Influence of the oscillating systems inclination angle on the surface properties of steel 45 during ultrasonic surface plastic deformation

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Among the methods of modifying the surfaces of metal products to change the physical-mechanical and geometric properties of the surface layer, surface plastic deformation (SPD) methods are the most prevalent. Using ultrasound to enhance the efficiency of deformation processes allows for increase in microhardness and reduction in roughness compared to rolling and smoothing. The greatest technological challenges are caused by ultrasonic surface plastic deformation of curved surfaces, including those obtained by additive technologies. Given that most ultrasonic SPD methods are based on the longitudinal nature of vibrations, to ensure uniform processing of curved surfaces, the tool axis should be oriented at a specific angle relative to any point on the surface being processed. In this regard, the purpose of the work is to study the effect of the oscillating system inclination angle on the surface properties of steel 45 during ultrasonic surface plastic deformation. This study examines steel 45 samples subjected to ultrasonic SPD at various oscillating system inclination angles: 90°, 75°, 60°, and 45°. Methods. The research methods included metallographic studies of the surface layer microstructure of the samples, measurement of its microhardness and roughness, as well as comparative wear tests. Results and discussion. Ultrasonic surface deformation, at any of the considered tool inclination angles α, creates a hardened layer – from 30 µm at α = 45° to 350 µm at α = 90 °. In this case, the microhardness increases to 240 HV at α = 45°. Furthermore, at any α, there is a significant decrease in roughness. For example, altitude parameters are reduced by more than 8 times. The best results were achieved at α = 60°. The wear test results indicated a substantial reduction in weight loss due to wear following ultrasonic processing. The most significant decrease in wear (more than twofold) was observed at an inclination angle of α = 90°.

About the authors

D. S. Fatyukhin

Email: mitriy2@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5914-3415
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), 64 Leningradsky prospect, Moscow, 125319, Russian Federation, mitriy2@yandex.ru

R. I. Nigmetzyanov

Email: lefmo@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0008-1443-7584
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), 64 Leningradsky prospect, Moscow, 125319, Russian Federation, lefmo@yandex.ru

V. M. Prikhodko

Email: prikhodko@madi.ru
ORCID iD: 0000-0001-8261-0424
D.Sc. (Engineering), Professor, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), 64 Leningradsky prospect, Moscow, 125319, Russian Federation, prikhodko@madi.ru

S. K. Sundukov

Email: sergey-lefmo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4393-4471
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), 64 Leningradsky prospect, Moscow, 125319, Russian Federation, sergey-lefmo@yandex.ru

A. V. Sukhov

Email: sukhov-aleksandr96@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-9097-8216
Moscow Automobile and Road Construction State Technical University (MADI), 64 Leningradsky prospect, Moscow, 125319, Russian Federation, sukhov-aleksandr96@mail.ru

