Коррозионная стойкость

При чистовой обработке металлов давлением два конкурирующих фактора воздействуют на сопротивление поверхности коррозии. С одной стороны, сглаживание неровностей исходной поверхности приводит к заполнению впадин микрорельефа, устранению таких дефектов, как риски, царапины, микротрещины, где концентрируются и откуда начинают разрушающее действие вещества, вызывающие коррозию; в результате коррозионная стойкость повышается. С другой стороны, неоднородный характер пластической деформации приводит к возникновению разности потенциалов между неодинаково деформированными кристаллами, т.е. к образованию множества гальванических пар, являющихся причиной коррозии; и коррозионная стойкость снижается. В то же время, как показали исследования [14], при правильном ведении процесса обработки давлением и, в частности, обкатывания, можно добиться высокой коррозионной стойкости поверхностей. Коррозионная стойкость повышается с увеличением давления обкатывания лишь до определенного значения (точка А, рис. 2). Эта оптимальная величина давления соответствует моменту заполнения впадин микрорельефа исходной поверхности, кода исходные неровности примерно до R_а = 0,25 мкм, дефекты (риски, микротрещины, царапины) “закрыты”, а наклеп относительно мал. Положительное влияние сглаживания поверхности сильнее, чем отрицательное влияние наклепа.

Дальнейшее повышение давления, даже в том случае, если чистота поверхности несколько улучшится, приводит к резкому увеличению степени наклепа и снижению коррозионной стойкости. Теперь уже наклеп является решающим фактором, определяющим коррозионную стойкость. Так как требования к чистоте коленчатого вала не превышают R_а = 0,25, то проводить обкатку можно не опасаясь снижения коррозионной стойкости [8], [14], [17], [25].

А

Степень наклепа

Рис. 2 - Зависимость коррозионной стойкости от степени наклепа

Шероховатость поверхности

При обработке давлением и, в первую очередь, при чистовой обработке необходимо учитывать особенности образующейся шероховатости. Специфичны форма, расположение и степень однородности образующихся неровностей. Пластическая деформация приводит к сглаживанию – выравниванию в той или иной мере неравномерных по форме, размерам и расположению неровностей исходной поверхности, а влияние вибраций, могущих возникнуть в процессе обработки, несравнимо слабее, что обусловлено самим характером обработки, основанной на пластической деформации. Именно этим объясняется возможность достижения обработкой давлением высокочистых поверхностей [14] на маложестких изношенных станках.

Особенностью шероховатости поверхностей, обработанных давлением, является необычная по сравнению с образующимися при резании форма микронеровностей, характеризующаяся углом наклона образующих выступов и радиусом округления вершины. Относительно малые углы и большие значения радиуса определяют пологую “обтекаемую” форму неровностей.

Этими особенностями шероховатости поверхностей, которые создаются при обработке давлением, нельзя пренебрегать, так как они в значительной мере определяют важнейшие эксплуатационные свойства деталей машин и приборов, в частности, их сопротивление износу, схватыванию, работу на трение, способность удержания смазки, толщину смазочной пленки, отражение электромагнитных и ультразвуковых колебаний и т.п.

Волнистость

Как при формообразовании, так и при чистовой обработке процесс пластического деформирования протекает более равномерно и плавно, чем при резании металла, что способствует образованию менее волнистой поверхности. Отсутствие таких явлений, как практически непрерывно изменяющийся микрорельеф рабочих поверхностей металлических и абразивных режущих инструментов, появление и исчезновение нароста на передней поверхности резцов, адгезия металлов заготовки и инструмента, прерывистость контакта между режущими элементами инструмента и обрабатываемой поверхностью, способствует уменьшению вибраций в системе станок-деталь-инструмент и более равномерному непрерывному контакту деформирующих элементов с обрабатываемой поверхностью.

Структуры

В результате холодной пластической деформации хорошо прокованный отожженный металл, имевший беспорядочно ориентированную равноосную структуру и свойства, примерно одинаковые в различных направлениях, получает ориентированную структуру.

