Programe complexe de tratament termic, sau „cicluri”, sunt adesea concepute de metalurgiști pentru a optimiza proprietățile mecanice ale unui aliaj. În industria aerospațială, un superaliaj poate fi supus la cinci sau mai multe operații diferite de tratare termică pentru a dezvolta proprietățile dorite. Acest lucru poate duce la probleme de calitate, în funcție de acuratețea controalelor de temperatură și a cronometrului cuptorului. Aceste operații pot fi de obicei împărțite în mai multe tehnici de bază.
RecoacereEdit
Coacerea constă în încălzirea unui metal la o anumită temperatură și apoi răcirea la o viteză care va produce o microstructură rafinată, separând complet sau parțial constituenții. Viteza de răcire este, în general, lentă. Recoacerea este cel mai adesea utilizată pentru a înmuia un metal în vederea prelucrării la rece, pentru a îmbunătăți prelucrabilitatea sau pentru a îmbunătăți proprietăți precum conductivitatea electrică.
În aliajele feroase, recoacerea se realizează de obicei prin încălzirea metalului dincolo de temperatura critică superioară și apoi prin răcire foarte lentă, ceea ce duce la formarea de perlit. Atât în cazul metalelor pure, cât și al multor aliaje care nu pot fi tratate termic, recoacerea este utilizată pentru a elimina duritatea cauzată de prelucrarea la rece. Metalul este încălzit până la o temperatură la care poate avea loc recristalizarea, reparând astfel defectele cauzate de deformarea plastică. În cazul acestor metale, viteza de răcire va avea, de obicei, un efect redus. Majoritatea aliajelor neferoase care pot fi tratate termic sunt, de asemenea, recoapte pentru a înlătura duritatea cauzată de prelucrarea la rece. Acestea pot fi răcite lent pentru a permite precipitarea completă a constituenților și pentru a produce o microstructură rafinată.
Alegiile feroase sunt, de obicei, fie „recoapte complet”, fie „recoapte prin proces”. Recoacerea completă necesită viteze de răcire foarte lente, pentru a forma perlitură grosieră. În recoacerea de proces, rata de răcire poate fi mai rapidă; până la, și inclusiv normalizarea. Scopul principal al recoacerii de proces este de a produce o microstructură uniformă. Aliajele neferoase sunt adesea supuse la o varietate de tehnici de recoacere, inclusiv „recoacerea de recristalizare”, „recoacerea parțială”, „recoacerea completă” și „recoacerea finală”. Nu toate tehnicile de recoacere implică recristalizare, cum ar fi descărcarea de tensiuni.
NormalizareEdit
Normalizarea este o tehnică utilizată pentru a asigura uniformitatea dimensiunii și compoziției granulelor (cristale echiaxe) în întregul aliaj. Termenul este adesea utilizat pentru aliajele feroase care au fost austenitizate și apoi răcite în aer liber. Normalizarea produce nu numai perlit, ci și martensită și, uneori, bainită, ceea ce dă un oțel mai tare și mai rezistent, dar cu o ductilitate mai mică pentru aceeași compoziție decât recoacerea completă.
În procesul de normalizare, procesul de încălzire a oțelului la aproximativ 40 de grade Celsius peste limita superioară a temperaturii critice, menținută la această temperatură pentru o anumită perioadă de timp și apoi răcită în aer.
DetensionareaEdit
Deztensionarea este o tehnică de eliminare sau reducere a tensiunilor interne create în metal. Aceste tensiuni pot fi cauzate în mai multe moduri, de la prelucrarea la rece până la răcirea neuniformă. Detensionarea se realizează, de obicei, prin încălzirea unui metal sub temperatura critică inferioară și apoi prin răcire uniformă. Detensionarea este folosită în mod obișnuit la articole precum rezervoare de aer, cazane și alte recipiente sub presiune, pentru a elimina toate tensiunile create în timpul procesului de sudare.