References

  1. Radchenko V.P., Saushkin M.N., Bochkova T.I. A mathematical modeling and experimental study of forming and relaxation of the residual stresses in plane samples made of EP742 alloy after the ultrasonic hardening under the high-temperature creep conditions // PNRPU Mechanics Bulletin. – 2016. – Vol. 1. – P. 93–112. – doi: 10.15593/perm.mech/2016.1.07.
  2. Крылова Н.А., Шуваев В.Г. Обеспечение надежности и качества поверхностей деталей ультразвуковым поверхностным пластическим деформированием // Надежность и качество. – 2018. – Т. 2. – С. 205–206. – EDN YAFGEH.
  3. Мощный ультразвук в металлургии и машиностроении / под ред. О.В. Абрамова и В.М. Приходько. – М.: Янус-К, 2006. – 687 с. – ISBN 5-8037-0314-1. – EDN QNBJAF.
  4. Impact of time on ultrasonic cavitation peening via detection of surface plastic deformation / F. Bai, K.-A. Saalbach, L. Wang, X. Wang, J. Twiefel // Ultrasonics. – 2018. – Vol. 84. – P. 350–355. – doi: 10.1016/j.ultras.2017.12.001.
  5. Effects of ultrasonic surface rolling on fretting wear behaviors of a novel 25CrNi2MoV steel / Y. Zhang, L. Huang, F. Lu, S. Qu, V. Ji, X. Hu, H. Liu // Materials Letters. – 2021. – Vol. 284 (2) – P. 128955. – doi: 10.1016/j.matlet.2020.128955.
  6. Microstructure and mechanical properties of additively manufactured CrMnFeCoNi high-entropy alloys after ultrasonic surface rolling process / Z. Cui, Y. Mi, D. Qiu, P. Dong, Z. Qin, D. Gong, W. Li // Journal of Alloys and Compounds. – 2021. – Vol. 887. – P. 161393. – doi: 10.1016/j.jallcom.2021.161393.
  7. The influence of ultrasonic surface rolling on the fatigue and wear properties of 23-8N engine valve steel / F. Lai, S. Qu, R. Lewis, T. Slatter, W. Fu, X. Li // International Journal of Fatigue. – 2019. – Vol. 125. – P. 299–313. – doi: 10.1016/j.ijfatigue.2019.04.010.
  8. Физика и техника мощного ультразвука. Кн. 3 / под ред. Л.Д. Розенберга. – М.: Наука, 1970. – 689 с.
  9. Воздействие мощного ультразвука на межфазную поверхность металлов / под ред. А.И. Манохина. – М.: Наука, 1986. – 277 с.
  10. Справочник технолога / под общ. ред. А.Г. Суслова. – М.: Инновационное машиностроение, 2019. – 800 с. – ISBN 978-5-907104-23-5. – EDN WNWHDF.
  11. Effects of the different frequencies and loads of ultrasonic surface rolling on surface mechanical properties and fretting wear resistance of HIP Ti–6Al–4V alloy / G. Li, S.G. Qu, Y.X. Pan, X.Q. Li // Applied Surface Science. – 2016. – Vol. 389. – P. 324–334. – doi: 10.1016/j.apsusc.2016.07.120.
  12. Effect of ultrasonic surface rolling at low temperatures on surface layer microstructure and properties of HIP Ti-6Al-4V alloy / G. Li, S. Qu, M.X. Xie, X. Li // Surface and Coatings Technology. – 2017. – Vol. 316. – P. 75–84. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.01.099.
  13. Effect of multi-pass ultrasonic surface rolling on the mechanical and fatigue properties of HIP Ti-6Al-4V alloy / G. Li, S. Qu, M. Xie, Z. Ren, X. Li // Materials. – 2017. – Vol. 10. – P. 133. doi: 10.3390/ma10020133.
  14. Experimental study on surface integrity of ultra-high-strength steel by ultrasonic hot rolling surface strengthening / X. Luan, W. Zhao, Z. Liang, S. Xiao, G. Liang, Y. Chen, S. Zou, X. Wang // Surface and Coatings Technology. – 2020. – Vol. 392. – P. 125745. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2020.125745.
  15. The effect of ultrasonic nanocrystal surface modification on low temperature nitriding of ultra-high strength steel / W. Zhao, D. Liu, H. Qin, X. Zhang, H. Zhang, R. Zhang, Z. Ren, C. Ma, A. Amanov, Y.-S. Pyun, G.L. Doll, Y. Dong, C. Ye // Surface and Coatings Technology. – 2019. – Vol. 375. – P. 205–214. – DOI: 0.1016/j.surfcoat.2019.07.006.
  16. Investigations on the nanocrystallization of 40Cr using ultrasonic surface rolling processing / W. Ting, W. Dongpo, L. Gang, G. Baoming, S. Ningxia // Applied Surface Science. – 2008. – Vol. 255 (5). – P. 1824–1829. – doi: 10.1016/j.apsusc.2008.06.034.
  17. Ultrasonic surface rolling process: properties, characterization, and applications / M. John, A.M. Ralls, S.C. Dooley, A.K.V. Thazhathidathil, A.K. Perka, U.B. Kuruveri, P.L. Menezes // Applied Sciences. – 2021. – Vol. 11 (22). – P. 10986. – doi: 10.3390/app112210986.
  18. Применение ультразвука при сборочно-разборочных операциях / В.Ф. Казанцев, Б.А. Кудряшов, А.Н. Неверов, Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько. – М.: Техполиграфцентр, 2008. – 145 с. – ISBN 978-5-94385-040-0. – EDN QNCHIX.
  19. Приходько В.М. Ультразвуковые технологии при производстве и ремонте автотракторной техники. – М.: Техполиграфцентр, 2000. – 252 с. – ISBN 5-900095-16-9.
  20. Cao X.J., Pyoun Y.S., Murakami R. Fatigue properties of a S45C steel subjected to ultrasonic nanocrystal surface modification // Applied Surface Science. – 2010. – Vol. 256 (21). – P. 6297–6303. – doi: 10.1016/j.apsusc.2010.04.007.
