Криогенная обработка

Криогенная обработка — это процесс обработки заготовок при криогенных температурах (обычно около -300 °F / -184 °C или всего до -190 °C (-310 °F)) с целью снятия остаточных напряжений и повышения износостойкости. в сталях и других металлических сплавах, например алюминии . Помимо улучшения снятия напряжений и стабилизации или износостойкости, криогенная обработка также необходима из-за ее способности улучшать коррозионную стойкость за счет осаждения микромелких эта-карбидов, которые можно измерить до и после детали с помощью количественного измерителя . ^{[ нужны разъяснения ]}

Этот процесс имеет широкий спектр применений: от промышленного оборудования до улучшения передачи музыкальных сигналов. Некоторые из преимуществ криогенной обработки включают более длительный срок службы деталей, меньшее количество отказов из-за растрескивания, улучшенные тепловые свойства, лучшие электрические свойства, включая меньшее электрическое сопротивление, уменьшенный коэффициент трения, меньшую ползучесть и перемещение, улучшенную плоскостность и более легкую механическую обработку. ^[1]

Процессы

Криогенный отпуск

Криогенный отпуск — это двухэтапная обработка металла, включающая этапы спуска и подъема, включая процесс криогенной обработки (известный как «криогенная обработка»), при котором материал медленно охлаждается до сверхнизких температур (обычно около -300°F / -184°C). ), который затем при необходимости медленно нагревается (обычно до +325°F / 162°C). Материалы не «затвердевают» во время снижения или подъема температуры, скорее, их молекулярные структуры плотно сжимаются друг с другом до однородности посредством контролируемого компьютером процесса, который обычно использует жидкий азот для медленного снижения температуры.

История изобретений криогенной обработки и криогенного отпуска

Процесс криогенной обработки был изобретен Эдом Бушем (CryoTech) в Детройте, штат Мичиган, в 1966 году, вдохновленным исследованиями НАСА, которые позже объединились с 300 Below, Inc. в 2000 году и стали крупнейшей и старейшей в мире коммерческой компанией по криогенной обработке после Питера Паулина из Декейтер, штат Иллинойс, сотрудничал с инженерами по управлению технологическими процессами, чтобы изобрести первый в мире «сухой» криогенный процессор с компьютерным управлением в 1992 году (где его изобретение было показано в телешоу Next Step на канале Discovery). В то время как промышленность изначально погружала металлические детали в жидкий азот, погружая их в жидкий азот или заливая детали жидким азотом, первые результаты оказались противоречивыми, что побудило г-на Полина разработать «сухое» криогенное технологическое оборудование с компьютерным управлением 300 Below для обеспечения стабильной и точной обработки. Результаты обработки при каждом цикле обработки заключаются в подаче жидкого азота в камеру при температуре выше его точки кипения, в «сухом» газообразном состоянии, чтобы гарантировать, что детали в камере не подвергаются тепловому шоку из-за прямого контакта с жидкостью при сверхнизких температурах. «Сухой» криогенный процесс не погружает детали в жидкость, а, скорее, обеспечивает медленное снижение температуры со скоростью менее одного градуса в минуту с помощью коротких всплесков холодного газа, подаваемого через трубу с электромагнитным дозатором, которая контролируется компьютерным оборудованием. в сочетании с высокоточными датчиками RTD (датчик температуры сопротивления).

Наука, лежащая в основе сухой криогенной обработки и криогенного отпуска

Поскольку все изменения металлов происходят при закалке, первая фаза первоначального спуска называется криогенной обработкой, а добавление второй фазы для нагрева молекулярной структуры материалов после первоначального молекулярного перераспределения оба процесса вместе называются криогенной обработкой. закалка. При использовании жидкого азота температура может опускаться до -196 °C, хотя типичная температура пребывания криогенного технологического оборудования немного выше точки кипения жидкого азота (ближе к -300 °F / -184 °C) из-за впрыскивается в камеру обработки в газообразном состоянии и делается все возможное, чтобы не допустить попадания в камеру жидкости, которая могла бы вызвать термический шок деталей. Криогенная обработка (и особенно криогенная закалка) может оказать глубокое влияние на механические свойства некоторых материалов, таких как стали или карбид вольфрама, но фаза нагрева при криогенной закалке обычно опускается для более мягких металлов, таких как латунь, в музыкальных инструментах, для фортепианных струн. , в некоторых аэрокосмических приложениях или для чувствительных электронных компонентов, таких как электронные лампы и транзисторы в высококачественном аудиооборудовании. В карбиде вольфрама (WC-Co) кристаллическая структура кобальта преобразуется из более мягкой фазы FCC в более твердую фазу HCP, тогда как на твердые частицы карбида вольфрама обработка не влияет. ^[2]

