The Effect of the Method for Producing Chromium-Nickel Stainless Steel Powders on the Strain State and Properties of the Outer Cage of a Spherical Hinge Joint

B. G. Gasanov; N. A. Konko; S. S. Baev

doi:10.17804/2410-9908.2024.5.138-158

B. G. Gasanov, N. A. Konko, S. S. Baev

THE EFFECT OF THE METHOD FOR PRODUCING CHROMIUM-NICKEL STAINLESS STEEL POWDERS ON THE STRAIN STATE AND PROPERTIES OF THE OUTER CAGE OF A SPHERICAL HINGE JOINT

DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.138-158

The paper substantiates the relevance of studying powder metallurgy methods and efficiency of applying them to the production of spherical bearings of highly loaded spherical hinge joints. It proves that the force and work of deformation, as well as the kinetics of forming of the outer cage of a spherical hinge joint made of sintered corrosion-resistant chromium-nickel steels, are influenced by the chemical composition of powders and lubricants, the protective environment and the method of sintering, the microstructure and mechanical properties of the workpiece material. It is shown that the plastic properties of ring specimens under testing depend on the perfection of interparticle contacts, the presence and distribution of chromium oxides, forming schemes and workpiece porosity. The influence of the method for the production of stainless chromium-nickel powders on the density and mechanical properties of the sintered blanks is studied. A method is proposed for evaluating the strain state during radial deformation of ring specimens made of these steel powders and estimating the maximum allowable values of strain intensity below which no cracks are formed during cold forming of porous blanks. It is revealed that, to calculate the stress state and, accordingly, strain resistance in the cold forming of the outer cages of spherical hinge joints, made of sintered corrosion-resistant steels, it is possible to use the known constitutive equations if strain intensity does not exceed the experimentally obtained limit values. The feasibility of implementing the proposed method and selecting the process parameters of cold forming of spherical hinge parts made of chromium-nickel austenitic steels is substantiated.

Acknowledgement: The access to the QForm cloud license was provided by the Chair of Plastic Forming Tech-nologies (Bauman MGTU) and the KvantorForm LLC.

Keywords: powder billet, stainless steel powders, relative density, strain state, modeling, mechanical properties

References:

1.   Dorofeev, Yu.G., Gasanov, B.G., Dorofeev, V.Yu., Mishchenko, V.N., and Miroshnikov, V.I. Promyshlennaya tekhnologiya goryachego pressovaniya poroshkovykh izdelii [Industrial Technology of Hot Compaction of Powder Articles]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1990, 206 p. (In Russian).
2.   Kuhn, H.A. and Downey, C.L. Material behavior in powder preform forging. Journal of Engineering Materials and Technology, 1973, 95 (1), 41–46. DOI: 10.1115/1.3443104.
3.   Gorokhov, V.M., Doroshkevich, E.A., Efimov, A.M., and Zvonarev, E.V. Obyemnaya shtampovka poroshkovykh materialov [Bulk Forming of Powder Materials]. Navuka i Tekhnika Publ., Minsk, 1993, 272 p. (In Russian). ISBN 5–343–00895–X.
4.   Vorontsov, A.L. Account for the nonuniformity of the mechanical properties and the deformation rate in the calculations of the pressure working processes. Russian Engineering Research, 2003, 23 (6), 62–69.
5.   Skorokhod, G.E., Burnaev, N.I., Kortsenshtein, N.E., Burov, A.M., Serdyuk, G.G., and Stepichev, A.V. Technological special features of manufacture of components of complicated configuration from metallic powders by hot stamping. Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 1988, 27, 204–207. DOI: 10.1007/BF00802592.
6.   Oyane, M., Shima, S., and Tabata, T. Consideration of basic equations, and their application, in the forming of metal powders and porous metals. Journal of Mechanical Working Technology, 1978, 1 (4), 325–341. DOI: 10.1016/0378-3804(78)90036-0.
7.   Green, R.J. A plasticity theory for porous solids. International Journal of Mechanical Sciences, 1972, 14 (4), 215–224. DOI: 10.1016/0020-7403(72)90063-x.
8.   Oyane, M., Shima, S., and Kono, Y. Theory of plasticity porous metals. Bulletin of JSME, 1973, 16 (99), 1254–1262. DOI: 10.1299/jsme1958.16.1254.
9.   Baglyuk, G.A., Yurchuk, V.A., and Kovalenko, S.S. Application of variational methods for calculation of pressure treatment processes of sintered workpieces. In: Fizika i tekhnika vysokikh davleniy [Physics and High-Pressure Technology: Collection of Scientific Papers]. Naukova Dumka Publ., Kiev, 1987, 24, pp. 57–61. (In Russian).
10.   Shima, S. and Oyane, M. Plasticity theory for porous metals. International Journal of Mechanical Sciences, 1976, 18 (6), 285–291. DOI: 10.1016/0020-7403(76)90030-8.
11.   Kuhn, H.A. and Downey, C.L. Deformation characteristics and plasticity theory of sintered powder materials. International Journal of Powder Metallurgy, 1971, 7 (1), 15–25.
12.   Rozenberg, O.A., Mikhailov, O.V., and Shtern, M.B. Strain hardening of porous bushings by multiple mandreling: numerical simulation. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2012, 51, 379–384. DOI: 10.1007/s11106-012-9445-y.
13.   Kondo, H. and Hegedus, M. Current trends and challenges in the global aviation industry. Acta Metallurgica Slovaca, 2020, 26 (4), 141–143. DOI: 10.36547/ams.26.4.763.
14.   Laptev, A.M. Construction of deformation theory of plasticity of porous materials. Izvestiya VUZov. Seriya Mashinostroenie, 1980, 4, 153–156. (In Russian).
15.   Kovalchenko, M.S. Strain hardening of a powder body in pressing. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 2009, 48, 133–144. DOI: 10.1007/s11106-009-9118-7.
16.   Sobotka, Z. The plastic flow orthotropic materials with different mechanical properties in tension and compression. Acta Technica CSAV, 1971, 6, 772–776.
17.   Laptev, A.M. Plasticity criteria for porous metals. Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 1982, 21, 522–526. DOI: 10.1007/BF00802566.
18.   Xin, X.J., Jayaraman, P., Daehn, G.S., and Wagoner, R.H. Investigation of yield surface of monolithic and composite powders by explicit finite element simulation. International Journal of Mechanical Sciences, 2003, 45 (4), 707–723. DOI: 10.1016/S0020–7403(03)00107–3.
19.   Vlasov, A.V., Stebunov, S.A., Evsyukov, S.A., Biba, N.V., and Shitikov, A.A. Konechno-elementnoe modelirovanie tekhnologicheskikh protsessov kovki i obyemnoi shtampovki: uchebnoe posobie [Finite-Element Modeling of Technological Processes of Forging and Volume Metal Forming, ed. A.V. Vlasov: Textbook]. MGTU im. N.E. Baumana Publ., Moscow, 2019, 383 p. ISBN 978–5–7038–5101–2.
20.   Konko, N.A. RF Software Registration Certificate No. 2024612263, 2024.
21.   Gromov, N.P. Teoriya obrabotki metallov davleniem [Theory of Metal Forming by Pressure]. Metallurgiya Publ., Moscow, 1978, 360 p. (In Russian).
22.   Storozhev, M.V. and Popov, E.A. Teoriya obrabotki metallov davleniem [Theory of Metal Forming by Pressure]. Mashinostroenie Publ., Moscow, 1977, 423 p. (In Russian).
23.   Martynova, I.F. and Shtern, M.B. A plasticity equation for porous solids allowing for true strains in the base material. Poroshkovaya Metallurgiya, 1978, 1, 23–29. (In Russian).
24.   Smyslov, A.Yu. Theory of plasticity of porous media. Izvestiya Vuzov. Mashinostroenie, 1980, 4, 107–110. (In Russian).

