Справочник материалов, воспринимающих криогенную обработку
Кокорин Н.А.
Краткий справочник материалов, воспринимающих криогенное воздействие.
Ижевск: ООО «НПЦ «КриоТехРесурс», 2015.
В справочнике приводятся краткие сведения о результатах воздействия обработки при низких и криогенных температурах на механические, технологические и эксплуатационные свойства конструкционных и инструментальных материалов.
На основе литературных данных, собственных исследований и производственного опыта даны рекомендации по технологическим процессам термической обработки различных по назначению изделий.
Впервые приведены математические расчеты для прогноза повышения износостойкости легированных сталей и серого чугуна, упрочненных криогенной обработкой.
В заключительном разделе приводятся данные по механическим свойствам металлических материалов при низких и криогенных температурах.
Во второе издание включены сведения по эффективности применения криогенной обработки чугунов и некоторых сталей.
Краткий справочник предназначен для технологов термических участков, цехов горячей и холодной обработки металлов, конструкторов инструмента, работников заводских лабораторий, сотрудников научно-производственных и инжиниринговых предприятий, занимающихся умным производством и связанных с вопросами повышения ресурса, износостойкости, прочности, твердости и упрочняющей технологии.
Справочник может быть полезен студентам вузов соответствующих специальностей, техническим специалистам производственных и обрабатывающих предприятий.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
Улучшение эксплуатационных свойств отечественной металлопродукции является решением задачи импортозамещения, обуславливающей технический прогресс в машино- и приборостроении, а также в ряде других отраслей промышленности.
В связи с этим особую актуальность приобретает изучение основных средств воздействия на свойства металлов и их сплавов – их легирования, термической и криогенной обработки. Легирование и термическая обработка освещены в большом числе литературных источников. Литературы по криогенному воздействию, в особенности с последними достижениями, почти нет. Справочной информации по криогенному воздействию для заводских работников, молодых инженеров, магистров, бакалавров и практиков-термистов нет, хотя именно эти читатели нуждаются в серьёзных апробированных на практике рекомендациях в отношении способов повышения ресурса изделий.
Предлагаемый Справочник материалов, воспринимающих криогенное воздействие, кратко знакомит читателей с последними результатами криогенного воздействия на свойства и состав материала. Для чугуна и стали, наиболее часто применяемых в промышленности, представлены сведения о производственных и экспериментальных результатах исследований по выявлению общих закономерностей изменения свойств от состава и условий обработок.
Автор благодарит всех своих коллег, участвующих в решении конкретных задач и способствующих широкому применению криогенной обработки в производстве металлопродукции.
ВВЕДЕНИЕ
Международной академией холода принято называть температурный интервал от минус 153 ºС до минус 272 ºС – криогенным. Термин «криогенное воздействие» точно отражает температурный диапазон полиморфных преобразований в материале и относит его к термической обработке. Результатом криогенного воздействия является изменение структурно-фазового состава материала.
Криогенная обработка возможна на начальной стадии процесса изготовления (до закалки) металлопродукции, например для повышения обрабатываемости. После термической обработки (закалки) – для повышения механических и эксплуатационных характеристик изделий. И после окончательной термической операции (отпуска) с целью упрочнения.
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).
При первом знакомстве с технологией криогенной обработки отдельные практики ошибочно относят её к химико-термической обработке. В процессе криогенной обработки металл длительное время находится в среде жидкого или газообразного азота при отрицательных температурах, где диффузионного насыщения поверхностного слоя азотом не происходит.
Криогенная обработка не является окончательной операцией термообработки. Для снижения температурных напряжений, вызванных закалкой и криогенной обработкой, и получения требуемых механических свойств стали детали подвергают после криогенной обработки старению или отпуску.
Криогенная обработка проводится однократно и не нуждается в повторении, поскольку свойства материала, приобретенные в результате комплексной термической обработки, сохраняются в течение длительного времени эксплуатации.
Хотя криогенная обработка относится к объёмным методам упрочнения, но также эффективно её применение после поверхностных методов термического упрочнения, таких как цементация и поверхностная закалка токами высокой частоты. Сердцевина обработанных по такой технологии изделий должна обладать высокой прочностью при повышенной вязкости, а поверхность – хорошо сопротивляться истиранию.
Криогенная обработка целесообразна для:
- повышения износостойкости и режущих свойств инструментальных сталей, в том числе быстрорежущих, металло- и деревообрабатывающего инструмента;
- повышения твердости, износостойкости и снижения разброса твердости прессового, штампового, прокатного, прошивного инструмента, измерительных инструментов, изготовленных из высокоуглеродистой легированной стали;
- повышения твердости, глубины упрочненного слоя и износостойкости цементованных деталей, изготовленных из легированных конструкционных сталей;
- повышения циклической прочности ресурсного крепежа, цанг, пружин, торсионов, рессор и упругих элементов машин, изготовленных из углеродистых и легированных конструкционных сталей;
- повышения твердости нержавеющих сталей с повышенным содержанием углерода, применяемых для изготовления инструментов, в том числе хирургических;
- улучшения качества поверхности (получение однородной зеркальной поверхности) деталей, подвергаемых доводке или полированию;
- стабилизации размеров деталей плунжерных насосов, компрессоров, измерительных инструментов, шарико- и роликоподшипников;
- повышения магнитных свойств некоторых специальных сплавов для постоянных магнитов;
- стабилизации размеров и повышения абразивной износостойкости литья из серых и высокопрочных чугунов;
- сохранения высокой эксплуатационной прочности и сопротивляемости ударам и вибрациям, а также повышения износостойкости пластин и стержней из титано-вольфрамовых и вольфрамовых твердых сплавов;
- повышения износостойкости и производительности бурения твердосплавного породоразрушающего инструмента;
- устранения брака термической обработки деталей из-за низкой или неоднородной твердости после закалки;
- стабилизации размеров цветного литья, предназначенного для изготовления корпусов прецизионного оборудования и приборов;
- длительного хранения в пластичном состоянии закаленного дюралюмина;
- улучшения эксплуатационных характеристик кабелей и электронного оборудования;
- улучшения акустических характеристик духовых, ударных и струнных инструментов, а также увеличения срока их службы.
1. ЧУГУН
Чугуны обладают хорошей жидкотекучестью и используются исключительно в качестве литейного сплава. По степени графитизации, форме графита и условиях его образования различают следующие типы чугунов:
- белый
- половинчатый чугун
- перлитный серый
- высокопрочный
- ковкий.
Белый чугун имеет ограниченное применение вследствие высокой хрупкости и плохой обрабатываемости резанием. Для улучшения обрабатываемости резанием отливки из белого чугуна подвергают криогенной обработке.
Половинчатые чугуны в поверхностных слоях имеют структуру белого чугуна, а в сердцевине – структуру серого чугуна. Между этими зонами имеется переходный слой. Из таких чугунов изготавливают прокатные валки листовых станов, кулачковые валы двигателей, колеса, шары для мельниц и т.д. Вследствие разных структурных состояний по сечению отливки половинчатые чугуны имеют большие внутренние напряжения. Для снятия напряжений отливки подвергают криогенной обработке.
Серый чугун является оптимально технологичным и экономичным конструкционным материалом, используемым в различных отраслях: от автомобилестроения до металлургического машиностроения. Серый чугун применяют для отливки станин станков, поршней, цилиндров, деталей металлургического оборудования, блоков двигателей, дизельных цилиндров, деталей насосов, компрессоров и турбин, работающих на износ. Серый чугун, по сути, является композиционным материалом, состоящим из металлической (стальной) основы и графитного наполнителя (включений). Механические свойства чугуна обусловлены его структурой и главным образом графитной составляющей. Графит повышает износостойкость и антифрикционные свойства чугуна за счет смазывающего действия и улучшает обрабатываемость резанием.
В ряде случаев для улучшения механических свойств и особенно износостойкости детали из серых и высокопрочных чугунов подвергаются упрочняющей термической обработке: нормализации, криогенной обработке или закалке и последующему отпуску. Для стабилизации размеров и формы, снятия литейных напряжений отливки подвергают отжигу или криогенной обработке. Если влияние отжига, нормализации, закалки достаточно полно изучены, то влияние криогенной обработки серого чугуна на абразивную износостойкость изучены мало.
С этой целью проведено комплексное исследование влияния криогенной обработки на структуру, твердость и абразивную износостойкость серого чугуна разных производителей. Для изготовления образцов взяты автомобильные тормозные диски из серого перлитного чугуна импортного и отечественного производства. Результаты исследования химического состава чугуна представлены в таблице 1.
Результаты химического анализа исследуемых чугунов
Таблица 1
|
№ п/п |
Условное обозначение чугуна |
Химический состав , % | |||||||||||
|
С |
Mn |
Si |
P |
S |
Cr |
Ni |
Cu |
Mo |
V |
Ti |
Al | ||
|
1 |
А |
4,01 |
0,54 |
1,71 |
0,030 |
0,130 |
0,25 |
0,04 |
0,62 |
0,02 |
0,01 |
0,02 |
0,01 |
|
2 |
В |
3,66 |
0,59 |
1,89 |
0,076 |
0,117 |
0,075 |
0,031 |
0,049 |
- |
0,014 |
0,032 |
0,01 |
|
3 |
С |
3,35 |
0,9 |
2,01 |
0,057 |
0,175 |
0,18 |
0,044 |
0,119 |
- |
0,012 |
0,018 |
0,01 |
|
4 |
D |
3,47 |
0,48 |
1,62 |
0,018 |
0,036 |
0,03 |
0,02 |
0,05 |
- |
- |
- |
- |
|
5 |
СЧ12-СЧ36 |
3,1 -3,6 |
0,5 -0,8 |
1,8 -2,7 |
0,3 - 0,65 |
0,12 -0,15 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Результаты химического анализа показали, что на исследование представлены сплавы Fe – Si – C, содержащие неизбежные примеси Mn, P, S, относящиеся к техническим (серым) чугунам. Отличительной особенностью химического состава представленного импортного образца (строка 1 таблицы 1) является высокое содержание углерода, серы и меди. Содержание марганца и кремния по нижнему пределу по сравнению с химическим составом отечественного серого чугуна марки СЧ12 – СЧ36, приведенного в пятой строке таблицы 1.
В третьей строке таблицы 1 приведены результаты химического анализа материала диска тормозного оригинального. В данном сером чугуне немного больше кремния и серы, чем в других исследуемых чугунах.
При выборе чугуна для тормозных дисков по химическому составу одним из основных требований является достижение наименьшей склонности к образованию трещин. Известно, что свойства чугуна определяются содержанием углерода и кремния, а также углеродным эквивалентом [1]:
Сэ = %С + (%Si + %P)/3
Серый чугун со структурой пластинчатого графита обладает улучшенными теплофизическими характеристиками (коэффициентом линейного расширения, теплопроводностью). Теплопроводность чугуна λ с содержанием углерода от 3 до 4% определяется с достаточной для оценки степенью точностью по следующему уравнению регрессии [2]:
λ = 17,4 (%С) – 6,3 (%Si)
По данному уравнению можно спрогнозировать изменение теплопроводности серого чугуна для вентилируемых тормозных дисков, работающих на износ. Результаты расчетов теплопроводности и углеродного эквивалента приведены в таблице 2.
