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 (LN₂) انجام می‌شود. آنها از LN₂ 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 (LH₂) 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 ( CO₂جامد) 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 LN₂ 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 LN₂ 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 CD₄MCu 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.

درمان یا پردازش برودتی

سخت شدن برودتی

کاربردهای پردازش برودتی

ماشینکاری برودتی

فلاشینگ کرایوژنیک

نورد برودتی

مزایا