Випуски $\rightarrow$ Том 23, випуск 3 (2022)

Термомеханічне оброблення поршневих кілець із неіржавійної криці

А. В. Волокітін$^1$, І. Є. Волокітіна$^2$, Є. А. Панін$^1$

$^1$Карагандинський індустріальний університет, просп. Республіки, 30, 101400 Темиртау, Казахстан
 $^2$Рудненський індустріальний інститут, вул. 50 років Жовтня, 38, 111500 Рудний, Казахстан

Отримано 23.02.2022; остаточна версія — 07.05.2022 Завантажити PDF logo PDF

Анотація
Досліджується вплив термомеханічного оброблення, — інтенсивної пластичної деформації методом кручення під високим тиском і кріогенного охолодження, — на зміну мікроструктури та механічних властивостей поршневих кілець з неіржавійної криці AISI-316. Деформування кільцевих заготовок здійснюється в інструменті нової конструкції, ключовою особливістю якого є система подвійної спіралі. У першій частині експерименту проводиться оцінювальне моделювання процесу кручення під високим тиском у новій конструкції матриці. Для оцінювання можливости перебігу процесу виконується варіювання основних технологічних параметрів процесу задля визначення найбільш оптимальних умов. Вибираються такі параметри як температура нагрівання заготовки, вертикальна швидкість руху верхнього бойка та коефіцієнт тертя на контакті заготовки з інструментом. Також вивчається напружено-деформований стан кільцевої заготівки під час деформування. На другому етапі дослідження проводиться лабораторний експеримент з деформування кільцевих заготовок. Вивчається еволюція мікроструктури та механічні властивості деформованих заготовок після 8 циклів деформування методом кручення під високим тиском за кріогенної температури. Всі металографічні дослідження виконуються із залученням сучасних методів: просвітлювальної електронної мікроскопії й аналізу картин дифракції зворотньо відбитих електронів. В результаті деформування одержується нанокристалічна структура розміром у 30–40 мкм з наявністю великої кількости великокутових меж і високим комплексом механічних властивостей. Межа міцности підвищується від 595 МПа до 1965 МПа, а межа плинности — від 320 до 1280 МПа. Значення пластичности понижується порівняно з вихідним станом від 55% до 24%, проте залишається на достатньому для використань рівні.

Ключові слова: інтенсивна пластична деформація, поршневі кільця, неіржавійна криця, мікроструктура, механічні властивості, кріогенне охолодження.

Citation: A. V. Volokitin, I. E. Volokitina, and E. A. Panin, Thermomechanical Treatment of Stainless Steel Piston Rings, Progress in Physics of Metals, 23, No. 3: 411–437 (2022); https://doi.org/10.15407/ufm.23.03.411

