Обработка жидким азотом металла

Обновлено: 02.07.2024

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 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 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 не технология не получила должного развития, и этот процесс так и остался на уровне 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 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 центр «Криогенные технологии», входящий в Группу компаний «Технические Газы» уже производит криогенные процессоры для криообработки и 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. 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.

ПромРынок. Криогенная обработка, или как повысить прочность и снизить издержки

Технология

Криогенная обработка - это термическое упрочнение металлопродукции сверхнизкими температурами (до – 196°С). Криогенная обработка относится к способам направленного изменения структуры и свойств материалов. Процесс криогенной обработки (КО) включает три последовательно идущих стадии: охлаждение объекта обработки с заданной скоростью до температуры минус 196°С; выдержку при криогенной температуре обработки; нагрев объекта обработки до комнатной температуры с установленной скоростью.

Результаты криогенной обработки во многом определяются последовательностью взаимодействия с различными видами термической обработки. На стадии предварительной термической обработки криогенное воздействие используется с целью повышения обрабатываемости ряда материалов, в том числе в сочетании с отжигом или нормализацией. На рис. 1 приведена схема технологического процесса термической обработки в сочетании с криогенной обработкой на предварительной стадии. Уменьшение пластичности и повышение твердости при криогенных температурах позволяет повысить эффективность обработки ряда материалов. По завершении криогенного воздействия объекты обработки подвергаются деформированию или лезвийной обработке до закалки и отпуска.

Рис. 1 - Схема технологического процесса термической обработки в сочетании с криогенной обработкой на предварительной стадии

Наиболее востребованным процессом термической обработки в сочетании с криогенным воздействием, применяемым с целью повышения прочности и твердости, является схема, представленная на рис. 2. 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).

Непосредственно закалка заключается в охлаждении стали со скоростью больше критической с целью получения структуры мартенсита. Мартенсит обладает самой высокой твердостью, в шесть раз больше твердости феррита, уступая только цементиту. Из-за сильного искажения атомно-кристаллической решетки при образовании мартенсита плотность укладки атомов железа резко уменьшается, поэтому мартенсит по сравнению со всеми другими структурами стали имеет самый большой удельный объем, что используется в практике криогенной обработки при восстановлении изношенных деталей и для стабилизации размеров прецизионных изделий. При охлаждении закаленной стали в момент перехода аустенита в мартенсит происходит увеличение объема, что сопровождается большими напряжениями, которые приводят к короблению и изменению размеров.

Рис. 2 - Схема комплексной термической обработки в сочетании с криогенной обработкой на основной стадии

Мартенситная реакция начинается только при определенном переохлаждении аустенита. Температура начала образования мартенсита обозначается М_н и зависит от содержания углерода и легирующих элементов, а точка конца превращения обозначается М_к (рис.3). Для нелегированной стали с содержанием углерода больше 0,5% температура конца мартенситного превращения ниже комнатной. При закалке стали до 20–25°С мартенситное превращение идет не до конца и в мартенситной структуре стали присутствует непревращенный остаточный аустенит. Продолжить мартенситное превращение с устранением остаточного аустенита можно криогенной обработкой на основной стадии до отпуска.

Рис. 3 - Влияние углерода на температуру начала М_н и конца М_к мартенситного превращения

Переход аустенита в мартенсит совершается в точке начала превращения с очень большой скоростью и в течение нескольких тысячных долей секунды большая часть аустенита (70%) переходит в мартенсит, после чего процесс замедляется. Оставшееся количество непревращенного аустенита постепенно переходит в мартенсит по мере дальнейшего понижения температуры при криогенной обработке, и процесс совершенно прекращается в точке М_к. Из диаграммы (рис.3) видно, что чем больше углерода в стали, тем при более низкой температуре заканчивается мартенситное превращение.

Углерод и легирующие элементы в стали (кроме кобальта и алюминия) снижают температуру начала и конца мартенситного превращения. Так при добавлении 1% легирующего элемента к стали с почти 1% углерода температура начала превращения аустенита в мартенсит снижается при легировании марганцем на 45°С, никелем – на 26°С, ванадием – на 30°С, молибденом – на 25°С, хромом – на 35°С, медью – на 7°С [3].

