Danyleiko O. Enhancing the operational properties of steel products by combined laser thermomechanical processing

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0823U101913

Thesis Registration Form

0823U101913.pdf

Applicant for

Specialization

  • 131 - Прикладна механіка

Specialized Academic Board

ДФ 26.002.81; ID 3866

National Technscal University of Ukraine "Kiev Polytechnic Institute".

Essay

The thesis describes a method to increase wear and corrosion resistance of products made of steel grade 30HGSA (such as mill hammers and bodies of core drill bits) using combined laser heat treatment (LHT). Based on experimental and theoretical results obtained, a technique of thermomechanical processing of metallic materials following a separate scheme is proposed. Plastic deformation and heat treatment are combined into a single process. The material’s surface layer is distorted by high-velocity spherical particle flows for some time to form a crushed structure, and then heated by a laser beam to the temperature of the austenite stability. Finally, the surface layer is automatically tempered by the quick cooling. The cooling rate in this case surpasses the critical quenching speed. The inclination angle of the abrasive flow during shot blasting (SB) is established, and an algorithm for calculating the technical features of combined thermomechanical surface treatment of products produced of steel grade 30HGSA utilising SB and LHT is presented. It has been proven that the impact of plastic deformation is retained during LHT without melting. Meanwhile, the depth of the hardened layer grew by 1,4 times when SB was followed by LHT, and it is roughly 14 times more than that of SB. Deformations generated by dynamic impact during SB and low-frequency impact treatment, along with the following thermal action of the laser beam, result in significant changes in structural and stress states of the surface layer, improving its depth, microhardness, and wear resistance. When compared to the base material, the crystallite size dropped by almost 1,5 times after SB with no change in the phase structure of the samples. When compared to SB, the size of Fe crystallites decreased by half after laser hardening. Furthermore, it is roughly three times lower than the base material. The scientific novelty of the results obtained: 1. For the first time, the combined method of laser thermomechanical surface treatment with preparatory plastic deformation and subsequent laser hardening was devised, and sustainable regimes for surface hardening of products made of steel grade 30HGSA were experimentally determined. The method boosts hardening depth, improves physical and mechanical properties of the surface layer, and increases wear resistance by 13 times. 2. For the first time, a method for determining the best technical regimes for hardening medium-alloy steel products by the combined LHT based on the surface hardness depth criteria is described. 3. The calculated and experimental dependencies of the deformation zones in the cooling process after combined laser thermomechanical surface treatment are presented. 4. The variations in depth, microhardness, size, and crystallite deformations, the value of internal residual stresses, wear and corrosion resistance of samples hardened by single and combined mechanical-thermal treatment using dynamic deformation and thermal action of the laser beam, are determined. The practical significance of the findings: • an experimental CNC laser machine is constructed and a G-code programme for hard-facing metal products with the thermal action of the laser beam and deformation done by the deformation tool is presented. Furthermore, the DM2800 machine as well as the apparatus and equipment employed in the research, were improved; • the method of measuring the depth of the hardened layer after the thermal deformation processes driven by surface hardening is proposed. It has been proven that the combined method of SB + LTH enhances hardening depth by 50% when compared to LHT; • the integrated LHT technology has been established and tested in production circumstances. Tests conducted by the state-owned enterprise plant “Henerator,” the state concern “Ukroboronprom,” and the open joint stock company “Khorol Mechanical Plant”. • the findings might be used to prepare professionals in specialisation 131 “Applied Mechanics” at National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, as well as to perform more experimental studies on a variety of scientific and technical issues. The findings of the study, for instance, are used in the joint Ukrainian-Czech study No 0121U113829 “Increasing wear and corrosion resistance of steel products by combined laser thermomechanical treatment.” Implementing the proposed combined strengthening method holds the potential to boost production efficiency significantly. This is achieved through the automation of thermomechanical processing processes along the contours of intricately shaped parts, especially those composed of 30KhHSA steel and refractory metals.

