Нагартовка металла: особенности упрочнения давлением

Нагартовка – это технологический процесс упрочнения поверхностного слоя металла. Это происходит из-за пластических деформаций, которые затрагивают верхний слой металлического проката. Нагартовка проводится методом холодного деформирования. В результате изделие приобретает дополнительную твердость, прочность. Снижается склонность к произвольному растрескиванию, но также уменьшается пластичность металла. Часто нагартовку путают с наклепом, но есть разница. Рассмотрим особенности технологического процесса. 

Зачем нужна нагартовка

Некоторые металлы и сплавы, например, алюминиевый прокат, имеют высокую пластичность, но недостаточную для конструкционных задач прочность. Что это значит: при произвольных механических воздействиях (статичных или динамических нагрузках) изделие повреждается – нарушается целостность поверхности или внутреннее состояние металла. Чтобы увеличить прочность и устойчивость сплава к механическим воздействиям, производители металлопроката используют нагартовку. При небольшой пластической деформации изделие значительно снижает свой предел упругой деформации – это явление называется эффектом Баушингера.

Таким образом, после нагартовки металл:

• становится более прочным;
• снижает свою пластичность;
• улучшает сопротивление статическим и динамическим нагрузкам;
• увеличивает твердость;
• уменьшает предел текучести;
• увеличивается его износостойкость;
• возрастает сопротивляемость коррозии.

В каких случаях нужна нагартовка? Обычно это нужно тогда, когда после термической обработки металлический прокат приобрел слишком высокую пластичность. Или в тех ситуациях, когда сплав не удовлетворяет требуемым прочностным характеристикам. Иными словами, когда нужно контролируемо увеличить прочность металлопроката, например, чтобы можно было использовать его в условиях воздействия агрессивных сред, высоких нагрузок и повышенной частоты эксплуатации. 

Какие металлы и сплавы подвергаются нагартовке

Процедуре подвергаются стали с низким содержанием углерода, а также некоторые виды цветного металла. Особенно пользуется популярностью нагартовка для сплавов, которые имеют высокую пластичность: это алюминий, дюралевый прокат и медь с высокой степенью чистоты.

Чаще всего нагартовке подвергаются алюминиевые сплавыы. Причем все они делятся на термически упрочняемые и деформационно-упрочняемые. Первые улучшают прочностные характеристики только путем закалки или других видов металлообработки с повышением температуры. Вторые – путем деформации. К ним относятся алюминиевые сплавы с такими легирующими добавками как марганец и магний. Например, плиты АМг2 или прутки АМц. 

Чаще всего поддается нагартовке листовой прокат: листы, плиты, ленты. А также можно встретить нагартованные круги, шестигранники, квадраты. 

Различают полную нагартовку и полунагартовку. Основное отличие – это разная степень упрочнения. В маркировке цветного металла нагартовка обозначается буквой Н, а полунагартовка – Н2. 

Посмотрим на примере: 
Лист алюминиевый 1105АН2 – Листовой прокат из алюминия марки 1105 прошел плакировку (А) и полунагартовку (Н2). 

Нагартовка и наклеп – в чем разница

Иногда нагартовку ошибочно называют наклепом. Дело в том, что оба процесса имеют схожий результат – упрочнение металла из-за пластических деформаций. Но нагартовку проводят предномеренно, контролируя получаемый результат. А наклеп – это побочный эффект, который получается после холодной или горячей прокатки, штамповки или других методов деформирования. 

Иногда нагартовка производится одновременно с холодным деформированием. Например, производят волочение. Основная задача – получить пруток заданного диаметра, но дополнительный эффект – упрочнение сплава. А в случае с наклепом такой результат может быть нежелательным. В таком случае меняется структура металла, и специалисты возвращают сплав в состояние до наклепа. Для этого изделие отжигают в печах, а затем медленно остужают в естественной среде – эта процедура снимает эффект нагартовки или наклепа, увеличивает пластичность материала. 

Как работает нагартовка

Во время пластической деформации меняется кристаллическая решетка металла. То есть внутренняя структура изменяется, увеличивая прочность. Деформационное упрочнение достигается из-за того, что во время нагартовки превышается максимальный предел текучести металла. 

Упрочнение металла производится при деформациях при температуре, которая ниже точки рекристаллизации. К этой категории пластических деформаций относятся такие виды металлообработки: 

• Ротационная вытяжка.
• Ковка.
• Прокатка.
• Прессование.
• Волочение.

