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Tratamiento criogénico

Un tratamiento criogénico es el proceso de tratar piezas de trabajo a temperaturas criogénicas (normalmente alrededor de -300 °F / -184 °C, o tan bajas como −190 °C (−310 °F)) con el fin de eliminar tensiones residuales y mejorar la resistencia al desgaste en aceros y otras aleaciones metálicas, como el aluminio . Además de buscar un mayor alivio y estabilización de tensiones, o resistencia al desgaste, el tratamiento criogénico también se busca por su capacidad para mejorar la resistencia a la corrosión mediante la precipitación de carburos eta microfinos, que se pueden medir antes y después en una pieza utilizando un quantimet. [ aclaración necesaria ]

El proceso tiene una amplia gama de aplicaciones, desde herramientas industriales hasta la mejora de la transmisión de señales musicales. Algunos de los beneficios del tratamiento criogénico incluyen una vida útil más larga de las piezas, menos fallas debido al agrietamiento, mejores propiedades térmicas, mejores propiedades eléctricas, incluida una menor resistencia eléctrica, coeficiente de fricción reducido, menos deslizamiento y desplazamiento, mejor planitud y mecanizado más fácil. [1]

Procesos

Templado criogénico

El templado criogénico es un tratamiento de metales en dos fases que implica una fase de descenso y una de ascenso, incluido un proceso de tratamiento criogénico (conocido como "procesamiento criogénico") en el que el material se enfría lentamente a temperaturas ultrabajas (normalmente alrededor de -300 °F / -184 °C), que luego se recalienta lentamente (normalmente hasta +325 °F / 162 °C). Los materiales no se "endurecen" durante el descenso o ascenso de temperatura, sino que sus estructuras moleculares se comprimen juntas de forma firme y uniforme a través de un proceso controlado por ordenador que normalmente utiliza nitrógeno líquido para descender lentamente las temperaturas.

Historia de la invención del procesamiento criogénico y templado criogénico

El proceso de tratamiento criogénico fue inventado por Ed Busch (CryoTech) en Detroit, Michigan en 1966, inspirado por la investigación de la NASA, que luego se fusionó con 300 Below, Inc. en 2000 para convertirse en la empresa de procesamiento criogénico comercial más grande y antigua del mundo después de que Peter Paulin de Decatur, IL colaboró ​​con ingenieros de control de procesos para inventar el primer procesador criogénico "seco" controlado por computadora del mundo en 1992 (donde apareció en el programa de televisión Next Step de Discovery Channel por su invención). Aunque la industria inicialmente sumergía las piezas de metal en nitrógeno líquido sumergiéndolas o vertiéndolas sobre ellas, los primeros resultados resultaron inconsistentes, lo que llevó al Sr. Paulin a desarrollar el equipo de procesamiento criogénico controlado por computadora "seco" de 300 Below para garantizar resultados de tratamiento consistentes y precisos en cada ejecución de procesamiento mediante la introducción de nitrógeno líquido en una cámara por encima de su punto de ebullición, en un estado gaseoso "seco", para garantizar que las piezas en una cámara no sufran un choque térmico por estar expuestas al contacto directo con líquido a temperaturas ultrabajas. Un proceso criogénico "seco" no sumerge las piezas en líquido, sino que asegura que las temperaturas desciendan lentamente a menos de un grado por minuto utilizando ráfagas cortas de gas frío que se introducen a través de una tubería con medidor de solenoide, que es controlada por un equipo informático emparejado con sensores RTD (detector de temperatura de resistencia) de alta precisión.

La ciencia detrás del procesamiento criogénico en seco y el templado criogénico

Debido a que todos los cambios en los metales se producen durante el enfriamiento, la primera fase del descenso inicial se denomina procesamiento criogénico y, al agregar una segunda fase para calentar la estructura molecular de los materiales después de una realineación molecular inicial, ambos procesos juntos se denominan templado criogénico. Al usar nitrógeno líquido, la temperatura puede bajar hasta -196 °C, aunque la temperatura de permanencia típica de los equipos de procesamiento criogénico es ligeramente superior al punto de ebullición del nitrógeno líquido (más cerca de -300 °F / -184 °C) debido a que se inyecta en la cámara de procesamiento en estado gaseoso y se hace todo lo posible para no introducir líquido en la cámara que podría provocar que las piezas sufran un choque térmico. El procesamiento criogénico (y especialmente el templado criogénico) puede tener un profundo efecto en las propiedades mecánicas de ciertos materiales, como los aceros o el carburo de tungsteno, pero la fase de calentamiento en el templado criogénico se omite típicamente para metales más blandos como el latón en instrumentos musicales, para cuerdas de piano, en ciertas aplicaciones aeroespaciales, o para componentes electrónicos sensibles como tubos de vacío y transistores en equipos de audio de alta gama. En el carburo de tungsteno (WC-Co), la estructura cristalina del cobalto se transforma de la fase FCC más blanda a la fase HCP más dura, mientras que la partícula de carburo de tungsteno dura no se ve afectada por el tratamiento. [2]

