Optimization of surface quality for YG20 tungsten steel cut by liquid nitrogen assisted abrasive suspension jet

تخيل عالماً يبدو فيه اختراق المعادن الأكثر صلابة وكأنه قطع في قطعة من الزبدة الباردة بدلاً من كونه كالنشر في الحجر. هذا هو الوعد الذي تقدمه تقنية تسمى "التشغيل بنفاث التعليق الكاشط". في هذه العملية، يتم خلط تيار عالي الضغط من الماء مع جزيئات دقيقة وحادة من الرمل أو الغارنيت. وخلافاً للطرق القديمة حيث كان الماء يسحب الحبيبات معه فحسب، يقوم هذا النظام المتقدم بخلط الماء والحبيبات في ملاط كثيف ومتجانس قبل قذفه. والنتيجة هي تيار من السائل والصلب يصطدم بالمادة بقوة هائلة وموزعة بالتساوي، قادرة على قطع المعادن دون التسبب في الضرر الحراري الذي غالباً ما تتركه الأدوات التقليدية خلفها. لعقود من الزمن، استخدم المهندسون هذه الطريقة لقطع كل شيء من التيتانيوم إلى الألمنيوم. ومع ذلك، عندما يواجهون مواد شديدة الصلابة والهشاشة مثل فولاذ التنغستن، تصطدم العملية بحائط مسدود. فالمادة صلبة للغاية لدرجة أن النفاث يكافح لقطعها بشكل نظيف في تمريرة واحدة، مما يترك غالباً سطحاً خشناً وغير مستوٍ ومليئاً بالشقوق المجهرية. وهنا يصبح السؤال حول كيفية جعل القطع أكثر نعومة أمراً بالغ الأهمية، خاصة للصناعات التي تعتمد على هذه المواد المتينة في التعدين والآلات الثقيلة.

لقد وضع فريق من الباحثين في جامعة آنهوي للعلوم والتكنولوجيا وجامعة الصين للتعدين حداً لهذه المشكلة المحددة باستخدام مادة معروفة باسم فولاذ التنغستن YG20. ولمعالجة صعوبة قطع مادة بهذه الصلابة، أدخلوا عاملاً مبرداً: النيتروجين السائل. فمن خلال قذف الفولاذ بالنيتروجين السائل أولاً، خفضوا درجة حرارته بشكل كبير، مما جعله أكثر هشاشة وأسهل في التفتيت. ثم تبعوا خطوة التبريد هذه بنفاث التعليق الكاشط. وبينما نجحت هذه الطريقة الهجينة، التي يسمونها "التشغيل بنفاث التعليق الكاشط بمساعدة النيتروجين السائل"، في قطع الفولاذ بشكل أسرع بكثير مما يمكن للنفاث فعله بمفرده، إلا أنها خلقت مشكلة جديدة. لم يكن سطح القطع متجانساً؛ فبدلاً من وجود نسيج واحد ثابت، وجد الباحثون أن القطع منقسم إلى منطقتين متميزتين بخصائص مختلفة تماماً.

وعندما فحصوا سطح القطع تحت مجاهر قوية، ظهر حد واضح بين نوعين من التلف. أظهر الجزء العلوي من القطع، حيث بدأ النفاث للتو في الاختراق، علامات على كسر مطيلي. في هذه المنطقة، تصرفت المادة بشكل يشبه المعدن الناعم الذي يتم دفعه جانباً، تاركة وراءها نمطاً من الخدوش الطويلة والنحيفة التي تتبع اتجاه حركة النفاث. كانت هذه المنطقة ناعمة نسبياً، بمتوسط قياس خشونة يبلغ حوالي 2.3 ميكرومتر. ومع ذلك، فإن الجزء الأعمق من القطع، حيث اضطر النفاث للعمل بجهد أكبر، بدا مختلفاً تماماً. هنا، تحطمت المادة بطريقة هشة؛ فبدلاً من الخدوش الناعمة، كان السطح مغطى ببروزات مسننة تمتد على طول مسار القطع، محاطة بحفر عميقة تشبه شكل البتلات. كانت هذه المنطقة الهشة أكثر خشونة بشكل ملحوظ، حيث بلغ متوسط قياسها 6.7 ميكرومتر، أي أنها أخشن بنحو ثلاثة أضعاف القسم العلوي الأكثر نعومة. أدرك الباحثون أن الطريقة القياسية للقطع عبر المادة في تمريرة واحدة تركت هذا القسم السفটি المحطم والخشن دون أن يمسه فعل التلميع الخاص بالنفاث، مما أدى إلى تشطيب رديء الجودة.