Углеродный эквивалент и теплопроводность исследуемых чугунов
Таблица 2
|
№ п/п |
Условное обозначение чугуна |
Углеродный эквивалент, Сэ |
Теплопроводность, λ | ||
|
% |
Весовой коэффициент |
Вт/(м К) |
Весовой коэффициент | ||
|
1 |
А |
4,590 |
1,140 |
59,001 |
1,29 |
|
2 |
В |
4,315 |
1,070 |
51,777 |
1,13 |
|
3 |
С |
4,039 |
1,006 |
45,627 |
1,00 |
|
4 |
D |
4,016 |
1,000 |
50,172 |
1,10 |
|
5 |
среднее |
4,240 |
1,055 |
51,644 |
1,13 |
Согласно оценке тормозные диски А имеют теплопроводность на 29% больше, чем диски С. Вентилируемые диски В имеют теплопроводность на 13% больше, чем диски С. Серый чугун D по теплопроводности превосходят на 10% чугун С.
Криогенная обработка серого чугуна проводилась как самостоятельная упрочняющая операция. Криогенное упрочнение представленных деталей проводилось с использованием криогенного оборудования (рис.1), включающего криогенный процессор модели «ККО-0,16» и сосуд для криогенных жидкостей DPW 785. Сосуд для криогенных жидкостей предназначен для транспортировки, хранения жидкого азота и выдачи его в газообразном состоянии. Криогенный процессор состоит из криогенной камеры и системы управления процессом криогенной обработки. Внутри криогенной камеры размещается объект обработки и изолируется от внешней среды. Управление температурно-временными параметрами процесса обработки осуществляется с помощью программно - аппаратных средств.
Рис. 1 Оборудование для криогенной обработки ККО-0,16
Известно, что микроструктура материала оказывает решающее влияние на износостойкость деталей. Особенности микроструктуры исследуемых чугунов до и после криогенной обработки приведены в таблице 3.
В микроструктуре исследуемых чугунов в исходном состоянии присутствует феррит, количество которого составляет от 4…8% у чугунов А и D и около 30% у образцов В и С (таблица 3). Имеются отличия в микроструктуре исследуемых чугунов по типу графита. Для микроструктуры всех чугунов характерно равномерное распределение с преобладанием пластинчатой прямолинейной формы включений графита. Однако также имеется графит розеточного типа ПГр7 у чугунов А и D, и графит междендридного распределения без преимущественного направления (ПГр8) и графит междендридный с преимущественным распределением (ПГр9) у чугунов В и С. Следует также отметить, что наименьшая длина включений графита у чугуна D (45 мкм) больше чем у аналогов (25 мкм).
Особенности микроструктуры исследуемых чугунов до и после криогенной обработки
Таблица 3
|
№ п/п |
Условное обозначение чугуна |
Состояние чугуна |
Структура (по ГОСТ 3443-87) |
|
1 |
А |
до обработки |
ПГф1 – (ПГр1 - ПГд25…90; ПГр7,8) – Пт1 – П96 – Пд0,5…1,4 |
|
после обработки |
ПГф1 – (ПГр1 - ПГд25…180; ПГр8,9) – Пт1 – П85 – Пд0,5…1,4 | ||
|
2 |
В |
до обработки |
ПГф1 – (ПГр1 - ПГд25…90; ПГр8,9) – Пт1 – П70 – Пд0,5…1,4 |
|
после обработки |
ПГф1 – (ПГр1 - ПГд25…180; ПГр7,8) – Пт1 – П70 – Пд0,5…1,4 | ||
|
3 |
С |
до обработки |
ПГф1 – (ПГр1 - ПГд25…90; ПГр8,9) – Пт1 – П70 – Пд0,5…1,4 |
|
после обработки |
ПГф1 – (ПГр1 - ПГд25…180; ПГр8,9) – Пт1 – П92 – Пд0,5…1,4 | ||
|
4 |
D |
до обработки |
ПГф1 – (ПГр1 – ПГд45…90; ПГр7) – Пт1 – П92 – Пд0,5…1,4 |
|
после обработки |
ПГф1 – (ПГр1 – ПГд45…180; ПГр7) – Пт1 – П92 – Пд0,5…1,4 | ||
|
Обозначения: ПГф1-пластинчатая прямолинейная форма включений графита (шкала 1А); ПГр1- равномерное распределение графита (шкала 1); ПГд- размер (длина) включений графита, мкм (шкала 1Б); ПГр7 – розеточное распределение включений графита (шкала 1В); ПГр8 – междендридное распределение графита (без преимущественного распределения); ПГр9 - междендридное распределение графита (с преимущественного распределения); Пт1-металлическая основа чугуна перлит пластинчатый (шкала 5); П-площадь, занятая перлитом в металлической основе, % (например, П92: 92±2% перлита + 8±2% феррита) (шкала 6); Пд- расстояние между пластинами цементита, мкм (дисперсность перлита) (шкала 8 по ГОСТ 3443-87). | |||
В микроструктуре чугунов, упрочненных криогенной обработкой (рис.2), присутствует феррит, количество которого составляет 8% у чугунов С и D, 15% у материала А и около 30% у образцов В (таблица 3). Имеются отличия в микроструктуре исследуемых чугунов по типу графита. Для микроструктуры всех чугунов характерно равномерное распределение с преобладанием пластинчатой прямолинейной формы включений графита. Однако также имеется графит розеточного типа ПГр7 у чугунов D и В и графит междендридного распределения без преимущественного направления (ПГр8), и графит междендридный с преимущественным распределением (ПГр9) у чугунов А и С. Следует также отметить, что наибольшая длина включений графита у всех исследуемых чугунов выросла и составляет 180 мкм.
Рис. 2 Микроструктура серого чугуна до и после криогенной обработки
Таким образом, в результате криогенного воздействия в исследуемых образцах серого чугуна произошли структурно фазовые изменения:
- у чугуна А увеличилось количество феррита с 4 до 15%, выявлен междендридный графит с преимущественным распределением, и выросла наибольшая длина включений графита с 90 до 180 мкм;
- у чугуна С уменьшилось количество феррита с 30 до 8%, и выросла наибольшая длина включений графита с 90 до 180 мкм;
- у чугуна В количественный состав феррита не изменился, выявлен графит розеточного типа, и выросла наибольшая длина включений графита с 90 до 180 мкм;
- у чугуна D выросла наибольшая длина включений графита с 90 до 180 мкм, не изменился количественный состав феррита и вид включений графита.
Измерение твердости чугунов в состоянии поставки по шкале Викерса (таблица 4) показало, что наименьшую среднюю твердость имеет чугун В. Средняя твердость чугунов D, А и С превышает твердость материала В на 13, 21 и 30% соответственно. Наименьший разброс твердости (таблица 5) имеет чугун С (2%), а наибольший разброс чугун D (17%), что объясняется значительным разбросом скоростей охлаждения отливок у разных производителей.
Измерение твердости чугунов после криогенного воздействия по шкале Викерса (таблица 4) показало, что наименьшую среднюю твердость имеет материал В. Средняя твердость чугунов D, А и С превышает твердость чугуна В на 18, 21 и 30% соответственно. Наименьший разброс твердости имеет чугун В (5%), а наибольший разброс твердости чугун D (11%), что объясняется значительным разбросом твердости в исходном состоянии дисков.
Прирост твердости исследуемых чугунов в результате
криогенной обработки
Таблица 4
|
|
|
Твердость средняя, HV |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
А |
219,8 |
222,4 |
2,6 |
|
2 |
В |
182,1 |
184,5 |
2,4 |
|
3 |
С |
237,0 |
239,8 |
2,8 |
|
4 |
D |
206,3 |
218,1 |
11,8 |
|
5 |
среднее |
211,3 |
216,2 |
4,9 |
Снижение разброса твердости исследуемых чугунов в результате
криогенной обработки
Таблица 5
|
|
|
Разброс твердости, % |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
А |
5 |
8 |
- 3 |
|
2 |
В |
10 |
6 |
4 |
|
3 |
С |
2 |
5 |
- 3 |
|
4 |
D |
17 |
11 |
6 |
|
5 |
среднее |
8,5 |
7,5 |
1,0 |
Таким образом, твердость в результате криогенной обработки на трех исследуемых чугунах приросла незначительно, а у чугуна D прирост составил 5%. У чугунов В и D разброс твердости снижается в результате криогенной обработки, что не противоречит устоявшимся канонам. Разброс твердости (таблица 5) материалов А и С, у которых изменилось содержание феррита в структуре чугуна после криогенной обработки, показал прирост. Это свидетельствует о тесной корреляционной связи разброса твердости и изменений микроструктуры материала.
Для проведения исследований по измерению уровня внутренних напряжений в исследуемых чугунах применяли магнитный метод с использованием структуроскопа-коэрцитиметра КРЦ-М-2 [3]. Значения коэрцитивной силы и разброса коэрцитивной силы приведены в таблицах 6 и 7.
По данным таблицы 6 минимальный уровень значений коэрцитивной силы имеет чугун А до криогенной обработки. Значения коэрцитивной силы чугуна С больше на 41%, чем чугуна А. Внутренние напряжения чугуна В меньше на 15% по отношению к напряжениям чугуна А до криогенной обработки. Материал D на 4% уступает чугуну А по уровню внутренних напряжений до криогенной обработки. Наименьший разброс коэрцитивной силы исследуемых материалов до криогенной обработки имеет чугун С (3,0%), а наибольший материал В (24,0%) (таблица 7).
Прирост коэрцитивной силы исследуемых чугунов в результате
криогенной обработки
Таблица 6
|
|
|
Коэрцитивная сила Hс, А/см |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
А |
10,2 |
11,1 |
0,9 |
|
2 |
В |
11,8 |
12,2 |
0,4 |
|
3 |
С |
14,4 |
14,2 |
- 0,2 |
|
4 |
D |
10,6 |
10,7 |
0,1 |
|
5 |
среднее |
11,75 |
12,05 |
0,3 |
Снижение разброса коэрцитивной силы исследуемых чугунов в результате криогенной обработки
Таблица 7
|
|
|
Разброс коэрцитивной силы, % |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
А |
6 |
10 |
- 4 |
|
2 |
В |
24 |
6 |
18 |
|
3 |
С |
3 |
9 |
- 6 |
|
4 |
D |
7 |
2 |
5 |
|
5 |
среднее |
10 |
6,75 |
3,25 |
Наименьший уровень внутренних напряжений у исследуемых чугунов после криогенного воздействия выявлен на диске D. Уровень внутренних напряжений диска С больше на 33%, диска В на 14% и чугуна А на 3,0% по отношению к уровню внутренних напряжений чугуна D. Наименьший разброс коэрцитивной силы имеет материал D (2,0%) после криогенной обработки. Наибольший разброс коэрцитивной силы зафиксирован у чугуна А (10,0%) (таблица 7).
Таким образом, коэрцитивная сила в результате криогенного воздействия на трех исследуемых чугунах приросла, а у чугуна С наблюдается незначительное снижение коэрцитивной силы. У чугунов В и D разброс коэрцитивной силы снижается в результате криогенной обработки, что подтверждает традиционные представления. Разброс коэрцитивной силы материалов А и С, как и разброс твердости для этих материалов после криогенной обработки, показал прирост. Что свидетельствует о тесной корреляционной связи разброса твердости и разброса коэрцитивной силы.