Применение криогенной обработки

Аэрокосмическая и оборонная промышленность: связь, оптические корпуса, спутники, платформы вооружения, системы наведения, системы посадки.
Автомобильная промышленность: тормозные диски, трансмиссии, сцепления, детали тормозов, шатуны, коленчатые валы, оси распределительных валов, подшипники, кольца и шестерни, головки, клапанные механизмы, дифференциалы, пружины, гайки, болты, шайбы.
Режущие инструменты: фрезы, ножи, лезвия, сверла, концевые фрезы, токарные или фрезерные. ^[3] вставки. Криогенную обработку режущих инструментов можно разделить на глубокую криогенную обработку (около -196 °C) или поверхностную криогенную обработку (около -80 °C).
Формовочные инструменты: штампы для валков, прогрессивные штампы, штамповочные штампы.
Машиностроение: насосы, двигатели, гайки, болты, шайбы.
Медицинские: инструмент, скальпели.
Автоспорт и транспортные средства: . тормозные роторы и другие автомобильные компоненты см. в разделе «Автомобилестроение»
Музыка: вакуумные лампы, аудиокабели, духовые инструменты, гитарные струны. ^[4] и ладовая проволока, рояльная проволока, усилители, магнитные звукосниматели , ^[5] кабели, разъемы.
Спорт: огнестрельное оружие, ножи, рыболовное снаряжение, автогонки, теннисные ракетки, клюшки для гольфа, снаряжение для альпинизма, стрельба из лука, лыжи, детали самолетов, трубопроводы высокого давления, велосипеды, мотоциклы.

Криогенная обработка

Криогенная обработка — это процесс обработки, в котором традиционная смазочно-охлаждающая жидкость (эмульсия масла в воде) заменяется струей либо жидкого азота (LN2), либо предварительно сжатого углекислого газа (CO ₂ ). Криогенная обработка полезна при черновой обработке, чтобы увеличить срок службы инструмента. Это также может быть полезно для сохранения целостности и качества обработанных поверхностей при чистовой обработке. Испытания криогенной обработки проводились исследователями в течение нескольких десятилетий. ^[6] но реальное коммерческое применение по-прежнему доступно очень небольшому числу компаний. ^[7] Как криогенная обработка токарной обработкой ^[8] и фрезерование ^[9] возможны. Криогенная обработка — относительно новый метод механической обработки. Эта концепция применялась в различных процессах механической обработки, таких как точение, фрезерование, сверление и т. д. Метод криогенного точения обычно применяется к трем основным группам материалов заготовок — суперсплавам, черным металлам и вязкоупругим полимерам/эластомерам. Роль криогена при обработке различных материалов уникальна. ^[10]

Криогенная очистка

Криогенное удаление заусенцев

Криогенная прокатка

Криогенная прокатка или криопрокатка — один из потенциальных методов производства наноструктурированных объемных материалов из их объемных аналогов при криогенных температурах. Его можно определить как прокатку, осуществляемую при криогенных температурах. Наноструктурные материалы производятся в основном методами интенсивной пластической деформации . Большинство этих методов требуют больших пластических деформаций ( напряжений, значительно превышающих единицу). При криопрокатке деформация в упрочненных металлах сохраняется за счет подавления динамического восстановления . можно поддерживать большие деформации и после последующего отжига . Следовательно , получить ультрамелкозернистую структуру

Преимущества

Сравнение криопрокатки и прокатки при комнатной температуре:

При криопрокатке деформационное упрочнение сохраняется до момента проведения прокатки. не будет Это означает, что аннигиляции дислокаций и динамического восстановления . В то время как, как и при прокатке при комнатной температуре, динамическое восстановление неизбежно и происходит размягчение.
Напряжение течения материала различно для образца, подвергнутого криопрокатке. Криокатанный образец имеет более высокое напряжение течения по сравнению с образцом, подвергнутым прокатке при комнатной температуре.
Поперечное скольжение и переползание дислокаций эффективно подавляются во время криопрокатки, что приводит к высокой плотности дислокаций , чего нельзя сказать о прокатке при комнатной температуре.
Коррозионная стойкость криопрокатанного образца сравнительно снижается из-за высоких остаточных напряжений.
число центров рассеяния электронов У криопрокатанного образца увеличивается , и, следовательно, электропроводность существенно снижается.
Криопрокатанный образец показывает высокую скорость растворения .
Ультрамелкозернистые структуры можно получить из криопрокатанных образцов после последующего отжига.

