Изделия из подшипниковой стали используются в разных областях промышленности: от производства бытовой техники до станко- и машиностроения. Исследователи из подведомственных Минобрнауки России Уральского федерального университета имени первого Президента России Б. Н. Ельцина (УрФУ) и Института физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (ИФПМ СО РАН) придумали, как упрочнить поверхности этих востребованных деталей. Специалисты разработали инструмент новой формы для выглаживания закаленной подшипниковой стали, с помощью которого можно добиться значительного улучшения свойств ее поверхностного слоя.
Методы поверхностной обработки деталей из подшипниковой стали широко используются на производстве для повышения их износостойкости. Выглаживание стали как один из этих методов отличается относительной простотой и эффективностью. Суть выглаживания заключается в пластическом деформировании поверхности детали скользящим по ней инструментом — индентором. Он вдавливается в поверхность вращающейся заготовки детали.
Виктор Кузнецов, профессор кафедры термообработки и физики металлов УрФУ, отмечает, что традиционно индентор изготавливается из алмаза и имеет полусферическую форму, но в последние годы были предложены другие материалы и формы индентора, а также схемы обработки цилиндрических и плоских поверхностей. Сегодня активно развивается передовой метод упрочнения материалов за счет формирования ультрамелкозернистой и нанокристаллической структуры, в частности наноструктурирующее выглаживание поверхностного слоя.
Ученые из ИФПМ СО РАН и УрФУ научно обосновали эффект новой формы индентора — цилиндра вращения из кубического нитрида бора, наклоненный под углом к обрабатываемой поверхности, — и провели комплекс численных и экспериментальных исследований процесса наноструктурирующего выглаживания закаленной подшипниковой стали инновационным инструментом.
«Анализ результатов исследований позволил выявить закономерности изменения и взаимосвязь контактного давления, коэффициента трения и пластической деформации с формируемой микроструктурой, микротвердостью и шероховатостью модифицированного поверхностного слоя», — рассказал Игорь Смолин, заведующий молодежной лабораторией нелинейной механики метаматериалов и многоуровневых систем ИФПМ СО РАН.
Во-первых, плоский цилиндрический индентор имеет высокий ресурс за счет многократного поворота вокруг своей оси. Во-вторых, изменение угла его наклона к обрабатываемой поверхности позволяет управлять контактным давлением сжатия и пластической деформацией сдвига.
Созданный инструмент внедрен на предприятии «Сенсор» в Кургане для финишной обработки деталей трибосопряжений нефтегазопромыслового оборудования и трубопроводной арматуры. Результаты исследования, выполненного при финансовой поддержке Минобрнауки России, опубликованы в высокорейтинговом международном журнале. Лаборатория нелинейной механики метаматериалов и многоуровневых систем ИФПМ СО РАН, где проводились численные исследования, была создана в рамках нацпроекта «Наука и университеты». Исследования ученых Уральского федерального университета проводятся в рамках программы «Приоритет-2030».