Аннотация результатов, полученных в 2022 году
По итогам реализации первого года проекта «Повышение эффективности термической обработки сталей предварительным деформационным упрочнением» выполнен следующий перечень работ: 1. Проведен аналитический обзор методов термического упрочнения с целью определения наиболее эффективных методов и режимов обработки. В результате анализа установлено, что наиболее близкой по технологии к предлагаемому комбинированному упрочнению пластическим деформированием и термообработкой является предварительная термо-механическая обработка (ПТМО), относящаяся к методам наследственного термомеханического упрочнения. Результаты применения ПТМО для ряда среднеуглеродистых малолегированных сталей показали ее высокую технико-экономическую эффективность. Однако для пластического деформирования при ПТМО обычно используются методы объемной пластической деформации, такие как волочение и прокатка, что существенно ограничивает область применения данной технологии. Предварительное упрочнение методами поверхностного пластического деформирования (ППД) для ПТМО не использовалось. Применение методов ППД позволит значительно расширить номенклатуру упрочняемых деталей. Для реализации комбинированной обработки выбран метод волнового деформационного упрочнения (ВДУ), эффективность которого установлена ранее. 2. Определена режимная область термического упрочнения конструкционных легированных сталей (10ХСНД, 20ХНМ, 20Х13, 30ХГСА, 65Г). Для экспериментальных исследований комбинированного упрочнения выявлены следующие режимы термической обработки (ТО): - для стали 10ХСНД: закалка 930°С (масло), отпуск 200°С-°С (воздух); - для стали 20ХНМ: закалка 860°С (масло), отпуск 200°С-500°С (воздух); - для стали 20Х13: закалка 1050°С (масло), отпуск 200°С-620°С (воздух); - для стали 30ХГСА: закалка 880°С (масло), отпуск 200°С-600°С (воздух); - для стали 65Г: закалка 810°С (масло), отпуск 200°С-550°С (воздух). Экспериментальные исследования и определение наиболее эффективных режимов термического упрочнения конструкционных легированных сталей осуществлялись одновременно с исследованиями комбинированного упрочнения ВДУ+ТО, что позволило провести сравнительный анализ результатов ВДУ+ТО относительно ТО. 3. Проведены экспериментальные исследования твердости, глубины, степени, равномерности упрочнения и ударной вязкости в результате термического упрочнения конструкционных легированных сталей (10ХСНД, 20ХНМ, 20Х13, 30ХГСА, 65Г). В результате проведенных исследований комбинированной обработки ВДУ + ТО (закалка, отпуск) установлена достаточно высокая эффективность применения такого способа для упрочнения сталей: - для стали 30ХГСА выявлены режимы, способствующие повышению твердости относительно упрочнения только ТО до 25%, при сохранении ударной вязкости относительно полученной упрочнением только ТО, а также режимы позволяющие получать явно выраженную гетерогенно упрочненную структуру, которая обычно благоприятно влияет на эксплуатационные свойства материала; - для стали 10ХСНД выявлены режимы, способствующие повышению твердости относительно упрочнения только ТО до 26%, при снижении ударной вязкости относительно полученной упрочнением только ТО на 6-9%; - для стали 65Г выявлены режимы, способствующие повышению твердости относительно упрочнения только ТО до 8%, при снижении ударной вязкости относительно полученной упрочнением только ТО на 14%, а также режимы, позволяющие получать гетерогенно упрочненную структуру; - для стали 20Х13 выявлены режимы, способствующие одновременному повышению твердости относительно упрочнения только ТО до 8%, а ударной вязкости на 7%; - для стали 20ХНМ выявлены режимы, способствующие повышению твердости относительно упрочнения только ТО до 8%, при снижении ударной вязкости относительно полученной упрочнением только ТО на 20%, а также режимы, позволяющие получать гетерогенно упрочненную структуру. 