ÎmbătrânireEdit
Câteva metale sunt clasificate ca metale de călire prin precipitare. Atunci când un aliaj de întărire prin precipitare este călit, elementele sale de aliere vor fi prinse în soluție, rezultând un metal moale. Îmbătrânirea unui metal „soluționat” va permite elementelor de aliere să se difuzeze prin microstructură și să formeze particule intermetalice. Aceste particule intermetalice se vor nuclea și se vor desprinde din soluție și vor acționa ca o fază de întărire, crescând astfel rezistența aliajului. Aliajele pot îmbătrâni „natural”, ceea ce înseamnă că precipitatele se formează la temperatura camerei, sau pot îmbătrâni „artificial”, când precipitatele se formează numai la temperaturi ridicate. În unele aplicații, aliajele cu îmbătrânire naturală pot fi depozitate într-un congelator pentru a preveni întărirea până după alte operațiuni – asamblarea niturilor, de exemplu, poate fi mai ușoară cu o piesă mai moale.
Exemple de aliaje cu întărire prin precipitare includ aliajele de aluminiu din seriile 2000, 6000 și 7000, precum și unele superaliaje și unele oțeluri inoxidabile. Oțelurile care se întăresc prin îmbătrânire sunt denumite de obicei oțeluri maraging, de la o combinație a termenului „îmbătrânire martensită.”
CălireEdit
Călirea este un proces de răcire a unui metal la o viteză rapidă. Acest lucru se face cel mai adesea pentru a produce o transformare în martensită. În cazul aliajelor feroase, acest lucru va produce adesea un metal mai dur, în timp ce aliajele neferoase vor deveni de obicei mai moi decât în mod normal.
Pentru a se întări prin călire, un metal (de obicei oțel sau fontă) trebuie să fie încălzit peste temperatura critică superioară și apoi răcit rapid. În funcție de aliaj și de alte considerente (cum ar fi preocuparea pentru duritatea maximă vs. fisurarea și deformarea), răcirea se poate face cu aer forțat sau cu alte gaze, (cum ar fi azotul). Se pot folosi lichide, datorită conductivității lor termice mai bune, cum ar fi uleiul, apa, un polimer dizolvat în apă sau o saramură. La răcirea rapidă, o parte din austenită (în funcție de compoziția aliajului) se va transforma în martensită, o structură cristalină dură și fragilă. Duritatea la călire a unui metal depinde de compoziția sa chimică și de metoda de călire. Vitezele de răcire, de la cea mai rapidă la cea mai lentă, merg de la saramură, polimeri (adică amestecuri de apă + polimeri de glicol), apă dulce, ulei și aer forțat. Cu toate acestea, călirea prea rapidă a anumitor oțeluri poate duce la fisurare, motiv pentru care oțelurile cu rezistență mare la tracțiune, cum ar fi AISI 4140, ar trebui să fie călite în ulei, oțelurile pentru scule, cum ar fi ISO 1.2767 sau H13, oțelul pentru scule pentru lucru la cald, ar trebui să fie călite în aer forțat, iar oțelurile slab aliate sau cu rezistență medie la tracțiune, cum ar fi XK1320 sau AISI 1040, ar trebui să fie călite în saramură.
Câteva aliaje Beta pe bază de titan au prezentat, de asemenea, tendințe similare de creștere a rezistenței prin răcire rapidă. Cu toate acestea, majoritatea metalelor neferoase, cum ar fi aliajele de cupru, aluminiu sau nichel, și unele oțeluri înalt aliate, cum ar fi oțelul inoxidabil austenitic (304, 316), produc un efect opus atunci când acestea sunt călite: se înmoaie. Oțelurile inoxidabile austenitice trebuie să fie călite pentru a deveni pe deplin rezistente la coroziune, deoarece acestea se întăresc semnificativ.
CălireEdit
Oțelul martensitic netemperat, deși foarte dur, este prea fragil pentru a fi util pentru majoritatea aplicațiilor. O metodă de atenuare a acestei probleme se numește călire. Majoritatea aplicațiilor necesită ca piesele călite să fie călite. Revenirea constă în încălzirea oțelului sub temperatura critică inferioară, (adesea de la 400˚F la 1105˚F sau de la 205˚C la 595˚C, în funcție de rezultatele dorite), pentru a conferi o anumită tenacitate. Temperaturi de revenire mai ridicate (poate până la 1.300˚F sau 700˚C, în funcție de aliaj și de aplicație) sunt uneori folosite pentru a conferi o ductilitate suplimentară, deși se pierde o parte din limita de curgere.
