Metallurgit keksivät usein monimutkaisia lämpökäsittelyaikatauluja tai ” syklejä” optimoidakseen seoksen mekaaniset ominaisuudet. Ilmailu- ja avaruusteollisuudessa superseokselle saatetaan tehdä viisi tai useampia eri lämpökäsittelyjä haluttujen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Tämä voi johtaa laatuongelmiin, jotka riippuvat uunin lämpötilan säätöjen ja ajastimen tarkkuudesta. Nämä operaatiot voidaan yleensä jakaa useisiin perustekniikoihin.
HehkutusKäsittele
Hehkutus koostuu metallin kuumentamisesta tiettyyn lämpötilaan ja sen jälkeen jäähdyttämisestä sellaisella nopeudella, että saadaan aikaan hienostunut mikrorakenne, jossa ainesosat joko erottuvat kokonaan tai osittain. Jäähdytysnopeus on yleensä hidas. Hehkutusta käytetään useimmiten metallin pehmentämiseen kylmätyöstöä varten, koneistettavuuden parantamiseen tai ominaisuuksien, kuten sähkönjohtavuuden, parantamiseen.
Rautaseoksissa hehkutus tapahtuu yleensä kuumentamalla metalli yli ylemmän kriittisen lämpötilan ja jäähdyttämällä sitten hyvin hitaasti, jolloin muodostuu helmiäistä. Sekä puhtaissa metalleissa että monissa seoksissa, joita ei voida lämpökäsitellä, hehkutusta käytetään kylmämuokkauksen aiheuttaman kovuuden poistamiseen. Metalli kuumennetaan lämpötilaan, jossa uudelleenkiteytyminen voi tapahtua, jolloin plastisen muodonmuutoksen aiheuttamat virheet korjataan. Näissä metalleissa jäähdytysnopeudella on yleensä vain vähän vaikutusta. Useimmat ei-rautametalliseokset, jotka ovat lämpökäsiteltävissä, hehkutetaan myös kylmämuokkauksen aiheuttaman kovuuden poistamiseksi. Nämä voidaan jäähdyttää hitaasti, jotta ainesosat saostuvat kokonaan ja saadaan aikaan hienostunut mikrorakenne.
Rautametalliseokset ovat tavallisesti joko ”täyshehkutettuja” tai ”prosessihehkutettuja”. Täyshehkutus vaatii hyvin hitaita jäähdytysnopeuksia, jotta muodostuu karkeaa helmiäistä. Prosessihehkutuksessa jäähdytysnopeus voi olla nopeampi, aina normalisointiin asti. Prosessihehkutuksen päätavoitteena on tuottaa tasainen mikrorakenne. Muita kuin rautaseoksia hehkutetaan usein erilaisilla hehkutustekniikoilla, kuten ”uudelleenkiteytyshehkutuksella”, ”osittaisella hehkutuksella”, ”täydellisellä hehkutuksella” ja ”lopullisella hehkutuksella”. Kaikkiin hehkutustekniikoihin ei liity uudelleenkiteytymistä, kuten jännityksenpoistoon.
Normalisointi Muokkaa
Normalisointi on tekniikka, jota käytetään raekoon ja koostumuksen yhdenmukaisuuden aikaansaamiseksi (tasakiteiset kiteet) koko seoksessa. Termiä käytetään usein rautaseoksista, jotka on austenitoitu ja sitten jäähdytetty ulkoilmassa. Normalisointi ei tuota ainoastaan helmiäistä vaan myös martensiittia ja joskus bainiittia, jolloin saadaan kovempaa ja lujempaa terästä, mutta samalla koostumuksella on vähemmän sitkeyttä kuin täydellisessä hehkutuksessa.
Normalisoinnilla tarkoitetaan prosessia, jossa terästä kuumennetaan noin 40 celsiusastetta sen ylemmän kriittisen lämpötilan rajan yläpuolelle, jota pidetään tässä lämpötilassa jonkin aikaa ja jäähdytetään sen jälkeen ilmassa.