4. Проведены металлографические исследования микроструктуры конструкционных легированных сталей (10ХСНД, 20ХНМ, 20Х13, 30ХГСА, 65Г) после упрочнения. Установлено отсутствие микротрещин упрочненной структуры на всех режимах, что позволяет применять их не ограничено. Установлены фазовые состояния сталей в зависимости от температуры отпуска, а также размер зерен. У поверхности наблюдается деформированная структура зерен металла, вызванная ВДУ. 5. Определены наиболее эффективные режимы комбинированного упрочнения (ВДУ + ТО): - для стали 10 ХСНД: ВДУ в 2 прохода, с коэффициентом перекрытия пластических отпечатков 0,4; ТО – закалка 930°С (масло), отпуск 200°С (воздух); - для стали 20ХНМ: ВДУ в 2 прохода с коэффициентом перекрытия пластических отпечатков 0,6; ТО – закалка 860°С (масло), отпуск 200°С (воздух); - для стали 20Х13: ВДУ в 2 прохода с коэффициентом перекрытия пластических отпечатков 0,6; ТО – закалка 1050°С (масло), отпуск 620°С (воздух); - для стали 30ХГСА: ВДУ в 2 прохода с коэффициентом перекрытия пластических отпечатков 0,4-0,6; ТО – закалка 880°С (масло), отпуск 550°С (воздух); - для стали 65Г: ВДУ в 2 прохода с коэффициентом перекрытия пластических отпечатков 0,4; ТО – закалка 810°С (масло), отпуск 550°С (воздух). Разработаны общие технологические рекомендации по комбинированному упрочнению (ВДУ СИО + ТО). Полученные результаты выполнения проекта позволяют обоснованно выбирать наиболее эффективные режимы упрочнения комбинированной обработкой ВДУ+ТО для проведения экспериментальных исследований износостойкости и долговечности при действии усталостных нагрузок образцов из конструкционных легированных сталей (10ХСНД, 20ХНМ, 20Х13, 30ХГСА, 65Г) и установить взаимосвязи между технологическими режимами обработки (ВДУ+ТО), физико-механическими характеристиками и эксплуатационными показателями качества, разработать комплексные технологические рекомендации по комбинированному упрочнению (ВДУ+ТО).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
По итогам реализации второго года проекта «Повышение эффективности термической обработки сталей предварительным деформационным упрочнением» выполнен следующий перечень работ: 1. Проведены экспериментальные исследования, устанавливающие влияние технологических режимов комбинированной обработки волновым деформационным упрочнением и термообработкой (ВДУ + ТО). Определено влияние твердости, равномерности упрочнения и ударной вязкости после ВДУ + ТО на абразивную износостойкость конструкционных легированных сталей (10ХСНД, 20ХНМ, 20Х13, 30ХГСА, 65Г). Установлено, что комбинированная обработка ВДУ+ТО позволяет повысить абразивную износостойкость относительно упрочнения только термообработкой (ТО). Так, дополнительное применение предварительного ВДУ перед упрочняющей ТО позволило увеличить абразивную износостойкость образцов из стали 65Г на 15,3%, а из стали 30ХГСА на 16,1%. Наилучшие результаты по износостойкости достигнуты, когда упрочненный поверхностный слой имеет достаточно равномерную структуру, полученную при режимах ВДУ с коэффициентом перекрытия пластических отпечатков 0,8. Образцы из сталей 10ХСНД, 20Х13 и 20ХНМ на исследуемых режимах комбинированной обработки не показали значительного повышения абразивной износостойкости относительно упрочнения только ТО. Однако с учетом того, что на практике детали из стали 10ХСНД не подвергаются упрочняющей обработке, установлено повышение износостойкости образцов на стали 10ХСНД после упрочнения ТО или ВДУ+ТО на 6,3-7,9%. 