Подписка
Автор: 
Николай Анатольевич Кокорин

Износостойкость, твердость и прочность при ударных нагрузках являются определяющими при эксплуатации штампового инструмента. Повышения износостойкости высокоуглеродистых и легированных инструментальных сталей добиваются криогенной обработкой. Обработка инструмента при криогенных температурах дает дополнительный прирост износостойкости и прочности при ударных нагрузках.
Термическая обработка стали при температурах ниже нуля, называемая также обработкой холодом, принадлежит к числу процессов, теоретическая разработка и практическое освоение которых составляет бесспорное достижение советской науки [1]. Работы Бигеева М. М., опубликованные в сентябре 1937 года в Уральском филиале АН СССР, исследования Гуляева А. П. (декабрь 1937 г.), в дальнейшем Минкевича Н. А., Ассонова А. Д. и многих других неразрывно связаны с применением холода для улучшения свойств закаленной стали.
Лишь через несколько лет после публикации работ советских исследователей появились первые аналогичные сообщения в иностранной печати.
Термин «обработка холодом» является неудачным, так как понятие о холоде субъективно и по физическому содержанию обозначает состояние объекта с относительно меньшим количеством теплоты. Выражение «обработка при температуре ниже комнатной» расширяет поле деятельности исследователя, предоставляет дополнительное средство термического воздействия на превращения и структуру стали, но является громоздким.
Широко используемый в течение последних сорока лет в Соединенных Штатах, Европе, Латинской Америке и Азии термин «низкотемпературная обработка» означает в теории термической обработки несколько другой температурный диапазон. Например, низкотемпературный отпуск проводится при положительных температурах.
Международной академией холода принято называть температурный интервал от минус 153 °С до минус 272 °С криогенным. Выражение «криогенное воздействие» наиболее точно отражает температурный диапазон полиморфных превращений в обрабатываемом объекте и относит его к термической обработке. Результатом криогенного воздействия является улучшение свойств обрабатываемого объекта.
С понижением температуры большинство материалов становится более прочным и износостойким, наблюдается увеличение их временного сопротивления и твердости. При температуре минус 196 °С (температура кипения жидкого азота) временное сопротивление разрыву большинства металлов в 2–5 раз больше, чем при комнатной температуре; прочность некоторых пластмасс увеличивается до 8 раз; стекла — в 12 раз. При температуре минус 269 °С предел прочности меди больше в 2 раза, чем при комнатной температуре, а алюминия — в 4 раза [2].
Уменьшение пластичности и повышение твердости при криогенных температурах позволяют повысить эффективность лезвийной обработки ряда материалов. В результате криогенного воздействия на металлорежущий инструмент улучшаются его режущие свойства и повышается его стойкость. Применение криогенных температур при термической обработке металлов позволяет стабилизировать размеры прецизионных деталей и получать требуемую структуру.
Возрастание прочности с понижением температуры должно, казалось бы, приводить к увеличению коэффициентов запаса прочности, повышению надежности, однако практика показывает обратное. Срок службы транспортной техники в суровых северных условиях сокращается на 50%, а аварийные ситуации из-за действия низких температур увеличивают отказы техники до 26% от общего количества машин. Наиболее часто выбывают из строя транспортные, горные, строительные и землеройные машины.
Резкое изменение температуры при выводе на орбиту и приземление космических объектов от минус 250°С в космическом пространстве до 3000°С при торможении в плотных слоях атмосферы требует изучения поведения материалов при низких температурах и последствия действия криогенных температур.
Исследование влияния криогенных температур на снижение аварийности и повышение ресурса техники является актуальной задачей современного материаловедения.
Уменьшить аварийность и повысить ресурс техники можно только при условии учета особенностей поведения материалов при эксплуатации, правильного выбора материалов для конструкций и рационального назначения технологии изготовления и упрочнения.
Криогенная обработка — это термическое упрочнение металлопродукции сверхнизкими температурами (до – 196 °С). Криогенная обработка относится к способам направленного изменения структуры и свойств материалов. 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.
Результаты криогенной обработки во многом определяются последовательностью взаимодействия с различными видами термической обработки. На стадии предварительной термической обработки криогенное воздействие используется с целью повышения обрабатываемости ряда материалов, в том числе в сочетании с отжигом или нормализацией. На рис. 1 приведена схема технологического процесса термической обработки в сочетании с криогенной обработкой на предварительной стадии. Уменьшение пластичности и повышение твердости при криогенных температурах позволяет повысить эффективность обработки ряда материалов. По завершении криогенного воздействия объекты обработки подвергаются деформированию или лезвийной обработке до закалки и отпуска.
Наиболее востребованным процессом термической обработки в сочетании с криогенным воздействием, применяемым с целью повышения прочности и твердости, является схема, представленная на рис. 2. Процесс криогенной обработки понятийно не связан с тепловыми процессами закалки или отпуска, но в комбинациях с ними будет классифицироваться комплексной термической обработкой. Пока не предложено отдельного термина такой комплексной термической обработке, как, например, «улучшение» (закалка плюс высокий отпуск).
Непосредственно закалка заключается в охлаждении стали со скоростью больше критической с целью получения структуры мартенсита. Мартенсит обладает самой высокой твердостью: в шесть раз больше твердости феррита, уступая только цементиту. Из-за сильного искажения атомно-кристаллической решетки при образовании мартенсита плотность укладки атомов железа резко уменьшается, поэтому мартенсит по сравнению со всеми другими структурами стали имеет самый большой удельный объем, что используется в практике криогенной обработки при восстановлении изношенных деталей и для стабилизации размеров прецизионных изделий. При охлаждении закаленной стали в момент перехода аустенита в мартенсит происходит увеличение объема, что сопровождается большими напряжениями, которые приводят к короблению и изменению размеров.

