Hvad er varmebehandling? Metoder og fordele

Varmebehandling er processen med opvarmning og afkøling af metaller ved hjælp af specifikke forudbestemte metoder for at opnå de ønskede egenskaber. Både jernholdige og ikke-jernholdige metaller gennemgår varmebehandling, før de tages i brug.

I løbet af tiden er der udviklet mange forskellige metoder. Selv i dag arbejder metallurgerne konstant på at forbedre resultaterne og omkostningseffektiviteten af disse processer.

Dertil udvikler de nye skemaer eller cyklusser for at producere en række forskellige kvaliteter. Hvert skema henviser til en anden hastighed for opvarmning, fastholdelse og afkøling af metallet.

Disse metoder kan, når de følges omhyggeligt, producere metaller af forskellige standarder med bemærkelsesværdigt specifikke fysiske og kemiske egenskaber.

Fordelene

Der er forskellige grunde til at udføre varmebehandling. Nogle procedurer gør metallet blødt, mens andre øger hårdheden. De kan også påvirke disse materialers elektriske og varmekonduktivitet.

Nogle varmebehandlingsmetoder afhjælper spændinger, der er fremkaldt ved tidligere koldbearbejdningsprocesser. Andre udvikler ønskelige kemiske egenskaber til metaller. Valget af den perfekte metode afhænger i virkeligheden af metaltypen og de ønskede egenskaber.

I nogle tilfælde kan en metaldel gennemgå flere varmebehandlingsprocedurer. For eksempel kan nogle superlegeringer, der anvendes i flyproduktionsindustrien, gennemgå op til seks forskellige varmebehandlingstrin for at optimere den til anvendelsen.

Varmebehandlingsprocessens trin

Varmebehandling er i enkle vendinger en proces, hvor man opvarmer metallet, holder det ved denne temperatur og derefter køler det ned igen. Under processen vil metaldelen undergå ændringer i sine mekaniske egenskaber. Det skyldes, at den høje temperatur ændrer metallets mikrostruktur. Og mikrostrukturen spiller en vigtig rolle for de mekaniske egenskaber ved et materiale.

Det endelige resultat afhænger af mange forskellige faktorer. Disse omfatter opvarmningstiden, den tid, hvor metaldelen holdes ved en bestemt temperatur, afkølingshastigheden, de omgivende forhold osv. Parametrene afhænger af varmebehandlingsmetoden, metaltypen og emnestørrelsen.

I løbet af denne proces vil metallets egenskaber ændre sig. Blandt disse egenskaber er elektrisk modstand, magnetisme, hårdhed, sejhed, duktilitet, sprødhed og korrosionsbestandighed.

Varmebehandling

Som vi allerede har været inde på, vil legeringers mikrostruktur ændre sig under varmebehandlingen. Opvarmningen sker i overensstemmelse med en foreskrevet termisk profil.

En legering kan eksistere i en af tre forskellige tilstande, når den opvarmes. Den kan enten være en mekanisk blanding, en fast opløsning eller en kombination af begge dele.

En mekanisk blanding er analog med en betonblanding, hvor cement binder sand og grus sammen. Sand og grus er stadig synlige som separate partikler. Med metallegeringer holdes den mekaniske blanding sammen af grundmetallet.

I en fast opløsning er alle komponenterne derimod blandet homogent i en fast opløsning. Det betyder, at de ikke kan identificeres individuelt, selv ikke i et mikroskop.

Hver tilstand medfører forskellige kvaliteter. Det er muligt at ændre tilstanden ved opvarmning i henhold til fasediagrammet. Afkølingen bestemmer dog det endelige resultat. Det er muligt for legeringen at ende i en af de tre tilstande, udelukkende afhængig af metoden.

Holding

Under holding, eller iblødsætningsfasen, holdes metallet ved den opnåede temperatur. Varigheden heraf afhænger af kravene.

For eksempel kræver kaskadehærdning kun strukturelle ændringer i metallets overflade for at øge overfladens hårdhed. Samtidig har andre metoder brug for ensartede egenskaber. I dette tilfælde er holdetiden længere.

Indblødningstiden afhænger også af materialetypen og emnestørrelsen. Større dele har brug for mere tid, når ensartede egenskaber er målet. Det tager bare længere tid for kernen i en stor del at nå den krævede temperatur.

Køling

Når udblødningsfasen er afsluttet, skal metallet afkøles på en foreskrevet måde. Også på dette stadium sker der strukturelle ændringer. En fast opløsning kan ved afkøling forblive den samme, blive en mekanisk blanding helt eller delvist, afhængigt af forskellige faktorer.

