Η κρυογενική άρχισε να εφαρμόζεται κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου, κυρίως στην αεροναυπηγική. Σε εμπορικό και βιομηχανικό επίπεδο άρχισε να εφαρμόζεται το 1966.
Η όλη διαδικασία αποσκοπεί στην αλλαγή της μοριακής δομής του μετάλλου, με αποτέλεσμα την μεγαλύτερη αντοχή στο χρόνο αλλά και τις καταπονήσεις.
Κρυογενική επεξεργασία είναι η επεξεργασία που γίνεται σε κάθε μεταλλικό αντικείμενο, το οποίο ψύχεται σε θερμοκρασία κάτω των -150°C.
Kατά την κρυογενική κατεργασία η κρυσταλλική δομή του μετάλλου συστέλλεται σε πολύ μεγάλο βαθμό. Τα άτομα του μετάλλου δημιουργούν πιο πυκνή διάταξη μεταξύ τους κι έτσι εξαλείφονται τα κενά στην κρυσταλλική δομή του. Παράλληλα, εκτονώνονται οι παραμένουσες τάσεις.
Στα ανθρακούχα κράματα του σιδήρου (ατσάλι, μαντέμι) παρατηρείται επίσης το φαινόμενο της μεταβολής του εναπομείναντα από τη βαφή (διαδικασία σκλήρυνσης) οστενίτη σε μαρτενσίτη. Τέλος, κατά την κρυογενική επεξεργασία παρουσιάζεται επιπλέον και εμφάνιση καρβιδίων από τα ελεύθερα άτομα άνθρακα. Έτσι, καλύπτονται τα μικροκενά τα οποία έχουν δημιουργηθεί κατά τη χύτευση.
Για να το κάνουμε πιο απλό να πούμε ότι, πολλά από τα καρβίδια (άλατα με βάση τον άνθρακα) \ανήκουν στα κεραμικά υλικά και επομένως είναι σκληρά με αποτέλεσμα να λειτουργούν ενισχυτικά.
Οι τρεις κυριότερες μεταβολές που προκύπτουν στα μέταλλα, μετά την κρυογενική επεξεργασία είναι:
1. Η κρυσταλλική δομή του μετάλλου μεταβάλλεται σε πιο ανθεκτική δομή στη φθορά.
2. Επιτυγχάνεται μεγαλύτερη συνοχή στη δομή του μετάλλου με τελικό αποτέλεσμα την μεγαλύτερη διάρκεια ζωής.
3. Εκτονώνονται οι τυχαίες μεταλλικές εντάσεις που μπορεί να έχουν προκληθεί από θερμική ή μηχανική επεξεργασία στα μέταλλα.
Τα πλεονεκτήματα της κρυογενικής επεξεργασίας είναι:
- Αυξημένη αντοχή στην τριβή (φθορά).
- Αυξημένη αντοχή στην κόπωση
- Μετατροπή του οστενίτη σε μαρτενσίτη* στα φερριτικά μέταλλα
(* Ο μαρτενσίτης είναι πολύ πιο σκληρός από τον οστενίτη με αποτέλεσμα να αυξάνεται η σκληρότητα του μετάλλου)
- Μείωση των ταλαντώσεων
- Αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας
- Μεταβολή στη μεταφορά της θερμότητας
- Σταθεροποίηση των μετάλλων με τη μείωση της παραμόρφωσης λόγω θερμότητας, έντασης και ταλαντώσεων, και τέλος
- Εξάλειψη των παραμενουσών τάσεων.
http://cryogenics.gr/gr/motor3.html ενα ακομα καταπληκτικο αρθρο ...
ΚΡΥΟΓΕΝΙΚΗ ΑΝΑΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ
TEXNIKO: ΚΡΥΟΓΕΝΙΚΗ ΑΝΑΚΡΥΣΤΑΛΛΩΣΗ
Ένα θαύμα «στην Ψύχρα»!
H κρυονική (Cryonics) υπόσχεται τη Μέλλουσα Ζωή σε καταψυγμένους ανθρώπους.
H Κρυογενική (Cryogenics) την Αιώνια Ζωή σε ζωντανά εξαρτήματα. Και τι ζωή:
με γκάζια ανεβασμένα 10 επάνω με ασήμαντο κόστος! Το μέλλον των μετατροπών
ισχύος προβλέπεται θερμό, αλλά στην... ψύχρα!
Γράφει ο Διονύσης Χοϊδάς
«Πάγωσέ το για να γίνει καυτό!» Αντίφαση; Κι όμως, όχι: αυτή τη στιγμή, το
μεγαλύτερο «μπουφ» στον τομέα των βελτιώσεων κινητήρων -και όχι μόνο- έχει
σχέση με τη βαθιά κατάψυξη!
Ποιος θα το φανταζόταν; Μέχρι λίγα χρόνια πριν, οι μεταλλουργοί ήξεραν ότι
για να βελτιωθεί η αντοχή ενός μεταλλικού εξαρτήματος, αυτό έπρεπε να
πυρωθεί μέχρι τα μόριά του να βρεθούν σε μια «ειδική» κατάσταση και ύστερα,
μέσα από μια διαδικασία ψύξης, να φέρουν το υλικό στη θερμοκρασία
περιβάλλοντος σταθεροποιώντας την κρυσταλλική του δομή εκεί ακριβώς που
αυτή εμφάνιζε την καλύτερη «συμπεριφορά». Πού να φανταστούν ότι τα
πολλαπλάσια κέρδη βρίσκονταν στην... άλλη μεριά του φάσματος των
θερμοκρασιών και αντί να χρειάζονται καμίνια για τη βελτίωση των μετάλλων,
θα χρειάζονταν... καταψύξεις;
Και όμως, τα πράγματα είναι ακριβώς έτσι: μέσα από μια διαδικασία
«περιπλάνησης» του μετάλλου σε υπερ-υπομηδενικές θερμοκρασίες, αυτό αποκτά
ιδιότητες που κανείς δεν μπορούσε να φανταστεί. Κινητήρες αρχίζουν ξαφνικά
να αποδίδουν «τρελές» ιπποδυνάμεις χωρίς να χάνουν τις ροπές τους και χωρίς
να απαιτούν τα υψηλά κόστη που συνδέονται με υπερσυμπιέσεις και άγριους
«χρονισμούς», ενώ ταυτόχρονα αποκτούν μια αντοχή έξω από τα συνήθη
δεδομένα! Εργαλεία κοπής σε τόρνους και φρέζες αρχίζουν να μη χρειάζονται
ακόνισμα, μπαστούνια του γκολφ αρχίζουν να στέλνουν την μπάλα μακρύτερα,
τυφλοί αρχίζουν να βλέπουν, κωφάλαλοι να τραγουδούν στην όπερα, γελάδες να
πετούν. Ρε μπας κι ήρθε η ώρα της Αποκαλύψεως;
Όλα αυτά δείχνουν εξωπραγματικά: όμως δεν είναι! Το ένα μετά το άλλο, εδώ
και δύο - τρία χρόνια, ανοίγουν νέα «καταψυκτήρια» στην Αμερική και
αγωνιζόμενοι να τρέχουν σ' αυτά και ύστερα δηλώνουν ότι «βρήκαν το φως
τους»! Και όπως δείχνουν τα πράγματα, η μόδα (και δεν είναι ακριβώς «μόδα»)
ετοιμάζεται να περάσει και από την άλλη μεριά του Ατλαντικού. Αντε και στα
δικά μας!
H υπέρψυξη των υλικών δεν είναι καινούρια υπόθεση (καινούρια είναι, απλώς,
η μόδα!). Τα πρώτα πειράματα άρχισαν στη διάρκεια του Δεύτερου Παγκόσμιου
Πολέμου: η θεωρία ήδη υπήρχε, όχι όμως και η επιβεβαίωση.