Jännitysten lieventäminenToiminnantoistaminenEditio
Jännitysten lieventäminen on tekniikka, jonka avulla voidaan poistaa tai vähentää metalleille syntyneitä sisäisiä jännityksiä. Nämä jännitykset voivat aiheutua monin eri tavoin, kylmämuokkauksesta epätasaisen jäähdytyksen aiheuttamiin jännityksiin. Jännityksenpoisto saadaan yleensä aikaan kuumentamalla metallia alemman kriittisen lämpötilan alapuolelle ja jäähdyttämällä se sitten tasaisesti. Jännityksenpoistoa käytetään yleisesti esimerkiksi ilmasäiliöissä, kattiloissa ja muissa painesäiliöissä kaikkien hitsauksen aikana syntyneiden jännitysten poistamiseksi.
Ikääntyminen Muokkaa
Joitakin metalleja luokitellaan saostuskarkaisumetalleiksi. Kun saostuskarkaistuva metalliseos sammutetaan, sen seosaineet jäävät liuokseen, jolloin tuloksena on pehmeä metalli. ”Liuotetun” metallin vanhentaminen antaa seosaineiden diffundoitua mikrorakenteen läpi ja muodostaa intermetallihiukkasia. Nämä intermetallihiukkaset muodostuvat ja irtoavat liuoksesta ja toimivat vahvistavana faasina, mikä lisää seoksen lujuutta. Seokset voivat ikääntyä ”luonnollisesti”, jolloin saostumia muodostuu huoneenlämmössä, tai ne voivat ikääntyä ”keinotekoisesti”, jolloin saostumia muodostuu vain korkeissa lämpötiloissa. Joissakin sovelluksissa luonnollisesti vanhenevia seoksia voidaan varastoida pakastimessa kovettumisen estämiseksi vasta myöhempien toimenpiteiden jälkeen – esimerkiksi niittien kokoaminen voi olla helpompaa pehmeämmällä osalla.
Esimerkkejä saostuskarkaistuvista seoksista ovat mm. 2000-sarjan, 6000-sarjan ja 7000-sarjan alumiiniseokset sekä eräät superseokset ja eräät ruostumattomat teräkset. Ikääntymällä kovettuvia teräksiä kutsutaan tyypillisesti martensiittikarkaisuteräksiksi, yhdistelmästä ”martensiittikarkaisu”.
QuenchingEdit
Quenching on prosessi, jossa metallia jäähdytetään nopealla nopeudella. Tämä tehdään useimmiten martensiittimuunnoksen aikaansaamiseksi. Rautaseoksissa tämä tuottaa usein kovemman metallin, kun taas ei-rautaseokset muuttuvat yleensä normaalia pehmeämmiksi.
Kovettamiseksi sammuttamalla metalli (yleensä teräs tai valurauta) on kuumennettava ylemmän kriittisen lämpötilan yläpuolelle ja jäähdytettävä sitten nopeasti. Seoksesta ja muista näkökohdista riippuen (kuten huoli maksimikovuudesta verrattuna halkeiluun ja vääristymiseen) jäähdytys voidaan tehdä paineilmalla tai muilla kaasuilla (kuten typellä). Paremman lämmönjohtavuutensa vuoksi voidaan käyttää nesteitä, kuten öljyä, vettä, veteen liuotettua polymeeriä tai suolavettä. Nopeasti jäähdytettäessä osa austeniitista (seoksen koostumuksesta riippuen) muuttuu martensiitiksi, joka on kova ja hauras kiderakenne. Metallin sammutettu kovuus riippuu sen kemiallisesta koostumuksesta ja sammutusmenetelmästä. Jäähdytysnopeudet, nopeimmasta hitaimpaan, vaihtelevat suolavedestä, polymeeristä (eli veden ja glykolipolymeerien seoksista), makeasta vedestä, öljystä ja paineilmasta. Tiettyjen terästen liian nopea sammuttaminen voi kuitenkin johtaa halkeiluun, minkä vuoksi korkealujuusteräkset, kuten AISI 4140, tulisi sammuttaa öljyssä, työkaluteräkset, kuten ISO 1.2767 tai H13-työkaluteräs, tulisi sammuttaa paineilmalla ja niukkaseosteiset tai keskilujitetut teräkset, kuten XK1320 tai AISI 1040, tulisi sammuttaa suolavedessä.
