Металлообработка и машиностроение

Наиболее эффективно применение криогенной обработки для металлообрабатывающего инструмента.

Металлообрабатывающий инструмент широко применяется в обработке резанием и обработке металлов давлением.

Операции обработки резанием, такие как фрезерование, сверление, формообразование резьбовых поверхностей, протягивание и точение являются наиболее важными процессами машиностроительного производства.

Режущий инструмент в основном изготавливается из углеродистых (У7 … У12), легированных (9ХС, ХВГ), быстрорежущих (Р18, Р6М5 и др.) инструментальных сталей или оснащается металлокерамическими твердыми сплавами ВК8, Т15К10, МС146, МС221 и др.

Появление новых конструкционных материалов, таких как жаропрочные, высокопрочные, коррозионно-стойкие, тугоплавкие стали и сплавы, непрерывное возрастание требований к производительности и качеству обработки выдвигает перед металлообработчиками новые и более сложные задачи.

Для обеспечения высокой эффективности процесса резания необходимо учитывать факторы, снижающие себестоимость деталей и увеличивающие производительность обработки, что позволит увеличить прибыль в единицу времени.

Наиболее эффективным фактором, увеличивающим производительность металлообработки, является криогенная обработка режущего инструмента. Исследованиями показано, что криогенная обработка режущего инструмента позволяет повысить скорости резания по сравнению с необработанным инструментом на 20 – 23% при одинаковой их стойкости.

Если сравнивать инструмент с криогенным упрочнением при одинаковых режимах резания с инструментом без упрочнения, то стойкость инструмента возрастает от 8 до 100% в зависимости от условий резания в результате криогенного упрочнения. Такой же прирост стойкости криогенная обработка дает и после переточки инструмента, так как обработка носит объемный характер, и повторное упрочнение не требуется.

Наибольший экономический эффект от использования криогенного упрочнения достигается на дорогостоящем режущем инструменте, когда стоимость упрочнения составляет порядка 2,5% стоимости инструмента, такого как червячные модульные фрезы, фасонные фрезы, фрезы для обработки Т-образных пазов, протяжки, резьбонарезные плашки и метчики.

Твердосплавной режущий инструмент имеет повышение стойкости на 11 – 36% в результате криогенной обработки. Наилучшие результаты повышения стойкости имеют твердые сплавы с содержанием кобальта более 8%, работающие на черновых операциях и воспринимающие вибрации и удары.

Стабильные результаты по повышению ресурса имеет упрочненная криогенным воздействием станочная оснастка. Отмечено повышение усталостной долговечности и износостойкости цанговых патронов и цанг зажимных для инструмента с цилиндрическим хвостовиком, изготовленных из стали 65Г и 9ХС, после криогенной обработки.

2. Повышение твердости, износостойкости и снижение разброса твердости прессового, штампового, прокатного, прошивного инструмента, измерительных инструментов, изготовленных из высокоуглеродистой и легированной стали подробнее

Изделия, которые во время работы должны выдерживать динамические нагрузки (удары) и хорошо сопротивляться износу, подвергают цементации с целью получения вязкой низкоуглеродистой сердцевины и твердой высокоуглеродистой поверхности. Для цементации мало- и средненагруженных деталей применяют низкоуглеродистые стали 10, 15, 20. Для высоконагруженных деталей, сердцевина которых должна обладать высокими механическими свойствами, а цементованный слой – повышенной износостойкостью, применяют легированные стали с 0,15 – 0,25% углерода.

Для обеспечения лучших свойств материала после цементации концентрация углерода в поверхностном слое должна составлять 0,8-1,05%. Повышение концентрации углерода выше этого предела снижает пределы выносливости, прочности и создает резкие перепады внутренних напряжений по поперечному сечению деталей. За толщину цементованного слоя принимают суммарную толщину заэвтектоидной, эвтектоидной и половину переходной (доэвтектоидной) зоны.

Нормальная структура заэвтектоидной зоны цементованного слоя считается пластинчатый перлит с небольшим количеством избыточного цементита. После закалки структура цементованного слоя должна состоять из мелкоигольчатого мартенсита и избыточных карбидов. Выделение карбидов в виде сетки или грубых скоплений недопустимо. Структура сердцевины деталей из углеродистой стали состоит из феррита и перлита, а деталей из высоколегированной стали из низкоуглеродистого мартенсита и остаточного аустенита.