2. Проведены экспериментальные исследования устанавливающие влияние технологических режимов комбинированной обработки ВДУ+ТО и получаемых в результате твердости, равномерности упрочнения и ударной вязкости на долговечность при действии усталостных нагрузок конструкционных легированных сталей (10ХСНД, 20ХНМ, 20Х13, 30ХГСА, 65Г). Установлено, что комбинированная обработка волновым деформационным упрочнением и термообработкой позволяет повысить усталостную долговечность относительно упрочнения только термообработкой. Так, дополнительное применение предварительного ВДУ перед упрочняющей ТО позволило увеличить усталостную долговечность образцов из стали 30ХГСА на 77%, стали 10ХСНД на 14%, стали 65Г на 100%, стали 20ХНМ на 40%, стали 20Х13 на 24%. Наилучшие результаты получены на сталях 30ХГСА, стали 65Г, стали 20ХНМ с ярко выраженной гетерогенно упрочненной структурой (установлено при исследовании твердости на первом этапе в 2022 году), полученной предварительным ВДУ с коэффициентом перекрытия пластических отпечатков 0,4 и 0,6. Установлено, что для сталей с относительно высокой ударной вязкостью наибольшая усталостная долговечность достигались при коэффициенте перекрытия пластических отпечатков 0,6, а с низкой ударной вязкостью при коэффициенте перекрытия пластических отпечатков 0,4. Для всех исследуемых сталей, кроме 10ХСНД, максимальные результаты по усталостной долговечности зафиксированы при режимах ВДУ обеспечивающих максимальную среднюю твердость. 3. Разработаны технологические рекомендации по комбинированной обработке (ВДУ + ТО). Установлено что на эксплуатационные свойства упрочненных сталей большое влияние имеет равномерность упрочнения. Для повышения абразивной износостойкости необходимо назначать режимы комбинированной обработки, формирующие равномерно упрочненную, а для повышения усталостной долговечности – гетерогенно упрочненную структуру. Рекомендуемые режимы комбинированного упрочнения ВДУ+ТО для повышения абразивной износостойкости исследуемых сталей: Сталь 30ХГСА (снижение износа относительно упрочнения только ТО на 16,1%) режимы ВДУ: коэффициент перекрытия К=0,8 режимы ТО: температура закалки 880°С (масло); температура отпуска 550°С (воздух) Сталь 65Г (снижение износа относительно упрочнения только ТО на 15,3%) режимы ВДУ: коэффициент перекрытия К=0,8 режимы ТО: температура закалки 810°С (масло); температура отпуска 550°С (воздух) Рекомендуемые режимы комбинированного упрочнения ВДУ+ТО для повышения усталостной долговечности исследуемых сталей: Сталь 30ХГСА (повышение усталостной долговечности относительно ТО на 77%) режимы ВДУ: коэффициент перекрытия пластических отпечатков К=0,6 режимы ТО: температура закалки 880°С (масло); температура отпуска 550°С (воздух) Сталь 10ХСНД (повышение усталостной долговечности относительно ТО на 18%) режимы ВДУ: коэффициент перекрытия пластических отпечатков К=0,8 режимы ТО: температура закалки 930°С (масло); температура отпуска 200°С (воздух) Сталь 65Г (повышение усталостной долговечности относительно ТО на 100%) режимы ВДУ: коэффициент перекрытия пластических отпечатков К=0,4 режимы ТО: температура закалки 810°С (масло); температура отпуска 550°С (воздух) Сталь 20Х13 (повышение усталостной долговечности относительно ТО на 24%) режимы ВДУ: коэффициент перекрытия пластических отпечатков К=0,6 режимы ТО: температура закалки 1015°С (масло); температура отпуска 620°С (воздух) Сталь 20ХНМ (повышение усталостной долговечности относительно ТО на 40%) режимы ВДУ: коэффициент перекрытия пластических отпечатков К=0,6 режимы ТО: температура закалки 860°С (масло); температура отпуска 200°С (воздух) Разработанный способ комбинированной обработки предварительным волновым деформационным упрочнением и последующей термообработкой (закалка, отпуск) может быть рекомендован для повышения эксплуатационных свойств (в первую очередь усталостной долговечности) тяжелонагруженных деталей машин, изготовленных из конструкционных легированных сталей.