В настоящее время криогенную обработку проводят как отдельную упрочняющую операцию. Предшествует криогенному воздействию закалка и отпуск (рис. 4). Для снятия термических напряжений, вызванных криогенной обработкой проводят повторный отпуск.

Рис. 4 - Схема комплексной термической обработки в сочетании с криогенной обработкой на завершающей стадии

Выдержка стали после закалки при комнатной температуре более 3–6 часов стабилизирует аустенит [6]. Стабилизацию аустенита вызывает перерыв в охлаждении, промежуточный отпуск, длительное вылеживание при комнатной температуре. Окончательно сохраняющееся количество остаточного аустенита колеблется в зависимости от состава стали и условий закалки, от долей процента до десятков процентов. Путем комбинированного воздействия – охлаждение до низких температур и последующего отпуска – иногда удается дополнительно уменьшить количество остаточного аустенита. Нестабильность получаемого результата объясняется тем, что превращение остаточного аустенита закаленной стали в мартенсит происходит не только при охлаждении до низких температур, но и при нагреве стали при отпуске или эксплуатации. Эти неодинаковые пути превращения остаточного аустенита весьма различно влияют на окончательные свойства стали.

Необходимо уточнить, что мартенситное превращение остаточного аустенита при отпуске (нагреве) углеродистых сталей, независимо от содержания углерода, начинается обычно около 240°С и происходит до 325°С. На этот процесс, направленный к повышению твердости и прочности стали, накладывается развивающийся одновременно отпуск мартенсита закалки. Этот второй процесс вызывает обратный эффект, ведущий к понижению твердости, предела прочности и износоустойчивости закаленной стали. Влияние второго процесса является преобладающим, так как он вызывает отпуск не только мартенсита, полученного при охлаждении (закалке), но и мартенсита отпуска, полученного из остаточного аустенита при нагреве. Мартенсит отпуска отличается обеднением по содержанию углерода от мартенсита закалки при отрицательных температурах [1].

Таким образом, охлаждение до криогенных температур сразу после закалки изменяет свойства стали всегда в определенном и одинаковом направлении, поскольку при этом исключается отпуск мартенсита. Такая схема обработки увеличивает в структуре количество мартенсита за счет образования более легированного мартенсита повышенной твердости. Это позволяет получать значительно более высокую твердость закаленной стали, практически не достижимую при других способах термической обработки.

Для получения изделий с различными физико-химическими и механическими свойствами на поверхности и в сердцевине используют химико-термическую обработку стали. Наибольшее распространение из видов химико-термической обработки получила цементация. Для насыщения поверхности изделий углеродом применяют простые углеродистые или легированные стали с 0,15 – 0,25% углерода. Цементованные слои толщиной от 0,8 до 2,5 мм получают с концентрацией углерода 0,9 – 1,3% [7].

После цементации и закалки сталь подвергают криогенной обработке с последующим отпуском (рис. 5). При этом сердцевина стали имеет достаточную прочность и высокую вязкость, так как в ней мало углерода. Поверхность же ввиду высокого содержания углерода приобретает большую твердость и прочность. В обработанном криогенным воздействием цементованном слое образуется структура мартенсита закалки с вкраплениями дисперсных карбидов, повышающих износостойкость стали.

Рис. 5 - Схема термической обработки цементованных деталей с применением криогенной обработки

Из-за внедрения большого количества углерода в кристаллическую решетку железа объем цементованного слоя растет, и в поверхностной зоне детали возникают напряжения сжатия. Прочность, твердость и напряжения сжатия обеспечивают цементованному слою после криогенного воздействия высокую износостойкость, а всей детали – большую усталостную прочность и контактную выносливость.

За 80 лет изучения влияния холода на улучшение механических и эксплуатационных характеристик материалов выявлены следующие преимущества криогенной обработки:

Обработка жидким азотом металла

В конце 80х годов прошлого века зародилась идея использования сжатого жидкого азота для промышленной резки и очистки металлов. В 1990 году учёные из INL - Idaho National Laboratory (Национальная Лаборатория Айдахо), приступили к изучению этой идеи.