Joidenkin titaanipohjaisten Beta-seosten lujuus on kasvanut samankaltaisesti nopean jäähdytyksen ansiosta. Useimmilla ei-rautametalleilla, kuten kupari-, alumiini- tai nikkeliseoksilla ja joillakin runsasseosteisilla teräksillä, kuten austeniittisella ruostumattomalla teräksellä (304, 316), on kuitenkin päinvastainen vaikutus, kun niitä sammutetaan: ne pehmenevät. Austeniittiset ruostumattomat teräkset on sammutettava, jotta niistä tulisi täysin korroosionkestäviä, sillä ne kovettuvat merkittävästi.
Karkaisu Muokkaa
Karkaisematon martensiittinen teräs on erittäin kova, mutta liian hauras ollakseen käyttökelpoinen useimmissa sovelluksissa. Menetelmää tämän ongelman lieventämiseksi kutsutaan karkaisuksi. Useimmat sovellukset edellyttävät, että karkaistut osat karkaistaan. Karkaisussa terästä kuumennetaan alemman kriittisen lämpötilan alapuolelle (halutusta tuloksesta riippuen usein 400-1105 celsiusasteeseen tai 205-595 celsiusasteeseen) sitkeyden lisäämiseksi. Joskus käytetään korkeampia karkaisulämpötiloja (ehkä jopa 1300˚F tai 700˚C seoksesta ja käyttökohteesta riippuen), jotta saadaan lisää sitkeyttä, vaikka jonkin verran myötölujuutta menetetäänkin.
Karkaisu voidaan suorittaa myös normalisoiduille teräksille. Muut karkaisumenetelmät koostuvat karkaisusta tiettyyn lämpötilaan, joka on martensiitin alkamislämpötilan yläpuolella, ja sen jälkeen pitämisestä siinä, kunnes puhdasta bainiittia voi muodostua tai sisäiset jännitykset voidaan poistaa. Näihin kuuluvat austemperointi ja martemperointi.
Karkaisuvärit Muokkaa
Tuoreeltaan hiottu tai kiillotettu teräs muodostaa oksidikerroksia kuumennettaessa. Hyvin tietyssä lämpötilassa rautaoksidi muodostaa hyvin tietyn paksuisen kerroksen, joka aiheuttaa ohutkalvointerferenssiä. Tämä saa aikaan sen, että teräksen pintaan ilmestyy värejä. Kun lämpötilaa nostetaan, rautaoksidikerroksen paksuus kasvaa ja väri muuttuu. Näitä värejä, joita kutsutaan karkaisuväreiksi, on käytetty vuosisatojen ajan metallin lämpötilan mittaamiseen.
- 350˚F (176˚C), vaalean kellertävä
- 400˚F (204˚C), vaalea olki
- 440˚F (226˚C), tumma olki
- 500˚F (260˚C), ruskea
- 540˚F (282˚C), violetti
- 590˚F (310˚C), syvänsininen
- 640˚F (337˚C), vaaleansininen
Karkaisuvärien avulla voidaan arvioida karkaistun teräksen lopullisia ominaisuuksia. Erittäin kovat työkalut karkaistaan usein vaalean ja tumman oljen välillä, kun taas jouset karkaistaan usein siniseksi. Karkaistun teräksen lopullinen kovuus vaihtelee kuitenkin teräksen koostumuksesta riippuen. Hiilipitoisempi työkaluteräs pysyy karkaisun jälkeen paljon kovempana kuin jousiteräs (jossa on hieman vähemmän hiiltä), kun se karkaistaan samassa lämpötilassa. Myös oksidikalvon paksuus kasvaa ajan myötä. Siksi teräs, jota on pidetty 400˚F:n lämpötilassa hyvin pitkään, voi muuttua ruskeaksi tai violetiksi, vaikka lämpötila ei koskaan ylittänyt sitä lämpötilaa, joka tarvitaan vaalean oljen värin aikaansaamiseksi. Muita lopputulokseen vaikuttavia tekijöitä ovat pinnalla olevat öljykalvot ja käytetyn lämmönlähteen tyyppi.
