Меню

Таблица режимов криогенной обработки сталей

  • 11.06.2025
  • Познавательное

Таблица 1: Основные режимы криогенной обработки сталей

Тип стали Температура обработки, °C Время выдержки, ч Скорость охлаждения, °C/ч Скорость нагрева, °C/ч
Углеродистые стали (45, 50) -80 до -120 4-8 5-10 2-5
Инструментальные стали (У8, У10) -140 до -196 8-24 3-8 2-4
Быстрорежущие стали (Р6М5, Р18) -196 24-72 2-5 1-3
Легированные стали (40Х, 40ХН) -100 до -160 12-36 4-7 2-4
Подшипниковые стали (ШХ15) -196 24-48 3-6 2-3

Таблица 2: Режимы для быстрорежущих сталей

Марка стали Температура закалки, °C Температура криообработки, °C Общее время цикла, ч Температура отпуска, °C
Р6М5 1220-1230 -196 72 560
Р18 1270-1290 -196 72 560-580
Р9 1230-1250 -196 72 550-570
Р2М10К8 1200-1220 -196 96 540-560
Р6М5К5 1210-1230 -196 72 550-570

Таблица 3: Влияние криогенной обработки на свойства сталей

Свойство До обработки После обработки Прирост, % Механизм изменения
Твердость (HRC) 58-62 62-67 4-8 Превращение аустенита в мартенсит
Износостойкость Базовая Увеличенная 50-300 Измельчение карбидов, упрочнение структуры
Остаточный аустенит, % 15-30 3-8 -70 до -85 Завершение мартенситного превращения
Теплопроводность Базовая Повышенная 10-25 Снижение внутренних напряжений
Размерная стабильность ±0,01 мм ±0,003 мм 60-70 Устранение остаточного аустенита

Таблица 4: Экономическая эффективность криогенной обработки

Тип изделия Увеличение ресурса, % Стоимость обработки, % от изделия Срок окупаемости Область применения
Режущий инструмент 100-200 15-25 1-2 смены инструмента Механообработка
Прокатные валки 100-115 5-10 1 кампания Металлургия
Подшипники 125-200 20-30 6-12 месяцев Машиностроение
Штамповый инструмент 150-300 10-20 2-4 месяца Штамповка
Ножи промышленные 50-100 25-35 3-6 месяцев Пищевая промышленность

Оглавление статьи

1. Сущность криогенной обработки сталей

Криогенная обработка представляет собой инновационную технологию термического воздействия на стальные изделия при сверхнизких температурах ниже -153°C. Данный метод относится к способам направленного изменения структуры и свойств материалов без изменения их химического состава. Суть криогенной обработки заключается в следующем: детали и механизмы помещаются в криогенный процессор, где они медленно охлаждаются и после выдерживаются при температуре минус 196°С в течение определенного времени.

Теоретические основы данного процесса были заложены советскими учеными в 1930-40-х годах. Теоретическая разработка и практическое освоение процесса криогенной обработки считается достижением советской науки. Работы таких учёных, как Г. В. Курдюмова, исследования А. П. Гуляева, В. Г. Воробьева и других связаны с обработкой холодом для улучшения качественных характеристик закаленной стали. В настоящее время технология получила широкое развитие в США, Японии, Германии и других промышленно развитых странах.

Нормативная база: Криогенная обработка металлов регламентируется действующими стандартами ГОСТ 21957-76 "Техника криогенная. Термины и определения" совместно с современными ГОСТ Р 71143-2023 "Техника криогенная. Аппараты. Термины и определения" и ГОСТ Р 71142-2023 по установкам разделения воздуха, введенными в действие в 2023 году.

2. Физические основы и механизм процесса

Физический механизм криогенной обработки основан на завершении мартенситного превращения, которое при обычной закалке протекает не полностью. При закалке стали до 20–25°С мартенситное превращение идет не до конца и в мартенситной структуре стали присутствует непревращенный остаточный аустенит. Температура начала мартенситного превращения обозначается Мн, а конца превращения - Мк.