Read more

Research papers

Lesyk D., Matrinez S., Mordyuk B., Dzhemelinskyi V., Danyleiko O. Combined laser ultrasonic surface hardening process for improving the properties of metallic products. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Advances in Design, Simulation and Manufacturing. Switzerland: Springer International Publishing, 2018. P. 97-107. https://doi.org/10.1007/978-3-319-93587-4_11.

Dzhemelinskyi V., Lesyk, Goncharuk D., Danyleiko O. Surface hardening and finishing of metallic products by hybrid laser-ultrasonic treatment. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2019. № 1(12 91). P. 35-42. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.124031.

Lesyk D., Matrinez S., Mordyuk B., Dzhemelinskyi V., Danyleiko O. Effects of the combined laser-ultrasonic surface hardening induced microstructure and phase state on mechanical properties of AISI D2 tool steel. Lecture Notes in Mechanical Engineering. Advances in Design, Simulation and Manufacturing II. Switzerland: Springer International Publishing, 2020. P. 188-198. https://doi.org/10.1007/978-3-030-22365-6_19.

Danyleiko O., Dzhemelinskyi V., Lesyk D. Increasing wear and corrosion resistance of steel products by combined laser thermomechanical treatment. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2021. № 6 (1-114). P. 72-80. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.247552.

Lesyk D., Hruska M., Dzhemelinskyi V., Danyleiko O., Honner M. Selective surface modification of complexly shaped steel parts by robot-assisted 3D scanning laser hardening system. Lecture Notes in Networks and System. New Technologies, Development and Application V. Switzerland: Springer International Publishing, 2022. V. 472. P. 30-36. https://doi.org/10.1007/978-3-031-05230-9_3.

Джемелінський В. В., Лесик Д. А., Салій С. С., Данилейко О. О. Забезпечення якості поверхневого шару дрібнорозмірних деталей комбінованою оздоблювально-зміцнювальною обробкою. Вібрації в техніці та технологіях. 2016. № 1(81). С. 81-85.

Лесик Д. А., Джемелінський В. В., Данилейко О. О., Хижевський В. В. Дослідження мікрорельєфу та структури поверхневого шару при лазерній та ультразвуковій термодеформаційній обробці інструментальної сталі. Вісник Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут». Серія «Машинобудування». 2016. № 3(78). С. 58-64.

Лесик Д. А., Джемелінський В. В., Мордюк Б. М., Прокопенко Г. І., Данилейко О. О. Визначення оптимальних режимів комбінованого лазерно ультразвукового зміцнення інструментів сталі Х12МФ. Вісник Національного технічного університету «Харківський політехнічний інститут». Серія «Нові рішення в сучасних технологіях». 2017. № 23(1245). С. 27-35. https://doi.org/10.20998/2413-4295.2017.23.05.

Lesyk D., Dzhemelinskyi V., Martinez S., Lamikiz A., Danyleiko O., Hyzhevskyi V. Laser transformation hardening effect on hardening zone features and surface hardness of tool steel AISI D2. Mechanics and Advanced Technologies. 2017. №1(79). P. 26-33. http://dx.doi.org/10.20535/2521-1943.2017.79.95851.

Джемелінський В. В., Лесик Д. А., Данилейко О. О., Бернацький А. В. Підвищення ефективності поверхневого зміцнення металевих виробів комбінованою термодеформаційною обробкою. Вібрації в техніці та технологіях. 2020. № 1(96). С. 103-110. http://dx.doi.org/10.37128/2306-8744-2020-1-11.

Данилейко О. О., Джемелінський В. В., Лесик Д. А. Поліпшення якості поверхневого шару сталі 30ХГСА комбінованою лазерно деформаційною обробкою. Прогресивні технології в машинобудуванні : матеріали VII міжнар. наук.-техн. конф., м. Львів-Звенів, 5 9 лютого 2018 р. С. 41-43.