Differente medier som f.eks. saltvand, vand, olie eller tvungen luft styrer afkølingshastigheden. Rækkefølgen af de ovennævnte kølemedier er i faldende rækkefølge efter den effektive kølehastighed. Saltlage absorberer varmen hurtigst, mens luft er den langsomste.

Det er også muligt at anvende ovne i køleprocessen. Det kontrollerede miljø giver mulighed for høj præcision, når langsom afkøling er nødvendig.

Fasediagrammer

Hver metallegering har sit eget fasediagram. Som tidligere nævnt foregår varmebehandling i henhold til disse diagrammer. De viser de strukturelle ændringer, der finder sted ved forskellige temperaturer og forskellige kemiske sammensætninger.

Lad os bruge jern-kulstof-fasediagrammet som eksempel, da det er det mest kendte og det mest udbredte, der undervises i på universiteterne.

Jern-kulstof-fasediagrammet er et vigtigt værktøj, når man skal lære om forskellige kulstofståls adfærd, når de udsættes for varmebehandling. X-aksen viser kulstofindholdet i legeringen, og y-aksen viser temperaturen.

Bemærk, at 2,14% kulstof er grænsen for, hvornår stål bliver til støbejern,

Diagrammet viser forskellige områder, hvor metallet eksisterer i forskellige mikrotilstande som austenit, cementit, perlit. Disse regioner er markeret med grænserne A1, A2, A3 og Acm. Ved disse grænseflader sker der faseændringer, når temperaturen eller kulstofindholdsværdien passerer dem.

A1: Den øvre grænse for cementit/ferrit-fasen.

A2: Grænsen, hvor jern mister sin magnetisme. Den temperatur, hvor et metal mister sin magnetisme, kaldes også Curie-temperatur.

A3: Grænsefladen, der adskiller austenit + ferritfasen fra γ (Gamma)-austenitfasen.

Acm: Grænsefladen, der adskiller γ austenit fra austenit + cementit-feltet.

Fasediagrammet er et vigtigt redskab til at overveje, om varmebehandling vil være gavnlig eller ej. Hver struktur bringer visse kvaliteter med sig til det endelige produkt, og valget af varmebehandling foretages på baggrund heraf.

Fælles varmebehandlingsmetoder

Der er en hel del varmebehandlingsteknikker at vælge imellem. Hver af dem bringer visse kvaliteter med sig.

De mest almindelige varmebehandlingsmetoder omfatter:

• Glødning
• Normalisering
• Hærdning
• Hærdning
• Ænding
• Spændingsaflastning
• Temperering
• Karburering

Glødning

I forbindelse med glødning, opvarmes metallet over den øvre kritiske temperatur og afkøles derefter med langsom hastighed.

Glødning udføres for at blødgøre metallet. Det gør metallet mere egnet til koldbearbejdning og formning. Det forbedrer også metallets bearbejdelighed, duktilitet og sejhed.

Glødning er også nyttig til at afhjælpe spændinger i emnet, der er forårsaget af tidligere koldbearbejdningsprocesser. De tilstedeværende plastiske deformationer fjernes under rekrystallisering, når metaltemperaturen krydser den øvre kritiske temperatur.

Metaller kan gennemgå et væld af glødeteknikker som f.eks. rekrystalliseringsglødning, fuldglødning, delvis glødning og slutglødning.

Normalisering

Normalisering er en varmebehandlingsproces, der anvendes til at afhjælpe indre spændinger forårsaget af processer som svejsning, støbning eller nedkøling.

I denne proces opvarmes metallet til en temperatur, der ligger 40° C over dets øvre kritiske temperatur.

Denne temperatur er højere end den, der anvendes ved hærdning eller udglødning. Efter at have holdt det ved denne temperatur i et bestemt tidsrum afkøles det i luft. Normalisering skaber en ensartet kornstørrelse og sammensætning i hele emnet.

Normaliserede ståltyper er hårdere og stærkere end udglødet stål. Faktisk er stål i sin normaliserede form hårdere end i enhver anden tilstand. Derfor vil dele, der kræver slagstyrke eller skal bære massive eksterne belastninger, næsten altid være normaliserede.

Hærdning

Hærdning er den mest almindelige varmebehandlingsproces af alle og bruges til at øge hårdheden af et metal. I nogle tilfælde kan det kun være overfladen, der hærdes.

