Зміцнення кріогенними методами

Вплив кріогенної обробки на структурні перетворення сталей і зміни їх фізико-механічних властивостей.

В структурі загартованої сталі є деяка кількість порівняно м’якого залишкового аустеніту, що зумовлено її хімічним складом і режимом термообробки. В результаті цього знижується твердість і міцність, погіршується теплопровідність і магнітні властивості, змінюються розміри, погіршується якість поверхні деталі. Відпускання загартованої сталі з метою ліквідації або зменшення кількості залишкового аустеніту в більшості випадків є неефективним. Для цього найбільш раціонально використовувати кріогенний метод (глибоке охолодження).

В процесі кріогенної обробки забезпечується поліпшення механічних властивостей інструментів, у тому числі інструментів з швидкоріжучих сталей (підвищення їх зносостійкості і ріжучих властивостей), підвищення твердості і зносостійкості контрольно-вимірювальних інструментів, штампів і прес-форм, що виготовлюються з високовуглецевих і легованих конструкційних сталей, збільшення твердості корозійностійких сталей з підвищеним вмістом вуглецю, поліпшення якості поверхонь, що піддані поліруванню або доводці, оскільки наявність м’яких аустенітних дільниць перешкоджає отриманню однорідної дзеркальної поверхні.

При оцінці доцільності призначення кріогенної обробки сталі необхідно врахувати такі особливості:

- тривалість витримки при низькій температурі не має впливу на результати обробки;

- найбільші структурні зміни під впливом кріогенних температур здійснюються в сталях з підвищеним вмістом залишкового аустеніту (високовуглецеві і леговані сталі, причому в легованих сталях більше залишкового аустеніту, ніж у вуглецевих);

- закономірності змін розмірів деталей в результаті аустенітно-мартенситних перетворень необхідно визначати дослідним шляхом для конкретного хімічного складу сталі в залежності від режимів попередньої термообробки і конфігурації деталей;

- при обробці деталей особливо складної форми з нерівномірним розподілом маси рекомендується відразу після загартування застосовувати відпускання для зняття гартованих напружень;

- не можна безпосередньо після гартування здійснювати охолодження нижче нуля, бо в цих випадках збільшуються напруження і небезпека утворення тріщин;

- кріогенна обробка призводить до росту об’єму структурних складових при розпаді залишкового аустеніту.

Розпад залишкового аустеніту і перетворення його в мартенсит йде у визначеному інтервалі температур (таблиця 2.1). Якщо загартування здійснювати при знижених температурах, то аустеніт мало насичений киснем, його перетворення повністю закінчується при температурі нижче нуля, і таке охолодження не викликає допоміжних перетворень. Якщо загартування виконано при підвищених температурах, то в результаті його утворюється аустеніт з високою концентрацією вуглецю і легуючих елементів. При охолодженні сталі, загартованої при підвищених температурах, нижче нуля здійснюється перетворення аустеніту в мартенсит, що наближається до температури кінця мартенситного перетворення (таблиця 2.2).

На кількість залишкового аустеніту має вплив швидкість охолодження сталі в області температур мартенситного перетворення. Із зменшенням цієї швидкості кількість залишкового аустеніту збільшується. В деяких марках сталі не весь аустеніт перетворюється у мартенсит. Витримка загартованої сталі при нормальній температурі веде до стабілізації залишкового аустеніту. Після цього при наступному охолодженні перетворення починається не одразу, а після циклічного гістерезису в кілька десятків градусів. Тривалість розриву між часом гартування і кріогенною обробкою впливає на стабілізацію аустеніту.

