Analysis of Methods for Strengthening the Surface Layers of Parts of Gas Bearings
DOI:
https://doi.org/10.31649/1997-9266-2025-179-2-171-178Keywords:
gas bearing, surface layer, strengthening, durability, reliability, performance characteristicsAbstract
The aim of the work is to analyze the methods for strengthening the surface layers of gas bearings and their impact on durability and reliability during operation.
The study uses a comprehensive methodology that involves the use of general scientific methods of analysis and synthesis, comparative analysis, and a structuring method. Main characteristics of each method are determined, in particular, their impact on microhardness, wear resistance, resistance to high-temperature loads and the formation of an optimal microstructure of the surface layer. Further structuring of materials made it possible to identify the relationship between the technological features of strengthening methods and their effectiveness under high-speed and high-temperature operation of gas bearings. Analysis of scientific publications showed that the combined use of strengthening methods can significantly improve the performance characteristics of bearings, reducing friction and increasing their service life. The practical significance of the analysis of methods for strengthening the surface layers of gas bearings is important, since their durability and operational reliability have a direct impact on the efficiency of high-speed rotary equipment, aviation and energy systems. Considering that gas bearings operate under difficult conditions (high temperatures, significant mechanical loads, intense wear), the choice of the optimal strengthening method is critical to ensure their long and trouble-free operation.
Analysis and use of effective methods for strengthening gas bearings is an important step in increasing their reliability, energy efficiency and durability. This helps to reduce operating costs, improve the operation of high-speed machines and minimize emergency situations, which is critical for many industries.
References
К. А. Ющенко, Ю. С. Борисов, В. Д. Кузнецов, і В. М. Корж, Інженерія поверхні, Київ: Наукова думка, 2007, 558 с.
В. М. Голубець, Технологічні методи поверхневого зміцнення металічних конструкційних матеріалів, Львів: ВТФ Друксервіс, 2000, 178 с.
P. A. Dearnley, Introduction to Surface Engineering, Cambridge University Press, 2017, 325 p.
В. Тулупов, і С. Онищук, «Дослідження технологій поверхневого зміцнення деталей машин,» Технічні науки та технології, № 3 (25), с. 55-60, 2021. https://doi.org/10.25140/2411-5363-2021-3(25)-55-60 .
С. В. Ковалевський та ін., Нові комбіновані методи оброблення робочих поверхонь деталей машинобудування (із застосуванням нейросітьового аналізу), Краматорськ: ДДМА, 2013, 196 с. ISBN 978-966-379-665-9.
Л. М. Сусліков, і І. П. Студеняк, Неруйнівні методи контролю, навч. посіб. Ужгород, Україна: вид-во УжНУ, 2016, 192 с.
M. Zhang, Z. Jiang, M. Niu, Y. Sun, and X. Zhang, “Tribological behavior of CoCrFeNiMn high-entropy alloy against 304, Al2O3 and Si3N4 counterparts,” Wear, vol. 508, p. 204471, 2022. https://doi.org/10.1016/j.wear.2022.204471 .
C. Y. Hsu, T. S. Sheu, J. W. Yeh, and S. K. Chen, “Effect of iron content on wear behavior of AlCoCrFexMo0.5Ni high-entropy alloys,” Wear, vol. 268, no. 5, pp. 653-659, 2010. https://doi.org/10.1016/j.wear.2009.10.013 .
S. Yang, S. Gao, W. Xue, B. Wu, H. Cheng, and D. Duan, “Epitaxial growth and oxidation behavior of the NiCoCrAlYTa/Y2O3 coating on a nickel-based single-crystal superalloy blade tips, produced by electro spark deposition,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 931, рp. 167600, 2023. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167600 .
Є. В. Іващенко, Г. Г. Лобачова, Н. А. Шаповалова, і К. Є. Ігнасюк, «Створення функціональних покриттів на поверхні маловуглецевої сталі багатостадійним електроіскровим легуванням хромом та графітом у насичувальних середовищах,» Проблеми тертя та зношування, № 2 (71), с. 62-66, 2016.
О. П. Гапонова, «Аналіз якості комплексних сульфоцементованих покриттів, отриманих методом електроіскрового легування,» Наукові нотатки, т. 67, c. 24-28, 2019. https://doi.org/10.36910/6775.24153966.2019.67.4 .
M. F. Grosso, G. Bozzolo, and H. O. Mosca, “Modeling of high entropy alloys of refractory elements,” Physica B Condensed Matter, vol. 407, no. 16, pp. 3285-3287, 2012. [Electronic resource]. Available: https://doi.org/10.1016/j.physb.2011.12.088 .
Є. В. Іващенко, Г. Г. Лобачова, Л. Ф. Яценко, і В. Ф. Мазанко, «Вплив хромового аноду на формування поверхневих шарів сплавів Fe-Cr при електроіскровому легуванні,» Вісник українського матеріалознавчого товариства, № 3, с. 16-22, 2010.
