Открытый доступ
Платный доступ или доступ для подписчиков
Упрочнение и повышение свойств поверхностей конструкционных сталей наноструктурирующим выглаживанием и фрикционной закалкой при обработке трением с перемешиванием. Обзор
Аннотация
Представлен обзор современных исследований в области инженерии стальных поверхностей с использованием методов интенсивной пластической деформации — наноструктурирующего выглаживания (НСВ) скользящим индентором и обработки трением с перемешиванием (ОТП) вращающимся инструментом. Приведена история создания и исследований процессов НСВ и ОТП методами конечно-элементного и физического моделирования. Проанализированы работы авторов и других исследователей по влиянию нанокристаллизации поверхностей различным скользящим инструментом на механические, теплофизические и трибологические свойства. Рассмотрены вопросы повышения эффективности наноструктурирующего выглаживания за счет применения систем теплоотвода от инструмента и ультразвукового воздействия на обрабатываемый материал. Представлены результаты исследований механизмов упрочнения поверхностной закалкой и легированием инструментом WC-Co в процессе ОТП. Определены перспективные направления применения рассмотренных методов упрочнения и повышения свойств поверхностных слоев деталей при производстве трубопроводной арматуры.
Ключевые слова
Литература
Кузнецов В. П. Теоретическое обоснование и реализация наноструктурирующего выглаживания при обработке прецизионных деталей из конструкционных сталей: дис. ... док. техн. наук: 05.02.07. Курган, 2013. 341 с.
Патент РФ № 2460628. Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием / В. П. Кузнецов. Заявл. 09.02.2011; Опубл. 10.09.2012 // Бюл. № 25. 2012.
Патент РФ № 2635987. Способ наноструктурирующего упрочнения поверхностного слоя прецизионных деталей выглаживанием и система для его осуществления / В. П. Кузнецов, А. С. Скоробогатов, А. А. Попов, М. Л. Лобанов, В. Г. Горгоц. Заявл. 11.05.2016; Опубл. 17.11.2017 // Бюл. № 32. 2017.
Кузнецов В. П., Воропаев В. В., Скоробогатов А. С. Фрикционная поверхностная закалка сталей вращающимся инструментом: учебное пособие. М-во науки и высш. образования РФ. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2022. 110 с.
Кузнецов В. П., Воронцов И. А., Карабаналов М. С. и др. Закономерности поверхностного упрочнения стали 20Х13 легированием инструментальным материалом WC-Co в процессе термомеханической обработки трением с перемешиванием // МиТОМ. 2025. № 3(837). С. 50 – 56.
Olugbade T. O., Lu J. Literature review on the mechanical properties of materials after surface mechanical attrition treatment (SMAT) // Nano Mater. Sci. 2020. V. 2, Is. 1. P. 3 – 31. DOI: 10.1016/j.nanoms.2020.04.002
Surikova N., Panin V., Narkevich N. et al. Formation of nanocrystalline structures by ultrasonic impact treatment and their effect on mechanical characteristics of steels and alloys // AIP Conf. Proc. 2020. V. 2310. P. 020333-1-020333-5. DOI: 10.1063/5.0034373
Li J., Gao W.-D., Cao Y. et al. Microstructures and mechanical properties of a gradient nanostructured 316L stainless steel processed by rotationally accelerated shot peening // Adv. Eng. Mater. 2018. V. 20, Is. 10. 1800402.
Dai K., Villegas J., Shaw L. An analytical model of the surface roughness of an aluminum alloy treated with a surface nanocrystallization and hardening process // Scr. Mater. 2005. V. 52. P. 259 – 263.
Liu D., Liu D. X., Zhang X. H. et al. Surface nanocrystallization of 17-4 precipitation-hardening stainless steel subjected to ultrasonic surface rolling process // Mater. Sci. Eng. A. 2018. V. 726. P. 69 – 81.
Liu R. Y., Yuan S., Lin N. M. et al. Application of ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technique for surface strengthening of titanium and titanium alloys: a mini review // J. Mater. Res. Technol. 2021. V. 11. P. 351 – 377.
Grosdidier T., Novelli M. Recent developments in the application of surface mechanical attrition treatments for improved gradient structures: processing parameters and surface reactivity // Mater. Trans. 2019. V. 60. P. 1344 – 1355.
Tian J. W., Villegas J. C., Yuan W. et al. A study of the effect of nanostructured surface layers on the fatigue behaviors of a C-2000 superalloy // Mater. Sci. Eng. A. 2007. V. 468 – 470. P. 164 – 170.
Kuznetsov V. P., Tarasov S. Yu., Dmitriev A. I. Nanostructuring burnishing and subsurface shear instability // J. Mater. Process. Technol. 2015. V. 217. P. 327 – 335. DOI: 10.1016/ j.jmatprotec.2014.11.023
Кузнецов В. П., Скоробогатов А. С. Теория, практика и перспективы развития технологии наноструктурирующего выглаживания // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. 2017. № 2(41). С. 184 – 194.
