Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong chế tạo vật liệu và dụng cụ

Dưới đây là một số ứng dụng chính của kỹ thuật lạnh trong lĩnh vực chế tạo vật liệu và dụng cụ.

Kim loại

Lắp chặt

Trong chế tạo máy có nhiều chi tiết đòi hỏi phải được lắp chặt vào nhau với một độ chặt lớn. Đối với các chi tiết này không thể sử dụng các biện pháp gá lắp bình thường. Ví dụ trường hợp lắp chân van vào thân máy của các động cơ ôtô. Trong trường hợp này người ta làm lạnh chân van xuống -80℃ đến -180℃, đường kính chân van thu nhỏ lại người ta dễ dàng lắp vào thân máy.

Khi nhiệt độ trở lại bình thường, chân van nở ra và ép chặt vào thân máy tạo nên mối liên kết rất chắc chắn. Trong trường hợp lắp ghép theo phương pháp này phải tính toán rất kỹ lưỡng dung sai khi lắp đặt. Dung sai tuỳ thuộc vào kích thước, đặc điểm chi tiết và vật liệu sử dụng.

Thay đổi cấu trúc tế vi

Bằng cách làm lạnh người ta nhận thấy có thể làm thay đổi cấu trúc của một số vật liệu chế tạo máy, theo hướng tích cực.

Ví dụ như trong thép đã tôi còn sót lại một ít austenit, khi nhúng thép vào môi trường lạnh -80℃ trong khoảng từ 5 đến 10 phút, austenit có thể chuyển hoá thành martensit làm cho thép cứng hơn.

Gia công lạnh sau khi tôi không những làm cho thép cứng hơn mà còn tăng độ rắn, khả năng chống mài mòn, độ đàn hồi, tăng tuổi thọ và ổn định kích thước chi tiết máy.

Về gia công lạnh để tăng tính đàn hồi, độ rắn, tính chống mài mòn đã được các nhà khoa học Anh, Mỹ kết luận từ năm 1914. Bảng dưới đây cho thấy khi gia công lạnh thép có 0,8%C, 8%Ni, 4%Cr, 1%V ở các nhiệt độ khác nhau thì độ đàn hồi E tăng lên đáng kể.

Bảng – Độ đàn hồi khi gia công ở các nhiệt độ khác nhau

Độ cứng HRc của thép cũng được tăng khi gia công lạnh nhờ đó làm tăng khả năng chống mài mòn của chi tiết. Nhiều số liệu từ sản xuất cho biết trong gia công vỏ đạn bằng mũi đột sâu thì dùng mũi đột bằng thép gió, thép crôm cao, cacbon cao hay thép cacbon thường đã qua nhiệt luyện thì sau khoảng 30.000 sản phẩm chúng đều bị vỡ. Nhưng nếu dùng thép thường sau nhiệt luyện có gia công lạnh thì tuổi thọ có thể tăng 10 lần.

Bảng – Độ rắn của thép ở các nhiệt độ gia công khác nhau

Đối với thép crôm đã tôi, khi làm lạnh xuống -80℃, cấu trúc tế vi của thép sẽ được củng cố. Quá trình “lão hoá” nhân tạo ở nhiệt độ thấp sẽ ổn định thể tích của thép. Gang austenit được sản xuất và sử dụng rộng rãi tuy cơ tính của nó kém hơn nhiều so với thép cán hoặc rèn.

Tuy nhiên có thể cải thiện cơ tính của chúng rất nhiều nếu được xử lý lạnh ở -80℃ trong hỗn hợp cồn và đá khô. Sau đó chúng được nung nóng đến nhiệt độ 700℃ để biến đổi các martensit niken trở lại austenit.

Gia công phôi

Trong quá trình gia công phôi, phần lớn cơ năng đưa vào biến thành nhiệt năng, làm cho nhiệt độ dao cắt tăng cao. Bằng cách gắn các cặp nhiệt ở đầu mũi dao và các vị trí khác nhau, người ta có thể đo được sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt tiếp xúc của dao cắt.

Đối với quá trình tiện thép vòng bi nhiệt độ đầu cắt có thể lên tới 800℃. Để tăng độ bền của dao và thời gian sử dụng cần phải làm lạnh dao xuống nhiệt độ thích hợp.

Để làm lạnh dao, người ta sử dụng dung dịch dầu cắt hoặc nhũ tương đã được làm lạnh xuống 2 đến 4℃ rót trực tiếp vào vị trí cắt. Các loại thép không rỉ austenit có hệ số dẫn nhiệt nhỏ, do đó nhiệt độ ở các dao cắt còn tăng cao hơn nữa. Trong trường hợp này người ta thường sử dụng CO₂ lỏng để làm lạnh. Thanh thép tiện được bố trí một lỗ ở phía trong đến đúng vị trí tấm dao cắt volframcacbit để CO₂ lỏng chảy đến đây và bay hơi làm lạnh dao. Hơi CO₂ thoát ra qua một lỗ nhỏ.

Trong công nghiệp chế tạo máy bay người ta sử dụng rất nhiều tấm kiểu sandwich hai bên là hai tấm kim loại rất mỏng, dễ bị uốn cong và biến dạng. Một giải pháp hiệu quả là cho đầy nước vào các ngăn sau đó làm lạnh kết đông đá. Khi đó có thể gia công cơ khí như là một khối liền. Sau khi gia công xong chỉ cần làm tan băng đổ nước ra và dùng khí nén thổi sạch nước còn sót lại trong tấm sandwich. Các dụng cụ mỏng và dẹt rất khó kẹp lên máy công cụ.

