Результаты криогенной обработки

В результате криогенной обработки металлопродукции происходят структурно-фазовые изменения, которые приводят к значительному улучшению физических, механических свойств материалов и эксплуатационных характеристик изделий.

В частности повышаются износостойкость, твердость, коэрцитивная сила, что в конечном итоге позволяет увеличить ресурс изделий в 2-3 раза.

1. Увеличение ресурса

Увеличение ресурса обеспечивает повышение производительности оборудования, снижения аварийности и является мощным резервом экономии средств, энергии, трудовых и материальных затрат. Вскрыть резервы экономии средств позволяет криогенная обработка. Повысить надежность, долговечность, усталостную прочность, качество и конкурентоспособность продукции.

Разновидность материала


Наименование детали, инструмента

Материал

Результаты

увеличение ресурса, %

отзывы

Конструкционные стали

Шпилька

30ХГСА

25

из стали 30ХГСА изготавливают ресурсный крепеж (шпильки, болты) группы прочности 10.9, который должен выдерживать не менее 200 тысяч циклов нагружения. В результате применения при изготовлении шпилек криогенной обработки ресурс достиг 375 тысяч циклов. Таким образом, установлено значительное увеличение усталостной прочности ресурсного крепежа на 25% в результате криогенной обработки. (ЗАО «Ижевский опытно-механический завод», г. Ижевск)

Ролик

3Х3М3Ф

43

ролик из стали 3Х3М3Ф с криогенным упрочнением при эксплуатационных испытаниях показал повышение стойкости на 43%. Стойкость упрочненного ролика составила 71,5 тн/шт., что на 21,5 тн/шт. больше стойкости ролика без криогенной обработки. (ОАО «Северсталь-Метиз», г. Череповец).

Нож

40Х13

80

криогенная обработка комплекта ножей - 8 штук из стали 40Х13 для куттера Л23ФКВ (объемом 325л) показала увеличение ресурса в 2 раза. (ОАО «Игринский мясокомбинат», п. Игра)

Нож

50Х14МФ

100

в результате криогенного воздействия на инструментальные стали дисковых и сегментных промышленных ножей наблюдается на 5-ти сталях значительное повышение средних значений твердости. В среднем твердость выросла на 2,14 единицы HRC. Разброс твердости уменьшился по пяти сталям на 3,0%, что положительно сказалось при эксплуатационных испытаниях на износ. (ЗАО «Аратон», г. Шадринск)

Рессорно-пружинные стали

Нож

5ХВ2С

100

в результате криогенного воздействия на инструментальные стали дисковых и сегментных промышленных ножей наблюдается на 5-ти сталях значительное повышение средних значений твердости. В среднем твердость выросла на 2,14 единицы HRC. Разброс твердости уменьшился по пяти сталям на 3,0%, что положительно сказалось при эксплуатационных испытаниях на износ. (ЗАО «Аратон», г. Шадринск)

Пружина

60С2ХФА

39

в результате криогенной обработки пружин для дисков сцепления зафиксировано, что ресурс пружин увеличился с 120 000 до 270 000 циклов. (ООО «НПО «Импульс»)

Нож

6ХВ2С

100

стойкость ножей барабанных ножниц из стали 6ХВ2С с криогенной обработкой при опытной эксплуатации выше в два раза по сравнению с не упрочненными ножами. Твердость ножей в среднем увеличилась на 2 единицы HRC после криогенного упрочнения. Существенно снизился разброс твердости. (ПАО «Северсталь»).

Пружина

65

125

по окончании криогенной обработки были проведены циклические испытания, при которых было зафиксировано, что ресурс пружин увеличился с 120 000 до 270 000 циклов. (ООО «НПО «Импульс»)

Подшипниковые стали

Пуансон

ШХ15

15

твердость вытяжного пуансона из стали ШХ15 в результате криогенного упрочнения в среднем повысилась на 3 единицы HRC, а эксплуатационная стойкость выросла на 15%.

Инструментальные стали

Нож

ХВГ

50

в результате криогенного воздействия на инструментальные стали дисковых и сегментных промышленных ножей наблюдается значительное повышение средних значений твердости. В среднем твердость выросла на 2,14 единицы HRC. Разброс твердости уменьшился по пяти сталям на 3,0%, что положительно сказалось при эксплуатационных испытаниях на износ (ЗАО «Аратон», г. Шадринск).

