Τι συμβαίνει όταν τα μέταλλα υποβάλλονται σε θερμική επεξεργασία

Πριν οι εφευρέσεις των σύγχρονων τεχνικών μεταλλοτεχνίας εφευρέθηκαν, οι σιδεράδες χρησιμοποίησαν θερμότητα για να κάνουν το μέταλλο λειτουργικό. Μόλις το μέταλλο διαμορφωθεί στο επιθυμητό σχήμα, το ζεστό μέταλλο γρήγορα ψύχθηκε. Η γρήγορη ψύξη έκανε το μέταλλο σκληρότερο και λιγότερο εύθραυστο. Η σύγχρονη μεταλλουργία έχει γίνει πολύ πιο εξελιγμένη και ακριβής, επιτρέποντας τη χρήση διαφορετικών τεχνικών για διαφορετικούς σκοπούς.

Η υποβολή του μετάλλου σε υπερβολική θερμότητα προκαλεί την επέκτασή του επιπρόσθετα στην πρόσκρουση της δομής, της ηλεκτρικής αντίστασης και του μαγνητισμού. Η θερμική επέκταση είναι αρκετά αυτονόητη. Τα μέταλλα αναπτύσσονται όταν υπόκεινται σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες, οι οποίες ποικίλλουν ανάλογα με το μέταλλο. Η πραγματική δομή του μετάλλου επίσης αλλάζει με τη θερμότητα. Αναφέρεται ως αλλοτροπικό μετασχηματισμό φάσης, η θερμότητα συνήθως καθιστά τα μέταλλα μαλακά, πιο αδύναμα και πιο εύπλαστα. Η ολκιμότητα είναι η ικανότητα να τεντώσει το μέταλλο σε σύρμα ή κάτι παρόμοιο.

Η θερμότητα μπορεί επίσης να επηρεάσει την ηλεκτρική αντίσταση του μετάλλου. Όσο θερμότερο γίνεται το μέταλλο, τόσο περισσότερο τα ηλεκτρόνια διασκορπίζονται, προκαλώντας το μέταλλο να είναι πιο ανθεκτικό σε ηλεκτρικό ρεύμα. Τα μέταλλα που θερμαίνονται σε ορισμένες θερμοκρασίες μπορούν επίσης να χάσουν το μαγνητισμό τους. Με την αύξηση της θερμοκρασίας μεταξύ 626 βαθμών Φαρενάιτ και 2,012 βαθμών Φαρενάιτ, ανάλογα με το μέταλλο, ο μαγνητισμός θα εξαφανιστεί. Η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει αυτό σε ένα συγκεκριμένο μέταλλο είναι γνωστή ως η θερμοκρασία του Curie.

Η θερμική επεξεργασία είναι η διαδικασία θέρμανσης και ψύξης των μετάλλων για να αλλάξουν τη μικροδομή τους και να αναδείξουν τα φυσικά και μηχανικά χαρακτηριστικά που καθιστούν τα μέταλλα πιο επιθυμητά. Τα θερμοκρασιακά μέταλλα θερμαίνονται και ο ρυθμός ψύξης μετά από θερμική επεξεργασία μπορεί να αλλάξει σημαντικά τις ιδιότητες του μετάλλου.

Οι πιο συνηθισμένοι λόγοι για τους οποίους τα μέταλλα υφίστανται θερμική επεξεργασία είναι να βελτιώσουν τη δύναμή τους, τη σκληρότητα, την ανθεκτικότητα, την ολκιμότητα και την αντίσταση στη διάβρωση. Οι συνήθεις τεχνικές θερμικής επεξεργασίας περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