Таблиця 2.1 - Температура початку і кінцямартенситного перетворення для вуглецевої сталі, °С

Кількість вуглецю, %	Початок перетворення, Мп	Кінець перетворення, Мк
0…0,3		-200
0,30…1,17		-140

Таблиця 2.2 - Вплив кріогенної обробки на властивості сталі

Сталь	Мартенситні точки, °С	Кількість аустеніту, %	Приріст твердості після обробки, HRC
	Mn	Mk	до обробки	після
У7	300…250	-50...-40	3…5	1,0	0,5
У8	250…225	-55...-50	4…8	1…6	1,0
У9	225…210	-55...-50	5…12	3…10	1…1,5
У10	210…175	-60...-55	6…18	4…12	1,5…3
У12	175…160	-70...-60	10…20	5…14	3…4
9ХС	210…185	-60...-55	6…17	4…17	1,5…2,5

Температура, при якій аустеніт стабілізується, залежить від марки сталі. Вище цієї температури, що позначається точкою М_к, аустеніт не стабілізується. Якщо М_к лежить нижче 20°С, то між гартуванням і кріогенною обробкою може бути відрізок часу будь-якої тривалості. Якщо точка М_к лежить вище 20°С, то кріогенну обробку необхідно проводити відразу після загартування. Стабілізуючий вплив тривалості витримки після загартування буде тим більший, чим вище лежить точка М_с.

Кріогенну обробку також доцільно застосовувати для нерегульованих розгорток, розточувальних блоків, протяжок і прошивок, гладких і різьбових калібрів (скоб, пробок, кілець, шаблонів) кінцевих мір довжини, установчих мір, робочих деталей штампів і прес-форм, спрямовуючих і фіксуючих деталей пристроїв верстатів, контрольних і установчих оправок.

2.3.1 Особливості кріогенної обробки технологічної оснастки, виготовленої з різних сталей

У вуглецевих сталях з вмістом вуглецю вище 0,6% в результаті кріогенної обробки забезпечується підвищення твердості при будь-якій температурі гартування.

При цьому необхідно враховувати, що положення точки М_к на шкалі температур змінюється із зміною температури гартування (таблиця 2.3).

Таблиця 2.3 - Залежністьтемператури точки М_к вуглецевої інструментальної сталі від температури загартування

Сталь	Температура гартування, °С	Температура Мк, °С
У8
	-60
У10
	-90
У12		-20
	-100

При гартуванні від температури 750 до 800°С охолодження вуглецевих інструментальних сталей до -30°С достатнє для максимального перетворення залишкового аустеніту. Чим нижче температура гартування, тим менше аустеніт насичений вуглецем і тим меншим повинен бути розрив часу між гартуванням і кріогенною обробкою. Температура мартенситного перетворення вуглецевої інструментальної сталі деяких основних марок наведена в таблиця 2.4.

Таблиця 2.4 - Температура мартенситного перетворення і ефективність охолодження нижче 0°С вуглецевої інструментальної сталі

Сталь	Межа перетворення, °С	Кількість залишкового аустеніту після охолодження, %	Приріст твердості HRC після охолодження до Мк
Мп	Мк	до 20°С	до Мк
У7	300…255	-55	до 5	до 1	до 0,5
У8	255…230	-55	3…5	1…5	ДО 1
У9	230…210	-55	5…12	3…10	1…1,5
У10	210…175	-60	6…18	4…12	1,5…3
У12	175…160	-70	10…23	5…14	3…4

З підвищенням температури гартування швидкоріжучої сталі кількість залишкового аустеніту в ній при нормальній температурі збільшується, стабільність його зменшується. Тому кріогенну обробку такої сталі необхідно здійснювати при більш низькій температурі. Сталь, загартована при знижених температурах нагріву, має більш повне мартенситне перетворення. Час між операціями гартування і кріогенною обробкою для такої сталі необхідно скоротити. Якщо в процесі охолодження до 100°С (таблиця 2.5) робити зупинки, то кількість аустеніту збільшиться.

Для швидкоріжучих сталей переваги кріогенної обробки зберігаються після відпускання при температурах до 580°С. Якщо відпускання здійснюють при більш високих температурах, перевага охолодження нижче нуля зникає.

