментів зі сталі 30ХГСА з використанням дробоструминної (далі – ДСО) і лазерно­термічної (далі – ЛТО) обробок, а також з урахуванням кута нахилу струменевого потоку при ДСО. Встановлено, що при ЛТО без оплавлення ефект поверхневого пластичного деформування в зміцненому поверхневому шарі зберігається. При ДСО з подальшою ЛТО глибина зміцненого шару в 1,4 рази більша, порівняно з окремою ЛТО, і в 14 раз більша, порівнюючи з окремою ДСО. Спільна деформаційна дія динамічних інструментів при ДСО, низькочастотній ударній обробці та подальшій термічній дії лазерного променя сприяють значній зміні структурного і напруженого станів та справляють суттєвий вплив на зміну глибини, мікротвердості та зношування деталей. Визначено, що при динамічній дії дробоструминної обробки розмір кристалітів менший у 1,5 рази, як порівняти з вихідним матеріалом без зміни фазового складу. При гартуванні лазерним променем розмір кристалітів заліза менший майже в 2 рази, порівнюючи з дією ДСО, і майже в 3 рази, порівнюючи з вихідним станом матеріалу. Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній уперше: 1. Розроблено комбінований спосіб лазерного термомеханічного зміцнення з попереднім нанесенням відповідної текстури на поверхні деформаційним інструментом і подальшим лазерним гартуванням високопотужним лазером, експериментально визначено оптимальні технологічні режими зміцнення виробів зі сталі 30ХГСА, що забезпечує не тільки підвищення глибини зміцнення та покращує фізико­механічні властивості поверхневого шару, а й підвищує зносостійкість виробів у більш ніж 13 разів. 2. Запропоновано алгоритм визначення оптимальних технологічних режимів за критерієм глибини зміцненого шару для визначення ефективної схеми комбінованої лазерної термомеханічної обробки інструментів із середньолегованих сталей. 3. Запропоновано розрахунково­експериментальну залежність для визначення зони деформаційного впливу під час охолодження при використанні комбінованого лазерного термомеханічного зміцнення за суміщеною схемою. 4. Експериментально підтверджено, що попередня деформаційна дія ДСО перед термічною дією ЛТО значно збільшує глибину поверхневого шару при використанні вихідного об’ємногартованого зразка (порівнюючи з вихідним зразком без гартування). 5. Визначено зміни глибини, мікротвердості, розміру і ступеня деформації кристалітів, величини внутрішніх залишкових напружень, а також зносо­ та корозійної стійкості зразків, зміцнених одиничними та комбінованими термомеханічними способами обробки з використанням динамічної деформаційної дії інструментів та термічної дії лазерним променем. Практичне значення отриманих результатів полягає в такому: - спроектовано і виготовлено експериментальну установку з числовим програмним керуванням та розроблено керуючі програми для оздоблювальнозміцнювальної обробки металевих виробів з використанням термічної дії лазерного променя та деформаційної (зокрема ударної) дії деформуючого інструмента, а також модернізовано установку та пристрої для досліджень; - удосконалена методика визначення глибини зміцненого шару після термодеформаційного процесу поверхневого зміцнення. Встановлено, що комбінована ДСО + ЛТО сприяє збільшенню глибини зміцнення на 50 %, порівнюючи з окремою ЛТО. - розроблено та випробувано у виробничих умовах технологічні процеси комбінованої лазерної обробки. Їх випробування в умовах ДП завод «Генератор», Державного концерну «Укроборонпром» та Приватному акціонерному товаристві «Хорольський механічний завод», засвідчило підвищення глибини зміцнення поверхневого шару оброблюваних деталей у 1,8 разів, порівнюючи з лазерною термічною обробкою; покращення фізико­механічних властивостей поверхні деталі, зокрема збільшення мікротвердості в 2,6 рази, а також зростання зносостійкості у понад 13 разів. - результати дисертаційної роботи використовуються для підготовки фахівців зі спеціальності 131 «Прикладна механіка» в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», для проведення експериментальних досліджень за різноманітними науковими темами та проєктами. Результати дисертаційної роботи, зокрема, були використані у межах досліджень наукового проєкту № 0121U113829 «Підвищення зносо­ та корозійної стійкості сталевих виробів комбінованим методом поверхневої лазерно­механічної обробки». Використання комбінованого термомехнічного зміцнення в умовах виробництва засвідчило поліпшення якості поверхневого шару деталей, що в умовах подальшої експлуатації не схильний до розтріскування та відшарування, а також підвищення глибини зміцнення, покращення фізико­механічних властивостей та зростання зносостійкості у понад 13 разів, порівняно з матеріалом, який не проходив додаткову комбіновану термодеформаційну обробку. Упровадження запропонованого комбінованого способу зміцнення сприятиме підвищенню ефективності виробництва за рахунок автоматизації процесів термомеханічної обробки по контуру деталей складної форми зі сталі 30ХГСА, а також із тугоплавких металів. Основні результати дисертаційного дослідження опубліковані в 25 наукових працях, серед яких: 3 розділи в іноземних колективних виданнях, проіндексованих у міжнародній наукометричній базі Scopus; 2 статті в періодичних наукових виданнях, проіндексованих у базі Scopus; 5 статей у наукових фахових виданнях України; 8 праць апробаційного характеру (тези доповідей). За матеріалами дисертаційної роботи розроблено та захищено деклараційними патентами України 7 способів комбінованої термомеханічної обробки.uk
