Аннотация
Часто на производствах используется устоявшаяся, но неэффективная технология. Яркий пример — термообработка стальных ножей для резки бумаги по режиму, разработанному для горячештамповых инструментов.
Статья является адаптированным пересказом сложного научного материала. Редакторские правки носят характер точечных улучшений для полного соответствия исходным данным и терминологической четкости. В статье рассматривается кейс оптимизации энергозатратного процесса термообработки инструментальной стали. Научное исследование, адаптированное для технических специалистов, демонстрирует ошибочность применения «дедовских» режимов, разработанных для других условий эксплуатации. Предложенное решение — переход на низкотемпературный отпуск — обеспечивает снижение энергопотребления на 90% на этапе отпуска и значительное улучшение механических свойств инструмента.
Термины и определения
Аустенитизация — начальная стадия термообработки, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше критической точки (AC3) для получения однородной твердой структуры — аустенита, в котором растворены карбиды.
Закалка — процесс быстрого охлаждения стали после аустенитизации с целью фиксации метастабильных структур (мартенсита, остаточного аустенита) и достижения высокой твердости.
Отпуск — завершающая операция термообработки, представляющая собой нагрев закаленной стали до температуры ниже критической точки. Проводится для снятия внутренних напряжений, повышения вязкости и стабилизации структуры. В зависимости от температуры различают:
- Низкий отпуск (150–250 °C) — снятие напряжений в мартенсите с сохранением высокой твердости.
- Высокий отпуск (~500 °C и выше) — значительное снижение твердости, распад мартенсита и выделение дисперсных карбидов (дисперсионное твердение).
Мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Крайне твердая и хрупкая структура, образующаяся при быстром охлаждении (закалке) стали.
Остаточный аустенит — метастабильная фаза, часть аустенита, не превратившаяся в мартенсит в процессе закалки из-за смещения температур начала и конца мартенситного превращения (Mн и Mк) в область отрицательных температур. Может оказывать положительное влияние на вязкость и износостойкость.
Дисперсионное твердение (отпуск) — упрочнение стали за счет выделения из пересыщенного мартенсита дисперсных, равномерно распределенных частиц карбидов в процессе высокого отпуска.
Ледебуритная сталь — высоколегированная инструментальная сталь (такая как X153CrMoV12 / AISI D2/Х12МФ), характеризующаяся наличием в своей структуре большого количества первичных карбидов эвтектического происхождения, обеспечивающих высокую износостойкость. Из стали изготавливают ответственные инструменты для холодной штамповки (вырубные, просечные пуансоны и матрицы, резьбонакатные плашки, волоки), режущий инструмент (ножи для холодной резки), калибры и другие инструменты, работающие в условиях интенсивного абразивного износа.
Ударная вязкость (KCU, KCV) — механическое свойство материала, характеризующее его способность поглощать энергию при динамическом (ударном) нагружении и сопротивляться хрупкому разрушению. Измеряется в Джоулях (Дж).
Твердость по Виккерсу (HV) — метод измерения твердости материала путем вдавливания в него алмазной пирамиды с квадратным основанием под определенной нагрузкой (например, HV10 — нагрузка 10 кгс). Чем выше число HV, тем тверже материал.
Повышение энергоэффективности за счет оптимизации параметров термической обработки высоколегированных инструментальных сталей.
Исследователи из Университета Бохума задались логичным вопросом: зачем придавать бумажному ножу свойство устойчивости к потере твердости при нагреве до 500°C, если он в работе никогда так не нагревается?
Оказалось, что, отказавшись от избыточного трехкратного высокого отпуска и подобрав более рациональный режим, можно добиться более чем отличных результатов:
- Снизить энергопотребление в 2.5 раза.
- Сократить время цикла термообработки.
- Улучшить механические свойства готового изделия.
Старый, «дедовский» процесс был очень дорогим и долгим:
- Нагрев (Аустенитизация): Нож разогревали до очень высокой температуры (выше 1050°C) в большой промышленной печи, работающей на газе.
- Охлаждение (Закалка): Быстро охлаждали.
- Отпуск: А потом, чтобы снять внутреннее напряжение и получить нужные свойства, его снова грели три раза подряд до 510°C (!) в электрической печи. Из-за больших объемов продукции этот процесс трёхкратного отпуска в сумме мог занимать до 70 часов
Итог: Огромные счета за электричество.
Что придумали ученые?
Они задались вопросом: «А зачем нам такие высокие температуры, если этот нож потом работает при комнатной температуре? Может, можно обойтись без этого?»
Они провели серию экспериментов в лабораторной муфельной печи, чтобы найти идеальный режим.
Новый, умный процесс выглядит так:
- Нагрев (Аустенитизация): Температуру нагрева снизили до 1020°C. Но чтобы нож не повело от перепада температур, его сначала медленно и аккуратно прогрели в двух зонах предварительного нагрева (850°C и 920°C). Это важно для минимизации деформации.