Криогенная обработка конкретных материалов

Нержавеющая сталь

Обнаружено, что деформация кручения и растяжения при криогенной температуре нержавеющей стали значительно повышает механическую прочность, одновременно обеспечивая постепенное фазовое превращение внутри стали. ^[11] Это улучшение прочности является результатом следующего явления.

Деформация вызвала фазовое превращение в мартенситную фазу, которая является более прочной объемноцентрированной кубической фазой. Деформация кручения и растяжения приводит к увеличению объемной доли мартенситной фазы вблизи края, чтобы предотвратить начальное механическое разрушение с поверхности.
Крутильная деформация создает градиент фазового превращения в радиальном направлении, защищая от большого гидростатического напряжения.
Высокая деформация вызывает дислокационную пластичность в мартенситной фазе, что повышает общую пластичность и прочность на растяжение.

Медь

Чжан и др. использовали криопрокатку динамической пластически деформированной меди при температуре жидкого азота (LNT-DPD) для значительного повышения прочности на разрыв и высокой пластичности. ^[12] Ключом к этому комбинированному подходу (криогенная закалка и криогенная прокатка) является создание наноразмерной границы двойника, встроенной в медь. Обработка пластической деформацией зернистого объемного металла уменьшает размер границ зерен и повышает зернограничное упрочнение. Однако по мере того, как зерно становится меньше, взаимодействие между зерном и дислокацией внутри него затрудняет дальнейшую обработку зерен. Среди границ зерен известно, что двойниковые границы, особый тип низкоэнергетических границ зерен, имеют более низкую энергию взаимодействия с дислокацией, что приводит к гораздо меньшему размеру насыщения зерна. ^[13] Криогенная динамическая пластическая деформация создает более высокую долю границ двойников по сравнению с интенсивной пластической деформацией. Последующая криопрокатка еще больше снижает энергию границ зерен, освобождая границу двойника, что приводит к более высокому эффекту упрочнения Холла-Петча. Кроме того, это увеличивает способность границ зерен аккумулировать больше дислокаций, что приводит к улучшению пластичности за счет криопрокатки.

Титан

Криогенной закалкой титана трудно манипулировать по сравнению с другими металлами с гранецентрированной кубической (ГЦК) металлами, поскольку эти гексагональные плотноупакованные (ГПУ) металлы имеют меньшую симметрию и системы скольжения, которые можно использовать. Недавно Чжао и др. представил эффективный метод манипулирования нанодвойником титана, который обладает более высокой прочностью, пластичностью и термической стабильностью. ^[14] Путем многократной криоковки вдоль трех главных осей в жидком азоте и последующего отжига чистый титан может иметь иерархическую структуру граничной сетки двойников, которая подавляет движение дислокаций и значительно улучшает его механические свойства. Анализ микроструктуры показал, что повторяющееся двойникование и устранение двойников продолжают увеличивать долю наноразмерных границ двойников и измельчать зерна, обеспечивая гораздо более высокий эффект упрочнения Холла-Петча даже после насыщения микромасштабной границы двойников при высоком напряжении течения. В частности, прочность и пластичность нанодвойников титана при 77 К достигают около 2 ГПа, что составляет ~ 100%, что намного превосходит показатели обычных криогенных сталей даже без какого-либо легирования.