Οι πρώτες απόπειρες βελτίωσης των μετάλλων βασίζονταν σε μια απλοϊκή
διαδικασία: οι ερευνητές πετούσαν τα εξαρτήματα σε υγρό άζωτο και ύστερα τα
άφηναν να επανέλθουν στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. H αύξηση στη
σκληρότητα ήταν γεγονός: γεγονός όμως ήταν και η συνεπαγόμενη ευθραυστότητα
σαν συνέπεια της ψαθυρότητας: ένα γεγονός που έκανε τη διαδικασία της
«βελτίωσης με υπέρψυξη», αναξιόπιστη για στρατιωτικές εφαρμογές. Το πράγμα
ξεχάστηκε για κάπου 20 χρόνια.
Στη δεκαετία του '60 οι θεωρητικές έρευνες και τα πειράματα ξανάρχισαν σε
νέα βάση.
O «γκουρού» αυτής της ιστορίας, Dr. Randall Barron, εξηγεί: «Ανασύραμε την
υπέρψυξη στην επιφάνεια όταν χρειαστήκαμε να βελτιώσουμε την αντοχή των
καλουπιών κάποιου εργοστασίου πολεμικού υλικού. Αυτή τη φορά όμως, αντί να
υπερψύξουν απευθείας τα μέταλλα, δοκίμασαν μια σταδιακή ταπείνωση της
θερμοκρασίας μέχρι την τελική φάση. H διαδικασία αυτή δικαίωσε τις
προσπάθειες: τα μέταλλα απέκτησαν μια εξωπραγματική επιφανειακή σκληρότητα
χωρίς να χάσουν την ελαστικότητά τους! Μετά από αυτό, ο δρόμος ήταν
ανοικτός.
Κάποιοι άρχισαν να «παίζουν» με εξαρτήματα κοπής σε εργαλειομηχανές, ενώ
ένας υπεργολάβος-προμηθευτής στροφαλοφόρων για μια αυτοκινητοβιομηχανία του
Ντιτρόιτ, βελτίωσε τις προδιαγραφές των προϊόντων του, υπερψύχοντας τα
«κρυογενικά» εξαρτήματα, που είναι ήδη κοντά μας, εδώ και μια εικοσαετία,
χωρίς να το ξέρουμε: ποιος μας λέει ότι η αξιοθαύμαστη αντοχή των φτηνών
υλικών του στροφαλοφόρου π.χ. μιας παλιάς Trans Arn, δεν οφείλεται στην
-προ εικοσαετίας- κρυογενική επεξεργασία του;
Τι όμως κάνει η κρυογενική επεξεργασία στο υλικό του μετάλλου; Ας ακούσουμε
την απάντηση από τον ίδιο τον Dr Barron, σύμφωνα με μια συνέντευξη που
έδωσε σε αμερικανικό περιοδικό:
«Η συνήθως θερμική επεξεργασία των ατσαλιών με υψηλή περιεκτικότητα σε
άνθρακα, προβλέπει τη θέρμανσή τους στους 800-1200�C (ανάλογα με το κράμα)
στη διάρκεια της οποίας τα μόρια του άνθρακα και των άλλων προσμίξεων
αποκτούν μια κινητικότητα και διαχέονται στη μάζα του σιδήρου, όπως ακριβώς
το... μαγειρικό αλάτι μέσα σε ζεστό νερό. Σ' αυτήν την περίπτωση το
«διάλυμα» σιδήρου-άνθρακα (ωστενίτης) είναι ακόμα μαλακό: μόλις όμως ψυχθεί
απότομα (κάτω από τους 550�C, μέσα σε λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο) η
μαλακή αστενιτική φάση μετατρέπεται σε μαρτενσιτική που είναι πολύ
σκληρότερη. Εκεί, ένα μέρος του διαλελυμένου άνθρακα σχηματίζει ένα νέφος
από καρβίδια που δένει' τη δομή του ατσαλιού και εκεί ακριβώς είναι που
αυτό αποκτά τη σκληρότητά του. Παρόλη όμως τη θερμική επεξεργασία -τη
βαφή', με άλλα λόγια- πάντοτε παραμένει ένα 8%-15% του υλικού στην
ωστενιτική φάση χωρίς να μετασχηματίζεται σε σκληρή, μαρτενσιτική. Εκεί
ακριβώς είναι που συντελείται το... κρυογενικό θαύμα: μόλις το μέταλλο
καταψυχθεί σε υγρό άζωτο, τα απομεινάρια του ωστενίτη μετασχηματίζονται
ολότελα σε μαρτενσίτη και εκεί είναι που παρουσιάζεται μια απότομη αύξηση
της σκληρότητας. Το πιο σημαντικό όμως είναι η ίδια η παραμόρφωση των
μορίων του μετάλλου: εκεί που ο μαρτενσίτης κρυσταλλώνεται σε κάπως
κυβική' μορφή, η κρυογενική ανακρυστάλλωση παραμορφώνει τους κύβους'
μετασχηματίζοντάς τους σε ορθογώνια παραλληλεπίπεδα -σαν τα οικοδομικά
τούβλα- μετατρέποντας το μέταλλο, κυριολεκτκά, σε... άλλο πράγμα'!