- В рамках исследования был выбран оптимальный режим с нагревом до 1020°C, который обеспечивает лучший баланс между свойствами и длительностью цикла в условиях конкретного производства Охлаждение (Закалка): Охладили (как и раньше). Отпуск: Вместо трех долгих отпусков сделали всего один короткий отпуск при 200°C.
Какие получили результаты?
Результаты превзошли все ожидания:
Таблица 1. Сравнение энергозатрат на полный цикл термообработки одного ножа
| Параметр | Старый процесс | Новый процесс | Результат и выгода |
|---|---|---|---|
| Энергозатраты на отпуск | 7.2 кВт·ч/изделие | 0.75 кВт·ч/изделие | Снижение расхода на 90% |
| Температура отпуска | 510 °C (три цикла) | 200 °C (один цикл) | Сокращение времени цикла в разы |
| Твердость (HV10) | 720-730 | 720-730 | Полное соответствие стандарту |
| Ударная вязкость | ~7 Дж | 10-15 Дж | Рост прочности на 40-100% |
| Структура | Высокоотпущенный мартенсит | Мартенсит отпуска + остаточный аустенит | Повышена износостойкость |
Суммарное энергопотребление на термообработку одного ножа снизилось более чем в 2 раза. При этом расход газа на нагрев сократился на 12.5%, а расход электроэнергии на отпуск — на ошеломляющие 90%.
Самое удивительное: Нож не просто остался таким же хорошим, он стал лучше! Он стал не просто таким же твёрдым, но и значительно вязче. Ударная вязкость выросла.
Теперь, разберём причинно-следственные связи происходящих процессов.
Цель закалки (нагрева под 1070°C): Растворить как можно больше карбидов в стали, чтобы получить очень твердый, но хрупкий мартенсит после охлаждения.
Проблема после закалки: Такой мартенсит перенасыщен углеродом и имеет высокие внутренние напряжения. Он слишком хрупок для практического использования. Цель ВЫСОКОГО отпуска (510°C) в старом процессе:
- Снять внутренние напряжения в мартенсите, чтобы уменьшить хрупкость.
- Вызвать выделение мелких упрочняющих карбидов (дисперсионное твердение). Это позволяет сохранить высокую твердость, но значительно повысить вязкость.
- Стабилизировать структуру, чтобы она не менялась в дальнейшем.
- Сталь, прошедшая высокий отпуск, оптимизирована для работы под нагрузкой при повышенных температурах (например, штампы для горячего деформирования). Этого бумажный нож не делает.
- Ученые выяснили, что для работы ножа при комнатной температуре можно использовать более простую и дешевую структуру: отпущенный мартенсит с сохраненным остаточным аустенитом.
- Эта структура получается при низком отпуске (~200°C). Низкий отпуск отлично снимает основные напряжения, делая сталь менее хрупкой, но не приводит к активному выделению тех самых мелких карбидов. Часть аустенита остается в структуре.
Парадоксальный результат: Эта «более простая» структура (с остаточным аустенитом) для данных конкретных условий оказалась лучше: она не только обеспечила нужную твердость, но и оказалась вязче и износоустойчивее за счет способности остаточного аустенита упрочняться под нагрузкой. Рентгеноструктурный анализ подтвердил, что в зоне износа часть остаточного аустенита превратилась в мартенсит, что создает упрочнённый поверхностный слой и повышает сопротивление истиранию.
По материалам научной статьи: Increasing Energy Efficiency by Optimizing Heat Treatment Parameters for High-Alloyed Tool Steels (Повышение энергоэффективности за счет оптимизации параметров термообработки высоколегированных инструментальных сталей)
Авторы: Янник Шуппенер, Сантьяго Бенито, Себастьян Вебер
Журнал: Journal of Materials Engineering and Performance
*Оригинал статьи на английском языке с дополнительной информацией и более подробными объяснениями процессов находится в нашей технической библиотеке (центр загрузок).
Редактор: Валенцев А.А.
info@avalentsev.ru
От редактора:
Современная термообработка — это не про то, чтобы «сильнее нагреть и подольше подержать». Это про то, чтобы точно нагреть до нужной температуры и вовремя остановиться.
Часто старые представления мешают нам увидеть новые возможности. Термообработка — яркий пример.
- Было: «Сильнее нагреть и подольше подержать» — подход, ведущий к перерасходу энергии и деградации материала.
- Стало: «Точно нагреть до нужной температуры и вовремя остановиться» — принцип, который обеспечивает стабильность и высокое качество.
Данные показывают, что оборудование должно обеспечивать не только нагрев, но и точное управление свойствами материала. Это прямое доказательство того, что современная термообработка — это контроль микроструктуры, а не просто «нагрев до температуры». И наглядно показывает, как точной контроль температуры в электрической печи прямо влияет на себестоимость продукции.
Наши муфельные печи — это точный инструмент, который позволяет внедрять передовые, энергосберегающие и, как следствие, очень выгодные технологии на вашем производстве.
Экономическая эффективность начинается с технологической точности.