В. В. Аулін, «Трибофізичні основи підвищення зносостійкості деталей та робочих органів сільськогосподарської техніки.» автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.02.04., Хмельницький національний університет, Хмельницький, 2015.
М. І. Денисенко, О. В. Зазимко, і В. Ф. Лабунець, «Дослідження поверхонь тертя робочих органів ґрунтообробних сільськогосподарських машин,» Проблеми тертя та зношування, № 1 (70), с. 150-153, 2016.
М. І. Денисенко, і В. І. Рубльов, «Підвищення довговічності робочих органів ґрунтообробних машин з використанням точкового зміцнення,» Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація, зб. наук. праць КНТУ, т. 24, № 2, с. 28-35, 2011.
М. І. Денисенко, і А. С. Опальчук, «Зношування та підвищення довговічності робочих органів сільськогосподарських машин,» Вісник ТНТУ, № 2, с. 201-210, 2011.
А. А. Бабінець, І. О. Рябцев, І. П. Лентюгов, І. І. Рябцев, Т. В. Кайда, і І. Л. Богайчук, «Вплив амплітуди і частоти коливань електродного дроту при дуговому наплавленні на формування і структуру наплавленого металу і проплавлення основного металу,» Автоматичне зварювання, № 10, с. 26-33, 2020. http://jnas.nbuv.gov.ua/article/UJRN-0001169548 .
ДСТУ ISO 6847:2004 (ISO 6847:2000, IDT), Матеріали зварювальні. Наплавлення валка металу шва для хімічного аналізу, 2004.
М. С. Стороженко, О. П. Уманський, В. Є. Шелудько, Ю. В. Губін, і Т. В. Курінна, «Розробка технологій і матеріалів для електроіскрового нанесення покриттів з метою підвищення терміну експлуатації і надійності деталей технологічного і енергетичного обладнання та інструментів,» Автоматичне зварювання, № 10, с. 21-24, 2020. https://doi.org/10.37434/as2020.10.04.
С. М. Волощенко, «Створення наукових засад структуроутворення в високоміцному чавуні для підвищення зносостійкості змінних деталей сільгосптехніки та транспорту.» дис. д-ра техн. наук., Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України, Київ, 2018.
K. Lukaszkowicz, “Review of nanocomposite thin films and coatings deposited by PVD and CVD technology,” Nanomaterials, pp. 145-163, 2011. https://doi.org/10.5772/25799 .
J. Musil, “Properties of Hard Nanocomposite Thin Films,” Nanocomposite Thin Films and Coatings, pp. 281-328, 2007. https://doi.org/10.1142/9781860949975_0005 .
D. K. Dwivedi, “Microstructure and abrasive wear behavior of iron base hardfacing developed by SMA welding,” Material Science and Technology, vol. 20, no. 10, pp. 1326-1330, 2004.
J. Grum, “Laser surface hardening,” in Handbook of Metallurgical Process Design, G. Totten, K. Funatani, and L. Xie, Eds. New York: CRC Press, 2004, pp. 641-731.
M. Hruska, M. Vostrak, E. Smazalova, and M. Svantner, “Standard and scanning laser hardening procedure,” in Conference Metal 2013 Proceedings, Ostrava: TANGER, 2013, pp. 1009-1014.
S. Soundarapandian and N. B. Dahotre, “Laser Surface Hardening,” ASM Handbook, vol. 4A, Steel Heat Treating Fundamentals and Processes, pp. 476-502, 2013.
S. Nemecek, “Microstructure and properties of cast iron after laser surface hardening,” Materials Engineering – Materialove inzinierstvo, vol. 20, no. 4, pp. 153-159, 2013.
F. Mojtahedi, H. Shahverdi, and M. J. Torkamany, “Surface treatment of nano-structured steel with pulsed laser,” Materials Physics and Mechanics, no. 17, pp. 17-21, 2013.
E. Kennedy, G. Byrne, and D. N. Collins, “A review of the use of high power diode lasers in surface hardening,” J. Mater. Process. Technol., no. 155-156, pp. 1855-1860, 2004.
M. A. Montealegre, G. Castro, P. Rey, J. L. Arias, P. Vázquez, and M. González, “Surface treatments by laser technology,” Contemporary Materials, vol. I, no. 1, pp. 19-30, 2010.
J. D. Majumdar, and I. Manna, “Laser Surface Engineering,” in Handbook of Manufacturing Engineering and Technology, 2014.
B. R. Chandra, “Surface Modification of Metals by Using Laser Surface Engineering and Physical Vapor Deposition – A Review,” International Journal and Magazine of Engineering, Technology, Management and Research, vol. 2, no. 8,
pp. 2179-2185, 2015.
