Наклеп и нагартовка металла: сходство и различие технологий

Что такое наклеп металла

Наклеп – один из способов пластического деформирования металлических заготовок для повышения прочности материала. Его производят, нагревая деталь до температуры ниже той, что необходима для рекристаллизации. При этом меняется как внутренняя структура, так и фазовый состав. Дефекты, возникающие в ходе обработки, выводятся в поверхностные слои металла. Результатом наклепа становится улучшение его механических свойств.

В ходе наклепа происходят следующие изменения характеристик материала:

• снижаются пластичность, ударная вязкость и устойчивость к воздействию противоположно направленных нагрузок;
• увеличиваются твердость и прочность;
• снижается коррозионная стойкость металла.

При наклепе меняется микроскопическая твердость материала, по которой можно оценить упрочнение его поверхностных слоев.

У железа и других ферромагнитных металлов по мере наклепа существенно повышается коэрцитивная сила и ухудшается магнитная проницаемость. В случаях, когда деформация в наклепанных областях невелика, снижается степень остаточной индукции, а при продолжении деформирования до значительных показателей этот параметр резко возрастает.

Благодаря наклепу улучшаются эксплуатационные характеристики высокопластичных металлов, обуславливающих существенное трение в процессе применения.

Обычно формирование участков наклепа на поверхностных слоях металлической заготовки является результатом специальных усилий. Но возможно и непреднамеренное появление таких зон в ходе обработки деталей. Как правило, подобное попутное нежелательное образование наклепанных зон происходит в ходе резания металла, так как режущий инструмент при этом оказывает существенное давление на его поверхность.

Виды наклепа

Различают два вида наклепа. Фазовый – наклеп, при котором происходят изменения фазовой структуры материала с формированием зон, отличающихся по удельному объему. Нарушение строения кристаллической решетки материала под воздействием внешней силы называют деформационным наклепом.

В зависимости от метода обработки различают центробежно-шариковый и дробометный деформационный наклеп:

1. В первом случае для формирования наклепанного слоя шарики, изначально находящиеся в специальном ободе с внутренними гнездами, воздействуют на обрабатываемые участки. Для этого ободу, максимально приближенному к заготовке, придают вращение. Центробежная сила воздействует на шарики и выбрасывает их на периферию. Ударное воздействие, оказываемое при этом на внешние слои металла заготовки, приводит к их деформации.
2. Дробеструйная обработка происходит в специальных камерах, где на поверхность обрабатываемых деталей воздействуют дробинки. Поток чугунных, стальных или керамических шариков диаметром 0,4–2 мм движется в камере со скоростью, достигающей 70 м/с.

Понятие и виды нагартовки металла

Нагартовкой называют процесс, позволяющий повысить прочность поверхностных слоев материала за счет их уплотнения. Воздействие производится на уровне, который не вызывает растрескивания или разрушения металла во внешних слоях заготовок. Образующаяся в ходе нагартовки плотная защитная «корка» улучшает эксплуатационные характеристики изделий. Прошедшие такую процедуру поверхности не требуют дополнительной механической обработки.

С помощью нагартовки обрабатывают листовой металл. Этот метод находит широкое применение там, где нельзя повысить прочность поверхностных слоев металла закаливанием или посредством любой другой термообработки.

Различают пять основных видов холодного деформирования поверхности металлических заготовок, приводящих к нагартовке:

Холодная ковка

Ковку осуществляют с помощью пневматических молотов (заготовки весят от 0,3 до 20 кг), паровоздушных (вес деталей – от 20 до 350 кг) и гидравлических прессов (при весе от 350 кг до 200 т).

К холодной ковке прибегают, когда требуется произвести:

• осадку, уменьшая ее высоту и увеличивая площадь поперечного сечения;
• протяжку, сокращая площадь поперечного сечения и повышая длину заготовки;
• прошивку поковки для формирования глухого или сквозного отверстия;
• гибку – важно выбрать радиус таким образом, чтобы в ходе операции не образовались складки по внутренней стороне изделия и трещины по внешней;
• разгонку, увеличивая ширину поковки и уменьшая ее толщину.

Холодная прокатка

С помощью этого метода, который применяется наиболее часто, изготавливают трубы, рельсы, металлические профили и листовой металл для машиностроения. Один из примеров продукции, получаемой таким способом, – фольга из технически чистого алюминия толщиной не более 0,001 мм.

Холодное прессование или штамповка

Различают объемную и листовую штамповку.

Объемную применяют для:

• выдавливания;
• высадки;
• формовки деталей.