Рис. 1. Схема технологического процесса термической обработки в сочетании с криогенной обработкой на предварительной стадии

Рис. 2. Схема комплексной термической обработки в сочетании с криогенной обработкой на основной стадии

Рис. 3. Влияние углерода на температуру начала Мн и конца Мк мартенситного превращения

 

Мартенситная реакция начинается только при определенном переохлаждении аустенита. Температура начала образования мартенсита обозначается Мн и зависит от содержания углерода и легирующих элементов, а точка конца превращения обозначается Мк (рис. 3). Для нелегированной стали с содержанием углерода больше 0,5% температура конца мартенситного превращения ниже комнатной. При закалке стали до 20–25 °С мартенситное превращение идет не до конца и в мартенситной структуре стали присутствует непревращенный остаточный аустенит. Продолжить мартенситное превращение с устранением остаточного аустенита можно криогенной обработкой на основной стадии до отпуска.
Переход аустенита в мартенсит совершается в точке начала превращения с очень большой скоростью, и в течение нескольких тысячных долей секунды большая часть аустенита (70%) переходит в мартенсит, после чего процесс замедляется. Оставшееся количество непревращенного аустенита постепенно переходит в мартенсит по мере дальнейшего понижения температуры при криогенной обработке, и процесс совершенно прекращается в точке Мк. Из диаграммы (рис. 3) видно, что чем больше углерода в стали, тем при более низкой температуре заканчивается мартенситное превращение.
Углерод и легирующие элементы в стали (кроме кобальта и алюминия) снижают температуру начала и конца мартенситного превращения. Так, при добавлении 1% легирующего элемента к стали с почти 1% углерода температура начала превращения аустенита в мартенсит снижается при легировании марганцем на 45°С, никелем — на 26°С, ванадием — на 30°С, молибденом — на 25 °С, хромом — на 35°С, медью — на 7°С [3].
Ориентировочные интервалы мартенситного превращения сталей с различной степенью легирования сформированы на основе литературных источников [1, 2, 4] и приведены в таблице 1. Согласно значениям температуры Мк, приведенным в столбце 4 таблицы 1, реализовать завершение мартенситного превращения без специального оборудования невозможно. Для сталей с порядковыми номерами 21–26 процесс мартенситного превращения заканчивается при криогенных температурах. Для большинства сталей (6–26) полный переход аустенита в мартенсит возможен при использовании в качестве хладагента жидкого азота.


