Применение криогенной закалки металла

Применение криогенной закалки металла

Криогенная закалка — технологический этап термической обработки металлов, при котором деталь охлаждают до очень низких температур (обычно от −80 °C до −196 °C и ниже) с последующим контролируемым возвращением к рабочей температуре и последующей отпускной обработкой. Метод широко применяется для улучшения износостойкости, стабильности размеров и структуры сплавов без значительного увеличения легирования.

Мы рассмотрели физические механизмы, технологические варианты, области применения, преимущества и ограничения, методы контроля качества и практические рекомендации по внедрению.

Термины:

·         Аустенит — твёрдый раствор углерода (до 2,15%) и легирующих элементов в γ-железе, одна из фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов

·         Мартенсит — основная структурная составляющая закалённой стали. Это упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного аустенита

·         Карбид — химическое соединение углерода с более электроположительными элементами — главным образом с металлами, бором или кремнием.

·         Отпуск металла (в металлургии) — это вид термической обработки, который проводится после закалки. Цель — устранить внутренние напряжения, возникшие в результате закалки, и улучшить механические свойства материала. В зависимости от температуры отпуска и скорости охлаждения можно изменить пластичность, вязкость, уменьшить хрупкость и скорректировать твёрдость стали, характерные для определённой марки.

1. Физические основы и микроструктурные изменения

Ключевые эффекты криогенной закалки связаны с температурной зависимостью фазовых превращений и диффузионных процессов:

• Превращение остаточного аустенита в мартенсит. Криоохлаждение снижает долю остаточного аустенита, повышая твердость и структурную стабильность
• Выделение и перераспределение тонких карбидов при последующей выдержке и нагреве, что улучшает износостойкость.
• Влияние на остаточные напряжения: возможна как их релаксация, так и частичное увеличение из‑за мартенситных превращений — потому часто требуется криогенный отпуск.
• Изменение магнитных и электрических свойств через перестройку фаз и распределение углерода/карбидов.

 2. Технологические схемы и оборудование

2.1 Типовые схемы

• Классическая: закалка → охлаждение → криогенная выдержка в сжиженном Азоте → плавный нагрев → отпуск.
• Глубокая: прямое погружение в жидкий азот до температуре −196 °C или в более холодные среды с выдержкой до 1–48 часов.
• Комбинированные циклы: несколько криоциклов для оптимизации выделения карбидов
• 
  
• 

2.2 Оборудование

• Криогенные камеры, газификаторы, криогенные емкости, танк-контейнеры, резервуары и криогенные установки с программируемыми контролем уровня жидкости и уровня сжиженного газа.
• Системы безопасности: вентиляция, трубопровод линии газосброса, датчики кислорода, автоматика контроль давления, предохранительная арматура.
• Средства контроля: термопары, регистраторы профиля температуры, уровнемеры, манометры, дифманометры.

2.3 Ключевые параметры

 1.    Температура

·         Достигаемый температурный режим: −80…−196 ∘C

·         Влияние:

o    Низкие температуры (ближе к −196 °C) обычно дают более полный переход фаз и снимают внутренние напряжения, но увеличивают риск появления дефектов у некоторых сплавов.

o    Температура около −80 °C используются для деликатных материалов или для частичной обработки.

·         Рекомендации:

o    Уточнить целевой эффект (усталостная прочность, твердость, снятие остаточных напряжений).

o    Для массовых операций стандартизировать процесс, определив источник подачи газа – в виде газификатора. Определить необходимый диапазон температуры и обеспечивать автоматизацию подачи газа для однородности внутри камеры.

 2.    Время выдержки

·         Необходимый диапазон: от 1–2 часов до 24–48 часов.

·         Влияние:

o    Выдержка в течении 1–2 ч может быть достаточна для мелких деталей или когда нужна лишь поверхностная стабилизация.

o    Длительная выдержка (сутки и более) применяется для полного изменения структуры.

·         Рекомендации:

o    Подбирать время в зависимости от толщины/массы детали и требуемой глубины термической трансформации.

o    Проводить контроль образцов (микроструктура, твердость) при разработке режима.

 3.    Скорость охлаждения

·         Контролируемая скорость охлаждения (особенно для крупных деталей).

·         Влияние:

o    Слишком быстрое охлаждение → возможно появление тепловых градиентов, трещин, деформации.

o    Слишком медленное охлаждение → неполное достижение целевого состояния или длительный цикл достижения необходимой температуре на всем объеме заготовки .

·         Рекомендации:

o    Использовать программируемые контроллеры охлаждения.

o    Установить максимальный допустимый интервал снижения температуры ∘C/ч для выбранного материала.

o    Для крупных изделий применять поэтапное охлаждение с поддержанием промежуточных температур.

3. Преимущества и недостатки

3.1 Преимущества

• Повышение износостойкости. Криогенная обработка способствует завершению мартенситного превращения и выделению мелких карбидов, что повышает твердость и снижает скорость износа. На практике эффект наиболее заметен для режущих инструментов, штампов и деталей подшипникового узла.
• Снижение доли остаточного аустенита — улучшение стабильности размеров. Уменьшение остаточного аустенита снижает склонность детали к последующей деформации и коррекции размеров в эксплуатации или при дальнейшей термообработке; это особенно важно для прецизионных деталей и сборочных узлов.
• Возможность улучшить трещиностойкость и продлить ресурс деталей. За счёт равномерного распределения и уменьшения объёма нестабильных фаз снижается риск зарождения и развития микротрещин. В некоторых случаях это позволяет увеличить число циклов до отказа и отодвинуть необходимость частой замены.
• Частичная экономия на легировании при достижении требуемых свойств. Криообработка может частично компенсировать снижение легирования: для достижения тех же показателей износостойкости и твердости иногда требуется меньшая концентрация дорогостоящих легирующих добавок. Однако экономия зависит от конкретных требований и сталей.