• Ανόπτηση είναι μια μορφή θερμικής επεξεργασίας που φέρνει ένα μέταλλο πιο κοντά στην κατάσταση ισορροπίας. Μαλακώνει το μέταλλο, καθιστώντας το πιο λειτουργικό και παρέχοντας μεγαλύτερη ολκιμότητα. Σε αυτή τη διαδικασία, το μέταλλο θερμαίνεται πάνω από την ανώτερη κρίσιμη θερμοκρασία του για να αλλάξει τη μικροδομή του. Μετά, το μέταλλο ψύχεται αργά.
• Λιγότερο ακριβά από την ανόπτηση, σβήνει είναι μια μέθοδος θερμικής επεξεργασίας που επιστρέφει γρήγορα το μέταλλο στη θερμοκρασία δωματίου αφού θερμανθεί πάνω από την ανώτερη κρίσιμη θερμοκρασία. Η διαδικασία σβέσης εμποδίζει τη διαδικασία ψύξης να μεταβάλει τη μικροδομή του μετάλλου. Η σβέση, η οποία μπορεί να γίνει με νερό, λάδι και άλλα μέσα, σκληραίνει χάλυβα στην ίδια θερμοκρασία που κάνει η πλήρης ανόπτηση.
• Σκλήρυνση καθίζησης είναι επίσης γνωστή ως σκλήρυνση λόγω ηλικίας. Δημιουργεί ομοιομορφία στη δομή ενός μεταλλικού κόκκου, καθιστώντας το υλικό ισχυρότερο. Η διαδικασία περιλαμβάνει τη θέρμανση της επεξεργασίας σε υψηλές θερμοκρασίες μετά από μια διαδικασία γρήγορης ψύξης. Η σκλήρυνση της καθίζησης συνήθως εκτελείται σε αδρανή ατμόσφαιρα σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται από 900 βαθμούς Fahrenheit έως 1.150 βαθμούς Fahrenheit. Μπορεί να πάρει οπουδήποτε από μια ώρα έως τέσσερις ώρες για να πραγματοποιήσει τη διαδικασία. Η διάρκεια του χρόνου εξαρτάται συνήθως από το πάχος του μετάλλου και παρόμοιους παράγοντες.
• Συνήθως χρησιμοποιούνται στη χαλυβουργία σήμερα, σκλήρυνση είναι μια θερμική επεξεργασία που χρησιμοποιείται για τη βελτίωση της σκληρότητας και της ανθεκτικότητας στον χάλυβα καθώς και για τη μείωση της ευθραυστότητας. Η διαδικασία δημιουργεί μια πιο όλκιμη και σταθερή δομή. Ο σκοπός της σκλήρυνσης είναι να επιτευχθεί ο καλύτερος συνδυασμός μηχανικών ιδιοτήτων στα μέταλλα.
• Απαλυνει το στρες είναι μια διαδικασία θερμικής επεξεργασίας που μειώνει την πίεση στα μέταλλα αφού έχουν σβήσει, χυθεί, εξομαλυνθεί και ούτω καθεξής. Το άγχος ανακουφίζεται από τη θέρμανση του μετάλλου σε θερμοκρασία χαμηλότερη από αυτή που απαιτείται για το μετασχηματισμό. Μετά από αυτή τη διαδικασία, το μέταλλο στη συνέχεια ψύχεται βραδέως.
• Κανονικοποίηση είναι μια μορφή θερμικής επεξεργασίας που εξαλείφει τις ακαθαρσίες και βελτιώνει τη δύναμη και τη σκληρότητα μεταβάλλοντας το μέγεθος του κόκκου ώστε να είναι πιο ομοιόμορφο σε όλο το μέταλλο. Αυτό επιτυγχάνεται με ψύξη του μετάλλου με αέρα αφού έχει θερμανθεί σε μια ακριβή θερμοκρασία.
• Όταν ένα μεταλλικό μέρος είναι κρυογονικά, ψύχεται βραδέως με υγρό άζωτο. Η αργή διαδικασία ψύξης βοηθά στην αποφυγή θερμικής καταπόνησης του μετάλλου. Στη συνέχεια, το μεταλλικό τμήμα διατηρείται σε θερμοκρασία περίπου 190 βαθμών Κελσίου για περίπου μία ημέρα. Όταν αργότερα θερμαίνεται θερμότητα, το μεταλλικό τμήμα υφίσταται αύξηση της θερμοκρασίας μέχρι περίπου 149 βαθμούς Κελσίου. Αυτό βοηθά στη μείωση της ευθραυστότητας που μπορεί να προκληθεί όταν σχηματίζεται μαρτενσίτης κατά τη διάρκεια της κρυογονικής θεραπείας.