Таблиця 2.5 - Залежність кількості залишкового аустеніту в сталях від тривалості перерви при охолодженні

Тривалість перерви при охолодженні, год	Повнота перетворення аустеніту, %	Кількість залишкового аустеніту, %
0,1		до 6,5
1,0		9,5
10,0

Для зниження кількості залишкового аустеніту найбільш ефективна термообробка, що містить у собі відпускання (при 580°С для сталі типу Р18Ф2К8М або 560°С для сталі типу Р6М5Ф2К8 або Р6М5ФЗ) після гартування, кріогенну обробку при — 70…100°С (для вказаних типів сталей) і дворазове відпускання при 560…580°С. Після такої кріообробки кількість залишкового аустеніту наближається в сталі типу Р18Ф2К8М до 1,9%, в сталі типу Р6М5Ф2К8 — до 0,52%; твердість сталі HRC 65…66. Швидкоріжучі сталі оброблені при температурах і потім відпущені, мають більш рівномірну твердість, ніж сталі, охолоджені тільки в маслі і відпущені три рази при 560°С. Для різців з швидкоріжучої сталі, оброблюваної при кріотемпературах, рекомендується дворазове відпускання при 540°С з витримкою не менше 1 год. Середня стійкість інструментів, охолоджених нижче нуля, на 40…50% перевищує стійкість інструментів, що не підлягають кріогенній обробці. Температура мартенситного перетворення легованої інструментальної сталі деяких основних марок наведена в таблиці 2.6.

Кріогенна обробка загартованих конструкційних сталей недоцільна, так як температура кінця мартенситного перетворення таких сталей вища 20°С. Цей вид обробки застосовують для конструкційних сталей, які попередньо пройшли цементацію, азотування або ціанування. Високий вміст вуглецю в цементованому шарі стимулює зберігання в ньому залишкового аустеніту (особливо в сталях, що містять в собі такі леговані елементи як хром, нікель і вольфрам). Твердість і зносостійкість цементованих виробів при кріогенній обробці підвищуються. Режим кріогенної обробки сталей з насиченим поверхневим шаром аналогічний приведеному для вуглецевих та легованих інструментальних сталей з кількістю вуглецю і легованих домішок, які дорівнюють кількості, що містить поверхневий шар.

Таблиця 2.6 - Температура мартенситного перетворення і ефективність охолодження нижче нуля легованих сталей

Сталь	Межа перетворення, °С	Кількість залишкового аустеніту після охолодження, %	Приріст твердості HRC після охолодження до Мк
Мн	Мк	до 20°С	до Мк
7X9	240…185	-60	4…17	2-12	1…2,5
9X	220…180	-70	6…18	4-13	1…2,5
X	175…145	-90	10…28	5-14	3…6
9XC	210…185	-60	6…27	4-12	1,5…2,5
XВГ	155…120	-110	13…45	2-17	До 10
XГ	120…100	-120	22…60	до 20	До 15
20X3	140…120	-100	17…40	до 15	До 10
13Н2А	160…140	-95	12…30	3-14	4…7
13Н5А	160…140	-95	12…30	3-14	4…7
12Н5А	120…100	-120	22…60	до 20	до 15
18X2H4BA	130…120	-110	20…45	до 15	до 10

2.3.2 Рекомендації по вибору режимів термообробки інструментальних сталей із застосуванням кріогенних температур

Впровадження у виробництво кріогенних процесів для обробки інструментальних сталей пов’язане із змінами послідовності операцій термічної обробки, можливими змінами режимів операцій термообробки — цементації або гартування і відпускання, мінімально допустимого проміжку часу між закінченням операції гартування та початком охолодження нижче нуля, тобто тривалості вилежування при нормальній температурі, найбільш оптимальної температури охолодження, швидкості охолодження та часу витримки при низьких температурах, економічності (з урахуванням витрат, пов’язаних з ускладненням технології).

