Metallurger udtænker ofte komplekse varmebehandlingsskemaer eller ” cyklusser” for at optimere en legerings mekaniske egenskaber. I luftfartsindustrien kan en superlegering gennemgå fem eller flere forskellige varmebehandlinger for at udvikle de ønskede egenskaber. Dette kan føre til kvalitetsproblemer, afhængigt af nøjagtigheden af ovnens temperaturkontrol og timer. Disse operationer kan normalt opdeles i flere grundlæggende teknikker.
UdglødningRediger
Glødning består af opvarmning af et metal til en bestemt temperatur og derefter afkøling med en hastighed, der vil producere en raffineret mikrostruktur, hvor bestanddelene enten helt eller delvist adskilles. Afkølingshastigheden er generelt langsom. Udglødning anvendes oftest til at blødgøre et metal til koldbearbejdning, til at forbedre bearbejdeligheden eller til at forbedre egenskaber som elektrisk ledningsevne.
I jernlegeringer opnås udglødning normalt ved at opvarme metallet ud over den øvre kritiske temperatur og derefter afkøle meget langsomt, hvilket resulterer i dannelsen af perlit. I både rene metaller og mange legeringer, der ikke kan varmebehandles, anvendes udglødning til at fjerne den hårdhed, der er forårsaget af koldbearbejdning. Metallet opvarmes til en temperatur, hvor der kan ske rekrystallisering, hvorved defekter forårsaget af plastisk deformation udbedres. I disse metaller vil afkølingshastigheden normalt have ringe effekt. De fleste ikke-jernlegeringer, der kan varmebehandles, udglødes også for at fjerne den hårdhed, der skyldes koldbearbejdning. Disse kan afkøles langsomt for at tillade fuld udfældning af bestanddelene og frembringe en raffineret mikrostruktur.
Fjernlegeringer er normalt enten ” fuldt udglødede” eller ” procesudglødede”. Fuldglødning kræver meget langsomme afkølingshastigheder for at danne grov perlit. Ved procesglødning kan afkølingshastigheden være hurtigere; op til og med normalisering. Hovedformålet med procesglødning er at frembringe en ensartet mikrostruktur. Ikke-jernlegeringer udsættes ofte for en række forskellige glødeteknikker, herunder “omkrystalliseringsglødning”, “delvis glødning”, “helglødning” og “slutglødning”. Ikke alle glødeteknikker omfatter rekrystallisering, f.eks. spændingsaflastning.
NormaliseringRediger
Normalisering er en teknik, der anvendes til at give ensartethed i kornstørrelse og sammensætning (ligebenede krystaller) i hele en legering. Udtrykket bruges ofte om jernlegeringer, der er blevet austenitiseret og derefter afkølet i fri luft. Normalisering producerer ikke kun perlit, men også martensit og undertiden bainit, hvilket giver hårdere og stærkere stål, men med mindre duktilitet for samme sammensætning end fuld udglødning.
I normaliseringsprocessen er processen med opvarmning af stålet til ca. 40 grader Celsius over dets øvre kritiske temperaturgrænse, der holdes ved denne temperatur i nogen tid og derefter afkøles i luft.
StressaflastningRediger
Stressaflastning er en teknik til at fjerne eller reducere de interne spændinger, der er skabt i metal. Disse spændinger kan være forårsaget på en række forskellige måder, lige fra koldbearbejdning til uensartet afkøling. Afspænding opnås normalt ved at opvarme et metal under den lavere kritiske temperatur og derefter afkøle ensartet. Stressaflastning anvendes almindeligvis på emner som lufttanke, kedler og andre trykbeholdere for at fjerne alle spændinger, der er skabt under svejseprocessen.
