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

Stel je een wereld voor waarin het doorsnijden van de hardste metalen minder voelt als het doorzagen van steen en meer als het snijden door koude boter. Dit is de belofte van een techniek genaamd abrasieve suspensiestraalbewerking. In dit proces wordt een hogedrukwaterstraal gemengd met minuscule, scherpe deeltjes zand of granaat. In tegenstelling tot oudere methoden waarbij het water het grit simpelweg meesleept, mengt dit geavanceerde systeem het water en het grit tot een dikke, uniforme slurry voordat het naar buiten wordt geschoten. Het resultaat is een straal van vloeistof en vaste stof die het materiaal met een enorme, gelijkmatig verdeelde kracht raakt, in staat om door metalen te snijden zonder de hittebeschadiging die traditionele gereedschappen vaak achterlaten. Decennialang hebben ingenieurs deze methode gebruikt om alles van titanium tot aluminium te snijden. Echter, wanneer ze worden geconfronteerd met extreem harde en brosse materialen zoals wolfraamstaal, loopt het proces tegen een muur aan. Het materiaal is zo taai dat de straal moeite heeft om het in één keer schoon door te snijden, wat vaak een oppervlak achterlaat dat ruw, ongelijkmatig en vol microscopische scheurtjes is. Dit is waar de vraag hoe de snede gladder gemaakt kan worden cruciaal wordt, vooral voor industrieën die afhankelijk zijn van deze duurzame materialen voor mijnbouw en zware machines.

Een team van onderzoekers aan de Anhui University of Science and Technology en de China University of Mining and Technology zette zich uit om dit specifieke probleem op te lossen met behulp van een materiaal dat bekend staat als YG20 wolfraamstaal. Om de moeilijkheid van het snijden van een dergelijk hard substantie aan te pakken, introduceerden ze een koelmiddel: vloeibare stikstof. Door het staal eerst te bestoken met vloeibare stikstof, verlaagden ze de temperatuur drastisch, waardoor het metaal brosser en gemakkelijker te breken werd. Ze volgden deze koelstap vervolgens op met de abrasieve suspestiestraal. Hoewel deze hybride methode, die zij liquid nitrogen assisted abrasive suspension jet noemen, de stalen veel sneller door de straal alleen had kunnen snijden, creëerde het een nieuw probleem. Het snijvlak was niet uniform. In plaats van een enkele, consistente textuur, ontdekten de onderzoekers dat de snede verdeeld was in twee duidelijke zones met zeer verschillende kenmerken.

Wanneer zij het snijvlak onder krachtige microscopen onderzochten, verscheen er een duidelijke grens tussen twee soorten schade. Het bovenste deel van de snede, waar de straal net begon door te dringen, vertoonde tekenen van een ductiele breuk. In dit gebied gedroeg het materiaal zich enigszins als zacht metaal dat opzij wordt geduwd, waarbij een patroon van lange, dunne krassen werd achtergelaten die in de richting van de beweging van de straal weglopen. Deze zone was relatief glad, met een gemiddelde ruwheidsmeting van ongeveer 2,3 micrometer. Echter, het diepere deel van de snede, waar de straal het hardst moest werken, zag er volkomen anders uit. Hier was het materiaal op een brosse manier verbrijzeld. In plaats van gladde krassen was het oppervlak bedekt met grillige richels die langs het pad van de snede liepen, omringd door diepe, bloembladachtige putjes. Deze brosse zone was aanzienlijk ruwer, met een gemiddelde van 6,7 micrometer — bijna drie keer zo ruw als de gladdere bovenste sectie. De onderzoekers realiseerden zich dat de standaardmethode om door het materiaal te snijden in één enkele passage het ruwe, verbrijzelde onderste gedeelte ongemoeid liet door de polijstende werking van de straal, wat resulteerde in een slechte kwaliteit afwerking.

Om dit op te lossen, stelde het team een slim tweetrapsstrategie voor die zij "inverted reverse secondary cutting" noemden. Het idee was om het snijden en het polijsten als twee aparte taken te behandelen. In de eerste stap snijden ze door het staal met een hogere snelheid om de klus snel te klaren, waarbij ze accepteren dat de onderkant van de snede ruw zal zijn. Zodra de snede voltooid was, draaiden ze het staalstuk om. Dit draaide het ruwe, verbrijzelde onderste gedeelte zo dat het naar boven gericht was. Vervolgens lieten ze de straal opnieuw over de snede gaan, maar dit keer in de tegenovergestelde richting en met een zorgvuldig gecontroleerde snelheid. Deze tweede passage fungeerde als een fijne polijstbeurt, waarbij de grillige richels werden afgeslepen en de diepe putjes werden opgevuld zonder dat er weer door de volledige dikte van het metaal gesneden hoefde te worden. Door de snelheid van deze tweede passage aan te passen, ontdekten ze een 'sweet spot' waar het polijsten het meest effectief was.

De resultaten van deze nieuwe aanpak waren opmerkelijk. Wanneer zij de methode testten op het YG20 wolfraamstaal, daalde de gemiddelde ruwheid van het gehele snijvlak aanzienlijk vergeleken met de standaard single-pass methode. Afhankelijk van de snelheid van de initiële snede, werd het uiteindelijke oppervlak tussen de 27% en 29% gladder. De onderzoekers ontdekten dat de snelheid van de tweede, polijstende passage de meest kritieke factor was. Als de straal te snel bewoog, had hij niet genoeg tijd om de ruwe plekken glad te maken. Als hij te langzaam bewoog, was de eerste passage te agressief geweest, waardoor er te veel schade achterbleef om te herstellen. Ze ontdekten dat de beste resultaten werden behaald wanneer de tweede passage bewoog met een snelheid tussen de 25 en 32 millimeter per minuut. Bij dat tempo werden de "richels" en putjes in de brosse zone effectief afgeslepen, wat een oppervlak achterliet dat veel uniformer en van hogere kwaliteit was.

Deze studie demonstreert dat door de volgorde van handelingen en de richting van de snede te veranderen, het mogelijk is om de beperkingen van het snijden van extreem harde materialen te overwinnen. De onderzoekers toonden aan dat de ruwheid van de snede geen onvermijdelijk gevolg is van de hardheid van het materiaal, maar eerder een resultaat is van hoe de energie van de straal wordt toegepast. Door het zware snijwerk te scheiden van het fijne afwerkingswerk, en door de unieke eigenschappen van het materiaal tegen zichzelf te gebruiken, bereikten zij een veel beter resultaat. Voor industrieën die precieze, gladde snedes in wolfraamstaal nodig hebben, biedt deze methode een praktische manier om de kwaliteit van hun werk te verbeteren zonder de noodzaak om geheel nieuwe machines uit te vinden, simpelweg door na te denken over hoe de bestaande gereedschappen worden gebruikt.