برودت شناسی

کرایوژنیک یا برودت شناسی به تولید و رفتار مواد در دماهای بسیار پایین مربوط می شود. چوب های گلف، لوله های تفنگ، سیم های گیتار، ساکسیفون، چرخ دنده های هلیکوپتر، موتورهای مسابقه، قطعات پمپ و سفینه های فضایی ناسا چه مشترکاتی دارند؟ همه آنها با درمان برودتی می توانند به طور مشخص بهتر باشند. چرا "فولاد سوئیس" در 100 سال گذشته به دلیل کیفیت بسیار بالا مشهور بوده است؟ آیا به این دلیل است که آنها روی فلز در یک محیط سرد عملیات پس درمانی انجام می دهند؟ 100 درصد مطمئن نیستیم، اما سرمای پیش فرض (پس از تولید) ارائه شده توسط موقعیت جغرافیایی در آلپ سرد سوئیس یکی از دلایل محتمل است.

برودت شناسی (Cryogenics) را نباید با سرما زیستی یا انجماد جسد (cryonics) اشتباه گرفت، که شبه علم انجماد بدن انسان، به ویژه بازیکن مشهور بیسبال تد ویلیامز، است.

عملیات یا درمان برودتی فلزات تقریباً 100 سال است که وجود داشته است، اما فقط اواسط تا اواخر دهه 1960 بود که پیشرفت قابل توجهی در فرآیندهای تجاری مربوطه به دست آمد تا از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد.

نورد برودتی یکی از تکنیک های بالقوه برای تولید مواد فله یا توده‌ای نانوساختار از همتای توده ای آن در دماهای برودتی است. می توان آن را به عنوان نوردی تعریف کرد که در دماهای برودتی انجام می شود. در دنیای علمِ درمان های برودتی، استفاده از مقیاس کلوین (K) برای دما یا گاهی اوقات درجه سانتیگراد (C) رایج است، اما برای این مقاله و آشنایی خواننده از فارنهایت (F) استفاده می کنیم. محدوده دمای برودتی معمولاً توسط مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) (National Institute of Standards and Technology) از منفی 238 فارنهایت تا منفی 460 فارنهایت تعریف می شود. توجه داشته باشید که سردتر از 0.0 درجه کلوین که صفر مطلق است ممکن نیست.

چرا از درمان برودتی استفاده کنیم؟

همه انواع فلز را نمی توان با موفقیت درمان کرد، اما برای آنهایی که می توان، سه دلیل اصلی عبارتند از:

* بهبود قابل اندازه گیری در مقاومت سایش. بهبود مقاومت سایشی قطعات تا 30 درصد و در برخی موارد بسیار بیشتر غیر معمول نیست. بسیاری از قطعات فولادی (به ویژه فولادهای ابزار) بیش از 200 درصد افزایش را تجربه می کنند.

* دوام بهبود یافته به دلیل نقص کمتر در ساختار فولادی. این به دلیل ساختار دانه ای بهبود یافته و ثابت در فلز است.

* تسکین تنش. وقتی فلز از حالت مایع (مذاب) به حالت جامد سرد می شود، همیشه مقداری تنش پسماند وجود دارد. حذف این تنش‌ها باعث اطمینان بیشتر قطعه می‌شود زیرا کاهش تنش پسماند منجر به کاهش مستقیم خرابی‌های ناشی از خستگی می‌شود.

تیمارهای برودتی همچنین مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می بخشند زیرا این فرآیند محافظت بیشتری در برابر اسیدها و مواد سوزاننده ارائه می دهد. علاوه بر این، در برخی از کاربردهای دوغاب، مقاومت بیشتری در برابر سایش وجود دارد. یک شرکت عملیات برودتی همچنین ادعا می کند که محافظت بیشتری در برابر آسیب حفره ایجاد می کند.

علاوه بر این، هنگامی که فلزات به طور مناسب به صورت برودتی تیمار می شوند، این فقط یک تعمیر سطحی (زیر لایه) نیست. اثر فرآیند معمولاً در کل قطعه رخ می دهد. یکی از دلایلی که تولیدکنندگان و کاربران فولاد ابزار این فرآیند را دوست دارند این است که ابزار را می توان بارها آسیاب یا تیز کرد زیرا این فرآیند فقط یک پوشش یا ضخامت چند میلی متری نیست. به عنوان مثال در دنیای واقعی: عمر عملکردی چاقوهای شکافنده مورد استفاده در کارخانه های کاغذسازی را می توان تا 600 درصد افزایش داد.

