A kohászok gyakran dolgoznak ki komplex hőkezelési ütemterveket vagy ” ciklusokat” egy ötvözet mechanikai tulajdonságainak optimalizálására. A repülőgépiparban egy szuperötvözet öt vagy több különböző hőkezelési műveletnek is alávethető a kívánt tulajdonságok kialakításához. Ez a kemence hőmérsékletszabályozásának és időzítőjének pontosságától függően minőségi problémákhoz vezethet. Ezek a műveletek általában több alapvető technikára oszthatók.
LágyításSzerkesztés
A lágyítás egy fém bizonyos hőmérsékletre történő felmelegítéséből, majd olyan sebességű hűtésből áll, amely finomított mikroszerkezetet eredményez, az alkotóelemek teljes vagy részleges szétválasztásával. A hűtés sebessége általában lassú. Az izzítást leggyakrabban arra használják, hogy a fémet hideg megmunkáláshoz lágyítsák, a megmunkálhatóságot javítsák, vagy olyan tulajdonságokat javítsanak, mint az elektromos vezetőképesség.
A vasötvözeteknél az izzítást általában úgy végzik, hogy a fémet a felső kritikus hőmérséklet fölé melegítik, majd nagyon lassan hűtik, ami gyöngyházfém képződését eredményezi. Mind a tiszta fémeknél, mind számos olyan ötvözetnél, amelyeket nem lehet hőkezelni, a lágyítást a hidegmegmunkálás okozta keménység eltávolítására használják. A fémet olyan hőmérsékletre melegítik, ahol az átkristályosodás bekövetkezhet, és ezáltal kijavítják a képlékeny deformáció okozta hibákat. Ezeknél a fémeknél a hűtési sebességnek általában kevés hatása van. A legtöbb hőkezelhető színesfémötvözetet is lágyítják a hidegmegmunkálás okozta keménység enyhítésére. Ezeket lassan lehet hűteni, hogy lehetővé tegyék az alkotóelemek teljes kicsapódását és finomított mikroszerkezetet hozzanak létre.
A vasötvözeteket általában vagy ” teljes lágyítással” vagy ” folyamatlágyítással” kezelik. A teljes lágyítás nagyon lassú hűtési sebességet igényel, a durva gyöngykavicsok kialakulása érdekében. A folyamatlágyításnál a hűtési sebesség gyorsabb lehet; egészen a normalizálásig, beleértve a normalizálást is. A folyamatlágyítás fő célja az egyenletes mikroszerkezet kialakítása. A színesfém ötvözeteket gyakran különböző lágyítási technikáknak vetik alá, beleértve az “átkristályosítási lágyítást”, a “részleges lágyítást”, a “teljes lágyítást” és a “végső lágyítást”. Nem minden izzítási technika jár átkristályosítással, mint például a feszültségmentesítés.
NormalizálásSzerkesztés
A normalizálás olyan technika, amelyet a szemcseméret és az összetétel egységességének (egyenlő tengelyű kristályok) biztosítására használnak egy ötvözetben. A kifejezést gyakran használják olyan vasötvözetekre, amelyeket austenitizáltak, majd szabadlevegőn hűtöttek. A normalizálás során nemcsak perlit, hanem martenzit és néha bainit is keletkezik, ami keményebb és erősebb acélt eredményez, de azonos összetétel mellett kevesebb képlékenységgel, mint a teljes lágyítás.
A normalizálás során az acélt körülbelül 40 Celsius-fokkal a felső kritikus hőmérsékleti határérték fölé melegítik, egy ideig ezen a hőmérsékleten tartják, majd levegőn lehűtik.
FeszültségcsökkentésSzerkesztés
A feszültségcsökkentés a fémben keletkezett belső feszültségek megszüntetésének vagy csökkentésének technikája. Ezek a feszültségek számos módon keletkezhetnek, a hidegmegmunkálástól kezdve a nem egyenletes hűtésig. A feszültségmentesítés általában úgy történik, hogy a fémet az alsó kritikus hőmérséklet alá melegítik, majd egyenletesen lehűtik. A feszültségmentesítést általában olyan tárgyaknál alkalmazzák, mint a légtartályok, kazánok és más nyomástartó edények, a hegesztési folyamat során keletkezett feszültségek megszüntetésére.