Нож

Х6Ф1

50

в результате криогенного воздействия на инструментальные стали дисковых и сегментных промышленных ножей наблюдается значительное повышение средних значений твердости. В среднем твердость выросла на 2,14 единицы HRC. Разброс твердости уменьшился по пяти сталям на 3,0%, что положительно сказалось при эксплуатационных испытаниях на износ (ЗАО «Аратон», г. Шадринск).

Матрица

Х12МФ

25

матрица обрезная из стали Х12МФ с криогенным упрочнением обеспечила прирост эксплуатационной стойкости на 25%. Твердость после криогенной обработки увеличилась на 3,9 единицы HRC.

Кольцо внутреннее

Х12МФ

25

в результате криогенной обработки кольца внутреннего пресса «Ateliers Roche» для раздачи концов труб НКТ (твердость кольца до криогенной обработки 57-59 HRC) стойкость кольца увеличилась на 15%; налипание металла трубы на рабочий поясок кольца в процессе эксплуатации отсутствует, что повысило производительность процесса. (ПАО «Синарский трубный завод»).

Валок

Х12ВМФ

33

по результатам криогенной обработки профилирующих валков для производства труб 20х20 мм фактическая стойкость к ударно-абразивному износу выросла на 22-24% выше (ОАО «Альметьевский трубный завод», г. Альметьевск).

Клеймо

8ХФ

15

клеймо ударное из стали 8ХФ, применяемое при маркировке деталей, в результате криогенной обработки показало повышение стойкости на 15% (ПАО «УМПО» г. Уфа).

Цанга

9ХС

50

в результате криогенного упрочнения партии цанг зажимных для инструмента с цилиндрическим хвостовиком из стали 9ХС установлено незначительное повышение твердости на 0,1 HRC. Отмечен значительный прирост коэрцитивной силы в результате криогенного упрочнения на 7,4 А/см. Что положительно сказалось на повышении износостойкости и усталостной долговечности цанг из стали 9ХС при эксплуатации. Срок службы зажимных цанг с криогенной обработкой повысился на 50% (ЗАО «ПО «Джет», г. Ижевск).

Быстрорежущие стали

Фреза

Р6М5

150

1. Опытные работы по определению стойкости фрезы модульной 2510–2314 (материал фрезы — сталь Р6М5), прошедшей переточку, после криогенной обработки. Испытание фрезы проводились на детали ДПКР.303812.002 — колесо зубчатое. В результате испытаний установлено увеличение ресурса работы фрезы ориентировочно в 1,5 раза (Группа компаний RIMERA, ООО «ИжНефтеМаш», г. Ижевск)

2. Проведены работы по определению стойкости фрезы модульной 2510–2314 (материал фрезы — сталь Р6М5) после криогенной обработки. Испытания фрезы проводились на детали ДПКР.721632.003 вал-шестерня. В результате ресурс работы фрезы увеличился в 2 раза. Нормативный показатель стойкости увеличился в 2 раза (Группа компаний RIMERA, ООО «ИжНефтеМаш», г. Ижевск).

3. Проведена криогенная обработка модульных фрез для зуборезного станка 5К32А. В результате срок службы увеличился на 115%, производительность фрезы увеличилась. (ООО «РемПривод», г. Ижевск).

Осевой инструмент

HSS-E DIN338

150

сверло Ø3,4х39х70, ц\х HSS-E DIN338 (Fenes) с криогенным упрочнением обработало 9448 деталей при базовой стойкости 3695 шт. Коэффициент стойкости составил 2,56 (АО «ИНТЕРСКОЛ-Алабуга», г. Елабуга).