Для повышения твердости, глубины упрочненного слоя и износостойкости применяют криогенную обработку. Влияние криогенной обработки на прирост твердости и коэрцитивной силы, на снижение разброса твердости цементованного слоя стали 20 исследовалось на партии деталей «втулка». Прирост твердости в результате криогенного упрочнения цементованного слоя стали 20 составил 2,7 HRC. Прирост коэрцитивной силы на 0,7 А/см свидетельствует об изменениях внутренних напряжений в материале после криогенного воздействия. Разброс твердости уменьшился с 4 до 2 единиц HRC в результате криогенной обработки, что позволяет судить о формировании более однородной структуры поверхностного слоя. Однородность структуры, повышение твердости и изменение внутренних напряжений в результате криогенной обработки цементованного слоя стали 20 создают предпосылки для повышения износостойкости исследованных деталей.

Исследования влияния криогенной обработки на количество остаточного аустенита, изменения твердости и величины разрушающей нагрузки при статическом изгибе цементованных образцов из стали 12Х2Н4А показали, что содержание аустенита в поверхностном слое толщиной 1,5 мм в результате криогенного воздействия уменьшилось с 15% до 2%. Среднее значение твердости увеличилась на 5 HRC. Увеличение разрушающей нагрузки при статическом изгибе на 33% в результате криогенной обработки свидетельствует о повышении прочности цементованного слоя стали 12Х2Н4А.

Влияние криогенной обработки на износостойкость цементованных образцов оценивалось на легированных сталях 18ХНМА, 12Х2Н4А и 18ХНВА. Исследования показали наименьший прирост износостойкости на 11% у образцов из стали 18ХНВА. Увеличение износостойкости цементованных образцов из стали 18ХНМА в результате криогенного упрочнения составило 32%, а у стали 12Х2Н4А увеличение износостойкости составило 38%.

Таким образом, криогенная обработка является эффективным средством повышения твердости, прочности и износостойкости цементованных деталей, изготовленных из низкоуглеродистых и легированных конструкционных сталей.

Срок службы деталей, работающих при циклических нагрузках, может быть повышен криогенной обработкой, создающей в поверхностных слоях остаточные напряжения сжатия. Основными материалами для деталей, работающих при циклических нагрузках, являются высокоуглеродистые стали 65, 70, марганцовистая сталь 65Г, кремнистая сталь 60С2А, хромованадиевая сталь 50ХФА и другие. Материал таких ответственных деталей должен обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и высоким пределом выносливости. Величина предела текучести должна быть не менее 80 кгс/мм² для углеродистых и не менее 100 кгс/мм² для легированных сталей. Структура по всему объему после закалки должна быть мартенсит.

Например, у стали 65Г точка конца мартенситного превращения составляет минус 55⁰С и при закалке до комнатной температуры в структуре стали сохраняется порядка 10% остаточного аустенита. В результате криогенного воздействия содержание остаточного аустенита в структуре стали не превышает 5%. Таким образом, количество остаточного аустенита в результате криогенного воздействия сократилось. В результате структурного изменения получен незначительный прирост твердости 1,0 – 1,5 единицы НRC. Прирост коэрцитивной силы после криогенной обработки в среднем составил 0,18 А/см. Заметные изменения в результате криогенной обработки произошли с разбросом значений твердости. В среднем разброс твердости уменьшился на 2 единицы HRC, что положительно скажется на эксплуатационной стойкости ответственных деталей.

Другой пример влияния криогенной обработки на циклическую прочность пружин. Испытаниями на циклическую прочность установлено, что число циклов до разрушения партии пружин из стали 65 до криогенной обработки составляло 120 тысяч, а по результатам криогенного воздействия 270 тысяч циклов. Увеличение циклической прочности в результате криогенной обработки составило 225%.

С целью повышения циклической прочности рекомендуется применять упрочняющую криогенную обработку для следующих деталей, изготовленных из рессорно-пружинных сталей; пружин, торсионов, рессор, цанг и ресурсного крепежа.