ÖregedésSzerkesztés
Egyes fémeket a kicsapásos edzésű fémek közé sorolnak. Amikor egy csapadékkeményedő ötvözetet kioltanak, az ötvöző elemei az oldatban rekednek, ami lágy fémet eredményez. Az “oldott” fém öregítése lehetővé teszi az ötvözőelemek diffúzióját a mikroszerkezeten keresztül és intermetallikus részecskék kialakulását. Ezek az intermetallikus részecskék magot képeznek és kiesnek az oldatból, és erősítő fázisként működnek, ezáltal növelve az ötvözet szilárdságát. Az ötvözetek öregedhetnek “természetesen”, ami azt jelenti, hogy a csapadékok szobahőmérsékleten képződnek, vagy öregedhetnek “mesterségesen”, amikor a csapadékok csak emelkedett hőmérsékleten képződnek. Egyes alkalmazásokban a természetes módon öregedő ötvözeteket fagyasztóban tárolhatják, hogy megakadályozzák a keményedést a további műveletek elvégzéséig – például a szegecsek összeszerelése talán könnyebb egy puhább alkatrésszel.
A csapadékkeményedő ötvözetek közé tartoznak például a 2000-es, 6000-es és 7000-es sorozatú alumíniumötvözetek, valamint egyes szuperötvözetek és egyes rozsdamentes acélok. Az öregítéssel keményedő acélokat általában martenzites acéloknak nevezik, a martenzites öregedés kifejezés kombinációjából.”
ÁrasztásSzerkesztés
A Quenching a fém gyors ütemű lehűtésének folyamata. Ezt leggyakrabban martenzit átalakulás előidézésére végzik. Vasötvözeteknél ez gyakran keményebb fémet eredményez, míg a nemvasötvözetek általában a szokásosnál lágyabbá válnak.
Az oltással történő keményítéshez a fémet (általában acél vagy öntöttvas) a felső kritikus hőmérséklet fölé kell melegíteni, majd gyorsan le kell hűteni. Az ötvözettől és egyéb megfontolásoktól függően (például a maximális keménységre való törekvés a repedés és torzulás ellenében) a hűtés történhet kényszerlevegővel vagy más gázokkal (például nitrogénnel). Jobb hővezető képességük miatt folyadékok is használhatók, például olaj, víz, vízben oldott polimer vagy sós víz. Gyors lehűtéskor az ausztenit egy része (az ötvözet összetételétől függően) martenzitté, kemény, rideg kristályszerkezetté alakul át. A fém hűtött keménysége a fém kémiai összetételétől és a hűlési módszertől függ. A hűtési sebességek, a leggyorsabbtól a leglassabbig, a sós létől, a polimerektől (azaz a víz + glikol polimerek keverékétől), az édesvíztől, az olajtól és a kényszerített levegőtől indulnak. Bizonyos acélok túl gyors oltása azonban repedéshez vezethet, ezért az olyan nagyszilárdságú acélokat, mint az AISI 4140, olajban kell oltani, az olyan szerszámacélokat, mint az ISO 1.2767 vagy a H13 melegmunkacél, kényszerített levegőben kell oltani, az alacsony ötvözésű vagy közepes szilárdságú acélokat, mint az XK1320 vagy az AISI 1040, pedig sós lében kell oltani.
Egyes Beta titánalapú ötvözetek is hasonló tendenciákat mutattak a gyors hűtéssel történő szilárdságnövekedés tekintetében. A legtöbb színesfém, mint például a réz, alumínium vagy nikkel ötvözetei, és néhány magasan ötvözött acél, mint például az ausztenites rozsdamentes acél (304, 316) azonban ellenkező hatást vált ki, amikor ezeket kioltják: megpuhulnak. Az ausztenites rozsdamentes acélokat le kell hűteni ahhoz, hogy teljesen korrózióállóvá váljanak, mivel jelentősen megkeményednek.
EdzésSzerkesztés
A nem temperált martenzites acél, bár nagyon kemény, túlságosan rideg ahhoz, hogy a legtöbb alkalmazásban hasznos legyen. Ennek a problémának az enyhítésére szolgáló módszert nevezik edzésnek. A legtöbb alkalmazás megköveteli, hogy az árnyékolt alkatrészeket temperálják. Az edzés során az acélt az alsó kritikus hőmérséklet alá melegítik (a kívánt eredménytől függően gyakran 400˚F és 1105˚F vagy 205˚C és 595˚C között), hogy némi szívósságot adjanak neki. Néha magasabb edzési hőmérsékletet (az ötvözettől és az alkalmazástól függően akár 1300˚F vagy 700˚C-ig) is alkalmaznak további alakíthatóság elérése érdekében, bár ez némi folyáshatárveszteséggel jár.