عملیات برودتی فلزات را می توان تحت نام ها و فرآیندهای تجاری بسیاری تعریف کرد. به عنوان مثال: سخت شدن برودتی، پردازش برودتی، تمپرینگ برودتی، عملیات برودتی عمیق (DCT) (deep cryogenic treatment) و تنوعات در همه این‌ها.

مانند هر موردی، هنگام برخورد با فروشندگان، لطفاً مراقب ادعاهای بازاریابی باشید. به دنبال تجربه، روش های فنی رسمی، علم واقعی (داده ها و حقایق) و نتایج اثبات شده باشید. پردازنده‌های خوب معمولاً یک آزمایشگاه یا یک اتصال حرفه‌ای و/یا دسترسی به یک آزمایشگاه برای اثبات/پشتیبانی داده‌ها دارند. شرکت‌های مختلف، فرآیندهای اختصاصی، دما، مدت زمان و تکنیک‌های متفاوتی دارند و بنابراین نتایج ممکن است متفاوت باشد و توصیف‌کننده‌های دیگری نیز داشته باشد.

ادعاهای مختلف برای فلزات مختلف از پردازنده های مختلف شامل اظهارات افزایش سختی، چقرمگی افزایش یافته، مقاومت بهتر در برابر سایش و ثبات ابعادی است. کاربران نهایی باید با فروشنده انتخاب شده برای اطلاعات خاص کار کنند.

برای بحث کلی در این مقاله، ما عملیات برودتی را به صورت یک فرآیند خنک‌سازی کند و منظم قطعات/جزئیاتی که قبلاً تحت عملیات حرارتی قرار گرفته‌اند و پس از آن یک دوره نگهداری بعدی تقریباً 24 ساعته، و سپس بازگشت کنترل شده به دمای محیط توصیف می‌کنیم. زمان نگهداری واقعی ممکن است از چهار تا 48 ساعت متغیر باشد و زمان‌ها و دماهای خاص به هندسه و مواد قطعات در حال پردازش بستگی دارد. گاهی اوقات، این فرآیند شامل گرم کردن مجدد قطعه تا دمایی بالاتر از دمای محیط، پس از درمان سرد است.

فرآیند خنک‌سازی برای تیمار برودتی معمولاً توسط یک فرآیند گازی با استفاده از فناوری نیتروژن مایع (LN) انجام می‌شود. آنها از LN که مایع است استفاده می کنند و آن را از طریق یک دریچه به گاز گسترش می دهند تا اثر خنک کنندگی را انجام دهند. این روش یک فرآیند throttling است که به نام فرآیند Joule-Thomson نیز شناخته می شود. گازهای دیگری که به صورت مایع استفاده می شوند مانند هلیوم مایع (LHe)، اکسیژن مایع (LOX) و هیدروژن مایع (LH) نیز ممکن است مورد استفاده قرار گیرند، اما به دلیل قیمت بالای این گازها، نیتروژن بیشترین استفاده را دارد.

لطفاً توجه داشته باشید که اگر تمام چیزی که در این فرآیند دخیل است یخ خشک ( COجامد) باشد، به سادگی یک درمان سرد در دمای منهای 100 فارنهایت است. این یک درمان برودتی نیست، که در دمای منفی 238 فارنهایت شروع می شود. با این حال، همه فلزات یا فرآیندها به DCT یا عملیات برودتی عمیق نیاز ندارند. برخی از شرکت‌ها ممکن است از عبارت «آبدیده کردن برودتی» استفاده کنند، اما لطفاً توجه داشته باشید که این از نظر فنی یک نام اشتباه است و بیشتر یک عبارت بازاریابی است، هرچند جذاب.