Хромистая нержавеющая сталь с содержанием углерода с 0,2 - 0,5% углерода не поддается коррозии при воздействии на неё влажного воздуха, воды, некоторых кислот, щелочей и многих других химических реагентов, однако это происходит только в окислительных средах, которые дают на поверхности этой стали пассивную защитную пленку окислов. При воздействии окислительной среды на сплав с гетерогенной структурой на границах фаз, имеющих различный электродный потенциал, образуются гальванические микропары, вследствие чего сплав окисляется значительно быстрее, чем с однородной (гомогенной) структурой. Например, из металлографии известно, что при травлении шлифов растворами кислот мартенсит (однородный твердый раствор) травится значительно слабее, чем тростит, представляющий собой механическую смесь цементита и феррита. Таким образом, для повышения устойчивости нержавеющей стали против коррозии нужно, чтобы структура была однородной.

Хромистые нержавеющие стали мартенситного класса 30Х13 и 40Х13 используют для изготовления хирургических инструментов, карбюраторных игл и других деталей. Для получения однородной структуры на стали 40Х13 после закалки необходимо провести криогенную обработку (точка конца мартенситного превращения минус 55⁰С). После отпуска она сохраняет мартенситную структуру, высокую твердость 54-56 НRC и хорошую устойчивость против коррозии.

Если к инструменту предъявляются повышенные требования по износостойкости, то используют стали 50Х14МФ и 100Х13М. В результате криогенного воздействия прирост твердости на этих сталях составляет 3,0-3,5 НRC. Существенно снижается разброс твердости и повышается абразивная износостойкость. Данные стали применяются для изготовления промышленных ножей.

Высокохромистые стали 95Х18 и 90Х18МФ относятся к мартенситному классу и используются для изготовления стоматологического хирургического инструмента, втулок, подшипников, промышленных ножей. Сталь 95Х18 обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью, но после закалки и отпуска при температуре 480-500⁰С коррозионная стойкость стали резко снижается вследствие образования неоднородной микроструктуры. После закалки в структуре стали сохраняется от 17 до 30% остаточного аустенита. Криогенная обработка позволяет уменьшить количество остаточного аустенита, повысить прочность, твердость, сопротивление к истиранию и сохранить коррозионную стойкость.

Механические свойства стали 95Х18 после криогенной обработки

Сталь 90Х18МФ более коррозионностойкая, чем сталь 95Х18 за счет карбидной морфологии. Точка конца мартенситного превращения стали 90Х18МФ равняется минус 135⁰С. Полное превращение аустенита в мартенсит происходит при криогенной обработке. В результате криогенного воздействия повышается прочность, твердость, сопротивление к истиранию и сохраняется высокий уровень коррозионной стойкости.

Хромоникелевая (аустенитная) нержавеющая сталь 12Х18Н9 широко применяется в промышленности и обладает большим сопротивлением коррозии и хорошими технологическими свойствами: высокой пластичностью, большой вязкостью, хорошей свариваемостью. После закалки сталь приобретает наилучшую устойчивость против коррозии и высокую вязкость. Прочность стали повышается криогенной обработкой (повышается условный предел текучести до 23%).

Таким образом, криогенная обработка позволяет оптимизировать коррозионную стойкость в сочетании с повышением твердости, прочности и износостойкости нержавеющих сталей мартенситного и аустенитного класса за счет создания однородной (гомогенной) микроструктуры материала.

Ряд изделий высокой точности, детали прецизионных приборов должны обладать высокой и совершенно однородной твердостью, без мягких пятен, хрупких включений. Даже незначительные локальные структурные пороки нарушают однородность зеркальной поверхности. Поэтому к таким деталям предъявляются очень высокие требования в отношении точности химического состава материала и стабильности процессов термической и механической обработки.

Высокоуглеродистая сталь, обладающая после закалки и низкого отпуска высокой твердостью, с течением времени (при хранении и эксплуатации) испытывает превращения (старение), в результате которых изменяются объем и первоначальная форма изделий. Абсолютная величина изменений линейных размеров часто не превышает нескольких микрометров, что является недопустимым для высокоточных измерительных инструментов деталей насосов, компрессоров и прецизионных подшипников качения.

Естественное старение вызывает следующие процессы, протекающие в зависимости от изменения температуры в пределах климатических норм:

• мартенситное превращение некоторой части остаточного аустенита:
• уменьшение тетрагональности мартенсита и выделение мелкодисперсных карбидных частиц:
• перераспределения в объеме инструмента и уменьшения остаточных напряжений вследствие частичного перехода упругой деформации в пластическую (релаксация).