  21. Муханов И.И., Голубев Ю.М. Упрочнение стальных деталей шариком, вибрирующим с ультразвуковой частотой // Вестник машиностроения. – 1966. – № 11. – С. 52–53.
  22. Авторское свидетельство № 456704 A1 СССР, МПК B23P 1/18. Способ поверхностного упрочнения: № 1718835: заявл. 29.11.1971: опубл. 15.01.1975 / И.А. Стебельков; заявитель Предприятие П/Я Г-4561. – EDN DXTPEB.
  23. Способы ультразвукового поверхностного пластического деформирования / Р.И. Нигметзянов, В.М. Приходько, С.К. Сундуков, А.В. Сухов, Д.С. Фатюхин // Наукоемкие технологии в машиностроении. – 2022. – № 7 (133). – С. 33–39. – doi: 10.30987/2223-4608-2022-1-7-33-39. – EDN EGTURS.
  24. Development, characterization and test of an ultrasonic vibration-assisted ball burnishing tool / R. Jerez-Mesa, J.A. Travieso-Rodriguez, G. Gomez-Gras, J. Lluma-Fuentes // Journal of Materials Processing Technology. – 2018. – Vol. 257. – P. 203–212. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2018.02.036.
  25. Influence of surface ultrasonic rolling on microstructure and corrosion property of T4003 ferritic stainless steel welded joint / P. Liu, R. Yu, X. Gao, G. Zhang // Metals. – 2020. – Vol. 10. – P. 1081. – doi: 10.3390/met10081081.
  26. Enhanced wear resistance of 316 L stainless steel with a nanostructured surface layer prepared by ultrasonic surface rolling / C. Wang, J. Han, J. Zhao, Y. Song, J. Man, H. Zhu, J. Sun, L. Fang // Coatings. – 2019. – Vol. 9. – P. 276. – doi: 10.3390/coatings9040276.
  27. Optimizing the parameters of ultrasonic surface plastic deformation by a free steel indenter / R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, S.K. Sundukov, A.V. Sukhov, D.S. Fatyukhin // Russian Engineering Research. – 2022. – Vol. 42 (11). – P. 1195–1198. doi: 10.3103/S1068798X22110181.
  28. Выбор и оптимизация режимов ультразвукового поверхностного деформирования / В.Ф. Казанцев, Ю.М. Лужнов, Р.И. Нигметзянов, С.К. Сундуков, Д.С. Фатюхин // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2016. – № 4 (47). – С. 26–32. – EDN XDBUGV.
  29. Упрочнение поверхностного слоя деталей машин методами химико-термической обработки и ультразвуковыми технологиями / Л.Н. Бритвин, В.А. Германова, В.И. Карагодин, Р.И. Нигметзянов, Д.С. Фатюхин // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). – 2017. – № 1 (48). – С. 63–67. – EDN YGTWIP.
  30. Sequential treatment of steel surfaces by nitriding and ultrasonic hardening / S.K. Sundukov, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, D.S. Fatyukhin // Key Engineering Materials. – 2022. – Vol. 910. – P. 484–489. – doi: 10.4028/p-vz1gn6. – EDN IZHMOF.
  31. Hybrid technology for surface hardening of structural steel / O.V. Chudina, V.M. Prikhod'ko, D.S. Simonov, P. Bringulis // Russian Engineering Research. – 2022. – Vol. 42 (11). – P. 1192–1194. – doi: 10.3103/s1068798x22110065. – EDN PWBBGV.
  32. Effective combined surface hardening processes of structural steels using ultrasound / O. Chudina, D. Simonov, T. Simonova, A. Litovchenko // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 431. – P. 06024. – doi: 10.1051/e3sconf/202343106024.
  33. Salmi M., Huuki J., Ituarte I.F. The ultrasonic burnishing of cobalt-chrome and stainless steel surface made by additive manufacturing // Progress in Additive Manufacturing. – 2017. – Vol. 2. – P. 31–41. – doi: 10.1007/s40964-017-0017-z.
  34. Enhancement of the microstructure and fatigue crack growth performance of additive manufactured titanium alloy parts by laser-assisted ultrasonic vibration processing / S.A. Ojo, K. Manigandan, G.N. Morscher, A.L. Gyekenyesi // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – Vol. 33. – P. 10345–10359. – doi: 10.1007/s11665-024-09323-8.
  35. Surface properties of additively manufactured 316L steel subjected to ultrasonic rolling / Q. Xu, Z. Qiu, D. Jiang, G. Cai, X. Yang, J. Liu, G. Li // Journal of Materials Engineering and Performance. – 2024. – P. 1–10. – doi: 10.1007/s11665-024-09173-4.
  36. Effects of ultrasonic impact treatment on the stress-controlled fatigue performance of additively manufactured DMLS Ti-6Al-4V alloy / P. Walker, S. Malz, E. Trudel, S. Nosir, M.S.A. ElSayed, L. Kok // Applied Sciences. – 2019. – Vol. 9 (22). – P. 4787. – doi: 10.3390/app9224787
  37. Comprehensive estimation of changes in the microgeometry of steel 45 by ultrasonic plastic deformation with a free deforming element / D.S. Fatyukhin, R.I. Nigmetzyanov, V.M. Prikhodko, A.V. Sukhov, S.K. Sundukov // Metals. – 2023. – Vol. 13 (1). – P. 114. – doi: 10.3390/met13010114. – EDN VTASEF.
  38. Машина трения универсальная МТУ-01. ТУ 32.99.53-001-78940767-2018. Руководство по эксплуатации. – ООО «Продвинутые технологии», 2023. – 18 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


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».