Ссылки

^ Справочник ASM, том 4A, Основы и процессы термообработки стали . АСМ Интернешнл. 2013. стр. 382–386. ISBN 978-1-62708-011-8 .
^ Падмакумар, М.; Гурупрасат, Дж.; Ачутан, Прабин; Динакаран, Д. (01 августа 2018 г.). «Исследование фазового состава кобальта и его влияния в цементированных карбидах WC–Co до и после глубокой криогенной обработки». Международный журнал тугоплавких металлов и твердых материалов . 74 : 87–92. дои : 10.1016/j.ijrmhm.2018.03.010 . ISSN 0263-4368 . S2CID 139469405 .
^ Тамижмании, С; Мохд, Нагиб; Сулейман, Х. (2011). «Эффективность пластин с глубокой криогенной обработкой и необработанных PVD при фрезеровании». Журнал достижений в области материалов и технологии производства . 49 (2): 460–466.
^ «Дин Маркли — Blue Steel™ Electric» . Архивировано из оригинала 3 сентября 2015 г. Проверено 30 июля 2015 г.
^ «Зефир Теле» . Архивировано из оригинала 20 января 2015 г. Проверено 8 января 2015 г.
^ Чжао, З; Хонг, Ю.Ю. (октябрь 1992 г.). «Стратегии охлаждения при криогенной обработке с точки зрения материалов». Журнал материаловедения и производительности . 1 (5): 669–678. Бибкод : 1992JMEP....1..669Z . дои : 10.1007/BF02649248 . S2CID 135701245 .
^ Рихтер, Алан. «Криогенные системы обработки могут продлить срок службы инструмента и сократить время цикла» . Машиностроение режущего инструмента . Архивировано из оригинала 16 февраля 2015 г. Проверено 21 ноября 2015 г.
^ Страно, Маттео; Кьяппини, Элио; Тирелли, Стефано; Альбертелли, Паоло; Монно, Мишель (01 сентября 2013 г.). «Сравнение сил обработки Ti6Al4V и стойкости инструмента при криогенном и обычном охлаждении». Труды Института инженеров-механиков, Часть B: Журнал машиностроительного производства . 227 (9): 1403–1408. дои : 10.1177/0954405413486635 . ISSN 0954-4054 . S2CID 135790146 .
^ Шокрани, А.; Дхокия, В.; Ньюман, Северная Каролина; Имани-Асраи, Р. (1 января 2012 г.). «Первоначальное исследование влияния использования охлаждающей жидкости на основе жидкого азота на шероховатость поверхности сплава на основе никеля Inconel 718 при фрезеровании с ЧПУ» . Процесс CIRP . 45-я конференция CIRP по производственным системам, 2012 г. 3 : 121–125. дои : 10.1016/j.procir.2012.07.022 .
^ Яп, Цзе Чуэн (сентябрь 2019 г.). «Роль криогенного охлаждения при точении суперсплавов, черных металлов и вязкоупругих полимеров» . Технологии . 7 (3): 63. doi : 10.3390/technologies7030063 . ISSN 2227-7080 .
^ Ма, Живэй; Ли, Рунгуан; Ван, Ян-Дун; Ву, Сяолэй; Гао, Хуацзянь (17 января 2018 г.) «Криогенное повышение температуры и упрочнение из-за градиентной фазовой структуры» . Материаловедение 712 и инженерия: А. : 358–364 . doi : 10.1016/j.msea.2017.11.107 . ОСТИ 1461318 .
^ Чжан, Ю.; Тао, Северная Каролина; Лу, К. (июнь 2008 г.). «Механические свойства и поведение при качении нанозернистой меди со встроенными пучками нанодвойников». Акта Материалия . 56 (11): 2429–2440. Бибкод : 2008AcMat..56.2429Z . дои : 10.1016/j.actamat.2008.01.030 .
^ Лу, Лей; Шен, Юнфэн; Чен, Сяньхуа; Цянь, Лихуа; Лу, К. (16 апреля 2004 г.). «Сверхвысокая прочность и высокая электропроводность меди» . Наука . 304 (5669): 422–426. Бибкод : 2004Sci...304..422L . дои : 10.1126/science.1092905 . ПМИД 15031435 . S2CID 3446187 .
^ Чжао, Шитенг; Чжан, Рупенг; Ю, Цинь; Эл, Джон; Ричи, Роберт О.; Майнор, Эндрю М. (17 сентября 2021 г.). «Криокованый нанодвойник титана со сверхвысокой прочностью и пластичностью». Наука . 373 (6561): 1363–1368. Бибкод : 2021Sci...373.1363Z . дои : 10.1126/science.abe7252 . ПМИД 34529490 . S2CID 237545545 .

Внешние ссылки

[1] Справочник ASM, том 4A, Основы и процессы термообработки стали . АСМ Интернешнл. 2013. стр. 382–386. ISBN 978-1-62708-011-8 .