Мартенситное превращение некоторой части остаточного аустенита протекает с увеличением объёма. Процесс выделения мелкодисперсных карбидов ведет к уменьшению объема детали. Перераспределение остаточных напряжений развивается в зависимости от условий распределения напряжений, от конфигурации формы и размеров высокоточных деталей и наиболее вероятным результатом течением процесса является уменьшение размеров и наибольшей длины.

В течение первых двух месяцев хранения при 20⁰С изменения размеров незначительны. На третьем и последующих месяцах хранения усиливаются процессы, влекущие за собой изменения размеров. Далее процессы могут возрастать или наоборот, уменьшатся и возрастать. Более длительная выдержка при комнатной температуре вызывает дальнейшие, но менее заметные изменения, скорость которых уменьшается по истечении 2 – 3 лет.

Наибольшие изменения (уменьшение) размеров получают закаленные детали, имеющие повышенные остаточные напряжения и не подвергающиеся отпуску. Отпуск при 150 – 210⁰С снимает значительную часть напряжений, резко уменьшает изменения размеров. Увеличение размеров точных деталей после отпуска обусловлено вследствие изотермического мартенситного превращения остаточного аустенита. Например, превращения остаточного аустенита в цилиндрических деталях длиной 100 мм увеличивают длину образца на 3,5 микрометра.

Известны случаи обнаружения более значительных изменений размеров. Это связано с тем, что транспортировка и хранение деталей и инструмента могут происходить при температурах ниже 0⁰С. Такое охлаждение усиливает превращение остаточного аустенита и ведет к перераспределению остаточных напряжений.

Криогенная обработка после закалки является наиболее эффективным способом, уменьшающим старение и способствующим стабилизации размеров высокоточных деталей.

Термическая обработка высокоточных деталей и измерительных инструментов должна предусматривать следующее:

1. Закалку проводят с целью получения меньшего количества остаточного аустенита и минимальных внутренних напряжений; охлаждение до полного остывания деталей
2. Криогенная обработка немедленно после закалки позволяет завершить мартенситное превращение
3. Отпуск сразу после завершения криогенной обработки с нагревом до 150-160⁰С для получения твердости 62-64 HRC
4. После отпуска производят шлифование и доводку высокоточных деталей и инструмента.

Необходимо учитывать, что ступенчатая и особенно изотермическая закалка увеличивает количество остаточного аустенита и усиливает старение. Для уменьшения внутренних напряжений после криогенной обработки допускается повысить температуру отпуска на 10-15⁰С и увеличить продолжительность отпуска. В случае снятия при шлифовании значительных припусков и создания в поверхностном слое растягивающих остаточных напряжений, то детали подвергают еще одному отпуску.

Среднеуглеродистые стали, применяемые при изготовлении плоских высокоточных деталей, подвергают поверхностной закалке, и развитие процессов старения вызывает менее значительное изменение размеров. Высокоточные детали из низкоуглеродистых сталей цементируют и закаливают. Вопросы стабильности размеров решаются увеличением припусков на шлифование и доводку. Оптимизация припусков на шлифование и доводку эффективно решается применением криогенной обработки для средне- и низкоуглеродистых сталей, используемых для изготовления высокоточных деталей со стабильными размерами в течение всего срока их эксплуатации.

Криогенная обработка - это термическое упрочнение металлопродукции сверхнизкими температурами (до – 196°С). Криогенная обработка возможна на начальной стадии процесса изготовления (до закалки) металлопродукции для повышения обрабатываемости, после термической обработки (закалки) – для повышения механических и эксплуатационных характеристик изделий. В результате криогенного воздействия изменяется структурно - фазовый состав материала. В поверхностных, наиболее нагруженных, слоях происходит преобразование остаточного аустенита в наиболее прочный мартенсит, а также выделение мелкодисперсных карбидов, что приводит к повышению твердости и износостойкости изделий, обработанных сверхнизкими температурами.

В настоящее время накоплен положительный опыт по криогенной обработке инструмента для обработки металлов давлением и резанием, тормозных дисков и пружин дисков сцепления автомобилей. Например, у пуансонов и матриц для холодной штамповки из стали Х12МФ и Х12Ф1 в результате криогенного воздействия: улучшаются показатели равномерности распределения твердости, наблюдается прирост твердости на 1 – 2 единицы HRC, повышается эксплуатационный ресурс в 5 – 7 раз.

