5 способов нагартовки (пластической деформации металлов)

Услышав слово «нагартовка», большинство пожмёт плечами. Бывшие студенты металлургических и машиностроительных учебных заведений наморщат лоб, пытаясь что-то вспомнить. Лишь единицы смогут объяснить суть явления. Расскажем об этом сложном термине, пришедшем к нам из материаловедения металлов.

Нагартовка или наклёп?

Часто нагартовку путают с наклёпом. Наклёп — более широкое понятие. Это все виды пластической деформации металлов, возникающие при наружном механическом воздействии. Наклёп может быть полезным и вредным. Полезный наклёп создаётся специально и называется «нагартовка» (от немецкого слова hart — твёрдый). Вредный наклёп образуется не специально и требует последующей термической обработки металла.

Что такое пластическая деформация?

Деформация — это изменение формы и размеров предмета. Она бывает упругой и неупругой. При упругой деформации размеры тела не меняются или восстанавливаются, при неупругой меняются. Неупругая деформация возникает, например, в алюминиевой заклёпке при ударах по ней металлическим молотком для формирования второй шляпки. Под ударом молотка алюминий на мгновение становится пластичным в месте удара и меняет свою форму. Поэтому неупругую деформацию металлов ещё называют пластической.

Что происходит внутри металла при пластической деформации?

Любой металл имеет кристаллическую пространственную решётку, в узлах которой находятся атомы. Чистые металлы без примесей имеют правильную прямоугольную решётку, в которой расстояния между атомами равны. Освободить металл от примесей при плавке сложно и на 100% невозможно. После плавки металл начинает остывать. Внутри него происходят сложные физико-химические процессы и формируется монолитный кристалл.

Примеси в виде атомов чужих металлов и неметаллов вклиниваются в структуру кристалла и мешают его правильному росту. Вот поэтому в любом металле после расплава при остывании образуются зёрна разной величины и формы. Внутри каждого зерна находится чистый металл с правильной решёткой. Примеси располагаются на границах зёрен. Связи между атомами металла в кристалле очень сильны. Но при пластичной деформации строгая прямоугольная решётка кристалла меняет свою форму, она сминается.

Пример из жизни

Если взять кусочек пластилина и немного покатать его между ладоней, можно получить некое подобие металлического зерна. Ударив несильно ладонью по окатышу, получим овальный блинчик. Приблизительно такую форму принимают зёрна металла после пластической деформации. Но не все зёрна становятся «блинчиками». Пластическая деформация сминает зёрна только в верхних слоях металла, упрочняя его.

Почему упрочняются верхние слои?

Для наглядности нужно опять обратиться к пластилину. Сделаем много окатышей и положим их ненадолго в морозилку. Из несильно замороженных кусочков слепим кучу. Ударим ладонью по этой куче. Что произошло? В месте удара образовались знакомые нам «блинчики». В глубине кучи окатыши тоже немного помялись. Чем глубже, тем меньше было сминания.

А теперь попробуем отрывать окатыши пластилина от кучи. С обратной от удара стороны это получается легко. Но чем ближе к месту удара, тем тяжелее это делать. Почему? Зёрна в глубине металла имеют определённую площадь соприкосновения друг с другом. В месте удара площадь соприкосновения увеличивается из-за увеличения внешней поверхности смятого зерна. При увеличении площади соприкосновения «родные» атомы металла соседних зёрен образуют между собой дополнительные связи. «Блинчики» крепче связаны между собой, чем простые «окатыши». Вот и весь секрет уплотнения и упрочнения верхних слоёв металла после пластической деформации!

Виды нагартовки металла

Нагартовка — это полезный процесс, при котором уплотняются верхние слои металла. Такой уровень упрочнения не приводит к появлению трещин и разрушению верхних слоёв. Снаружи металла появляется «корка», которая защищает деталь при эксплуатации. После нагартовки не нужна последующая механическая обработка металла.

В отличие от нагартовки вредный наклёп требует снятия возникших в верхних слоях напряжений. Металлу устраивают «баню», нагревая поверхность до величины в 40–60% от температуры плавления. При остывании происходит рекристаллизация, восстанавливается обычная структура зёрен, напряжений больше нет и можно проводить дальнейшую механическую обработку деталей, не ломая инструмент.

Полезный наклёп (нагартовка) и вредный наклёп возникают в результате пластической деформации верхних слоёв металла только в результате холодной обработки давлением. «Холодный» – подразумевает температуру окружающего воздуха. Справочники говорят нам о допустимой верхней температуре — не больше температуры «рекристаллизации».

