Ứng Dụng Nitơ Lỏng Trong Công Nghiệp Điện Tử & Sản Xuất

Hiện nay, nitơ lỏng được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Nitơ lỏng: Khí nitơ ở trạng thái lỏng. Trơ, không màu, không mùi, không ăn mòn, không cháy, nhiệt độ cực lạnh. Nitơ chiếm phần lớn trong khí quyển (78,03% theo thể tích và 75,5% theo trọng lượng). Nitơ không hoạt động và không hỗ trợ quá trình đốt cháy. Tê cóng do tiếp xúc thu nhiệt quá mức trong quá trình hóa hơi.

Nitơ lỏng là một nguồn lạnh thuận tiện. Do những đặc tính độc đáo của nó, nitơ lỏng ngày càng được nhiều người chú ý và công nhận. Nó ngày càng được sử dụng rộng rãi trong chăn nuôi, công nghiệp y tế, công nghiệp thực phẩm và các lĩnh vực nghiên cứu đông lạnh. Trong điện tử, luyện kim, hàng không vũ trụ, sản xuất máy móc và các khía cạnh khác của ứng dụng đã được mở rộng và phát triển.

Chế tạo chất siêu dẫn bằng công nghệ siêu lạnh

Chất siêu dẫn có nhiều đặc điểm độc đáo do vậy thường được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Chất siêu dẫn thu được bằng cách sử dụng nitơ lỏng thay cho heli lỏng làm môi chất làm lạnh siêu dẫn, mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi công nghệ siêu dẫn và được coi là một trong những phát minh khoa học vĩ đại của thế kỷ 20.

Kỹ thuật đệm từ trường siêu dẫn ứng dụng gốm siêu dẫn YBCO, khi vật liệu siêu dẫn được làm lạnh đến nhiệt độ nitơ lỏng (tương đương với -196^oC) sẽ từ trạng thái bình thường chuyển sang trạng thái siêu dẫn. Từ trường do dòng điện trong lớp thân tàu tạo ra, sẽ tạo ra lực đối nghịch với từ trường của đường ray và nếu lực đối này có cường độ lớn hơn trọng lượng của đoàn tàu thì toa tàu có thể được nâng lên lơ lửng. Đồng thời, một phần từ trường bị giữ lại trong chất siêu dẫn do hiệu ứng ghim từ thông trong quá trình làm mát. Phần từ trường bị giữ lại này chịu tác động bởi từ trường của đường ray, và do ảnh hưởng của cả lực đẩy và lực hút, toa tàu sẽ luôn được giữ lơ lửng ổn định phía trên đường ray. Trái ngược với các hiệu ứng thông thường là đẩy cùng dấu và hút trái dấu giữa các cực từ, tương tác giữa chất siêu dẫn và từ trường bên ngoài là vừa đẩy vừa hút nhau, do đó cả chất siêu dẫn và nam châm vĩnh cửu đều có thể chống lại trọng lực của chính chúng và nổi lơ lửng hoặc treo ngược dưới nhau.

Sản xuất và thử nghiệm linh kiện điện tử

Sàng lọc ứng suất môi trường (Environmental stress screening) là quy trình lựa chọn các mô hình thử nghiệm liên quan đến yếu tố môi trường, áp dụng mức độ ứng suất môi trường phù hợp cho từng bộ phận linh kiện hoặc toàn bộ thiết bị nhằm mục đích tìm ra nguyên nhân gây nên lỗi quy trình của các bộ phận linh kiện, đây là là các lỗi trong quá trình sản xuất và lắp đặt để từ đó có thể đưa ra sự điều chỉnh hoặc thay thế. Sàng lọc ứng suất môi trường (Ambient stress screening) rất hữu ích để kiểm tra các ngưỡng chấp nhận của chu kỳ nhiệt độ và rung động ngẫu nhiên. Thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ là kiểm tra ngưỡng chấp nhận của tốc độ thay đổi nhiệt độ cao, ứng suất nhiệt lớn, do đó các thành phần của các linh kiện khác nhau, do khuyết tật mối hàn, tính không đối xứng của vật liệu, các khuyết tật trong quá trình gây ra bởi sự cố tiềm ẩn và lỗi tức thời, ngưỡng chấp nhận tốc độ thay đổi nhiệt độ là 5℃/phút. Nhiệt độ giới hạn là -40℃, +60℃. Số chu kỳ là 8. Sự kết hợp của các thông số môi trường như vậy trong quá trình mô phỏng hàn ảo, các bộ phận cắt, làm cho khuyết điểm của các bộ phận lộ ra rõ ràng hơn. Đối với các thử nghiệm chu kỳ nhiệt độ khối lượng, chúng ta có thể xem xét việc chấp nhận các phương pháp kiểm tra -box method. Trong môi trường này, sàng lọc nên được tổ chức theo cấp độ.