[2] Падмакумар, М.; Гурупрасат, Дж.; Ачутан, Прабин; Динакаран, Д. (01 августа 2018 г.). «Исследование фазового состава кобальта и его влияния в цементированных карбидах WC–Co до и после глубокой криогенной обработки». Международный журнал тугоплавких металлов и твердых материалов . 74 : 87–92. дои : 10.1016/j.ijrmhm.2018.03.010 . ISSN 0263-4368 . S2CID 139469405 .

[3] Тамижмании, С; Мохд, Нагиб; Сулейман, Х. (2011). «Эффективность пластин с глубокой криогенной обработкой и необработанных PVD при фрезеровании». Журнал достижений в области материалов и технологии производства . 49 (2): 460–466.

[4] «Дин Маркли — Blue Steel™ Electric» . Архивировано из оригинала 3 сентября 2015 г. Проверено 30 июля 2015 г.

[5] «Зефир Теле» . Архивировано из оригинала 20 января 2015 г. Проверено 8 января 2015 г.

[6] Чжао, З; Хонг, Ю.Ю. (октябрь 1992 г.). «Стратегии охлаждения при криогенной обработке с точки зрения материалов». Журнал материаловедения и производительности . 1 (5): 669–678. Бибкод : 1992JMEP....1..669Z . дои : 10.1007/BF02649248 . S2CID 135701245 .

[7] Рихтер, Алан. «Криогенные системы обработки могут продлить срок службы инструмента и сократить время цикла» . Машиностроение режущего инструмента . Архивировано из оригинала 16 февраля 2015 г. Проверено 21 ноября 2015 г.

[8] Страно, Маттео; Кьяппини, Элио; Тирелли, Стефано; Альбертелли, Паоло; Монно, Мишель (01 сентября 2013 г.). «Сравнение сил обработки Ti6Al4V и стойкости инструмента при криогенном и обычном охлаждении». Труды Института инженеров-механиков, Часть B: Журнал машиностроительного производства . 227 (9): 1403–1408. дои : 10.1177/0954405413486635 . ISSN 0954-4054 . S2CID 135790146 .

[9] Шокрани, А.; Дхокия, В.; Ньюман, Северная Каролина; Имани-Асраи, Р. (1 января 2012 г.). «Первоначальное исследование влияния использования охлаждающей жидкости на основе жидкого азота на шероховатость поверхности сплава на основе никеля Inconel 718 при фрезеровании с ЧПУ» . Процесс CIRP . 45-я конференция CIRP по производственным системам, 2012 г. 3 : 121–125. дои : 10.1016/j.procir.2012.07.022 .

[10] Яп, Цзе Чуэн (сентябрь 2019 г.). «Роль криогенного охлаждения при точении суперсплавов, черных металлов и вязкоупругих полимеров» . Технологии . 7 (3): 63. doi : 10.3390/technologies7030063 . ISSN 2227-7080 .

[11] Ма, Живэй; Ли, Рунгуан; Ван, Ян-Дун; Ву, Сяолэй; Гао, Хуацзянь (17 января 2018 г.) «Криогенное повышение температуры и упрочнение из-за градиентной фазовой структуры» . Материаловедение 712 и инженерия: А. : 358–364 . doi : 10.1016/j.msea.2017.11.107 . ОСТИ 1461318 .

[12] Чжан, Ю.; Тао, Северная Каролина; Лу, К. (июнь 2008 г.). «Механические свойства и поведение при качении нанозернистой меди со встроенными пучками нанодвойников». Акта Материалия . 56 (11): 2429–2440. Бибкод : 2008AcMat..56.2429Z . дои : 10.1016/j.actamat.2008.01.030 .

[13] Лу, Лей; Шен, Юнфэн; Чен, Сяньхуа; Цянь, Лихуа; Лу, К. (16 апреля 2004 г.). «Сверхвысокая прочность и высокая электропроводность меди» . Наука . 304 (5669): 422–426. Бибкод : 2004Sci...304..422L . дои : 10.1126/science.1092905 . ПМИД 15031435 . S2CID 3446187 .

[14] Чжао, Шитенг; Чжан, Рупенг; Ю, Цинь; Эл, Джон; Ричи, Роберт О.; Майнор, Эндрю М. (17 сентября 2021 г.). «Криокованый нанодвойник титана со сверхвысокой прочностью и пластичностью». Наука . 373 (6561): 1363–1368. Бибкод : 2021Sci...373.1363Z . дои : 10.1126/science.abe7252 . ПМИД 34529490 . S2CID 237545545 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]