Kryogen behandling

En kryogen behandling är processen att behandla arbetsstycken till kryogena temperaturer (dvs. under -190 °C (-310 °F)) för att avlägsna kvarvarande spänningar och förbättra slitstyrkan i stål och andra metallegeringar, såsom aluminium . Förutom att söka förbättrad spänningsavlastning och stabilisering, eller slitstyrka, eftersträvas kryogen behandling också för dess förmåga att förbättra korrosionsbeständigheten genom att fälla ut mikrofina eta-karbider, som kan mätas före och efter i en del med hjälp av en kvantimet.

Processen har ett brett spektrum av tillämpningar från industriella verktyg till förbättring av musikalisk signalöverföring. Några av fördelarna med kryogen behandling inkluderar längre dellivslängd, mindre fel på grund av sprickbildning, förbättrade termiska egenskaper, bättre elektriska egenskaper inklusive mindre elektriskt motstånd, minskad friktionskoefficient, mindre krypning och gång, förbättrad planhet och enklare bearbetning.

Processer

Kryogen härdning

Kryogenhärdning är en kryogen behandlingsprocess där materialet långsamt kyls ned till mycket låga temperaturer. Genom att använda flytande kväve kan temperaturen gå så lågt som -196 °C. Det kan ha en djupgående effekt på de mekaniska egenskaperna hos vissa material, såsom stål eller volframkarbid. I volframkarbid (WC-Co) omvandlas kobolts kristallstruktur från mjukare FCC till hårdare HCP-fas medan den hårda volframkarbidpartikeln är opåverkad av behandlingen.

Tillämpningar av kryogen bearbetning

Flyg och försvar: kommunikation, optiska höljen, vapenplattformar, styrsystem, landningssystem.
Fordon: bromsrotorer, transmissioner, kopplingar, bromsdelar, stänger, vevaxlar, kamaxlar, axlar, lager, ring och pinjong, huvuden, ventiltåg, differentialer, fjädrar, muttrar, bultar, brickor.
Skärverktyg: fräsar, knivar, blad, borr, pinnfräsar, svarv- eller frässkär . Kryogena behandlingar av skärverktyg kan klassificeras som Deep Cryogenic Treatments (cirka -196 °C) eller Shallow Cryogenic Treatments (runt -80 °C).
Formverktyg: valsformar, progressiva formar, stämplingsformar.
Mekanisk industri: pumpar, motorer, muttrar, bultar, brickor.
Medicinsk: verktyg, skalpeller.
Motorsport och flottfordon: Se Automotive för bromsrotorer och andra fordonskomponenter.
Musikal: Vakuumrör, ljudkablar, mässingsinstrument, gitarrsträngar och bandtråd, pianotråd, förstärkare, magnetiska pickuper , kablar, kontakter.
Sport: Skjutvapen, knivar, fiskeutrustning, bilracing, tennisracketar, golfklubbor, bergsklättringsutrustning, bågskytte, skidåkning, flygplansdelar, högtryckslinor, cyklar, motorcyklar.

Kryogen bearbetning

Kryogen bearbetning är en bearbetningsprocess där den traditionella översvämningssmörjande kylvätskan (en emulsion av olja till vatten) ersätts av en stråle av antingen flytande kväve (LN2) eller förkomprimerad koldioxid (CO 2 ₎ . Kryogenbearbetning är användbar vid grovbearbetning för att öka verktygets livslängd. Det kan också vara användbart att bevara integriteten och kvaliteten på de bearbetade ytorna i slutbearbetningsoperationer. Kryogena bearbetningstester har utförts av forskare i flera decennier, men de faktiska kommersiella tillämpningarna är fortfarande begränsade till väldigt få företag. Både kryogen bearbetning genom svarvning och fräsning är möjliga. Kryogen bearbetning är en relativt ny teknik inom bearbetning. Detta koncept tillämpades på olika bearbetningsprocesser såsom svarvning, fräsning, borrning etc. Kryogen svarvteknik tillämpas generellt på tre huvudgrupper av arbetsstyckesmaterial - superlegeringar, järnmetaller och viskoelastiska polymerer/elastomerer. Kryogenens roller vid bearbetning av olika material är unika.

Kryogenisk deflashing

Kryogen gradning

Kryogen rullning

Cryogenic rolling eller cryorolling , är en av de potentiella teknikerna för att producera nanostrukturerade bulkmaterial från dess bulkmotsvarighet vid kryogena temperaturer. Det kan definieras som valsning som utförs vid kryogena temperaturer. Nanostrukturerade material framställs huvudsakligen genom svåra plastiska deformationsprocesser . Majoriteten av dessa metoder kräver stora plastiska deformationer ( töjningar som är mycket större än enhet). Vid kryovalsning bevaras deformationen i de töjningshärdade metallerna som ett resultat av undertryckandet av den dynamiska återhämtningen. Därför kan stora spänningar bibehållas och efter efterföljande glödgning kan ultrafinkornig struktur produceras .

