Промышленные электродвигатели развиваются в направлении повышения удельной мощности, увеличения рабочих оборотов и усиления экологической устойчивости, что приводит к значительным механическим нагрузкам на винты роторных полюсов, используемые для фиксации постоянных магнитов в синхронных машинах. Для обеспечения стабильности и сохранения электромагнитных характеристик двигателя при высоких скоростях вращения эти винты должны обладать одновременно исключительно высокой износостойкостью и усталостной прочностью. Традиционные технологии нарезания резьбы подразделяются на два основных метода — механическую обработку резанием и роликовую формовку; хотя обработка резанием обеспечивает существенное преимущество в точности размеров, её производительность при изготовлении резьбы на длинных и тонких валах остаётся невысокой. Напротив, технология холодной роликовой штамповки, благодаря своей высокой производительности и формированию упрочнённой градиентной микроструктуры, позволяет значительно повысить твёрдость и прочность поверхности резьбы, тем самым удовлетворяя жёсткие требования к эксплуатационным характеристикам крепёжных элементов в сложных условиях работы.

Однако в практическом применении неоднородная деформационная структура, обусловленная холодной роликовой обработкой, также порождает серьёзные трудности. В корне резьбы при действии нагрузки крайне легко возникает концентрация напряжений, а формирующаяся в результате роликовой обработки закалённая структура при воздействии сложных нагрузок обладает относительно ограниченной способностью к адаптации к значительным пластическим деформациям, что повышает риск хрупкого разрушения. В современных промышленных исследованиях по‑прежнему отсутствует чёткое объяснение того, как именно состояние формообразующих напряжений влияет на эволюцию микроструктуры в области корня резьбы и вершины зуба; кроме того, точная взаимосвязь между локальными микроскопическими характеристиками и путём распространения трещин требует дальнейшего глубокого изучения. Ввиду этой неопределённости градиентной микроструктуры, обусловленной различиями в состоянии напряжений, вопрос о том, как одновременно поддерживать высокую твёрдость поверхности и обеспечить достаточную вязкость сердцевины для замедления распространения трещин, остаётся ключевой задачей, требующей решения в рамках современного проектирования материалов и оптимизации технологических процессов.

В ответ на указанные выше проблемы исследовательская группа, в состав которой вошли сотрудники Цзянсуского университета науки и технологий, Северо‑восточного университета и других учреждений, провела комплексное исследование с использованием настольных сканирующих электронных микроскопов серии ZEM компании «ZEPTOOLS». С помощью процесса холодной роликовой прокатки в магнитных полюсных винтах была сформирована градиентная микроструктура; впервые установлены закономерности изменения глубины закалённого слоя у основания резьбы и на вершине зуба, обусловленные различиями формирующих напряжений, а также раскрыты микроскопические механизмы влияния плотности дислокаций и границ фаз на три типичных пути распространения трещин.

Заголовок: Микроструктурные характеристики и поведение при разрушении винта магнитного полюса ротора промышленного синхронного двигателя
Журнал: Покрытия
Веб-сайт: https:// doi.org/10.3390/coatings16030282

Исследовательская группа системно изучила механизм влияния процесса холодной накатки на градиентную пластическую деформацию магнитных полюсных винтов. Сравнительные эксперименты показали, что при холодной накатке на поверхности резьбы возникает интенсивное упрочнение, вследствие чего феррит и перлит вблизи поверхности подвергаются значительному растяжению в направлении действующих технологических напряжений, формируя выраженную волокнистую структуру. Степень этой деформации по мере увеличения глубины постепенно ослабевает, тогда как в сердцевине винта полностью сохраняются ленточные микроструктурные особенности, характерные для исходного состояния холодной вытяжки. Такое градиентное развитие структуры от поверхности к сердцевине закладывает микроструктурную основу для достижения сочетания высокой прочности на поверхности винта и высокой пластичности его сердцевины.

В процессе изучения влияния микроструктуры на механические свойства крайне важны высокоразрешающие методы характеризации. Исследователи с помощью настольного сканирующего электронного микроскопа ZEM20, разработанного компанией Zeyou Technology, провели точные наблюдения за деформационной морфологией различных участков резьбы и особенностями излома после разрушения. Настольный сканирующий электронный микроскоп ZEM20 позволяет ясно выявить тонкие изменения морфологии феррита и перлита в зонах интенсивной деформации, помогая учёным обнаружить в приповерхностных слоях корня резьбы участки сверхвысокой твёрдости, возникающие вследствие локального вдавливающего деформирования. Эти надёжные экспериментальные данные подтверждают теорию о том, что состояние формообразующих напряжений определяет глубину закалённого слоя, а также демонстрируют профессиональную ценность сканирующих электронных микроскопов в анализе отказов крепёжных изделий и в разработке новых материалов.

В рамках исследования, посвящённого вопросам надёжности при эксплуатации синхронных машин, на основе испытаний на затяжку был проанализирован процесс развития разрушения винтов при условиях крутильной перегрузки. Вследствие того, что технология холодной накатки приводит к значительной концентрации напряжений у основания резьбы и ограничению способности местной закалённой структуры к деформации, микротрещины преимущественно зарождаются именно в этой зоне. На последующей стадии распространения трещина демонстрирует выраженную зависимость от микроструктуры: её направление существенно определяется типом локальных фаз, размером зерен и состоянием внутренней структуры. По сравнению с участками сильной пластической деформации трещина вблизи недеформированной матрицы проявляет более выраженный поворот траектории, за счёт увеличения степени извилистости пути поглощая дополнительную энергию деформации.

Посредством глубокого анализа трещинных путей исследование чётко выделило три основных режима распространения трещин в ферритно‑перлитной структуре. Первый — транскристаллитная трещина, проходящая через феррит; это обусловлено тем, что низкая твёрдость и высокая пластичность феррита делают его более податливым к пластической деформации. Второй — распространение вдоль фазового интерфейса между ферритом и перлитом; оно объясняется различиями в совместимости деформаций, связанными с различиями в кристаллической структуре и прочности этих двух фаз. Третий — проникновение через слоистый перлит; при этом трещина, как правило, распространяется вдоль межслоевых границ между ферритом и цементитом, нередко вызывая даже прямое разрушение цементитовых листов. Эти результаты обеспечивают важную теоретическую базу для оптимизации состава материала и совершенствования технологии роликовой прокатки, что позволяет повысить трещиностойкость винтов.

Сканирующий электронный микроскоп серии ZEM компании ZEPTOOLS — это высокоинтегрированное, портативное и экономичное исследовательское оборудование. Оно обеспечивает быструю вакуумизацию, высокую скорость получения изображений и широкий выбор детекторов сигналов, подходит для наблюдения морфологии и анализа состава, а также легко адаптируется к различным экспериментам in situ. Прибор предъявляет минимальные требования к условиям установки, не зависит от этажности здания, прост в эксплуатации — даже непрофессионалы могут быстро освоить его. Благодаря этому он находит широкое применение в таких областях, как разработка новых материалов, биологические науки, анализ причин отказов и промышленный контроль качества, предоставляя научно‑исследовательским учреждениям и корпоративным пользователям мощное решение для микроскопической характеристики, сочетающее высокую производительность с превосходным соотношением цены и качества.