Цитована література   
  1. V. Kumar, S.K. Sinha, and A.K. Agarwal, J. Tribology, 141, No. 3: 031301 (2019); https://doi.org/10.1115/1.4041762
  2. J. Christiansen, P. Klit, A. Volund, and J.-H. Hwang, Int. Conf. BALTTRIB 2007 (November 21–23, 2007) (Kaunas: 2007), p. 16.
  3. T.O. Olugbade and J. Lu, Nano Mater. Sci., 2: 3 (2020); https://doi.org/10.1016/j.nanoms.2020.04.002
  4. Z. Ren, R. Chiang, H. Qin, V.K. Vasudevan, G.L. Doll, Y. Dong, and C. Ye, Wear, 458–459: 203398 (2020); https://doi.org/10.1016/j.wear.2020.203398
  5. L. Junwei, O. Zipeng, L. Shiqiang, J. Yong, and H. Yuanzhi, Met. Sci. Heat Treat., 59: 50 (2017); https://doi.org/10.1007/s11041-017-0101-5
  6. K.O. Kostyk, V.O. Kostyk, and V.D. Kovalev, Prog. Phys. Met., 22, No. 1: 78 (2021); https://doi.org/10.15407/ufm.22.01.078
  7. C.C. Koch, Nanostruct. Mater., 9, Nos. 1–8: 13 (1997); https://doi.org/10.1016/S0965-9773(97)00014-7
  8. I.V. Alexandrov, Y.T. Zhu, T.C. Lowe, R.K. Islamgaliev, and R.Z. Valiev, Metall. Mater. Trans. A, 29: 2253 (1998); https://doi.org/10.1007/s11661-998-0103-4
  9. M. Furukawa, Z. Horita, M. Nemoto, and T.G. Langdon, Mater. Sci. Eng. A, 324, Nos. 1–2: 82 (2002); https://doi.org/10.1016/S0921-5093(01)01288-6
  10. T.G. Langdon, Acta Mater., 61, No. 19: 7035 (2013); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.08.018
  11. R.Z. Valiev, Mater. Trans., 55, No. 1: 13 (2014); https://doi.org/10.2320/matertrans.MA201325
  12. R.Z. Valiev, R.K. Islamgaliev, and I.V. Alexandrov, Prog. Mater. Sci., 45, No. 3: 103 (2000); https://doi.org/10.1016/S0079-6425(99)00007-9
  13. S. Lezhnev, A. Naizabekov, and I. Volokitina, J. Chem. Technol. Metallurgy, 52: 626 (2017).
  14. A. Jäger and V. Gärtnerová, Philos. Mag. Lett., 92, No. 8: 384 (2012); https://doi.org/10.1080/09500839.2012.682740
  15. E. Mostaed, A. Fabrizi, F. Bonollo, and M. Vedani, Metallurgia Italiana, 11–12: 5 (2015).
  16. C. Banjongprasert, A. Jak-Ra, C. Domrong, U. Patakham, W. Pongsaksawad, and T. Chairuangsri, Arch. Metallurgy Mater., 60, No. 2: 887 (2015); https://doi.org/10.1515/amm-2015-0224
  17. I. Sabirov, M.T. Perez-Prado, M. Murashkin, J.M. Molina-Aldareguia, E.V. Bobruk, N.F. Yunusova, and R.Z. Valiev, Int. J. Mater. Form., 3: 411 (2010); https://doi.org/10.1007/s12289-010-0794-0
  18. A.B. Naizabekov, Zh.A. Ashkeev, S.N. Lezhnev, and A.R. Toleuova, Steel in Translation, 35, No. 2: 37 (2005).
  19. O. Krivtsova, V. Talmazan, A. Arbuz, G. Sivyakova, Adv. Mater. Res., 1030–1032: 1337 (2014); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amr.1030-1032.1337
  20. R. Comaneci, L.G. Bujoreanu, C. Baciu, A.M. Predescu, and D. Savastru, Optoelectronics and Advanced Materials — Rapid Communications, 9, Nos. 9–10: 1322 (2015).
  21. V.A. Beloshenko, A.V. Voznyak, Y.V. Voznyak, L.A. Novokshonova, V.G. Grinyov, and V.G. Krasheninnikov, Int. J. Polymer Sci., 2016: 8564245 (2016); https://doi.org/10.1155/2016/8564245
  22. L. Olejnik and A. Rosochowski, Bull. Polish Acad. Sci. — Tech. Sci., 53, No. 4: 413 (2005).
  23. P.M. Keshtiban, M. Zadshakouyan, and G. Faraji, Trans. Indian Inst. Metals, 69: 1793 (2016); https://doi.org/10.1007/s12666-016-0840-9
  24. Y. Liu, Z.X. Kang, L.L. Zhou, J.Y. Zhang, and Y.Y. Li, Corrosion Eng. Sci. Technol., 51, No. 4: 256 (2016); https://doi.org/10.1179/1743278215Y.0000000050