C. P. Paul, B. K. Gandhi, R. Bhargav, D. K. Dwivedi, and L. M. Kukreja, “Cobalt Free Laser Cladding on AISI Type 316L Stainless Steel for Improved Cavitation and Slurry Erosion Wear Behavior,” Journal of Materials Engineering & Performance, vol. 23, pp. 4463-4471, 2014.
R. Salloom, S. S. Joshi, N. B. Dahotre, and S. G. Srinivasan, “Laser surface engineering of B4C/Fe nanocomposite coating on low carbon steel: Experimental coupled with computational approach,” Materials & Design, vol. 190, 2020. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108576 .
V. Savulyak, et al., “Modification of working surfaces details by processing with laser irradiation,” Procedings of SPIE. Optical Fibers and Their Applications. vol. 129850F. 129850F–1-6. 2023. https//doi. org/10.1117/12.3023443 .
A. Garcia-Giron, et al., “Combined surface hardening and laser patterning approach for functionalising stainless steel surfaces,” Applied Surface Science, vol. 439, pp. 516-524, 2018. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.01.012 .
M. Moradi, and M. Moghadam, “High power diode laser surface hardening of AISI 4130; statistical modelling and optimization,” Optics and Laser Technology, vol. 111, pp. 554-570, 2019. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2018.10.062 .
T. Slatter, H. Taylor, R. Lewis, and P. King, “The influence of laser hardening on wear in the valve and valve seat contact,” Wear, vol. 267, pp. 797-806, 2009. https://doi.org/10.1016/j.wear.2009.01.040 .
L. Orazi, E. Liverani, A. Ascari, A. Fortunato, and L. Tomesani, “Laser surface hardening of large cylindrical components utilizing ring spot geometry,” CIRP Annals – Manufacturing Technology, vol. 63, pp. 233-236, 2014. http://dx.doi.org/10.1016/j.cirp.2014.03.052 .
A. Zammit, S. Abela, J. C. Betts, and M. Grech, “Discrete laser spot hardening of austempered ductile iron,” Surface & Coatings Technology, vol. 331, pp. 143-152, 2017. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.10.054 .
Z. Zhang, Y. Zhao, J. Shan, A. Wu, H. Gu, and X. Tang, “Influence of heat treatment on microstructures and mechanical properties of K447A cladding layers obtained by laser solid forming,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 790, pp. 703-715, 2019. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.03.136 .
W. Napadlek, “Laser percussive strengthening of the aluminum alloys,” Journal of KONES Powertrain and Transport, vol. 18, no. 1, pp. 373-383, 2011.
В. І. Савуляк і О. В. Шаповалова, «Плазмове гартування робочих поверхонь деталей транспортної техніки,» Вісник Вінницького політехнічного інституту, № 1, с. 73-77, 2010. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://visnyk.vntu.edu.ua/index.php/visnyk/article/view/1729 .
В. І. Савуляк і О. В. Шаповалова, «Формування високовуглецевих шарів з використанням плазми на поверхнях сталевих деталей для їх зміцнення,» Вісник Вінницького політехнічного інституту, № 6, с. 235-238, 2011. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://visnyk.vntu.edu.ua/index.php/visnyk/article/view/1600/1600 .
P. Ji, et al., “Optimization strategy for the velocity distribution based on tool influence function non-linearity in atmospheric pressure plasma processing,” Precision Engineering, no. 65, pp. 269-278, 2020.
C. H. Fu, J. F. Liu, Y. B. Guo, and Q. Z. Zhao, “A comparative study on white layer properties by laser cutting vs. electrical discharge machining of Nitinol shape memory alloy,” Procedia CIRP, vol. 42, pp. 246-251, 2016.
М. В. Кіяновський, і Н. І. Цивінда, Електрофізичні та електрохімічні методи обробки поверхонь деталей у машинобудуванні. Кривий Ріг, Україна: вид-во. центр КТУ, 2011, 412 с.
A. P. Burmak, et al., “Influence of ultrasonic impact treatment on structure and properties of 3D-printed Co–Cr–Mo–W dental alloy,” Metallofiz. Noveishie Tekhnol., vol. 45, no. 7, pp. 909-934, 2023. https://doi.org/10.15407/mfint.45.07.0909 .
T. D. Duc, N. V. Thien, H. T. Dung, and T. Q. Hung, “A study on calculating grinding temperature,” Advances in Engineering Research and Application, vol. 63, ICERA 2018, pp. 84-90, 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-030-04792-4_13.
Н. Є. Погребна, В. З. Куцова, і Т. В. Котова, Способи зміцнення металів, навч. посіб. Дніпро, Україна: НМетАУ, 2021, 89 с.
Downloads
-
pdf (Українська)
Downloads: 1
Published
How to Cite
Issue
Section
License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Authors who publish with this journal agree to the following terms:
- Authors retain copyright and grant the journal right of first publication.
- Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgment of its initial publication in this journal.
- Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
