Криогенные камеры: заморозить,
чтобы упрочить

Криогенная камера для металла - по сути, такое же оборудование термообработки, как печь для закалки. Но в отличие от печи она работает не с высокими, а с предельно низкими температурами. Материал в этом случае может охлаждаться в диапазоне от -153°C до -269°C. Цель такой обработки - изменение его физико-механических свойств и улучшение характеристик.

Метод криогенной обработки был впервые применен в 1940-х годах в СССР для сталей. В то время исследования технологов были сосредоточены на повышении прочности и износостойкости деталей авиационных двигателей. В последующие десятилетия технология получила широкое распространение в разных отраслях промышленности.

Метаморфозы металла
при криогенной обработке 

При охлаждении до сверхнизких температур в камере криогенной заморозки в металле происходят разные явления:

• изменение кристаллической структуры. Атомы в решетке меняют положение, что приводит к изменению размеров и формы зерен;
• образование метастабильных фаз. При низких температурах могут образовываться фазы, которых не существует при комнатной температуре. Они способны улучшить некоторые свойства металла;
• снижение внутренних напряжений. За счет термического сжатия металла происходит релаксация внутренних напряжений;
• выделение карбидов и других примесей, которые могут улучшить механические свойства материала.

В результате этих внутренних преобразований меняется “физика” металла и он получает ряд новых свойств. 

Во-первых, приобретает твердость и прочность, становится более устойчив к деформации и разрушению.
Во-вторых, увеличивается износостойкость: металл меньше подвергается истиранию и другим видам износа.
В-третьих, материал становится более пластичным, а его хрупкость уменьшается. 
В-четвертых, повышается коррозионная стойкость. 
В-пятых, стабилизируются размеры и форма деталей: они меньше деформируются при эксплуатации.

Отметим, что обработка в криогенных морозильных камерах не относится к универсальным методам. Она не всегда приводит к желаемым результатам и может быть неэффективна для некоторых сплавов. Поэтому перед ее использованием необходимо провести исследования, чтобы определить целесообразность процесса.

Виды криогенных камер

Криогенная камера, цена на которую соответствует специфике оборудования,  классифицируется по ряду параметров. Они определяют технические характеристики, возможности и область применения оборудования. 

По типу используемого хладагента такие установки могут быть жидкоазотными и газовыми. Жидкоазотные используют в качестве хладагента жидкий азот. Температура в них может достигать -196°C. Они относительно просты в эксплуатации и широко распространены. Минус в том, что им требуется регулярное пополнение запаса жидкого азота.

Газовые камеры используют в качестве хладагента криогенные газы (гелий, аргон, азот). Замораживают металл до -269°C. Более сложны в эксплуатации, более дороги, но не требуют регулярного восполнения хладагента. 

По типу загрузки криогенная камера для металла может быть вертикальной или горизонтальной. Устройства с вертикальной загрузкой подходят для обработки длинномерных деталей. Могут быть как жидкоазотными, так и газовыми. Загрузка и выгрузка деталей внутрь осуществляется вручную или с помощью крана. В горизонтальных, более универсальных, камерах можно обрабатывать детали разных размеров и форм. Как правило, они более габаритны и дороги, чем вертикальные.

По термическому режиму криогенные установки могут быть низко- или сверхнизкотемпературными. Первые охлаждают металл максимум до -196°C, вторые могут достигать порога значительно ниже.    

Структура криогенной камеры

К основным элементам аппарата, хотя и не отвечающим непосредственно за охлаждение, становятся корпус и теплоизоляция. Корпус камеры криогенной заморозки обычно изготавливают из нержавеющей стали или алюминия. Теплоизоляцию выполняют из многослойных материалов с низким коэффициентом теплопроводности: например, из вакуумных панелей, пенополиуретана или перлита.
Ее толщина зависит от требуемого температурного режима.

Охлаждение рабочей камеры до заданной температуры обеспечивает холодильная установка. В жидкоазотных камерах для этого используется испаритель жидкого азота, в газовых - холодильная машина, работающая на компрессорном цикле. Регулирует температуру, давление и другие параметры в рабочей камере система управления и контроля. Она может включать программируемый контроллер, датчики температуры, системы безопасности.

К дополнительным опциям криогенных морозильных камер относятся:

• системы рекуперации. Позволяют использовать часть холода, отводимого от рабочей камеры, для охлаждения других объектов и повышают энергоэффективность оборудования;
• системы автоматизации. Автоматизируют управление всеми процессами работы, повышают производительность и снижают трудозатраты;
• контроль атмосферы. Позволяет поддерживать в рабочей камере заданную атмосферу (например, инертный газ), предотвращает окисление и другие химические реакции на поверхности деталей.

Подчеркнем, что это базовая схема. Конструкция криогенной камеры может меняться в зависимости от ее типа, назначения, производителя и от других факторов.

Экономическая эффективность криогенной обработки

В покупке такого оборудования, как криогенная камера, цена может стать стоп-фактором, ведь эта установка не относится к бюджетным. Но разовые траты гарантируют не только полную окупаемость ваших вложений, но и последующие немалые прибыли. Вы сможете снизить затраты на производство, улучшить механические свойства деталей, повысить срок их службы. И все это без расходов на другое дополнительное оборудование. 

Обращайтесь к нам за криогенными установками сегодня, чтобы модернизировать свое производство уже завтра!    

Тип камеры			Стоимость, млн руб.
Камера с вертикальной загрузкой			от 1,2
Камера с горизонтальной загрузкой			от 1,3
Камера с автоматизированной системой управления			от 1,8
Камера для обработки крупногабаритных изделий			от 2,5