AgingEdit
Nogle metaller er klassificeret som udfældningshærdningsmetaller. Når en udfældningshærdende legering nedkøles, vil dens legeringselementer blive fanget i opløsning, hvilket resulterer i et blødt metal. Ved ældning af et “opløst” metal vil legeringselementerne kunne diffundere gennem mikrostrukturen og danne intermetalliske partikler. Disse intermetalliske partikler danner kerner og falder ud af opløsningen og fungerer som en forstærkende fase, hvorved legeringens styrke øges. Legeringer kan ældes “naturligt”, hvilket betyder, at udfældningerne dannes ved stuetemperatur, eller de kan ældes “kunstigt”, når der kun dannes udfældninger ved forhøjede temperaturer. I nogle anvendelser kan naturligt aldrende legeringer opbevares i en fryser for at forhindre hærdning indtil efter yderligere operationer – f.eks. kan det være lettere at samle nitter med en blødere del.
Eksempler på udfældningshærdende legeringer omfatter aluminiumslegeringer i 2000-serien, 6000-serien og 7000-serien samt nogle superlegeringer og nogle rustfrie ståltyper. Stål, der hærder ved ældning, kaldes typisk maraging-stål, fra en kombination af udtrykket “martensite aging.”
AfskæringRediger
Hovedartikel: Quenching
Quenching er en proces, hvor et metal afkøles med en hurtig hastighed. Dette gøres oftest for at frembringe en martensitomdannelse. I jernlegeringer vil dette ofte give et hårdere metal, mens ikke-jernlegeringer normalt vil blive blødere end normalt.
For at hærde ved nedkøling skal et metal (normalt stål eller støbejern) opvarmes over den øvre kritiske temperatur og derefter afkøles hurtigt. Afhængigt af legeringen og andre overvejelser (f.eks. hensynet til maksimal hårdhed i forhold til revner og forvrængning) kan afkøling ske med tvungen luft eller andre gasser (f.eks. nitrogen). Der kan også anvendes væsker på grund af deres bedre varmeledningsevne, f.eks. olie, vand, en polymer opløst i vand eller en saltlage. Ved hurtig afkøling vil en del af austenitten (afhængig af legeringssammensætningen) blive omdannet til martensit, en hård, skør krystallinsk struktur. Et metals hærdhed ved afkøling afhænger af dets kemiske sammensætning og afkølingsmetode. Afkølingshastighederne, fra hurtigst til langsomst, går fra saltvand, polymer (dvs. blandinger af vand + glykolpolymerer), ferskvand, olie og tvungen luft. Hvis visse ståltyper nedkøles for hurtigt, kan det dog resultere i revner, og derfor bør højstyrkestål som AISI 4140 nedkøles i olie, værktøjsstål som ISO 1.2767 eller H13 varmbearbejdningsværktøjsstål bør nedkøles i tvungen luft, og lavlegeret eller mellemstyrkestål som XK1320 eller AISI 1040 bør nedkøles i saltvand.
En del Beta titaniumbaserede legeringer har også vist lignende tendenser med øget styrke ved hurtig afkøling. De fleste ikke-jernholdige metaller, som legeringer af kobber, aluminium eller nikkel, og nogle højtlegerede ståltyper som austenitisk rustfrit stål (304, 316) giver imidlertid en modsatrettet effekt, når de nedkøles: de bliver blødere. Austenitiske rustfrie ståltyper skal nedkøles for at blive fuldt korrosionsbestandige, da de arbejdshærdes betydeligt.
TempereringRediger
Uhærdet martensitisk stål er, selv om det er meget hårdt, for skørt til at være nyttigt til de fleste anvendelser. En metode til at afhjælpe dette problem kaldes hærdning. De fleste anvendelser kræver, at hærdede dele hærdes. Hærdning består i at opvarme stålet under den lavere kritiske temperatur (ofte fra 400˚F til 1105˚F eller 205˚C til 595˚C, afhængigt af de ønskede resultater), for at give en vis sejhed. Højere anløbstemperaturer (måske op til 1300˚F eller 700˚C, afhængigt af legeringen og anvendelsen) anvendes undertiden til at give yderligere duktilitet, selv om en vis flydespænding går tabt.