Ленточная пила

Х3000 (ближайший отечественный аналог 10Р2М10К8)

52

в результате криогенной обработки 3-х полотен ленточной пилы Marathon Х3000 34х1.1 производства WIKUS Sagenfabrik (Германия) было выявлено увеличение ресурса на 52%, что дало экономический эффект, составляющий 45% от стоимости инструмента. Принято решение о 100%-ой криогенной обработке полотен ленточных пил (ООО «НПП «АРСЕНАЛ», г. Ижевск)

Нержавеющие стали

Нож

50Х14МФ

50

в результате криогенного воздействия на инструментальные стали дисковых и сегментных промышленных ножей наблюдается значительное повышение средних значений твердости. В среднем твердость выросла на 2,14 единицы HRC. Разброс твердости уменьшился по пяти сталям на 3,0%, что положительно сказалось при эксплуатационных испытаниях на износ (ЗАО «Аратон», г. Шадринск).

Аустенитные стали

Зуб ковша

110Г13Л

36

1. при испытаниях криогенно обработанных зубьев ковша экскаватора модели ЭКГ-5А не выявлено следов опережающего износа зубьев; деформации, трещины, сколы не обнаружены. Криогенно обработанные зубья показали увеличенную износостойкость (АО «Сухоложский литейно-механический завод», г. Сухой Лог).

2. по результатам криогенной обработки зубьев ковша экскаватора ЭКГ-5А с последующим испытанием в условиях Открытого рудника ПАО «Гайский ГОК» комплектом зубьев ковша экскаватора отгружено 28 000 м³ породы. Для сравнения - без криогенной обработки в среднем отгружается 20 519 м³. Абразивная износостойкость зубьев повысилась на 26,7%. (АО «Сухоложский литейно-механический завод», г. Сухой Лог).

Твердосплавные стали

Пильный диск

ВК8

65

До криогенной обработки заточку пильного диска производили раз в 3 дня. После криогенной обработки заточка пильного диска требуется раз в 5 дней (ООО «Перспектива», г. Глазов).

Стали с покрытием

Фрезы с покрытием AlNiT

9ХС

30

Увеличение ресурса криогенно обработанных твердосплавных концевых фрез до 30% (ООО «Иж-Техно Тюнинг», г. Ижевск).

Чугун

Диск тормозной

Серый чугун

70

1. В ходе эксплуатации криогенно обработанных передних тормозных дисков автомобиля «Газель» было установлено, что ресурс увеличился практически в 2 раза (с 70 000 до 120 000 км) (ООО «ТехГазтранс», г. Ижевск).

2. Абразивная износостойкость образцов тормозных дисков из серого чугуна в результате криогенной обработки повысилась на 11-73% по параметрам линейного износа и на 5-42% по параметрам массового (весового) износа (Институт механики УрО РАН, г. Ижевск).

Медь, серебро, золото, платина

Аудиокабель



1. «…звук стал максимально чистым и прямым, низкие и высокие тона открылись по-новому, наполнились широким и глубоким звучанием» (ИП Посудин А.Е., г. Москва).

2. «…металл избавился от какого-либо внутреннего напряжения, в результате чего активное сопротивление проводника достигает минимально возможных величин для применяемого материала. Звук стал более насыщенным, низкие частоты приобрели богатый тембр и приятную упругость, середина открылась, а высокие частоты стали ясными с бесконечным богатством послезвучия (ООО «Астория», г. Москва).


2. Увеличение износостойкости

Эксплуатационная надежность деталей и инструмента находится в прямой зависимости от их прочности и износостойкости. Производственный опыт показывает, что наименьший износ деталей возможен в тех случаях, когда достигается более высокая и равномерная твердость рабочей поверхности. Многократные испытания на абразивный износ материалов с различной структурой показали однозначный прирост износостойкости от 11% до 77% в результате криогенной обработки. Криогенная обработка является важнейшим технологическим способом повышения износостойкости.