ولإصلاح ذلك، اقترح الفريق استراتيجية ذكية من خطوتين أطلقوا عليها اسم "القطع الثانوي العكسي المعكوس". الفكرة هي التعامل مع القطع والتلميع كمهمتين منفصلتين. في الخطوة الأولى، يقومون بقطع الفولاذ بسرعة أكبر لإنجاز المهمة بسرعة، مع قبول حقيقة أن أسفل القطع سيكون خشناً. وبمجرد اكتمال القطع، يقومون بقلب قطعة الفولاذ. هذا يحول القسم السفلي الخشن والمحطم بحيث يواجه الأعلى. بعد ذلك، يمررون النفاث فوق القطع مرة أخرى، ولكن هذه المرة في الاتجاه المعاكس وبسرعة مدروسة بعناية. عملت هذه التمريرة الثانية كعملية تلميع دقيقة، حيث قامت بطحن البروزات المسننة وملء الحفر العميقة دون الحاجة إلى قطع كامل سمك المعدن مرة أخرى. ومن خلال ضبط سرعة هذه التمريرة الثانية، وجدوا "النقطة المثالية" حيث يكون التلميع أكثر فعالية.

كانت نتائج هذا النهج الجديد مذهلة. فعندما اختبروا الطريقة على فولاذ التنغستن YG20، انخفض متوسط خشونة سطح القطع بأكمله بشكل كبير مقارنة بطريقة التمريرة الواحدة القياسية. واعتماداً على سرعة القطع الأولية، أصبح السطح النهائي أنعم بنسبة تتراوح بين 27% و29%. واكتشف الباحثون أن سرعة تمريرة التلميع الثانية هي العامل الأكثر أهمية. فإذا تحرك النفاث بسرعة كبيرة، فلن يملك الوقت الكافي لتنعيم البقع الخشنة، وإذا تحرك ببطء شديد، فستكون التمريرة الأولى قد كانت عنيفة للغاية، مما يترك ضرراً كبيراً يصعب إصلاحه. ووجدوا أن أفضل النتائج تأتي عندما تتحرك التمريرة الثانية بسرعة تتراوح بين 25 و32 ملم في الدقيقة. عند هذا المعدل، يتم طحن "البروزات" والحفر في المنطقة الهشة بفعالية، مما يترك سطحاً أكثر تجانساً وعالي الجودة.

توضح هذه الدراسة أنه من خلال تغيير ترتيب العمليات واتجاه القطع، من الممكن التغلب على قيود قطع المواد شديدة الصلابة. لقد أظهر الباحثون أن خشونة القطع ليست نتيجة لا يمكن تجنبها لصلابة المادة، بل هي نتيجة لكيفية تطبيق طاقة النفاث. ومن خلال فصل أعمال القطع الثقيلة عن أعمال التشطيب الدقيقة، وباستخدام الخصائص الفريدة للمادة ضد نفسها، حققوا نتيجة أفضل بكثير. بالنسبة للصناعات التي تحتاج إلى قطوع دقيقة وناعمة في فولاذ التنغستن، توفر هذه الطة وسيلة عملية لتحسين جودة عملهم دون الحاجة إلى اختراع آلات جديدة تماماً، بل ببساطة من خلال إعادة التفكير في كيفية استخدام الأدوات الموجودة.