Az edzés normalizált acélokon is elvégezhető. Az edzés más módszerei abból állnak, hogy egy meghatározott hőmérsékletre, amely a martenzit kezdeti hőmérséklete felett van, le kell hűteni, majd ott kell tartani, amíg tiszta bainit nem tud kialakulni, vagy a belső feszültségek nem oldódnak. Ezek közé tartozik az austemperálás és a martemperálás.
Az acél edzési színeiSzerkesztés
A frissen csiszolt vagy polírozott acél melegítéskor oxidrétegeket képez. Egy nagyon meghatározott hőmérsékleten a vas-oxid egy nagyon meghatározott vastagságú réteget képez, ami vékonyréteg-interferenciát okoz. Ennek hatására az acél felületén színek jelennek meg. A hőmérséklet növelésével a vasoxidréteg vastagsága növekszik, ami megváltoztatja a színt. Ezeket a színeket, az úgynevezett edzési színeket évszázadok óta használják a fém hőmérsékletének mérésére.
- 350˚F (176˚C), világos sárgás
- 400˚F (204˚C), világos-szalma
- 440˚F (226˚C), sötét-szalma
- 500˚F (260˚C), barna
- 540˚F (282˚C), lila
- 590˚F (310˚C), mélykék
- 640˚F (337˚C), világoskék
Az edzési színek alapján meg lehet ítélni az edzett acél végső tulajdonságait. A nagyon kemény szerszámokat gyakran a világos és a sötét szalmaszín tartományban edzik, míg a rugókat gyakran kékre edzik. Az edzett acél végső keménysége azonban az acél összetételétől függően változik. A magasabb széntartalmú szerszámacél az edzés után sokkal keményebb marad, mint a (valamivel kevesebb széntartalmú) rugóacél, ha ugyanazon a hőmérsékleten edzik. Az oxidfilm vastagsága is növekszik az idő múlásával. Ezért a nagyon hosszú ideig 400˚F-on tartott acél barna vagy lila színűvé válhat, még akkor is, ha a hőmérséklet soha nem haladta meg a világos szalmaszín előállításához szükséges hőmérsékletet. A végeredményt befolyásoló további tényezők a felületen lévő olajfilmek és az alkalmazott hőforrás típusa.
Szelektív hőkezelésSzerkesztés
Egy tárgynak csak egy részének a tulajdonságait megváltoztató számos hőkezelési módszert fejlesztettek ki. Ezek általában vagy az ötvözet különböző területeinek különböző sebességgel történő lehűtéséből, egy lokalizált terület gyors felmelegítéséből, majd leállításából, termokémiai diffúzióból, vagy a tárgy különböző területeinek különböző hőmérsékleten történő edzéséből állnak, mint például a differenciális edzésnél.
Differenciális edzésSzerkesztés
Egy tárgy különböző területei különböző hőkezelésben részesülhetnek egyes technikák segítségével. Ezt nevezik differenciális edzésnek. Ez a kiváló minőségű késeknél és kardoknál gyakori. A kínai jian az egyik legkorábbi ismert példa erre, a japán katana pedig talán a legismertebb. A nepáli khukuri egy másik példa. Ez a technika egy szigetelő réteget használ, például agyagrétegeket, hogy befedje azokat a területeket, amelyeknek puhának kell maradniuk. Az edzendő területeket szabadon hagyják, így az acélnak csak bizonyos részei keményednek meg teljesen, amikor kioltják.
LángkeményítésSzerkesztés
A lángkeményítést a fémnek csak egy részének edzésére használják. A differenciális edzéssel ellentétben, ahol az egész darabot melegítik, majd különböző sebességgel hűtik, a lángkeményítésnél a fémnek csak egy részét melegítik fel az oltás előtt. Ez általában egyszerűbb, mint a differenciális edzés, de gyakran rendkívül rideg zónát hoz létre a felmelegített fém és a felmelegítetlen fém között, mivel ennek a hőhatású zónának a szélénél a lehűlés rendkívül gyors.
