Навигация по таблицам
- Таблица 1: Основные режимы криогенной обработки сталей
- Таблица 2: Режимы для быстрорежущих сталей
- Таблица 3: Влияние криогенной обработки на свойства сталей
- Таблица 4: Экономическая эффективность криогенной обработки
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
- 2. Физические основы и механизм процесса
- 3. Технологические режимы и параметры
- 4. Влияние на структуру и свойства различных марок сталей
- 5. Оборудование и технология проведения
- 6. Преимущества и области промышленного применения
- 7. Экономическая эффективность и перспективы развития
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.
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.
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.
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.