Наименование детали, инструмента

Материал

Прирост износостойкости, %

Углеродистые стали

Ось

Сталь 10

41

Втулка

Сталь 20

22

Конструкционные стали

Ролик

3Х3М3Ф

48

Труба

10Г2ФБЮ

16

Вкладыш

12Х2Н4А

38

Ролик

18ХНВА

36

Втулка

20Х

36

Шнек

20ХГНМР

52

Прошивень

35ХН2Ф

36

Втулка

38ХМА

14

Болт

40Х

35

Оправка

4Х5МФС

71

Призма

45

60

Нож

45Х2Н4МФ

46

Нержавеющие стали

Вал

05Х16Н4Д2БА

21

Диск

10Х15Н9С3Б1-Ш

11

Нож

40Х13

36

Нож

50Х14МФ

59

Нож

50Х14МФ

37

Рессорно-пружинные стали

Цанга

65Г

63

Подшипниковые стали

Кольцо

ШХ9

26

Пуансон

ШХ15

32

Оправка

ШХ15СГ

75

Инструментальные стали


Развертка

У10

36

Нож

5ХВ2С

39

Нож

6ХВ2С

29

Вставка

Х6Ф1

30

Нож

ХВГ

35

Зенкер

Р9

32

Метчик

Р18

34

Фреза

Р6М5

33

Ролик

Х12

46

Пластина

Х12Ф1

43

Матрица

Х12МФ

35

Валок

Х12ВМФ

41

Клеймо

8ХФ

64

Цанга

9ХС

31

Линейка

90Х4М4ВФ

42

Аустенитные стали

Зуб ковша

110Г13Л

24

Стали с покрытием

Пластина с PVD

9ХC

77

Пластина с PVD

Р6М5

77

Пластина с PVD

Х12МФ

61

Твердосплавные стали

Пластина

МС221

11

Пластина

ВК8

14

Пластина

МС146

35

Пластина

Т15К10

36

Чугун

Диск тормозной

серый чугун

55


3. Увеличение твердости и снижение разброса твердости

Измерение твердости получило широкое применение для контроля качества металла в металлических изделиях и деталях для оценки: стабильности технологических процессов изготовления, остаточного безопасного ресурса, качества термической обработки. Охлаждение до криогенных температур создает более однородную структуру, повышает твердость, но и выравнивает её по сечению детали или по рабочей поверхности, тем самым существенно снижается разброс твердости. Криогенное воздействие значительно интенсивнее повышает твердость, чем многократный отпуск быстрорежущих и легированных инструментальных сталей. При этом твердость получается более равномерной. На закаленных сталях можно получить такой уровень твердости в результате криогенной обработки, которого невозможно достичь другими способами термической обработки.