Temperering kan også udføres på normaliserede ståltyper. Andre metoder til hærdning består i at nedkøle til en bestemt temperatur, som ligger over martensite-starttemperaturen, og derefter holde den der, indtil der kan dannes ren bainit, eller interne spændinger kan afhjælpes. Disse omfatter austempering og martempering.
AnløbsfarverRediger
Stål, der har været nyslebet eller poleret, vil danne oxidlag, når det opvarmes. Ved en meget specifik temperatur vil jernoxiden danne et lag med en meget specifik tykkelse, hvilket forårsager tyndfilmsinterferens. Dette får farver til at fremstå på stålets overflade. Efterhånden som temperaturen øges, vokser jernoxidlaget i tykkelse og ændrer farven. Disse farver, kaldet hærdningsfarver, har i århundreder været brugt til at måle metallets temperatur.
- 350˚F (176˚C), lys gullig
- 400˚F (204˚C), lys-straw
- 440˚F (226˚C), mørk-straw
- 500˚F (260˚C), brun
- 540˚F (282˚C), lilla
- 590˚F (310˚C), dybblå
- 640˚F (337˚C), lyseblå
Tempereringsfarverne kan bruges til at bedømme de endelige egenskaber ved det hærdede stål. Meget hårde værktøjer er ofte hærdet i det lyse til mørke stråleområde, mens fjedre ofte er hærdet til det blå. Den endelige hårdhed af det hærdede stål vil dog variere afhængigt af stålets sammensætning. Værktøjsstål med højere kulstofindhold forbliver meget hårdere efter anløbning end fjederstål (med lidt mindre kulstofindhold), når det anløbes ved samme temperatur. Oxidfilmen vil også blive tykkere over tid. Derfor kan stål, der har været holdt ved 400˚F i meget lang tid, blive brunt eller lilla, selv om temperaturen aldrig har oversteget den temperatur, der er nødvendig for at frembringe en lys stråfarve. Andre faktorer, der påvirker det endelige resultat, er oliefilm på overfladen og den anvendte varmekilde.
Selektiv varmebehandlingRediger
Mange varmebehandlingsmetoder er blevet udviklet for at ændre egenskaberne af kun en del af et objekt. Disse har tendens til at bestå af enten afkøling af forskellige områder af en legering med forskellige hastigheder, ved hurtig opvarmning i et lokaliseret område og derefter nedkøling, ved termokemisk diffusion, eller ved hærdning af forskellige områder af et objekt ved forskellige temperaturer, som f.eks. ved differentiel hærdning.
Differentiel hærdningRediger
Nogle teknikker tillader, at forskellige områder af et enkelt objekt kan modtage forskellige varmebehandlinger. Dette kaldes differentiel hærdning. Det er almindeligt i knive og sværd af høj kvalitet. Den kinesiske jian er et af de tidligst kendte eksempler herpå, og den japanske katana er måske det mest kendte. Den nepalesiske Khukuri er et andet eksempel. Ved denne teknik anvendes et isolerende lag, som f.eks. lag af ler, til at dække de områder, der skal forblive bløde. De områder, der skal hærdes, efterlades blottede, så kun visse dele af stålet kan hærdes fuldt ud, når det er udslukket.
FlammehærdningRediger
Flammehærdning bruges til kun at hærde en del af metallet. I modsætning til differentialhærdning, hvor hele emnet opvarmes og derefter afkøles med forskellige hastigheder, er det ved flammehærdning kun en del af metallet, der opvarmes før nedkøling. Dette er normalt lettere end differentiel hærdning, men giver ofte en ekstremt sprød zone mellem det opvarmede metal og det uopvarmede metal, da afkølingen i kanten af denne varmepåvirkede zone er ekstremt hurtig.
InduktionshærdningRediger
Induktionshærdning er en overfladehærdningsteknik, hvor metallets overflade opvarmes meget hurtigt ved hjælp af en kontaktløs metode til induktionsopvarmning. Legeringen nedkøles derefter, hvorved der produceres en martensitomdannelse på overfladen, mens det underliggende metal forbliver uændret. Dette skaber en meget hård, slidstærk overflade, samtidig med at den rette sejhed bevares i størstedelen af objektet. Krumtapaksler er et godt eksempel på en induktionshærdet overflade.
Case hardeningRediger
Karbonhærdning er en termokemisk diffusionsproces, hvor et legeringselement, oftest kulstof eller nitrogen, diffunderer ind i overfladen af et monolitisk metal. Den resulterende interstitielle faste opløsning er hårdere end grundmaterialet, hvilket forbedrer slidstyrken uden at gå på kompromis med sejheden.
Laseroverfladebehandling er en overfladebehandling med stor alsidighed, selektivitet og nye egenskaber. Da afkølingshastigheden er meget høj ved laserbehandling, kan metastabilt selv metallisk glas opnås ved denne metode.
Kold og kryogen behandlingRediger
Og selv om afkøling af stål får austenitten til at omdanne sig til martensit, omdannes hele austenitten normalt ikke. Nogle austenitkrystaller forbliver uændrede, selv efter nedkøling under martensitfinischtemperaturen (Mf). Yderligere omdannelse af austenit til martensit kan fremkaldes ved langsom afkøling af metallet til ekstremt lave temperaturer. Koldbehandling består generelt af afkøling af stålet til omkring -115˚F (-81˚C), men fjerner ikke al austenit. Kryogen behandling består normalt af afkøling til meget lavere temperaturer, ofte i området -315˚F (-192˚C), for at omdanne det meste af austenitten til martensit.
Kold- og kryogenbehandlinger udføres typisk umiddelbart efter afkøling, før en eventuel hærdning, og vil øge hårdheden, slidstyrken og reducere de interne spændinger i metallet, men da det i virkeligheden er en forlængelse af afkølingsprocessen, kan det øge risikoen for revner under proceduren. Processen anvendes ofte til værktøj, lejer eller andre genstande, der kræver god slidstyrke. Den er dog normalt kun effektiv i stål med højt kulstofindhold eller højt legeret stål, hvor mere end 10 % austenit bevares efter nedkøling.
AfkulningRediger
Overfladebehandling af stål anvendes undertiden som en metode til at ændre kulstofindholdet. Når stål opvarmes i et oxiderende miljø, kombineres ilten med jernet for at danne et jernoxidlag, som beskytter stålet mod afkulning. Når stålet bliver til austenit, kombineres ilten imidlertid med jernet for at danne en slagge, som ikke yder nogen beskyttelse mod afkulning. Dannelsen af slagger og skjolder øger faktisk afkullingen, fordi jernoxiden holder ilten i kontakt med afkullingszonen, selv efter at stålet er flyttet til et iltfrit miljø, f.eks. kulene i en smedje. Kulstofatomerne begynder således at kombinere sig med det omgivende lag og slagger for at danne både kulmonoxid og kuldioxid, som frigives i luften.
Stål indeholder en relativt lille procentdel kulstof, som kan vandre frit i gammajernet. Når austenitiseret stål udsættes for luft i lange perioder, kan kulstofindholdet i stålet sænkes. Dette er det modsatte af, hvad der sker, når stål opvarmes i et reducerende miljø, hvor kulstof langsomt diffunderer længere ind i metallet. I et oxiderende miljø kan kulstoffet let diffundere udad, så austenitiseret stål er meget modtageligt over for afkulning. Dette anvendes ofte til støbestål, hvor der er behov for et højt kulstofindhold til støbning, men hvor der ønskes et lavere kulstofindhold i det færdige produkt. Det anvendes ofte på støbejern for at fremstille formbart støbejern i en proces, der kaldes “hvid hærdning”. Denne tendens til afkulning er ofte et problem i andre processer, som f.eks. smedning, hvor det bliver mere ønskeligt at austenisere stålet i så kort tid som muligt for at forhindre for meget afkulning.