При этом чем выше степень деформации, тем заметнее волокнистая структура. Происходит вытягивание и поворот зерен; межкристаллическое вещество также вытягивается в направлении течения металла, и холоднодеформированный металл получает ориентированную макро- и микроструктуру. Такой характер структуры и отсутствие перерезания волокон способствуют повышению практически всех прочностных характеристик металла.

В отличие от холодной обработки давлением, осуществляемой с целью формообразования, при чистовой обработки давлением происходит пластическая деформация лишь поверхностных слоев металла. Механизм же пластической деформации как при формообразовании, так и при отделке, калибровании и упрочнении одинаков. Отдельные кристаллы деформируются за счет сдвигов, происходящим поп плоскостям скольжения. Взаимные смещения отдельных слоев (пачек скольжения) приводят к значительным изменениям формы кристалла. Кристаллы теряют глобоидную форму, сплющиваются, укорачиваются в одном направлении и вытягиваются в другом, совпадающим с главным направлением деформации.

Микротвердость

Холодная пластическая деформация металла приводит у его упрочнению, возникающему в результате неоднородности деформации, искажения кристаллической решетки, переориентировки кристаллических зерен, изменения плоскости скольжения. Это приводит к повышению твердости. Одновременно повышаются пределы текучести и прочности и снижаются показатели пластичности: относительное удлинение, ударная вязкость, относительное сужение. Эти изменения весьма существенны. Так, даже при режимах, характерных для чистовой обработки давлением, не ставящей целью упрочнение и отличающейся относительно малыми значениями усилий, прилагаемых к деформирующим элементам, и, соответственно, невысокой степенью деформации, микротвердость может увеличиваться по сравнению с исходной на 30-40% [25]. Даже при сравнительно малой глубине распространения наклепа, что характерно для чистовой обработки давлением, его влияние на такие эксплуатационные свойства металла, как износостойкость, сопротивление схватыванию и пластическому деформированию, весьма существенно [4], [17].

При калибрующей, формообразующей и, особенно, упрочняющей обработке зона распространения наклепа может быть значительно расширена. Достаточно сказать, что обкатыванием роликами в настоящее время достигается распространение наклепа на глубину свыше 20 мм [25], что в ряде случаев позволяет отказаться от поверхностной закалки при обработке, например, валов, штоков, плунжеров большого диаметра и значительной длины.

Упрочнение металла весьма устойчиво во времени. Исследования [24] показали, что наклеп металла и остаточные напряжения, созданные при обкатывании роликами шеек железнодорожных осей, а также соответствующее повышение усталостной прочности в пределах 500 млн. циклов после испытания практически не изменяется. Такая длительность испытания соответствует 1 650 000 км пробега или 25 годам работы вагона.

Напряжения

Неоднородная пластическая деформация при всех видах обработки металлов давлением приводит не только к упрочнению, но и к образованию в поверхностном слое металла значительных по величине остаточных сжимающих напряжений. На основании результатов многочисленных исследований [4], [17], [23], [25] роль упрочнения и остаточных сжимающих напряжений в повышении сопротивляемости усталости может быть признана равноценной.

Эффект повышения усталостной прочности особо значителен при упрочняющей обработке давлением. Предел выносливости для обточенного образца составляет 22,8 кГ/мм, а для обкатанного – 30,2 кГ/мм [24]. Даже при чистовой обработке давлением, осуществляемой с относительно малыми усилиями обкатывания, в поверхностном слое металла, распространяющемся на глубину 0,02-0,03 мм, возникают значительные по величине сжимающие усилия.

В зависимости от условий обработки давлением влияние качества поверхности, особенно физических характеристик (степени и глубины наклепа, напряжений), на эксплуатационные свойства металлов может быть весьма существенным или, наоборот, мало ощутимым. Так, при формообразовании, калибровании, упрочнении, когда степень деформации определяется соответственно необходимостью придания заготовке определенной формы и размеров, требуемой точности размеров, степени упрочнения и достигает больших значений, изменения структуры и физико-механических свойств поверхностного слоя металла по сравнению с исходными может существенно повлиять на его эксплуатационные свойства. При отделочной же чистовой обработке давлением, осуществляемой с минимальными усилиями, обеспечивающими достижение требуемой степени шероховатости, изменение качества поверхности по сравнению с исходным бывает незначительным.