Metallurger utarbetar ofta komplexa värmebehandlingsscheman, eller ”cykler”, för att optimera en legerings mekaniska egenskaper. Inom flygindustrin kan en superlegering genomgå fem eller fler olika värmebehandlingar för att utveckla de önskade egenskaperna. Detta kan leda till kvalitetsproblem beroende på noggrannheten hos ugnens temperaturkontroller och timer. Dessa operationer kan vanligtvis delas in i flera grundläggande tekniker.
GlödgningRedigera
Glödgning består av upphettning av en metall till en specifik temperatur och sedan avkylning med en hastighet som ger en förfinad mikrostruktur, där beståndsdelarna antingen helt eller delvis separeras. Kylningshastigheten är i allmänhet långsam. Glödgning används oftast för att mjuka upp en metall för kallbearbetning, för att förbättra bearbetbarheten eller för att förbättra egenskaper som elektrisk ledningsförmåga.
I järnlegeringar åstadkoms glödgning vanligen genom att värma upp metallen över den övre kritiska temperaturen och sedan kyla mycket långsamt, vilket resulterar i bildandet av pearlite. I både rena metaller och många legeringar som inte kan värmebehandlas används glödgning för att avlägsna den hårdhet som orsakats av kallbearbetning. Metallen värms upp till en temperatur där rekristallisering kan ske, vilket reparerar de defekter som orsakats av plastisk deformation. I dessa metaller har kylningshastigheten vanligtvis liten effekt. De flesta icke-järnlegeringar som kan värmebehandlas glödgas också för att lindra hårdheten från kallbearbetning. Dessa kan kylas långsamt för att möjliggöra fullständig utfällning av beståndsdelarna och producera en förfinad mikrostruktur.
Järnlegeringar är vanligtvis antingen ” helglödgade” eller ” processglödgade”. Fullglödgning kräver mycket långsamma avkylningshastigheter, för att grov pearlite ska kunna bildas. Vid processglödgning kan kylningshastigheten vara snabbare, upp till och med normalisering. Huvudsyftet med processglödgning är att åstadkomma en enhetlig mikrostruktur. Icke-järnlegeringar utsätts ofta för en mängd olika glödgningstekniker, inklusive ”omkristalliseringsglödgning”, ”partiell glödgning”, ”fullständig glödgning” och ”slutglödgning”. Inte alla glödgningstekniker inbegriper omkristallisering, till exempel spänningsavlastning.
NormaliseringEdit
Normalisering är en teknik som används för att ge enhetlighet i kornstorlek och sammansättning (liksidiga kristaller) i hela en legering. Termen används ofta för järnlegeringar som har austenitiserats och sedan kylts i fri luft. Normalisering producerar inte bara perlit utan även martensit och ibland bainit, vilket ger hårdare och starkare stål men med mindre duktilitet för samma sammansättning än fullständig glödgning.
I normaliseringsprocessen är processen att värma upp stålet till cirka 40 grader Celsius över dess övre kritiska temperaturgräns som hålls vid denna temperatur under en viss tid och sedan kyls i luft.
SpänningsavlastningRedigera
Spänningsavlastning är en teknik för att avlägsna eller reducera de inre spänningar som skapas i metall. Dessa spänningar kan orsakas på ett antal olika sätt, allt från kallbearbetning till ojämn kylning. Spänningsavlastning åstadkoms vanligen genom att värma en metall under den lägre kritiska temperaturen och sedan kyla jämnt. Spänningsavlastning används vanligen på föremål som lufttankar, pannor och andra tryckkärl, för att avlägsna alla spänningar som skapats under svetsprocessen.
AgingEdit
Vissa metaller klassificeras som utfällningshärdande metaller. När en utfällningshärdande legering släckes kommer dess legeringselement att fångas i lösning, vilket resulterar i en mjuk metall. När en ”lösta” metall åldras kan legeringselementen diffundera genom mikrostrukturen och bilda intermetalliska partiklar. Dessa intermetalliska partiklar kommer att bildas och falla ut ur lösningen och fungera som en förstärkande fas, vilket ökar legeringens hållfasthet. Legeringar kan åldras ”naturligt”, vilket innebär att utfällningarna bildas vid rumstemperatur, eller så kan de åldras ”artificiellt” när utfällningar endast bildas vid förhöjda temperaturer. I vissa tillämpningar kan naturligt åldrande legeringar förvaras i en frys för att förhindra härdning förrän efter ytterligare operationer – montering av nitar, till exempel, kan vara lättare med en mjukare del.
Exempel på utfällningshärdande legeringar är aluminiumlegeringar i 2000-, 6000- och 7000-serien, samt vissa superlegeringar och vissa rostfria stål. Stål som härdas genom åldrande kallas vanligen för maragingstål, från en kombination av begreppet ”martensitåldrande.”
AvkylningRedigera
Avkylning är en process där en metall kyls ned i snabb takt. Detta görs oftast för att åstadkomma en martensitomvandling. I järnlegeringar ger detta ofta en hårdare metall, medan icke-järnlegeringar vanligtvis blir mjukare än normalt.