Kuznetsov V. P., Smolin I. Yu., Dmitriev A. I. et al. Finite element simulation of nanostructuring burnishing // Phys. Mesomech. 2013. V. 16, Is. 1. P. 62 – 72. DOI: 10.1134/ S1029959913010074
Кузнецов В. П., Никонов А. Ю., Дмитриев А. И. и др. Исследование механизмов наноструктурирования поверхностного слоя при пластическом деформировании скользящим индентром. Моделирование на атомном масштабе // Физическая мезомеханика. 2012. Т. 15, № 3. С. 59 – 69.
Dmitriev A. I., Kuznetsov V. P., Nikonov A. Yu., Smolin I. Yu. Modelling of nanostructuring burnishing on different scales // Phys. Mesomech. 2014. V. 17, Is. 4. P. 6 – 13. DOI: 10.1134/S1029959914040018
Lyashenko I. A., Popov V. L. Theoretical estimation the influence of plastic deformation on average coefficient of friction in the process of nanostructuring burnishing of metal samples // J. Frict. Wear. 2019. V. 40, Is. 5. P. 384 – 391.
Kuznetsov V., Smolin I., Skorobogatov A., Akhmetov A. Finite element simulation and experimental investigation of nanostructuring burnishing AISI 52100 steel using an inclined flat cylindrical tool // Applied Sciences. 2023. V. 13, Is. 9. Art. 5324. DOI: 10.3390/app13095324
Bapat P. S., Dhikale P. D., Shinde S. M. et al. A numerical model to obtain temperature distribution during hard turning of AISI 52100 steel // Mater. Today Proc. 2015. V. 2. P. 1907 – 1914. DOI: 10.1016/j.matpr.2015.07.150
Kuznetsov V. P., Makarov A. V., Psakhie S. G. et al. Tribological aspects in Nanostructuring burnishing of structural steels // Phys. Mesomech. 2014. V. 17, Is. 4. P. 250 – 264. DOI: 10.1134/S102995991404002X
Kuznetsov V. P., Tarasov S. Yu., Dmitriev A. I. Nanostructuring burnishing and subsurface shear instability // J. Mater. Process. Technol. 2015. V. 217. P. 327 – 335. DOI: 10.1016/ j.jmatprotec.2014.11.023
Скоробогатов А. С., Кузнецов В. П., Горгоц В. Г. Повышение эффективности наноструктурирующего выглаживания путем управления теплоотводом // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. 2017. № 2(41). С. 174 – 180.
Скоробогатов А. С. Управление формированием структуры и свойств поверхностного слоя мартенситных сталей при высокоскоростном наноструктурирующем выглаживании с теплоотводом. Дис. ... канд. техн. наук. Екатеринбург: УрФУ, 2018. 142 с.
Lyashenko I. A., Kuznetsov V. P., Popov M. et al. Dynamical modeling of spontaneous oscillation during nanostructuring burnishing // Физическая мезомеханика. 2015. Т. 18, № 1. С. 38 – 42.
Кузнецов В. П., Горгоц В. Г., Скоробогатов А. С. Моделирование нелинейной динамики наноструктурирующего выглаживания и синтез демпфирующего узла инструмента // Вестник Рыбинской государственной авиационной технологической академии им. П. А. Соловьева. 2017. № 2(41). С. 159 – 165.
Tatarintsev I. V., Kuznetsov V. P., Popov M., Popov V. L. The effect of stick-slip friction on the stability of nanostructuring burnishing // Applied Sciences. 2024. V. 14, Is. 23. Art. 11148. DOI: 10.3390/app142311148
Патент РФ № 89015. Динамическая опора индентора для выглаживания прерывистых поверхностей / В. П. Кузнецов. Опубл. 27.11.2009 // Бюл. № 33. 2009.
Патент РФ № 97671. Выглаживатель с оптоэлектронным датчиком виброперемещений индентора / В. П. Кузнецов. Опубл. 20.09.2010 // Бюл. № 26. 2010.
Kuznetsov V., Tatarintsev I., Voropaev V., Skorobogatov A. Surface nanocrystallization and improvement of the mechanical and tribological properties of AISI 304 steel using multi-pass nanostructuring burnishing // Materials. 2024. V. 17, Is. 22. Art. 5656.
Barcelos, Marcos Antфnio, Mariana Valinhos Barcelos et al. Wear resistance of AISI 304 stainless steel submitted to low temperature plasma carburizing // REM — Int. Eng. J. 2017. V. 70, Is. 3. P. 293 – 298. DOI: 10.1590/ 0370-44672016700094
Кузнецов В. П., Корелин А. В., Воропаев В. В. и др. Влияние химико-термической и поверхностных механических обработок на микроструктуру, свойства и сопротивление усталости стали 20Х // МиТОМ. 2025. № 1(835). С. 28 – 39.