Для деталей особливо складної форми з нерівномірним розподілом маси і різними переходами по перерізу, особливо для деталей, виготовлених з високолегованих сталей, які характеризуються наскрізним прожарюванням, негайно після гартування виконують відпускання для зняття напружень гартування. Якщо охолоджувати такі деталі нижче нуля, то збільшується небезпека утворення тріщин. Тому їх піддають звичайному відпусканню, потім охолоджують нижче нуля і, нарешті, піддають повторному відпусканню при трохи зниженій температурі. Така послідовність технологічного процесу попереджує небезпеку утворення кільцевих тріщин у масивних інструментах з швидкоріжучої сталі, звареної в стик з вуглецевою або низьколегованою.

При виготовленні технологічної оснастки високої точності (вимірювальних інструментів, деталей прецизійних приладів та ін.) виникає необхідність забезпечення максимальної стабілізації розмірів. У цих випадках необхідно усунути залишковий аустеніт, збережений у сталі в невеликій кількості після одноразової кріогенної обробки. Це досягається додатковою обробкою — старінням виробів, що передбачає тривалий нагрів до 120…150°С.

2.3.3 Рекомендації по використанню кріогенних температур для відновлення технологічної оснастки

Відновлення технологічної оснастки, в тому числі інструменту, з застосуванням кріотемператур засноване на явищі зростання об’єму структурних складових при розпаді залишкового аустеніту в охолоджених інструментальних сталях.

Процес відновлення технологічної оснастки з застосуванням кріотемператур складається з наступних операцій:

- очищення, обезжирення та сушка, що проводяться за допомогою технічних серветок та змивних рідин;

- комплектування технологічної оснастки в партії з урахуванням температури обробки та часу витримки;

- кріогенна обробка кожної партії окремо (час витримки відраховується з моменту зупинки кипіння азоту, а при використанні кріогенної установки — з моменту досягнення бажаної від’ємної температури в кріогенному апараті);

- відтаювання без використання джерел теплоти, просушування, при зупинці процесу охолодження (після повного уникнення інею через 0,5…2 год.);

- контроль розмірів технологічної оснастки;

- доведення отриманих розмірів до виконавчих (виконують за технологією прийнятою для виготовлення нової технологічної оснастки) шляхом застосування тонкого шліфування, притирки, хонінгування тощо.

2.3.4 Застосування кріогенних температур для стабілізації форми і розмірів деталей

В результаті спонтанних фазових перетворень у сталі і перерозподілу залишкових напружень можуть виникнути зміни розмірів та форми деталей під час їх експлуатації або зберігання на складі. Ці процеси, що йдуть повільно при нормальній температурі, можуть інтенсифікуватись під впливом природної теплоти рук робітника, сезонних коливань температури, нагрівання інструменту при знятті стружки або в результаті дії сили тертя в рухомих сполученнях тощо.

Звичайним способом стабілізації розмірів та форм точних деталей з гартованої сталі є відпускання (теплове старіння). Ступінь стабілізації підвищується при додатковому перетворенні залишкового аустеніту, для чого дуже часто необхідний відпускання при такій високій температурі, що деталь втрачає необхідну за умовами роботи твердість. При обробці стальних деталей кріогенним методом їх розміри стабілізуються, що має особливе значення для стальних загартованих точних деталей технологічної оснастки, стабільність форм і розмірів яких повинна забезпечуватись на весь час зберігання та експлуатації (калібрів, точного ріжучого інструмента, робочих деталей штампів, прес-форм та ін.). Чим більше залишкового аустеніту в структурі сталі, тим ефективніша в цьому відношенні кріогенна обробка.

Ефективність стабілізації розмірів деталей зростає при поєднанні теплових (відпускання, старіння) та низькотемпературних методів обробки. На основі цього в залежності від вимог до деталей, які повинні зберегти точні розміри, можна рекомендувати такі варіанти технологічних процесів: гартування, кріогенна обробка, тривале відпускання, що включає теплове старіння (для деталей підвищеної точності, вимірювальних інструментів та ін.); гартування і виконання охолодження нижче нуля і відпускання (або старіння) за схемою: охолодження-відпускання-охолодження-відпускання (або старіння для деталей особливо високої точності, де необхідно забезпечити стабільність конфігурації та розмірів). Для розмірної стабілізації загартованих стальних деталей необхідно забезпечити більш повне перетворення залишкового аустеніту, ніж для отримання максимальної твердості.