För att härda genom avkylning måste en metall (vanligtvis stål eller gjutjärn) upphettas över den övre kritiska temperaturen och sedan snabbt kylas ned. Beroende på legeringen och andra överväganden (t.ex. hänsyn till maximal hårdhet kontra sprickbildning och distorsion) kan kylningen ske med tvångsluft eller andra gaser (t.ex. kväve). Vätskor kan användas på grund av deras bättre värmeledningsförmåga, t.ex. olja, vatten, en polymer löst i vatten eller en saltlösning. Vid snabb avkylning omvandlas en del av austeniten (beroende på legeringens sammansättning) till martensit, en hård, spröd kristallin struktur. En metalls avskräckta hårdhet beror på dess kemiska sammansättning och avskräckningsmetod. Kylningshastigheterna, från snabbast till långsammast, går från saltvatten, polymer (dvs. blandningar av vatten + glykolpolymerer), sötvatten, olja och tvångsluft. Att släcka vissa stål för snabbt kan dock leda till sprickbildning, vilket är anledningen till att höghållfasta stål som AISI 4140 bör släckas i olja, verktygsstål som ISO 1.2767 eller H13 varmbearbetat verktygsstål bör släckas i forcerad luft, och låglegerade eller medelhållfasta stål som XK1320 eller AISI 1040 bör släckas i saltvatten.
En del beta-titanbaserade legeringar har också visat liknande tendenser till ökad hållfasthet genom snabb kylning. De flesta icke-järnmetaller, som legeringar av koppar, aluminium eller nickel, och vissa höglegerade stål som austenitiskt rostfritt stål (304, 316) ger dock en motsatt effekt när de kyls ned: de mjuknar. Austenitiska rostfria stål måste släckas för att bli helt korrosionsbeständiga, eftersom de arbetshärdas avsevärt.
TempereringRedigera
Ottempererat martensitiskt stål är visserligen mycket hårt, men för sprött för att vara användbart för de flesta tillämpningar. En metod för att lindra detta problem kallas härdning. De flesta tillämpningar kräver att släckta delar ska vara härdade. Härdning innebär att stålet värms upp under den lägre kritiska temperaturen (ofta från 400˚F till 1105˚F eller 205˚C till 595˚C, beroende på önskat resultat) för att ge en viss seghet. Högre anlöpningstemperaturer (kanske upp till 1300˚F eller 700˚C, beroende på legering och tillämpning) används ibland för att ge ytterligare duktilitet, även om en viss sträckgräns går förlorad.
Temperering kan också utföras på normaliserade stål. Andra metoder för anlöpning består av avkylning till en specifik temperatur, som ligger över martensitstarttemperaturen, och sedan hålls den där tills ren bainit kan bildas eller interna spänningar kan avlastas. Dessa inkluderar austempering och martempering.
AnlöpningsfärgerRedigera
Stål som nyligen slipats eller polerats kommer att bilda oxidskikt vid upphettning. Vid en mycket specifik temperatur kommer järnoxiden att bilda ett lager med en mycket specifik tjocklek, vilket orsakar tunnfilmsinterferens. Detta gör att färger uppstår på stålets yta. När temperaturen höjs ökar järnoxidskiktet i tjocklek, vilket förändrar färgen. Dessa färger, som kallas härdningsfärger, har använts i århundraden för att mäta metallens temperatur.
- 350˚F (176˚C), ljust gulaktig
- 400˚F (204˚C), ljus-straw
- 440˚F (226˚C), mörkt-straw
- 500˚F (260˚C), brun
- 540˚F (282˚C), lila
- 590˚F (310˚C), djupblå
- 640˚F (337˚C), ljusblå
Tillverkningsfärgerna kan användas för att bedöma de slutliga egenskaperna hos det härdade stålet. Mycket hårda verktyg är ofta härdade i det ljusa till mörka stråket, medan fjädrar ofta är härdade i det blå. Det härdade stålets slutliga hårdhet varierar dock beroende på stålets sammansättning. Verktygsstål med högre kolhalt förblir mycket hårdare efter härdning än fjäderstål (med något mindre kolhalt) när det härdas vid samma temperatur. Oxidfilmen kommer också att öka i tjocklek med tiden. Därför kan stål som har hållits vid 400˚F under mycket lång tid bli brunt eller lila, även om temperaturen aldrig översteg den som krävs för att producera en ljus halmfärg. Andra faktorer som påverkar slutresultatet är oljefilmer på ytan och vilken typ av värmekälla som används.
Selektiv värmebehandlingRedigera
Många värmebehandlingsmetoder har utvecklats för att ändra egenskaperna hos endast en del av ett föremål. Dessa tenderar att bestå av antingen kylning av olika områden av en legering i olika hastigheter, genom snabb upphettning i ett lokalt område och sedan släckning, genom termokemisk diffusion, eller genom härdning av olika områden av ett föremål vid olika temperaturer, till exempel vid differentiell härdning.