عملیات برودتی فرآیند پردازش قطعات کار تا دمای برودتی (یعنی زیر 190- درجه سانتیگراد (310- درجه فارنهایت)) به منظور حذف تنش های پسماند و بهبود مقاومت در برابر سایش در فولادها و سایر آلیاژهای فلزی مانند آلومینیوم است.یکی از مسائل اصلی و یک مانع بالقوه برای پذیرش عمومی این فناوری، این طرز فکر است که اقلام ریخته شده در LN شکننده شده و به راحتی می‌شکنند. همه ما آزمایش‌های علمی را در آزمایشگاه‌های کلاس درس یا در برنامه‌های تلویزیونی دیده‌ایم که این پارادایم را تداوم می‌بخشد.

به گفته T. Yugandhar و همکارP.K. ، کریشنان، در مقاله‌ای فنی که درباره قطعات و ابزارهای فولادی مورد استفاده در صنعت سوخت هسته‌ای منتشر کردند: «اگر شیوه‌های معتدل سنتی رعایت شود، مزیت بالقوه عملیات برودتی عمیق ممکن است محقق نشود و تأثیر خالص بر خواص فلز می‌تواند منفی باشد.»

هشدار دیگر درست مانند عبارت برنامه نویسی کامپیوتری یا کلیشه "ورود زباله، خروج زباله" است، قبل از شروع فرآیند باید با یک قطعه فلز خوب شروع کنید.

بنابراین، آنچه ما می دانیم این است که فرو رفتن کنترل نشده و سریع در LN باعث سخت شدن و شکننده شدن اجسام می شود، اما وقتی سرعت تغییر دما و مدت زمان (نقاط نگه داشتن) را در دماهای خاص کنترل کنید، می توانید به اثرات مثبت و قابل توجهی دست یابید. هزینه فرآیند، به دلیل بازگشت سرمایه قابل اندازه گیری، به راحتی قابل توجیه است.

برای فلزات و افراد فنی

فولادها می توانند در بسیاری از ساختارها و اشکال میکروسکوپی ظاهر شوند که عبارتند از:

* فریت (که همچنین به عنوان آهن آلفا شناخته می شود) - یک ساختار مکعبی مرکزپُر.

* آستنیت (که همچنین به عنوان آهن گاما شناخته می شود) - یک ساختار مکعبی وجه‌پُر.

* مارتنزیت - یک ساختار فولادی که تنها زمانی به دست می آید که آستنیت تا دمایی سرکوب شود که مجبور شود به یک چهار گوشه مرکزپُر تبدیل شود.

به هر حال، این فرآیند خاص است، و به همین دلیل است که این فرآیندهای برودتی موفق هستند. نکته اساسی همه این اطلاعات فنی، آن چیزی است که در دماهای بسیار پایین برای سازه های فولادی آستنیت که به مارتنزیت تبدیل می شوند، اتفاق می افتد.

فرآیند برودتی، آستنیتِ همیشه موجود و باقیمانده را به مارتنزیت در فولاد تغییر می دهد (تبدیل می کند). این تبدیل معمولاً، اما نه همیشه، یک نتیجه مطلوب در خواص فلز است، بنابراین درمان فلزات دوبلکس معمولی و فوق دوبلکس مانند CDMCu و سایر فولادهای آستنیتی ممکن است قابل دوام یا توصیه نباشند. کاربران نهایی باید با یک فروشنده آگاه کار کنند تا مزایا، محدودیت ها و پیامدهای فرآیند را به طور کامل کشف کنند.

فرآیندهای برودتی را نباید با فولادهای سخت شده با رسوب (PH) (precipitation-hardened) مانند فولاد 17-4 PH اشتباه گرفت. این فرآیندهای آلیاژی فولاد شامل یک دوره زمانی طولانی در دماهای بالا می‌شود، که امکان انجام فرآیند رسوب را فراهم می‌کند.

در فرآیند بارش، فرمول ها یا ترکیب هاییی از مولیبدن، مس، تیتانیوم و/یا آلومینیوم با فولاد آلیاژ می شود.

تمام مراحل کلیدی فرآیند در دماهای بالا انجام می شود، نه در سطوح برودتی، اگرچه، ممکن است شاهد باشید که گاهی اوقات فولادهای 17-4 PH پس از پردازش، در محیط‌های سرد و یا برودتی نیز پردازش می‌شوند.
همچنین می‌دانیم که فرآیندهای برودتی ممکن است برای فلزات دیگری غیر از فولاد، مانند مس، آلومینیوم و تیتانیوم نیز اعمال شوند. نکته جالب دیگر این است که از عملیات برودتی همچنین با موفقیت در برخی از انواع پلاستیک ها استفاده شده است.
 