Valikoiva lämpökäsittely Muokkaa
Monet lämpökäsittelymenetelmät on kehitetty muuttamaan vain osan kappaleen ominaisuuksia. Ne koostuvat yleensä joko seoksen eri alueiden jäähdyttämisestä eri nopeuksilla, kuumentamalla nopeasti paikallisesti ja sitten sammuttamalla, termokemiallisella diffuusiolla tai karkaisemalla esineen eri alueita eri lämpötiloissa, kuten differentiaalisessa karkaisussa.
Differentiaalinen karkaisuEdit
Joidenkin tekniikoiden avulla yhden kappaleen eri alueet voidaan lämpökäsitellä eri tavoin. Tätä kutsutaan differentiaaliseksi kovettamiseksi. Se on yleistä korkealaatuisissa veitsissä ja miekoissa. Kiinalainen jian on yksi varhaisimmista tunnetuista esimerkeistä tästä, ja japanilainen katana lienee laajimmin tunnettu. Nepalilainen Khukuri on toinen esimerkki. Tässä tekniikassa käytetään eristävää kerrosta, kuten savikerroksia, peittämään alueet, joiden on tarkoitus pysyä pehmeinä. Karkaistavat alueet jätetään paljaiksi, jolloin vain tietyt teräksen osat kovettuvat täysin sammutettaessa.
LiekkikarkaisuMuokkaa
Liekkikarkaisulla karkaistaan vain osa metallista. Toisin kuin differentiaalisessa karkaisussa, jossa koko kappale kuumennetaan ja sitten jäähdytetään eri nopeuksilla, liekkikarkaisussa vain osa metallista kuumennetaan ennen sammutusta. Tämä on yleensä helpompaa kuin differentiaalikarkaisu, mutta tuottaa usein erittäin hauraan vyöhykkeen lämmitetyn metallin ja lämmittämättömän metallin väliin, koska jäähtyminen tämän lämpövaikutteisen vyöhykkeen reunalla on erittäin nopeaa.
InduktiokarkaisuMuokkaa
Induktiokarkaisu on pintakarkaisutekniikka, jossa metallin pinta kuumennetaan hyvin nopeasti induktiokuumennusmenetelmällä ilman kosketusta. Tämän jälkeen seos sammutetaan, jolloin pintaan syntyy martensiittimuunnos, mutta alla oleva metalli säilyy muuttumattomana. Näin luodaan erittäin kova, kulutusta kestävä pinta säilyttäen samalla asianmukainen sitkeys suurimmassa osassa esinettä. Kampiakselin navat ovat hyvä esimerkki induktiokarkaistusta pinnasta.
KotelointikarkaisuMuokkaa
Kotelokarkaisu on termokemiallinen diffuusioprosessi, jossa seosaine, yleisimmin hiili tai typpi, diffundoituu monoliittisen metallin pintaan. Syntyvä interstitiaalinen kiinteä liuos on kovempi kuin perusmateriaali, mikä parantaa kulutuskestävyyttä sitkeyttä uhraamatta.
Laserpintakäsittely on pintakäsittelymenetelmä, jolla on suuri monipuolisuus, selektiivisyys ja uudenlaisia ominaisuuksia. Koska laserkäsittelyssä jäähdytysnopeus on erittäin suuri, tällä menetelmällä voidaan saada aikaan metastabiilia jopa metallista lasia.
