Технология наклепа и нагартовки металла

Степень нагартовки

Нагартовку применяют для повышения прочностных свойств алюминия и алюминиевых сплавов, которые не упрочняются термической обработкой. Иногда эти сплавы – в основном сплавы серий 3ххх и 5ххх – называют в позитивном ключе: деформационно упрочняемыми. Основными «рычагами» для получения того или другого нагартованного состояния являются степень нагартовки – количество пластической холодной деформации и отжиг, полный или частичный – нагрев до температуры 350-400 °С при длительности, как правило, достаточной для полного прогрева.

Нагартованный алюминий что это?

Алюминиевый лист является полуфабрикатом, который изготавливается из алюминия или его сплавов путем горячей деформации и дальнейшей холодной прокатки.

Для изготовления листов современными производителями используется разные марки технического алюминия, в частности: А0, АД0, А5, А6, дюралевые сплавы марок Д1, Д12, Д16, деформируемые сплавы АД31, алюминиево-марганцовые и алюминиево-магниевые – АМц и АМг соответственно. Для повышения стойкости к коррозии листы из большинства сплавов с помощью плакирования (наслаивания) покрываются пленкой алюминия высокой чистоты. Толщина ее составляет до 5-ти процентов общей толщины заготовки.

Обозначение состояний алюминиевых сплавов

Для обозначения всех состояний алюминия и алюминиевых сплавов (и не только нагартованных) во всем мире широко применяется американская система обозначений, разработанная в свое время Американской Алюминиевой Ассоциацией.

• Первоначальная система обозначений состояний деформируемых алюминиевых сплавов изложена в американском стандарте ANSI H35.1.
• Эта система почти «один в один» принята международным стандартом ISO 2107 и европейским стандартом В 515.
• Отечественные стандарты (ГОСТ) пока применяют свою систему обозначений состояний, которая значительно отличается от международной.

Состояние материала в горячепрессованном состоянии без дополнительных обработок – термических или деформационных – обозначается стандартах В и ISO буквой F и никакие цифры за ней не следуют. В отечественных стандартах это состояние идет вообще без обозначения.

Состояние полностью отожженного материала обозначается буквой

«О» (не ноль) по международной классификации состояний алюминия и алюминиевых сплавов или «М» – по отечественным ГОСТам. Буква О с дополнительной цифрой относится к отжигу со специальными условиями.

Все обозначения нагартованных состояний начинаются с латинской буквы «Н». За ней могут идти от 1 до 3 цифр.

Суть и назначение наклепа и нагартовки

В результате пластической деформации происходят изменения в кристаллической решетке и фазовом составе материала. Процесс нагартовки металла сопровождается образованием дефектов во внутренней структуре изделия. При этом свойства материала изменяются следующим образом:

• повышается стойкость к механическим повреждениям (упрочнение металла);
• увеличивается твердость материала;
• снижается сопротивление динамическим нагрузкам;
• теряется пластичность;
• происходит снижение устойчивости к пластическим деформациям с противоположным знаком – это называется эффектом Баушингера.

Таким образом, снижается предел текучести металла. Этот параметр определяет предельное напряжение на изделие, при котором оно начнет деформироваться пластически. Если степень нагрузки не превышает допустимого значения, после прекращения действия сторонних сил металл вернется в прежнее состояние.

Данный параметр особенно важен для нагартованной стали, которую используют в качестве основного материала в несущих конструкциях различных зданий и сооружений. Проект составляют с учетом предельных нагрузок на отдельные элементы и объект в целом.

Изучение структуры металла говорит о том, что после превышения предела текучести изделие получает деформационное упрочнение.

Для закалки поверхности наклепом используют специальное оборудование, которое будет рассмотрено ниже.

При воздействии на сталь и прочие ферромагнитные материалы наблюдается увеличение значения напряженности магнитного поля. Этот параметр называется коэрцитивной силой. При этом магнитная проницаемость изделия снижается.

Рассматриваемое явление помогает повысить эксплуатационные свойства пластичных металлов. При нагартовке алюминия и сплавов на его основе наблюдается существенное увеличение твердости и повышение предела текучести. Удобство работы с пластичными металлами заключается в том, что для холодной деформационной обработки можно использовать любой из нижеперечисленных способов:

• прокатку;
• глубокую вытяжку;
• ковку;
• отбортовку.