درمان یا پردازش برودتی

عملیات برودتی فرآیند پردازش قطعات کار تا دمای برودتی (یعنی زیر 190- درجه سانتیگراد (310- درجه فارنهایت)) به منظور حذف تنش های پسماند و بهبود مقاومت در برابر سایش در فولادها و سایر آلیاژهای فلزی مانند آلومینیوم است. علاوه بر جستجوی کاهش تنش و تثبیت افزایش یافته یا مقاومت در برابر سایش، از درمان برودتی همچنین به دلیل توانایی آن در بهبود مقاومت در برابر خوردگی با رسوب دادن کاربیدهای میکرو ریز اتا، که می تواند با استفاده از یک کوانتیمتر در یک قطعه، قبل و بعد از عملیات، اندازه گیری شود، استفاده می شود.
 
این فرآیند دارای طیف گسترده ای از کاربردها از ابزارسازی صنعتی گرفته تا بهبود انتقال سیگنال موسیقی است. برخی از مزایای درمان برودتی عبارتند از عمر طولانی تر قطعه، شکست کمتر به دلیل ترک خوردن، بهبود خواص حرارتی، خواص الکتریکی بهتر از جمله مقاومت الکتریکی کمتر، کاهش ضریب اصطکاک، خزش و راه رفتن کمتر، صافی بهبود یافته و ماشینکاری آسان تر.
 

سخت شدن برودتی

سخت شدن برودتی یک فرآیند تیمار برودتی است که در آن مواد به آرامی تا دمای بسیار پایین خنک می شوند. با استفاده از نیتروژن مایع، دما می تواند تا 196- درجه سانتیگراد کاهش یابد. این می تواند تأثیر عمیقی بر خواص مکانیکی برخی مواد مانند فولادها یا کاربید تنگستن داشته باشد. در کاربید تنگستن (WC-Co)، ساختار کریستالی کبالت از فاز نرم‌تر FCC به فاز HCP سخت‌تر تبدیل می‌شود در حالی که ذرات سخت کاربید تنگستن تحت تأثیر درمان قرار نمی‌گیرد.
 
کاربردهای پردازش برودتی
* هوافضا و دفاع: ارتباطات، محفظه های نوری، سکوهای تسلیحاتی، سیستم های هدایت، سیستم های فرود.
* خودرو: روتور ترمز، گیربکس، کلاچ، قطعات ترمز، میله، میل لنگ، محور میل بادامک، یاتاقان، حلقه و پینیون، سر، قطار سوپاپ، دیفرانسیل، فنر، مهره، پیچ و مهره، واشر.
* ابزار برش: برش، چاقو، تیغه، مته، آسیاب انتهایی، تراشکاری یا فرز. درمان های برودتی ابزارهای برش را می توان به عنوان تیمارهای برودتی عمیق (حدود 196- درجه سانتیگراد) یا درمان‌های برودتی کم عمق (حدود 80- درجه سانتیگراد) طبقه بندی کرد.
* ابزار شکل دهی: قالب های رول، قالب های پیشرونده، قالب های مهر زنی.
* صنعت مکانیک: پمپ، موتور، مهره، پیچ و مهره، واشر.
* پزشکی: ابزار، چاقوی جراحی.
* موتور اسپورت و وسایل نقلیه ناوگان: برای روتورهای ترمز و سایر اجزای خودرو.
* موسیقی: لوله‌های خلأ، کابل‌های صوتی، سازهای برنجی، سیم‌های گیتار و سیم فرت، سیم پیانو، تقویت‌کننده‌ها، پیکاپ‌های مغناطیسی،  کابل‌ها، کانکتورها.
* ورزش: سلاح گرم، چاقو، تجهیزات ماهی‌گیری، مسابقات اتومبیل رانی، راکت تنیس، چوب گلف، تجهیزات کوهنوردی، تیراندازی با کمان، اسکی، قطعات هواپیما، خطوط فشار قوی، دوچرخه، موتور سیکلت.
 

