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

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ सबसे कठोर धातुओं को काटना पत्थर को आरी से काटने जैसा नहीं, बल्कि ठंडे मक्खन को काटने जैसा महसूस होता है। यह 'अब्रेसिव सस्पेंशन जेट मशीनिंग' नामक एक तकनीक का वादा है। इस प्रक्रिया में, पानी की एक उच्च-दबाव वाली धारा को रेत या गार्नेट के सूक्ष्म, नुकीले कणों के साथ मिलाया जाता है। इस उन्नत प्रणाली में, जहाँ पुराने तरीकों में पानी केवल कणों को खींचता था, वहाँ पानी और कणों को बाहर छोड़ने से पहले एक गाढ़े, एकसमान घोल (slurry) के रूप में मिला दिया जाता है। इसका परिणाम तरल और ठोस की एक ऐसी धारा है जो अत्यधिक, समान रूप से वितरित बल के साथ सामग्री से टकराती है, जो पारंपरिक उपकरणों द्वारा छोड़े जाने वाले ताप क्षति (heat damage) के बिना धातुओं को काटने में सक्षम है। दशकों से, इंजीनियरों ने टाइटेनियम से लेकर एल्युमीनियम तक सब कुछ काटने के लिए इस विधि का उपयोग किया है। हालाँकि, जब टंगस्टन स्टील जैसे अत्यंत कठोर और भंगुर (brittle) पदार्थों का सामना करना पड़ता है, तो यह प्रक्रिया एक दीवार से टकरा जाती है। सामग्री इतनी सख्त होती है कि जेट एक बार में इसे साफ तौर पर काटने के लिए संघर्ष करता है, जिससे अक्सर एक ऐसी सतह पीछे रह जाती है जो खुरदरी, असमान और सूक्ष्म दरारों से भरी होती है। यहीं पर यह सवाल महत्वपूर्ण हो जाता है कि कट को अधिक चिकना कैसे बनाया जाए, विशेष रूप से उन उद्योगों के लिए जो खनन और भारी मशीनरी के लिए इन टिकाऊ सामग्रियों पर निर्भर हैं।

अनहुई यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और चाइना यूनिवर्सिटी ऑफ माइनिंग एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने YG20 टंगस्टन स्टील नामक सामग्री का उपयोग करके इस विशिष्ट समस्या को हल करने का प्रयास किया। इस तरह की कठोर वस्तु को काटने की कठिनाई से निपटने के लिए, उन्होंने एक शीतलक (cooling agent) पेश किया: लिक्विड नाइट्रोजन। स्टील पर पहले लिक्विड नाइट्रोजन की बौछार करके, उन्होंने इसके तापमान को नाटकीय रूप से कम कर दिया, जिससे धातु अधिक भंगुर हो गई और उसे तोड़ना आसान हो गया। इसके बाद उन्होंने इस शीतलन चरण के साथ अब्रेसिव सस्पेंशन जेट का उपयोग किया। जबकि इस हाइब्रिड पद्धति ने, जिसे वे 'लिक्विड नाइट्रोजन असिस्टेड अब्रेसिव सस्पेंशन जेट' कहते हैं, स्टील को अकेले जेट की तुलना में बहुत तेजी से सफलतापूर्वक काट दिया, इसने एक नई समस्या पैदा कर दी। कटा हुआ सतह एकसमान नहीं था। एक एकल, सुसंगत बनावट के बजाय, शोधकर्ताओं ने पाया कि कट दो अलग-अलग विशेषताओं वाले दो स्पष्ट क्षेत्रों में विभाजित था।

जब उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी (microscopes) के नीचे कटे हुए सतह का परीक्षण किया, तो दो प्रकार की क्षति के बीच एक स्पष्ट सीमा दिखाई दी। कट का ऊपरी हिस्सा, जहाँ जेट ने अभी प्रवेश करना शुरू ही किया था, डक्टाइल फ्रैक्चर (ductile fracture) के लक्षण दिखा रहा था। इस क्षेत्र में, सामग्री नरम धातु की तरह व्यवहार करती है जिसे एक तरफ धकेला जा रहा हो, जिससे जेट की दिशा में लंबी, पतली खरोंचें पीछे छूट जाती हैं। यह क्षेत्र अपेक्षाकृत चिकना था, जिसका औसत खुरदरापन (roughness) लगभग 2.3 माइक्रोमीटर था। हालाँकि, कट का गहरा हिस्सा, जहाँ जेट को सबसे अधिक मेहनत करनी पड़ी, पूरी तरह से अलग दिखता था। यहाँ, सामग्री भंगुर तरीके से टूट गई थी। चिकनी खरोंचों के बजाय, सतह कट के पथ के साथ टेढ़ी-मेढ़ी लकीरों (ridges) से ढकी हुई थी, जो गहरे, पंखुड़ी के आकार के गड्ढों से घिरी हुई थी। यह भंगुर क्षेत्र काफी अधिक खुरदरा था, जिसका माप औसतन 6.7 माइक्रोमीटर था—ऊपरी चिकने भाग की तुलना में लगभग तीन गुना अधिक खुरदरा। शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि सामग्री के माध्यम से एक ही बार में काटने की मानक विधि इस खुरदरे, टूटे हुए निचले हिस्से को जेट की पॉलिशिंग क्रिया से अछूता छोड़ देती है, जिसके परिणामस्वरूप खराब गुणवत्ता की फिनिश मिलती है।

