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]
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.
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 está controlada por un equipo informático emparejado con sensores RTD (detector de temperatura de resistencia) de alta precisión.
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]
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]
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
Comparación entre el laminado criogénico y el laminado a temperatura ambiente:
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.
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.
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 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.