С помощью этого метода обрабатывают заготовки в виде листов, полос или лент, толщина которых не превышает 1 см. Среди преимуществ этой технологии:

• возможность производства мелких деталей;
• высокие показатели точности и качества поверхности изделий;
• возможность производить до 40 тысяч изделий на одном станке за рабочую смену;
• высокая степень автоматизации технологической линии.

Метод позволяет подвергать холодному деформированию как всю заготовку при отрезке и вырубке, так и отдельные ее части при гибке, вытяжке или формовке.

Холодное волочение

Этот метод применяют для уменьшения площади поперечного сечения металлической проволоки с попутным повышением прочности. Если прокатку осуществляют вращающимися валками, то для волочения металл обжимают неподвижной матрицей с фильерами. Процесс осуществляют в несколько циклов, так как тянущее усилие в данном случае прилагается к тонким концам заготовок. Опасность разрыва не дает возможности существенно уменьшить диаметр за один проход.

Холодное волочение – единственная технология, позволяющая произвести нагартовку большого объема проволоки.

На волочильных станах получают проволоку толщиной от 1 мкм до 6 мм.

Редуцирование

При обработке металлических заготовок по этой технологии их либо обжимают вращающимися валами, либо формуют, вращая и воздействуя на них пуансоном. Верчение детали в сочетании с обжимом приводит к деформированию металла и его уплотнению.

Для формирования внутренней или наружной резьбы (от М3 до М68) заготовки обрабатывают посредством резьбонакатных станков с накатными роликами или оправками. Редуцирование трубного проката обычно заключается в закатке или раскатке концевых участков длиной не более 200 мм. Также этим способом пользуются, чтобы править геометрические оси деталей. Пружины различных диаметров обычно производят гибкой круглого проката с требуемой площадью поперечного сечения.

Описанный способ – один из самых эффективных и популярных. Холодное пластическое деформирование металлических заготовок, дающее возможность существенно повысить производительность и улучшить эксплуатационные характеристики конечной продукции, – это нагартовка.

Почему наклеп и нагартовка металла приводят к его упрочнению

Чтобы правильно понять, как наклеп и нагартовка упрочняют металл, важно более подробно разобрать процессы, происходящие при этом в его структуре. Холодное пластическое деформирование нагрузками, превышающими предел текучести металла, создает зоны внутреннего напряжения.

Деформация материала носит необратимый характер и не компенсируется по окончании воздействия приложенной силы. При этом повышение предела текучести соотносимо с интенсивностью образовавшихся в металле внутренних напряжений.

Для повторного деформирования заготовки необходимо приложить еще большее усилие. Прочность материала возрастет, и он придет в состояние, которое принято называть нагартованным.

Холодное деформирование материала при воздействии на него соответствующим давлением (к примеру, при наклепе или нагартовке) вызывает перемещение дислокаций, входящих в его внутреннюю структуру. Даже две дефектные линии, придя в движение, могут вызвать формирование большого числа аналогичных локаций, что в итоге и приведет к существенному повышению предела текучести металла заготовки.

Некоторые говорят, что в зоне деформаций происходит измельчение зерен структуры материала. Эти данные неверны – происходит всего лишь изменение их формы, но при этом не наблюдается уменьшения или увеличения площади поверхности.

Итак, можно сказать, что наклеп и нагартовка металла приводят к повышению твердости и прочности через изменение строения его кристаллической решетки. Подобная обработка, помимо упрочнения материала, увеличивает его хрупкость. Сталь, которую для повышения прочности подвергли холодному пластическому деформированию, принято называть нагартованной.

В технической документации, в том числе в ГОСТах, стандартах ANSI и ISO, не употребляют термина «наклеп». Так, деформационно-упрочненный алюминий принято называть нагартованным. Степень обработки этого металла указывают буквой Н, за которой следует числовой индекс, содержащий от 1 до 3 цифр.

Отличные эксплуатационные свойства изделий, прошедших такие виды обработки, как наклеп или нагартовка, позволяют использовать их в ответственных конструкциях и механизмах. Эти детали применяют в деталях, предназначенных для эксплуатации в условиях резких температурных перепадов, колебаний давления, трения и других воздействий и нагрузок.

Нагартованные виды стали в наши дни нашли широкое применение в таких областях, как станко-, машино- и судостроение, строительство, производство продуктов питания, автопромышленность и др.

В статье мы дали определение наклепу и нагартовке металла и подробно ознакомили с этими методами, которые являются сегодня одними из самых эффективных.