Підвищення зносостійкості важконавантажених деталей трибомеханічних систем методом комбінованого лазерно-хіміко-термічного оброблення

Автор(и)

  • Мирслав Васильович Кіндрачук Національний авіаційний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-0529-2466
  • Олександр Іванович Духота Національний авіаційний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-8091-1717
  • Олександр Вікторович Тісов Національний авіаційний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-3023-9624
  • Євген Валентинович Корбут Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-1221-4052
  • Аліна Олександрівна Юрчук Національний авіаційний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-0119-3428
  • Володимир Володимирович Харченко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-6383-5337
  • Ніла Олександрівна Науменко ДП «Державний автотранспортний науково-дослідний і проектний інститут», Україна https://orcid.org/0000-0002-3856-2645

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.231595

Ключові слова:

трибомеханічні системи, вузли тертя, азотована сталь, дискретна лазерна обробка, зносостійкість

Анотація

Виконано аналіз стану трибологічного забезпечення в авіаційній галузі. Встановлено пріоритетність використання технологій поверхневого зміцнення для підвищення ресурсу деталей вузлів тертя. Проведено огляд сучасних комбінованих технологій азотування і лазерної обробки поверхонь сталей. Визначено механізм пошкодження сталі 30Х2НВФА кульково-гвинтового підіймального механізму закрилків транспортного літака, що розвивається внаслідок недостатньої поверхневої твердості матеріалу після загально-прийнятої термічної обробки. Оже-спектральним аналізом встановлено високу концентрацію кисню на поверхні: до 41,4 % ат. Виявлено навуглецювання поверхні тертя, особливо значне на поверхні пітингового пошкодження. Запропоновано комплексну технологію поверхневого зміцнення азотування+лазерне дискретне гартування. Потужність випромінювання склала 1 КВт, діаметр плями фокусування – 2,5 мм і крок між центрами плям фокусування 2,5 мм. Загальна площа обробки лазером склала 70 %. Температура сталі перевищувала Ас3 івідповідала діапазону температур гартування. Глибина азотованого шару зростає до 400 мкм, максимальна твердість на поверхні 1350–1380 HV0,2. Спостерігається утворення суцільного азотованого шару товщиною 200–250 мкм, і перехідної зони, що складена з нітридів заліза стовпчастої форми, які проваджуються в матричний матеріал. Унаслідок цьогозникає різкий градієнт механічних властивостей.Випробуваннями підтверджено, що зносостійкість комплексно обробленої поверхні в 2,1 рази вища в умовах сухого тертя, і в 4,5 рази – в умовах мащення консистентним мастилом «Ера» (РФ) при порівнянні з азотованою за загальноприйнятою технологією сталлю 30Х2НВФА. Крім того, відсутнє крихке руйнування поверхні, значно знижується взаємодія з киснем

Біографії авторів

Мирслав Васильович Кіндрачук, Національний авіаційний університет

Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри

Кафедра машинознавства, стандартизації та сертифікації

Олександр Іванович Духота, Національний авіаційний університет

Доктор технічних наук, професор

Кафедра підтримання льотної придатності повітряних суден

Олександр Вікторович Тісов, Національний авіаційний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра машинознавства, стандартизації та сертифікації

Євген Валентинович Корбут, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра конструювання машин

Аліна Олександрівна Юрчук, Національний авіаційний університет

Кандидатка технічних наук, доцентка

Кафедра комп’ютеризованих електротехнічних систем та технологій

Володимир Володимирович Харченко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Аспірант

Кафедра конструювання машин

Ніла Олександрівна Науменко, ДП «Державний автотранспортний науково-дослідний і проектний інститут»

