Złożone harmonogramy obróbki cieplnej, lub „cykle”, są często opracowywane przez metalurgów w celu optymalizacji właściwości mechanicznych stopu. W przemyśle lotniczym, nadstop może być poddany pięciu lub więcej różnym procesom obróbki cieplnej w celu uzyskania pożądanych właściwości. Może to prowadzić do problemów z jakością w zależności od dokładności kontroli temperatury i zegara w piecu. Operacje te można zazwyczaj podzielić na kilka podstawowych technik.
WyżarzanieEdit
Wyżarzanie polega na ogrzewaniu metalu do określonej temperatury, a następnie chłodzeniu z szybkością, która wytworzy rafinowaną mikrostrukturę, całkowicie lub częściowo rozdzielając składniki. Szybkość chłodzenia jest na ogół powolna. Wyżarzanie jest najczęściej używany do zmiękczania metalu do obróbki na zimno, w celu poprawy obrabialności, lub poprawy właściwości, takich jak przewodnictwo elektryczne.
W stopów żelaza, wyżarzanie jest zwykle osiągnięty przez ogrzewanie metalu powyżej górnej temperatury krytycznej, a następnie chłodzenia bardzo powoli, co powoduje tworzenie perlitu. Zarówno w przypadku czystych metali, jak i wielu stopów, które nie mogą być poddawane obróbce cieplnej, wyżarzanie jest stosowane w celu usunięcia twardości spowodowanej obróbką na zimno. Metal jest podgrzewany do temperatury, w której może nastąpić rekrystalizacja, a tym samym usunięcie wad spowodowanych odkształceniem plastycznym. W przypadku tych metali, szybkość chłodzenia ma zazwyczaj niewielki wpływ. Większość stopów metali nieżelaznych, które można obrabiać cieplnie, jest również wyżarzana w celu zmniejszenia twardości po obróbce na zimno. Mogą one być powoli chłodzone, aby umożliwić pełne wytrącanie składników i wytworzyć wyrafinowaną mikrostrukturę.
Stopy metali nieżelaznych są zwykle albo „pełne wyżarzanie”, albo „wyżarzanie procesowe”. Pełne wyżarzanie wymaga bardzo powolnych szybkości chłodzenia, w celu utworzenia grubego perlitu. W wyżarzaniu procesowym, szybkość chłodzenia może być szybsza; aż do normalizacji włącznie. Głównym celem wyżarzania procesowego jest wytworzenie jednolitej mikrostruktury. Stopy nieżelazne są często poddawane różnym technikom wyżarzania, w tym „wyżarzaniu rekrystalizującemu”, „wyżarzaniu częściowemu”, „wyżarzaniu całkowitemu” i „wyżarzaniu końcowemu”. Nie wszystkie techniki wyżarzania obejmują rekrystalizację, takie jak odprężanie.
NormalizingEdit
Normalizacja jest techniką stosowaną w celu zapewnienia jednorodności w wielkości ziarna i składzie (równe kryształy) w całym stopie. Termin ten jest często używany dla stopów żelaza, które zostały poddane austenityzacji, a następnie schłodzone na wolnym powietrzu. Normalizacja nie tylko wytwarza perlit, ale także martenzyt i czasami bainit, co daje twardszą i mocniejszą stal, ale o mniejszej ciągliwości dla tego samego składu niż pełne wyżarzanie.
W procesie normalizacji proces ogrzewania stali do około 40 stopni Celsjusza powyżej jej górnej granicy temperatury krytycznej utrzymywanej w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie chłodzonej na powietrzu.
OdciążanieEdit
Odciążanie jest techniką usuwania lub zmniejszania naprężeń wewnętrznych powstałych w metalu. Naprężenia te mogą być wywołane na wiele sposobów, począwszy od obróbki na zimno do nierównomiernego chłodzenia. Zmniejszanie naprężeń jest zwykle osiągane przez ogrzewanie metalu poniżej dolnej temperatury krytycznej, a następnie równomierne chłodzenie. Odprężanie jest powszechnie stosowane na elementach takich jak zbiorniki powietrza, kotły i inne zbiorniki ciśnieniowe, w celu usunięcia wszystkich naprężeń powstałych podczas procesu spawania.