Возвращаясь к обсуждению схемы комплексной термической обработки в сочетании с криогенным воздействием (рис. 2), необходимо отметить, что существует две разновидности закалки с полиморфным превращением — объемная и поверхностная. При объемной закалке закаливают весь объем объекта обработки (насквозь), а при поверхностной — только поверхностный слой. Так как сердцевина охлаждается всегда медленнее поверхности, то при объемной закалке изделий с достаточно большой толщиной сердцевина изделия может не закалиться, как при поверхностной закалке. Послойным рентгеноструктурным анализом определяли количество остаточного аустенита вблизи поверхности образца с 1% углерода и 4,82% никеля после закалки в масло. Количество остаточного аустенита составило: около 10% на глубине 0,08 мм; около 25% на глубине 0,2 мм; примерно 50% на глубине 0,4 мм и нижележащих слоях [5]. Исправить значительные перепады количества остаточного аустенита в стали позволяет криогенная обработка, которая проводится после закалки. Охлаждение до криогенных температур позволяет уменьшить количество аустенита в 2,5–3,5 раза, а в некоторых сталях с высоким содержанием углерода — до 6 раз [1].
В настоящее время криогенную обработку проводят как отдельную упрочняющую операцию. Предшествуют криогенному воздействию закалка и отпуск (рис. 4). Для снятия термических напряжений, вызванных криогенной обработкой, проводят повторный отпуск.

Рис. 4. Схема комплексной термической обработки в сочетании с криогенной обработкой на завершающей стадии

Выдержка стали после закалки при комнатной температуре более 3–6 часов стабилизирует аустенит [6]. Стабилизацию аустенита вызывает перерыв в охлаждении, промежуточный отпуск, длительное вылеживание при комнатной температуре. Окончательно сохраняющееся количество остаточного аустенита колеблется в зависимости от состава стали и условий закалки от долей процента до десятков процентов. Путем комбинированного воздействия: охлаждение до низких температур и последующего отпуска — иногда удается дополнительно уменьшить количество остаточного аустенита. Нестабильность получаемого результата объясняется тем, что превращение остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит происходит не только при охлаждении до низких температур, но и при нагреве стали при отпуске или эксплуатации. Эти неодинаковые пути превращения остаточного аустенита весьма различно влияют на окончательные свойства стали.
Необходимо уточнить, что мартенситное превращение остаточного аустенита при отпуске (нагреве) углеродистых сталей, независимо от содержания углерода, начинается обычно около 240°С и происходит до 325°С. На этот процесс, направленный к повышению твердости и прочности стали, накладывается развивающийся одновременно отпуск мартенсита закалки. Этот второй процесс вызывает обратный эффект, ведущий к понижению твердости, предела прочности и износоустойчивости закаленной стали. Влияние второго процесса является преобладающим, так как он вызывает отпуск не только мартенсита, полученного при охлаждении (закалке), но и мартенсита отпуска, полученного из остаточного аустенита при нагреве. Мартенсит отпуска отличается обеднением по содержанию углерода от мартенсита закалки при отрицательных температурах [1].
Таким образом, охлаждение до криогенных температур сразу после закалки изменяет свойства стали всегда в определенном и одинаковом направлении, поскольку при этом исключается отпуск мартенсита. Такая схема обработки увеличивает в структуре количество мартенсита за счет образования более легированного мартенсита повышенной твердости. Это позволяет получать значительно более высокую твердость закаленной стали, практически не достижимую при других способах термической обработки.
Для получения изделий с различными физико-химическими и механическими свойствами на поверхности и в сердцевине используют химико-термическую обработку стали. Наибольшее распространение из видов химико-термической обработки получила цементация. Для насыщения поверхности изделий углеродом применяют простые углеродистые или легированные стали с 0,15–0,25% углерода. Цементованные слои толщиной от 0,8 до 2,5 мм получают с концентрацией углерода 0,9–1,3% [7].
После цементации и закалки сталь подвергают криогенной обработке с последующим отпуском (рис. 5). При этом сердцевина стали имеет достаточную прочность и высокую вязкость, так как в ней мало углерода. Поверхность же ввиду высокого содержания углерода приобретает большую твердость и прочность. В обработанном криогенным воздействием цементованном слое образуется структура мартенсита закалки с вкраплениями дисперсных карбидов, повышающих износостойкость стали.

Рис. 5. Схема термической обработки цементованных деталей с применением криогенной обработки

 

Из-за внедрения большого количества углерода в кристаллическую решетку железа объем цементованного слоя растет, и в поверхностной зоне детали возникают напряжения сжатия. Прочность, твердость и напряжения сжатия обеспечивают цементованному слою после крио-
генного воздействия высокую износостойкость, а всей детали — большую усталостную прочность и контактную выносливость.
Износостойкость, твердость и прочность при ударных нагрузках являются определяющими при эксплуатации штампового инструмента. Повышения износостойкости высокоуглеродистых и легированных инструментальных сталей добиваются криогенной обработкой. Обработка инструмента при криогенных температурах дает дополнительный прирост износостойкости и прочности при ударных нагрузках. Механизм прироста износостойкости обосновал в своих исследованиях профессор Д. Н. Коллинс из Дублинского университета. В дополнение к известному эффекту трансформации остаточного аустенита в мартенсит с соответствующим увеличением твердости криогенная обработка приводит к кристаллографическим изменениям микроструктуры материала, которые отчетливо проявляются при повторном нагреве (отпуске) в виде равномерного распределения мелкодисперсных карбидов. Влияние температуры криогенной обработки стали Х12МФ и температуры аустенизации на количество карбидов представлено на рис. 6.

