Микроструктура и микротвердость поверхности деталей машин, обрабатываемых накатыванием

Авторы статьи:

Тимирязев В.А., д.т.н., профессор, лауреат Ленинской премии, МГТУ «Станкин»;
Хостикоев М.З., д.т.н., профессор, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина;
Агеева В.Н., к.т.н., доцент, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.

Качество поверхностного слоя материала, формируемого в процессе механической обработки деталей машин, в значительной мере определяет их несущую способность. Свойства поверхностного слоя характеризуются макро- и микронеровностями, макро- и микроструктурой, величиной и знаком остаточных напряжений, физическими параметрами, связанными с искажением кристаллической решетки, плотностью дислокаций и др. Свойства поверхностного слоя материала деталей машин во многом также определяются способом и режимами их изготовления.

Значительное улучшение качества изготавливаемых деталей машин и высокая производительность процессов пластического деформирования определили  их интенсивное внедрение в технологию производства наиболее распространенных деталей с резьбовой поверхностью. Экспериментальные данные и производственный опыт свидетельствуют о том, что при обработке резьбы накатными инструментами ее точность может достичь четвертой степени (ГОСТ 16093–2004), а шероховатость поверхности - 0,63–0,08 мкм (ГОСТ 2789–73). Такие характеристики достигаются еще только шлифованием.

Прочность на разрыв деталей с накатанной резьбой значительно выше чем у деталей с нарезанной резьбой. При испытаниях на разрыв разрушающая нагрузка повышается на 20–30%. Циклическая прочность накатанных деталей увеличивается в 1,5 раза.

Благодаря наклепу микротвердость резьбовой поверхности, полученной накатыванием, повышается по сравнению с исходной на 15...25%, зернистость поверхности уменьшается. Повышение поверхностной твердости накатанных деталей обусловливает высокую износостойкость резьбовых соединений, а высокое качество поверхности – улучшает ее антикоррозионные свойства, что особенно важно для ряда деталей определенных отраслей. Кроме того, накатывание резьбы на деталях из ряда труднообрабатываемых материалов, таких, как:

  • коррозионностойкие стали и сплавы – нержавеющие, жаростойкие, окалиностойкие, кислотоупорные, жаропрочные;
  • титан и его сплавы;
  • никелевые и никелехромовые сплавы типа: хастеллой, инконель, нимоник, инколой, монель, инвар) и др.

гораздо проще, чем обработка их резанием.

Материалы, предназначенные для изготовления резьбовых деталей, в большинстве случаев, весьма дороги. При обработке коэффициент использования металла должен быть максимальным. Накатывание резьбы в данном аспекте обладает неоспоримыми преимуществами перед  нарезанием и шлифованием. Экономия металла по сравнению с нарезанием в зависимости от диаметра и шага накатываемой резьбы составляет 20–30%.

Метрическая резьба М12x1,75 мм накатывалась серийной универсальной резьбонакатной головкой типа ВНГН-3 самозатягиванием  за одни проход при скорости  около 30 м/мин. От заготовок с накатанной резьбой отрезались образцы для изготовления микрошлифов механическим полированием – по 3 образца для каждого исследуемого материала резьбового изделия. Для удаления поверхностного слоя образца, получившего наклеп при шлифовании и полировании, применялось травление. Просмотр структуры исследуемых образцов микрошлифов осуществлялся с помощью микроскопа  микротвердомера ПМТ-3 (рис. 1) в темном фоне.

Рисунок 1

На рис. 2  представлены  микрошлифы впадин резьбы, накатанной на деталях из различных материалов.

Конструкционная сталь 45 (рис. 2, а) до накатывания резьбы, то есть в состоянии поставки, имеет в структуре феррит и пластинчатый или зернистый перлит (в нашем случае сталь была с пластинчатым перлитом). После накатывания резьбы, вследствие нагартовки, начиная от впадины резьбы изделия,  виден  ярко выраженный упрочненный перлит, деформированный и вытянутый (темные участки). Также увеличилась твердость (более всего – во впадине резьбы) – до 30 HRC.
   
Титановый сплав ВТ5-1 (рис. 2, б) в состоянии поставки имел структуру, состоящую из сложных карбидов округлой формы. После  накатывания резьбы поменялась только ориентация карбидов – они расположились веером, что свидетельствует о деформации сплава  в процессе накатывания.

После накатывания резьбы на изделии из коррозионностойкой стали  мартенситного класса 4X13 (рис. 2, в) в его структуре наблюдается ярко выраженное присутствие троостита, что является следствием деформации и повышения твердости (более всего – во впадине резьбы) – до 39,5 HRC. Структура данного типа сталей до накатывания резьбы состояла из феррита, аустенита и карбидов, то есть светлых включений.