dc.description.abstractotherDanyleiko O. O. Enhancing the operational properties of steel products by combined laser thermomechanical processing. – Manuscript. Thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy, Specialty 131 “Applied Mechanics.” – National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute,” Ministry of Education and Science of Ukraine, Kyiv, 2023. The thesis describes a method to increase wear and corrosion resistance of products made of steel grade 30HGSA (such as mill hammers and bodies of core drill bits) using combined laser heat treatment (LHT). Theoretical study is founded on the theories of contact mechanics, surface engineering, and thermal conductivity via a focused source of energy. For further systematic processing of the collected findings, general methods of a fully crossed design and mathematical statistics are applied. Furthermore, these methods have been employed to optimise the technical process of using combined LHT to enhance the surface of medium­alloy steel products. Based on experimental and theoretical results obtained, a technique of thermomechanical processing of metallic materials following a separate scheme is proposed. Plastic deformation and heat treatment are combined into a single process. The material’s surface layer is distorted by high­velocity spherical particle flows for some time to form a crushed structure, and then heated by a laser beam to the temperature of the austenite stability. Finally, the surface layer is automatically tempered by the quick cooling. The cooling rate in this case surpasses the critical quenching speed. The inclination angle of the abrasive flow during shot blasting (SB) is established, and an algorithm for calculating the technical features of combined thermomechanical surface treatment of products produced of steel grade 30HGSA utilising SB and LHT is presented. It has been proven that the impact of plastic deformation is retained during LHT without melting. Meanwhile, the depth of the hardened layer grew by 1,4 times when SB was followed by LHT, and it is roughly 14 times more than that of SB. Deformations generated by dynamic impact during SB and low­frequency impact treatment, along with the following thermal action of the laser beam, result in significant changes in structural and stress states of the surface layer, improving its depth, microhardness, and wear resistance. When compared to the base material, the crystallite size dropped by almost 1,5 times after SB with no change in the phase structure of the samples. When compared to SB, the size of Fe crystallites decreased by half after laser hardening. Furthermore, it is roughly three times lower than the base material. The scientific novelty of the results obtained: 1. For the first time, the combined method of laser thermomechanical surface treatment with preparatory plastic deformation and subsequent laser hardening was devised, and sustainable regimes for surface hardening of products made of steel grade 30HGSA were experimentally determined. The method boosts hardening depth, improves physical and mechanical properties of the surface layer, and increases wear resistance by 13 times. 2. For the first time, a method for determining the best technical regimes for hardening medium­alloy steel products by the combined LHT based on the surface hardness depth criteria is described. 3. The calculated and experimental dependencies of the deformation zones in the cooling process after combined laser thermomechanical surface treatment are presented. 4. It has been experimentally confirmed that the preliminary deformation of SB before the thermal action of LHT significantly increases the depth of the surface layer when using the initial volume­hardened sample compared to the initial sample without hardening. 