Важной особенностью пластической деформации является отсутствие разрушения. Пластичность оценивается величиной относительного удлинения стандартного образца при разрыве. Эта величина составляет 10–50%. К сплавам, обладающим высокой пластичностью, относятся низкоуглеродистые стали (содержание углерода 0,25%), сплавы алюминия, меди (латуни), многие легированные стали.

Какими же бывают виды холодной обработки металла давлением, запускающие процесс нагартовки в металле?

Их всего пять:

1. Ковка.
2. Прокатка.
3. Прессование или штамповка.
4. Волочение.
5. Редуцирование.

Холодная ковка

Оборудованием служат пневматические молоты при весе заготовок от 0,3 до 20 кг, паровоздушные молоты для заготовок 20–350 кг, гидравлические прессы для обработки деталей весом до 200 тонн.

Холодную ковку включают в технологию обработки, если нужно:

• расплющить деталь — уменьшить высоту, увеличив поперечное сечение (осадка);
• увеличить длину поковки за счёт уменьшения поперечного сечения (протяжка);
• получить глухое или сквозное отверстие (прошивка);
• изогнуть ось заготовки, при этом радиус изгиба не должен вызывать складки на внутренней и трещины на внешней стороне изделия (гибка);
• увеличить ширину заготовки за счёт уменьшения её толщины (разгонка).

Холодная прокатка

Это самый распространённый способ нагартовки. Так получают длинные заготовки — трубы, рельсы, профили строительных конструкций. Прокаткой получают листовой металл, используемый в машиностроении. Примером холодной прокатки может служить алюминиевая фольга толщиной до 0,001 мм, получаемая из чистого алюминия.

Холодное прессование или штамповка

Есть два вида — объёмная и листовая штамповка.

При объёмной штамповке можно делать:

• выдавливание заготовки;
• высадку;
• формовку.

Выдавливание производят на прессах в штампах, имеющих пуансон и матрицу. Исходной заготовкой служит пруток или лист. Если делают прямое выдавливание, то получают болты и клапаны. Обратным выдавливанием изготавливают полые детали. При боковом выдавливании производят различные тройники и крестовины. В сложном изделии, выдавливание делают комбинированным.

Только этот вид штамповки позволяет получить максимальную деформацию поверхности без её разрушения.

Холодная высадка — самый высокопроизводительный способ изготовления продукции. Процесс поддаётся автоматизации, поэтому в минуту можно получить от 20 до 400 деталей. Исходным материалом здесь служит пруток или проволока диаметром 0,5–40 мм. В высадке есть потребность при выработке деталей с местным утолщением: заклёпок, болтов и винтов, гвоздей, шариков, звёздочек и накидных гаек. Коэффициент использования металла достигает 95%.

Процесс холодной формовки аналогичен горячей штамповке. Однако здесь нужны более высокие усилия, потому что материал имеет низкую формуемость из-за упрочнения и действия сил трения. Обычно так получают детали из цветных металлов.

При холодной листовой штамповке заготовками служат листы, полосы или ленты толщиной не более 10 мм.

У листовой штамповки есть много преимуществ:

• получение деталей с малой массой;
• высокая точность и качество поверхностей;
• производительность — до 40 тысяч деталей в смену на одном станке;
• возможность автоматизации процесса.

При листовой штамповке деформации можно подвергать всю заготовку (отрезка и вырубка) или её часть (гибка, вытяжка и формовка).

Холодное волочение

Если нужно уменьшить диаметр и уплотнить поверхность проволоки для повышения её прочностных характеристик, применяют волочение. Это единственный способ нагартовки больших объёмов проволоки. В отличие от прокатки, где инструментом служат вращающиеся валки, в волочении для обжатия используют неподвижную матрицу с фильерами. За один цикл нельзя значительно сократить диаметр изделия, потому что тянущее усилие приложено к его тонкому концу.

Волочильные станы позволяют получать проволоку диаметром от 1 микрона до 6 мм.

Редуцирование

При этом способе нагартовки заготовка помещается между вращающимися обжимными валами или вращающаяся заготовка формуется под действием пуансона. В процессе вращения и обжима происходит изменение формы поверхности детали и её уплотнение.

Виды:

• накатка наружной и внутренней резьбы;
• редуцирование труб;
• правка заготовок;
• гибка заготовок.

На резьбонакатных станках получают заготовки с наружной и внутренней резьбой М3 — М68, используя для этого накатные ролики или оправки. При редуцировании труб происходит в основном закатка или раскатка концов на длину до 200 мм. Правка заготовок нужна для выправления геометрической оси изделия. Гибку заготовок используют для получения пружин разного диаметра.

Как оказалось, нагартовка очень интересный, полезный и распространённый способ деформации металлов, который позволяет значительно увеличить эффективность металлообработки.