Φυσικά, αν το κράμα έχει χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα, η κρυογενική
επεξεργασία προσφέρει ασήμαντα κέρδη. Οι ταχυχάλυβες όμως των κοπτικών
εργαλείων (με προσμίξεις και άλλων μετάλλων, πέρα από τον άνθρακα) αυξάνουν
την αντοχή τους σε φθορά κατά 500% (!), ενώ οι κλασικοί χρωμιονικελιούχοι
χάλυβες (σαν αυτούς των στροφαλοφόρων και των μπιελών) ή τα μαντέμια των
χιτωνίων στους κυλίνδρους, αποκτούν μια βελτίωση στη φθορά της τάξης του
400%...».
Φυσικά, όλα αυτά τα θαυμαστά, δε συμβαίνουν μόνο στα ατσάλια: εκπληκτικές
βελτιώσεις έχουν παρατηρηθεί και σε ελαφρά κράματα αλλά και σε πλαστικά!
Ειδικά, στα μεταλλικά εξαρτήματα που προέρχονται από χύτευση και κοπή,
διαπιστώθηκε ότι η «αποκατάσταση τάσεων» -μετά την επεξεργασία στην
εργαλειομηχανή- γίνεται αποτελεσματικότερα με κρυογενική ανακρυστάλλωση απ'
ότι με τις συμβατικές, «θερμικές» μεθόδους.
Είναι κάμποσα χρόνια που πολλοί ήξεραν για τα «θαύματα» της κρυογενικής
ανακρυστάλλωσης αλλά δεν μπορούσαν να συγκινήσουν το ευρύ κοινό ώστε να
εμπορευματοποιήσουν ευρέως την ανακάλυψή τους. Όλα όμως άλλαξαν, λίγα
χρόνια πριν, με το «Βaron», ένα εκπληκτικό μπαστούνι του γκολφ, που
μπορούσε, με την ίδια δύναμη, να στείλει το μπαλάκι 20% μακρύτερα!
Το υλικό κατασκευής του είναι συμβατικό: όλη η... μαγκιά στην απόδοσή του
ήταν η κρυογενική επεξεργασία του στελέχους του.
Πώς όμως εξηγείται αυτό; Εδώ, ας προσπαθήσουμε -με δική μας ευθύνη- να
εξηγήσουμε τα ανεξήγητα, με απόλυτη επίγνωση της πιθανότητας η θεωρία μας
να αποδειχθεί μελλοντικά... φόλα!
Έχουμε λοιπόν και λέμε:
Στο σχολείο διδαχθήκαμε την «κλασική κρούση»: μια κατάσταση στην οποία η
κινητική ενέργεια μεταβιβάζεται εξ ολοκλήρου από ένα σώμα σε άλλο χωρίς
μέρος αυτής της ενέργειας να μετατρέπεται σε θερμότητα. Στην πράξη,
ελαστική κρούση δεν υπάρχει: πάντοτε ένα μέρος της κινητικής ενέργειας,
κατά την κρούση, θα προκαλέσει εσωτερικές ταλαντώσεις με τριβή μεταξύ των
μορίων του υλικού με αποτέλεσμα την απώλεια ενέργειας. H κρυογενική
ανακρυστάλλωση φαίνεται να βελτιώνει τη «δια-μοριακή ή δια-κρυσταλλική
ελαστικότητα» (όρος δικός μας, αδόκιμος, αλλά επεξηγηματικός) με αποτέλεσμα
τη μείωση των εσωτερικών τριβών.