Et arbejdsstykke hærdes ved at opvarme det til den angivne temperatur og derefter afkøles hurtigt ved at nedsænke det i et kølemedium. Der kan anvendes olie, saltvand eller vand. Den resulterende del får øget hårdhed og styrke, men sprødheden øges også samtidig.

Casehærdning er en type hærdningsproces, hvor kun det ydre lag af arbejdsstykket hærdes. Den anvendte proces er den samme, men da et tyndt ydre lag udsættes for processen, har det resulterende arbejdsstykke et hårdt ydre lag, men en blødere kerne.

Dette er almindeligt for aksler. Et hårdt ydre lag beskytter det mod materialeslitage. Når et leje monteres på en aksel, kan det ellers beskadige overfladen og forskyde nogle partikler, som så fremskynder slidprocessen. En hærdet overflade giver beskyttelse mod dette, og kernen har stadig de nødvendige egenskaber til at håndtere træthedsspændinger.

Andre typer af hærdningsprocesser omfatter induktionshærdning, differentiel hærdning og flammehærdning. Flammehærdning kan dog resultere i en varmepåvirket zone, der opstår, når emnet er afkølet.

Ageing

Ageing eller udfældningshærdning er en varmebehandlingsmetode, der oftest anvendes til at øge flydespænding af formbare metaller. Processen producerer jævnt spredte partikler i et metals kornstruktur, som medfører ændringer i egenskaberne.

Udfældningshærdning kommer normalt efter en anden varmebehandlingsproces, der når højere temperaturer. Ved ældning hæves temperaturen derimod kun til et middelhøjt niveau og bringes hurtigt ned igen.

Somme materialer kan ældes naturligt (ved stuetemperatur), mens andre kun ældes kunstigt, dvs. ved forhøjede temperaturer. For naturligt aldrende materialer kan det være praktisk at opbevare dem ved lavere temperaturer.

Strømaflastning

Strømaflastning er især almindeligt for kedeldele, luftflasker, akkumulatorer osv. Ved denne metode bringes metallet til en temperatur lige under dets nedre kritiske grænse. Afkølingsprocessen er langsom og derfor ensartet.

Dette sker for at afhjælpe spændinger, der er opbygget i delene på grund af tidligere processer som f.eks. formning, bearbejdning, valsning eller opretning.

Temperering

Temperering er processen til reduktion af overskydende hårdhed og dermed skørhed, der er induceret under hærdningsprocessen. Interne spændinger afhjælpes også. Ved at gennemgå denne proces kan et metal gøres egnet til mange anvendelser, der kræver sådanne egenskaber.

Temperaturerne er normalt meget lavere end hærdningstemperaturerne. Jo højere temperatur der anvendes, jo blødere bliver det endelige arbejdsstykke. Afkølingshastigheden påvirker ikke metalstrukturen under hærdning, og normalt afkøles metallet i stillestående luft.

Karburering

I denne varmebehandlingsproces opvarmes metallet i nærvær af et andet materiale, der frigiver kulstof ved nedbrydning.

Det frigivne kulstof absorberes i metallets overflade. Kulstofindholdet i overfladen øges, hvilket gør den hårdere end den indre kerne.

Hvilke metaller er egnede til varmebehandling?

Og selv om jernmetaller udgør størstedelen af varmebehandlede materialer, kan legeringer af kobber, magnesium, aluminium, nikkel, messing og titan også varmebehandles.

Omkring 80 % af varmebehandlede metaller er forskellige stålkvaliteter. Jernmetaller, der kan varmebehandles, omfatter støbejern, rustfrit stål og forskellige kvaliteter af værktøjsstål.

Processer som hærdning, udglødning, normalisering, spændingsaflastning, kasserhærdning, nitridering og anløbning udføres generelt på jernmetaller.

Kobber og kobberlegeringer underkastes varmebehandlingsmetoder som udglødning, ældning og nedkøling.

Aluminium er velegnet til varmebehandlingsmetoder som udglødning, opløsningsvarmebehandling, naturlig og kunstig ældning. Varmebehandling af aluminium er en præcisionsproces. Processens omfang skal fastlægges, og den skal kontrolleres omhyggeligt på hvert trin for at opnå de ønskede egenskaber.

Det er naturligvis ikke alle materialer, der er egnede til de forskellige former for varmebehandling. Tilsvarende vil et enkelt materiale ikke nødvendigvis have gavn af hver enkelt metode. Derfor bør hvert materiale undersøges separat for at opnå det ønskede resultat. Udgangspunktet er at bruge fasediagrammer og tilgængelige oplysninger om den virkning, som de nævnte metoder har.