Криогенная обработка - повышение прочности металлов и снижение издержек производства

В современной металлургической промышленности существуют различные технологии повышения износостойкости деталей, механизмов и инструмента. Жесткие условия конкурентной борьбы диктуют свои правила: как повысить ресурс, увеличить износостойкость и при этом сократить издержки? Сильные рыночные позиции займет тот, кто раньше сможет не только озадачиться этими вопросами, но и найдет самый верный ответ.

Каждая из существующих технологий упрочнения металлов имеет свои преимущества и недостатки. Единственное, что их объединяет, – изменения происходят только в поверхностном слое металла, в лучшем случае на глубину 2-3 мм. Такой показатель не позволяет говорить о максимальном увеличении упрочнения и ресурса в целом.

Тем не менее, сегодня в России существует технология, позволяющая улучшать характеристики во всем объеме изделия – это криогенная обработка. Эта технология представляет собой процесс медленного охлаждения деталей и инструментов в криопроцессоре до температуры жидкого азота с последующей выдержкой при этой температуре в течение 24-36 часов. После чего происходит процесс постепенного возврата к комнатной температуре. Процесс изменения температуры автоматизирован и контролируется с точностью до одного градуса.

При этом криогенная обработка в сравнении с применяемыми технологиями позволяет значительно увеличить износостойкость деталей, повысить их усталостную прочность, увеличить коррозионную и эрозионную стойкость, снять остаточные напряжения, повысить ресурс, уменьшить склонность металла к задирам, повысить его теплопроводность.

На сегодняшний день другой такой технологии в мире не существует.

История технологии началась в 30-е годы прошлого столетия. По одной из версий, впервые «криозакалку» начали применять в Германии, и после Второй Мировой войны один из немецких инженеров, перебравшийся в США, стал использовать свой опыт закаливания.

По второй версии - криогенная закалка появилась в середине 30-х годов в Советском Союзе. По крайней мере, профессор Гуляев А.П. в учебнике «Металловедение» описывает эффективность применения данной технологии.

Но это было только зарождение технологии, первые опыты ее применения. В современной технологии сохранился сам подход - металл охлаждается до сверхнизких (криогенных) температур.

В Европе и СССР данная технология не получила должного развития, и этот процесс так и остался на уровне 30-х годов. Возможно, каждый опытный термист скажет, что он знает о криогенной закалке и даже отчасти применяет её. Но чаще всего речь идет об охлаждении металла до температуры 60-90 градусов для уменьшения остаточного аустенита в инструментальных сталях. Эти температуры далеко не криогенные, да и эффект довольно ограниченный.

В 70-80 годы пытались активно внедрять закалку инструмента из быстрорежущих сталей в жидком азоте, но это не только не давало ожидаемого результата, но и приводило к снижению прочности инструмента, поскольку появлялись микротрещины из-за резкого и неравномерного охлаждения.

В США же эту тему развивали, и десятилетия исследований и опытов привели к результату - в настоящее время технология криогенной обработки успешно применяется во многих отраслях американской промышленности.

С сентября 2013 года эта технология стала доступна и в России, поскольку Научно-производственный центр «Криогенные технологии повышения ресурса», входящий в Группу компаний «Технические Газы», стал эксклюзивным представителем американской компании 300 Below.Inc.

НПЦ «КриоТехРесурс» производит криогенные процессоры для криообработки, оказывает услуги по криогенной обработке.

Стоит отметить, что криогенная обработка – это однократный процесс, который не нуждается в повторении, поскольку все свойства материалов, приобретенные в ходе глубокого охлаждения, сохраняются в течение всего срока службы деталей. Впрочем, иногда возникает необходимость повторить процесс. Это происходит с целью снятия вновь приобретенных напряжений после обработки заготовки и операций механической обработки.

Во время криогенной обработки происходят следующие основные изменения в структуре металла:

• Увеличение твердости, износостойкости и прочности в результате трансформации остаточного аустенита в мартенсит.

Охлаждение до низких температур дает возможность осуществления дальнейшей трансформации остаточного аустенита в мартенсит. Остаточный аустенит относительно мягок, что не придает ему требуемых свойств износостойкости и прочности. Прочность стали возрастает при увеличении содержания мартенсита в структуре.

• Улучшение формоустойчивости (стабильности размеров).

Остаточный аустенит нестабилен при комнатной температуре и со временем начинает распадаться. Для большинства сфер применения это не является проблемой. Однако, там, где требуются, чрезвычайно точные допуски, этот распад может привести к изменению размеров в результате различий в кристаллографических размерах фаз. Формоустойчивость можно улучшить путем повторения циклов низкотемпературной обработки. Это может оказаться важным там, где размерные допуски имеют критическое значение. Причем это работает не только на сталях, но и на сплавах цветных металлов, таких как алюминий и титан.

• Увеличение ударной прочности и износостойкости сталей.

В дополнение к хорошо известному эффекту трансформации остаточного аустенита в мартенсит с соответствующим увеличением твердости глубокая криогенная обработка оказывает воздействие и на мартенсит. Происходящие во время криообработки кристаллографические и микроструктурные изменения приводят к образованию и более равномерному распределению карбидов легирующих элементов в микроструктуре с последующим увеличением ударной прочности и износостойкости. Мелкодисперсные карбиды заполняют пограничные области образования трещин и микропустоты в структуре, создавая более когерентную кристаллическую структуру. Количество этих карбидов увеличивается при понижении температуры обработки и увеличении времени выдержки.

