Jakość elementów wykonanych ze stali oraz ich parametrów mechanicznych jest bezpośrednio zależna od obróbki cieplnej. Wiedzą o tym świetnie producenci metalowych części stosowanych w przemyśle lotniczym, kosmicznym, motoryzacyjnym czy metalurgicznym, dlatego szczególnie dbają o ten etap obróbki, jakim jest hartowanie stali. Dzięki takim zabiegom bowiem stal zyskuje swoje optymalne właściwości.

Poprawę parametrów mechanicznych metali można też jednak osiągnąć poprzez zastosowanie technologii chłodzenia kriogenicznego. Uzyskiwanie lepszych właściwości materiału wskutek działania bardzo niskiej temperatury to jeden z największych przełomów ostatniej dekady w obróbce metali. Dążenie do optymalizacji procesów obróbczych sprawia, że coraz więcej zakładów przemysłowych wykorzystuje – ze znakomitymi rezultatami – technologie kriogeniczne.

Twardsze i bardziej odporne
Trudno przecenić korzyści, jakie dają zabiegi wychładzania. Operacje kriogeniczne części metalowych są jedną ze skuteczniejszych metod pozbycia się austenitu szczątkowego, który w temperaturze pokojowej jest substancją niestabilną i z czasem ulega powolnemu rozpadowi. Prowadzi to do zmiany wymiarów poszczególnych elementów wskutek przeobrażeń w strukturze wewnętrznej metalu. Obróbka podzerowa pomaga zapobiegać temu niekorzystnemu zjawisku, dzięki czemu istotnie stabilizuje geometrię wyrobów. Stanowi więc niezastąpioną metodę w produkcji np. takich przedmiotów jak narzędzia pomiarowe i sprawdziany, których najważniejszą cechą jest zachowanie bardzo dokładnych wymiarów.

Najbardziej jednak oczywistą korzyścią wynikającą z poddania stalowych elementów działaniu niskich temperatur jest istotna poprawa twardości materiału. Ma to związek z przekształceniem mikrostruktury stali z formy austenitycznej w martenzytyczną, która jest znacznie bardziej twarda i wytrzymała. Ponadto obróbka kriogeniczna powoduje wytrącenie się w strukturze stali węglików, co dodatkowo zwiększa odporność metalu. Dzięki temu procesowi zabiegi chłodzenia znacząco poprawiają trwałość narzędzi skrawających, a wymrożone szybkotnące narzędzia stalowe cechują się większą odpornością na zużycie i wytrzymałością na zginanie.

Warto podkreślić, że obróbkę podzerową stosuje się również w przypadku materiałów, w których nie następuje przemiana martenzytyczna. Wychładzanie może skutecznie poprawiać właściwości techniczne elementów z miedzi i srebra, a także z plastików. Celem oddziaływania niskotermicznego jest tu zmniejszenie wewnętrznych naprężeń materiału, wytrącenie węglików oraz ogólna poprawa struktury materiału.

Azot w roli głównej
W zabiegach obróbki podzerowej niezastąpioną rolę odgrywa ciekły azot – bezbarwny gaz pozbawiony zapachu, niepalny i obojętny chemicznie, który wrze w temperaturze –195,8°C, a krzepnie przy –210,0°C. Produkowany jest na skalę przemysłową poprzez destylację frakcyjną ciekłego powietrza. W skroplonej formie może być łatwo transportowany i przechowywany w zbiornikach oraz pojemnikach próżniowych. Unikalne właściwości ciekłego azotu sprawiają, że obróbka z jego udziałem jest najczęściej stosowaną i najbardziej wydajną technologią uzyskiwania niskiej temperatury, wykorzystywaną w wielu gałęziach przemysłu.

Najbardziej uniwersalnym sposobem chłodzenia przedmiotów stalowych za pomocą azotu jest ulokowanie ich w specjalnej komorze wykonanej na ogół ze stali nierdzewnej, w której rozprowadzane są pary gazu. System wentylacji w takim urządzeniu zapewnia jednolitą dystrybucję strumieni gazu, a co za tym idzie – równomierny rozkład temperatury. Pozwala to uniknąć szoku termicznego na skutek miejscowego kontaktu z gazem osiadającym na elementach. Zbyt duże skupienie niskiej temperatury mogłoby spowodować niepożądane naprężenia na powierzchni lub wewnątrz stali, a tym samym skutkować mechanicznymi uszkodzeniami materiału.

Trzeba podkreślić, że obróbka kriogeniczna jest zabiegiem, który wymaga odpowiednio długiego czasu. Zbyt szybkie oddziaływanie zimnym gazem uniemożliwia bowiem wystąpienie pożądanych zmian w strukturze krystalicznej stali i może wpłynąć negatywnie na rezultaty obróbki. Zabiegi głębokiego wymrażania długookresowego (DCT) mogą trwać od 8 do nawet 48 godzin. Powolny jest również proces stabilizacji mrożonego obiektu, a potem powrót do temperatury otoczenia.

Specjalistyczne wymrażarki
Jak twierdzą eksperci od obróbki metali, inwestycje w technologie wydajnej obróbki podzerowej z wykorzystaniem azotu z reguły prędko się zwracają. Profesjonalne wymrażarki zapewniają w pełni automatyczną kontrolę temperatury z dokładnością do 1°C i jej precyzyjną regulację na potrzeby chłodzenia metali, niemetali i kompozytów. Urządzenia chłodzące pozwalają również na generowanie pełnych raportów z przebiegu całego procesu, dzięki czemu obrabiane przedmioty spełniają najbardziej wyśrubowane wymogi stawiane przez przemysł lotniczy, kosmiczny i motoryzacyjny.

Nowoczesne wymrażarki wyposażane są w dodatkowe termoogniwa umożliwiające pomiar różnicy temperatury między powierzchnią zewnętrzną a wnętrzem danego przedmiotu, działające na bazie specjalnego algorytmu kontrolnego. Funkcja ta pomaga zapobiegać pękaniu elementów metalu. Specjalnie zaprojektowane układy wtrysku gazu chłodzącego są gwarantem efektywnego jego rozprowadzenia i zapewniają wysoką wydajność całego procesu.

Do indywidualnych potrzeb
Nowoczesne urządzenia do obróbki kriogenicznej ciekłym azotem to sprzęt w pełni bezpieczny. Zaopatrzone są w zaawansowane systemy, które automatycznie odcinają dopływ gazu w razie przypadkowego otwarcia drzwi komory podczas procesu obróbki. Dodatkowymi elementami ochronnymi są świetlne i dźwiękowe sygnały ostrzegawcze, a także wyposażenie maszyn w sterowniki kontrolujące atmosferę otoczenia.

Względy bezpieczeństwa, choć ważne, nie są jedynymi, które należy mieć na uwadze, wybierając wymrażarkę. Dobór konkretnego modelu komory kriogenicznej powinien zależeć przede wszystkim od indywidualnie określonych parametrów: masy załadunku, profilu produkcji (krótkie czy długie serie), a także rodzaju obrabianych przedmiotów, ich wielkości i charakteru pracy (ciągła czy ograniczona czasowo). Specyficzne wyzwania produkcyjne wielu przedsiębiorstw i konieczność integracji urządzenia kriogenicznego z automatycznymi liniami obróbki cieplnej wymagają często dostosowania wymiarów modelu urządzenia i jego konfiguracji do konkretnych potrzeb danego zakładu lub linii produkcyjnej.

Liczy się ekonomia
Oprócz względów technicznych ważne są również czynniki ekonomiczne. Trzeba wziąć pod uwagę ilość gazu ciekłego niezbędną do chłodzenia określonej masy wkładu i dostosowaną do wielkości zbiornika, a także ilość energii elektrycznej konieczną do pracy wymrażarki – czynniki te mają bowiem znaczny wpływ na opłacalność całego procesu obróbki. Producenci urządzeń do obróbki kriogenicznej zazwyczaj oferują doradztwo techniczne w określeniu potrzebnych parametrów instalacji i doborze wymrażarki odpowiedniej do potrzeb.

Obróbka kriogeniczna lub niskotemperaturowa, przebiegająca w temperaturach od –40 do –80°C, to jedne z najskuteczniejszych metod optymalizacji właściwości narzędzi stalowych, elementów maszyn i przedmiotów codziennego użytku. Technologie te poprawiają jakość części metalowych – ich trwałość, wytrzymałość materiałową i odporność na zużycie oraz ścieranie. Warto podkreślić, że zmiany strukturalne następujące na skutek oddziaływania kriogenicznego mają charakter trwały i nie ulegają pogorszeniu z biegiem czasu, w toku eksploatacji lub po powrocie narzędzi do temperatury otoczenia. Oddziaływanie niskotermiczne jest również niezastąpioną metodą zwiększania stabilności wymiarów przyrządów pomiarowych.

Poza tymi bezspornymi atutami ważny jest jeszcze jeden aspekt. Obróbka kriogeniczna jest technologią zieloną – wyłącza lub przynajmniej redukuje stosowanie cieczy chłodzących, co bez wątpienia ma pozytywny wpływ na lokalne środowisko.