Только нагартовка – серия Н1

Чисто нагартованные состояния без дополнительных обработок образуют серию Н1. Полностью нагартованным состоянием материала, которое обозначают Н18, называют состояние, полученное при холодной деформации эквивалентной относительному обжатию при прокатке 0,75. Относительное обжатие – это отношение разности толщин исходного и конечного листа к исходной толщине листа. Относительная вытяжка 0,75 будет достигаться, например, при исходной толщине 10 мм и конечной толщине 2,5 мм: (10 – 2,5)/10 = 0,75. Состояние Н19 обозначает изделия с еще большей степенью нагартовки, чем в состоянии Н18. Оно применяется, например, для ленты толщиной 0,30 мм из алюминиевого сплава 3104 для изготовления корпуса пивной банки. Состояния Н16, Н14 и Н12 получают при меньшем количестве холодной деформации и они представляют, соответственно, тричетвертинагартованное

,
полунагартованное
и
четвертьнагартованное
состояния.

Нагартовка и оборудование для нее

Выполнение нагартовки изделий из стали особенно актуально в тех случаях, когда имеется необходимость повысить их устойчивость к поверхностному растрескиванию, а также предотвратить протекание в нем усталостных процессов. Отраслями промышленности, в которых нагартованные изделия зарекомендовали себя особенно хорошо, являются авиа- и автомобилестроение, нефтедобыча, нефтепереработка и строительство.

Устройство промышленной дробомётной установки для обработки труб

Такие методы упрочнения металлов, как контролируемый наклеп или нагартовка, могут быть реализованы при помощи различного оборудования, от качества и функциональности которого зависит результат выполняемых операций. Оборудование для нагартовки изделий из стали или других сплавов, которое сегодня представлено большим разнообразием моделей, может быть общего назначения или специального – для того, чтобы выполнять обработку деталей определенного типа (болтов, пружин и др.).

В промышленных масштабах нагартовка выполняется на автоматизированных устройствах, все режимы работы которых устанавливаются и контролируются за счет использования электронных систем. В частности, на таких станках автоматически регулируется как количество, так и скорость подачи дроби, используемой для выполнения обработки.

Дробометная установка для обработки листового и профильного металлопроката

Выполнение наклепа, при котором процесс его формирования контролируется, используется в тех случаях, когда изделие из стали нет возможности упрочнить при помощи термической обработки. Помимо нагартовки и наклепа повысить прочность поверхностного слоя металлического изделия могут и другие методы холодной пластической деформации. Сюда, в частности, относятся волочение, накатка, холодная прокатка, дробеструйная обработка и др.

Кроме стали, содержание углерода в которой не должно превышать 0,25%, такой способ упрочнения необходим изделиям из меди, а также некоторым алюминиевым сплавам. Нагартовке также часто подвергается лента нержавеющая. Ленту нагартованную применяют в тех случаях, когда обычная лента нержавеющая не способна справляться с воспринимаемыми нагрузками.

Нагартованная нержавеющая лента обладает более высокой прочностью с определенной потерей вязкости и пластичности

Наклеп, который сформировался на поверхности металлического изделия в процессе выполнения его обработки различными методами, можно снять, для чего используется специальная термическая обработка. При выполнении такой процедуры металлическое изделие нагревают, что приводит к тому, что атомы его внутренней структуры начинают двигаться активнее. В результате она переходит в более устойчивое состояние.

Выполняя такой процесс, как рекристаллизационный отжиг, следует учитывать степень нагрева металлической детали. Если степень нагрева незначительна, то в структуре металла снимаются микронапряжения второго рода, а его кристаллическая решетка частично искажается. Если интенсивность нагрева увеличить, то начнут формироваться новые зерна, оси которых сориентированы в одном пространственном положении. В результате интенсивного нагрева полностью исчезают деформированные зерна и формируются те, оси которых ориентированы в одном направлении.

