極低温処理

極低温処理とは、鋼鉄やアルミニウムなどの金属合金の残留応力を除去し、耐摩耗性を向上させるために、ワークピースを極低温（通常は約-300°F / -184°C、最低-190°C（-310°F））で処理するプロセスです。応力緩和と安定化、あるいは耐摩耗性の向上に加え、極低温処理は、微細なイータ炭化物を析出させることで耐食性を向上させる効果も期待されています。このイータ炭化物は、自動画像解析を用いて部品の加工前後で測定可能です。

このプロセスは、工業用工具から音楽信号伝送の改善まで、幅広い用途に使用されています。極低温処理の利点としては、部品寿命の延長、ひび割れによる故障の低減、熱特性の改善、電気抵抗の低減を含む電気特性の向上、摩擦係数の低減、クリープとウォークの低減、平坦性の向上、機械加工の容易化などが挙げられます。[1]

プロセス

極低温焼戻し

極低温焼戻しは、下降段階と上昇段階からなる二段階の金属処理です。「極低温処理」と呼ばれる極低温処理プロセスでは、材料を通常-300°F（-184°C）程度の超低温までゆっくりと冷却し、その後、必要に応じて通常+325°F（162°C）までゆっくりと再加熱します。材料は温度の下降または上昇中に「硬化」するのではなく、通常は液体窒素を用いてゆっくりと温度を下げるコンピュータ制御プロセスによって、分子構造が均一に圧縮されます。

極低温処理と極低温焼戻しの発明の歴史

極低温処理プロセスは、NASA の研究にヒントを得て、1966 年にミシガン州デトロイトの Ed Busch (CryoTech) によって発明されました。このプロセスは後に、イリノイ州ディケーターの Peter Paulin がプロセス制御エンジニアと協力して世界初のコンピューター制御の「ドライ」極低温処理装置を 1992 年に発明した後、2000 年に 300 Below, Inc. と合併し、世界最大かつ最古の商用極低温処理会社となりました (Paulin は、この発明で Discovery Channel の Next Step TV ショーに出演しました)。

当初、業界では金属部品を液体窒素に浸す方法として、部品を液体窒素に浸したり、部品の上に液体窒素を注いだりしていましたが、初期の結果に一貫性がありませんでした。そこで、ポーリン氏は 300 Below の「ドライ」なコンピューター制御の極低温処理装置を開発しました。この装置は、液体窒素をその沸点以上の「ドライ」ガス状態でチャンバー内に導入することで、チャンバー内の部品が超低温の液体に直接触れることによる熱ショックを受けないようにし、すべての処理工程で一貫した正確な処理結果を保証します。

「ドライ」極低温プロセスでは、部品を液体に浸すのではなく、ソレノイド計量パイプから冷たいガスを短時間噴射して、1 分あたり 1 度未満の速度でゆっくりと温度を下げます。このガス噴射は、高精度の RTD (抵抗温度検出器) センサーと組み合わせたコンピューター機器によって制御されます。

乾式極低温処理と極低温焼戻しの科学

金属へのすべての変化は急冷時に起こるため、最初の下降段階は極低温処理と呼ばれ、最初の分子再配置後に材料の分子構造を加熱する第 2 段階を追加することで、両方のプロセスを合わせて極低温焼き戻しと呼びます。

液体窒素を使用すると、温度は -196 °C まで下がりますが、極低温処理装置の通常の滞留温度は、処理チャンバー内にガス状態で注入され、部品に熱ショックを与える可能性のある液体がチャンバー内に入らないように最大限の努力をするため、液体窒素の沸点よりわずかに高い -300 °F / -184 °C 近くになります。

極低温処理、特に極低温焼戻しは、鋼鉄や炭化タングステンなどの特定の材料の機械的特性に大きな影響を与える可能性があります。ただし、楽器の真鍮、ピアノの弦、特定の航空宇宙用途、または高級オーディオ機器の真空管やトランジスタなどの繊細な電子部品などの柔らかい金属の場合、極低温焼戻しの加熱段階は通常省略されます。

炭化タングステン（WC-Co）では、コバルトの結晶構造が柔らかいFCC相から硬いHCP相へと変化するが、硬い炭化タングステン粒子は処理の影響を受けない。[2]

極低温処理の応用

  • 航空宇宙および防衛: 通信、光学ハウジング、衛星、兵器プラットフォーム、誘導システム、着陸システム。
  • 自動車：ブレーキローター、トランスミッション、クラッチ、ブレーキ部品、ロッド、クランクシャフト、カムシャフトアクスル、ベアリング、リングとピニオン、ヘッド、バルブトレイン、ディファレンシャル、スプリング、ナット、ボルト、ワッシャー。
  • 切削工具：カッター、ナイフ、ブレード、ドリルビット、エンドミル、旋削用またはフライス加工用インサート[3]。切削工具の極低温処理は、深極低温処理（約-196℃）と浅極低温処理（約-80℃）に分類されます。
  • 成形ツール：ロール成形金型、順送金型、スタンピング金型。
  • 機械産業: ポンプ、モーター、ナット、ボルト、ワッシャー。
  • 医療：工具、メス。
  • モータースポーツおよびフリート車両:ブレーキ ローターやその他の自動車部品については、「自動車」を参照してください。
  • 音楽：真空管、オーディオケーブル、金管楽器、ギター弦[4]とフレット線、ピアノ線、アンプ、磁気ピックアップ、[5]ケーブル、コネクタ。
  • スポーツ: 銃器、ナイフ、釣り用具、自動車レース、テニスラケット、ゴルフクラブ、登山用具、アーチェリー、スキー、航空機部品、高圧ライン、自転車、オートバイ。

極低温加工

極低温加工は、従来のフラッド潤滑冷却液（水中の油の乳化液）を液体窒素（ LN2）または事前圧縮された二酸化炭素（CO2 ）のジェットに置き換える加工プロセスです。

極低温加工は、工具寿命を延ばすため、荒加工工程において有用です。また、仕上げ加工工程において、加工面の完全性と品質を維持するのにも役立ちます。極低温加工の試験は数十年にわたって研究者によって行われてきましたが[6]、実際の商業的応用は依然としてごく少数の企業に限られています[7] 。

極低温加工は、旋削加工[8]とフライス加工[9]の両方で可能です。極低温加工は、機械加工における比較的新しい技術です。この概念は、旋削加工、フライス加工、穴あけ加工など、様々な加工プロセスに適用されています。極低温旋削加工は、一般的に、超合金、鉄系金属、粘弾性ポリマー／エラストマーという3つの主要な被削材グループに適用されます。異なる材料の加工における極低温の役割はそれぞれ異なります。[10]

極低温バリ取り

極低温バリ取り

極低温圧延

極低温圧延またはクライオローリングは、極低温においてバルク材料からナノ構造を製造する有望な技術の一つです。クライオローリングとは、極低温で行われる圧延と定義できます。ナノ構造材料は主に強加工塑性変形プロセスによって製造されます。これらの方法の多くは、大きな塑性変形（ひずみ）を必要とします。クライオローリングの場合、ひずみ硬化金属の変形は動的回復の抑制によって保持されます。したがって、大きなひずみが維持され、その後の焼鈍処理超微細粒組織が得られます。

利点

クライオローリングと室温でのローリングの比較:

  • クライオローリングでは、圧延が行われるまでひずみ硬化が保持されます。これは、転位の消滅と動的回復が起こらないことを意味します。一方、室温での圧延では、動的回復は避けられず、軟化が起こります。
  • クライオロール加工されたサンプルの流動応力は、サンプルによって異なります。クライオロール加工されたサンプルは、室温で圧延されたサンプルと比較して、流動応力が高くなります。
  • クライオローリング中は転位の交差滑りと上昇が効果的に抑制され、転位密度が高くなりますが、これは常温圧延では当てはまりません。
  • クライオロールサンプルの耐食性は、残留応力が高いために比較的低下します。
  • クライオロールされたサンプルでは電子散乱中心の数が増加し、そのため電気伝導性が大幅に低下します。
  • クライオロールサンプルは高い溶解率を示します。
  • クライオロールしたサンプルをその後アニーリングすることで、超微粒子構造を生成できます。

特定の材料の極低温処理

ステンレス鋼

ステンレス鋼の極低温下でのねじり変形と引張変形は、鋼内部の緩やかな相変態を伴いながら機械的強度を大幅に向上させることが分かっています。[11]この強度向上は、以下の現象の結果です。

  • 変形により、より強度の高い体心立方相であるマルテンサイト相への相変態が誘発されます。ねじり変形と引張変形により、端部近傍のマルテンサイト相の体積率が高まり、表面からの初期の機械的破壊を防止します。
  • ねじり変形は、大きな静水圧張力を保護するために、半径方向に沿って勾配相変態を作り出す。
  • 大きな変形によりマルテンサイト相の転位塑性が誘発され、全体的な延性と引張強度が向上します。

銅

Zhangらは、液体窒素温度での動的塑性変形銅（LNT-DPD）へのクライオローリングを利用して、高い延性とともに引張強度を大幅に向上させました。[12]極低温硬化と極低温圧延を組み合わせたアプローチの鍵は、銅に埋め込まれたナノサイズの双晶境界を設計することです。

粒状バルク金属を塑性変形させると、粒界の大きさが縮小し、粒界強化が促進されます。しかし、粒が小さくなると、粒と内部の転位との相互作用により、粒界の更なる成長が阻害されます。粒界の中でも、双晶界と呼ばれる特殊な低エネルギー粒界は、転位との相互作用エネルギーが低いため、粒界の飽和サイズが著しく小さくなることが知られています。[13]

極低温動的塑性変形は、強塑性変形と比較して、より高い双晶界面割合を生成します。その後のクライオローリングにより、双晶界面が緩和され、粒界エネルギーがさらに低下し、ホールペッチ強化効果が向上します。さらに、これにより粒界がより多くの転位を収容する能力が向上し、クライオローリングによる延性の向上につながります。

チタン

チタンの極低温硬化は、他の面心立方（fcc）金属と比較して扱いにくい。これは、六方最密（hcp）金属は対称性や滑り系が少ないためである。最近、Zhaoらは、より高い強度、延性、熱安定性を有するナノ双晶チタンを扱う効率的​​な方法を発表した。[14]

液体窒素中で3つの主軸に沿って繰り返し低温鍛造し、その後に焼鈍処理を行うことで、純チタンは階層的な双晶境界ネットワーク構造を形成することができ、転位運動を抑制し、機械的特性を大幅に向上させます。微細構造解析の結果、繰り返し双晶形成と脱双晶化により、ナノサイズの双晶境界の割合が増加し、結晶粒が微細化することで、高流動応力下でマイクロスケールの双晶境界が飽和した後でも、ホールペッチ強化効果が大幅に向上することがわかりました。特に、ナノ双晶チタンの強度と延性は、77 K / -196.15 °Cで約2 GPaと約100%に達し、合金を添加しなくても従来の極低温鋼の強度と延性をはるかに上回ります。

参考文献

  1. ^ ASMハンドブック、第4A巻、鋼の熱処理の基礎とプロセス。ASMインターナショナル。2013年。382  ～ 386頁。ISBN 978-1-62708-011-8。
  2. ^ Padmakumar, M.; Guruprasath, J.; Achuthan, Prabin; Dinakaran, D. (2018-08-01). 「WC-Co超硬合金におけるコバルトの相構造とその影響の深冷処理前後の調査」. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials . 74 : 87– 92. doi :10.1016/j.ijrmhm.2018.03.010. ISSN  0263-4368. S2CID  139469405.
  3. ^ Thamizhmanii, S; Mohd, Nagib; Sulaiman, H. (2011). 「極低温処理および未処理PVDインサートのフライス加工性能」『材料・製造工学における成果ジャーナル』49 (2): 460– 466.
  4. ^ “Dean Markley - Blue Steel Electric”. 2015年9月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年7月30日閲覧。
  5. ^ “Zephyr Tele”. 2015年1月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年1月8日閲覧。
  6. ^ Zhao, Z; Hong, SY (1992年10月). 「材料の観点から見た極低温加工の冷却戦略」. Journal of Materials Engineering and Performance . 1 (5): 669– 678. Bibcode :1992JMEP....1..669Z. doi :10.1007/BF02649248. S2CID  135701245.
  7. ^ アラン・リヒター「極低温加工システムは工具寿命を延ばし、サイクルタイムを短縮できる」『切削工具工学』 。2015年2月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2015年11月21日閲覧。
  8. ^ Strano, Matteo; Chiappini, Elio; Tirelli, Stefano; Albertelli, Paolo; Monno, Michele (2013-09-01). 「極低温冷却と従来冷却におけるTi6Al4V加工力と工具寿命の比較」機械学会論文集、パート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). 「CNCフライス加工におけるインコネル718ニッケル基合金の表面粗さに対する液体窒素冷却剤の使用効果に関する初期研究」. Procedia CIRP . 45th CIRP Conference on Manufacturing Systems 2012. 3 : 121– 125. doi : 10.1016/j.procir.2012.07.022 .
  10. ^ Yap, Tze Chuen (2019年9月). 「超合金、鉄金属、粘弾性ポリマーの旋削加工における極低温冷却の役割」. Technologies . 7 (3): 63. doi : 10.3390/technologies7030063 . ISSN  2227-7080.
  11. ^ 馬志偉;レン、ヤン。李潤光。ワン・ヤンドン。周、リンリン。ウー、シャオレイ。ウェイ、ユジエ。華健・高（2018年1月17日）。 「傾斜相構造による極低温強化と強化」。材料科学と工学: A。712 : 358–364 .土井: 10.1016/j.msea.2017.11.107。OSTI  1461318。
  12. ^ Zhang, Y.; Tao, NR; Lu, K. (2008年6月). 「ナノ双晶束を埋め込んだナノ粒銅の機械的特性と転がり挙動」. 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. (2004年4月16日). 「銅の超高強度と高導電性」. 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. (2021年9月17日). 「超高強度・超延性を有するクライオフォージドナノツインチタン」. Science . 373 (6561): 1363– 1368. Bibcode :2021Sci...373.1363Z. doi :10.1126/science.abe7252. PMID:  34529490. S2CID  : 237545545.
  • アメリカ低温学会
  • CSA極低温処理研究論文データベース
  • 300 Below - 商業極低温産業の創始者（1966年以来）
  • 深低温技術の仕組みと最も効果的な応用方法を理解する
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