Криогенная обработка — это процесс обработки деталей криогенными температурами (обычно около -300°F / -184°C или до -190 °C (-310 °F)) с целью снятия остаточных напряжений и повышения износостойкости сталей и других металлических сплавов, таких как алюминий . Помимо поиска улучшенного снятия напряжений и стабилизации или износостойкости, криогенная обработка также востребована из-за ее способности повышать коррозионную стойкость путем осаждения микро-тонких эта-карбидов, которые можно измерить до и после в детали с помощью квантиметра. [ необходимо разъяснение ]
Этот процесс имеет широкий спектр применения от промышленного инструментария до улучшения передачи музыкального сигнала. Некоторые из преимуществ криогенной обработки включают более длительный срок службы детали, меньше отказов из-за растрескивания, улучшенные тепловые свойства, лучшие электрические свойства, включая меньшее электрическое сопротивление, уменьшенный коэффициент трения, меньшую ползучесть и блуждание, улучшенную плоскостность и более легкую обработку. [1]
Криогенная закалка — это двухфазная обработка металла, включающая фазу 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), а затем при необходимости медленно нагревается (обычно до +325°F / 162°C). Материалы не «затвердевают» во время спуска или подъема температуры, а их молекулярные структуры плотно сжимаются вместе в однородности посредством управляемого компьютером процесса, который обычно использует жидкий азот для медленного понижения температуры.
Процесс криогенной обработки был изобретен Эдом Бушем (CryoTech) в Детройте, штат Мичиган, в 1966 году, вдохновленный исследованиями NASA, которые позже объединились с 300 Below, Inc. в 2000 году, став крупнейшей и старейшей в мире коммерческой компанией по криогенной обработке после того, как Питер Полин из Декейтера, штат Иллинойс, сотрудничал с инженерами по управлению технологическими процессами, чтобы изобрести первый в мире управляемый компьютером «сухой» криогенный процессор в 1992 году (где он был представлен в телешоу Next Step на канале Discovery за свое изобретение). В то время как изначально промышленность погружала металлические детали в жидкий азот, окуная их или заливая жидким азотом детали, самые ранние результаты оказались непоследовательными, что привело г-на Паулина к разработке «сухого» компьютерного криогенного оборудования для обработки 300 Below, чтобы гарантировать последовательные и точные результаты обработки в каждом цикле обработки путем введения жидкого азота в камеру выше его точки кипения, в «сухом» газообразном состоянии, чтобы гарантировать, что детали в камере не подвергаются термическому шоку от воздействия прямого контакта жидкости со сверхнизкими температурами. «Сухой» криогенный процесс не погружает детали в жидкость, а скорее обеспечивает медленное понижение температуры со скоростью менее одного градуса в минуту с помощью коротких всплесков холодного газа, вводимого через трубу с соленоидным дозатором, которая контролируется компьютерным оборудованием в паре с высокоточными датчиками RTD (датчиками сопротивления).