Наукова співробітниця

Посилання

  1. Toboła, D., Kania, B. (2018). Phase composition and stress state in the surface layers of burnished and gas nitrided Sverker 21 and Vanadis 6 tool steels. Surface and Coatings Technology, 353, 105–115. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.08.055
  2. Dixit, T., Singh, I., Prasad, K. E. (2019). Room and high temperature dry sliding wear behavior of Boron modified as-cast Ti-6Al-4V alloys against hardened steel. Wear, 420-421, 207–214. doi: https://doi.org/10.1016/j.wear.2018.10.021
  3. Fryska, S., Słowik, J., Baranowska, J. (2019). Structure and mechanical properties of chromium nitride/S-phase composite coatings deposited on 304 stainless steel. Thin Solid Films, 676, 144–150. doi: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2019.01.046
  4. Yasumaru, N., Sentoku, E., Miyazaki, K., Kiuchi, J. (2013). Femtosecond-laser-induced nanostructure formed on nitrided stainless steel. Applied Surface Science, 264, 611–615. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.10.076
  5. Kovacı, H., Seçer, Y. (2020). Improved tribological performance of AISI 316L stainless steel by a combined surface treatment: Surface texturing by selective laser melting and plasma nitriding. Surface and Coatings Technology, 400, 126178. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126178
  6. Pohrelyuk, I. M., Kindrachuk, M. V., Lavrys’, S. M. (2016). Wear Resistance of VT22 Titanium Alloy After Nitriding Combined with Heat Treatment. Materials Science, 52 (1), 56–61. doi: https://doi.org/10.1007/s11003-016-9926-0
  7. Kindrachuk, M., Shevchenko, A., Kryzhanovskyi, A. (2016). Improvement of the quality of TiC-Co system plasma coating by laser treatment. Aviation, 20 (4), 155–159. doi: https://doi.org/10.3846/16487788.2016.1227551
  8. Marchuk, V., Kindrachuk, M., Tisov, O., Kornienko, A., Radko, O., Kharchenko, V. (2019). Stress-strained state of textured surfaces with selectively indented regions. Functional Materials, 26 (4), 773–778. doi: https://doi.org/10.15407/fm26.04.773
  9. Panashenko, V. M., Podchernyaeva, I. A., Dukhota, A. I., Panasyuk, A. D. (2012). Structural and phase transformations on spark-laser coatings under fretting corrosion in air. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 51 (1-2), 112–120. doi: https://doi.org/10.1007/s11106-012-9405-6
  10. Fedirko, V. М., Pohrelyuk, І. М., Luk’yanenko, О. H., Lavrys’, S. М., Kindrachuk, М. V., Dukhota, О. І. et. al. (2018). Thermodiffusion Saturation of the Surface of VT22 Titanium Alloy from a Controlled Oxygen–Nitrogen-Containing Atmosphere in the Stage of Aging. Materials Science, 53 (5), 691–701. doi: https://doi.org/10.1007/s11003-018-0125-z
  11. Pashechko, M. I., Shyrokov, V. V., Duryahina, Z. A., Vasyliv, Kh. B. (2003). Structure and corrosion-mechanical properties of the surface layers of steels after laser alloying. Materials Science, 39, 108–117. doi: https://doi.org/10.1023/A:1026134714719
  12. Holubets, V. M., Pashechko, M. I., Dzedzic, K., Borc, J., Tisov, A. V. (2020). Frictional Strength of Electric Spark Coatings from Powder Wires under Friction without Lubrication. Journal of Friction and Wear, 41 (5), 443–446. doi: https://doi.org/10.3103/s1068366620050128
  13. Dykha, A., Marchenko, D., Artyukh, V., Zubiekhina-Khaiiat, O., Kurepin, V. (2018). Study and development of the technology for hardening rope blocks by reeling. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (1 (92)), 22–32. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.126196
  14. Gorokh, G. G., Pashechko, M. I., Borc, J. T., Lozovenko, A. A., Kashko, I. A., Latos, A. I. (2018). Matrix coatings based on anodic alumina with carbon nanostructures in the pores. Applied Surface Science, 433, 829–835. doi: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.10.117
  15. Pashechko, M. I., Dziedzic, K., Mendyk, E., Jozwik, J. (2017). Chemical and Phase Composition of the Friction Surfaces Fe–Mn–C–B–Si–Ni–Cr Hardfacing Coatings. Journal of Tribology, 140 (2). doi: https://doi.org/10.1115/1.4037953