Для изучения влияния криогенной обработки на абразивную износостойкость серого чугуна исследуемые образцы подвергались изнашиванию по закрепленному абразиву по стандартной схеме «палец – диск», но с заменой наиболее часто используемой траектории движения по архимедовой спирали на прямолинейные участки [3]. Триботехнические испытания образцов проводились на трехкоординатном фрезерном станке с ЧПУ модели КХ3А. Исследуемый цилиндрический образец из серого чугуна закрепляется в шпинделе станка и нагружается осевой силой тарированной пружины, расположенной внутри шпинделя. Листовой абразивный материал закрепляется на столе фрезерного станка. Рабочая поверхность образца для достижения плотного прилегания к абразивной поверхности предварительно прирабатывается.
Основными параметрами испытаний являются:
сила нагружения образца N=4H;
скорость перемещения F=500 мм/мин;
путь трения L=415мм.
В качестве варьируемого параметра испытаний использовалась зернистость абразива (электрокорунда) Р240 и Р400. Весовой износ определялся с точностью до 0,0001 грамма на аналитических весах ВЛ-120. Результаты испытаний на абразивный износ представлены в таблицах 8 и 9.
Наилучшей износостойкостью при зернистости Р400 до криогенной обработки обладает чугун А. Меньшую на 7% имеет износостойкость материал С. Существенно, на 46%, уступает износостойкость чугуна В материалу А.
При истирании серого чугуна в исходном состоянии на крупнозернистом абразиве (Р240) сохраняется аналогичная картина износостойкости, что и на мелкозернистом абразиве (Р400). Однако износостойкость чугуна С уступает чугуну А только на 3%, а чугуна В материалу А на 27%, что существенно сокращает разрывы в износостойкости между чугунами разных производителей.
Повышение износостойкости исследуемых чугунов в результате криогенной обработки (зернистость Р400)
Таблица 8
|
|
|
Износостойкость, г |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
А |
0,00065 |
0,00030 |
0,00035 |
|
2 |
В |
0,00095 |
0,00045 |
0,00050 |
|
3 |
С |
0,00070 |
0,00065 |
0,00005 |
|
4 |
D |
0,00080 |
0,00060 |
0,00020 |
|
5 |
среднее |
0,000775 |
0,00050 |
0,000275 |
Повышение износостойкости исследуемых чугунов в результате криогенной обработки (зернистость Р240)
Таблица 9
|
|
|
Износостойкость, г |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
А |
0,00150 |
0,00110 |
0,00040 |
|
2 |
В |
0,00190 |
0,00120 |
0,00070 |
|
3 |
С |
0,00155 |
0,00147 |
0,00008 |
|
4 |
D |
0,00100 |
0,00070 |
0,00030 |
|
5 |
среднее |
0,00148 |
0,00111 |
0,00037 |
В результате криогенного воздействия наблюдается прирост абразивной износостойкости на всех исследуемых чугунах, как при истирании в условиях мелкозернистого, так и в условиях крупнозернистого абразива. Наибольший прирост износостойкости в результате криогенной обработки имеет материал В, что составляет 52% при испытаниях в условиях мелкозернистого абразива и 36% при крупном абразивном зерне. Хороший прирост износостойкости в результате криогенного упрочнения имеет материал А, что составляет 53% при испытаниях в условиях мелкозернистого абразива и 26% при крупном абразивном зерне. Чугун D в результате криогенной обработки имеет стабильный прирост износостойкости. Так при испытании в условиях мелкозернистого абразива прирост составил 29% и при испытаниях с крупным абразивным зерном 26%. Наименьший прирост износостойкости в результате криогенной обработки имеет чугун С, что составляет 7% при испытаниях в условиях мелкозернистого абразива и 5% при крупном абразивном зерне. Средний прирост износостойкости серого чугуна в результате криогенного упрочнения составил 55% при испытаниях в условиях мелкого абразивного зерна и 33% при изнашивании крупными зернами абразива.
Отдельно хотелось отметить, что уровень износа наименее износостойкого серого чугуна С после криогенной обработки равен износу наилучшего по триботехническим свойствам чугуна А без криогенной обработки. Таким образом, криогенная обработка является эффективным средством повышения абразивной износостойкости серого чугуна.
По результатам триботехнических испытаний получена регрессионная зависимость весового прироста износостойкости серого чугуна в результате криогенного воздействия от прироста или снижения характеристик серого чугуна (твердость, разброс твердости, коэрцитивная сила, разброс коэрцитивной силы) следующего вида:
ΔИв = 22,731 + 4,081 ΔŔнν + 27,266 ΔНс.
Где,
ΔИв – весовой прирост износостойкости в результате криогенного воздействия;
ΔŔнν – прирост разброса твердости по шкале Виккерса в результате криогенного воздействия;
ΔНс – прирост коэрцитивной силы в результате криогенного воздействия.
В исследованном диапазоне параметров испытаний на износ для средних значений весового износа серого чугуна имеется высокая корреляционная связь прироста износостойкости в результате криогенного воздействия от значений прироста коэрцитивной силы и снижения разброса твердости по шкале Виккерса. Так, контроль коэрцитивной силы и разброса твердости до и после криогенной обработки серого чугуна является достоверным средством прогноза повышения износостойкости в результате криогенного воздействия.
По результатам комплексного исследования влияния криогенной обработки на абразивную износостойкость серого чугуна разных производителей необходимо отметить следующее:
- В результате криогенного воздействия в исследуемых образцах серого чугуна произошли структурно фазовые изменения. Для микроструктуры всех упрочненных чугунов характерно равномерное распределение с преобладанием пластинчатой прямолинейной формы включений графита. Наибольшая длина включений графита у всех исследуемых чугунов выросла после криогенной обработки и составляет 180 мкм, что положительно отразилось при сравнительных испытаниях на абразивный износ.
- Твердость в результате криогенной обработки исследуемых чугунов выросла незначительно. Средний прирост твердости составил 4,9 единицы HV.
- Разброс твердости тесно связан с изменениями микроструктуры исследуемых материалов в результате криогенной обработки. Разброс твердости чугунов снижается в результате криогенной обработки в случае постоянства доли феррита в металлической основе материала. Разброс твердости серого чугуна растет после криогенного упрочнения, если изменилось процентное содержание феррита в чугуне.
- Коэрцитивная сила, как косвенный показатель уровня внутренних напряжений материала, в результате криогенного воздействия растет. Средний прирост коэрцитивной силы исследуемых чугунов в результате криогенной обработки составил 0,3 А/см.
- Изменения (прирост или снижение) разброса коэрцитивной силы аналогичны изменениям разброса твердости исследуемых чугунов в результате криогенной обработки.
- Контроль коэрцитивной силы и разброса твердости до и после криогенной обработки серого чугуна является достоверным средством прогноза повышения износостойкости в результате криогенного воздействия.
- Результаты химического анализа состава материала, обработанные по эмпирической зависимости теплопроводности, являются надежным средством прогнозирования износостойкости по химическому составу серого чугуна.
- В результате криогенного воздействия наблюдается прирост абразивной износостойкости на всех исследуемых чугунах, как при истирании в условиях мелкозернистого, так и в условиях крупнозернистого абразива.
- Средний прирост износостойкости серого чугуна в результате криогенного упрочнения составил 55% при испытаниях в условиях мелкого абразивного зерна и 33% при изнашивании крупными зернами абразива.
- Уровень износа наименее износостойкого серого чугуна после криогенной обработки равен износу наилучшего по триботехническим свойствам чугуна без криогенной обработки. Криогенная обработка является эффективным средством повышения абразивной износостойкости серого чугуна.
Высокопрочный чугун получается присадкой в жидкий чугун магния или сплава магния и никеля в небольшом количестве. По содержанию остальных элементов высокопрочный чугун не отличается от серого чугуна. Под действием магния графит принимает шаровидную форму. Шаровидный графит значительно меньше ослабляет металлическую основу чугуна, поэтому он обладает наилучшим комплексом прочностных свойств и высокой пластичностью. Из высокопрочного чугуна изготавливают оборудование прокатных станов, кузнечно-прессового оборудования, коленчатые валы и другие ответственные детали, работающие при высоких циклических знакопеременных нагрузках и в условиях изнашивания. Для улучшения механических свойств и особенно износостойкости детали из высокопрочных чугунов подвергают упрочняющей криогенной обработке.
Прирост твердости высокопрочного чугуна в результате криогенной обработки
Таблица10
|
|
|
Твердость средняя HRC |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
ВЧ40 |
40,8 |
42,5 |
1,7 |
Снижение разброса твердости высокопрочного чугуна в результате
криогенной обработки
Таблица 11
|
|
|
Разброс твердости, % |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
ВЧ40 |
27 |
16 |
11 |
Прирост коэрцитивной силы высокопрочного чугуна в результате
криогенной обработки
Таблица 12
|
|
|
Коэрцитивная сила Hс, А/см |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
ВЧ40 |
63,4 |
63,2 |
- 0,2 |
Снижение разброса коэрцитивной силы высокопрочного чугуна в результате криогенной обработки
Таблица 13
|
|
|
Разброс коэрцитивной силы, % |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
1 |
ВЧ40 |
5 |
3 |
2 |
Зная действительные значения прироста или снижения характеристик серого чугуна (твердость, разброс твердости, коэрцитивная сила, разброс коэрцитивной силы), можно оценить весовой прирост износостойкости чугуна в результате криогенного воздействия:
ΔИв = 22,731 + 4,081 ΔŔнν + 27,266 ΔНс.= 22,731 + 44,891 – 5,453 = 0,00062 г
Сравнивая полученное значение весового прироста износостойкости высокопрочного чугуна со значениями прироста износостойкости серого чугуна (таблица 8) можно предположить, что износостойкость высокопрочного чугуна в результате криогенной обработки выше средней износостойкости серого чугуна (0,00030 г) в два раза.
2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ
2.1. Углеродистые конструкционные стали
Стали 45; 50.
Качественные машиностроительные углеродистые стали имеют суженные пределы по содержанию углерода. Их применяют для изготовления мелких деталей, упрочняемых закалкой с последующим высоким отпуском (550 ºС). Криогенная обработка применяется с целью предотвращения необходимости отжига и повторной закалки, связанных с обезуглероживанием, повышением опасности возникновения трещин [4].