Наименование детали, инструмента

Материал

Значения показателей

Твердость, HRC

Разброс твердости, %

до криогенной обработки

после криогенной обработки

до криогенной обработки

после криогенной обработки

Углеродистые стали

Труба

10Г2ФБЮ

19

20,4

60

42

Вкладыш

12Х2Н4А

56,5

62

-

-

Ролик

18ХНВА

58

64

-

-

Втулка

Сталь 20

43

46

8

4

Шнек

20ХГНМР

580

590

4

2

Конструкционные стали

Шпилька

30ХГСА

39

42

-

-

Ролик

3Х3М3Ф

57

58

7

4

Прошивень

35ХН2Ф

58

59,7

14

6

Втулка

38ХМА

40

46

14

10

Болт

40Х

254

269

17

8

Оправка

4Х5МФС

54,5

56

4

3

Призма

45

61,5

64

5,5

3,2

Нож

45Х2Н4МФ

59,4

62

4

1,5

Нержавеющие стали

Вал

05Х16Н4Д2БА

45

50

8

5

Диск

10Х15Н9С3Б1-Ш

37,7

43,4

7

6

Нож

40Х13

59

59,6

7,2

3,8

Нож

50Х14МФ

58,4

61,9

35

6

Нож

50Х14МФ

52,2

53,8

19

7,8

Рессорно-пружинные стали

Нож

5ХВ2С

61,1

61,2

2

1

Пружина

60С2ХФА

47,5

49

10

4,7

Нож

6ХВ2С

58,2

62

9,5

0,5

Цанга

65Г

60,5

61

5,8

2,6

Подшипниковые стали

Кольцо

ШХ9

59,4

62

8

7,5

Пуансон

ШХ15

59,8

64

11

3,7

Оправка

ШХ15СГ

60,5

62,5

3

2

Инструментальные стали

Развертка

У10

62

63,5

4

2

Вставка

Х6Ф1

60

62,4

4

3

Нож

ХВГ

61

61,9

9

5,5

Зенкер

Р9

62

64

3

2

Метчик

Р18

63

64

3

2

Фреза

Р6М5

59

61,5

4

2

Ролик

Х12

61,4

61,9

4

0

Пластина

Х12Ф1

61

62

7

1

Матрица

Х12МФ

60,5

61,7

5

3

Валок

Х12ВМФ

61,5

62

3

1

Клеймо

8ХФ

52,7

53,2*

7,4

3,2

Цанга

9ХС

61,9

62,1

0

0

Линейка

90Х4М4ВФ

59,9

60,8

10

2

Аустенитные стали

Зуб ковша

110Г13Л

415

430

42

32

Чугун

Диск

Серый чугун

211

216

8,5

7,5


4. Увеличение коэрцитивной силы

Коэрцитивная сила, как структурно-чувствительная характеристика, зависящая от кристаллической и фазовой структур материала, применяется для неразрушающего контроля качества термической обработки многих изделий из ферромагнитных сталей и сплавов. Чем больше размер зерна и более совершенна структура кристаллической решетки, тем меньше коэрцитивная сила. В результате закалки и криогенной обработки формируется мелкозернистая структура, которая обладает большей суммарной удельной поверхностью зерен и соответственно увеличивается коэрцитивная сила.

Наименование детали, инструмента

Материал

Значение коэрцитивной силы, А/см

до криогенной обработки

после криогенной обработки

Углеродистые стали

Труба

10Г2ФБЮ

9,9

10,3

Втулка

20

61,2

61,9

Шнек

20ХГНМР

62,1

62,5

Конструкционные стали

Прошивень

35ХН2Ф

51,4

51,6

Призма

45

22,2

24,5

Нож

45Х2Н4МФ

57,7

58,3

Нержавеющие стали

Нож

50Х14МФ

58,8

59

Рессорно-пружинные стали

Пружина

60С2ХФА

55

56


Нож

6ХВ2С

60

60,5

Цанга

65Г

64,3

64,5

Подшипниковые стали

Оправка

ШХ15СГ

16,1

18,3

Инструментальные стали

Цанга

9ХС

57,3

64,7

Чугун

Диск

Серый чугун

11,8

12,1


5. Снижение содержания аустенита

Превращение остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит происходит не только при отпуске (нагреве стали), но и при охлаждении до криогенных температур. Это не одинаковые пути превращения остаточного аустенита и весьма различно влияют на окончательные свойства стали. Охлаждение до криогенных температур изменяет свойства стали в одинаковом направлении. Превращение остаточного аустенита увеличивает в структуре количество мартенсита более легированного и имеющего повышенную твердость. Полученные при охлаждении значения твердости практически недостижимы при других способах термической обработки. Охлаждение до криогенных температур позволяет уменьшить количество аустенита в 2,0 – 3,5 раза, а в некоторых случаях – до 8 раз.

Наименование детали, инструмента

Материал

Значение содержания аустенита, %

до криогенной обработки

после криогенной обработки

Углеродистые стали

Вкладыш

12Х2Н4А

15

2

Рессорно-пружинные стали

Цанга

65Г

10

5

Подшипниковые стали

Кольцо

ШХ9

27

4

Пуансон

ШХ15

28

4

Оправка

ШХ15СГ

32

4

Инструментальные стали

Развертка

У10

12

5,5

Нож

ХВГ

24

9

Зенкер

Р9

28

12

Метчик

Р18

28

12

Цанга

9ХС

11

7


6. Снижение коэффициента трения

Снижения коэффициента трения технологическими методами традиционно добиваются нанесением высокоэффективных низкофрикционных покрытий. Актуальность проблемы снижения коэффициента трения в винтовых и зубчатых исполнительных механизмах обусловлена высокими энергетическими характеристиками и значительными потерями на трение, достигающими до 60%.

При сравнительных испытаниях на износ пар трения в условиях смазки маслом бронзовой втулки и цементованного стального образца (18ХНВА) без криогенного воздействия и с дополнительным криогенным упрочнением, установлено снижение коэффициента трения на 11% у пары трения с криогенной обработкой. При этом износоустойчивость возросла в результате криогенной обработки в среднем на 36% [1].

Аналогичный эффект снижения коэффициента трения установлен при сухом трении в режиме фреттинг изнашивания в результате криогенной обработки образцов из улучшенной стали 38ХМА по стали ШХ15 на 50%. При этом установлено повышение износостойкости на 11% в результате криогенного упрочнения образцов из стали 38ХМА.