Як прилад для вимірювання кріогенних температур в холодильних камерах застосовують спиртові термометри, дистанційні вимірювачі, уніфіковані електричні термометри, електронні автоматичні врівноважені мости.

Як джерело помірного холоду (до -70°С) при обробці технологічної оснастки використовують аміачні та фреонові пристрої; для отримання кріогенної температури (до -135°С) — кріогенні пристрої. Кріоагентами зазвичай служать твердий диоксид вуглецю (сухий лід), рідкий азот, рідкий кисень і повітря (суміш рідкого азоту і рідкого кисню) та ін. Характеристика кріоагентів наведена в таблиці 2.7.

Таблиця 2.7 - Характеристика кріоагентів

Кріоагент	Агрегатний стан	Мінімальна температура при нормальному тиску, °С	Прихована теплота випарювання при температурі кипіння та нормальному тиску, кДж/кг
Диоксид вуглецю	Твердий	-78,5	574,8
Кисень	Рідкий	-18,8	213,7
Азот	Рідкий	-195,8	197,8

За відсутності готового сухого льоду його можна отримати в результаті дроселювання з балона зрідженого диоксиду вуглецю через невеликий отвір сопла (діаметром 1,5…3 мм).

запитання для самоконтролю

1 Вплив пластичної деформації на зносостійкість залізовуглецевих сплавів. Яка структура забезпечує оптимальну зносостійкість в пара метал по металу?

2 Опишіть оптимальну структуру для елементів пари тертя кочення із залізовуглецевих сплавів.

3 Залізовуглецевий сплав із якою структурою має максимальну зносостійкість при абразивному зношуванні?

4 Обґрунтуйте вибір температури нагріву під гартування сталі для забезпечення максимальної зносостійкості.

5 Як швидкість охолодження впливає на зносостійкість сталей із різним вмістом вуглецю?

6 Яким чином температура нагріву під гартування впливає на ударостійкість сталей із різним вмістом вуглецю?

7 Особливості застосування поверхневого гартування.

8 Що таке глибина гартування і чим керуються при виборі величини глибини гартування?

9 Опишіть розподіл залишкових напружень на поверхні при місцевому гартуванні. Як це враховується при поверхневому гартуванні виробів із складною геометричною конфігурацією (вали із галтелями, зубчасті колеса і т.д.)?

10 Наведіть схеми різних способів поверхневого полуменевого гартування. Які особливості їх застосування?

11 Опишіть суть та особливості поверхневого гартування з контактним нагріванням електричним струмом.

12 Як швидкість нагріву при гартуванні СВЧ впливає на структурні перетворення в сталі? Як це враховується при розробці технології гартування СВЧ?

13 Опишіть суть методу поверхневого гартування з електронагрівом в електроліті.

14 Порівняйте різні методи поверхневого гартування. Вкажіть особливості їх застосування, технологічні переваги та недоліки.

15. Інструменти з яких матеріалів піддають кріогенній обробці?

16. Яким чином визначають зміни геометричних параметрів при кріогенній обробці?

17. Як досягається стабілізація розмірів технологічної оснастки високої точності після кріогенної обробки?

18. На скільки підвищується стійкість різців із швидкоріжучої сталі, підданих кріогенній обробці?

19. Чи доцільна кріогенна обробка для загартованих конструкційних сталей?

20. Як запобігти утворенню тріщин при кріогенній обробці деталей складної геометричної форми?

21. На якому явищі засновано відновлювання технологічної оснастки кріогенними методами?

22. З яких операцій складається технологічний процес відновлення оснастки кріогенним методом?

23. Чи можна в одному технологічному процесі застосовувати теплові та низькотемпературні методи?

24. Які прилади застосовуються для вимірювання кріогенних температур?

25. Що використовують як джерела холоду?

26. Які кріоагенти Ви знаєте?