1996 год был ознаменован первым успехом на пути реализации применения жидкого азота для очистки металлической поверхности. Учёным удалось удалить радиоактивное загрязнение с поверхности контейнера из нержавеющей стали без создания вторичных отходов. В тот же год учёным удалось произвести успешную резку взрывчатого вещества струёй жидкого азота под высоким давлением без детонации.

В 1999 году авторитетное издание «R & D Magazine» признаёт технологии использования струи жидкого азота под давлением в качестве одной из 100 значимых технических продуктов года, после чего INL получают капитал от инвесторов на коммерциализацию технологии жидких струй азота.

В 2001 году создаётся компания Nitrocision LLC которая становится обладателем эксклюзивных прав на коммерческое использование технологии жидких струй азота.

В 2003 году начинается коммерческое использование технологии. Установка NitroJet становится доступной для покупки или аренды. В тот же год Nitrocision заключает сервисный контракт с NASA на операции резки с применение технологии жидких струй азота.

Начиная с 2004 года ведётся усиленная работа по усовершенствованию технологии. Оптимизируется инструмент с помощью зубчатых передач, разрабатывается эффективная технология литья сопла, технология становится роботизированной.

Начало массового применения технологий резки и очистки металлов струёй жидкого азота под давлением ожидается в 2015 – 2020 годах. Это, безусловно, будет прорыв в металлообработки.

Азот является не взрывоопасным и не ядовитым, он безвреден для окружающей среды, а при производстве азота методом газоразделения, основным побочным продуктом производства является кислород. Таким образом, технологию жидких струй азота можно рассматривать как "зелёную технологию" не оказывающую негативного воздействия на окружающую среду.

Технология резки металла струёй жидкого азота под давлением

Резка всех видов материалов

Возможность применения высокой скорости реза

Практически неограниченная толщина разрезаемого материала

Высокое качество реза металлов больших толщин

Относительная безопасность процесса для человека

Безопасность технологии для окружающей среды

К недостатку можно отнести факт того, что при резке тонкого металла более 5 секунд, он может просто рассыпаться из-за быстрого охлаждения до сверхнизких температур. Но думаю, что и эту проблему удастся решить со временем за счёт применения подогрева плазмой либо другим методом.

Инструмент NitroJet 6000 может быть использован для ручного и роботизированного применения. Небольшие габариты инструмента формирующего струю жидкого азота под давлением, дают возможность использовать технологию для выполнения разделительных операций в широком диапазоне производственных и ремонтных действий. Это, безусловно, положительно скажется на развитии коммерческого использования технологии.

Технология очистки металла струями жидкого азота под давлением

Очистка поверхности происходит при экстремальной температуре менее чем -162, но это не представляет опасности для человека. Это только в кино азот способен моментально замораживать крупные объекты, в реальном физическом мире невозможно моментально заморозить даже небольшой цветок по причине весьма низкой теплоёмкости азота.
Очистка поверхности, как и резка, происходит под большим давлением – до 60 000 psi, эффект значительно усиливается за счёт способности жидкого азота расширяться преобразовываясь в газообразное состояние в 700 раз, тем самым увеличивая кинетическую энергию. Эта технология способна стать достойной альтернативой другим методам очистки поверхностей. Технология успешно используется не только для удаления коррозии и окалины с поверхности металла, огромным достоинством также является возможность удаления межкристаллической коррозии и даже очистки поверхностей от радиоактивного загрязнения без создания вторичных отходов.
Поскольку азот рассеивается обратно в атмосферу, вторичные потоки отходов отсутствуют, для утилизации остаётся только материал, который был удалён с поверхности.
Как упоминалось выше, технология используется в коммерческих целях уже сегодня, но высокая стоимость оборудования (от $200 тыс. до $450 тыс. в зависимости от используемого давления) обусловленная главным образом монопольным коммерческим правом, является пока существенным недостатком.

Технология очистки металлов с помощью струй жидкого азота под давлением, может применяться как для ручной деликатной очитки небольших поверхностей, так и для автоматизированных систем с большой пропускной способностью очищаемого сортамента или готовых изделий. В будущем, эта технология способна заменить современные методы механической очистки металлических поверхностей дробью или песком, а также ряд химических методов очистки поверхностей нержавеющей стали и алюминия, которые являются дорогостоящими и оказывающими негативное влияние на окружающую среду.

Читайте также: