Traitement cryogénique

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Un traitement cryogénique est le processus de traitement des pièces à des températures cryogéniques (c'est-à-dire inférieures à -190 ° C (-310 ° F)) afin d'éliminer les contraintes résiduelles et d'améliorer la résistance à l' usure des aciers et autres alliages métalliques, tels que l'aluminium . En plus de rechercher une amélioration de la détente et de la stabilisation, ou résistance à l'usure, le traitement cryogénique est également recherché pour sa capacité à améliorer la résistance à la corrosion en précipitant des carbures êta micro-fins, qui peuvent être mesurés avant et après dans une pièce à l'aide d'un quantimet .

Le processus a une large gamme d'applications allant de l'outillage industriel à l'amélioration de la transmission du signal musical. Certains des avantages du traitement cryogénique comprennent une durée de vie plus longue, moins de défaillances dues à la fissuration, des propriétés thermiques améliorées, de meilleures propriétés électriques, notamment une résistance électrique réduite, un coefficient de frottement réduit, moins de fluage et de marche, une planéité améliorée et un usinage plus facile. [1]

Processus

Durcissement

Le durcissement cryogénique est un processus de traitement cryogénique dans lequel le matériau est lentement refroidi à des températures très basses. En utilisant de l'azote liquide, la température peut descendre jusqu'à -196 °C. Il peut avoir un effet profond sur les propriétés mécaniques de certains matériaux, tels que les aciers ou le carbure de tungstène. Dans le carbure de tungstène (WC-Co), la structure cristalline du cobalt est transformée d'une phase FCC plus douce à une phase HCP plus dure, tandis que la particule dure de carbure de tungstène n'est pas affectée par le traitement. [2]

Applications du traitement cryogénique

  • Aéronautique & Défense : communication, boîtiers optiques, plateformes d'armes, systèmes de guidage, systèmes d'atterrissage.
  • Automobile : disques de frein, transmissions, embrayages, pièces de frein, bielles, vilebrequins, axes d'arbres à cames, roulements, bague et pignon, têtes, trains de soupapes, différentiels, ressorts, écrous, boulons, rondelles.
  • Outils de coupe : fraises, couteaux, lames, forets, fraises, plaquettes de tournage ou de fraisage [3] . Les traitements cryogéniques des outils de coupe peuvent être classés en tant que traitements cryogéniques profonds (environ -196 °C) ou traitements cryogéniques peu profonds (environ -80 °C).
  • Outils de formage : matrices de profilage, matrices progressives, matrices d'emboutissage.
  • Industrie mécanique : pompes, moteurs, écrous, boulons, rondelles.
  • Médical : outillage, scalpels.
  • Véhicules de sport automobile et de flotte : voir Automobile pour les disques de frein et autres composants automobiles.
  • Musical : tubes à vide, câbles audio, cuivres, cordes de guitare [4] et fil de frette, corde à piano, amplificateurs, micros magnétiques , [5] câbles, connecteurs.
  • Sports : Armes à feu, couteaux, matériel de pêche, course automobile, raquettes de tennis, clubs de golf, matériel d'alpinisme, tir à l'arc, ski, pièces d'avion, conduites à haute pression, vélos, motos.

Usinage

L'usinage cryogénique est un processus d'usinage dans lequel le liquide de lubro-refroidissement traditionnel (une émulsion d'huile dans l'eau) est remplacé par un jet d'azote liquide (LN2) ou de dioxyde de carbone pré-comprimé (CO2). L'usinage cryogénique est utile dans les opérations d'usinage d'ébauche, afin d'augmenter la durée de vie de l'outil. Il peut également être utile de préserver l'intégrité et la qualité des surfaces usinées dans les opérations d'usinage de finition. Des tests d'usinage cryogéniques sont effectués par des chercheurs depuis plusieurs décennies, [6] mais les applications commerciales réelles sont encore limitées à très peu d'entreprises. [7] L'usinage cryogénique par tournage [8] et fraisage [9] est possible.

Ébavurage

Ébavurage

cryogénique

Laminage cryogénique oucryorolling , est l'une des techniques potentielles pour produirematériaux en vracnanostructuréstempératurescryogéniquesIl peut être défini comme un laminage effectué à des températures cryogéniques. Les matériaux nanostructurés sont produits principalement parprocessusdéformation plastique sévèresLa plupart de ces méthodes nécessitent de grandesdéformations plastiques(déformationsbien supérieures à l'unité). En cas de cryolaminage, la déformation des métaux écrouis est préservée du fait de la suppression de lareprise dynamique. Par conséquent, de grandes déformations peuvent être maintenues et après unrecuitdes grainsultrastructure peut être produite.

Avantages

Comparaison du cryolaminage et du laminage à température ambiante :

  • Dans le cryolaminage, l'écrouissage est conservé jusqu'à la fin du laminage. Cela implique qu'il n'y aura pas d' annihilation de dislocation ni de récupération dynamique. Alors que, comme dans le laminage à température ambiante, la récupération dynamique est inévitable et un ramollissement a lieu.
  • La contrainte d'écoulement du matériau diffère pour l'échantillon soumis au cryolaminage. Un échantillon cryolaminé a une contrainte d'écoulement plus élevée par rapport à un échantillon soumis à un laminage à température ambiante.
  • Le glissement croisé et la montée des dislocations sont efficacement supprimés pendant le cryolaminage, ce qui conduit à une densité de dislocation élevée , ce qui n'est pas le cas pour le laminage à température ambiante.
  • La résistance à la corrosion de l'échantillon cryolaminé diminue comparativement en raison de la contrainte résiduelle élevée impliquée.
  • Le nombre de centres de diffusion d'électrons augmente pour l'échantillon cryolaminé et, par conséquent, la conductivité électrique diminue de manière significative.
  • L'échantillon cryolaminé montre un taux de dissolution élevé .
  • Des structures à grains ultra-fins peuvent être produites à partir d'échantillons cryolaminés après un recuit ultérieur.

Traitement cryogénique dans des matériaux spécifiques

Acier inoxydable

La déformation en torsion et en tension sous température cryogénique de l'acier inoxydable améliore considérablement la résistance mécanique tout en incorporant la transformation de phase progressive à l'intérieur de l'acier. [10] Cette amélioration de la résistance est le résultat du phénomène suivant.

  • La déformation induit une transformation de phase en phase martensitique qui est une phase cubique centrée sur le corps plus forte. La déformation en torsion et en tension induit un rapport volumique plus élevé de la phase martensitique près du bord pour éviter une défaillance mécanique initiale de la surface
  • La déformation de torsion crée la transformation de phase de gradient le long de la direction radiale protégeant une grande tension hydrostatique
  • La déformation élevée déclenche la plasticité des dislocations en phase martensitique pour améliorer la ductilité globale et la résistance à la traction

Cuivre

Zhang et al. ont exploité le cryolaminage au cuivre déformé en plastique dynamique à la température de l'azote liquide (LNT-DPD) pour améliorer considérablement la résistance à la traction avec une ductilité élevée. [11] La clé de cette approche combinée (durcissement cryogénique et laminage cryogénique) est de concevoir la frontière jumelle de taille nanométrique intégrée dans le cuivre. Le traitement avec la déformation plastique du métal en vrac grainé diminue la taille du joint de grain et améliore le renforcement du joint de grain. Cependant, à mesure que le grain devient plus petit, l'interaction entre le grain et la dislocation à l'intérieur empêche la poursuite du processus des grains. Parmi les joints de grains, on sait que les joints de macles, un type spécial de joints de grains à faible énergie, ont une énergie d'interaction plus faible avec la dislocation conduisant à une taille de saturation beaucoup plus petite du grain.[12] La déformation plastique dynamique cryogénique crée une fraction plus élevée des joints jumeaux par rapport à la déformation plastique sévère. Le cryolaminage suivant réduit encore l'énergie de la limite des grains en soulageant la limite des jumeaux, ce qui entraîne un effet de renforcement Hall-Petch plus élevé. De plus, cela augmente la capacité du joint de grain à s'adapter à plus de dislocation, ce qui améliore la ductilité du cryolaminage.

Titane

Le durcissement cryogénique du titane est difficile à manipuler par rapport à d'autres métaux cubiques à faces centrées (fcc) car ces métaux hexagonaux compacts (hcp) ont moins de systèmes de symétrie et de glissement à exploiter. Récemment Zhao et al. introduit la méthode efficace pour manipuler le titane nanotwinned qui a une résistance, une ductilité et une stabilité thermique plus élevées. [13]En cryoforgeant de manière répétitive le long des trois axes principaux dans l'azote liquide et en suivant le processus de recuit, le titane pur peut posséder une structure de réseau de frontière jumelle hiérarchique qui supprime le mouvement de dislocation et améliore considérablement sa propriété mécanique. L'analyse de la microstructure a révélé que le jumelage, le déjumelage et le rejumelage continuent d'augmenter la fraction des frontières de jumeaux nanométriques et d'affiner les grains pour obtenir un effet de renforcement Hall-Petch beaucoup plus élevé, même après la saturation de la frontière de jumeaux à l'échelle microscopique à une contrainte d'écoulement élevée. En particulier, la résistance et la ductilité du titane nanomaillé à 77 K atteignent environ 2 GPa et ~ 100%, ce qui dépasse de loin celles des aciers cryogéniques conventionnels, même sans aucune inclusion d'alliage.


Références

  1. ^ Manuel ASM, Volume 4A, Fondamentaux et processus de traitement thermique de l'acier . ASM International. 2013. p. 382–386. ISBN 978-1-62708-011-8.
  2. ^ Padmakumar, M.; Guruprasath, J.; Achuthan, Prabin ; Dinakaran, D. (2018-08-01). "Enquête sur la structure de phase du cobalt et son effet dans les carbures cémentés WC – Co avant et après traitement cryogénique profond". Journal international des métaux réfractaires et des matériaux durs . 74 : 87–92. doi : 10.1016/j.ijrmhm.2018.03.010 . ISSN 0263-4368 . S2CID 139469405 .  
  3. ^ Thamizhmanii, S; Mohd, Nagib ; Sulaiman, H. (2011). "Performance des inserts PVD traités cryogéniquement profonds et non traités en fraisage". Journal des réalisations en génie des matériaux et de la fabrication . 49 (2): 460–466.
  4. ^ "Copie archivée" . Archivé de l'original le 2015-09-03 . Récupéré le 30/07/2015 .{{cite web}}: Maint CS1 : copie archivée comme titre ( lien )
  5. ^ "Zéphyr Télé" .
  6. ^ Zhao, Z; Hong, SY (octobre 1992). "Stratégies de refroidissement pour l'usinage cryogénique du point de vue des matériaux". Journal d'ingénierie des matériaux et de performance . 1 (5): 669–678. Bibcode : 1992JMEP....1..669Z . doi : 10.1007/BF02649248 . S2CID 135701245 . 
  7. ^ Richter, Alan. "Les systèmes d'usinage cryogéniques peuvent prolonger la durée de vie des outils et réduire les temps de cycle" . Ingénierie des outils de coupe .
  8. ^ Strano, Matteo; Chiappini, Elio; Tirelli, Stefano; Albertelli, Paolo; Monno, Michèle (2013-09-01). "Comparaison des forces d'usinage Ti6Al4V et de la durée de vie de l'outil pour le refroidissement cryogénique par rapport au refroidissement conventionnel". Actes de l'Institution of Mechanical Engineers, Partie B: Journal of Engineering Manufacture . 227 (9) : 1403-1408. doi : 10.1177/0954405413486635 . ISSN 0954-4054 ​​. S2CID 135790146 .  
  9. ^ Shokrani, A.; Dhokia, V.; Newman, ST; Imani-Asrai, R. (2012-01-01). "Une étude initiale de l'effet de l'utilisation du liquide de refroidissement à l'azote sur la rugosité de surface de l'alliage à base de nickel Inconel 718 dans le fraisage CNC" . Procédure CIRP . 45e Conférence CIRP sur les systèmes de fabrication 2012. 3 : 121–125. doi : 10.1016/j.procir.2012.07.022 .
  10. ^ Ma, Zhiwei; Ren, Yang; Li, Runguang ; Wang, Yan-Dong ; Zhou, Lingling; Wu, Xiaolei; Wei, Yujie ; Gao, Huajian (17 janvier 2018). "Renforcement et renforcement à la température cryogénique dus à la structure à gradient de phase" . Science et génie des matériaux : A . 712 : 358–364. doi : 10.1016/j.msea.2017.11.107 .
  11. ^ Zhang, Y.; Tao, NR ; Lu, K. (juin 2008). "Propriétés mécaniques et comportements de roulement du cuivre nano-grainé avec des faisceaux nano-jumeaux intégrés". Acta Materialia . 56 (11): 2429–2440. Bibcode : 2008AcMat..56.2429Z . doi : 10.1016/j.actamat.2008.01.030 .
  12. ^ Lu, Lei; Shen, Yongfeng; Chen, Xianhua ; Qian, Lihua ; Lu, K. (16 avril 2004). "Ultra haute résistance et conductivité électrique élevée dans le cuivre". Sciences . 304 (5669): 422–426. Bibcode : 2004Sci...304..422L . doi : 10.1126/science.1092905 . PMID 15031435 . S2CID 3446187 .  
  13. ^ Zhao, Shiteng; Zhang, Ruopeng; Yu, Qin; Eh bien, Jon ; Ritchie, Robert O.; Mineur, Andrew M. (17 septembre 2021). "Titane nanotwinné cryoforgé à très haute résistance et ductilité". Sciences . 373 (6561): 1363–1368. Code bib : 2021Sci ...373.1363Z . doi : 10.1126/science.abe7252 . PMID 34529490 . S2CID 237545545 .  

Liens externes