Углерод и легирующие элементы в стали (кроме кобальта и алюминия) снижают температуру начала и конца мартенситного превращения. Для высокоуглеродистых и легированных сталей температура Мк может находиться значительно ниже комнатной температуры, что делает необходимым применение криогенной обработки.

Расчет количества остаточного аустенита

Формула: Аост = 100 × exp(-0,011 × (Мн - Т))

где Аост - количество остаточного аустенита в %, Мн - температура начала мартенситного превращения в °C, Т - температура охлаждения в °C

Пример для стали Р6М5: При Мн = 200°C и охлаждении до -196°C количество остаточного аустенита снижается с 15-20% до 3-5%

3. Технологические режимы и параметры

Процесс криогенной обработки включает три основных стадии: охлаждение, выдержку и нагрев. Процесс криогенной обработки (КО) включает три последовательно идущих стадии: охлаждение объекта обработки с заданной скоростью до температуры минус 196°С; выдержку при криогенной температуре обработки; нагрев объекта обработки до комнатной температуры с установленной скоростью.

Температурные режимы варьируются в зависимости от типа стали и требуемого эффекта. Режимы криогенной обработки зависят от марки сталей/сплавов, и колеблются в диапазоне -60…-140°С. Для инструментальных и быстрорежущих сталей применяется температура жидкого азота -196°C.

Пример стандартного цикла обработки

Этап 1: Охлаждение от +20°C до -196°C со скоростью 2-5°C/час (24 часа)

Этап 2: Выдержка при -196°C в течение 24 часов

Этап 3: Нагрев до +20°C со скоростью 1-3°C/час (24 часа)

Этап 4: Отпуск при 150-650°C (в зависимости от марки стали)

4. Влияние на структуру и свойства различных марок сталей

Эффективность криогенной обработки зависит от химического состава стали и количества остаточного аустенита после закалки. При дальнейшем охлаждении закаленной быстрорежущей стали до температуры минус 100°С процесс мартенситного превращения возобновляется, что сопровождается повышением твердости на 4 – 5 НRС.

Для различных типов сталей достигаются следующие эффекты:

Быстрорежущие стали (Р6М5, Р18)

Наиболее эффективная группа для криогенной обработки. После обработки холодом в структуре стали остаточный аустенит не превышает 5 – 8%. Повышение твердости составляет 4-5 HRC, износостойкость увеличивается в 2-3 раза.

Инструментальные стали (У8, У10, Х12МФ)

Криогенная обработка позволяет получить прирост износостойкости на 50-100%. Особенно эффективна для штампового инструмента и режущих пластин.

Подшипниковые стали (ШХ15)

Обработка способствует повышению размерной стабильности и увеличению ресурса подшипников на 125-200%.

Формула прогнозирования эффективности

И = 124С + 168Mn + 181Si + 50Cr + 27W - 92Ni - 40Mo - 25V

где И - потенциал увеличения износостойкости в %, а С, Mn, Si, Cr, W, Ni, Mo, V - содержание элементов в %

Пример: Для стали Р6М5 потенциал составляет 361%, для стали Х12МФ - 812%

5. Оборудование и технология проведения

Криогенная обработка проводится в специализированном оборудовании - криогенных процессорах или камерах. Криогенный процессор состоит из криогенной камеры и системы управления процессом криогенной обработки. Современные установки оснащены программно-аппаратными средствами для точного контроля температурно-временных параметров.

Основные компоненты оборудования:

Криогенная камера с теплоизоляцией, система подачи жидкого азота, датчики температуры, программируемый контроллер, система безопасности. Схема непосредственного или прямого охлаждения является эффективным средством получения криогенных температур для управляемой обработки.

Требования безопасности: При работе с криогенным оборудованием необходимо соблюдение специальных мер безопасности, включая использование защитной одежды, очков и перчаток, а также обеспечение вентиляции помещения.