Прирост твердости деталей из стали 45 в результате криогенного воздействия
Таблица 14
|
№ п/п |
Наименование детали |
Среднее значение твердости до криогенной обработки, HRC |
Среднее значение твердости после криогенной обработки, HRC |
Прирост твердости, HRC |
|
1 |
Призма №3 (сталь 45) |
63,2 |
64,3 |
1,1 |
|
2 |
Призма №4 (сталь 45) |
62,6 |
66,9 |
4,3 |
|
3 |
Призма №7 (сталь 45) |
58,4 |
60,2 |
1,8 |
|
4 |
Подушка №1 (сталь 45) |
62,7 |
64,4 |
1,7 |
|
5 |
Подушка №9 - 1 (сталь 45) |
61,2 |
64,0 |
2,8 |
|
6 |
Подушка №9 (сталь 45) |
61,0 |
63,9 |
2,9 |
|
7 |
Среднее значение по шести деталям |
61,5 |
63,95 |
2,45 |
Уменьшение разброса твердости деталей из стали 45 в результате криогенного упрочнения
Таблица 15
|
№ п/п |
Наименование детали |
Разброс твердости до криогенной обработки, % |
Разброс твердости после криогенной обработки, % |
Уменьшение разброса твердости, % |
|
1 |
Призма №3 (сталь 45) |
4 |
1 |
3 |
|
2 |
Призма №4 (сталь 45) |
5 |
4 |
1 |
|
3 |
Призма №7 (сталь 45) |
4 |
3 |
1 |
|
4 |
Подушка №1 (сталь 45) |
2 |
2 |
0 |
|
5 |
Подушка №9 - 1 (сталь 45) |
8 |
7 |
1 |
|
6 |
Подушка №9 (сталь 45) |
10 |
2 |
8 |
|
7 |
Среднее значение по шести деталям |
5,5 |
3,2 |
2,3 |
В результате криогенного воздействия на материал деталей испытательной оснастки (сталь 45) наблюдается повышение средних значений твердости на 2,45 HRC. Заметные изменения в результате криогенной обработки произошли с разбросом значений твердости деталей (таблица 15). В среднем разброс твердости уменьшился 2,3%, что составляет 42% от разброса твердости до криогенной обработки.
2.2. Легированные конструкционные стали
2.2.1. Конструкционные низколегированные стали
Стали 14Г2; 17ГС; 15ХСНД
Такие стали хорошо свариваются и не образуют при сварке холодных и горячих трещин. Поставляются после закалки и отпуска, что повышает их прочность и понижает порог хладноломкости и склонность к старению. Криогенная обработка позволит перераспределить внутренние напряжения и понизить порог хладноломкости. Данные стали применяют при температурном диапазоне от – 70 ºС до + 450 ºС.
2.2.2. Конструкционные цементуемые стали
Стали 15; 20; 15Х; 20Х; 18ХГТ (Мн= 150 ºС, Мк= - 80 ºС);
20ХН; 12ХН3А (Мн= 170 ºС, Мк= - 60 ºС);
12Х2Н4А (Мн= 120 ºС, Мк= - 110 ºС);
18Х2Н4ВА (Мн= 80 ºС, Мк= - 150 ºС);
В цементованном слое после закалки применяют обработку холодом для снижения количества остаточного аустенита, что повышает твердость, сопротивление износу и предел усталости.
Влияние криогенной обработки на количество остаточного аустенита, твердость и величину разрушающей нагрузки при статическом изгибе цементованных образцов
стали 12Х2Н4А. Глубина цементации 1,5 мм [4]
Таблица 16
|
|
Содержание аустенита, % |
Твердость, HRC |
Разрушающая нагрузка, Н
|
Увеличение разрушающей нагрузки в результате криогенной обработки, % |
|
Охлаждение после цементации с печью (920 ºС) |
20 |
47 - 48 |
105 600 |
- |
|
Охлаждение после цементации с печью (920 ºС) + повторная закалка и отпуск |
15 |
56 - 57 |
144 400 |
36 |
|
Охлаждение после цементации с печью (920 ºС) + повторная закалка + криогенная обработка и отпуск |
2 |
62 |
157 000 |
48 |
Влияние криогенной обработки на предел усталости и твердость цементованной
стали 18ХНВА (цементация на глубину 1,2 мм) [4]
Таблица 17
|
|
Твердость, HRC |
Предел усталости, кг/мм2 |
Увеличение предела усталости, % | |
|
поверхности |
сердцевины | |||
|
Цементация (охлаждение на воздухе) + отпуск |
52,9 |
48,0 |
68 |
- |
|
Цементация (охлаждение на воздухе) + криогенная обработка + отпуск |
63,6 |
46,7 |
70 |
3 |
|
Цементация (охлаждение на воздухе) + закалка на воздухе и отпуск |
58,1 |
49,0 |
74 |
9 |
|
Цементация (охлаждение на воздухе) + закалка на воздухе + криогенная обработка и отпуск |
64,2 |
48,5 |
79 |
16 |
Влияние криогенной обработки на износ цементованных образцов [4]
Таблица 18
|
Марка стали |
Износ образцов в 10-3 мм3 |
Увеличение износостойкости в % в результате криогенной обработки | |
|
без криогенной обработки |
с криогенной обработкой | ||
|
18ХНМА |
5,75 |
3,99 |
32 |
|
12Х2Н4А |
3,85 |
2,38 |
38 |
|
18ХНВА |
2,47 |
2,19 |
11 |
Влияние криогенной обработки на прирост твердости втулки из стали 20 после цементации
Таблица 19
|
Наименование детали |
Материал |
Твердость , единиц HRC |
Прирост твердости, единиц HRC | |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Втулка |
Сталь 20 |
43,4 |
46,1 |
2,7 |
Влияние криогенной обработки на разброс твердости втулки из стали 20 после цементации
Таблица 20
|
Наименование детали |
Материал |
Разброс твердости, % |
Снижение разброса твердости, % | |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Втулка |
Сталь 20 |
8 |
4 |
4 |
Влияние криогенной обработки на изменение коэрцитивной силы втулки из стали 20 после цементации
Таблица 21
|
Наименование детали |
Материал |
Коэрцитивная сила, А/см |
Прирост коэрцитивной силы, А/см | |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Втулка |
Сталь 20 |
61,2 |
61,9 |
0,7 |
2.2.3. Конструкционные (машиностроительные) улучшаемые стали
Стали 40Х; 45Х; 50Х; 40ХФА; 40ХГТР; 40ХН2МА; 45ХН; 50ХН; 45ХН2МФА
(Мк= - 30 ºС)
Для получения 100% мартенсита применяют обработку холодом.
В таблице 22 приведены механические свойства доэфтектоидной хромистой конструкционной стали 40Х до и после криогенной обработки.
Механические свойства стали 40Х после криогенной обработки
Таблица 22
|
|
Условный предел текучести σ0,2, МПа |
Предел прочности σв, МПа |
Относительное удлинение δ, % |
Относительное сужение ψ, % |
Ударная вязкость КСU, кДж/м2 |
|
Штатная термообработка + криогенная обработка (минус 196 ºС) + отпуск 150-160 ºС на воздухе |
360 |
600 |
23 |
65 |
10 |
|
Штатная термообработка |
290 |
600 |
22 |
64 |
10 |
Из таблицы 22 видно, что ударная вязкость образцов до и после криогенной обработки не изменилась. Образцы, криогенно обработанные, имеют условный предел текучести на 20% выше, чем образцы, обработанные по штатной технологии.
Предел текучести является основным показателем механической прочности стали, по которому ведут расчеты на прочность при статическом нагружении. Величина предела текучести определяет допустимые напряжения и характеризует сопротивление малым и умеренным деформациям. Более высокие значения предела текучести позволяют уменьшить сечение и массу детали.
2.2.4. Рессорно-пружинные стали
Стали 65; 85; 65Г; 50С2; 55С2А; 70С3А; 60С2ХФА; 60С2ВА; 60С2Н2А; 50ХГА; 50ХФА.
Величина предела текучести должна быть не менее 80 кгс/мм2 для углеродистых и не менее 100 кгс/мм2 для легированных сталей. После закалки мартенситная структура должна быть по всему объему.
Влияние криогенной обработки на прирост твердости стали 65Г [1]
Таблица 23
|
Марка стали |
Границы превращения, ºС |
Остаточный аустенит, % |
| ||
|
Мн |
Мк |
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | ||
|
65Г |
290 - 230 |
- 55 |
до 10 |
до 5 |
1,0 – 1,5 |
Влияние криогенной обработки на циклическую прочность пружин
Таблица 24
|
Марка стали |
Число циклов до разрушения |
Увеличение циклической прочности в результате криогенной обработки, % | |
|
без криогенной обработки |
с криогенной обработкой | ||
|
65 |
120 000 |
270 000 |
225 |
Произведены измерения твердости (таблица 25), разброса твердости (таблица 26) и коэрцитивной силы (таблица 27) представленных зажимных цанг из стали 65Г до и после криогенной обработки.
Прирост твердости цанг зажимных из стали 65Г в результате криогенного воздействия
Таблица 25
|
№ п/п |
|
Среднее значение твердости до криогенной обработки, HRC |
Среднее значение твердости после криогенной обработки, HRC |
|
|
1 |
Цанга Ф15,95 (сталь 65Г) |
60,8 |
61,8 |
1,0 |
|
2 |
Цанга Ф28,5 (сталь 65Г) |
61,5 |
61,9 |
0,4 |
|
3 |
Цанга Ф27,5 (сталь 65Г) |
60,6 |
61,3 |
0,7 |
|
4 |
Цанга Ф 9,95 (сталь 65Г) |
60,8 |
60,3 |
- 0,5 |
|
5 |
Цанга Ф 7,95 (сталь 65Г) |
59,0 |
59,8 |
0,8 |
|
6 |
Среднее значение по пяти цангам |
60,54 |
61,02 |
0,48 |
Уменьшение разброса твердости цанг зажимных из стали 65Г в результате криогенного упрочнения
Таблица 26
|
№ п/п |
|
Разброс твердости до криогенной обработки, % |
Разброс твердости после криогенной обработки, % |
|
|
1 |
Цанга Ф15,95 (сталь 65Г) |
10 |
0 |
10 |
|
2 |
Цанга Ф28,5 (сталь 65Г) |
2 |
1 |
1 |
|
3 |
Цанга Ф27,5 (сталь 65Г) |
6 |
3 |
3 |
|
4 |
Цанга Ф 9,95 (сталь 65Г) |
6 |
5 |
1 |
|
5 |
Цанга Ф 7,95 (сталь 65Г) |
5 |
4 |
1 |
|
6 |
Среднее значение по пяти цангам |
5,8 |
2,6 |
3,2 |
Прирост коэрцитивной силы цанг зажимных из стали 65Г в результате криогенного упрочнения
Таблица 27
|
№ п/п |
|
Коэрцитивная сила до криогенной обработки, А/см |
Коэрцитивная сила после криогенной обработки, А/см |
|
|
1 |
Цанга Ф15,95 (сталь 65Г) |
64,3 |
64,6 |
0,3 |
|
2 |
Цанга Ф28,5 (сталь 65Г) |
64,3 |
64,4 |
0,1 |
|
3 |
Цанга Ф27,5 (сталь 65Г) |
64,3 |
64,6 |
0,3 |
|
4 |
Цанга Ф 9,95 (сталь 65Г) |
64,3 |
64,3 |
0 |
|
5 |
Цанга Ф 7,95 (сталь 65Г) |
64,3 |
64,5 |
0,2 |
|
6 |
Среднее значение по пяти цангам |
64,3 |
64,48 |
0,18 |
В результате криогенного воздействия на материал цанг (сталь 65Г) наблюдается не значительное повышение средних значений твердости на 0,48 единиц HRC. Прирост коэрцитивной силы после криогенной обработки в среднем составил 0,18 А/см. Заметные изменения в результате криогенной обработки произошли с разбросом значений твердости цанг (таблица 26). В среднем разброс твердости уменьшился 3,2%, что положительно скажется на эксплуатационной стойкости цанг.
Рессорно-пружинные стали применяют для изготовления деталей, работающих на износ (дорожная и сельскохозяйственная техника). Криогенная обработка позволяет повысить износостойкость сталей (смотри таблицу 28).
