Improvement of Efficiency of Ferromagnetic Surface Strengthening by Combined Magnetic-Dynamic Rolling

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The performance characteristics of the surfaces of technical system parts are provided at the finishing operations of the manufacturing process by surface strengthening methods. Despite the fact that there are a sufficiently large number of surface strengthening methods, most of it have limited manufacturing application and require specific and expensive equipment for its implementation, others have not been put into practice on a large scale or have exhausted its technological potential. In this regard, the development of innovative methods of finishing and strengthening treatment of machine part surfaces is an issue of immediate relevance. The aim of the research is to increase the efficiency of strengthening based on the complex energy deposition in the surface layer of ferromagnetic parts by a rotating magnetic field and dynamic surface plastic deformation. The research hypothesis is as follows: the combined magnetic force has an effect on a ferromagnetic part surface, helps to refine the grains of the deformed metal to a nanoscale dimension and increases the depth of the modified (altered) surface layer. Methods and approaches. The paper presents a method of finishing and strengthening treatment, in which a concentrated energy flux of a rotating magnetic field and oscillating deforming balls, which perform multiple pulse-impact deformation, act simultaneously on the surface of a ferromagnetic part. In this case, the induction of the rotating magnetic field acting on the surface of the part is selected in the range from 0.10 to 1.20 T. In order to implement the method of finishing and strengthening treatment, a combined tool has been developed, which contains the following parts: a body; deforming balls freely installed in the annular chamber; magnetic system based on cylindrical permanent magnets made from rare-earth materials. The magnetic system of the tool is designed to create rotating magnetic field acting on the surface of the ferromagnetic part and transmit working oscillating motions to the deforming balls. The paper deals with characteristics of dislocation structures formed in the surface layer of steel and cast iron workpieces after strengthening by magnetic-dynamic rolling (MDR), combined treatment by MDR and a rotating constant magnetic field, combined treatment by MDR and a rotating alternating magnetic field. The research methods are as follows: X-ray diffraction studies of the surface layer; microstructural examination; X-ray microanalysis of the surface layer of strengthened workpieces made of steel and cast iron. Results and discussion. Analysis of the research findings allows establishing that a combined strengthening treatment by MDR and a rotating magnetic field makes it possible to form subgrain structure with nanoscale dimensions in the surface layer of steel and cast iron workpieces to a depth of up to 3.0 μm with a block size of up to 100 nm. In this case, there is an increase in the depth of the modified surface layer, in the dislocation density and in the lattice constant of the ferromagnetic materials being treated. Besides, compressive residual stresses in the strengthened surface layer of the samples are formed. It follows from the physical model of obtaining subgrain structure with nanoscale dimensions in the surface layer of ferromagnetic parts, which is presented in this paper, that the degree of grain crushing (grinding) of the material being strengthened is determined by the number of received force pulses from the deforming balls of the tool. The particles formed as a result of multiple crushing of grains and subgrains have an irregular asymmetric shape and a magnetic moment that does not coincide with the direction of the external magnetic field. As a consequence, the particles formed due to grain and subgrain crushing, trying to orient in the direction of the external magnetic field, turn in space and additionally smooth out the boundaries heated by local eddy currents in the area of their contact with the adjacent fragments of particles, characterized by accumulation of imperfections in the form of dislocations. The developed method of combined MDR belongs to nanotechnologies of surface modification and is recommended for implementation at machine building enterprises to improve operational properties of technical system parts.

About the authors

A. M. Dovgalev

Email: rct@bru.by
Ph.D. (Engineering), Associate Professor; Belarusian-Russian University, 43 Mira Ave., Mogilev, 212030, Republic of Belarus; rct@bru.by