Differentiell härdningEdit
Vissa tekniker gör det möjligt att olika områden på ett och samma föremål får olika värmebehandlingar. Detta kallas differentiell härdning. Det är vanligt i högkvalitativa knivar och svärd. Den kinesiska jian är ett av de tidigast kända exemplen på detta, och den japanska katana är kanske det mest kända. Den nepalesiska Khukuri är ett annat exempel. Denna teknik använder ett isolerande lager, som lager av lera, för att täcka de områden som ska förbli mjuka. De områden som ska härdas lämnas exponerade, vilket gör att endast vissa delar av stålet kan härdas fullt ut när det släckts.
FlamhärdningRedigera
Flamhärdning används för att härda endast en del av metallen. Till skillnad från differentiell härdning, där hela detaljen värms upp och sedan kyls av med olika hastighet, flamhärdning, värms endast en del av metallen upp före avkylning. Detta är vanligtvis enklare än differentiell härdning, men ger ofta en extremt spröd zon mellan den uppvärmda metallen och den ouppvärmda metallen, eftersom avkylningen vid kanten av denna värmepåverkade zon är extremt snabb.
InduktionshärdningRedigera
Induktionshärdning är en teknik för ythärdning där metallens yta värms upp mycket snabbt med hjälp av en kontaktlös metod för induktionsuppvärmning. Legeringen släckes sedan, vilket producerar en martensitomvandling på ytan samtidigt som den underliggande metallen lämnas oförändrad. Detta skapar en mycket hård, slitstark yta samtidigt som den korrekta segheten bibehålls i större delen av objektet. Vevaxelns vevaxelhuvuden är ett bra exempel på en induktionshärdad yta.
FallhärdningRedigera
Karosserihärdning är en termokemisk diffusionsprocess där ett legeringselement, oftast kol eller kväve, diffunderar in i ytan på en monolitisk metall. Den resulterande interstitiella fasta lösningen är hårdare än grundmaterialet, vilket förbättrar slitstyrkan utan att ge avkall på segheten.
Laserytbehandling är en ytbehandling med stor mångsidighet, selektivitet och nya egenskaper. Eftersom kylningshastigheten är mycket hög vid laserbehandling kan metastabilt även metalliskt glas erhållas med denna metod.
Kall och kryogen behandlingRedigera
Och även om avkylning av stål får austeniten att omvandlas till martensit, omvandlas vanligtvis inte hela austeniten. Vissa austenitkristaller förblir oförändrade även efter avkylning under temperaturen för martensitfinish (Mf). Ytterligare omvandling av austenit till martensit kan framkallas genom långsam nedkylning av metallen till extremt låga temperaturer. Kylbehandling består i allmänhet av kylning av stålet till cirka -115˚F (-81˚C), men eliminerar inte all austenit. Kryogen behandling består vanligtvis av kylning till mycket lägre temperaturer, ofta i storleksordningen -315˚F (-192˚C), för att omvandla det mesta av austeniten till martensit.
Kall och kryogen behandling görs vanligtvis omedelbart efter avkylning, före eventuell anlöpning, och kommer att öka hårdheten, slitagebeständigheten och minska de inre spänningarna i metallen, men eftersom det egentligen är en förlängning av avkylningsprocessen kan det öka chanserna för sprickbildning under förfarandet. Processen används ofta för verktyg, lager eller andra föremål som kräver god slitstyrka. Den är dock vanligtvis endast effektiv i högkolhaltiga eller höglegerade stål där mer än 10 % austenit finns kvar efter släckning.
DekarbureringRedigera
Uppvärmning av stål används ibland som en metod för att förändra kolinnehållet. När stål värms upp i en oxiderande miljö förenas syret med järnet för att bilda ett järnoxidskikt som skyddar stålet från avkolning. När stålet övergår till austenit kombineras dock syret med järn för att bilda en slagg, som inte ger något skydd mot avkolning. Bildandet av slagg och skal ökar faktiskt avkolningen, eftersom järnoxiden håller syret i kontakt med avkolningszonen även efter det att stålet flyttats till en syrefri miljö, t.ex. kolen i en smedja. Kolatomerna börjar således kombinera sig med den omgivande skalan och slaggen för att bilda både kolmonoxid och koldioxid, som släpps ut i luften.
Stål innehåller en relativt liten andel kol, som kan vandra fritt inom gammajärnet. När austenitiserat stål utsätts för luft under långa perioder kan kolhalten i stålet sänkas. Detta är motsatsen till vad som händer när stålet värms upp i en reducerande miljö, där kolet långsamt diffunderar längre in i metallen. I en oxiderande miljö kan kolet lätt diffundera utåt, så austenitiserat stål är mycket känsligt för avkolning. Detta används ofta för gjutstål, där ett högt kolinnehåll behövs för gjutning, men ett lägre kolinnehåll önskas i den färdiga produkten. Det används ofta på gjutjärn för att producera formbart gjutjärn, i en process som kallas ”vit härdning”. Denna tendens till avkolning är ofta ett problem vid andra arbeten, t.ex. vid smide, där det blir mer önskvärt att austenisera stålet under så kort tid som möjligt för att förhindra för mycket avkolning.