Упрочнение тонкостенных ножей азотистой плазмой

Тамара Семеновна Скобло; Оксана Юрьевна Клочко; Анатолий Кузьмич Автухов; Владимир Николаевич Романченко; Артем Валентинович Плугатарёв; Иван Николаевич Рыбалко

Тамара Семеновна Скобло Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко https://orcid.org/0000-0002-9824-4550
Оксана Юрьевна Клочко Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко https://orcid.org/0000-0003-3623-6587
Анатолий Кузьмич Автухов Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко https://orcid.org/0000-0002-7613-1803
Владимир Николаевич Романченко Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко https://orcid.org/0000-0002-0445-3125
Артем Валентинович Плугатарёв Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко https://orcid.org/0000-0001-7255-1002
Иван Николаевич Рыбалко Харьковского национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко https://orcid.org/0000-0002-3663-019X

Ключевые слова: свеклорезальные ножи, ионно-плазменное упрочнение, оптикоматематический анализ, структурообразование, кинетика износа

Аннотация

Введение. Выполненные разработки направлены на создание новой технологии для повышения износостойкости тонкостенного инструмента сложной конфигурации для резки свеклы на сахарных предприятиях из стали 65Г. Важнейшим требованием повышения работоспособности и долговечности такого инструмента является сохранение его профиля и режущей кромки в процессе эксплуатации. Поэтому весьма непростым является выбор технологических параметров и способа упрочнения такого сложного по конфигурации изделия.
Материалы и методы. Для решения этой проблемы применены новое разработанное оборудование и технологический процесс упрочнения с использованием низкотемпературной азотистой плазмы. Определены оптимальные параметры обработки, благодаря которым формируется квазиаморфная структура на поверхности трения, уменьшающая дефектность режущей кромки после ее механической обработки, а также обеспечивающая процесс самозатачивания за счет упрочнения инструмента с одной стороны.
Результаты исследования. Сопоставительные исследования поверхности трения изделий после эксплуатационных испытаний показали, что их стойкость существенно повышается не только при упрочнении новых, но и бывших в эксплуатации изделий. Это определяется характером формируемой квазиаморфной структуры и особым рельефом при трении на рабочей поверхности.
Обсуждение и заключение. Для описания нового процесса упрочнения тонкостенных изделий детально анализировалось структурообразование на поверхности трения с использованием металлографических изображений и оценкой изменчивости соотношения ее фаз оптико-математическим анализом различных зон (сжатия и разряжения), формируемых в виде полос трения. Для этого использовалось и моделирование с оценкой плотности распределения условных цветов анализируемых фрагментов.

Биографии авторов

Тамара Семеновна Скобло, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко

доцент кафедры технологии материалов, доктор технических наук

Оксана Юрьевна Клочко, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко

доцент кафедры технологии материалов, доктор технических наук

Анатолий Кузьмич Автухов, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко

доцент кафедры технологических систем ремонтного производства, доктор технических наук

Владимир Николаевич Романченко, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко

заведующий кафедрой технологических систем ремонтного производства, кандидат технических наук, доцент

Артем Валентинович Плугатарёв, Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко

старший преподаватель кафедры физики и теоретической механики, кандидат технических наук

Иван Николаевич Рыбалко, Харьковского национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко

старший преподаватель кафедры технологических систем ремонтного производства, кандидат технических наук

Литература

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Ротштейн, В. П. Поверхностная модификация и легирование металлических материалов низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками / В. П. Ротштейн, А. Б. Марков // Вестник ТГПУ. – 2006. – Вып. 6 (57). – С. 11–19. – URL: https://vestnik.tspu.edu.ru/files/vestnik/PDF/articles/rotshtejn_v._p._11_19_6_57_2006.pdf (дата обращения: 29.01.2021).

2. Калин, Б. А. Модификация металлических материалов при обработке потоками высокотемпературной импульсной плазмы / Б. А. Калин, В. Л. Якушин, В. И. Польский. – Текст : непосредственный // Известия высших учебных заведений. Физика. – 1994. – Т. 37, № 5. – С. 109–126.