Читать также: Как подключается вольтметр в электрическую цепь

Ручная правка наклепом изогнутого вала

Существует также такая технологическая операция, как правка наклепом, при помощи которой металлический вал или лист приводятся в исходное состояние. Чтобы выполнить такую операцию, нацеленную на устранение несоответствий геометрических параметров их требуемым значениям, нет необходимости использовать специальный станок – ее выполняют при помощи обычного молотка и ровной плиты, на которую укладывается обрабатываемое изделие. Нанося таким молотком удары по изделию, форму которого требуется исправить, добиваются формирования на его поверхности наклепанного слоя, что в итоге приведет к достижению требуемого результата.

На видео ниже показан процесс упрочнения методом наклепа колес для железнодорожной техники в дробеметной установке.

Вы можете сказать какой алюминиевый лист применяется на каждой картинке? Затрудняетесь? Давайте вместе попробуем разобраться в основных алюминиевых сплавах и их применении.

Для начала рассмотрим состояние алюминиевых листов.

ГОСТ 21631-76 определяет нам 7 возможных состояний листа, остановимся только на самых распространенных:

1) отожженные – М;

Мягкий алюминиевый лист, легко поддается деформации.

2) полунагартованные — Н2;

Алюминиевый лист более жесткий, чем в состоянии «М», также легко поддается деформации (выдерживает сгибание до 90град.). Хорошо держит форму, жесткое состояние препядствует образованию вмятин, поэтому наиболее часто применяется в теплоизоляции труб.

3) нагартованные – Н;

Нагартовкой называют способ упрочнения металла с помощью холодной деформации (дополнительная прокатка на станке).

4) закаленные и естественно состаренные – Т;

Твердые алюминиевые листы. Более сложен в обработке ( при сгибании под 90 град лопается). Применяется в деталях и узлах с высокой нагрузкой.

Сплавы 1105, ВД1.

Лист алюминиевый технический применяется в качестве изоляционного и отделочного материала. Малый вес листа и его гибкость обеспечивают невысокие затраты и удобство при проведении изоляционных работ. Наиболее часто применяемые сплавы 1105АН2, ВД1АН2. Также для теплоизоляции используется сплав АД1Н2.

Сплавы группы «алюминий-магний»: АМГ2, АМГ3, АМГ5, АМГ6.

Кислотостойкий алюминиевый лист изготавливают из алюминия, легированного магнием и марганцем. Марки АМг2М, АМг3М, АМг5М, АМг6М имеют высокие антикоррозионные характеристики, прекрасно свариваются. Поэтому их широко применяют в производстве сварных ёмкостей, баков для топлива и других деталей в самолётостроении. Отлично подходит как при промышленном судостроении, так и для частного изготовления катеров, лодок, катамаранов.

Пищевой алюминиевый лист изготавливается из марок первичного алюминия – нагартованные (А5Н, АД1Н), полунагартованные (А5Н2, АД1Н2), отожжённые (А5М, АД1М).

Листы из алюминия марки АМц обладают повышенной пластичностью, легко поддаются деформации. Используются в полунагартованном и нагартованном состоянии в автомобилестроении для изготовления радиаторов, рам, заклёпок. Также может применяться в пищевом производстве, но без прямого контакта с пищевыми продуктами.

Сплавы Д16, Д19, В95.

Д16АМ – это дюралюминий отожженный, с нормальным плакированием. Д16АМ относится к высокопрочному виду дюралюминия, отличается устойчивостью к внешним воздействиям. Д16АМ не становится хрупким на морозе, поэтому применяется в условиях, при которых применение других видов стали становится невозможно. Наиболее широкое применение лист из сплава Д16АМ находит в производстве различных деталей, изготавливаемых методом штамповки.

Д16АТ – производится из сплава алюминия с легирующими элементами, основным из которых является медь. Сплав используют для изготовления гнутых профилей. Преимуществом Д16АТ можно выделить то, что деталь из такого сплава сразу получается твёрдой, без дополнительной термообработки.

Д16Т – дюралюминий, произведенный из сплава алюминия с медью и марганцем. Д16Т обладает хорошей пластичностью и повышенными усталостными характеристиками. Спектр применения сплава широк. Д16Т применяют в строительстве, авиастроении, судостроении, производстве мебели и в других отраслях.