3.2 Недостатки и риски

• Риск термических ударов и появление трещин при некорректном охлаждении. Резкие перепады температур и неравномерное охлаждение приводят к образованию трещин и искажению формы. Чтобы снизить риск, требуется грамотный режим охлаждения/нагрева и контроль распределения температуры по детали.
• Эффективность сильно зависит от химического состава стали. Наибольшую пользу приносят высокоуглеродистые и инструментальные стали с возможностью сокращения количества аустенита; низкоуглеродистые и стабильно аустенитные марки проявляют мало или совсем не проявляют эффекта. Это требует предварительных испытаний на конкретном материале.
• Дополнительные затраты на оборудование для хранения сжиженного газа и безопасность. Инвестиции в установки, расходы на жидкий азот, регулярное обслуживание и обучение персонала увеличивают себестоимость процесса. Также необходимы меры по охране труда при работе с низкотемпературными средами.
• Возможное увеличение остаточных напряжений — чаще требуется отпуск. После криообработки в материале могут возникать новые внутренние напряжения, поэтому часто рекомендован последующий отпуск для их снятия и стабилизации свойств. Это добавляет этап и затраты.

4. Области промышленного применения

·         Увеличение ресурса

Режущие инструменты, изготовленные из быстрорежущей стали (HSS или покрытые твердыми сплавами/покрытиями PVD/CVD), выигрывают от улучшений поверхности и термообработки. Это снижает износ кромки, уменьшает прилипания стружки и позволяет увеличивать скорость резания и глубину резания без потери качества обработки. В результате увеличивается время наработки до восстановления режущей кромки или смены инструмента, что снижает себестоимость обработки и простоев на производстве.

·         Повышение износостойкости и стабильности размеров

Для подшипников и узлов трения важна не только износостойкость, но и сохранение геометрии рабочих поверхностей. Правильные покрытия и упрочняющие процессы уменьшают микровыкрашивание и деформации при циклических нагрузках, повышают устойчивость к коррозии и адгезии смазки. Это даёт более предсказуемую работу механизма, меньшую вибрацию и увеличенные интервалы технического обслуживания.

·         Улучшение износостойкости и профильной стойкости

Для зубчатых колёс критична профильная стойкость — сохранение формы зуба под нагрузкой. Поверхностное упрочнение снижает контактный износ и микроповреждения, предотвращает размытие профиля и повышает несущую способность. На практике это означает более стабильную передачу момента, снижение уровня шума и продлённый срок службы трансмиссий.

·         Продление срока службы поверхностей

Формы и штампы подвергаются абразивному и адгезионному износу, а также клеймению обрабатываемого материала. Улучшение поверхности (полировка, твердые покрытия, локальное упрочнение) уменьшает прилипание, облегчает извлечение детали и снижает износ критических рёбер и углов. Это сокращает частоту восстановления штампов и повышает качество отливаемых/высекаемых изделий.

·         Аэрокосмическая и оборонная промышленность

В этих отраслях требования к надёжности, температурной и циклической стойкости особенно высоки. Применяемые технологии поверхностной обработки и материаловедения направлены на обеспечение долговечности при экстремальных условиях (температурные перепады, коррозионная среда, циклические нагрузки). Это критично для элементов двигателей, шасси, крепежа и герметичных соединений — от этого зависят безопасность и сохранность систем в эксплуатации.

·         Электротехника и магниты

В электронике и электромашиностроении важна не только механическая, но и магнитная характеристика материалов. Тонкие покрытия, термообработки и легирование позволяют корректировать коэрцитивность, насыщение и потери на перемагничивание (в том числе уменьшать вихревые токи). Также используются изоляционные слои и барьеры для уменьшения потерь и улучшения стабильности магнитных цепей в статорах, роторах и постоянных магнитах.

5. Практические рекомендации по внедрению

1. Провести анализ материала: химсостав, исходная структура.
2. Провести пилотные испытания на образцах.
3. Провести контроль профиля охлаждения — ступенчатое для больших масс.
4. Подобрать необходимое криогенное оборудование (емкость)
5. Последующий отпуск для снятия хрупкости и стабилизации.
6. Организация безопасности при работе с LN2.

6. Ограничения, нормативы и рекомендации

• Эффект зависит от состава стали — у низкоуглеродистых сталей результат может быть незначителен.
• Рекомендуется консультация с металлургом и серия контрольных испытаний перед серийным внедрением.
• Формализованных международных стандартов мало; обычно используются внутренние спецификации.

7. Заключение

Криогенная закалка — эффективный дополнительный приём термообработки для улучшения твердости, износостойкости и стабильности размеров деталей. Метод даёт заметные преимущества при правильном подборе режимов и организации процесса, но требует внимательного контроля, последующего отпуска и соблюдения мер безопасности, а криогенное оборудование нашей компании поможет Вам в этом

С уважением к Вам

Менеджер по работе с корпоративными

клиентами ООО "Крионика"

Кравец Егор

Тел.: +7(3412) 56-55-97

E-mail: info@predklapan.ru