Nitơ lỏng là một phương pháp nhanh hơn và hữu ích hơn để che chắn và kiểm tra các linh kiện điện tử và bảng mạch.

Kỹ thuật nghiền bi đông lạnh

Máy nghiền bi hành tinh đông lạnh được trang bị nắp cách nhiệt bảo ôn và sử dụng hơi nitơ lỏng đưa vào máy nghiền bi liên tục, luồng hơi lạnh sẽ là chất hấp thụ liên tục lượng nhiệt do buồng nghiền bi tạo ra do vòng xoay tốc độ cao, do đó làm cho buồng nghiền bi chứa nguyên liệu, bi nghiền luôn ở trong môi trường đông lạnh nhất định. Các quá trình trộn, nghiền mịn, phát triển sản phẩm mới và sản xuất hàng loạt lô nhỏ vật liệu công nghệ cao sẽ diễn ra trong môi trường đông lạnh. Thiết bị có kích thước nhỏ, hiệu quả toàn diện, độ phù hợp cao, ít tiếng ồn, được sử dụng rộng rãi trong y học, công nghiệp hóa chất, bảo vệ môi trường, công nghiệp đèn, vật liệu xây dựng, luyện kim, gốm sứ, khoáng sản và một số ngành khác.

Kỹ thuật gia công xanh

Cắt đông lạnh là quá trình sử dụng chất lỏng đông lạnh như nitơ lỏng, carbon dioxide lỏng và hệ thống cắt sẽ phun luồng khí lạnh đến vùng cắt, dẫn đến vùng cắt sẽ ở trạng thái đông lạnh cục bộ hoặc tình trạng siêu đông lạnh, sử dụng độ giòn đông lạnh của phôi (workpiece) trong điều kiện đông lạnh để cải thiện khả năng gia công cắt phôi, tuổi thọ dụng cụ và chất lượng bề mặt phôi. Theo sự khác biệt của môi trường làm lạnh, cắt đông lạnh có thể được chia thành cắt khí lạnh và cắt bằng nitơ lỏng. Phương pháp cắt khí lạnh đông lạnh là cách phun luồng không khí đông lạnh -20℃ ~ -30℃ (hoặc thậm chí thấp hơn) vào bộ phận xử lý của đầu dụng cụ và trộn với dầu gia công (10 ~ 20m 1 mỗi giờ), để đóng vai trò làm lạnh, loại bỏ mạt nguyên liệu, bôi trơn. So với phương pháp cắt truyền thống, cắt đông lạnh có thể cải thiện việc tuân thủ quy trình, cải thiện chất lượng bề mặt phôi và hầu như không gây ô nhiễm môi trường.

Trung tâm xử lý của Công ty Công nghiệp Yasuda Nhật Bản áp dụng cách bố trí ống dẫn khí đoạn nhiệt được lắp vào giữa trục động cơ và trục máy cắt, đồng thời dẫn trực tiếp đến lưỡi cắt bằng cách sử dụng luồng gió đông lạnh -30℃. Sự sắp xếp này giúp cải thiện đáng kể các điều kiện cắt và có lợi cho việc thực hiện công nghệ cắt khí lạnh. Kazuhiko Yokokawa đã tiến hành nghiên cứu về làm lạnh bằng khí lạnh trong quy trình tiện và phay. Trong thử nghiệm phay, dung dịch cắt gốc nước, luồng gió ở nhiệt độ bình thường (+10℃) và khí lạnh (-30℃) được sử dụng để so sánh lực cắt. Kết quả cho thấy độ bền của dụng cụ được cải thiện đáng kể khi sử dụng khí lạnh. Trong thử nghiệm tiện, tốc độ mài mòn dụng cụ của khí lạnh (-20℃) thấp hơn đáng kể so với không khí bình thường (+20℃).