Και κάπως έτσι, κάποιοι σκέφτηκαν: δηλαδή αν κάνουμε κρυογενική
ανακρυστάλλωση στα εξαρτήματα που περιβάλλουν μια κατ' εξοχήν «κρουστική»
διεργασία, τι κέρδος θα έχουμε;
Όπως καταλαβαίνετε, μιλάμε για τον κινητήρα εσωτερικής καύσης: αν δεν
απορροφά ενέργεια η κυλινδροκεφαλή από ταλαντωτικές ενδο-τριβές του υλικού
της, αν το πιστόνι και η μπιέλα κατεβάζουν 100% την κινητική ενέργεια
διαμέσου της μάζας τους κι αν ο στρόφαλος μπορεί να «κραδάζεται» χωρίς
εσωτερική τριβή, πόσο τοις εκατό παραπάνω ισχύς θα βγει από τον κινητήρα;
H απάντηση είναι απίστευτη: χωρίς καμία άλλη παρέμβαση, η κρυογενική
ανακρυστάλλωση μπορεί να αυξήσει την ιπποδύναμη σχεδόν κατά 10%. Αυτός
είναι και ο λόγος που οι καλύτερες αγωνιστικές ομάδες αυτοκινήτου, στην
Αμερική, στέλνουν τα εξαρτήματά τους μια βόλτα από το «ψυγείο», χωρίς όμως
και να το πολυδιαφημίζουν. Το μόνο «γνωστό» παράδειγμα είναι ο Μαρκ Μίλερ,
νικητής του τελικού αγώνα στο Suzuki Cup, με GSXR 750, του οποίου ο
κινητήρας ήταν... «κρυογεννημένος», σύμφωνα με ανακοίνωση του ίδιου του
εργαστηρίου που τον κατάψυξε.
Με όλα αυτά που διαβάσατε, μην αρχίσετε τις κακές σκέψεις και αρχίσετε να
χύνετε υγρό άζωτο πάνω από τα εξαρτήματα της μηχανής σας! Το πιο πιθανό
είναι να μετατρέψετε τα μέταλλά σας σε... «πίτουρο»: το ίδιο κόλπο
χρησιμοποιούν (με φρέον...) όσοι θέλουν να σπάσουν ένα λουκέτο χωρίς να
γίνουν αντιληπτοί από τον ιδιοκτήτη και τους γείτονες.
Στην πράξη, η κρυογενική ανακρυστάλλωση είναι μια αρκετά «λεπτή»
διαδικασία: τα εξαρτήματα ψύχονται σταδιακά -με τη βοήθεια ενός ηλεκτρικού,
συμβατικού, καταψύκτη- μέχρι μια ορισμένη υπομηδενική θερμοκρασία, πριν τα
μέταλλα έρθουν σε επαφή με το άζωτο. Από εκεί και πέρα, η υπέρψυξη προχωρεί
σταδιακά (με διάρκεια 10-30 ωρών!) μέχρι το κατώτατο σημείο, που βρίσκεται
στην περιοχή των -180�C. Το ίδιο χρονοβόρα είναι και η απόψυξη που διαρκεί
πάμπολλες ώρες πριν να είναι έτοιμα τα εξαρτήματα να επιστρέψουν στην
κανονική ζωή. Όλες αυτές οι διαδικασίες ελέγχονται συνεχώς από υπολογιστή
και η ακρίβεια των θερμικών μεταβολών κυμαίνεται από μισό μέχρι ένα βαθμό
Κελσίου! Το συνολικό όμως κόστος αυτής της διαδικασίας είναι πολύ
χαμηλότερο από αυτό της μετατροπής για αύξηση ιπποδύναμης κατά 10%. Χώρια
που η κρυογενική ανακρυστάλλωση προσφέρει «τσάμπα» και μια εκπληκτική
αύξηση της αξιοπιστίας και της αντοχής σε φθορά.
http://library.techlink.gr/2t/article-main.asp?mag=3&issue=237&article=5757