इसे ठीक करने के लिए, टीम ने एक चतुर दो-चरणीय रणनीति प्रस्तावित की जिसे उन्होंने "इनवर्टेड रिवर्स सेकेंडरी कटिंग" (inverted reverse secondary cutting) कहा। विचार यह था कि काटने और पॉलिश करने को दो अलग-अलग कार्यों के रूप में माना जाए। पहले चरण में, वे स्टील को तेजी से काटते हैं ताकि काम जल्दी हो जाए, यह स्वीकार करते हुए कि कट का निचला हिस्सा खुरदरा होगा। एक बार कट पूरा हो जाने के बाद, वे स्टील के टुकड़े को पलट देते हैं। इससे खुरदरा, टूटा हुआ निचला हिस्सा ऊपर की ओर हो जाता है। फिर, उन्होंने जेट को कट के ऊपर फिर से चलाया, लेकिन इस बार विपरीत दिशा में और एक नियंत्रित गति पर। यह दूसरा पास एक महीन पॉलिश की तरह कार्य करता है, जो टेढ़ी-मेढ़ी लकीरों को घिसता है और गहरे गड्ढों को भरता है, बिना धातु की पूरी मोटाई को दोबारा काटने के। इस दूसरे पास की गति को समायोजित करके, उन्होंने पाया कि पॉलिशिंग सबसे प्रभावी कब होती है।

इस नए दृष्टिकोण के परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब उन्होंने YG20 टंगस्टन स्टील पर इस पद्धति का परीक्षण किया, तो पूरे कटे हुए सतह का औसत खुरदरापन मानक सिंगल-पास विधि की तुलना में काफी कम हो गया। प्रारंभिक कट की गति के आधार पर, अंतिम सतह 27% से 29% अधिक चिकनी हो गई। शोधकर्ताओं ने पाया कि दूसरे, पॉलिशिंग पास की गति सबसे महत्वपूर्ण कारक थी। यदि जेट बहुत तेज चलता, तो उसके पास खुरदरे स्थानों को चिकना करने के लिए पर्याप्त समय नहीं होता। यदि वह बहुत धीमा चलता, तो पहला पास बहुत आक्रामक रहा होता, जिससे ठीक करने के लिए बहुत अधिक क्षति रह जाती। उन्होंने पाया कि सबसे अच्छे परिणाम तब आए जब दूसरा पास 25 से 32 मिलीमीटर प्रति मिनट की गति के बीच चला। इस गति पर, भंगुर क्षेत्र की "लकीरें" और गड्ढे प्रभावी ढंग से घिस गए, जिससे एक सतह मिली जो बहुत अधिक एकसमान और उच्च गुणवत्ता वाली थी।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि संचालन के क्रम और कट की दिशा को बदलकर, अत्यंत कठोर सामग्रियों की सीमाओं को पार करना संभव है। शोधकर्ताओं ने दिखाया कि कट का खुरदरापन सामग्री की कठोरता का एक अपरिहार्य परिणाम नहीं है, बल्कि इस बात का परिणाम है कि जेट की ऊर्जा को कैसे लागू किया जाता है। भारी कटिंग कार्य को सूक्ष्म फिनिशिंग कार्य से अलग करके, और सामग्री के अद्वितीय गुणों का उपयोग उसके विरुद्ध करके, उन्होंने कहीं बेहतर परिणाम प्राप्त किया। जिन उद्योगों को टंगस्टन स्टील में सटीक, चिकने कट की आवश्यकता होती है, उनके लिए यह विधि मौजूदा उपकरणों के उपयोग के तरीके को बदलकर अपने काम की गुणवत्ता में सुधार करने का एक व्यावहारिक तरीका प्रदान करती है।