Прирост износостойкости рессорно-пружинных сталей
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 28
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
Прирост износостойкости, % | |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
60С2ХФА |
рессорно-пружинная |
0,57 |
0,49 |
1,62 |
- |
- |
1,0 |
0,15 |
0,02 |
488 |
|
60С2 |
рессорно-пружинная |
0,58 |
0,68 |
1,64 |
- |
- |
0,04 |
- |
- |
483 |
|
65Г |
рессорно-пружинная |
0,66 |
1,1 |
0,27 |
- |
- |
- |
- |
- |
317 |
2.2.5. Шарикоподшипниковые стали
Стали ШХ15; ШХ15СГ (Мн=205 ºС; Мк= - 80 ºС); Ш1; Ш2; Ш3; 95Х18.
Стали для подшипников качения должны иметь высокую прочность, износостойкость и высокий предел выносливости. Не допускается неравномерное распределение карбидов в сталях. Поэтому детали шарикоподшипников обрабатывают холодом с целью уничтожения остаточного аустенита и предупреждения изменения размеров при работе.
Влияние криогенной обработки на прирост твердости стали ШХ15 и ШХ9 [1]
Таблица 29
|
Марка стали |
Границы превращения, ºС |
Остаточный аустенит, % |
Прирост твердости после криогенной обработки, единиц HRC | ||
|
Мн |
Мк |
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | ||
|
ШХ9 |
195 - 150 |
- 85 |
до 27 |
до 4 |
2,0 – 5,0 |
|
ШХ15 |
180 - 145 |
- 90 |
до 28 |
до 4 |
3,0 – 6,0 |
Влияние криогенной обработки на коэрцитивную силу стали ШХ15СГ
Таблица 30
|
Наименование инструмента |
Марка стали |
Коэрцитивная сила, А/см2 |
Прирост коэрцитивной силы, А/см2 | |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Планка опорная |
ШХ15СГ |
16,1 |
18,3 |
2,2 |
Для шарикоподшипников, работающих в коррозионной среде, применяют высокохромистую сталь с 0,9-1,0 % С и 17-19% Сr. После закалки такой стали остаточный аустенит составляет 30-60%. Для уничтожения остаточного аустенита проводят обработку холодом, в результате обработки в структуре образуется большое количество карбидов, которые повышают твердость и сопротивление истиранию.
Механические свойства стали 95Х18 после криогенной обработки
Таблица 31
|
|
Условный предел текучести σ0,2, МПа |
Предел прочности σв, МПа |
Ударная вязкость КСU, кДж/м2 |
Твердость, НRC |
|
Закалка 1 000-1 050 ºС в масло + обработка холодом (минус 70-80 ºС) + отпуск 150-160 ºС на воздухе |
1 980 (1,04) |
2 300 (1,15) |
|
|
|
Закалка в масло 1 000-1 050 ºС + отпуск при 150-300 ºС + охлаждение на воздухе |
1 900 |
2 000 |
196 |
56 |
Шарикоподшипниковые стали применяют для изготовления режущего инструмента (метчики, плашки, развертки, резьбовые калибры, ланцеты и ножи высокого качества) и инструмента для обработки металлов давлением (ролики, шары, оправки, пуансоны).
Влияние криогенной обработки на износостойкость инструмента
Таблица 32
|
Наименование инструмента |
Марка стали |
Прирост твердости после криогенной обработки, HRC |
Прирост износостойкости после криогенной обработки, % |
|
Вытяжной пуансон |
ШХ15 |
3,0 |
15 |
Шарикоподшипниковые стали Ш1, Ш2 и Ш3 применяют для изготовления стальных катаных шаров особо высокой твердости для измельчения руд цветных металлов, цемента и огнеупоров в шаровых мельницах.
Прирост износостойкости шарикоподшипниковых сталей
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 33
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
ШХ15 |
подшипниковая |
1,0 |
0,4 |
0,3 |
- |
- |
1,5 |
- |
- |
320,5 |
|
ШХ15СГ |
подшипниковая |
1,0 |
1,0 |
0,5 |
- |
- |
1,5 |
- |
- |
457 |
|
Ш2 |
подшипниковая |
0,76 |
0,86 |
0,36 |
- |
- |
0,05 |
- |
- |
304 |
2.2.6. Износостойкая (аустенитная) сталь
Стали 110Г13; 110Г13Л.
Изготавливают корпуса вихревых и шаровых мельниц, щеки и конуса дробилок, зубья ковшей экскаваторов, железнодорожные и трамвайные крестовины и другие тяжело нагруженные детали, работающие при высоких динамических нагрузках, от которых требуется высокая износостойкость.
Для повышения вязкости и придания большей склонности к наклепу изделия подвергают закалке в воду (твердость 200 НВ).
Прирост износостойкости износостойкой стали
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 34
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
110Г13Л |
Аустенитная Мн=56; Мк=-179 ºС |
1,15 |
13 |
1 |
- |
- |
1 |
- |
1 |
448 |
3. НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ
3.1. Хромистые нержавеющие стали
Стали 30Х13, 40Х13, 50Х14МФ, 100Х13М.
Используют для изготовления хирургических инструментов, промышленных ножей. Для получения 100% мартенсита применяют криогенную обработку.
Влияние криогенной обработки на твердость инструмента
Таблица 35
|
Наименование инструмента |
Марка стали |
Прирост твердости после криогенной обработки, HRC |
Снижение разброса твердости по десяти измерениям в результате криогенной обработки, % |
|
Дисковый нож |
50Х14МФ |
3,5 |
83 |
|
Нож |
100Х13М |
3,0 |
66 |
Прирост износостойкости нержавеющей стали
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 36
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
50Х14МФ |
мартенситная Мн=50 ºС; Мк=-186 ºС |
0,52 |
0,6 |
0,6 |
- |
0,6 |
14,5 |
0,15 |
- |
967 |
|
100Х13М |
Мартенситная Мн=20; Мк=-196 ºС |
1,0 |
0,6 |
0,6 |
- |
1,6 |
13,5 |
Ti 0,5 |
- |
943 |
3.2. Хромоникелевые (аустенитные) нержавеющие стали
Сталь 12Х18Н9 в закаленном состоянии обладает наибольшей устойчивостью против коррозии. Прочность стали повышается обработкой холодом (повышается предел текучести). Сталь 10Х15Н9С3Б1 – Ш аустенитного класса применяется в энергетическом машиностроении.
Хромоникелевые стали (15Х17АГ14, 12Х17Г9АН14) широко используются в криогенной технике для транспортирования и хранения жидких газов, оболочек топливных баков ракет.
Аустенитно – мартенситные стали (например, 09Х15Н8Ю) для повышения механических свойств подвергают обработке холодом для перевода остаточного аустенита (до 40%) в мартенсит.
Прирост износостойкости нержавеющих сталей
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 37
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
10Х15Н9С3Б1 |
аустенитная Мн=76 ºС; Мк= - 160 ºС |
0,1 |
2 |
3 |
- |
2,5 |
15 |
- 1%Nb |
9 |
413 |
|
07Х16Н6 |
аустенитно-мартенситная |
0,07 |
- |
- |
- |
- |
16 |
- |
6 |
257 |
|
08Х17Н5М3 |
аустенитно- мартенситная |
0,08 |
|
|
|
3,25 |
17 |
|
5 |
270 |
Влияние криогенной обработки на прирост твердости стали 10Х15Н9С3Б1-Ш
Таблица 38
|
Наименование детали |
Материал |
Твердость , единиц HRC |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Образец трубы ф18х3,5 |
10Х15Н9С3Б1-Ш |
38 |
45 |
7 |
4. ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ
4.1. Жаропрочные аустенитные стали
Для получения высокой жаропрочности стали с большим количеством хрома, никеля и марганца дополнительно легируют молибденом, ванадием, вольфрамом, ниобием.
Стали 09Х14Н16Б и 09Х14Н18В2БР, предназначенные для изготовления пароперегревателей и трубопроводов силовых установок, работающих при 600 – 700 ºС, применяют после закалки в воде или на воздухе. Закалка способствует приобретению необходимой прочности и пластичности.
Стали 45Х14Н14В2М и 40Х12Н8Г8МФБ применяют для изготовления клапанов авиационных двигателей и в газотурбостроении для крепежных деталей. Структура стали после термообработки – аустенит и карбиды. Карбиды повышают жаропрочность стали и её ресурс.
Сталь 10Х11Н20Т3Р применяют для изготовления камер сгорания, сталь 10Х11Н23Т3МР, предназначенную для лопаток и дисков газовых турбин, закаливают и подвергают старению с целью образования карбидов, боридов и интерметаллидов.
Криогенную обработку проводят с целью повышения ресурса за счет образования большего количества карбидов и интерметаллидов.
Влияние криогенной обработки на прирост твердости стали 20Х25Н19СЛ
Таблица 39
|
Наименование детали |
Марка стали |
Твердость , HRC |
Прирост твердости, HRC | |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Обечайка |
20Х25Н19СЛ |
34 |
35,8 |
1,8 |
5. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СТАЛИ
5.1. Углеродистые стали для режущих инструментов
Стали У7, У10, У 11, У12 применяют для инструментов небольших размеров и больших размеров, у которых режущая часть находится на поверхности (напильники, зенкеры, развертки). Для получения мартенситной структуры и мелкоразмерного зерна стали обрабатывают холодом.
Влияние криогенной обработки на прирост твердости углеродистой
инструментальной стали [4]
Таблица 40
|
Марка стали |
Границы превращения, ºС |
Остаточный аустенит, % |
| ||
|
Мн |
Мк |
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | ||
|
У7 |
300 - 250 |
- 80 |
до 5 |
1 |
до 0,5 |
|
У8 |
255 - 230 |
- 100 |
3 - 8 |
1 - 6 |
до 1,0 |
|
У9 |
230 - 210 |
- 105 |
5 - 12 |
3 - 8 |
1,0 – 1,5 |
|
У10 |
210 - 175 |
- 110 |
6 - 18 |
4 -10 |
1,5 – 3,0 |
|
У12 |
175 - 160 |
- 120 |
10 - 23 |
5 - 12 |
3,0 – 4,0 |
Прирост износостойкости углеродистых инструментальных сталей
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 41
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
У8 |
углеродистая инструментальная |
0,8 |
0,6 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
200 |
|
У12 |
углеродистая инструментальная |
1,2 |
0,25 |
0,25 |
|
|
0,2 |
|
0,2 |
240 |
5.2. Легированные стали для режущих инструментов
Стали 9ХС, ХВСГ пригодны для резания с небольшими скоростями. Для получения 100% мартенсита стали обрабатывают холодом. Применяют для протяжек, метчиков, разверток, сверл, плашек, резьбовых калибров и т.п.