Kylmä- ja kryokäsittely Muokkaa
Vaikka teräksen sammuttaminen aiheuttaa austeniitin muuttumisen martensiitiksi, kaikki austeniitti ei yleensä muutu. Osa austeniittikiteistä säilyy muuttumattomina myös sen jälkeen, kun karkaisu on tehty alle martensiittiviimeistelylämpötilan (Mf). Austeniitin muuttuminen edelleen martensiitiksi voidaan käynnistää jäähdyttämällä metalli hitaasti erittäin alhaisiin lämpötiloihin. Kylmäkäsittelyssä teräs jäähdytetään yleensä noin -115˚F (-81˚C) asteeseen, mutta se ei poista kaikkea austeniittia. Kryokäsittelyssä jäähdytetään yleensä paljon alhaisempiin lämpötiloihin, usein -315˚F (-192˚C), jolloin suurin osa austeniitista muuttuu martensiitiksi.
Kylmä- ja kryokäsittelyt tehdään tyypillisesti välittömästi karkaisun jälkeen ennen karkaisua, ja ne parantavat kovuutta, kulutuskestävyyttä ja vähentävät metallin sisäisiä jännityksiä, mutta koska se on itse asiassa karkaisuprosessin jatke, se voi lisätä halkeilun mahdollisuutta menettelyn aikana. Prosessia käytetään usein työkaluissa, laakereissa tai muissa kohteissa, jotka vaativat hyvää kulutuskestävyyttä. Se on kuitenkin yleensä tehokas vain runsashiilisissä tai runsasseosteisissa teräksissä, joissa yli 10 % austeniittia säilyy sammutuksen jälkeen.
HiilenpoistoMuutos
Teräksen kuumentamista käytetään joskus menetelmänä hiilipitoisuuden muuttamiseksi. Kun terästä kuumennetaan hapettavassa ympäristössä, happi yhdistyy raudan kanssa muodostaen rautaoksidikerroksen, joka suojaa terästä hiiltymiseltä. Kun teräs kuitenkin muuttuu austeniitiksi, happi yhdistyy raudan kanssa muodostaen kuonaa, joka ei suojaa hiiltymiseltä. Kuonan ja hilseen muodostuminen itse asiassa lisää hiilenpoistoa, koska rautaoksidi pitää hapen kosketuksissa hiilenpoistovyöhykkeeseen myös sen jälkeen, kun teräs siirretään hapettomaan ympäristöön, kuten takomon hiiliin. Näin hiiliatomit alkavat yhdistyä ympäröivän suomun ja kuonan kanssa muodostaen sekä hiilimonoksidia että hiilidioksidia, joka vapautuu ilmaan.
Teräs sisältää suhteellisen pienen prosenttiosuuden hiiltä, joka voi siirtyä vapaasti gammarautaan. Kun austenitoitua terästä altistetaan ilmalle pitkäksi aikaa, teräksen hiilipitoisuus voi laskea. Tämä on päinvastaista kuin mitä tapahtuu, kun terästä kuumennetaan pelkistävässä ympäristössä, jossa hiili diffundoituu hitaasti syvemmälle metalliin. Hapettavassa ympäristössä hiili voi helposti diffundoitua ulospäin, joten austenitoitu teräs on hyvin altis hiilenpurkautumiselle. Tätä käytetään usein valuteräksissä, joissa tarvitaan korkea hiilipitoisuus valua varten, mutta lopputuotteessa halutaan pienempi hiilipitoisuus. Sitä käytetään usein valuraudoissa muokattavan valuraudan tuottamiseksi prosessissa, jota kutsutaan ”valkoiseksi karkaisuksi”. Tämä taipumus hiilenpurkautumiseen on usein ongelma muissa toiminnoissa, kuten sepänteollisuudessa, jossa on suotavampaa austenisoida terästä mahdollisimman lyhyen aikaa liiallisen hiilenpurkautumisen estämiseksi.