Cắt lạnh bằng nitơ lỏng có hai ứng dụng quan trọng. Một là sử dụng áp suất của bình cấp để phun nitơ lỏng trực tiếp vào khu vực cắt giống như dung dịch cắt. Hai là làm lạnh gián tiếp dụng cụ hoặc phôi bằng cách sử dụng chu trình bay hơi của nitơ lỏng dưới tác dụng của nhiệt. Hiện tại, cắt đông lạnh rất quan trọng trong quá trình gia công hợp kim titan, thép mangan cao, thép cứng và các vật liệu khó gia công khác.

KPRaijurkar đã sử dụng công cụ cacbua H13A và sử dụng chu trình nitơ lỏng để làm lạnh công cụ cắt để thực hiện các thí nghiệm cắt đông lạnh trên hợp kim titan. Kết quả thử nghiệm cho thấy so với các phương pháp cắt truyền thống, độ mài mòn của dụng cụ đã được loại bỏ rõ ràng, nhiệt độ cắt giảm 30% và chất lượng gia công bề mặt phôi được cải thiện đáng kể. Wan Guangmin đã áp dụng phương pháp làm lạnh gián tiếp để thực hiện các thí nghiệm cắt đông lạnh trên thép mangan cao và kết quả đã được đánh giá như sau: Khi áp dụng phương pháp làm lạnh gián tiếp để xử lý thép mangan cao ở nhiệt độ lạnh, trở lực dụng cụ được loại bỏ, độ mài mòn của dụng cụ giảm, các dấu hiệu hóa cứng được cải thiện và chất lượng bề mặt của phôi cũng được cải thiện. Wang Lianpeng và cộng sự đã thông qua phương pháp phun nitơ lỏng trong gia công nhiệt độ thấp thép tôi 45 trên máy công cụ CNC và nhận xét về kết quả thử nghiệm: Độ bền của dụng cụ và chất lượng bề mặt phôi có thể được cải thiện bằng cách áp dụng phương pháp phun nitơ lỏng trong gia công thép tôi 45 ở nhiệt độ thấp.

Ở trạng thái xử lý làm lạnh bằng nitơ lỏng, vật liệu cacbua kết hợp độ bền uốn, độ bền đứt gãy và khả năng chống ăn mòn, độ bền, độ cứng tăng theo nhiệt độ thấp và do đó, dụng cụ cắt được chế tạo từ vật liệu cacbua kết dính được làm lạnh bằng nitơ lỏng có thể thể hiện hiệu suất cắt tuyệt vời, như ở nhiệt độ phòng và hiệu suất của nó được xác định bởi số lượng pha liên kết. Đối với thép gió (HSS), với phương pháp đông lạnh, độ cứng tăng lên và độ bền va đập thấp, nhưng nhìn chung có thể liên kết hiệu suất cắt tốt hơn. Ông đã nghiên cứu về một số vật liệu để cải thiện khả năng gia công cắt bằng phương pháp đông lạnh, lựa chọn năm loại vật liệu bao gồm thép carbon thấp AISll010, thép carbon cao AISl070, thép chịu lực AISIE52100, hợp kim titan Ti-6A 1-4V, hợp kim nhôm đúc A390, thông qua việc thực hiện nghiên cứu và đưa ra đánh giá: Do độ giòn tuyệt vời khi đông lạnh, kết quả gia công mong muốn có thể đạt được bằng cách cắt đông lạnh. Đối với thép cacbon cao và thép chịu lực, nhiệt độ tăng trong vùng cắt và tốc độ mài mòn của dụng cụ có thể được hạn chế bằng cách làm lạnh bằng nitơ lỏng. Đối với hợp kim nhôm đúc cắt, ứng dụng làm lạnh đông lạnh có thể cải thiện độ cứng của dụng cụ và dụng cụ có thể chống lại khả năng mài mòn pha silicon, trong quá trình gia công hợp kim titan, dụng cụ và phôi được làm mát đồng thời bằng phương pháp đông lạnh, nhiệt độ cắt thấp hữu ích và loại bỏ ái lực hóa học giữa titan và vật liệu chế tạo dụng cụ.

(Nguồn tài liệu: https://www.hlcryo.com/news/application-of-liquid-nitrogen-in-different-fields-3-electronic-and-manufacturing-field/)