Aplicaciones del procesamiento criogénico

Mecanizado criogénico

El mecanizado criogénico es un proceso de mecanizado en el que el líquido de lubricación por inundación tradicional (una emulsión de aceite en agua) se reemplaza por un chorro de nitrógeno líquido (LN2) o dióxido de carbono precomprimido (CO2 ) . El mecanizado criogénico es útil en operaciones de mecanizado en bruto, con el fin de aumentar la vida útil de la herramienta. También puede ser útil para preservar la integridad y la calidad de las superficies mecanizadas en operaciones de mecanizado de acabado. Los investigadores han realizado pruebas de mecanizado criogénico durante varias décadas, [6] pero las aplicaciones comerciales reales aún están limitadas a muy pocas empresas. [7] Tanto el mecanizado criogénico por torneado [8] como el fresado [9] son ​​posibles. El mecanizado criogénico es una técnica relativamente nueva en el mecanizado. Este concepto se aplicó en varios procesos de mecanizado como torneado, fresado, taladrado, etc. La técnica de torneado criogénico se aplica generalmente en tres grupos principales de materiales de la pieza de trabajo: superaleaciones, metales ferrosos y polímeros/elastómeros viscoelásticos. Los roles del criógeno en el mecanizado de diferentes materiales son únicos. [10]

Desbarbado criogénico

Desbarbado criogénico

Rodamiento criogénico

Laminado criogénico oEl laminado criogénico es una de las técnicas potenciales para producirnanoestructuradosa granel a partir de su contraparte a granel acriogénicas. Puede definirse como el laminado que se lleva a cabo a temperaturas criogénicas. Los materiales nanoestructurados se producen principalmente mediantedeformación plástica severos. La mayoría de estos métodos requieren grandesdeformaciones plásticas(deformacionesmucho mayores que la unidad). En el caso del laminado criogénico, la deformación en los metales endurecidos por deformación se conserva como resultado de la supresión de la recuperación dinámica. Por lo tanto, se pueden mantener grandes deformaciones y, despuésdel recocido,se puede producir una estructurade grano ultrafino

Ventajas

Comparación entre el laminado criogénico y el laminado a temperatura ambiente:

Tratamiento criogénico en materiales específicos

Acero inoxidable

Se ha descubierto que la deformación torsional y tensional bajo temperatura criogénica del acero inoxidable mejora significativamente la resistencia mecánica al tiempo que incorpora la transformación de fase gradual dentro del acero. [11] Esta mejora de la resistencia es el resultado del siguiente fenómeno.

Cobre

Zhang et al. explotaron el criorollado al cobre deformado plástico dinámico a temperatura de nitrógeno líquido (LNT-DPD) para mejorar en gran medida la resistencia a la tracción con alta ductilidad. [12] La clave de este enfoque combinado (endurecimiento criogénico y laminado criogénico) es diseñar el límite gemelo de tamaño nanométrico incrustado en el cobre. El procesamiento con la deformación plástica del metal a granel granulado disminuye el tamaño del límite de grano y mejora el fortalecimiento del límite de grano. Sin embargo, a medida que el grano se hace más pequeño, la interacción entre el grano y la dislocación en el interior impide un mayor procesamiento de los granos. Entre los límites de grano, se sabe que los límites gemelos, un tipo especial de límite de grano de baja energía, tienen una energía de interacción menor con la dislocación, lo que lleva a un tamaño de saturación del grano mucho menor. [13] La deformación plástica dinámica criogénica crea una fracción más alta de los límites gemelos en comparación con la deformación plástica severa. Después del criorollado se reduce aún más la energía del límite de grano al aliviar el límite gemelo, lo que lleva a un mayor efecto de fortalecimiento de Hall-Petch. Además, esto aumenta la capacidad del límite del grano para acomodar más dislocaciones, lo que conduce a una mejora en la ductilidad del crioenrollado.

Titanio

El endurecimiento criogénico del titanio es difícil de manipular en comparación con otros metales cúbicos centrados en las caras (fcc) porque estos metales hexagonales empaquetados de forma compacta (hcp) tienen menos simetría y sistemas de deslizamiento para explotar. Recientemente, Zhao et al. introdujeron el método eficiente para manipular el titanio nanomaclado que tiene mayor resistencia, ductilidad y estabilidad térmica. [14] Al crioforjar repetidamente a lo largo de los tres ejes principales en nitrógeno líquido y seguir el proceso de recocido, el titanio puro puede poseer una estructura de red de límites gemelos jerárquica que suprime el movimiento de dislocación y mejora significativamente su propiedad mecánica. El análisis de la microestructura encontró que el maclado y desmaclado repetidos siguen aumentando la fracción de límites gemelos de tamaño nanométrico y refinando los granos para producir un efecto de fortalecimiento de Hall-Petch mucho mayor incluso después de la saturación del límite gemelo a microescala con alto estrés de flujo. En particular, la resistencia y ductilidad del titanio nanomaclado a 77 K alcanza aproximadamente 2 GPa y ~100%, lo que supera con creces las de los aceros criogénicos convencionales incluso sin ninguna inclusión de aleación.