3. Novak, P. Wear and Corrosion Resistance of a Plasma-Nitrided PM Tool Steel Alloyed with Niobium / P. Novak, D. Vojtech, J. Serak. – DOI 10.1016/j.surfcoat.2005.06.023 // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 200, Issue 18–19. – Рp. 5229–5236. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0257897205007243?via%3Dihub (дата обращения: 29.01.2021).

4. Surface Morphology and Mechanical Strength of AISI M2 Tool Steel Treated in Abnormal Glow Region of Plasma / M. Y. Naz, S. Shukrullah, A. Ghaffar [et al.]. – DOI 10.3103/S1068375515010093 // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. – 2015. – Vol. 51. – Pp. 58–64. – URL: https://link.springer.com/article/10.3103/S1068375515010093 (дата обращения: 29.01.2021).

5. Petrov, S. V. Technology and Equipment for Plasma Surface Strengthening of Heavy-Duty Parts / S. V. Petrov, A. G. Saakov. – DOI 10.1081/AMP-120005382 // Materials and Manufacturing Processes. – 2002. – Vol. 17, Issue 3. – Рp. 363–378. – URL: https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1081/AMP-120005382 (дата обращения: 29.01.2021).

6. Плазменная обработка как эффективное средство упрочнения / Т. С. Скобло, Д. И. Черных, И. Е. Гаркуша [и др.]. – Текст : непосредственный // Вестник ХНТУСГ им. П. Василенко. – 2010. – Вып. 101. – С. 8–11.

7. Production and Characterization of CA–PVD ZrN and ZrCN Coatings on AISI D3 High-Carbon Tool Steel / A. V. Taran, I. E. Garkusha, V. S. Taran [et al.]. – DOI 10.1615/HighTempMatProc.2020034981 // High Temperature Material Processes: An International Quarterly of High-Technology Plasma Processes. – 2020. – Vol. 24, Issue 2. – Pp. 109–120. – URL: http://www.dl.begellhouse.com/journals/57d172397126f956,046b81555aaffc76,396dfae339c6cb7c.html (дата обращения: 29.01.2021).

8. Nitrogen Plasma Surface Treatment for Improving Polar Ink Adhesion on Micro/Nanofibrillated Cellulose Films / K. Dimic-Misic, M. Kostić, B. Obradović [et al.]. – DOI 10.1007/s10570-019-02269-4 // Cellulose. – 2019. – Vol. 26. – Pp. 3845–3857. – URL: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10570-019-02269-4 (дата обращения: 29.01.2021).

9. Development of Niobium Based Coatings Prepared by Ion-Plasma Vacuum-Arc Deposition / V. S. Taran, I. E. Garkusha, O. I. Tymoshenko [et al.]. – DOI 10.1615/PlasmaMed.2020034060 // Plasma Medicine. – 2020. – Vol. 10, Issue 1. – Pp. 61–69. – URL: http://www.dl.begellhouse.com/journals/5a5b4 a3d419387fb,0c13ee6534cd916a,24068b8368203615.html (дата обращения: 29.01.2021).

10. Luo, W. The Corrosion Resistance of 0Cr19Ni9 Stainless Steel Arc Welding Joints with and without Arc Surface Melting / W. Luo. – DOI 10.1016/S0921-5093(02)00397-0 // Materials Science and Engineering: A. – 2003. – Vol. 345, Issue 1–2. – Pp. 1–7. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921509302003970 (дата обращения: 29.01.2021).

11. Wang, J. Plasma Arc Cutting Torch Tracking Control / J. Wang, K. Kusumoto, K. Nezu. – DOI 10.1179/136217101101538695 // Science Technology of Welding and Joining. – 2001. – Vol. 6, Issue 3. – Pp. 154–158. – URL: https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1179/136217101101538695 (дата обращения: 29.01.2021).

12. Pan, C.-X. Microstructural Development in Plasma Jet Forming of Sheet Steels / C.-X. Pan, Y.-W. Chen, A. T. Male. – DOI 10.1179/026708302225006043 // Materials Science and Technology. – 2002. – Vol. 18. – Pp. 1151–1155. – URL: https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1179/026708302225006043 (дата обращения: 29.01.2021).