Б. Г. Гасанов, Н. А. Конько, C. С. Баев

ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ НА ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ И СВОЙСТВА ВНЕШНЕЙ ОБОЙМЫ СФЕРИЧЕСКОГО ШАРНИРНОГО УЗЛА

Обоснована актуальность исследований и эффективность применения методов порошковой металлургии при производстве сферических подшипников высоконагруженных шарнирных узлов. Выявлено, что на усилие и работу деформации, а также на кинетику формообразования наружной обоймы сферического шарнирного узла из спеченных коррозионностойких хромоникелевых сталей влияет химический состав порошков и смазочных материалов, защитная среда и способ спекания прессовок, микроструктура и механические свойства материала заготовки. Показано, что пластические свойства при испытании кольцевых образцов зависят от совершенства межчастичных контактов, наличия и распределения оксидов хрома, схем формования и пористости заготовок. Исследовано влияние способа получения нержавеющих хромоникелевых порошков на плотность и механические свойства спеченных заготовок. Предложен метод определения деформированного состояния при радиальной деформации кольцевых образцов из указанных порошков сталей и оценки предельно допустимых значений интенсивности деформаций, ниже которых не образуются трещины при холодной штамповке пористых заготовок. Выявлено, что для расчета напряженного состояния и, соответственно, сопротивления деформации при холодной штамповке наружных обойм сферических шарниров из спеченных коррозионностойких сталей можно использовать известные определяющие уравнения, если интенсивность деформации не превышает предельных значений, полученных экспериментально. Обоснована целесообразность реализации предложенного метода и выбора технологических параметров процесса холодной штамповки деталей сферического шарнирного узла из хромоникелевых сталей аустенитного класса.

Благодарность: Доступ к облачной лицензии QForm предоставлен кафедрой технологий обработки давлением МГТУ им. Н. Э. Баумана и ООО «КванторФорм».

Ключевые слова: порошковая заготовка, порошки нержавеющих сталей, относительная плотность, деформи-рованное состояние, моделирование, механические свойства

Библиография:

Промышленная технология горячего прессования порошковых изделий / Ю. Г. Дорофеев, Б. Г. Гасанов, В. Ю. Дорофеев, В. Н. Мищенко, В. И. Мирошников. – М. : Металлургия, 1990. – 206 с.
Kuhn H. A., Downey C. L. Material behavior in powder preform forging // Journal of Engineering Materials and Technology. – 1973. – Vol. 95, iss. 1. – P. 41–46. – DOI: 10.1115/1.3443104.
Объемная штамповка порошковых материалов / В. М. Горохов, Е. А. Дорошкевич, А. М. Ефимов, Е. В. Звонарев. – Минск : Навука i тэхнiка, 1993. – 272 с. – ISBN 5–343–00895–X.
Vorontsov A. L. Account for the nonuniformity of the mechanical properties and the deformation rate in the calculations of the pressure working processes // Russian Engineering Research. – 2003. – Vol. 23, No. 6. – P. 62–69.
Technological special features of manufacture of components of complicated configuration from metallic powders by hot stamping / G. E. Skorokhod, N. I. Burnaev, N. E. Kortsenshtein, A. M. Burov, G. G. Serdyuk, A. V. Stepichev // Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 1988. – Vol. 27. – P. 204–207. – DOI: 10.1007/BF00802592.
Oyane, M., Shima, S., and Tabata, T. Consideration of basic equations, and their application, in the forming of metal powders and porous metals. Journal of Mechanical Working Technology, 1978, 1 (4), 325–341. DOI: 10.1016/0378-3804(78)90036-0.
Green R. J. A plasticity theory for porous solids // International Journal of Mechanical Sciences. – 1972. – Vol. 14, iss. 4. – P. 215–224. – DOI: 10.1016/0020–7403(72)90063–X.
Oyane M., Shima S., Kono Y. Theory of plasticity porous metals // Bulletin of JSME. – 1973. – Vol. 16, iss. 99. – P. 1254–1262. – DOI: 10.1299/jsme1958.16.1254.
Баглюк Г. А., Юрчук В. А., Ковальченко С. С. Применение вариационных методов для расчета процессов обработки давлением спеченных заготовок // Физика и техника высоких давлений : сб. науч. трудов. – Киев : Наукова Думка, 1987. – Вып. 24. – С. 57–61.
Shima S., Oyane M. Plasticity theory for porous metals // International Journal of Mechanical Sciences. – 1976. – Vol. 18, iss. 6. – Р. 285–291. – DOI: 10.1016/0020–7403(76)90030–8.
Kuhn H. A., Downey C. L. Deformation characteristics and plasticity theory of sintered powder materials // International Journal of Powder Metallurgy. – 1971. – Vol. 7, No. 1. – Р. 15–25.
Rozenberg O. A., Mikhailov O. V., Shtern M. B. Strain hardening of porous bushings by multiple mandreling: numerical simulation // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 2012. – Vol. 51. – P. 379–384. – DOI: 10.1007/s11106-012-9445-y.
Kondo H., Hegedus M. Current trends and challenges in the global aviation industry // Acta Metallurgica Slovaca. – 2020. – Vol. 26, No. 4. – P. 141–143. – DOI: 10.36547/ams.26.4.763.
Лаптев А. М. Построение деформационной теории пластичности пористых материалов // Известия ВУЗов. Серия «Машиностроение». – 1980. – № 4. – С. 153–156.
Kovalchenko M. S. Strain hardening of a powder body in pressing // Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 2009. – Vol. 48. – P. 133–144. – DOI: 10.1007/s11106-009-9118-7.
Sobotka Z. The plastic flow orthotropic materials with different mechanical properties in tension and compression // Acta Technica CSAV. – 1971. – No. 6. – P. 772–776.
Laptev A. M. Plasticity criteria for porous metals // Soviet Powder Metallurgy and Metal Ceramics. – 1982. – Vol. 21. – P. 522–526. – DOI: 10.1007/BF00802566.
Investigation of yield surface of monolithic and composite powders by explicit finite element simulation / X. J. Xin, P. Jayaraman, G. S. Daehn, R. H. Wagoner // International Journal of Mechanical Sciences. – 2003. – Vol. 45. iss. 4. – P. 707–723. – DOI:10.1016/S0020–7403(03)00107–3.
Конечно-элементное моделирование технологических процессов ковки и объемной штамповки / А. В. Власов, С. А. Стебунов, С. А. Евсюков, Н. В. Биба, А. А. Шитиков. – Москва : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2019. – 383 с. – ISBN 978–5–7038–5101–2.
Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2024612263 Рос. Федерация. Расчет полей макродеформации пористых порошковых заготовок : № 2024610327: регистрация 30.01.2024 : опубл. 30.01.2024 / Конько Н. А.
Громов Н. П. Теория обработки металлов давлением. – М. : Металлургия, 1978. – 360 с.
Сторожев М. В., Попов Е. А. Теория обработки металлов давлением. – М. : Машиностроение, 1977. – 423 с.
Мартынова И. Ф., Штерн М. Б. Уравнение пластичности пористого тела, учитывающие истинные деформации материала основы // Порошковая металлургия. – 1978. – № 1. – С. 23–29.
Смыслов А. Ю. К теории пластичности пористых тел // Известия вузов. Машиностроение. – 1980. – № 4. – С. 107–110.

Библиографическая ссылка на статью

Gasanov B. G., Konko N. A., Baev S. S. The Effect of the Method for Producing Chromium-Nickel Stainless Steel Powders on the Strain State and Properties of the Outer Cage of a Spherical Hinge Joint // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2024. - Iss. 5. - P. 138-158. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.138-158. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2024-5/2024-5_467.html
(accessed: 22.12.2024).