Indukciós edzésSzerkesztés
Az indukciós edzés olyan felületkeményítési technika, amelyben a fém felületét nagyon gyorsan, érintkezés nélküli indukciós fűtési módszerrel melegítik fel. Az ötvözetet ezután kioltják, így a felületen martenzit átalakulás jön létre, miközben az alatta lévő fém változatlan marad. Ezáltal egy nagyon kemény, kopásálló felület jön létre, miközben a tárgy nagy részében megmarad a megfelelő szívósság. A forgattyús tengelycsapágyak jó példája az indukciósan edzett felületnek.
TömegkeményítésSzerkesztés
A tömörkeményítés olyan termokémiai diffúziós folyamat, amelynek során egy ötvözőelem, leggyakrabban szén vagy nitrogén, diffundál egy monolitikus fém felületébe. A keletkező interstitiális szilárd oldat keményebb, mint az alapanyag, ami a szívósság feláldozása nélkül javítja a kopásállóságot.
A lézeres felületkezelés nagy sokoldalúsággal, szelektivitással és újszerű tulajdonságokkal rendelkező felületkezelés. Mivel a lézeres kezelésnél a hűtési sebesség nagyon magas, ezzel a módszerrel metastabil, akár fémes üveg is előállítható.
Hideg és kriogén kezelésSzerkesztés
Bár az acél árasztása hatására az ausztenit martenzitté alakul át, az összes ausztenit általában nem alakul át. Néhány ausztenitkristály változatlanul megmarad még a martenzit befejezési (Mf) hőmérséklet alatti kioltás után is. Az ausztenit további átalakulása martenzitté a fém lassú, rendkívül alacsony hőmérsékletre történő lehűtésével idézhető elő. A hidegkezelés általában az acél -115˚F (-81˚C) körüli hőmérsékletre történő lehűtéséből áll, de nem szünteti meg az összes ausztenitet. A kriogén kezelés általában sokkal alacsonyabb hőmérsékletre, gyakran -315˚F (-192˚C) tartományba történő lehűtésből áll, hogy az ausztenit nagy részét martenzitté alakítsák át.
A hideg- és kriogén kezelést általában közvetlenül az árasztás után, az edzés előtt végzik, és növeli a keménységet, a kopásállóságot és csökkenti a belső feszültségeket a fémben, de mivel ez valójában az árasztási folyamat meghosszabbítása, növelheti a repedés esélyét az eljárás során. Az eljárást gyakran használják szerszámok, csapágyak vagy más, jó kopásállóságot igénylő elemek esetében. Általában azonban csak olyan magas széntartalmú vagy nagyötvözetű acéloknál hatékony, amelyekben az árasztás után több mint 10% ausztenit marad meg.
SzéntelenítésSzerkesztés
Az acél melegítését néha a széntartalom megváltoztatásának módszereként használják. Amikor az acélt oxidáló környezetben melegítik, az oxigén a vassal egyesülve vas-oxid réteget képez, amely megvédi az acélt a dekarbonizációtól. Amikor azonban az acél ausztenitté alakul, az oxigén a vassal egyesülve salakot képez, amely nem nyújt védelmet a dekarbonizáció ellen. A salak és a salakképződés valójában fokozza a széntelenítést, mivel a vasoxid még akkor is kapcsolatban tartja az oxigént a széntelenítési zónával, amikor az acél oxigénmentes környezetbe, például a kovácsműhely szénjébe kerül. Így a szénatomok elkezdenek egyesülni a környező korommal és salakkal, és szén-monoxidot és szén-dioxidot képeznek, amely a levegőbe kerül.
Az acél viszonylag kis százalékban tartalmaz szenet, amely szabadon vándorolhat a gamma vasban. Ha az austenitizált acélt hosszú ideig levegőnek teszik ki, az acél széntartalma csökkenhet. Ez éppen az ellenkezője annak, ami akkor történik, amikor az acélt redukáló környezetben melegítik, ahol a szén lassan tovább diffundál a fémbe. Oxidáló környezetben a szén könnyen diffundálhat kifelé, ezért az ausztenites acél nagyon érzékeny a széntelenítésre. Ezt gyakran használják öntött acél esetében, ahol az öntéshez magas széntartalomra van szükség, de a késztermékben alacsonyabb széntartalomra van szükség. Gyakran használják öntöttvasaknál, hogy képlékeny öntöttvasat állítsanak elő, a “fehér edzésnek” nevezett eljárás során. Ez a széntelenítési hajlam gyakran problémát jelent más műveleteknél, például a kovácsmesterségben, ahol kívánatosabbá válik az acél minél rövidebb ideig történő ausztenizálása a túl nagy mértékű széntelenítés elkerülése érdekében.