Влияние криогенной обработки на прирост твердости легированной
инструментальной стали [4]
Таблица 42
|
Марка стали |
Границы превращения, ºС |
Остаточный аустенит, % |
Прирост твердости после криогенной обработки, HRC | ||
|
Мн |
Мк |
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | ||
|
9Х |
220 - 180 |
- 70 |
6 - 20 |
3 - 10 |
1,0 – 2,5 |
|
9ХС |
210 - 185 |
- 85 |
6 - 17 |
4 - 12 |
1,5 - 2,5 |
|
ХВГ |
155 - 120 |
- 110 |
13 - 45 |
2 - 17 |
3,0 – 6,0 |
Влияние криогенной обработки на разброс твердости инструмента
Таблица 43
|
Наименование инструмента |
Марка стали |
Разброс твердости , % |
Снижение разброса твердости, % | |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Нож просечной |
9ХС |
5 |
2 |
60 |
|
Нож секторный |
ХВГ |
12 |
8 |
33 |
Криогенному упрочнению подвергалась цанга зажимная из стали 9ХС. Результаты измерения твердости, коэрцитивной силы и разброса коэрцитивной силы до и после криогенной обработки представлены в таблицах 44, 45 и 46 соответственно.
Прирост твердости цанги зажимной из стали 9ХС в результате криогенного воздействия
Таблица 44
|
№ п/п |
Наименование детали |
Среднее значение твердости до криогенной обработки, HRC |
Среднее значение твердости после криогенной обработки, HRC |
Прирост твердости, HRC |
|
1 |
Цанга Ф11,95 (сталь 9ХС) |
61,9 |
62,0 |
0,1 |
Прирост коэрцитивной силы цанги зажимной из стали 9ХС в результате криогенного упрочнения
Таблица 45
|
№ п/п |
Наименование детали |
Коэрцитивная сила до криогенной обработки, А/см |
Коэрцитивная сила после криогенной обработки, А/см |
Прирост коэрцитивной силы, А/см |
|
1 |
Цанга Ф11,95 (сталь 9ХС) |
57,3 |
64,7 |
7,4 |
Уменьшение разброса коэрцитивной силы цанги зажимной из стали 9ХС в результате криогенного упрочнения
Таблица 46
|
№ п/п |
Наименование детали |
Разброс коэрцитивной силы до криогенной обработки, % |
Разброс коэрцитивной силы после криогенной обработки, % |
Уменьшение разброса коэрцитивной силы, % |
|
1 |
Цанга Ф11,95 (сталь 9ХС) |
9 |
1 |
8 |
В результате криогенного упрочнения цанги зажимной для инструмента с цилиндрическим хвостовиком из стали 9ХС установлено не значительное повышение твердости на 0,1 единицы HRC. Разброс твердости до и после криогенной обработки характеризуется высокой стабильностью и составил 0%. Отмечен значительный прирост коэрцитивной силы цанги зажимной из стали 9ХС в результате криогенного упрочнения на 7,4 А/см. Причем разброс значений коэрцитивной силы в результате криогенной обработки уменьшился на 8 %, что положительно скажется на усталостной долговечности износостойкости цанги из стали 9ХС при эксплуатации.
Прирост износостойкости легированных инструментальных сталей
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 47
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
ХВГ |
Инструментальная |
0,9 |
1,00 |
- |
0,50 |
- |
0,5 |
- |
- |
318 |
|
9ХС |
Инструментальная |
0,9 |
|
1,4 |
|
|
1,1 |
|
|
420 |
|
ХВСГ |
Инструментальная |
0,9 |
0,75 |
0,8 |
0,7 |
|
0,8 |
0,1 |
|
440 |
5.3. Быстрорежущие стали
Остаточный аустенит понижает режущие свойства стали, и поэтому его присутствие в готовом инструменте недопустимо. Температура конца мартенситного превращения лежит значительно ниже 0 ºС, поэтому в структуре стали после закалки сохраняется остаточный аустенит. При дальнейшем охлаждении закаленной быстрорежущей стали до температуры минус 100 ºС процесс мартенситного превращения возобновляется, что сопровождается повышением твердости на 4 – 5 НRС. После обработки холодом в структуре стали остаточный аустенит не превышает 5 – 8%. Более глубокое охлаждение, ниже минус 100 ºС, а также увеличение выдержки при обработке холодом сверх времени, необходимого для выравнивания температуры по сечению, мало влияет на дальнейший переход аустенита в мартенсит.
Обработку холодом быстрорежущей стали проводят не позднее 30 минут после закалки. Обработанный холодом инструмент обязательно отпускают при 560 – 580 ºС для снятия напряжений, возникающие при переходе остаточного аустенита в мартенсит. Если предусмотрена обработка холодом, то многократный отпуск можно заменить однократным. Во многих случаях обработка холодом повышает производительность инструмента из быстрорежущей стали на 10 – 20%, так как переход остаточного аустенита в мартенсит при низкой температуре не сопровождается обеднением углерода и частичным распадом основной мартенситной структуры, как это происходит при отпуске [5].
Зависимость продуктивности сверления быстрорежущим инструментом (Р6М5) с криогенным упрочнением и без упрочнения от скорости резания представлена на рис.1. Максимальная продуктивность сверления быстрорежущим инструментом без упрочнения составляет 293 333 мм3 при скорости резания 19,75 м/мин. Экстремум продуктивности инструмента с криогенной обработкой равняется 315 000 мм3 при скорости резания 20,7 м/мин.
Максимальную продуктивность (293 333 мм3) сверления быстрорежущим инструментом без упрочнения можно обеспечить криогенно упрочненным инструментом с большей производительностью на скорости резания примерно равной 24,3 м/мин. Тогда производительность обработки быстрорежущими сверлами с криогенным воздействием превысит производительность обработки сверлами без криогенной обработки на 23%.
Рис. 1. Зависимость продуктивности сверления быстрорежущим инструментом с криогенным упрочнением (1) и без упрочнения (2) от скорости резания.
Прирост износостойкости быстрорежущих сталей
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 48
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
Р18 |
быстрорежущая |
0,78 |
|
0,5 |
17,75 |
1 |
4,1 |
1,2 |
0,4 |
280,7 |
|
Р6М5 |
быстрорежущая |
0,84 |
- |
- |
5,75 |
5,25 |
4,0 |
1,9 |
- |
201,2 |
|
Р9М3 |
быстрорежущая |
0,9 |
- |
- |
5,0 |
3,3 |
3,25 |
2,25 |
- |
220,7 |
Влияние криогенной обработки на стойкость модульной фрезы
Таблица 49
|
Наименование инструмента |
Марка стали |
Количество обработанных деталей до переточки |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Фреза модульная 2510-2314 |
Р6М5 |
8 |
16 |
200 |
Влияние криогенной обработки на прирост твердости инструмента из быстрорежущей стали
Таблица 50
|
Наименование инструмента |
Марка стали |
Твердость , HRC |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Фреза модульная 2510-2315 |
Р6М5 |
59 |
61,5 |
2,5 |
|
Метчик М27х2,0 |
Р18 |
62,9 |
65 |
2,1 |
5.4. Стали для измерительных инструментов
Стали этой группы должны иметь высокую твердость, износостойкость и сохранять свои размеры при эксплуатации. Для этой цели применяют сталь Х или сталь12Х1 (цементуемая). В закаленной стали при комнатной температуре протекает процесс старения, который заключается в превращении остаточного аустенита в мартенсит. Для предупреждения старения измерительные инструменты обрабатывают холодом после закалки [6].
Влияние криогенной обработки на прирост твердости легированной инструментальной стали [4]
Таблица 51
|
Марка стали |
Границы превращения, ºС |
Остаточный аустенит, % |
| ||
|
Мн |
Мк |
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | ||
|
Х |
175 - 145 |
- 90 |
10 - 28 |
5 - 14 |
3,0 – 6,0 |
Прирост износостойкости инструментальной стали
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 52
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
Х |
Инструментальная |
1,0 |
- |
- |
|
|
1,5 |
|
- |
199 |
5.5. Штамповые стали
5.5.1. Стали для холодного деформирования
Для изготовления обрезных, высадочных и вытяжных штампов, волочильных досок применяют стали 70ХГ2ВМ, Х12М, Х12Ф1, Х6ВФ, 6Х5В3МФС. После закалки в сталях сохраняется повышенное количество остаточного аустенита (15 – 20%).
Влияние криогенной обработки на прирост твердости инструмента из штамповой стали
Таблица 53
|
Наименование инструмента |
Марка стали |
Твердость , HRC |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Матрица |
Х12МФ |
60,5 |
61,7 |
1,2 |
|
Матрица обрезная |
Х12МФ |
60,4 |
64,3 |
3,9 |
|
Пуансон |
Х12МФ |
57,6 |
59,2 |
1,6 |
|
Пуансон |
Х12МФ |
60,2 |
63,0 |
2,8 |
|
Нож дисковый |
Х6Ф1 |
60,0 |
62,4 |
2,4 |
|
Нож дисковый для резки металла |
5ХВ2С |
61,1 |
61,2 |
0,1 |
|
Нож барабанных ножниц |
6ХВ2С |
57,7 |
59,5 |
1,8 |
|
Валок ТГ20х20 ТЭСА 25-60 |
Х12ВМФ |
61,5 |
62,0 |
0,5 |
|
Валок калибровочного стана для трубы 25 ТЭСА 10-38 |
Х12ВМФ |
61,6 |
61,9 |
0,3 |
Влияние криогенной обработки на разброс твердости инструмента
Таблица 54
|
Наименование инструмента |
Материал |
Разброс твердости , % |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Нож дисковый для резки металла |
5ХВ2С |
2 |
1 |
1 |
|
Нож барабанных ножниц |
6ХВ2С |
14 |
1 |
13 |
|
Валок ТГ20х20 ТЭСА 25-60 |
Х12ВМФ |
3 |
1 |
2 |
|
Валок калибровочного стана для трубы 25 ТЭСА 10-38 |
Х12ВМФ |
2 |
0 |
2 |
Прирост износостойкости штамповых сталей
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 55
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
70ХГ2ВМ |
инструментальная |
0,7 |
2,0 |
- |
0,7 |
0,7 |
1,7 |
0,2 |
- |
494 |
|
Х6ВФ |
инструментальная повышенной износостойкости |
1,1 |
0,25 |
0,25 |
1,3 |
0,3 |
6,0 |
0,7 |
0,35 |
496 |
|
Х12М |
1,5 |
- |
- |
- |
0,5 |
12,0 |
0,2 |
- |
760 | |
|
Х12Ф1 |
1,35 |
|
|
|
|
12,0 |
0,8 |
|
747 | |
|
Х12 |
2,1 |
|
|
|
|
12,25 |
|
|
873 | |
|
Х12ВМ |
2,1 |
|
|
0,65 |
0,75 |
11,75 |
0,2 |
|
830 | |
|
Х12Ф4М |
2,1 |
|
|
|
0,65 |
12,75 |
3,7 |
|
779 | |
|
8Х6НФТ |
0,85 |
|
|
|
0,3Ti |
5,5 |
0,4 |
1,1 |
269 | |
|
8Х4В2С2МФ |
|
0,85 |
|
1,8 |
2,0 |
1,0 |
4,5 |
1,2 |
|
640 |
|
8Х4В3М3Ф2 |
0,8 |
|
|
2,85 |
2,75 |
4,0 |
2,2 |
|
211 | |
|
11Х4В2С2Ф3М |
1,1 |
|
1,6 |
2,35 |
0,4 |
3,85 |
2,5 |
|
604 | |
|
Х5В2С4Ф2НМ |
1,0 |
|
3,65 |
2,0 |
1,0 |
4,6 |
2,15 |
0,5 |
929 | |
|
7ХГ2ВМ |
|
0,72 |
|
|
0,7 |
0,65 |
1,7 |
0,17 |
|
163 |
|
7ХГНМ |
0,7 |
|
|
|
0,65 |
1,35 |
0,15 |
1,0 |
52 | |
|
6Х6В3МФС |
0,6 |
|
0,7 |
3,0 |
0.7 |
6,0 |
0,7 |
|
536 | |
|
6Х4М2ФС |
0,6 |
|
0,7 |
|
2,2 |
4,1 |
|
|
318 | |
5.5.2. Стали для горячего деформирования
5ХНМ; 5ХГМ; 4Х5МФ1С; 8Х3
Стали для штампов, деформирующих металл в горячем состоянии, должны иметь высокие механические свойства при повышенных температурах и выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования трещин. Для получения мартенсита, карбидов, повышения теплопроводности проводят обработку холодом.
