Поліпшення якості поверхні сталевих деталей комбінованим лазерно-ультразвуковим обробленням: алгоритм контролю технологічних параметрів

Автор(и)

  • Дмитро Анатолійович Лесик Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»; Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України; West Pomeranian University of Technology, Україна https://orcid.org/0000-0002-6919-7409
  • Віталій Васильович Джемелінський Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-5797-0134
  • Богдан Миколайович Мордюк Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України, Україна https://orcid.org/0000-0001-6025-3884
  • Silvia Martinez University of the Basque Country, Іспанія https://orcid.org/0000-0002-4645-3131
  • Павло Васильович Кондрашев Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-7428-710X
  • Dariusz Grzesiak West Pomeranian University of Technology, Польща https://orcid.org/0000-0001-6050-708X
  • Юрій Валентинович Ключников Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0002-1970-6340
  • Аitzol Lamikiz University of the Basque Country, Україна https://orcid.org/0000-0002-8477-0699

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.277252

Ключові слова:

лазерно-ультразвукове оброблення, сталь 45, сталь Х12МФ, поверхневе зміцнення

Анотація

Для забезпечення якості поверхневого шару та підвищення експлуатаційних властивостей, запропоновано комбіновану технологію лазерного-ультразвукового поверхневого зміцнення та оздоблювання сталевих виробів. Дана робота присвячена визначенню діапазону раціональних режимів лазерного термооброблення та ультразвукового ударного оброблення для інтенсифікації процесу комбінованого зміцнення сталі 45 та сталі Х12МФ. Лазерне термозміцнення проведено за стратегією постійної температури із використанням волоконного лазера та сканувальної оптики при температурі нагрівання 1200–1300 °С та швидкості оброблення 40–140 мм/хв. Ультразвукове поверхневе зміцнення та оздоблювання виконано на технологічному обладнанні при амплітуді ультразвукових коливань 18 мкм та навантажуванні ультразвукового інструменту 50 Н. Тривалість ультразвукового оброблення варіювалася в межах 60–180 с. Результати показали, що лазерно-ультразвукове оброблення приводить до підвищення інтенсивності зміцнення більше 200 %, формуючи глибину зміцнення 200–440 мкм. Комбіноване оброблення веде до значного підвищення зносостійкості за рахунок формування дрібнорозмірної мартенситної структури з твердістю (58–60 HRC5) в приповерхневому шарі. Запропоновано алгоритм керування технологічними режимами комбінованого лазерного-ультразвукового оброблення конструкційних та інструментальних сталей, обмежуючи температуру нагрівання, тривалість лазерного (ультразвукового) впливу та амплітуду ультразвукових коливань концентратора. Лазерно-ультразвукове оброблення дозволить сформувати поверхневий шар із заданим комплексом властивостей, гарантовано підвищуючи зносо- та корозійну стійкість. Розроблена технологія може бути використання для поверхневого зміцнення великогабаритних виробів в галузі машинобудування

Біографії авторів

Дмитро Анатолійович Лесик, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»; Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України; West Pomeranian University of Technology

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра лазерної техніки та фізико-технічних технологій

Старший науковий співробітник

Відділ фізичних основ інженерії поверхні

Research Scholar

Department of Mechanical Engineering and Mechatronics

Віталій Васильович Джемелінський, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, професор

Кафедра лазерної техніки та фізико-технічних технологій

Богдан Миколайович Мордюк, Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України

Доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник  

Відділ фізичних основ інженерії поверхні

Silvia Martinez, University of the Basque Country

PhD, Researcher

Advanced Manufacturing Centre for Aeronautics

Павло Васильович Кондрашев, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра лазерної техніки та фізико-технічних технологій

Dariusz Grzesiak, West Pomeranian University of Technology

PhD, Lecturer

Department of Mechanical Engineering and Mechatronics

Юрій Валентинович Ключников, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат фізико-математичних наук, доцент