• Увеличение ресурса за счет снятия остаточных напряжений.

Все детали и инструменты производятся с внутренними произвольными напряжениями сжатия и растяжения в результате предшествующих технологических операций. В результате этих напряжений детали деформируются во время нагрева при эксплуатации, в зонах напряжений, как правило, со временем зарождаются усталостные трещины, что отрицательно сказывается на ресурсе изделия.

Структурные изменения с однородным расширением и сжатием, происходящие во время криогенной обработки, способствуют практически полному снятию внутренних напряжений металла.

Применение криогенной обработки актуально практически для любой отрасли, где присутствует трение, и есть необходимость в повышении усталостной прочности и износостойкости, но наибольшего эффекта можно добиться в следующих отраслях:

1.Промышленность. Тут применение безгранично. Практически любое оборудование работает на износ, и именно с ним наиболее эффективно борется криогенная обработка. В любой отрасли: нефтедобывающее оборудование, станки, строительные и дорожные машины, буровое и горнодобывающее оборудование, жидкостные насосы, грузоподъемные механизмы… Оборудование, в котором присутствуют пары трения, будет служить дольше с учетом применения технологии.

Кроме повышения износостойкости иногда немаловажным фактором будет улучшение условий работы оборудования за счет лучшей теплопередачи криогенно обработанных деталей.

Отдельно стоит выделить металлообрабатывающий инструмент, начиная от сверл минимального диаметра и заканчивая огромными прокатными валами. Металлообрабатывающий инструмент, как правило, делается из высоколегированных сталей с высоким содержанием углерода. Именно на этих сталях криогенная обработка дает наибольший эффект.

Для любого металлообрабатывающего предприятия инструмент - это одна из основных статей расходов. Ресурс инструмента в результате обработки может повыситься в 2-3 раза (в ряде случаев до 6 раз). Но расходы сокращаются не только за счет экономии на стоимости инструмента, но и за существенное сокращение времени простоя оборудования для замены инструмента и последующей его настройки.

2.Оборонно-промышленный комплекс. Этот пункт во многом пересекается с двумя предыдущими. Но есть и свои особенности.

Криогенная обработка может многократно повысить ресурс самой главной части огнестрельного оружия – ствола. Не важно, пистолет это, танк или корабельное орудие, производители всегда борются за повышение ресурса. Кроме того, повышается стабильность термических деформаций при стрельбе, что не может не сказаться на точности. Кроме стволов, технологию можно применить при обработке точных приводов и механизмов, кронштейнов для установки оптических приборов на боевой технике, электронных компонентов и многого другого.

3.Электроника и аудиотехника.

Криогенная обработка позволяет снять остаточные внутренние напряжения в структуре проводника, что увеличивает его проводимость или, иными словами, снижает сопротивление. В результате ток электронов в проводнике становится более свободным, причем не только на протяжении самого проводника, но и в зонах соединения проводника с коммутационными разъемами.

Диэлектрические материалы, которые используются для изоляции кабелей, также становятся более однородными и обеспечивают лучшую изоляцию. В отличие от многих «эзотерических» факторов, на которые так любят ссылаться маркетологи, улучшения характеристик кабелей, прошедших криогенную обработку, могут быть без труда измерены. Сопротивление аудиокабеля уменьшается, а специальные инфракрасные детекторы фиксируют уменьшение рассеиваемого кабелем тепла на 30 – 40%. Для аудиокабеля этот показатель является очень важным, поскольку позволяет существенно увеличить эффективность при той же самой мощности усилителя.

4.Транспорт. Применение этой технологии возможно для любого вида транспорта: автомобильного, авиационного, железнодорожного, речного и морского, пожалуй, кроме вьючных лошадей, у которых кстати можно обработать подковы.

Криогенная обработка позволяет значительно повысить ресурс тормозных дисков, подшипников, зубчатых и цепных передач, всевозможных шарниров, пружин, втулок и любых других деталей, где присутствует трение. Отдельно стоит сказать об обработке двигателей. Двигатель с обработанными элементами (а можно обработать и весь двигатель в сборе), не только имеет значительно больший ресурс, но и на несколько процентов повышается мощность. Понятно, что эффект виден не сразу, но со временем он все заметнее и больше «радует карман». Особенно показательно применение технологии в автоспорте, где любая мелочь может решить исход гонки.

5.Музыкальные инструменты. Большая часть духовых инструментов сделаны из меди и латуни. Криогенная обработка положительно влияет на их структуру. В этой области не было проведено серьезных научных исследований, но то, что звучание инструмента улучшается, - это бесспорно. Обработанный музыкальный инструмент успели оценить не только отдельные музыканты, но и целые оркестры мира.

Криогенная технология не только может поспорить с применяемыми традиционными технологиями в сфере увеличения износостойкости и упрочнения, но и существенно улучшить механические характеристики обрабатываемых изделий без нежелательного повышения хрупкости и других побочных эффектов. При этом применение технологии криогенной обработки позволяет значительно снизить издержки, что в конечном итоге обязательно отразится на эффективности предприятия и позволит занять лидирующие позиции на рынке.