13. Plasma-Surface Modification of Biomaterials / P. K. Chu, J. Y. Chen, L. P. Wang, N. Huang // Materials Science and Engineering. – 2002. – Vol. 36. – Pp. 143–206. – URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.452.780&rep=rep1&type=pdf (дата обращения: 29.01.2021).

14. Nanostructured ZrO2 Ceramic PVD Coatings on Nd-Fe-B Permanent Magnets / A. Taran, I. Garkusha, V. Taran [et al.]. – DOI 10.4024/N23TA18A.ntp.15.01 // Nanotechnology Perceptions. – 2019. – Vol. 15, Issue 1. – Pp. 13–20. – URL: http://www.colbas.org/ntp/abstracts/N23TA18A-abs.pdf (дата обращения: 29.01.2021).

15. Patent No. CA2403346C USA. Blade Having High Sharpness and Toughness : No. 2001/005806 : publ. 20.09.2001 / Meckel N. K. – 24 p. – URL: https://patentimages.storage.googleapis.com/a1/f1/bd/95a6e9118b9230/CA2403346C.pdf (дата обращения: 29.01.2021).

16. Батраченко, А. В. Влияние импульсно-плазменной обработки на микроструктуру и свойства стали 65Г / А. В. Батраченко // Проблеми трибології. – 2014. – № 3. – С. 86–92. – URL: http://tribology.khnu.km.ua/index.php/ProbTrib/article/view/397/887 (дата обращения: 29.01.2021).

17. Некоз, А. И. Упрочнение ножей волчков и куттеров импульсно-плазменной обработкой / А. И. Некоз, А. В. Батраченко. – Текст : непосредственный // Научный обозреватель. – 2012. – № 12. – С. 115–118.

18. Effect of Plasma Nitriding Treatment of Stainless Steel Cutlery on Cutting Performance / T. Tamaoki, A. Okada, K. Uemura, Y. Uno. – DOI 10.2493/jjspe.79.950 // Journal of the Japan Society for Precision Engineering. – 2013. – Vol. 79, Issue 10. – Рp. 950–954. – URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjspe/79/10/79_950/_article/-char/ja (дата обращения: 29.01.2021).

19. Hollow-Cathode Low-Pressure Arc Discharges and Their Application in Plasma Generators and Charged-Particle Sources / L. G. Vintizenko, S. V. Grigoriev, N. N. Koval [et al.]. – DOI 10.1023/A:1014353721504 // Russian Physics Journal. – 2001. – Vol. 44. – Pp. 927–936. – URL: https://link.springer.com/article/10.1023%2FA%3A1014353721504 (дата обращения: 29.01.2021).

20. Properties and Comparison of PVD Coatings / I. Mrkvica, M. Neslušan, R. Čep, V. Sléha. – DOI 10.17559/TV-20140509105317 // Tehnički vjesnik – Technical Gazette. – 2016. – Vol. 23, Issue 2. – Pp. 569–574. – URL: https://hrcak.srce.hr/index.php?show=clanak&id_clanak_jezik=231190&lang=en (дата обращения: 29.01.2021).

21. Caiazzo, F. C. Multilayer Coatings Based on Crn/Cr for Molds of Plastics / F. C. Caiazzo, V. Sisti, S. Trasatti // La Metallurgia Italiana. – 2014. – № 6. – Pp. 3–8. – URL: http://www.aimnet.it/allpdf/pdf_pubbli/giu14/CovaCaiazzo.pdf (дата обращения: 29.01.2021).

22. Dependence of Mechanical and Tribotechnical Properties of Multilayered Tin/Zrn Coatings on Deposition / O. V. Bondar, V. A. Stolbovoy, M. K. Kylyshkanov [et al.]. – DOI 10.15199/48.2015.12.60 // Przegląd Elektrotechniczny. – 2015. – № 12. – Pp. 233–236. – URL: https://sigma-not.pl/publikacja-95296-2015-12.html (дата обращения: 29.01.2021).