5. The variations in depth, microhardness, size, and crystallite deformations, the value of internal residual stresses, wear and corrosion resistance of samples hardened by single and combined mechanical­thermal treatment using dynamic deformation and thermal action of the laser beam, are determined. The practical significance of the findings: - an experimental CNC laser machine is constructed and a G­code programme for hard­facing metal products with the thermal action of the laser beam and deformation done by the deformation tool is presented. Furthermore, the DM2800 machine as well as the apparatus and equipment employed in the research, were improved; - the method of measuring the depth of the hardened layer after the thermal deformation processes driven by surface hardening is proposed. It has been proven that the combined method of SB + LTH enhances hardening depth by 50% when compared to LHT; - the integrated LHT technology has been established and tested in production circumstances. Tests conducted by the state­owned enterprise plant “Henerator,” the state concern “Ukroboronprom,” and the open joint­stock company “Khorol Mechanical Plant” revealed that the hardening depth rose by 1,8 times when compared to LHT. Furthermore, the physical and mechanical characteristics of the surface layer have been significantly enhanced, with microhardness increasing by 2,6 times and wear resistance increasing by more than 13 times; - the findings might be used to prepare professionals in specialisation 131 “Applied Mechanics” at National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, as well as to perform more experimental studies on a variety of scientific and technical issues. The findings of the study, for instance, are used in the joint Ukrainian­Czech study No 0121U113829 “Increasing wear and corrosion resistance of steel products by combined laser thermomechanical treatment.” The application of combined thermomechanical strengthening under production conditions has demonstrated notable enhancements in the surface layer quality of parts. This improvement is characterized by a reduced susceptibility to cracking and peeling during subsequent operational conditions. Additionally, this method has led to a deeper strengthening effect, advancements in physical and mechanical properties, and a remarkable increase in wear resistance – exceeding 13 times that of materials without the additional combined thermo­deformation treatment. Implementing the proposed combined strengthening method holds the potential to boost production efficiency significantly. This is achieved through the automation of thermomechanical processing processes along the contours of intricately shaped parts, especially those composed of 30KhHSA steel and refractory metals. Work approbation. Following the research subject, 25 scholarly publications were published. There are two papers in academic journals included in the Scopus database, three journal articles in a book series included in the Scopus database, five academic pieces published in Ukrainian scientific professional periodicals, and eight theses. In addition, seven patent­protected techniques of combined thermomechanical heat treatment were proposed.uk
dc.format.extent246 с.uk
dc.identifier.citationДанилейко, О. О. Підвищення експлуатаційних властивостей сталевих виробів комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкою : дис. … д-ра філософії : 131 Прикладна механіка / Данилейко Олександр Олександрович. – Київ, 2023. – 246 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/63882
dc.language.isoukuk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорськогоuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectкомбінований процесuk
dc.subjectкомбінована лазерна термомеханічна обробкаuk
dc.subjectдробоструминна обробкаuk
dc.subjectлазерна обробкаuk
dc.subjectнизькочастотна ударна обробка з обертаннямuk
dc.subjectконцентровані джерела енергіїuk
dc.subjectпластична деформаціяuk
dc.subjectповерхняuk
dc.subjectметод вимірюванняuk
dc.subjectмікроструктураuk
dc.subjectглибина зміцненняuk
dc.subjectмікротвердістьuk
dc.subjectзносостійкістьuk
dc.subjectкорозійна стійкістьuk
dc.subjectструктурно­фазовий аналізuk
dc.subjectcombined processuk
dc.subjectcombined laser thermo­mechanical processinguk
dc.subjectshot blastinguk
dc.subjectlaser heat treatmentuk
dc.subjectlow­frequency impact treatment with rotationuk
dc.subjectconcentrated energy sourcesuk
dc.subjectplastic deformationuk
dc.subjectsurfaceuk
dc.subjectmeasurement methoduk
dc.subjectmicrostructureuk
dc.subjectdepth of hardeninguk
dc.subjectmicrohardnessuk
dc.subjectwear resistanceuk
dc.subjectcorrosion resistanceuk
dc.subjectstructural phase analysisuk
dc.subject.udc621.7 : 621.9uk
dc.titleПідвищення експлуатаційних властивостей сталевих виробів комбінованою лазерною термомеханічною поверхневою обробкоюuk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Danyleiko_dys.pdf
Розмір:
14.04 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.01 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЛТФТТ)
Дисертації (вільний доступ)