StarzenieEdit
Niektóre metale są klasyfikowane jako metale utwardzane opadowo. Kiedy stop hartowania wytrąceniowego jest hartowany, jego składniki stopowe będą uwięzione w roztworze, co daje miękki metal. Starzenie „roztworzonego” metalu pozwala pierwiastkom stopowym na dyfuzję w mikrostrukturze i tworzenie cząstek międzymetalicznych. Te cząstki międzymetaliczne będą zarodkować i wypadać z roztworu i działać jako faza wzmacniająca, zwiększając w ten sposób wytrzymałość stopu. Stopy mogą starzeć się „naturalnie”, co oznacza, że wytrącenia tworzą się w temperaturze pokojowej, lub mogą starzeć się „sztucznie”, gdy wytrącenia tworzą się tylko w podwyższonej temperaturze. W niektórych zastosowaniach, naturalnie starzejące się stopy mogą być przechowywane w zamrażarce, aby zapobiec utwardzeniu do czasu dalszych operacji – montaż nitów, na przykład, może być łatwiejszy z bardziej miękką częścią.
Przykłady stopów utwardzających się przez wytrącanie obejmują stopy aluminium serii 2000, serii 6000 i serii 7000, a także niektóre superstopy i niektóre stale nierdzewne. Stale, które utwardzają się przez starzenie są zwykle określane jako stale maraging, od połączenia terminu „starzenie martenzytu.”
HartowanieEdit
Hartowanie to proces chłodzenia metalu w szybkim tempie. Jest to najczęściej wykonywane w celu wytworzenia przemiany martenzytycznej. W stopach żelaza, to często będzie produkować twardszy metal, podczas gdy stopy nieżelazne zazwyczaj stają się bardziej miękkie niż normalnie.
Aby utwardzić przez hartowanie, metal (zwykle stal lub żeliwo) musi być ogrzewany powyżej górnej temperatury krytycznej, a następnie szybko schłodzone. W zależności od stopu i innych względów (takich jak troska o maksymalną twardość vs. pękanie i odkształcenia), chłodzenie może odbywać się za pomocą wymuszonego powietrza lub innych gazów (takich jak azot). Ciecze mogą być używane, ze względu na ich lepszą przewodność cieplną, takich jak olej, woda, polimer rozpuszczony w wodzie lub solanki. Po gwałtownym ochłodzeniu, część austenitu (w zależności od składu stopu) przekształca się w martenzyt, twardą, kruchą strukturę krystaliczną. Twardość hartowanego metalu zależy od jego składu chemicznego i metody hartowania. Szybkość chłodzenia, od najszybszej do najwolniejszej, obejmuje solankę, polimer (tj. mieszaniny wody + polimerów glikolowych), wodę słodką, olej i wymuszone powietrze. Jednak hartowanie niektórych stali zbyt szybko może spowodować pękanie, dlatego stale o wysokiej wytrzymałości, takie jak AISI 4140 powinny być hartowane w oleju, stale narzędziowe, takie jak ISO 1.2767 lub stal narzędziowa do pracy na gorąco H13 powinny być hartowane w powietrzu, a niskostopowe lub średniowytrzymałe stale, takie jak XK1320 lub AISI 1040 powinny być hartowane w solance.
Niektóre stopy Beta na bazie tytanu również wykazały podobne tendencje do zwiększenia wytrzymałości poprzez szybkie chłodzenie. Jednak większość metali nieżelaznych, takich jak stopy miedzi, aluminium lub niklu, a niektóre wysokostopowe stale, takie jak austenityczna stal nierdzewna (304, 316), dają odwrotny efekt, gdy są one hartowane: zmiękczają. Austenityczne stale nierdzewne muszą być hartowane, aby stać się w pełni odporne na korozję, jak pracować – hartować znacznie.
OdpuszczanieEdit
Nieulepszona stal martenzytyczna, choć bardzo twarda, jest zbyt krucha, aby była przydatna do większości zastosowań. Metoda łagodzenia tego problemu nazywana jest odpuszczaniem. Większość zastosowań wymaga, aby hartowane części były odpuszczane. Odpuszczanie polega na podgrzaniu stali poniżej dolnej temperatury krytycznej (często od 400˚F do 1105˚F lub 205˚C do 595˚C, w zależności od pożądanych rezultatów), aby nadać jej pewną ciągliwość. Wyższe temperatury odpuszczania (być może do 1300˚F lub 700˚C, w zależności od stopu i zastosowania) są czasami stosowane w celu nadania dalszej ciągliwości, chociaż pewna granica plastyczności zostaje utracona.
Odpuszczanie może być również wykonywane na stalach normalizowanych. Inne metody odpuszczania składają się z hartowania do określonej temperatury, która jest powyżej temperatury początku martenzytu, a następnie utrzymanie go tam, aż czysty bainit może tworzyć lub naprężenia wewnętrzne mogą być zwolnione. Należą do nich austempering i martempering.
Kolory odpuszczaniaEdit
Stal, która została świeżo zmielona lub wypolerowana będzie tworzyć warstwy tlenków po podgrzaniu. W bardzo określonej temperaturze, tlenek żelaza będzie tworzyć warstwę o bardzo określonej grubości, powodując interferencję cienkowarstwową. Powoduje to pojawienie się kolorów na powierzchni stali. Wraz ze wzrostem temperatury, warstwa tlenku żelaza zwiększa swoją grubość, zmieniając kolor. Kolory te, zwane kolorami odpuszczania, były używane przez wieki do pomiaru temperatury metalu.
- 350˚F (176˚C), jasnożółty
- 400˚F (204˚C), jasnosłomkowy
- 440˚F (226˚C), ciemnosłomkowy
- 500˚F (260˚C), brązowy
- 540˚F (282˚C), fioletowy
- 590˚F (310˚C), głęboki niebieski
- 640˚F (337˚C), jasnoniebieski
Kolory odpuszczania mogą być używane do oceny końcowych właściwości odpuszczonej stali. Bardzo twarde narzędzia są często odpuszczane w zakresie od jasnego do ciemnego słomkowego, podczas gdy sprężyny są często odpuszczane na niebiesko. Jednakże, ostateczna twardość odpuszczonej stali będzie się różnić w zależności od składu stali. Stal narzędziowa o wyższej zawartości węgla pozostanie znacznie twardsza po odpuszczaniu niż stal sprężynowa (o nieco niższej zawartości węgla) odpuszczana w tej samej temperaturze. Warstwa tlenku będzie również zwiększać swoją grubość z czasem. Dlatego stal, która była przechowywana w temperaturze 400˚F przez bardzo długi czas, może stać się brązowa lub purpurowa, mimo że temperatura nigdy nie przekroczyła wartości potrzebnej do uzyskania jasnosłomkowego koloru. Innymi czynnikami wpływającymi na wynik końcowy są warstwy oleju na powierzchni oraz rodzaj zastosowanego źródła ciepła.
Selektywna obróbka cieplnaEdit
Wiele metod obróbki cieplnej zostało opracowanych w celu zmiany właściwości tylko części przedmiotu. Zwykle polegają one na chłodzeniu różnych obszarów stopu z różną prędkością, szybkim nagrzewaniu w zlokalizowanym obszarze, a następnie hartowaniu, dyfuzji termochemicznej lub odpuszczaniu różnych obszarów przedmiotu w różnych temperaturach, tak jak w przypadku odpuszczania różnicowego.
Hartowanie różnicoweEdit
Niektóre techniki pozwalają różnym obszarom jednego przedmiotu poddać się różnej obróbce cieplnej. Jest to tzw. hartowanie różnicowe. Jest to powszechne w wysokiej jakości nożach i mieczach. Chiński jian jest jednym z najwcześniejszych znanych przykładów tego, a japońska katana może być najszerzej znana. Innym przykładem jest nepalskie Khukuri. Technika ta wykorzystuje warstwę izolacyjną, jak warstwy gliny, do pokrycia obszarów, które mają pozostać miękkie. Obszary, które mają zostać zahartowane, pozostają odsłonięte, dzięki czemu tylko niektóre części stali mogą w pełni zahartować się podczas hartowania.
Hartowanie płomienioweEdit
Hartowanie płomieniowe jest stosowane do hartowania tylko części metalu. W przeciwieństwie do hartowania różnicowego, gdzie cały element jest ogrzewany, a następnie chłodzony w różnym tempie, hartowanie płomieniowe, tylko część metalu jest ogrzewana przed hartowaniem. Jest to zwykle łatwiejsze niż hartowanie różnicowe, ale często powstaje bardzo krucha strefa między metalem nagrzanym a nienagrzanym, ponieważ chłodzenie na krawędzi tej strefy wpływu ciepła jest bardzo szybkie.
Hartowanie indukcyjneEdit
Hartowanie indukcyjne jest techniką hartowania powierzchniowego, w której powierzchnia metalu jest nagrzewana bardzo szybko, przy użyciu bezkontaktowej metody ogrzewania indukcyjnego. Stop jest następnie hartowany, co powoduje przemianę martenzytyczną na powierzchni, pozostawiając niezmienioną warstwę metalu. W ten sposób powstaje bardzo twarda, odporna na zużycie powierzchnia, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiedniej ciągliwości w większej części przedmiotu. Czopy wału korbowego są dobrym przykładem powierzchni hartowanej indukcyjnie.