Referencias

  1. ^ Manual de ASM, volumen 4A, Fundamentos y procesos del tratamiento térmico del acero . ASM International. 2013. págs. 382–386. ISBN 978-1-62708-011-8.
  2. ^ Padmakumar, M.; Guruprasath, J.; Achuthan, Prabin; Dinakaran, D. (1 de agosto de 2018). "Investigación de la estructura de fases del cobalto y su efecto en carburos cementados de WC–Co antes y después del tratamiento criogénico profundo". Revista internacional de metales refractarios y materiales duros . 74 : 87–92. doi :10.1016/j.ijrmhm.2018.03.010. ISSN  0263-4368. S2CID  139469405.
  3. ^ Thamizhmanii, S; Mohd, Nagib; Sulaiman, H. (2011). "Rendimiento de insertos de PVD tratados criogénicamente y no tratados en el fresado". Revista de logros en materiales e ingeniería de fabricación . 49 (2): 460–466.
  4. ^ "Dean Markley - Blue Steel™ Electric". Archivado desde el original el 3 de septiembre de 2015. Consultado el 30 de julio de 2015 .
  5. ^ "Zephyr Tele". Archivado desde el original el 20 de enero de 2015. Consultado el 8 de enero de 2015 .
  6. ^ Zhao, Z; Hong, SY (octubre de 1992). "Estrategias de enfriamiento para el mecanizado criogénico desde el punto de vista de los materiales". Revista de ingeniería y rendimiento de materiales . 1 (5): 669–678. Bibcode :1992JMEP....1..669Z. doi :10.1007/BF02649248. S2CID  135701245.
  7. ^ Richter, Alan. "Los sistemas de mecanizado criogénico pueden prolongar la vida útil de las herramientas y reducir los tiempos de ciclo". Ingeniería de herramientas de corte . Archivado desde el original el 16 de febrero de 2015. Consultado el 21 de noviembre de 2015 .
  8. ^ Strano, Matteo; Chiappini, Elio; Tirelli, Stefano; Albertelli, Paolo; Monno, Michele (1 de septiembre de 2013). "Comparación de las fuerzas de mecanizado de Ti6Al4V y la vida útil de la herramienta para refrigeración criogénica frente a refrigeración convencional". Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos, Parte B: Revista de fabricación de ingeniería . 227 (9): 1403–1408. doi :10.1177/0954405413486635. ISSN  0954-4054. S2CID  135790146.
  9. ^ Shokrani, A.; Dhokia, V.; Newman, ST; Imani-Asrai, R. (1 de enero de 2012). "Un estudio inicial del efecto del uso de refrigerante de nitrógeno líquido en la rugosidad superficial de la aleación a base de níquel Inconel 718 en el fresado CNC". Procedia CIRP . 45.ª Conferencia CIRP sobre sistemas de fabricación 2012. 3 : 121–125. doi : 10.1016/j.procir.2012.07.022 .
  10. ^ Yap, Tze Chuen (septiembre de 2019). "Funciones del enfriamiento criogénico en el torneado de superaleaciones, metales ferrosos y polímeros viscoelásticos". Technologies . 7 (3): 63. doi : 10.3390/technologies7030063 . ISSN  2227-7080.
  11. ^ Mamá, Zhiwei; Ren, Yang; Li, Runguang; Wang, Yan-Dong; Zhou, Lingling; Wu, Xiaolei; Wei, Yujie; Gao, Huajian (17 de enero de 2018). "Endurecimiento y fortalecimiento de la temperatura criogénica debido a la estructura de fase gradiente". Ciencia e ingeniería de materiales: A. 712 : 358–364. doi : 10.1016/j.msea.2017.11.107 . OSTI  1461318.
  12. ^ Zhang, Y.; Tao, NR; Lu, K. (junio de 2008). "Propiedades mecánicas y comportamientos de laminación de cobre de grano nanométrico con haces nanogemelos integrados". Acta Materialia . 56 (11): 2429–2440. Bibcode :2008AcMat..56.2429Z. doi :10.1016/j.actamat.2008.01.030.
  13. ^ Lu, Lei; Shen, Yongfeng; Chen, Xianhua; Qian, Lihua; Lu, K. (16 de abril de 2004). "Resistencia ultraalta y alta conductividad eléctrica en cobre". Science . 304 (5669): 422–426. Bibcode :2004Sci...304..422L. doi : 10.1126/science.1092905 . PMID  15031435. S2CID  3446187.
  14. ^ Zhao, Shiteng; Zhang, Ruopeng; Yu, Qin; Ell, Jon; Ritchie, Robert O.; Minor, Andrew M. (17 de septiembre de 2021). "Titanio nanomaclado crioforjado con resistencia y ductilidad ultraaltas". Science . 373 (6561): 1363–1368. Bibcode :2021Sci...373.1363Z. doi :10.1126/science.abe7252. PMID  34529490. S2CID  237545545.

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