  16. Lyashenko, B. A., Solovyh, E. K., Mirnenko, V. I., Rutkovskiy, A. V., Chernovol, M. I.; Harchenko, V. V. (Ed.) (2010). Optimizatsiya tekhnologii naneseniya pokrytiy po kriteriyam prochnosti i iznosostoykosti. Kyiv, 193.
  17. Sorokatyi, R., Chernets, M., Dykha, A., Mikosyanchyk, O. (2019). Phenomenological Model of Accumulation of Fatigue Tribological Damage in the Surface Layer of Materials. Mechanisms and Machine Science, 3761–3769. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-20131-9_371
  18. Hryhorenko, G. M., Adeeva, L. I., Tunik, A. Yu., Karpets, M. V., Korzhyk, V. N., Kindrachuk, M. V., Tisov, O. V. (2020). Formation of Microstructure of Plasma-Arc Coatings Obtained Using Powder Wires with Steel Skin and B4C+(Cr,Fe)7С3+Al Filler. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 42 (9), 1265–1282. doi: https://doi.org/10.15407/mfint.42.09.1265
  19. Schaaf, P., Illgner, C., Landry, F., Lieb, K.-P. (1998). Correlation of the microhardness with the nitrogen profiles and the phase composition in the surface of laser-nitrided steel. Surface and Coatings Technology, 100-101, 404–407. doi: https://doi.org/10.1016/s0257-8972(97)00658-0
  20. Sim, A., Park, C., Kang, N., Kim, Y., Chun, E.-J. (2019). Effect of laser-assisted nitriding with a high-power diode laser on surface hardening of aluminum-containing martensitic steel. Optics & Laser Technology, 116, 305–314. doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2019.03.040
  21. Copola, C. J., Avram, I., Terzzoli, M. C., Duhalde, S., Morales, C., Pérez, T. et. al. (2002). Influence of laser parameters on the nitriding of low carbon steel. Applied Surface Science, 197-198, 896–903. doi: https://doi.org/10.1016/s0169-4332(02)00452-x
  22. Wu, G., Wang, R., Yang, J., Chen, X., Cao, S., Guo, W. et. al. (2011). Study of laser nitriding on the GCR15 steel surface. Physics Procedia, 18, 285–290. doi: https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.06.096
  23. Maharjan, N., Zhou, W., Wu, N. (2020). Direct laser hardening of AISI 1020 steel under controlled gas atmosphere. Surface and Coatings Technology, 385, 125399. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125399
  24. Fastow, M., Bamberger, M. (1988). Laser nitriding of AISI 4340 steel. Scripta Metallurgica, 22(2), 183–186. doi: https://doi.org/10.1016/s0036-9748(88)80330-2
  25. Boes, J., Röttger, A., Becker, L., Theisen, W. (2019). Processing of gas-nitrided AISI 316L steel powder by laser powder bed fusion – Microstructure and properties. Additive Manufacturing, 30, 100836. doi: https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.100836
  26. Karamis, M. B., Yilbas, B. S. (1991). Laser melting of plasma-nitrided steel samples. Surface and Coatings Technology, 45 (1-3), 399–402. doi: https://doi.org/10.1016/0257-8972(91)90248-u
  27. Szymkiewicz, K., Morgiel, J., Maj, Ł., Pomorska, M., Tarnowski, M., Tkachuk, O. et. al. (2020). Effect of nitriding conditions of Ti6Al7Nb on microstructure of TiN surface layer. Journal of Alloys and Compounds, 845, 156320. doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156320
  28. Kostetskiy, B. I. (1970). Trenie, smazka i iznos v mashinah. Kyiv: Tekhnika, 396.
  29. Chattopadhyay, A., Kumar, K. C. H., Sarma, V. S., Murty, B. S., Bhattacharjee, D. (2010). Prediction of carbon segregation on the surface of continuously annealed hot-rolled LCAK steel. Surface and Coatings Technology, 205 (7), 2051–2054. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.08.098
  30. Міshchuk, О. A., Теlемkо, О. V., Dziuba, V. І., Kоvаl, L. І., Pеkhnyo, V. І. (2014). Influence of sulfur free bis-helate of molybdenum on creation of friction steel surface gradient structure. Problems of Friction and Wear, 4 (65), 4–18. doi: https://doi.org/10.18372/0370-2197.4(65).8612
  31. Benar, Zh. (1967). Okislenie metallov. Vol. 1. Teoreticheskie osnovy. Moscow: Metallurgiya, 503.
  32. Kralya, V. O., Molyar, O. H., Trofimov, V. A., Khimko, A. M. (2010). Defects of steel units of the high-lift devices of aircraft wings caused by fretting corrosion. Materials Science, 46 (1), 108–114. doi: https://doi.org/10.1007/s11003-010-9270-8