Все эти виды металлообработки имеют одинаковые черты. Во-первых, они проводятся на холодную, то есть без предварительного нагрева. Во-вторых, в результате заготовка меняет форму. В-третьих, возникает дополнительный эффект – упрочнение посредством нагартовки металла.

Ротационная вытяжка

Это технология, при которой листовой прокат превращается в пустотелые заготовки – трубы, конусы, кольца, сопла и проч. Получаются симметричные по осям изделия с полостью внутри. Для этого производится раскатка по крутящейся оправке. Процедура может проходить за одну или несколько проходок. При изменении своей геометрии металл становится более прочным – так выражается эффект нагартовки. 

Холодная ковка

Для изменения формы детали используются пневматические или паровые молоты, а также гидравлические прессы.Холоднокованные изделия меняют свою конфигурацию, в соответствии с формой пуансона. Различают такие операции: 

• гибка – часто ей подвергаются ленты, прутки, профилированные трубы;
• осадка – это сплющивание металла, уменьшение высоты заготовки, при котором, соответственно, увеличивается его площадь;
• протяжка – обратная процедура, которая призвана уменьшить сечение детали, но при этом увеличить ее длину;
• прошивка – во время ковки появляется сквозное или глухое отверстие, углубление. 

При холодном деформировании из-за воздействия молота или пресса упрочняется внутренняя структура стали, алюминия или меди. 

Прокатка 

Один из самых распространенных методов холодного деформирования. Металлопрокат может иметь разную форму: двутавры, уголки, швеллеры. Также холодную прокатку используют для формирования листов, плит, лент, фольги. При этом металлическая заготовка проталкивается через вальцы. Они не только вращаются и толкают заготовку, но и обжимают ее, оказывая высокое механическое давление. Существуют продольная, поперечная и продольно-винтовая прокатки. Разница заключается в расположении и направлении вращения вальцов. 

Прессование

Процесс также называют штамповкой. Давление оказывает пресс. Под ним находится штамп с пуансоном и матрицей нужной формы. Основное преимуществ штамповки – высокая прозводительность. В качестве заготовки обычно используют листовой прокат или пруты. Часто прессованием получают небольшие детали, которые приобретают значительную прочность после этого вида нагартовки – крепежные изделия. 

Волочение 

Метод металлообработки используют для получения проволоки. Пруток продавливают через фильеру, обжимают со всех сторон, чтобы достичь: 

• нужного диаметра сечения;
• упрочнения материала путем нагартовки. 

Матрица с фильерами остается неподвижной. Технология позволяет быстро изготовить большие объемы проволоки с заданной прочностью. Если нужно значительно уменьшить сечение, то проводят волочение в несколько этапов. В результате можно добиться минимальных значений – от 1 микрона в диаметре. 

Где используют нагартованный металл

Металлические изделия, прошедшие нагартовку, приобретают повышенную прочность, износостойкость и устойчивость к коррозии. Поэтому их применяют в отраслях, в которых ценятся эти качества. В том числе: 

• Машиностроение. Изделия используют при изготовлении деталей, которые работают в экстремальных условиях: с вибрационными нагрузками, повышенным трением, в агрессивных средах. Например, в машиностроении из нагартованных металлов изготавливают валы, шестерни, гайки, болты и другие детали.
• Автопром. Корпуса автомобилей, в том числе капоты, двери, крылья и бамперы, часто изготавливают из нагартованных деталей, потому что они должны выдерживать большую силу удара при аварии. Также запчасти ходовой части, рулевого управления, двигателя и выхлопной системы испытывают большое давление и температуры, поэтому там нужны прочные сплавы, упрочненные нагартовкой.
• Судостроение. Листовой прокат после нагартовки отлично подходит для обшивки корпуса. С одной стороны, он прочный и выдерживает разные механические воздействия. С другой стороны, у него высокая устойчивость к коррозии – отличное свойство для судостроения.
• Энергетика. Металл после нагартовки хорошо переносит воздействие высоких температур, агрессивных сред и давления. Поэтому металлический прокат служит основой для изготовления турбин, генераторов, трубопроводов, а также котлов, грелок и прочих деталей, необходимых в энергетике.

Кроме того, нагартованный металл и сплавы используют в авиационной промышленности, строительстве, горнодобывающей и нефтеперерабатывающих отраслях. Значение нагартовки очень высокое, процедура значительно увеличивает прочность, твердость и износостойкость металла. Это позволяет продлить срок эксплуатации любого изделия и конструкции, а также расширить сферу использования до экстремальных температур и агрессивных сред.