À la recherche du meilleur matériau pour une tasse et des billes de broyeur cryogénique

Je travaille avec un ensemble d'alliages qui doivent d'abord être broyés dans un broyeur à boulets à des températures cryogéniques. Il est important qu'aucune contamination ne pénètre dans le matériau et des mesures minutieuses sont prises pour garantir cette fin.

Malheureusement, lorsque nous avons analysé un ensemble d'échantillons dans notre laboratoire RBS, puis à nouveau dans PIXE, nous avons constaté que nous avions une contamination par Fe et Cr. Au début, on pensait que cela provenait des outils de coupe utilisés pour préparer les échantillons, nous avons donc exécuté un autre échantillon qui a été coupé à l'aide d'EDM. Les résultats étaient les mêmes. Le seul autre contact du matériau avec un acier inoxydable provient de l'étape de broyage à boulets.

Nous avons utilisé un 440C pour la tasse et les balles, mais il semblerait qu'un 316L convienne mieux à cette application. Je sais que le 440C ne fonctionne généralement pas bien aux cryo-temps, mais c'est ce que d'autres laboratoires ont utilisé, donc nous ne nous attendions pas à ce qu'il y ait des problèmes de ce type.

Certaines choses à considérer pour le nouveau matériau de gobelet et de bille sont l'usinabilité, le coût, la disponibilité, les propriétés cryogéniques, la résistance aux vibrations et à la fatigue, et la capacité à être scellés (les gobelets sont remplis dans une atmosphère inerte d'Ar). Une autre possibilité est un traitement thermique des matériaux 440C actuels, mais je ne sais pas quelle serait la meilleure approche à cet égard.

Si le coût n'est pas un objet extrême, alors vous pourriez avoir la contamination la plus faible en utilisant un maquillage Co + WC pour vos balles, et utilisez une tasse cryoplastique pour éviter les abrasions entre les balles et la tasse.

Le WC est extrêmement stable thermiquement et a une dureté de surface incroyablement élevée (sans parler de la densité). Tant que votre liant Co peut résister aux contraintes (ou vous pouvez trouver un autre liant approprié), vous devriez bénéficier d'une contamination beaucoup plus faible, ainsi que de temps / efficacité de fraisage accélérés en raison de la densité et de la dureté accrues de vos billes de fraisage.

Le WC est facilement disponible sous forme de poudre, prêt à être formé et fritté à l'aide de toute machine capable de chauffer et d'injecter du Co (ou Ni) fondu pour le `` mouiller ''. Bien sûr, si le Co s'avère intenable en raison de la contamination ou des coûts de traitement, vous pouvez toujours utiliser un époxyde à faible teneur en gaz, cryogénique pour mouiller / lier la poudre WC (pourrait mieux fonctionner de toute façon, car j'y pense plus).

J'ai débattu entre la réponse ou le commentaire à ce sujet, mais en fin de compte, je pense que c'est plus une réponse - bien qu'une réponse imparfaite.

Il me semble que le principal problème que vous essayez de résoudre est d'empêcher le transfert de matière des billes / tasses, etc. pendant le processus de broyage à billes. Je ne pense pas que vous ayez nécessairement besoin de changer de matériau, et peut-être pourriez-vous même vous en sortir en ajoutant simplement un revêtement PVD ou CVD aux composants existants.

Le revêtement DLC (diamant-comme-carbone) vient à l'esprit en premier,

Cependant, je pense qu'il existe de nombreux revêtements qui pourraient vous être utiles. Les revêtements DLC sont très durs et résistants à l'usure (comme le nom du "diamant" le suggère). Ils ne s'écaillent pas et ne s'écaillent pas, et bien que je ne connaisse pas l'utilisation finale ni la nature de l'exigence de «pas de contamination», ces revêtements sont complètement inertes à presque tous les produits chimiques organiques et synthétiques, et complètement inertes au corps humain comme bien.

Pour cette application, je pense qu'un revêtement ta-C ou peut-être un ta-C: H pourrait bien fonctionner. Un autre DLC qui est censé être extrêmement dur et résistant à l'usure, mais avec lequel je n'ai aucune expérience personnelle, est l'UNCD (diamant ultrananocristallin).

Vous pouvez également trouver des revêtements d'outils plus traditionnels, tels que TiN ou TiAlN, qui pourraient bien fonctionner pour vous - je ne pouvais pas faire de recommandation quant au meilleur revêtement pour votre application. Je ne suis pas ingénieur en revêtements, juste un ingénieur qui a eu une bonne expérience de l'utilisation de ces types de revêtements pour mes propres applications dans le passé :)

Le principal avantage du 440C est sa haute trempabilité

Avec une dureté maximale d'environ 60 Rockwell C, le 440C est un acier inoxydable qui peut rivaliser avec de nombreux aciers à outils.

Il semble que vous utilisiez ce matériau à l'état recuit, ce qui est discutable pour moi. Ce matériau est généralement choisi pour sa haute trempabilité - il n'est pas (à ma connaissance) couramment utilisé à l'état recuit.