Có thể sử dụng phương pháp sau: Làm lạnh các tấm kẹp phẳng bằng chất tải lạnh hoặc môi chất lạnh sôi xuống -30℃ sau đó nhúng dụng cụ vào nước và đặt lên tấm kẹp phẳng. Nước đóng lại và cố định dụng cụ vào tấm kẹp một cách rất chắc chắn. Có thể áp dụng phương pháp này cả đối với các dụng cụ phi kim loại.

Điện cực hàn

Điện cực của máy hàn điểm thường được làm mát bằng nước hoặc chất tải lạnh glycol. Nước hoặc glycol được bơm vào trong điện cực rỗng. Tuổi thọ của điện cực có thể tăng lên gấp ba lần nếu được làm lạnh bằng CO₂ lỏng. Để cấp lỏng cho điện cực phải sử dụng một bơm CO₂ lỏng đặc biệt.

Xử lý bề mặt bằng điện hoá

Trong việc xử lý bề mặt nhôm để tạo một lớp oxit dày, chất điện phân phải có nhiệt độ từ 21 đến 26,5℃. Nhiệt toả ra do dòng điện phân trung bình khoảng 35 W/cm² diện tích bề mặt liên tục phải được thải ra môi trường bên ngoài.

Cách làm lạnh bằng chất điện phân:

Việc làm lạnh chất điện phân có chứa axit sunfuric được thực hiện nhờ các ống làm lạnh bằng chì. Nước lạnh tuần hoàn trong ống có nhiệt độ khoảng 5℃ nhờ một máy lạnh. Cả trong quá trình mạ kim loại, tùy theo từng loại chất điện phân mà nhiệt độ bề mặt phải giữ ở nhiệt độ không đổi từ 20 đến 60℃.

Ví dụ như mạ đồng hoặc cadmi cần định kỳ loại bỏ cacbonat natri. Để loại bỏ cacbonat natri người ta sử dụng phương pháp kết tinh chậm dung dịch ở nhiệt độ khoảng -4℃. Để làm lạnh các chất điện phân có tính ăn mòn cao người ta sử dụng nhiều loại vật liệu đặc biệt trong đó có ống chất dẻo flo.

Đánh bóng bằng chất điện phân:

Đối với việc đánh bóng kim loại bằng chất điện phân, người ta nhúng sản phẩm cần đánh bóng vào bên cạnh một điện cực trong bể chất điện phân và nối vào nguồn điện 1 chiều, trong đó sản phẩm cần đánh bóng là cực anốt.

Các thử nghiệm cho thấy, nhiệt độ chất điện phân vào khoảng – 30℃ sẽ cho hiệu quả đánh bóng cao nhất. Nhiệt độ càng cao, hiệu quả đánh bóng càng phụ thuộc vào sự ổn định của điện thế. Do đó cần duy trì ổn định nhiệt độ chất điện phân ở nhiệt độ thấp là rất cần thiết. Chất điện phân trên cơ sở cồn mêtyl cho tốc độ đánh bóng cao nhất.

Phi kim loại và các vật liệu khác

Khi hạ nhiệt độ đủ thấp, các chất dẻo đàn hồi bị hóa cứng và giòn, rất dễ bị vỡ vụn hoặc có thể gia công cơ khí. Sau khi hạ nhiệt độ xuống -190℃ trong nitơ lỏng, nylông và polyetylen có thể được nghiền mịn.

Các chi tiết ép bằng cao su hoặc bằng các chất dẻo thường thường có ba via. Dùng tay loại bỏ các ba via này rất khó khăn và mất nhiều công sức. Nếu đưa chúng qua CO₂ lỏng sau đó đưa vào thùng quay bằng phương pháp cơ khí. Các vết cắt măng xông của săm xe ôtô, xe máy, xe đạp có thể được ghép chín tốt hơn nhiều nếu chỗ tiếp giáp (trổ măng xông) được làm lạnh sơ bộ trước đó xuống -7℃.

Việc làm lạnh tiến hành đơn giản bằng cách ép chúng lên bề mặt lạnh, ví dụ ép lên một bề mặt ống được làm lạnh từ bên trong môi chất lạnh hoặc chất tải lạnh. Nếu nhúng gỗ vào amoniac lỏng thì sau 15 đến 20 phút gỗ trở nên dẻo và có thể uốn nắn dễ dàng.

Sợi bông sẽ bóng như lụa nếu như sợi được nhúng vào dung dịch kiềm natri. Trong khi xử lý, sợi phải căng để chống lại xu hướng co rút của sợi. Dung dịch kiềm phải được giữ ở nhiệt độ 5 đến 10℃. Sau khi xử lý sợi vẫn ở trạng thái căng, được nhúng nước nóng 60 – 80℃ và sau đó được rửa sạch bằng nước.

Một phương pháp mới cho hiệu quả tương tự là nhúng sợi bông vào amoniac lỏng sôi ở áp suất thường -33℃. Hơi amoniac được thu hồi lại bằng máy nén lạnh.

Cùng chủ đề:

Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong kỹ thuật đo và tự động Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong xây dựng Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong sấy thăng hoa Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong điều hòa không khí Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong y tế và sinh học Cryo Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong sản xuất bia – nước ngọt