  33. Kindrachuk, M. V., Dushek, Yu. Ya., Luchka, M. V., Gladchenko, A. N. (1995). Evolution of the structure and properties of eutectic coatings during friction. Poroshkovaya Metallurgiya, 5-6, 104–110. Available at: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-0029296828&origin=resultslist
  34. Kindrachuk, M. V., Dushek, Yu. Ya., Luchka, M. V. (1994). The local character of the stress-strained state of a composite loaded by friction forces. Poroshkovaya Metallurgiya, 9-10, 56–61. Available at: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-0028505568&origin=resultslist
  35. Jiang, M., Liu, C., Chen, Z., Wang, P., Liao, H., Zhao, D. et. al. (2021). Enhanced strength-ductility synergy of selective laser melted reduced activation ferritic/martensitic steel via heterogeneous microstructure modification. Materials Science and Engineering: A, 801, 140424. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140424
  36. Hassanin, A. E., Troiano, M., Scherillo, F., Silvestri, A. T., Contaldi, V., Solimene, R. et. al. (2020). Rotation-assisted Abrasive Fluidised Bed Machining of AlSi10Mg parts made through Selective Laser Melting Technology. Procedia Manufacturing, 47, 1043–1049. doi: https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.04.113
  37. Dukhota, O. I., Pohrelyuk, I. M., Molyar, O. H., Pichuhin, A. T., Luk’yanenko, O. H. (2012). Effect of Low-Temperature Oxidation and Oxynitriding on the Fretting Corrosion of VT22 Titanium Alloy. Materials Science, 48 (2), 213–218. doi: https://doi.org/10.1007/s11003-012-9494-x
  38. Pohrelyuk, I. M., Padgurskas, J., Tkachuk, O. V., Luk’yanenko, A. G., Trush, V. S., Lavrys, S. M. (2020). Influence of Oxynitriding on Antifriction Properties of Ti–6Al–4V Titanium Alloy. Journal of Friction and Wear, 41 (4), 333–337. doi: https://doi.org/10.3103/s1068366620040108
  39. Pohrelyuk, I. M., Tkachuk, O. V., Proskurnyak, R. V., Boiko, N. M., Kluchivska, O. Y., Stoika, R. S., Ozga, P. (2020). Cytocompatibility Evaluation of Ti-6Al-4V Alloy After Gas Oxynitriding. Journal of Materials Engineering and Performance, 29 (12), 7785–7792. doi: https://doi.org/10.1007/s11665-020-05265-z
  40. Takesue, S., Kikuchi, S., Misaka, Y., Morita, T., Komotori, J. (2020). Rapid nitriding mechanism of titanium alloy by gas blow induction heating. Surface and Coatings Technology, 399, 126160. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126160
  41. Burdovitsin, V. A., Golosov, D. A., Oks, E. M., Tyunkov, A. V., Yushkov, Y. G., Zolotukhin, D. B., Zavadsky, S. M. (2019). Electron beam nitriding of titanium in medium vacuum. Surface and Coatings Technology, 358, 726–731. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.11.081
  42. Kindrachuk, V. M., Kindrachuk, M. V., Korbut, Y. V., Dukhota, O. I., Tisov, O. V., Shevchenko, O. L., Holovko, L. F. (2009). Pat. No. 45549 UA. Method for discrete treatment of the nitrogenized steel articles. No. u200906959; declareted: 03.07.2009; published: 10.11.2009, Bul. No. 21. Available at: https://uapatents.com/3-45549-sposib-diskretno-obrobki-azotovanikh-stalevikh-virobiv.html
  43. Khimko, А., Kralya, V., Yakobchuk, A., Kostuchik, V., Sidorenko, A. (2011). Units wearability of aircraft wing lift devices. Problems of Friction and Wear, 55, 112–117. doi: https://doi.org/10.18372/0370-2197.55.3249

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-06-30

Як цитувати

Кіндрачук, М. В., Духота, О. І., Тісов, О. В., Корбут, Є. В., Юрчук, А. О., Харченко, В. В., & Науменко, Н. О. (2021). Підвищення зносостійкості важконавантажених деталей трибомеханічних систем методом комбінованого лазерно-хіміко-термічного оброблення. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3(12 (111), 6–13. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.231595

Номер

Том 3 № 12 (111) (2021): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Мирслав Васильевич Киндрачук, Александр Иванович Духота, Александр Викторович Тисов, Евгений Валентинович Корбут, Алина Александровна Юрчук, Владимир Владимирович Харченко, Нила Александровна Науменко

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.