Поскольку все изменения в металлах происходят при закалке, первая фаза начального спуска называется криогенной обработкой, а при добавлении второй фазы для нагрева молекулярной структуры материалов после начального молекулярного перестроения оба процесса вместе называются криогенной закалкой. При использовании жидкого азота температура может опускаться до −196 °C, хотя типичная температура выдержки оборудования для криогенной обработки немного выше точки кипения жидкого азота (ближе к -300 °F / -184 °C) из-за того, что он впрыскивается в камеру обработки в газообразном состоянии и делается все возможное, чтобы не вводить в камеру жидкость, которая может вызвать тепловой удар деталей. Криогенная обработка (и особенно криогенная закалка) может оказывать 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 струн фортепиано, 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 трансформируется из более мягкой фазы FCC в более твердую фазу HCP, тогда как твердая частица карбида вольфрама не подвергается воздействию обработки. [2]
Криогенная обработка — это процесс обработки, при котором традиционная охлаждающая жидкость (эмульсия масла в воде) заменяется струей жидкого азота (LN2) или предварительно сжатого диоксида углерода (CO2 ) . Криогенная обработка полезна при черновой обработке для увеличения срока службы инструмента. Она также может быть полезна для сохранения целостности и качества обработанных поверхностей при чистовой обработке. Испытания криогенной обработки проводились исследователями в течение нескольких десятилетий [6] , но фактическое коммерческое применение по-прежнему ограничено очень немногими компаниями. [7] Возможны как криогенная обработка точением [8] , так и фрезерованием [9] . Криогенная обработка — относительно новый метод обработки. Эта концепция применялась к различным процессам обработки, таким как точение, фрезерование, сверление и т. д. Метод криогенной обработки обычно применяется к трем основным группам материалов заготовок — суперсплавам, черным металлам и вязкоупругим полимерам/эластомерам. Роль криогена в обработке различных материалов уникальна. [10]
Криогенная прокатка илиКриопрокатка — один из потенциальных методов получениянаноструктурированныхобъемных материалов из объемных материалов прикриогенныхтемпературах. Его можно определить как прокатку, которая осуществляется при криогенных температурах. Наноструктурированные материалы производятся в основном с помощьюинтенсивной пластической деформации. Большинство этих методов требуют большихпластических деформаций(деформации,,могут поддерживаться большие деформации, а после последующегоотжигаможет быть получена сверхмелкозернистая структура .
Сравнение криопрокатки и прокатки при комнатной температуре:
Установлено, что деформация кручения и растяжения нержавеющей стали при криогенной температуре значительно повышает механическую прочность, включая постепенное фазовое превращение внутри стали. [11] Это улучшение прочности является результатом следующего явления.
Чжан и др. использовали криопрокатку для динамической пластически деформированной меди при температуре жидкого азота (LNT-DPD) для значительного повышения прочности на растяжение при высокой пластичности. [12] Ключевым моментом этого комбинированного подхода (криогенное упрочнение и криогенная прокатка) является проектирование наноразмерной границы двойников, встроенной в медь. Обработка с пластической деформацией зернистого объемного металла уменьшает размер границы зерен и усиливает упрочнение границы зерен. Однако по мере того, как зерно становится меньше, взаимодействие между зерном и дислокацией внутри препятствует дальнейшему процессу зерен. Известно, что среди границ зерен границы двойников, особый тип низкоэнергетической границы зерен, имеет 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 сильной пластической деформацией. Последующая криопрокатка дополнительно снижает энергию границы зерен с ослаблением границы двойников, что приводит к более высокому эффекту упрочнения Холла-Петча. Кроме того, это увеличивает способность границ зерен выдерживать большее количество дислокаций, что приводит к улучшению пластичности при криопрокатке.
Криогенное упрочнение титана трудно поддается манипулированию по сравнению с другими гранецентрированными кубическими (ГЦК) металлами, поскольку эти гексагональные плотноупакованные (ГПУ) металлы имеют меньше симметрии и систем скольжения для использования. Недавно Чжао и др. представили эффективный метод манипулирования нанодвойникованным титаном, который имеет более высокую прочность, пластичность и термическую стабильность. [14] При многократной криоковке вдоль трех главных осей в жидком азоте и последующем процессе отжига чистый титан может обладать иерархической структурой сетки границ двойников, которая подавляет движение дислокаций и значительно улучшает его механические свойства. Анализ микроструктуры показал, что повторное двойникование и раздвойникование продолжают увеличивать долю наноразмерных границ двойников и измельчать зерна, оказывая гораздо более высокий эффект усиления Холла-Петча даже после насыщения микромасштабной границы двойников при высоком напряжении течения. В частности, прочность и пластичность нанодвойникованного титана при 77 К достигают около 2 ГПа и ~100%, что значительно превосходит показатели обычных криогенных сталей даже без какого-либо легирования.