В мае 2014 года были проведены испытания рабочих валков для валок Альметьевского трубного завода. В результате эксплуатационных испытаний рабочих валков (для трубы 20х20 мм) из стали Х12ВМФ, упрочненных криогенной обработкой, было выявлено повышение износостойкости на 20 – 25 %.

Повышение износостойкости рабочих валков после криогенной обработки по сравнению с валками, прошедшими обычную термообработку, объясняется не только повышением твердости. Основная причина повышения износостойкости связана с повышением плотности дислокаций (при криогенной обработке мартенсит получается мелкодисперсным). Увеличение плотности дислокаций повышает сопротивление микропластическим сдвигам, ведущим к зарождению трещин контактной усталости. Применение отпуска при 150°С после криогенной обработки не только не снижает, а наоборот, несколько увеличивает как долговечность, так и предел усталости.

В процессе эксплуатации в зоне совместного контакта с полосой поверхностные слои валков находятся в состоянии, обусловленном действием остаточных температурных напряжений материала инструмента и напряжений от усилия прокатки. В таких жестких условиях стойкость валков в значительной степени зависит от поверхностной твердости и глубины упрочненного слоя. Высокая и равномерная, что особенно важно, твердость бочки обеспечивает повышенную износостойкость валков, а достаточная глубина упрочненного поверхностного слоя определяет возможность реализации необходимого числа перешлифовок бочки в процессе эксплуатации. Средний разброс действительных значений твердости инструмента, прошедшего термообработку (закалка + отпуск), составляет 11%. А средний разброс значений твердости инструмента после криогенной обработки составляет не более 5%. Что свидетельствует о более равномерном распределении твердости сталей после криогенного воздействия.

Многочисленные исследования показали, что микроструктура закаленного слоя металла валков оказывает решающее влияние на их износостойкость. Для повышения износостойкости наиболее целесообразно получение мелкодисперсной структуры мелкоигольчатого мартенсита с равномерно распределенными включениями карбидов. Характер изменения структуры и твердости по глубине закаленного слоя также оказывает влияние на эксплуатационные свойства валков. Более плавный переход от поверхностного слоя с высокой твердостью к исходной структуре сердцевины валка и большая протяженность переходной зоны закаленного слоя обеспечивает повышение стойкости валков. В процессе криогенного воздействия структурно - фазовые превращения в материале инструмента происходят по всему сечению от поверхности к центру. Тем самым обеспечивается более плавный переход высокой твердости на поверхности валка к вязкой сердцевине с благоприятным распределением остаточных напряжений по сечению инструмента.

В процессе эксплуатации рабочие валки испытывают локальный и объемный разогрев, тем самым повышается чувствительность инструмента к термической усталости. Высокое сопротивление термической усталости традиционно достигается: легированием твердого раствора, приводящим к увеличению энергии связи между атомами, в результате чего процессы диффузии и самодиффузии задерживаются, а температура рекристаллизации возрастает; созданием в материале соответствующей структуры, состоящей из внедрений в основной твердый раствор и особенно по границам зерен дисперсионных карбидных фаз.

В результате криогенной обработки рабочих валков увеличивается теплопроводность и происходит более равномерное распределение температурных напряжений по объему изделия при эксплуатации за счет более равномерной мелкозернистой микроструктуры с выделением мелкодисперсных карбидных фаз по границам зерен.

Таким образом, криогенное воздействие на материал рабочих валков обеспечивает удовлетворение основных требований, предъявляемых к ответственным деталям прокатного производства:

• Высокая и равномерная твердость, которая обеспечивает повышение износостойкости рабочего слоя бочки валка, уменьшает степень его повреждаемости. Твердость равномерно распределена по поверхности валка и минимально изменяется при многократных перешлифовках.
• Остаточные напряжения по сечению бочки валка распределяются благоприятно и имеют оптимальную величину.
• Высокая контактная прочность рабочего слоя валка. Снижается вероятность выкрашивания за счет ослабления наклепа поверхностного слоя металла и повышения исходной твердости валков.
• Высокое сопротивление термической усталости при объемном и локальном разогреве.