Temperatura poate fi efectuată și pe oțeluri normalizate. Alte metode de revenire constau în călirea la o anumită temperatură, care este mai mare decât temperatura de pornire a martensitei, și apoi menținerea acesteia până când se poate forma bainită pură sau până când tensiunile interne pot fi atenuate. Acestea includ austempering și martempering.
Culori de revenireEdit
Oțelul care a fost proaspăt rectificat sau lustruit va forma straturi de oxid la încălzire. La o temperatură foarte specifică, oxidul de fier va forma un strat cu o grosime foarte specifică, provocând interferențe în strat subțire. Acest lucru face ca pe suprafața oțelului să apară culori. Pe măsură ce temperatura crește, stratul de oxid de fier crește în grosime, schimbând culoarea. Aceste culori, numite culori de călire, au fost folosite timp de secole pentru a măsura temperatura metalului.
- 350˚F (176˚C), gălbui deschis
- 400˚F (204˚C), pai deschis
- 440˚F (226˚C), pai închis
- 500˚F (260˚C), maro
- 540˚F (282˚C), purpuriu
- 590˚F (310˚C), albastru închis
- 640˚F (337˚C), albastru deschis
Culoarea de călire poate fi folosită pentru a judeca proprietățile finale ale oțelului călit. Uneltele foarte dure sunt adesea călite în intervalul de la paiul deschis la cel închis, în timp ce arcurile sunt adesea călite în albastru. Cu toate acestea, duritatea finală a oțelului călit va varia, în funcție de compoziția oțelului. Oțelul pentru scule cu conținut mai ridicat de carbon va rămâne mult mai dur după călire decât oțelul pentru arcuri (cu puțin mai puțin carbon) atunci când este călit la aceeași temperatură. Pelicula de oxid va crește, de asemenea, în grosime în timp. Prin urmare, oțelul care a fost menținut la 400˚F pentru o perioadă foarte lungă de timp poate deveni maro sau violet, chiar dacă temperatura nu a depășit-o niciodată pe cea necesară pentru a produce o culoare pai deschis. Alți factori care influențează rezultatul final sunt peliculele de ulei de pe suprafață și tipul de sursă de căldură folosită.
Tratarea termică selectivăEdit
Multe metode de tratare termică au fost dezvoltate pentru a modifica proprietățile doar ale unei porțiuni dintr-un obiect. Acestea tind să constea fie în răcirea unor zone diferite ale unui aliaj la viteze diferite, prin încălzirea rapidă într-o zonă localizată și apoi stingerea, prin difuzie termochimică, fie prin revenirea unor zone diferite ale unui obiect la temperaturi diferite, cum ar fi în cazul revenirii diferențiale.
Călire diferențialăEdit
Câteva tehnici permit ca diferite zone ale unui singur obiect să primească tratamente termice diferite. Acest lucru se numește călire diferențială. Este comună în cazul cuțitelor și săbiilor de înaltă calitate. Jianul chinezesc este unul dintre cele mai vechi exemple cunoscute în acest sens, iar katana japoneză poate fi cel mai cunoscut. Khukuri-ul nepalez este un alt exemplu. Această tehnică folosește un strat izolator, precum straturile de lut, pentru a acoperi zonele care trebuie să rămână moi. Zonele care trebuie să fie întărite sunt lăsate expuse, permițând ca doar anumite părți ale oțelului să se întărească complet atunci când sunt călite.
Călire la flacărăEdit
Călirea prin flacără este folosită pentru a căli doar o parte a metalului. Spre deosebire de călirea diferențială, în care întreaga piesă este încălzită și apoi răcită cu viteze diferite, la călirea prin flacără, doar o porțiune din metal este încălzită înainte de călire. Aceasta este de obicei mai ușoară decât călirea diferențială, dar produce adesea o zonă extrem de fragilă între metalul încălzit și metalul neîncălzit, deoarece răcirea la marginea acestei zone afectate de căldură este extrem de rapidă.
Călire prin inducțieEdit
Călirea prin inducție este o tehnică de călire a suprafețelor în care suprafața metalului este încălzită foarte rapid, folosind o metodă de încălzire prin inducție fără contact. Aliajul este apoi călit, producând o transformare de martensită la suprafață, în timp ce metalul subiacent rămâne neschimbat. Acest lucru creează o suprafață foarte dură și rezistentă la uzură, menținând în același timp duritatea corespunzătoare în cea mai mare parte a obiectului. Manșoanele arborelui cotit sunt un bun exemplu de suprafață întărită prin inducție.