Lesyk D., Mordyuk B., Dzhemelinskyi V., Prokopenko G., Danyleiko O. Influence of ultrasonic impact treatment on surface topography and microstructure of AISI 321 stainless steel. International trends in Science and Technology : Proceedings of 2nd International Scientific and Practical Conference, Warsaw. 2018. № 3(10). V. 2. P. 3-8.

Лесик Д. А., Джемелінський В. В., Данилейко О. О., Скляр А. Можливості відновлення поверхонь деталей автомобілів комбінованою лазерно-деформаційною адитивною технологією. Сучасні технології на автомобільному транспорті та машинобудуванні : матеріали міжнар. наук. практ. конф., м. Харків, 15-18 жовтня 2019 р. Харків, 2019. С. 164-166.

Lesyk D., Dzhemelinskyi V., Danyleiko O., Salii S. Surface finishing of complexly shaped metal parts by vibratory treatment combined with magnetic treatment. International Trends in Science and Technology : Proceedings of the XVII International Scientific and Practical Conference, Warsaw, September 30, 2019. Warsaw, Poland : RS Global Sp. Z O. O., 2019. V. 1. P. 16-20.

Данилейко О. О., Джемелінський В. В., Лесик Д. А. Технологічне забезпечення якості поверхневого шару сталі 45 комбінованою лазерно ультразвуковою обробкою. Комплексне забезпечення якості технологічних процесів та систем : матеріали IX міжнар. наук. практ. конф., м. Чернігів, 14-16 травня 2019 р. Чернігів : ЧНТУ, 2019. Т. 1. С. 94-95.

Лесик Д. А., Джемелінський В. В., Данилейко О. О. Перспективи використання комбінованої лазерно гідроструменевої обробки металевих деталей. Комплексне забезпечення якості технологічних процесів та систем : матеріли Х міжнар. наук. практ. конф., м. Чернігів, 29 30 квіт. 2020 р. Чернігів : ЧНТУ, 2020. Т. 1. С. 165-166.

Данилейко О. О., Джемелінський В. В., Лесик Д. А. Підвищення зносостійкості металевих виробів комбінованою термодеформаційною обробкою. Прогресивна техніка, технологія та інженерна освіта : матеріали ХХІ міжнар. наук. техн. конф., м. Київ, 6 9 жовтня 2020 р., Київ, 2020. С. 110-113.

Данилейко О. О., Джемелінський В. В., Бернацький А. В., Лесик Д. А. Вплив дробоструминного зміцнення з наступним лазерним термозміцненням на якість поверхневого шару сталі 30ХГСА. Комплексне забезпечення якості технологічних процесів та систем : матеріали XIII міжнар. наук. практ. конф., м. Чернігів, 25-26 травня 2023 р. Чернігів : ЧНТУ, 2023. Т. 2. С. 111.

Read more

Files

autoreferat-Анатоція до дисертації Данилейко О-О-.docx

editrequest-Лист до УкрІНТЕІ_PhD_Данилейко О-О-.pdf

evolution-Рішення_разової_вченої_ради_Данилейко_О_О.pdf

ДИСЕРТАЦІЯ_PhD_Данилейко О- О- PDFA.pdf

Similar theses

0824U000270

Larisa P. Ivanova

Technological assurance of the accuracy of grinding parts due to the management of the thermal regime of technological fluids.

0823U101977

Oleksii Ishchenko

Thin-walled shells stress-strain state of VVER-1000 reactor at maximum design accident

0823U101983

Oleksandr Yarmolenko

Increasing the productivity of plastic formation of axisymmetric brass products with a variable wall thickness of a long length

0823U101603

VYACHESLAV PEREPELYTSIA

System of the hydraulic drives for the synchronization of the operation motions of the automatic unit for brick blanks formation

0823U101351

Pavlo Maistruk

Synthesis of discrete-continuous inter-resonance oscillating system of the vibrating machines with an electromagnetic drive