23. Effect of Cathodic Cage Size on Plasma Nitriding of AISI, 304 Steel / M. Naeem, M. Shafiq, Z. Mujahid, M. Zaka-ul-Islam. – DOI 10.1016/j.matlet.2016.05.144 // Materials Letters. – 2016. – Vol. 181. – Pp. 78–81. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167577X16309053?via%3Dihub (дата обращения: 29.01.2021).

24. Anodisation of Medical Grade Titanium / B. Katona, L. Nádai, A. Terdik, E. Bognár. – DOI 10.17489/biohun/2013/1/22 // Biomechanica Hungarica. – 2013. – Vol. 6, Issue 1. – Pp. 197–203. – URL: http://biomechanica.hu/index.php/biomech/article/viewFile/144/259 (дата обращения: 29.01.2021).

25. Kovács, D. Effects of Different Variants of Plasma Nitriding on the Properties of the Nitrided Layer / D. Kovács, I. Quintana, J. Dobránszky. – DOI 10.1007/s11665-019-04292-9 // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2019. – Vol. 28. – Рp. 5485–5493. – URL: https://link.springer.com/article/10.1007%2Fs11665-019-04292-9 (дата обращения: 29.01.2021).

26. Conditions for the Formation of a Martensitic Single-Phase Compound Layer in Ion-Nitrided 316L Austenitic Stainless Steel / K. Marchev, C. V. Cooper, J. T. Blucher, B. C. Giessen. – DOI 10.1016/ S0257-8972(97)00532-X // Surface and Coatings Technology. – 1998. – Vol. 99, Issue 3. – Pp. 225–228. – URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S025789729700532X?via%3Dihub (дата обращения: 29.01.2021).

27. Патент № 57072 Україна, МПК C23C 8/24 (2006.01) C23C 14/56 (2006.01). Вакуумно-плазмовий спосіб зміцнення різального інструмента з вуглецевої сталі : № u201008747 : заявл. 13.07.2010 : опубл. 10.02.2011 / Гаркуша І. Є. [та інш.] ; заявник та патентовласник ННЦ «ХФТІ». – 2 с. – URL: https://base.uipv.org/searchINV/search.php?action=viewdetails&IdClaim=155389 (дата обращения: 29.01.2021).

28. Скобло, Т. С. Применение компьютерного анализа металлографических изображений при исследовании структуры высокохромистого чугуна / Т. С. Скобло, О. Ю. Клочко, Е. Л. Белкин // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. – 2012. – Т. 78, № 6. – С. 35–42. – URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=17892268 (дата обращения: 29.01.2021). – Рез. англ.

29. Новые подходы в исследовании неоднородности гетерогенних структур / Т. С. Скобло, О. Ю. Клочко, Е. Л. Белкин, А. И. Сидашенко. – DOI 10.15407/mfint.40.02.0255 // Металлофизика и новейшие технологии. – 2018. – Т. 40, № 2. – С. 255–280. – URL: https://mfint.imp.kiev.ua/ru/abstract/v40/i02/0255.html (дата обращения: 29.01.2021). – Рез. англ.

30. Структурообразование высокохромистых чугунов в интервале температур магнитного превращения карбидных фаз / Т. С. Скобло, О. Ю. Клочко, Е. Л. Белкин [и др.]. – DOI 10.22226/2410-3535-2020-2-129-134 // Письма о материалах. – 2020. – Т. 10, № 2. – С. 129–134. – URL: https://lettersonmaterials.com/ru/Readers/Article.aspx?aid=24616 (дата обращения: 29.01.2021). – Рез. англ.

31. Лемешко, Б. Ю. Сравнительный анализ мощности критериев согласия при близких конкурирующих гипотезах. I. Проверка простых гипотез / Б. Ю. Лемешко, С. Б. Лемешко, С. Н. Постовалов // Сибирский журнал индустриальной математики. – 2008. – Т. 11, № 2 (34). – С. 96–111. – URL: https://ami.nstu.ru/~headrd/seminar/publik_html/Power_Part_1.pdf (дата обращения: 29.01.2021).