ماشینکاری برودتی

ماشینکاری برودتی یک فرآیند ماشینکاری است که در آن مایع خنک کننده سنتی سیل (امولسیون روغن به آب) با جت نیتروژن مایع (LN) یا دی اکسید کربن از پیش فشرده شده (CO) جایگزین می شود. ماشینکاری برودتی در عملیات ماشینکاری خشن به منظور افزایش عمر ابزار مفید است. همچنین می تواند برای حفظ یکپارچگی و کیفیت سطوح ماشینکاری شده در عملیات ماشینکاری نهایی مفید باشد. آزمایش‌های ماشینکاری برودتی از چندین دهه قبل توسط محققان انجام شده است، اما کاربردهای تجاری واقعی هنوز به تعداد کمی از شرکت‌ها محدود می‌شود. ماشینکاری برودتی هم با تراشکاری و هم با فرزکاری امکان پذیر است.
 

فلاشینگ کرایوژنیک

فلاش کرایوژنیک یک فرآیند فلاشینگ است که از دماهای برودتی برای کمک به حذف فلاش روی قطعات ریختگی یا قالب گیری شده استفاده می کند. این دماها باعث می شود که فلاش سفت یا شکننده شود و به طور تمیز از بین برود. فلاش کرایوژنیک فرآیند ترجیحی برای حذف مواد اضافی از محصولات قالب‌گیری سفارشی با شکل های عجیب و غریب است.
 

نورد برودتی

نورد برودتی یکی از تکنیک های بالقوه برای تولید مواد فله یا توده‌ای نانوساختار از همتای توده ای آن در دماهای برودتی است. می توان آن را به عنوان نوردی تعریف کرد که در دماهای برودتی انجام می شود. مواد نانوساختار عمدتاً توسط فرآیندهای تغییر شکل پلاستیک شدید تولید می‌شوند. اکثر این روش ها به تغییر شکل های پلاستیکی بزرگ (کرنش های بسیار بزرگتر از واحد) نیاز دارند. در مورد نورد برودتی، تغییر شکل در فلزات سخت شده با کرنش، در نتیجه سرکوب بازیابی دینامیکی حفظ می شود. از این رو می توان کرنش های بزرگ را حفظ کرد و پس از بازپخت بعدی، ساختار بسیار ریز دانه تولید کرد.
اثر فرآیند معمولاً در کل قطعه رخ می دهد. یکی از دلایلی که تولیدکنندگان و کاربران فولاد ابزار این فرآیند را دوست دارند این است که ابزار را می توان بارها آسیاب یا تیز کرد زیرا این فرآیند فقط یک پوشش یا ضخامت چند میلی متری نیست.
مزایا
مقایسه نورد برودتی و نورد در دمای اتاق:
* در نورد برودتی، سخت شدن کرنش تا حدی که نورد انجام می شود، حفظ می شود. این به این معنی است که هیچ محو شدگی نابجایی و بازیابی پویا وجود نخواهد داشت، در جایی که مانند نورد در دمای اتاق، بازیابی پویا اجتناب ناپذیر است و نرم شدن صورت می گیرد.
* تنش جریان ماده برای نمونه ای که در معرض نورد برودتی قرار می گیرد متفاوت است. یک نمونه نورد برودتی شده دارای تنش جریان بالاتری در مقایسه با نمونه ای است که در دمای اتاق نورد می شود.
* لغزش متقاطع و صعود نابجایی ها به طور مؤثر در حین نورد برودتی سرکوب می شوند که این منجر به تراکم بالای نابجایی می شود که در نورد دمای اتاق صدق نمی کند.
* مقاومت در مقابل خوردگی برای نمونه نورد برودتی شده به دلیل تنش پسماند بالا نسبتاً کاهش می یابد.
* تعداد مراکز پراکندگی الکترون برای نمونه نورد برودتی شده افزایش می یابد و از این رو هدایت الکتریکی به طور قابل توجهی کاهش می یابد.
* نمونه نورد برودتی شده سرعت انحلال بالایی را نشان می دهد.
* ساختارهای بسیار ریز دانه را می توان از نمونه های نورد برودتی شده پس از بازپخت بعدی تولید کرد.
 
منبع: جیم السی، pumpsandsystems