6. Преимущества и области промышленного применения

Криогенная обработка находит широкое применение в различных отраслях промышленности благодаря существенному повышению эксплуатационных характеристик изделий. На сегодняшний день из российской практики известны следующие результаты: увеличение износостойкости тормозных дисков на 71-105%, увеличение ресурса модульных фрез из стали Р6М5 в 2 раза.

Металлообработка и машиностроение

Режущий и формообразующий инструмент показывает увеличение ресурса на 100-300%. Особенно эффективна обработка сверл, фрез, резцов из быстрорежущих сталей.

Металлургическая промышленность

увеличение ресурса валков сортопрокатных и шаропрокатных станов (из сталей Х12ВМФ и 4Х5МФС) на 38-115%. Применение криогенной обработки позволяет существенно снизить расходы на замену прокатного инструмента.

Транспортное машиностроение

Криогенная обработка тормозных дисков, деталей подвески и трансмиссии повышает их ресурс и надежность в условиях интенсивной эксплуатации.

Практический пример

Объект: Биметаллические полотна ленточных пил

Результат: В ходе производственных испытаний установлено повышение средней стойкости полотен на 52%

Экономический эффект: экономическая эффективность услуги по криогенному упрочнению составила 45% стоимости инструмента

7. Экономическая эффективность и перспективы развития

Экономическая целесообразность криогенной обработки определяется соотношением стоимости процесса и получаемого эффекта от увеличения ресурса изделий. Такой способ охлаждения требует минимальных затрат на оборудование и весьма экономичен из-за сравнительно небольшого расхода хладагента.

Факторы экономической эффективности

Стоимость криогенной обработки составляет 5-35% от стоимости изделия в зависимости от его типа и сложности. При этом увеличение ресурса может достигать 300%, что обеспечивает быструю окупаемость инвестиций.

Расчет экономического эффекта

Формула: Э = (Р₂/Р₁ - 1) × С - Ск

где Э - экономический эффект, Р₂ - ресурс после обработки, Р₁ - базовый ресурс, С - стоимость изделия, Ск - стоимость криогенной обработки

Пример: При увеличении ресурса в 2 раза и стоимости обработки 20% от изделия экономический эффект составит 80% от стоимости изделия

Перспективы развития технологии

Развитие криогенной обработки направлено на создание более энергоэффективного оборудования, разработку специализированных режимов для новых марок сталей и сплавов, а также интеграцию процесса в автоматизированные производственные линии. Особый интерес представляет применение технологии для изделий, эксплуатируемых в условиях Арктики и космоса.

Перспективные направления: Разработка комбинированных методов обработки, включающих криогенное воздействие, ионно-плазменное напыление и другие современные технологии поверхностного упрочнения.

Источники и отказ от ответственности

Источники информации:

  • ГОСТ 21957-76 "Техника криогенная. Термины и определения" (действующий)
  • ГОСТ Р 71143-2023 "Техника криогенная. Аппараты. Термины и определения" (введен в действие с декабря 2023 г.)
  • ГОСТ Р 71142-2023 "Техника криогенная. Установки разделения воздуха криогенные и смежное оборудование"
  • ГОСТ 33439-2015 "Металлопродукция из черных металлов и сплавов. Термины и определения по термической обработке"
  • Научные публикации 2022-2025 гг. по криогенной обработке металлов
  • Данные выставки "Криоген-Экспо 2025" и "МЕТАЛЛООБРАБОТКА-2025"
  • Производственные испытания предприятий машиностроительной отрасли 2024-2025 гг.

Отказ от ответственности: Данная статья носит исключительно ознакомительный характер. Автор не несет ответственности за результаты применения описанных технологических процессов. Перед внедрением криогенной обработки необходимо провести технико-экономическое обоснование и получить консультации специалистов. Все технологические режимы должны быть адаптированы к конкретным условиям производства и требованиям к изделиям.

© 2025 Компания Иннер Инжиниринг. Все права защищены.

Появились вопросы?

Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.