В95 – прочный авиационный сплав. Применяется для обшивок верха крыла (плит, листов), стрингеров (гнутых листовых и прессованных), балок, стоек и других элементов фюзеляжа и крыла современных самолетов (ТУ-204, Ил-96, Бе-200) и других высоконагруженных конструкций, работающих в основном на сжатие.

Сплавы Д16, В95 не свариваются аргоно-дуговой и газовой сваркой . Поэтому для сочленения полуфабрикатов (толстых листов, профилей и панелей) наиболее часто применяют заклепочные соединения.

Методы обработки металлов давлением — прокатка, ковка, штамповка, прессование – превращают литой алюминиевый слиток в готовый полуфабрикат или конечное изделие — алюминиевый лист, алюминиевую поковку, алюминиевую штампованную деталь или алюминиевый профиль. Это происходит при повышенной или комнатной температуре и может также включать один или несколько промежуточных нагревов — отжигов — алюминия или алюминиевого сплава для восстановления его пластичности. При этом происходит два основных изменения: 1) изменение формы и 2) изменение микроструктуры и механических свойств.

Читать также: Какие величины определяют потенциальную энергию растянутой пружины

Состояния алюминия H111 и H112

При указании требований к механическим свойствам алюминия и алюминиевых сплавов часто употребляют обозначения состояний Н111 и Н112 из той же серии Н1. Состояние Н111 отличается от отожженного состояния О только небольшой степенью нагартовки, которую мог получить материал при правке или других технологических операциях. Состояние Н112 отличается от состояния F только небольшой степенью нагартовки (при горячей или холодной обработке), а также обязательным контролем механических свойств.

Методы достижения нагартовки и полезного наклёпа

В промышленных масштабах нагартовка выполняется с помощью специальных целенаправленных операций по достижению упрочнения металла. Также благоприятный наклёп материала достигается в результате пластической деформации при холодной обработке металла давлением. К первому методу относятся такие виды наклёпа, как центробежно-шариковый и дробеметный. К последнему относится:

• Холодная ковка. Для неё используется специальное оборудование: пневматические молоты, паровоздушные молоты, гидравлические прессы;
• Холодная прокатка. Это самый распространённый способ нагартовки, который рассчитан на различные длинные заготовки (рельсы, трубы, профили для металлоконструкций). При помощи прокатки можно получить листовой металл;
• Холодное прессование. Такой вид позволяет получать максимальную деформацию поверхности без разрушений;
• Холодное волочение. Данный вариант предназначен для нагартовки больших объёмов проволоки;
• Редуцирование. Этот способ нагартовки заслуживает особого внимания. Про него мы подробно расскажем в одной из следующих статей раздела «советы мастера».

Нагартовка и отжиг – серия Н2

Серия Н2 относится к материалам, которые были нагартованы до более высокой степени, чем это нужно было бы для заданных прочностных свойств, а затем снижают эту «лишнюю» прочность снимают с помощью частичного отжига. С увеличением степени нагартовки вторая цифра возрастает от 2 до 8 аналогично чисто нагартованным состояния: Н22, Н24, Н26 и Н28.

На рисунке схематически показаны нагартованные состояния серий Н1 и Н2 при различной степени нагартовки и различных длительностях отжига при постоянной температуре. Бывают аналогичные графики в зависимости от температуры отжига. У состояний с одинаковыми вторыми цифрами пределы прочности – одинаковые, а предел текучести у состояний с частичным отжигом ниже, чем у чисто нагартованных состояний. График роста прочности от степени холодной деформации имеет выпуклость вверх. Это отражает тот факт, что первые стадии холодной деформации дают максимальный прирост прочности.

Нагартовка – это

Нагартовка — осознанный технологический процесс, который проводится специально в целях улучшения прочностных характеристик металла. Если упрочнение верхнего слоя пластическим деформированием выполняется именно умышленно для повышения устойчивости к растрескиванию и с целью предотвращения усталости металла, то это и есть нагартовка. Также нагартовку называют деформационным упрочнением.