Кузнецов В. П., Колмаков С. В., Татаринцев И. В. и др. Влияние подачи ультразвукового выглаживания на микротвердость и микропрофиль поверхности клина задвижки, изготовленного методом SLM из порошка стали EOS PH-1 // Упрочняющие технологии и покрытия. 2023. Т. 19, № 4(220). С. 154 – 159.
Mishra R. S., Ma Z. Y. Friction stir welding and processing // Mater. Sci. Eng. R. 2005. V. 50, Is. 1 – 2. P. 1 – 78.
Kumar A., Singh B., Patel C. et al. Friction stir processing as a novel technique for enhancement of tribological properties in metallic materials // J. Mater. Eng. Perform. 2022. V. 31, Is. 4. P. 1234 – 1245.
Ma Z. Y. Friction stir processing of AA6061 aluminum alloy: Microstructural evolution and wear resistance // Mater. Sci. Eng. A. 2021. V. 805. Art. 140558.
Iwaszko J. Microstructure, hardness, and wear resistance of AZ91 magnesium alloy produced by friction stir processing with air-cooling // Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2021. V. 116. P. 1309 – 1323.
Lorenzo-Martin C., Ajayi O. O. Rapid surface hardening and enhanced tribological performance of 4140 steel by friction stir processing // Wear. 2015. V. 332 – 333. P. 962 – 970.
Rajeshkumar L., Dev S., Yazar A. Tribological enhancement of AISI 420 martensitic stainless steel through friction-stir processing // Tribology International. 2023. V. 178. P. 108065. ISSN 0301-679X
Chang C. I. Relationship between grain size and Zener-Holloman parameter during friction stir processing in AZ31 Mg alloys // Scr. Mater. A. 2004. V. 51(6). P. 509 – 514.
Azizieh M. Fabrication of AZ31/Al2O3 nanocomposites by friction stir processing // Rev. Adv. Mater. Sci. A. 2011. V. 28. P. 85 – 89.
Sharma A., Maheshwari S., Khanna P. Surface composite fabrication by friction stir processing // A review. E3S Web Conf. A. 2021. V. 309. P. 11.
Dodds S., Jones A. H., Cater S. Tribological enhancement of AISI 420 martensitic stainless steel through friction-stir processing // Wear. 2013. V. 302, Is. 1 – 2. P. 863 – 877.
Патент РФ № 2595191. Способ упрочнения поверхности деталей обработкой трением с перемешиванием вращающимся инструментом / В. П. Кузнецов, А. А. Попов, В. Г. Горгоц, В. В. Воропаев. Заявл. 10.12.2014; Опубл. 20.08.16 // Бюл. № 23. 2016.
Патент РФ № 197733. Инструмент для фрикционной поверхностной закалки детали / В. П. Кузнецов, В. Г. Горгоц, А. С. Скоробогатов, В. В. Воропаев, С. В. Кузнецов. Заявл. 26.02.2020; Опубл. 25.05.2020 // Бюл. № 15. 2020.
Voropaev V. V., Kuznetsov V. P., Skorobogatov A. S., Barabashova A. A. Impact of friction stir processing parameters on forming the structure and properties in AISI 420 steel surface layer // KnE Engineering 1(1). April 2019. P. 158 – 162. DOI: 10.18502/keg.v1i1.4404
Воропаев В. В. Управление поверхностной закалкой кольцевых участков стали 20Х13 при обработке трением с перемешиванием: Дисс. ... канд. техн. наук: 16.05.09. Уральский федеральный университет им. Первого Президента России Б. Н. Ельцина. Екатеринбург, 2021. 169 с.
Kuznetsov V. P., Skorobogatov A. S., Kolubaev E. A. et al. Effect of the tool path on hardness uniformity in an annular zone of X20Cr13 steel surface-hardened by friction stir processing // Phys. Mesomech. 2023. V. 26, Is. 6. P. 593 – 607.
Патент РФ № 214984. Устройство охлаждения стальной заготовки при фрикционной поверхностной закалке вращающимся твердосплавным инструментом / В. П. Кузнецов, В. Г. Горгоц, В. В. Воропаев. Заявл. 20.04.2022; Опубл. 23.11.2022 // Бюл. № 33. 2022.
Campana G., Ascari A., Tani G. A metod for laser heat treatment efficiency evaluation in multi-track surface hardening // MSEC. 2009. V. 2. P. 677 – 683.
Yamamoto H., Koga S., Ito K., Mikami Y. Fatigue strength improvement due to alloying steel weld toes with WC tool constituent elements through friction stir processing // Int. J. Adv. Manuf. Technol. A. 2022. V. 119, Is. 9 – 10. P. 6203 – 6213.
DOI: https://doi.org/10.30906/mitom.2025.9.84-92
© Издательский дом «Фолиум», 1998–2026