Кафедра лазерної техніки та фізико-технічних технологій

Аitzol Lamikiz, University of the Basque Country

PhD, Professor

Advanced Manufacturing Centre for Aeronautics

Посилання

  1. Roy, S., Zhao, J., Shrotriya, P., Sundararajan, S. (2017). Effect of laser treatment parameters on surface modification and tribological behavior of AISI 8620 steel. Tribology International, 112, 94–102. doi: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2017.03.036
  2. Li, R., Jin, Y., Li, Z., Qi, K. (2014). A Comparative Study of High-Power Diode Laser and CO2 Laser Surface Hardening of AISI 1045 Steel. Journal of Materials Engineering and Performance, 23 (9), 3085–3091. doi: https://doi.org/10.1007/s11665-014-1146-x
  3. Kovalenko, V., Zhuk, R. (2004). Systemized approach in laser industrial systems design. Journal of Materials Processing Technology, 149 (1-3), 553–556. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.02.020
  4. Ebrahimi, A., Sattari, M., Bremer, S. J. L., Luckabauer, M., Römer, G. R. B. E., Richardson, I. M. et al. (2022). The influence of laser characteristics on internal flow behaviour in laser melting of metallic substrates. Materials & Design, 214, 110385. doi: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110385
  5. Idan, A. F. І., Akimov, O., Golovko, L., Goncharuk, O., Kostyk, K. (2016). The study of the influence of laser hardening conditions on the change in properties of steels. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (5 (80)), 69–73. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.65455
  6. Berdnikova, O., Kushnarova, O., Bernatskyi, A., Alekseienko, T., Polovetskyi, Y., Khokhlov, M. (2020). Structure Peculiarities of the Surface Layers of Structural Steel under Laser Alloying. 2020 IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP). doi: https://doi.org/10.1109/nap51477.2020.9309615
  7. Haskin, V. Y., Bernatskyi, A. V., Siora, O. V., Nikulin, O. T. (2011). Study of influence of conditions of process of laser superficial processing of the loaded steel articles on structure and properties of obtained layers. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 33, 561–567.
  8. Zhu, L., Xue, P., Lan, Q., Meng, G., Ren, Y., Yang, Z. et al. (2021). Recent research and development status of laser cladding: A review. Optics & Laser Technology, 138, 106915. doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.106915
  9. Trojan, K., Ocelík, V., Čapek, J., Čech, J., Canelo-Yubero, D., Ganev, N. et al. (2022). Microstructure and Mechanical Properties of Laser Additive Manufactured H13 Tool Steel. Metals, 12 (2), 243. doi: https://doi.org/10.3390/met12020243
  10. Lesyk, D. A., Alnusirat, W., Martinez, S., Dzhemelinskyi, V. V., Mordyuk, B. N., Lamikiz, A. (2022). Enhancing hardness in overlapping scanner-based laser area of carbon and tool steel by multi-pin ultrasonic impact peening. Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 9 (3), 292–311. doi: https://doi.org/10.1007/s40516-022-00178-2
  11. Lesyk, D., Hruska, M., Dzhemelinkyi, V., Danyleiko, O., Honner, M. (2022). Selective Surface Modification of Complexly Shaped Steel Parts by Robot-Assisted 3D Scanning Laser Hardening System. New Technologies, Development and Application V, 30–36. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-031-05230-9_3
  12. Radziejewska, J., Skrzypek, S. J. (2009). Microstructure and residual stresses in surface layer of simultaneously laser alloyed and burnished steel. Journal of Materials Processing Technology, 209 (4), 2047–2056. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.04.067
  13. Tian, Y., Shin, Y. C. (2007). Laser-assisted burnishing of metals. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47 (1), 14–22. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2006.03.002
  14. Dzhemelinskyi, V., Lesyk, D., Goncharuk, O., Dаnyleikо, O. (2018). Surface hardening and finishing of metallic products by hybrid laser­ultrasonic treatment. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (91)), 35–42. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.124031
  15. Lesyk, D., Martinez, S., Mordyuk, B., Dzhemelinskyi, V., Lamikiz, A. (2021). Wear Characteristics of Carbon and Tool Steels Hardened by Combined Laser-Ultrasonic Surface Treatment. Advances in Design, Simulation and Manufacturing IV, 62–72. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-77719-7_7