Călire prin călireEdit
Călirea în carcasă este un proces termochimic de difuzie în care un element de aliere, cel mai frecvent carbon sau azot, difuzează în suprafața unui metal monolit. Soluția solidă interstițială rezultată este mai dură decât materialul de bază, ceea ce îmbunătățește rezistența la uzură fără a sacrifica tenacitatea.
Ingineria suprafețelor cu laser este un tratament de suprafață cu o mare versatilitate, selectivitate și proprietăți noi. Deoarece viteza de răcire este foarte mare în tratamentul cu laser, prin această metodă se poate obține sticlă metastabilă chiar și metalică.
Tratarea la rece și criogenicăEdit
Deși călirea oțelului determină transformarea austenitei în martensită, de obicei nu toată austenita se transformă. Unele cristale de austenită vor rămâne neschimbate chiar și după călire sub temperatura de finisare a martensitei (Mf). Transformarea suplimentară a austenitei în martensită poate fi indusă prin răcirea lentă a metalului la temperaturi extrem de scăzute. Tratarea la rece constă, în general, în răcirea oțelului la aproximativ -81˚C (-115˚F), dar nu elimină toată austenita. Tratarea criogenică constă, de obicei, în răcirea la temperaturi mult mai scăzute, adesea în intervalul de -315˚F (-192˚C), pentru a transforma cea mai mare parte a austenitei în martensită.
Tratamentele la rece și criogenice se fac, de obicei, imediat după călire, înainte de orice revenire, și vor crește duritatea, rezistența la uzură și vor reduce tensiunile interne ale metalului, dar, deoarece este într-adevăr o prelungire a procesului de călire, poate crește șansele de fisurare în timpul procedurii. Procedeul este adesea utilizat pentru scule, rulmenți sau alte articole care necesită o bună rezistență la uzură. Cu toate acestea, este, de obicei, eficient numai în cazul oțelurilor cu conținut ridicat de carbon sau înalt aliate în care mai mult de 10% austenită este reținută după călire.
DecarburareEdit
Încălzirea oțelului este uneori folosită ca metodă de modificare a conținutului de carbon. Atunci când oțelul este încălzit într-un mediu oxidant, oxigenul se combină cu fierul pentru a forma un strat de oxid de fier, care protejează oțelul de decarburare. Cu toate acestea, atunci când oțelul se transformă în austenită, oxigenul se combină cu fierul pentru a forma o zgură, care nu oferă protecție împotriva decarburației. Formarea zgurii și a calcarului crește de fapt decarburarea, deoarece oxidul de fier menține oxigenul în contact cu zona de decarburare chiar și după ce oțelul este mutat într-un mediu lipsit de oxigen, cum ar fi cărbunii unei forje. Astfel, atomii de carbon încep să se combine cu zgura și zgura din jur pentru a forma atât monoxid de carbon, cât și dioxid de carbon, care este eliberat în aer.
Oțelul conține un procent relativ mic de carbon, care poate migra liber în cadrul fierului gama. Atunci când oțelul austenitizat este expus la aer pentru perioade lungi de timp, conținutul de carbon din oțel poate fi redus. Acest lucru este opusul a ceea ce se întâmplă atunci când oțelul este încălzit într-un mediu reducător, în care carbonul difuzează încet și mai mult în metal. Într-un mediu oxidant, carbonul poate difuza cu ușurință în exterior, astfel încât oțelul austenitizat este foarte susceptibil la decarburare. Acesta este adesea utilizat pentru oțelul turnat, în cazul în care este necesar un conținut ridicat de carbon pentru turnare, dar se dorește un conținut mai mic de carbon în produsul finit. Este adesea utilizat la fiarele turnate pentru a produce fontă maleabilă, într-un proces numit „călire albă”. Această tendință de decarburare este adesea o problemă în alte operațiuni, cum ar fi fierăria, unde devine mai de dorit să se austenizeze oțelul pentru cel mai scurt timp posibil pentru a preveni o decarburare prea mare.
.