Il semble que vous ayez choisi ce matériau car il est couramment utilisé dans d'autres conceptions similaires; Je me demande dans quelle condition ce matériau est utilisé dans ces conceptions.

Si vous pouvez mettre la main sur certains composants 440C de l'une de ces autres conceptions, je ferais un test Rockwell pour voir s'il est traité thermiquement. Je mettrais de l'argent sur le traitement thermique. Le matériau recuit sera probablement dans le rockwell C des années 20-30, tandis que le matériau traité thermiquement sera dans les années 50.

Si vous avez l'intention de faire un test Rockwell, essayez de faire sur un composant avec un plat car les sphères peuvent être difficiles à tester et donner des lectures inexactes.

Pour commencer par un traitement thermique, je trouve que les fiches techniques de Carpenter sont généralement assez fiables. Leurs recommandations pour 440C sont:

• DURCISSEMENT: chauffer à 1850 / 1950ºF (1010 / 1066ºC); tremper; trempez dans l'huile chaude ou refroidissez dans l'air. La dureté sera ≈60HRC. Ne surchauffez pas ou vous ne pourrez pas atteindre une dureté maximale.
• TEMPER: Pour éliminer les contraintes maximales tout en conservant une dureté maximale, tempérer au moins une heure à 300 / 350ºF (149 / 177ºC).

Si vous cherchez un traitement thermique, je commencerais probablement par là.

Je ne pense pas que 316 serait un bon choix

Comme c'est un matériau beaucoup plus mou (gommeux) que 440C, et je pense que cela exaspérerait le problème de transfert de matériau.

Maintenant, j'ai dit que c'était une réponse imparfaite,

car je ne sais pas si cela répond directement à votre question. Il offre une voie vers une solution possible, mais il est incomplet car vous devrez discuter avec un expert en revêtement des besoins exacts de votre application et voir ce qu'ils disent.

Par exemple, je ne sais pas comment ces revêtements fonctionnent à des températures cryogéniques , ni quel revêtement fonctionnerait le mieux avec les abrasifs utilisés dans votre processus de broyage à boulets.

Je sais que j'ai utilisé des revêtements DLC pour résoudre certains problèmes uniques où je travaille, et ils m'ont permis de faire des choses pour lesquelles je ne pense pas avoir pu trouver d'alternative.

Je voulais également dire que trouver un fournisseur de revêtements fiable et fiable était la partie la plus difficile de l'adaptation de cette technologie pour moi. Comme cela peut être un défi assez intimidant, je propose une suggestion uniquement comme point de départ, et sans autre approbation que celle que j'ai personnellement eu une bonne expérience avec Oerlikon Balzers. Je ne connais pas la politique de recommandation de fournisseurs, et je n'ai aucune affiliation avec aucun fournisseur - alors n'hésitez pas à modifier cette réponse pour supprimer le nom du fournisseur si elle viole les politiques.

Peu importe avec qui vous choisissez de faire affaire, je vous recommande fortement de parler à l'un de leurs ingénieurs d'applications des besoins spécifiques de votre application et de voir quel revêtement ils recommandent.

Pensées de clôture

Les revêtements PVD / CVD sont de nature tribologique - ils affectent l'interface avec d'autres matériaux, mais ne modifient pas les propriétés du substrat de base.

Lorsque nous parlons de la conception des roulements, il existe une propriété communément appelée intégration. Il s'agit essentiellement d'une capacité des matériaux de roulement à absorber (ou à intégrer en eux-mêmes) des matériaux étrangers.

Sans en savoir plus sur la nature de votre conception, mon instinct me dit que vous ne voudriez pas que cela se produise, car cela signifierait que vos boules / tasses, etc. incorporeraient une certaine quantité des alliages que vous essayez de broyer. Il me semble peu probable que ce soit souhaitable. C'est une autre raison pour laquelle je pense que le 316 serait un mauvais choix.

Pour réduire l'incorporation, vous voulez un substrat plus dur.

Ma recommandation serait de traiter thermiquement les composants 440C en premier, puis d'appliquer un revêtement PVD par la suite, pour obtenir la meilleure combinaison de propriétés pour votre application. Je parlerais certainement à un ingénieur des revêtements des revêtements qui fonctionneront pour votre application (par exemple températures, compatibilité des matériaux, etc.)

Je recommande les billes d'alumine (pas les alliages d'acier cependant).

J'ai utilisé des broyeurs à boulets d'une capacité de 5 tonnes et un broyeur à pots en laboratoire (250 grammes) en utilisant des boules d'alumine.

Je pense que les billes d'alumine sont inertes (déjà oxydées) de sorte que même si elles peuvent introduire une certaine impureté, je ne pense pas que cela affectera chimiquement votre alliage comme Fe et Cr le feront.

Avec des billes d'alumine, le taux d'usure est très faible. L'utilisation quotidienne ne nécessite qu'une recharge régulière de balles tous les 3 mois.

Les billes d'alumine peuvent également être utilisées pour la température cryogénique (CMIIW). Quelque chose à garder à l'esprit cependant: la température du broyeur à pot sera très chaude (presque bouillante) après le broyage, il peut donc s'avérer difficile de maintenir la cryogénisation.