Влияние криогенной обработки на прирост твердости легированной
инструментальной стали [4]
Таблица 56
|
Марка стали |
Границы превращения, ºС |
Остаточный аустенит, % |
| ||
|
Мн |
Мк |
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | ||
|
8Х3 |
185 - 140 |
- 90 |
4 - 17 |
2 - 10 |
1,0 – 2,5 |
Влияние криогенной обработки на прирост твердости матрицы для гайки
Таблица 57
|
Наименование инструмента |
Марка стали |
Твердость , HRC |
Прирост твердости, HRC | |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Матрица для гайки |
4Х5МФС |
47,5 |
50,9 |
3,4 |
|
Валок шаропрокатный |
4Х5МФС |
54,4 |
55,8 |
1,4 |
Влияние криогенной обработки на разброс твердости шаропрокатного валка
Таблица 58
|
Наименование инструмента |
Материал |
Разброс твердости, % |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Валок шаропрокатный |
4Х5МФС |
5 |
5 |
0 |
|
Валок шаропрокатный |
4Х5МФС |
7 |
9 |
- 2 |
Влияние криогенной обработки на изменение коэрцитивной силы шаропрокатного валка
Таблица 59
|
Наименование инструмента |
Материал |
Коэрцитивная сила, А/см |
| |
|
до криогенной обработки |
после криогенной обработки | |||
|
Валок шаропрокатный |
4Х5МФС |
58,2 |
62,3 |
4,1 |
|
Валок шаропрокатный |
4Х5МФС |
57,8 |
62,9 |
5,1 |
Прирост износостойкости сталей для горячего деформирования
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 60
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
5ХНМ |
Штамповая (Мн=230 ºС) |
0,55 |
0,65 |
0,25 |
- |
0,2 |
0,7 |
- |
1,6 |
100 |
|
5ХГМ |
Штамповая (Мн=220 ºС) |
0,55 |
1,4 |
0,4 |
- |
0,2 |
0,7 |
- |
0,35 |
360 |
|
4Х5МФ1С |
Штамповая жаропрочная (Мн=305 ºС) |
0,4 |
- |
- |
- |
1,35 |
5,0 |
0,95 |
- |
222 |
|
4Х5МФС |
Штамповая жаропрочная (Мн=300 ºС) |
0,36 |
0,35 |
1,05 |
- |
1,35 |
5,0 |
0,4 |
0,3 |
451,8 |
|
8Х3 |
Инструментальная |
0,8 |
0,27 |
0,25 |
до_0,2 |
до_0,2 |
3,5 |
0,15 |
до_0,35 |
326 |
5.6. Стали инструментальные валковые
К рабочим валкам многовалковых станов предъявляются следующие требования:
- высокая и равномерная твердость бочки (60 – 65 НRС);
- глубокая прокаливаемость;
- остаточные напряжения по сечению бочки должны распределяться благоприятно и иметь оптимальную величину;
- высокая контактная прочность за счет повышения твердости [7].
Криогенное воздействие на материал валков производится с целью повышения равномерности твердости.
Прирост износостойкости валковых инструментальных сталей
в результате криогенной обработки (прогноз)
Таблица 61
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
| |||||||
|
С |
Mn |
Si |
W |
Mo |
Cr |
V |
Ni | |||
|
45ХНМ |
валковая |
0,4-0,5 |
0,5-0,8 |
0,17-0,37 |
- |
0,1-0,3 |
1,3-1,70 |
- |
1,2-1,6 |
152,2 |
|
55Х |
валковая |
0,5-0,6 |
0,35-0,65 |
0,17-0,37 |
- |
|
1,0-1,3 |
- |
До_0,5 |
222,5 |
|
60ХГ |
валковая Мн=250 ºС |
0,55-0,65 |
0,8-1,0 |
0,17-0,37 |
- |
- |
1,0-1,3 |
- |
До_0,4 |
304,3 |
|
60ХН |
валковая Мн=207 ºС |
0,55-0,65 |
0,5-0,8 |
0,17-0,37 |
- |
- |
0,6-0,9 |
- |
1,0-1,5 |
155,2 |
|
60ХСМФ |
валковая |
0,55-0,65 |
0,4-0,7 |
1,05-1,3- |
- |
0,4-0,6 |
1,4-1,8 |
0,15-0,25 |
До_0,5 |
397,5 |
|
75ХМ |
валковая |
0,7-0,8 |
0,2-0,7 |
0,2-0,6 |
- |
0,2-0,3 |
1,4-1,7 |
- |
До_0,5 |
274,1 |
|
75ХМФ |
валковая |
0,7-0,8 |
0,2-0,7 |
0,2-0,6 |
- |
0,1-0,3 |
1,4-1,7 |
0,05-0,25 |
До_0,3 |
247 |
|
75ХСМФ |
валковая |
0,72-0,8 |
0,3 |
0,8-1,2 |
- |
0,2-0,3 |
1,2-1,5 |
0,1-0,2 |
До_0,5 |
342,3 |
|
7Х2СМФ |
валковая Мн=180 ºС |
0,7-0,8 |
0,6-1.00 |
0,7-1,0 |
- |
0,35-0,6 |
1,7-2,2 |
0,15-0,3 |
До_0,5 |
417,2 |
|
90ХМФ |
валковая |
0,8-0,9 |
0,2-0,7 |
0,2-0,4 |
- |
0,2-0,3 |
1,4-1,7 |
0,1-0,2 |
До_0,3 |
281 |
|
90ХФ |
валковая Мн=215 ºС |
0,8-0,9 |
0,3-0,6 |
0,15-0,35 |
- |
- |
0,4-0,7 |
0,15-0,3 |
До_0,35 |
211,6 |
|
9Х2 |
валковая |
0,85-0,95 |
0,2-0,7 |
0,25-0,5 |
- |
- |
1,7-2,1 |
- |
До_0,5 |
313,2 |
|
90Х2МФ |
валковая Мн=175 ºС |
0,85-0,95 |
0,2-0,7 |
0,25-0,5 |
- |
0,2-0,3 |
1,7-2,1 |
0,1-0,2 |
До_0,5 |
299,4 |
|
6Х6М1Ф |
инструментальная Мн=163 ºС; Мк=-72 ºС |
0,65 |
0,55 |
0,27 |
|
1,35 |
5,5 |
0,65 |
0,3 |
399,1 |
6. СТАЛИ И СПЛАВЫ С ОСОБЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
6.1. Магнитные стали и сплавы
Для изготовления постоянных магнитов применяются магнитотвердые материалы. Магнитная энергия постоянных магнитов тем выше, чем больше результат произведения остаточной индукции и коэрцитивной силы. Величина остаточной индукции (Вr) ограничена магнитным насыщением ферромагнетика (железа). Для получения высокой коэрцитивной силы (Hc) стали должны иметь неравновесную структуру, обычно – мартенсит.
Для магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом, вольфрамом и кобальтом. Такие стали легко обрабатываются давлением и резанием, но обладают малой магнитной энергией, поэтому их используют для изготовления неответственных магнитов в массовом производстве.
Магнитные свойства некоторых магнитотвердых сталей [8]
Таблица 62
|
Марка стали |
Назначение стали |
Химический состав, проценты |
Магнитные свойства | ||||||
|
С |
W |
Mo |
Cr |
Co |
Нс, Э |
Вr, Гс |
Hc Br 102 | ||
|
ЕХ |
магнитотвердая |
0,95 -1,1 |
- |
|
1,3 -1,6 |
- |
58 |
9 000 |
550 |
|
ЕХ3 |
магнитотвердая |
0,9 -1,1 |
- |
|
2,8 -3,6 |
- |
60 |
9 500 |
600 |
|
ЕХ5К5 |
магнитотвердая |
0,9 -1,05 |
- |
- |
5,5 -5,6 |
5,5 -5,6 |
100 |
8 500 |
900 |
|
ЕХ7В6 |
магнитотвердая |
0,68 -0,78 |
5,7 -6,2 |
|
0,3 -0,5 |
- |
62 |
10 000 |
650 |
|
|
нестандартная |
0,9 -1,2 |
- |
1,0 -1,5 |
7,0 -10 |
8,0 -11 |
152 |
8 200 |
1 250 |
|
ЕХ9К15М |
магнитотвердая |
0,9 -1,05 |
- |
1,2 -1,7 |
8,0 -10 |
13,5 -16,5 |
170 |
8 000 |
1 400 |
|
|
нестандартная |
0,8 -1,05 |
5,0 -9,0 |
0,45 |
3,5 -5,0 |
30 -40 |
225 |
8 500 |
1 900 |
Термическая обработка магнитотвердых сталей заключается в нормализации, отпуске и закалке. Обработку холодом проводят после нормализации для устранения парамагнитного остаточного аустенита и повышения магнитных свойств. Нормализация проводится при температуре 1 200 ºС, отпуск– при 500 – 700 ºС (для получения дисперсных карбидов). Закалка при температуре 850 – 1 050 ºС в масле или воде используется для получения мартенсита и максимальной твердости.
6.2. Инструментальные металлокерамические твердые сплавы
Тинановольфрамовые и вольфрамовые сплавы изготавливаются в виде пластинок и стержней спеканием и используются в качестве металлообрабатывающего инструмента. Они обладают высокими показателями твердости (HRA 82 – 92) и износостойкости при температурах 800 – 1 000 ºС. Сплавы с повышенным содержанием кобальта имеют несколько пониженную твердость (HRA 88) и износостойкость, но обладают высокой эксплуатационной прочностью и сопротивляемостью ударам и вибрациям. С целью сохранения высокой эксплуатационной прочности и сопротивляемости ударам и вибрациям, а также повышения износостойкости применяют криогенную обработку.