  25. V.A. Andreyachshenko and A.B. Naizabekov, Metalurgija, 55: 353 (2016); https://doaj.org/article/67e9e72103854d469a60c23763e3461a.
  26. F.J. Kalahroudi, A.R. Eivani, H.R. Jafarian, A. Amouri, and R. Gholizadeh, Mater. Sci. Eng. A, 667: 349 (2016); https://doi.org/10.1016/j.msea.2016.04.087
  27. J.G. Kim, M. Latypov, N. Pardis, Y.E. Beygelzimer, and H.S. Kim, Mater. Design, 83: 858 (2015); http://doi.org/10.1016/j.matdes.2015.06.034
  28. Sh.R. Bahadori, K. Dehghani, and S.A.A.A. Mousavi, Mater. Lett., 152: 48 (2015); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2015.03.063
  29. M.I. Latypov, M.G. Lee, Y. Beygelzimer, D. Prilepo, Y. Gusar, and H.S. Kim, Metall. Mater. Trans. A, 47: 1248 (2016); https://doi.org/10.1007/s11661-015-3298-1
  30. M. Hawryluk, J. Ziemba, and P. Sadowski, Measurement and Control, 50, No. 3: 74 (2017); https://doi.org/10.1177/0020294017707161
  31. B. Cherukuri, T.S. Nedkova, and R. Srinivasan, Mater. Sci. Eng. A, 410–411: 394 (2005); https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.08.024
  32. T. Sakai, A. Belyakov, R. Kaibyshev, H. Miura, and J.J. Jonas, Prog. Mater. Sci., 60: 130 (2014); https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.09.002
  33. Y. Estrin and A. Vinogradov, Acta Mater., 61, No. 3: 782 (2013); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2012.10.038
  34. R.Z. Valiev and I.V. Aleksandrov, Nanostrukturnyye Materialy, Poluchennyye Intensivnoy Plasticheskoy Deformatsiey [Nanostructural Materials Obtained by the Severe Plastic Deformation] (Moscow: LOGOS: 2000) (in Russian).
  35. A.P. Zhilyaev and T.G. Langdon, Prog. Mater. Sci., 53, No. 6: 893 (2008); https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2008.03.002
  36. C. Xu, Z. Horita, and T.G. Langdon, Acta Mater., 55, No. 1: 203 (2007); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2006.07.029
  37. M. Jahedi, M. Knezevic, and M.H. Paydar, J. Mater. Eng. Perform., 24: 1471 (2015); http://doi.org/10.1007/s11665-015-1426-0
  38. S. Erbel, Met. Tech., 6, No. 1: 482 (1979); https://doi.org/10.1179/030716979803276363
  39. A. Alhamidi and Z. Horita, Mater. Sci. Eng. A, 622: 139 (2015); https://doi.org/10.1016/j.msea.2014.11.009
  40. W. Pachla, M. Kulczyk, M. Sus-Ryszkowska, A. Mazur, and K.J. Kurzydlowski, J. Mater. Process. Tech., 205, Nos. 1–3: 173 (2008); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.11.103
  41. W. Wei, S.L. Wang, K.X. Wei, I.V. Alexandrov, Q.B. Du, and J. Hu, J. Alloys Compd., 678: 506 (2016); https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.04.035
  42. S.K. Panigrahi, R. Jayaganthan, V. Pancholi, and M. Gupta, Mater. Chem. Phys., 122, No. 1: 188 (2010); https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2010.02.032
  43. S. Ramesh Kumar, K. Gudimetla, B. Tejaswi, and B. Ravisankar, Trans. Indian Inst. Met., 70: 639 (2017); https://doi.org/10.1007/s12666-017-1073-2
  44. V.L. Niranjani, K.C.H. Kumar, and V.S. Sarma, Mater. Sci. Eng. A, 515, Nos. 1–2: 169 (2009); https://doi.org/10.1016/j.msea.2009.03.077
  45. I.E. Volokitina, J. Chem. Technol. Metall., 55, No. 2: 479 (2020); https://dl.uctm.edu/journal/node/j2020-2/29_18-214_p_479-485.pdf