References

  1. Смелянский В.М. Механика упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием. – М.: Машиностроение, 2002. – 300 с.
  2. Рыжов Э.В. Технологические методы повышения износостойкости деталей машин. – Киев: Наукова думка, 1984. – 272 с.
  3. Наукоемкие технологии в машиностроении / под ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2012. – 528 с.
  4. Поляк М.С. Технология упрочнения. В 2 т. Т. 1. – М.: Машиностроение, 1995. – 832 с.
  5. Поляк М.С. Технология упрочнения. В 2 т. Т. 2. – М.: Машиностроение, 1995. – 688 с.
  6. Малыгин  Б.В. Магнитное упрочнение инструмента и деталей машин. – М.: Машиностроение, 1989. – 112 с.
  7. Белый И.В., Фертик С.М., Хименко Л.Т. Справочник по магнитоимпульсной обработке металлов. – Харьков : Вища школа, 1977. – 320 с.
  8. Falaleev A.P., Meshkov V.V., Shymchenko A. Hyperplasticity effect under magnetic pulse straightening of dual phase steel // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 153, N 1. – P. 10.
  9. Kleiner M., Beerwald C., Homberg W. Analysis of process parameters and forming mechanisms within the electromagnetic forming process // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2005. – Vol. 24, iss. 1. – P. 225–228.
  10. Таранов А.С. Упрочнение валов методом ППД в ПМП // Тракторы и сельхозмашины. – 2009. – № 2. – С. 44–45.
  11. Aifantis E.C. The physics of plastic deformation // International Journal of Plasticity. – 1987. – Vol. 3. – P. 211–247.
  12. Chen H., Kysar J.W., Yao Y.L. Characterization of plastic deformation induced by microscale laser shock peening // Journal of Applied Mechanics. – 2004. – Vol. 71, iss. 5. – P. 713–723.
  13. Zhang W.X., Wang T.J., Chen X. Effect of surface/interface stress on the plastic deformation of nanoporous materials and nanocomposites // International Journal of Plasticity. – 2010. – Vol. 26, iss. 7. – P. 957–975.
  14. Effect of severe plastic deformation on the properties and structural developments of high purity Al and Al-Cu-Mg-Zr aluminium alloy / T. Kvackaj, J. Bidulská, R. Kociško, R. Bidulský // Aluminium Alloys: Theory and Applications. – Rijeka, Croatia, 2011. – Ch. 1. – P. 1– 26.
  15. Suwas S., Bhowmik A., Biswas S. Ultra-fine grain materials by severe plastic deformation: application to steels // Microstructure and Texture in Steels and Other Materials. – London; New York: Springer, 2009. – Ch. 19. – P. 325–344.
  16. Технология и инструменты для отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. В 2 т. Т. 1: справочник / под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2014. – 480 с.
  17. Технология и инструменты для отделочно-упрочняющей обработки деталей поверхностным пластическим деформированием. В 2 т. Т. 2: справочник / под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Машиностроение, 2014. – 444 с.
  18. Минаков А.П., Бунос А.А. Технологические основы пневмовибродинамической обработки нежестких деталей / под ред. П.И. Ящерицына. – Минск: Навука i тэхнiка, 1995. – 304 с.
  19. Патент 2068770 Российская Федерация. Способ поверхностного пластического деформирования и инструмент для его осуществления / А.М. Довгалев. – Опубл. 10.11.1996.
  20. Патент 2089373 Российская Федерация. Способ поверхностного пластического деформирования и инструмент для его осуществления / А.М. Довгалев. – Опубл. 10.09.1997.
  21. Довгалев А.М. Совмещенная отделочно-упрочняющая обработка деталей машин вибродинамическим накатыванием и вращающимся магнитным полем // Вестник Белорусско-Российского университета. – 2016. – № 4. – С. 15–23.
  22. Довгалев А.М. Магнитно-динамическое и совмещенное накатывание поверхностей нежестких деталей. – Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2017. – 266 с.
  23. Лысак Л.И. Определение истинной ширины рентгеновских интерференционных линий с применением стандартного образца // Вопросы физики металлов и металловедения: сборник трудов. – Киев: АН УССР, 1955. – № 6. – С. 40–53.
  24. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия / Я.С. Уманский, Ю.А. Скаков, А.Н. Иванов, Л.Н. Расторгуев. – М.: Металлургия, 1982. – 632 с.
  25. Кривоглаз М.А. Дифракция рентгеновских лучей и нейтронов в идеальных кристаллах. – Киев: Наукова думка, 1983. – 115 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».