Деформационное уплотнение произошло в результате эксплуатации — это наклеп

Серия Н3 – для сплавов алюминий-магний

Серия Н3 – состояния с нагартовкой и стабилизирующей обработкой: Н32, Н34, Н36 и Н38. Эту серию состояний применяют только для алюминиево-магниевых сплавов – сплавов серии 5ххх. Дело в том, что в нагартованном состоянии эти сплавы в течение некоторого времени могут терять, достигнутые нагартовкой прочностные свойства, за счет механизма естественного старения. Поэтому, если стабильность прочностных свойств важна, их часто нагревают до умеренных температур, например, 220 °С, чтобы завершить этот процесс старения, при этом несколько снизить прочность, но повысить пластичность и, тем самым, обеспечить последующую стабильность механических свойств и рабочих характеристик.

Типы наклепа

Различают два основных типа наклепа, которые отличаются процессами, протекающими при его формировании в материале. Если новые фазы в металле, характеризующиеся иным удельным объемом, сформировались в результате протекания фазовых изменений, то такое явление носит название фазового наклепа. Если же изменения, произошедшие в кристаллической решетке металла, произошли из-за воздействия внешних сил, они называются деформационным наклепом.

Деформационный наклеп, в свою очередь, может быть центробежно-шариковым или дробеметным. Для выполнения наклепа первого типа на обрабатываемую поверхность воздействуют шариками, изначально располагающимися во внутренних гнездах специального обода. При вращении обода (что выполняется на максимальном приближении к обрабатываемой поверхности) шарики под воздействием центробежной силы отбрасываются к его периферии и оказывают ударное воздействие на деталь. Формирование наклепа в дробеструйных установках происходит за счет воздействия на обрабатываемую поверхность потока дробинок, перемещающихся по внутренней камере такого оборудования со скоростью до 70 м/с. В качестве таких дробинок, диаметр которых может составлять 0,4–2 мм, для наклепа могут быть использованы чугунные, стальные или керамические шарики.

Схема традиционного деформационного наклепа и график повышения твердости материала

Для того чтобы понимать, почему нагартовка или формирование наклепа приводят к упрочнению металла, следует разобраться в процессах, которые протекают в материале при выполнении таких процедур. При холодной пластической деформации, происходящей под воздействием нагрузки, величина которой превышает предел текучести металла, в его внутренней структуре возникают напряжения. В результате металл будет деформирован и останется в таком состоянии даже после снятия нагрузки. Предел текучести станет выше, и его значение будет соответствовать величине сформировавшихся в материале напряжений. Чтобы деформировать такой металл повторно, необходимо будет приложить уже значительно большее усилие. Таким образом, металл станет прочнее или, как говорят специалисты, перейдет в нагартованное состояние.

Читать также: Роторный компрессор принцип работы

При холодной деформации металла, протекающей в результате воздействия соответствующего давления (в процессе, например, наклепа), дислокации, составляющие внутреннюю структуру материала, начинают перемещаться. Даже одна пара движущихся дефектных линий, сформировавшихся в кристаллической решетке, способна привести к образованию все новых и новых подобных локаций, что в итоге и повышает предел текучести материала.

Изменение структуры поверхностного слоя в результате холодной деформации

Внутренняя структура металла при его деформировании в процессе выполнения наклепа или нагартовки претерпевает серьезные изменения. В частности, искажается конфигурация кристаллической решетки, а пространственное положение кристаллов, которые ориентированы беспорядочно, упорядочивается. Такое упорядочивание приводит к тому, что оси кристаллов, в которых они обладают максимальной прочностью, располагаются вдоль направления деформирования. Чем активнее будет выполняться деформирование, тем большее количество кристаллов примут подобное пространственное положение. Существует ошибочное мнение, что зерна, составляющие внутреннюю структуру металла, при его деформации измельчаются. На самом деле они только деформируются, а площадь их поверхности остается неименной.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что в процессе выполнения нагартовки или наклепа изменяется кристаллическая структура стали или другого металла, в результате материал становится более твердым и прочным, но одновременно и более хрупким. Нагартованная сталь, таким образом, представляет собой материал, который специально был подвергнут пластической деформации для улучшения прочностных характеристик.