Kas atsitinka, kai metalai yra termiškai apdorojami?

Metalo šildymo ir aušinimo būdai

Monty Rakusen / Kultūra / Getty Images

Prieš išradus šiuolaikinius metalo apdirbimo būdus, kalviai naudojo šilumą, kad metalas būtų tinkamas apdirbti. Kai metalas buvo suformuotas į norimą formą, įkaitęs metalas greitai buvo atvėsinamas. Dėl greito aušinimo metalas tapo kietesnis ir mažiau trapus. Šiuolaikinis metalo apdirbimas tapo daug sudėtingesnis ir tikslesnis, todėl įvairiems tikslams galima naudoti įvairias technologijas.

Šilumos poveikis metalui

Metalą veikiant dideliam karščiui, jis plečiasi, ne tik paveikia jo struktūrą, elektrinę varžą ir magnetizmą. Šiluminis plėtimasis yra gana savaime suprantamas dalykas. Metalai plečiasi veikiami tam tikros temperatūros, kuri skiriasi priklausomai nuo metalo. Tikroji metalo struktūra taip pat keičiasi su karščiu. Vadinama alotropinės fazės transformacija , šiluma paprastai daro metalus minkštesnius, silpnesnius ir lankstesnius. Lankstumas – tai galimybė ištempti metalą į vielą ar kažką panašaus.

Šiluma taip pat gali paveikti metalo elektrinę varžą. Kuo metalas įkaista, tuo labiau išsisklaido elektronai, todėl metalas tampa atsparesnis elektros srovei. Metalai, įkaitinti iki tam tikros temperatūros, taip pat gali prarasti savo magnetiškumą. Padidinus temperatūrą iki 626 laipsnių pagal Farenheitą iki 2012 laipsnių pagal Farenheitą, priklausomai nuo metalo, magnetizmas išnyks. Temperatūra, kurioje tai vyksta konkrečiame metale, yra žinoma kaip jo Curie temperatūra.

Karščio gydymas

Terminis apdorojimas yra metalų kaitinimo ir aušinimo procesas, siekiant pakeisti jų mikrostruktūrą ir išryškinti fizines bei mechanines savybes, dėl kurių metalai tampa labiau pageidaujami. Metalai įkaista iki temperatūros, o aušinimo greitis po terminio apdorojimo gali žymiai pakeisti metalo savybes.

Dažniausios priežastys, dėl kurių metalai yra termiškai apdorojami, yra jų stiprumo, kietumo, tvirtumo, plastiškumo ir atsparumo korozijai gerinimas. Įprasti terminio apdorojimo būdai yra šie:

• Atkaitinimas yra terminio apdorojimo forma, kuri priartina metalą prie jo pusiausvyros būsenos. Jis suminkština metalą, todėl jį lengviau apdirbti ir suteikia didesnį lankstumą. Šiame procese metalas kaitinamas virš viršutinės kritinės temperatūros, kad pasikeistų jo mikrostruktūra. Po to metalas lėtai aušinamas.
• Pigiau nei atkaitinimas, gesinimas yra terminio apdorojimo metodas, kuris greitai grąžina metalą į kambario temperatūrą po to, kai jis įkaista virš viršutinės kritinės temperatūros. Gesinimo procesas sustabdo aušinimo procesą ir nepakeis metalo mikrostruktūros. Grūdinimas, kurį galima atlikti vandeniu, aliejumi ir kitomis terpėmis, sukietina plieną tokioje pačioje temperatūroje, kaip ir visiškas atkaitinimas.
• Kritulių grūdinimas taip pat žinomas kaip amžiaus grūdinimas . Tai sukuria vienodumą metalo grūdėtumo struktūroje, todėl medžiaga tampa tvirtesnė. Procesas apima tirpalo apdorojimo kaitinimą iki aukštos temperatūros po greito aušinimo proceso. Grūdinimas krituliais paprastai atliekamas inertinėje atmosferoje, kurios temperatūra svyruoja nuo 900 laipsnių pagal Farenheitą iki 1150 laipsnių pagal Farenheitą. Procesas gali užtrukti nuo valandos iki keturių valandų. Laikas paprastai priklauso nuo metalo storio ir panašių veiksnių.
• Šiandien dažniausiai naudojamas plieno gamyboje, grūdinimas yra terminis apdorojimas, naudojamas plieno kietumui ir tvirtumui pagerinti, taip pat trapumui sumažinti. Procesas sukuria lankstesnę ir stabilesnę struktūrą. Grūdinimo tikslas – pasiekti geriausią metalų mechaninių savybių derinį.
Stresą malšinantisyra terminio apdorojimo procesas, kuris sumažina metalų įtempimą po to, kai jie buvo gesinami, liejami, normalizuojami ir pan. Stresas pašalinamas kaitinant metalą iki žemesnės temperatūros nei reikalinga transformacijai. Po šio proceso metalas lėtai atšaldomas. Normalizuojantisyra terminis apdorojimas, kuris pašalina nešvarumus ir pagerina stiprumą bei kietumą keičiant grūdelių dydį, kad būtų vienodesnis visame metale. Tai pasiekiama aušinant metalą oru po to, kai jis pašildomas iki tikslios temperatūros.
• Kai metalinė dalis yra apdorotas kriogeniniu būdu , jis lėtai aušinamas skystu azotu. Lėtas aušinimo procesas padeda išvengti metalo šiluminio streso. Tada metalinė dalis maždaug parą palaikoma maždaug minus 190 laipsnių Celsijaus temperatūroje. Vėliau termiškai grūdinant metalinę dalį temperatūra pakyla iki maždaug 149 laipsnių Celsijaus. Tai padeda sumažinti trapumą, kuris gali atsirasti, kai kriogeninio apdorojimo metu susidaro martensitas.