Рис. 6. Влияние температуры криогенной обработки стали Х12МФ на количество карбидов [8]

Для стали Х12МФ температура закалки находится в интервале от 950 до 1100°С. На число карбидов в микроструктуре стали оказывает влияние температура аустенизации, что подтверждается соответствующими значениями при температуре +20°С (рис. 6). Охлаждение стали до температуры минус 180°С по схеме комплексной термической обработки (рис. 2) ведет к значительному росту числа карбидов. Рост числа карбидов проявляется не сразу после криогенной обработки, а в результате теплового воздействия при отпуске.
Существенное влияние на рост числа карбидов оказывает и время выдержки при криогенной температуре (рис. 7).

Рис. 7. Влияние времени выдержки при криогенной температуре – 196°С на количество карбидов в стали Х12МФ [8]

 

Экстремум функции количества карбидов от времени выдержки при криогенной температуре приходится на длительную выдержку, равную 36 часам (рис. 7).
Влияние температуры криогенной обработки на уровень износа стали Х12МФ при различных температурах закалки представлено на рис. 8. Следует отметить, что криогенная обработка однозначно повышает износостойкость стали Х12МФ, закаленной при различных температурах. Причем наибольший прирост износостойкости установлен в результате экспериментов при температуре минус 196°С (температура конца мартенситного превращения). Прирост износостойкости стали Х12МФ в результате криогенной обработки составляет от 11 до 14% при различных температурах закалки. Более 30% прироста износостойкости можно получить в результате криогенной обработки в случае оптимизации режимов термообработки (закалки). Например, заменить существующий технологический процесс закалки с температуры 1040°С на закалку с температуры 970°С с последующей криогенной обработкой при температуре минус 196°С.

Рис. 8. Влияние температуры криогенной обработки на уровень износа стали Х12МФ [8]

Отмеченные особенности криогенной обработки подтвердили принадлежность криогенного воздействия к термическим видам обработки и их тесной (комплексной) связи при влиянии на конечный результат. Результаты проведенных исследований показывают наличие нового, ранее не изученного эффекта роста числа карбидов в структуре материала при криогенных температурах.
За 80 лет изучения влияния холода на улучшение механических и эксплуатационных характеристик материалов выявлены следующие преимущества криогенной обработки:
• повышение твердости, износостойкости и прочности в результате трансформации остаточного аустенита в мартенсит;
• повышение формоустойчивости (стабилизации размеров) прецизионных деталей в результате завершения превращения аустенита в мартенсит;
• повышение ударной прочности и износостойкости сталей за счет роста числа карбидов.

Николай Анатольевич Кокорин
к. т. н., доцент, директор по науке и развитию
ООО «НПЦ «КриоТехРесурс», г. Ижевск
e‑mail: info@cryoteh.ru

Литература
1. Воробьев В. Г. Термическая обработка стали при температуре ниже нуля. — М.: Оборонгиз, 1954. — 307 с.
2. Холод в машиностроении / А. П. Клименко и др. — М.: Машиностроение, 1969. — 248 с.
3. Зюзин В. И., Садовский В. Д., Баранчук С. И. Труды УФАН СССР. 1941. Вып. 10.
4. Гуляев А. П. Инструментальные стали: справочник / Гуляев А. П., Малинина К. А., Саверина С. М. — М.: Машиностроение, 1975. — 272 с.
5. Гарднер, Кохен М, Антия Д. П. Heat treating and forging, 1943. т. 29. № 3.
6. Лахтин Ю. М. Металловедение и термическая обработка металлов: учебник / Ю. М. Лахтин. — М.: Металлургия, 1979. — 320 с.
7. Строение и свойства авиационных материалов: учебник для вузов / Белов А. Ф., Бенедиктова Г. П., Висков А. С. [и др.]. — М.: Металлургия, 1989. — 368 с.
8. D. N. Collins, J. Dormer, Heat Treatment of Metals. 1997. № 3.

Реклама наших партнеров