Структура инструментальной стали У12, как известно, до любой обработки состоит из карбидов железа (цементита) и феррита. Если в результате термической  обработки данной стали получаем структуру мартенсита (темные иглы) и карбидов, то после накатывания резьбы (рис. 2, г) помимо феррита и карбидов в его структуре появляется  еще и троостит.

Одним из показателей качества резьбы, изготовленной накатыванием, является глубина и степень наклепа поверхности деформированного слоя. Он сохраняет остаточные напряжения разные по величине и знаку. Среди методов определения глубины и степени наклепа чаще применяются: рентгенографическое исследование и определение микротвердости по косому срезу. При использовании метода косых срезов на испытуемом образце с помощью специального приспособления делается срез под небольшим углом  (0,5–2 град.) и по косому срезу на равных расстояниях (0,05–0,1мм) измеряется микротвердость на твердомере. В результате получается диаграмма, у которой по оси ординат отложена твердость, а по оси  абсцисс – расстояние от поверхности вглубь образца. Наклеп заканчивается там, где кривая на диаграмме переходит в горизонталь. Несмотря на свою простоту, метод косых срезов достаточно трудоемок при исследовании деформированных слоев, имеющих неодинаковую глубину и степень наклепа. К тому же  форма резьбовой поверхности не позволяет использовать эффект косых срезов.

Характер распределения глубины и степени наклепа деформированного слоя по профилю резьбы, накатанной на деталях из различных конструкционных материалов, определялся путем измерения микротвердости в четырех сечениях (рис. 3): I–I и II–II – соответственно от вершины и впадины профиля резьбы к оси изделия; III–III и IV–IV – перпендикулярно боковой поверхности профиля резьбы.

Рисунок 3. Схема измерения микротвердости  по сечению профиля резьбы М12х1,75мм

Твердость измерялась на микротвердомере ПМТ-3 методом вдавливания в исследуемый материал алмазного квадратного наконечника– алмазной пирамиды с усилием 0,98 Н и определением размера диагонали полученного отпечатка. Точность измерений составляла ±2%. Твердость Н определялась как частное от деления усилия Р на площадь поверхности отпечатка S, подразумевая что углы отпечатка соответствуют углам пирамиды: H = P/S.

В таблице приведены выраженные в числах твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013–59, ИСО 6508–86) результаты измерений микротвердости образцов с резьбой, накатанной на различных конструкционных материалах. Значения микротвердости приводятся как среднее арифметическое, полученное при измерении трех образцов каждого исследуемого материала.

Как видно из полученных данных (см. таблицу), на накатанной резьбовой поверхности возникает наклеп вследствие упрочнения поверхностного слоя металла в результате его пластической деформации. Упрочнение имеет различную величину на отдельных участках резьбовой поверхности и достигает наибольших значений на участках, прилегающих ко дну впадины резьбы, наиболее подверженному пластической деформации.

Известно, что у резьбовых деталей впадина резьбы может являться очагом концентрации напряжений и местом возникновения усталостных микротрещин. Это явление особенно характерно для высоконагруженных резьбовых соединений.

Образующийся на поверхности в результате накатывания наклеп, наибольшая величина которого находится во впадине резьбы, благотворно влияет на повышение усталостной прочности резьбовых деталей.

Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о благоприятном действии  процесса накатывания резьбы, то есть об увеличении поверхностной твердости  за счет деформации. При этом упрочнение распространяется на большую глубину, чем  видимая под микроскопом зона деформации  кристаллитов.

Проведенные исследования поверхностного слоя, микроструктуры и микротвердости резьбы, образованной накатыванием на различных конструкционных материалах, позволяют сделать следующие выводы:

  1. Глубина деформированного слоя металла по профилю накатанной резьбы распределяется неравномерно и достигает наибольших значений на участках, прилегающих ко дну впадины резьбы.
  2. Микротвердость накатанной резьбы уменьшается за пределами ее поверхности, и постепенно достигает своего исходного значения.
  3. Алюминиевые сплавы, исследованные на образцах из материала АД1, практически не меняют своей твердости после накатывания резьбы с неглубоким профилем, то есть они не подвергаются поверхностному упрочнению.
  4. Полученные данные подтверждают целесообразность применения накатывания резьбы, как наиболее производительного способа обработки, который обеспечивает улучшение качества резьбы по точности и шероховатости поверхности, увеличение прочности резьбовых соединений, улучшение физико-механических свойств материала изделия и, в ряде случаев, устранение необходимости проведения последующей термообработки и шлифования резьбы изделий.