Влияние криогенной обработки на износостойкость твердосплавного
металлообрабатывающего инструмента
Таблица 63
|
Марка сплава |
Износ, мм |
| ||||
|
не обработанные |
криогенно обработанные |
не обработанные |
криогенно обработанные | |||
|
основной |
кратерный |
основной |
кратерный |
основной |
кратерный | |
|
Т15К10 |
0,34 |
0,37 |
0,25 |
0,3 |
1,36 |
1,23 |
|
ВК8 |
0,16 |
- |
0,14 |
- |
1,14 |
- |
|
МС146 |
0,31 |
0,31 |
0,23 |
0,28 |
1,35 |
1,11 |
|
МС221 |
0,3 |
0,4 |
0.27 |
0,34 |
1,11 |
1,18 |
Криогенная обработка позволяет производить объемное упрочнение твердосплавного и алмазного породоразрушающего инструмента. При термической обработке в области низких отрицательных температур происходит изменение тонкой кристаллической структуры твердых сплавов и композиционных материалов за счет пластической деформации кобальтовой или иной связки в локальных областях по периметру включений (карбид вольфрама, карбид титана, алмазы, релит и др.). Криогенная обработка ведет к изменениям на структурном уровне, что положительно сказывается на эксплуатационных характеристиках коронок с твердосплавными резцами (коронки типа «СА»), коронок, армированных твердосплавными резцами, предназначенных для бурения скважин ударно-вращательным способом с использованием ударников и перфораторов (коронки типа «КГ», «ГПИ», «КП», «КДП» и др.), шарошечных долот с твердосплавными резцами, алмазного породоразрушающего инструмента.
Влияние криогенной обработки на износостойкость твердосплавных коронок СА [9]
Таблица 64
|
Категория горных пород |
Диаметр коронок, мм |
Углубка на коронку, м |
| |
|
без криогенной обработки |
с криогенной обработкой | |||
|
VI |
93 |
7,01 |
9,84 |
40 |
|
VII |
76 |
4,94 |
7,33 |
48 |
|
93 |
5,94 |
8,32 |
40 | |
|
VIII |
76 |
2,64 |
3,64 |
54 |
|
93 |
3,74 |
5,87 |
49 | |
|
IX |
76 |
1,20 |
2,05 |
71 |
Влияние криогенной обработки на производительность бурения
твердосплавными коронками СА [9]
Таблица 65
|
Категория горных пород |
Диаметр коронок, мм |
Механическая скорость бурения, см / мин |
| |
|
без криогенной обработки |
с криогенной обработкой | |||
|
VI |
93 |
3,6 |
4,5 |
25 |
|
VII |
76 |
3,2 |
4,0 |
30 |
|
93 |
2,9 |
3,8 |
30 | |
|
VIII |
76 |
2,0 |
2,8 |
40 |
|
93 |
1,9 |
2,6 |
36 | |
|
IX |
76 |
1,4 |
2,1 |
50 |
7. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Механические свойства некоторых металлических материалов при комнатной и низких температурах
Таблица 66
|
Марка материала |
Термическая обработка |
Температура испытания, ºС |
Механические свойства | |||||||||
|
предел временного сопротивления |
условный предел текучести |
относительное удлинение |
относительное сужение |
ударная вязкость | ||||||||
|
кг/ мм2 |
прирост, % |
кг/ мм2 |
прирост, % |
% |
прирост, % |
% |
прирост, % |
кг м /см2 |
прирост, % | |||
|
40 |
закалка (820 ºС)
|
+20 |
95,0 |
|
83,8 |
|
17,0 |
|
59,2 |
|
12,15 |
|
|
- 40 |
101,6 |
6,6 |
90,9 |
7,1 |
18,6 |
1,6 |
57,9 |
- 1,3 |
7,85 |
- 4,3 | ||
|
- 70 |
101,9 |
6,9 |
90,9 |
7,1 |
19,5 |
2,5 |
57,0 |
- 2,2 |
6,26 |
- 5,89 | ||
|
У9 |
закалка (760 ºС)
|
+20 |
74,7 |
|
68,7 |
|
20,7 |
|
52,3 |
|
5,76 |
|
|
- 40 |
93,2 |
19,8 |
86,9 |
21,0 |
17,1 |
- 17,4 |
47,3 |
- 9,5 |
3,76 |
- 34,7 | ||
|
- 70 |
98,7 |
24,0 |
88,6 |
22,5 |
17,6 |
- 14,9 |
44,2 |
- 15,5 |
1,1 |
- 81,0 | ||
|
38ХА |
закалка (860 ºС)
|
+20 |
100,0 |
|
90,0 |
|
17,0 |
|
60,0 |
|
12,0 |
|
|
- 40 |
108,0 |
7,4 |
98,0 |
8,1 |
17,0 |
0 |
57,0 |
- 5,0 |
8,0 |
- 33,3 | ||
|
- 70 |
110,0 |
9,0 |
102,0 |
11,7 |
17,0 |
0 |
54,0 |
- 10,0 |
6,0 |
- 50,0 | ||
|
- 100
|
125,0 |
20,0 |
118,0 |
23,7 |
16,0 |
- 5,9 |
50,0 |
- 16,6 |
4,0 |
- 66,6 | ||
|
30ХФА |
нормализация
|
+20 |
94,2 |
|
68,2 |
|
13,0 |
|
59,0 |
|
1,11 |
|
|
-75 |
105,5 |
11,0 |
73,1 |
6,7 |
14,0 |
- 7,1 |
53,0 |
- 10,2 |
0,9 |
- 18,9 | ||
|
30ХГСА |
закалка (880 ºС)
|
+20 |
140,7 |
|
126,6 |
|
11,3 |
|
52,9 |
|
- |
|
|
- 40 |
141,9 |
0,8 |
134,7 |
6,0 |
11,9 |
5,0 |
57,3 |
7,6 |
- |
| ||
|
- 70 |
146,0 |
3,6 |
137,3 |
7,8 |
11,3 |
0 |
56,5 |
6,3 |
- |
| ||
|
35Х2Н2 |
закалка (850 ºС)
|
+20 |
117,4 |
|
104,0 |
|
16,0 |
|
65,0 |
|
12,0 |
|
|
- 70 |
127,9 |
8,2 |
115,3 |
9,8 |
17,0 |
5,9 |
63,0 |
- 3,1 |
8,0 |
- 33,3 | ||
|
18ХНВА |
|
+20 |
130,0 |
|
- |
|
13,0 |
0 |
54,0 |
|
11,3 |
|
|
- 40 |
141,0 |
7,8 |
- |
|
13,0 |
0 |
56,0 |
3,6 |
9,8 |
- 13,2 | ||
|
- 70 |
148,0 |
12,1 |
- |
|
13,0 |
0 |
57,0 |
5,2 |
9,0 |
- 20,3 | ||
|
- 120 |
157,0 |
17,1 |
- |
|
14,0 |
7,14 |
53,0 |
- 1,8 |
7,0 |
- 38,1 | ||
|
20Х18Н9 |
закалка (1 150 ºС)
|
+20 |
- |
|
- |
|
- |
|
- |
|
35,61 |
|
|
- 40 |
- |
|
- |
|
- |
|
- |
|
39,48 |
3,8 | ||
|
- 70 |
- |
|
- |
|
- |
|
- |
|
36,9 |
3,5 | ||
|
- 120 |
- |
|
- |
|
- |
|
- |
|
38,05 |
6,8 | ||
|
Алюминий |
|
+17 |
12,0 |
|
|
|
29,0 |
|
86,0 |
|
|
|
|
- 196 |
21,0 |
42,8 |
|
|
42,0 |
30,9 |
75,0 |
- 12,7 |
|
| ||
|
Медь |
|
+17 |
24,0 |
|
|
|
29,0 |
|
70,0 |
|
|
|
|
- 196 |
38,0 |
36,8 |
|
|
41,0 |
29,2 |
72,0 |
2,7 |
|
| ||
|
Олово |
|
+17 |
3,6, |
|
|
|
29,0 |
|
91,0 |
|
|
|
|
- 196 |
7,1 |
49,3 |
|
|
4,0 |
- 86,2 |
4,0 |
- 95,6 |
|
| ||
|
Латунь ЛС59 |
|
+17 |
45,0 |
|
|
|
32,0 |
|
35,0 |
|
4,8 |
|
|
- 196 |
59,0 |
23,7 |
|
|
37,0 |
13,5 |
38,0 |
7,9 |
4,75 |
- 1,0 | ||
|
Литая бронза |
|
+17 |
31,0 |
|
|
|
30,0 |
|
28,0 |
|
|
|
|
- 196 |
38,0 |
18,4 |
|
|
12,0 |
- 60,0 |
13,0 |
- 53,5 |
|
| ||
|
Дуралюмин |
|
+17 |
41,0 |
|
|
|
15,0 |
|
25,0 |
|
3,15 |
|
|
- 196 |
52,0 |
21,1 |
|
|
16,0 |
6,25 |
20,0 |
- 20,0 |
2,60 |
- 17,5 | ||
|
АЛ9 |
|
+17 |
17,6 |
|
|
|
5,1 |
|
8,0 |
|
|
|
|
- 196 |
22,9 |
23,1 |
|
|
3,6 |
- 29,4 |
6,5 |
- 18,75 |
|
| ||
Приведенные данные в таблице показывают, что при статических испытаниях на растяжение пластичность даже простых углеродистых сталей в области очень низких температур уменьшается заметно, но не резко. Более чувствительной характеристикой является ударная вязкость. В наименьшей степени снижают пластичность и вязкость при низких температурах аустенитные стали. Следующее место занимают улучшенные стали и лишь затем стали с перлитной структурой. Сталь с большим содержанием феррита больше теряет в значениях ударной вязкости. Медь, марганец и никель, применяемые в качестве легирующих элементов в стали, понижают температуру хладноломкости (т.е. уменьшают чувствительность к криогенному охлаждению). Молибден, титан и ванадий повышают температуру хладноломкости. Особенно неблагоприятно в этом отношении влияет фосфор.
Металлы с решеткой гранецентрированного куба (алюминий, медь, никель, серебро, свинец) и большинство сплавов на их основе при криогенных температурах сохраняют или даже увеличивают свою высокую пластичность.
При отсутствии фазовых превращений изменения механических свойств под действием криогенных температур – явление временное. После выравнивания температуры на прежнем уровне свойства полностью восстанавливаются. На процесс восстановления свойств не оказывает влияния многократность охлаждения (до 30 раз) и длительность выдержки при криогенных температурах (до 1,5 месяцев).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Чугун /Под ред. Канд.тех. наук. А.Д. Шермана и докт. Тех. Наук. А.А. Жукова. – М.: Металлургия, 1991. – 576с.
2. Severin D., Franke U., Lampic M. Steigerung derLebensdauer von Bremsscheiben.//ATZ. 2002. №11. S.1016-1023.
3. Тарасов В.В., Данилов И.А., Кокорин Н.А., и др. Исследование абразивной износостойкости серого чугуна с криогенным упрочнением//В сборнике «Механика и физико-химия гетерогенных сред, наносистем и новых материалов». Ижевск: Изд-во ИМ УрО РАН, 2015. С. 190-198.
4. Воробъев, В.Г. Термическая обработка стали при температуре ниже нуля. - М. : Оборонгиз, 1954. – 306 с.
5. Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка материалов. – М. : Металлургия, 1979. – 320 с.
6. Вязников, Н.Ф. Легированная сталь. – М. : Металлургия, 1963. – 272 с.
7. Валки многовалковых станов. В.П. Полухин, М.Л. Бернштейн и др. М. : Металлургия, 1983. – 128 с.
8. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. – М. : Машиностроение, 1986. – 384 с.
9. Рябчиков, С.Я. Повышение работоспособности породоразрушающего инструмента методами криогенной обработки и радиационного облучения / С.Я. Рябчиков, А.П. Мамонтов, В.И. Власюк. – М. : Геоинформмарк, 2001. – 92 с.