  16. Kim, C., Park, S., Pyoun, Y., Shim, D. (2021). Effects of Ultrasonic Nanocrystal Surface Modification on Mechanical Properties of AISI D2 Steel. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 22 (7), 1271–1284. doi: https://doi.org/10.1007/s12541-021-00536-8
  17. Mao, X., Sun, J., Feng, Y., Zhou, X., Zhao, X. (2019). High-temperature wear properties of gradient microstructure induced by ultrasonic impact treatment. Materials Letters, 246, 178–181. doi: https://doi.org/10.1016/j.matlet.2019.03.059
  18. Hu, X., Qu, S., Chen, Z., Zhang, P., Lu, Z., Lai, F. et al. (2022). Rolling contact fatigue behaviors of 25CrNi2MoV steel combined treated by discrete laser surface hardening and ultrasonic surface rolling. Optics & Laser Technology, 155, 108370. doi: https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.108370
  19. Lesyk, D., Martinez, S., Mordyuk, B., Dzhemelinskyi, V., Danyleiko, O. (2019). Effects of the Combined Laser-Ultrasonic Surface Hardening Induced Microstructure and Phase State on Mechanical Properties of AISI D2 Tool Steel. Advances in Design, Simulation and Manufacturing II, 188–198. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-22365-6_19
  20. Lesyk, D., Martinez, S., Mordyuk, B., Dzhemelinskyi, V., Danyleiko, O. (2018). Combined Laser-Ultrasonic Surface Hardening Process for Improving the Properties of Metallic Products. Advances in Design, Simulation and Manufacturing, 97–107. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-93587-4_11
  21. Lesyk, D. A., Mordyuk, B. N., Martinez, S., Iefimov, M. O., Dzhemelinskyi, V. V., Lamikiz, А. (2020). Influence of combined laser heat treatment and ultrasonic impact treatment on microstructure and corrosion behavior of AISI 1045 steel. Surface and Coatings Technology, 401, 126275. doi: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.126275
  22. Santhanakrishnan, S., Kong, F., Kovacevic, R. (2012). An experimentally based thermo-kinetic phase transformation model for multi-pass laser heat treatment by using high power direct diode laser. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 64 (1-4), 219–238. doi: https://doi.org/10.1007/s00170-012-4029-z
  23. Lv, Y., Lei, L., Sun, L. (2015). Effect of shot peening on the fatigue resistance of laser surface melted 20CrMnTi steel gear. Materials Science and Engineering: A, 629, 8–15. doi: https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.01.074
  24. Wang, Z., Jiang, C., Gan, X., Chen, Y., Ji, V. (2011). Influence of shot peening on the fatigue life of laser hardened 17-4PH steel. International Journal of Fatigue, 33 (4), 549–556. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2010.10.010
  25. Danyleiko, O., Dzhemelinskyi, V., Lesyk, D. (2021). Increasing wear and corrosion resistance of steel products by combined laser thermomechanical treatment. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6 (1 (114)), 72–80. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.247552
  26. Souza, P. S., Cangussu, V. M., Câmara, M. A., Abrão, A. M., Denkena, B., Breidenstein, B., Meyer, K. (2020). Formation of White Etching Layers by Deep Rolling of AISI 4140 Steel. Journal of Materials Engineering and Performance, 29 (7), 4351–4359. doi: https://doi.org/10.1007/s11665-020-04988-3
  27. Liu, C., Lin, C., Liu, W., Wang, S., Chen, Y., Wang, J., Wang, J. (2021). Effects of local ultrasonic impact treatment on residual stress in an engineering-scale stainless steel pipe girth weld. International Journal of Pressure Vessels and Piping, 192, 104420. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2021.104420
Поліпшення якості поверхні сталевих деталей комбінованим лазерно-ультразвуковим обробленням: алгоритм контролю технологічних параметрів

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-04-29

Як цитувати

Лесик, Д. А., Джемелінський, В. В., Мордюк, Б. М., Martinez, S., Кондрашев, П. В., Grzesiak, D., Ключников, Ю. В., & Lamikiz А. (2023). Поліпшення якості поверхні сталевих деталей комбінованим лазерно-ультразвуковим обробленням: алгоритм контролю технологічних параметрів. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(12 (122), 17–26. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.277252

Номер

Том 2 № 12 (122) (2023): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2023 Dmytro Lesyk, Vitaliy Dzhemelinskyi, Bohdan Mordyuk, Silvia Martinez, Pavlo Kondrashev, Dariusz Grzesiak, Yurii Klyuchnikov, Аitzol Lamikiz

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.