Hartowanie wgłębneEdit
Hartowanie powierzchniowe jest termochemicznym procesem dyfuzyjnym, w którym pierwiastek stopowy, najczęściej węgiel lub azot, dyfunduje do powierzchni monolitycznego metalu. Powstały w ten sposób śródmiąższowy roztwór stały jest twardszy niż materiał podstawowy, co poprawia odporność na zużycie bez utraty ciągliwości.
Laserowa inżynieria powierzchni to obróbka powierzchni o dużej wszechstronności, selektywności i nowych właściwościach. Ponieważ szybkość chłodzenia jest bardzo wysoka w obróbce laserowej, metastabilne nawet szkło metaliczne można uzyskać tą metodą.
Obróbka zimna i kriogenicznaEdit
Chociaż hartowanie stali powoduje przemianę austenitu w martenzyt, cały austenit zwykle nie ulega przemianie. Niektóre kryształy austenitu pozostaną niezmienione nawet po hartowaniu poniżej temperatury wykończenia martenzytu (Mf). Dalsza przemiana austenitu w martenzyt może być wywołana przez powolne chłodzenie metalu do bardzo niskich temperatur. Obróbka na zimno zazwyczaj składa się z chłodzenia stali do około -115˚F (-81˚C), ale nie eliminuje całego austenitu. Obróbka kriogeniczna zazwyczaj polega na chłodzeniu do znacznie niższych temperatur, często w zakresie -315˚F (-192˚C), w celu przekształcenia większości austenitu w martenzyt.
Obróbka zimna i kriogeniczna jest zazwyczaj wykonywana natychmiast po hartowaniu, przed odpuszczaniem i zwiększa twardość, odporność na ścieranie i zmniejsza naprężenia wewnętrzne w metalu, ale ponieważ jest to rozszerzenie procesu hartowania, może zwiększyć szanse na pękanie podczas procedury. Proces ten jest często stosowany do narzędzi, łożysk lub innych elementów, które wymagają dobrej odporności na zużycie. Jednak zazwyczaj jest on skuteczny tylko w przypadku stali wysokowęglowych lub wysokostopowych, w których po hartowaniu zachowane jest więcej niż 10% austenitu.
OdwęglanieEdit
Ogrzewanie stali jest czasami stosowane jako metoda zmiany zawartości węgla. Gdy stal jest ogrzewana w środowisku utleniającym, tlen łączy się z żelazem, tworząc warstwę tlenku żelaza, która chroni stal przed odwęgleniem. Kiedy jednak stal przechodzi w austenit, tlen łączy się z żelazem, tworząc żużel, który nie chroni przed odwęgleniem. Tworzenie się żużla i zgorzeliny w rzeczywistości zwiększa odwęglenie, ponieważ tlenek żelaza utrzymuje kontakt tlenu ze strefą odwęglenia nawet po przeniesieniu stali do środowiska pozbawionego tlenu, takiego jak węgiel w kuźni. W ten sposób atomy węgla zaczynają łączyć się z otaczającą je zgorzeliną i żużlem, tworząc tlenek i dwutlenek węgla, który jest uwalniany do atmosfery.
Stal zawiera stosunkowo niewielki procent węgla, który może swobodnie migrować w obrębie gamma żelaza. Kiedy austenityzowana stal jest wystawiona na działanie powietrza przez długi okres czasu, zawartość węgla w stali może zostać obniżona. Jest to przeciwieństwo tego, co dzieje się, gdy stal jest podgrzewana w środowisku redukującym, w którym węgiel powoli dyfunduje dalej w głąb metalu. W środowisku utleniającym, węgiel może łatwo dyfundować na zewnątrz, więc stal austenityzowana jest bardzo podatna na odwęglenie. Jest to często stosowane do staliwa, gdzie wysoka zawartość węgla jest potrzebna do odlewania, ale niższa zawartość węgla jest pożądana w gotowym produkcie. Jest to często stosowane w przypadku odlewów do produkcji żeliwa ciągliwego, w procesie zwanym „białym odpuszczaniem”. Ta tendencja do odwęglania jest często problemem w innych operacjach, takich jak kowalstwo, gdzie staje się bardziej pożądane, aby austenizować stal na jak najkrótszy czas, aby zapobiec zbyt wiele odwęglenia.
.