Fördelar

Jämförelse av kryorullning och rullning vid rumstemperatur:

Vid kryovalsning bibehålls töjningshärdningen upp till den utsträckning som valsningen utförs. Detta innebär att det inte kommer att ske någon dislokationsförintelse och dynamisk återhämtning. Där som vid valsning vid rumstemperatur är dynamisk återhämtning oundviklig och uppmjukning sker.
Materialets flödesspänning skiljer sig för provet som utsätts för kryorullning . Ett kryovalsat prov har en högre flödesspänning jämfört med ett prov som utsätts för rullning vid rumstemperatur.
Korsglidning och uppstigning av dislokationer undertrycks effektivt under kryorullning, vilket leder till hög dislokationsdensitet, vilket inte är fallet för rumstemperaturrullning.
Korrosionsbeständigheten hos det kryovalsade provet minskar jämförelsevis på grund av den inblandade höga restspänningen .
Antalet elektronspridningscentra ökar för det kryovalsade provet och följaktligen minskar den elektriska ledningsförmågan avsevärt.
Det kryorullade provet visar en hög upplösningshastighet.
Ultrafinkorniga strukturer kan framställas från kryovalsade prover efter efterföljande glödgning.

Kryogen behandling i specifika material

Rostfritt stål

Vrid- och spänningsdeformationen under kryogen temperatur hos rostfritt stål har visat sig avsevärt förbättra den mekaniska hållfastheten samtidigt som den integrerar den gradvisa fasomvandlingen inuti stålet. Denna styrka förbättring är resultatet av följande fenomen.

Deformationen inducerade fasomvandling till martensitisk fas som är starkare kroppscentrerad kubisk fas. Vridnings- och spänningsdeformationen inducerar högre volymförhållande av martensitisk fas nära kanten för att förhindra initialt mekaniskt fel från ytan
Torsionsdeformationen skapar gradientfasomvandlingen längs den radiella riktningen och skyddar stora hydrostatiska spänningar
Den höga deformationen utlöser dislokationsplasticitet i martensitisk fas för att förbättra den totala duktiliteten och draghållfastheten

Koppar

Zhang et al. utnyttjade kryorullningen till den dynamiska plastdeformerade kopparn vid flytande kvävetemperatur (LNT-DPD) för att kraftigt förbättra draghållfastheten med hög duktilitet. Nyckeln i detta kombinerade tillvägagångssätt (kryogen härdning och kryogen valsning) är att konstruera tvillinggränsen i nanostorlek inbäddad i kopparn. Bearbetning med plastisk deformation av kornig bulkmetall minskar storleken på korngränsen och förbättrar korngränsens förstärkning. Men när spannmålen blir mindre, hindrar interaktionen mellan spannmål och dislokationen inuti ytterligare spannmålsprocess. Bland korngränserna är det känt att tvillinggränserna, en speciell typ av lågenergikorngräns, har lägre interaktionsenergi med dislokation som leder till mycket mindre mättnadsstorlek på korn. Den kryogena dynamiska plastiska deformationen skapar en högre andel av tvillinggränserna jämfört med den allvarliga plastiska deformationen. Efter kryorullning minskar korngränsenergin ytterligare och avlastar tvillinggränsen vilket leder till högre Hall-Petch-förstärkande effekt. Dessutom ökar detta korngränsens förmåga att ta emot mer dislokation, vilket leder till förbättringen av duktiliteten från kryorullning.

Titan

Kryogen härdning av titan är svår att manipulera jämfört med andra ansiktscentrerade kubiska (fcc) metaller eftersom dessa hexagonala tätpackade (hcp) metaller har mindre symmetri och glidsystem att utnyttja. Nyligen Zhao et al. introducerade den effektiva metoden för att manipulera nanotvinnet titan som har högre hållfasthet, duktilitet och termisk stabilitet. Genom att upprepade gånger kryoforma längs de tre huvudaxlarna i flytande kväve och följa glödgningsprocessen, kan rent titan ha hierarkisk tvillinggränsnätverksstruktur som undertrycker dislokationsrörelsen och avsevärt förbättrar dess mekaniska egenskaper. Mikrostrukturanalysen fann att twinning, detwinning, rewinning fortsätter att öka andelen av nanostora tvillinggränser och förfina kornen för att ge mycket högre Hall-Petch-förstärkande effekt även efter mättnad av mikroskala tvillinggränser vid hög flödesspänning. Speciellt når styrkan och duktiliteten hos nanotvinnet titan vid 77 K cirka 2 GPa, och ~100 %, vilket vida överväger de för konventionella kryogena stål även utan någon inkludering av legering.

externa länkar