  46. Y.S. Li, N.R. Tao, and K. Lu, Acta Mater., 56: 230 (2008); https://doi.org/10.1016/j.actamat.2007.09.020
  47. I.E. Volokitina, S.N. Lezhnev, E.P. Orlova, and G.G. Kurapov, Key Eng. Mater., 684: 346 (2016); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.684.346
  48. R. Kaibyshev, D. Zhemchuzhnikova, and A. Mogucheva, Mater. Sci. Forum, 735: 265 (2013); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.735.265
  49. S.N. Lezhnev, I.E. Volokitina, and A.V. Volokitin, Phys. Metals Metallogr., 118: 1167 (2017); https://doi.org/10.1134/S0031918X17110072
  50. P. Frint, M.F.-X. Wagner, S. Weber, S. Seipp, S. Frint, and T. Lampke, J. Mater. Process. Tech., 239: 222 (2017); https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2016.08.032
  51. G.G. Kurapov, E.P. Orlova, I.E. Volokitina, and A. Turdaliev, J. Chem. Technol. Metallurgy, 51: 451 (2016).
  52. R.Z. Valiev, I.V. Alexandrov, Y.T. Zhu, and T.C. Lowe, J. Mater. Res., 17, No. 1: 5 (2002); https://doi.org/10.1557/JMR.2002.0002
  53. M. Gzyl, A. Rosochowski, E. Yakushina, and P. Wood, Key Eng. Mater., 554–557: 876 (2013); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.554-557.876
  54. B. Gopi, N. Naga Krishna, K. Venkateswarlu, and K. Sivaprasad, Int. J. Mater. Met. Eng., 6, No. 1: 67 (2012); https://doi.org/10.5281/zenodo.1058899
  55. X.H. Chen and L. Lu, Scr. Mater., 57, No. 2: 133 (2007); https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2007.03.029
  56. G. Purcek, O. Saray, M.I. Nagimov, A.A. Nazarov, I.M. Safarov, V.N. Danilenko, O.R. Valiakhmetov, and R.R. Mulyukov, Philos. Mag., 92, No. 6: 690 (2012); https://doi.org/10.1080/14786435.2011.634842
  57. Y. Wang, M. Chen, F. Zhou, and E. Ma, Nature, 419: 912 (2002); https://doi.org/10.1038/nature01133
  58. A. Glezer, M. Plotnikova, S. Dobatkin, N. Perov, and A. Shalimova, Mater. Sci. Forum, 667–669: 1077 (2011); https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.667-669.1077
  59. S. Malekjani, P.D. Hodgson, P. Cizek, I. Sabirov, and T.B. Hilditch, Int. J. Fatigue, 33, No. 5: 700 (2011); https://doi.org/10.1016/j.ijfatigue.2010.11.025
  60. A. Volokitin, A. Naizabekov, I. Volokitina, S. Lezhnev, and E. Panin, Mater. Lett., 304: 130598 (2021); https://doi.org/10.1016/j.matlet.2021.130598
  61. D.S. Nadig, V. Ramakrishnan, P. Sampathkumaran, and C.S. Prashanth, AIP Conf. Proc., 1435: 133 (2012); https://doi.org/10.1063/1.4712089
  62. A. Volokitin, I. Volokitina, E. Panin, A. Naizabekov, and S. Lezhnev, Metalurgija, 60, Nos. 3–4: 325 (2021); https://hrcak.srce.hr/256099
  63. A.V. Volokitin, A.B. Naizabekov, I.E. Volokitina, and D.N. Lavrinyuk, XVIII Int. Cong. ‘Machines. Technologies. Materials’ (March 10–13, 2021) (Borovets: 2021), vol. 1, p. 48 (in Russian).
  64. R. Bidulský, J. Bidulská, F.S. Gobber, T. Kvačkaj, P. Petroušek, M. Actis-Grande, K.-P. Weiss, and D. Manfredi, Materials, 13, No. 15: 3328 (2020); https://doi.org/10.3390/ma13153328
  65. M. Odnobokova, A. Belyakov, and R. Kaibyshev, Adv. Eng. Mater., 17, No. 12: 1812 (2015); https://doi.org/10.1002/adem.201500100
  66. A.V. Volokitin, S.N. Lezhnev, E.A. Panin, and T.D. Fedorova, XVIII Int. Cong. ‘Machines. Technologies. Materials’ (March 10–13, 2021) (Borovets: 2021), vol. 1, p. 52 (in Russian).

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України,