Vad är värmebehandling? Metoder och fördelar

Värmebehandling är processen att värma och kyla metaller med hjälp av specifika förutbestämda metoder för att uppnå önskade egenskaper. Såväl järnhaltiga som icke-järnhaltiga metaller genomgår värmebehandling innan de tas i bruk.

Med tiden har många olika metoder utvecklats. Än idag arbetar metallurger ständigt för att förbättra resultaten och kostnadseffektiviteten i dessa processer.

För detta utvecklar de nya scheman eller cykler för att producera en mängd olika kvaliteter. Varje schema hänvisar till en annan hastighet för att värma, hålla och kyla metallen.

Dessa metoder kan, när de följs minutiöst, producera metaller av olika standarder med anmärkningsvärt specifika fysiska och kemiska egenskaper.

Fördelarna

Det finns olika anledningar till att utföra värmebehandling. Vissa förfaranden gör metallen mjuk medan andra ökar hårdheten. De kan också påverka dessa materials elektriska och värmeledningsförmåga.

Vissa värmebehandlingsmetoder lindrar spänningar som framkallats vid tidigare kallbearbetningsprocesser. Andra utvecklar önskvärda kemiska egenskaper till metaller. Att välja den perfekta metoden beror egentligen på metalltypen och de önskade egenskaperna.

I vissa fall kan en metalldel genomgå flera värmebehandlingsförfaranden. Till exempel kan vissa superlegeringar som används inom flygplanstillverkningsindustrin genomgå upp till sex olika värmebehandlingssteg för att optimera den för applikationen.

Värmebehandlingsprocessens steg

Enklare uttryckt är värmebehandling en process där metallen värms upp, hålls vid den temperaturen och sedan kyls ner igen. Under processen kommer metalldelen att genomgå förändringar i sina mekaniska egenskaper. Detta beror på att den höga temperaturen förändrar metallens mikrostruktur. Och mikrostrukturen spelar en viktig roll för de mekaniska egenskaperna hos ett material.

Det slutliga resultatet beror på många olika faktorer. Dessa inkluderar tiden för uppvärmning, tiden för att hålla metalldelen vid en viss temperatur, kylningshastigheten, omgivande förhållanden osv. Parametrarna beror på värmebehandlingsmetod, metalltyp och delens storlek.

Under loppet av denna process kommer metallens egenskaper att förändras. Bland dessa egenskaper finns elektrisk resistans, magnetism, hårdhet, seghet, duktilitet, sprödhet och korrosionsbeständighet.

Värmebehandling

Som vi redan har diskuterat kommer legeringarnas mikrostruktur att förändras under värmebehandlingen. Uppvärmningen sker enligt en föreskriven termisk profil.

En legering kan existera i ett av tre olika tillstånd vid upphettning. Den kan antingen vara en mekanisk blandning, en fast lösning eller en kombination av båda.

En mekanisk blandning är analog med en betongblandning där cement binder ihop sand och grus. Sand och grus är fortfarande synliga som separata partiklar. Med metalllegeringar hålls den mekaniska blandningen samman av basmetallen.

I en fast lösning däremot blandas alla komponenter homogent i en fast lösning. Detta innebär att de inte kan identifieras individuellt ens i ett mikroskop.

Varje tillstånd för med sig olika kvaliteter. Det är möjligt att ändra tillståndet genom uppvärmning enligt fasdiagrammet. Nedkylningen avgör dock det slutliga resultatet. Det är möjligt att legeringen hamnar i ett av de tre tillstånden, enbart beroende på metoden.

Holding

Under holding, eller blötläggningsfasen hålls metallen vid den uppnådda temperaturen. Varaktigheten av detta beror på kraven.

Till exempel krävs vid sätthärdning endast strukturella förändringar av metallens yta för att öka ytans hårdhet. Samtidigt kräver andra metoder enhetliga egenskaper. I det här fallet är hålltiden längre.

Den tid som krävs för blötläggning beror också på materialtyp och delstorlek. Större delar behöver längre tid när enhetliga egenskaper är målet. Det tar helt enkelt längre tid för kärnan i en stor del att nå den önskade temperaturen.

Kylning

När blötläggningsfasen är klar måste metallen kylas på ett föreskrivet sätt. Även i detta skede sker strukturella förändringar. En fast lösning vid kylning kan förbli densamma, bli en mekanisk blandning helt eller delvis, beroende på olika faktorer.

Olika medier som saltvatten, vatten, olja eller tvångsluft styr kylningshastigheten. Sekvensen av de kylmedier som nämns ovan är i fallande ordning med avseende på den effektiva kylningshastigheten. Saltlösning absorberar värme snabbast, medan luft är långsammast.

Det är också möjligt att använda ugnar i kylprocessen. Den kontrollerade miljön möjliggör hög precision när långsam kylning är nödvändig.

Fasdiagram

Varje metallegering har sitt eget fasdiagram. Som tidigare sagts sker värmebehandling enligt dessa diagram. De visar de strukturella förändringar som sker vid olika temperaturer och olika kemiska sammansättningar.

Låt oss använda fasdiagrammet järn-kol som exempel, eftersom det är det mest kända och det som lärs ut mest på universiteten.

Järn-kol-fasdiagrammet är ett viktigt verktyg när man ska lära sig hur olika kolstål beter sig när de utsätts för värmebehandling. X-axeln visar kolhalten i legeringen och y-axeln visar temperaturen.

Notera att 2,14 % kol är gränsen för när stål blir gjutjärn,

Diagrammet visar olika områden där metallen existerar i olika mikrotillstånd som austenit, cementit, pearlit. Dessa regioner markeras av gränserna A1, A2, A3 och Acm. Vid dessa gränsytor sker fasförändringar när temperaturen eller värdet av kolinnehållet passerar dem.

A1: Den övre gränsen för cementit/ferritfasen.

A2: Gränsen där järn förlorar sin magnetism. Den temperatur vid vilken en metall förlorar sin magnetism kallas också Curietemperatur.

A3: Gränssnittet som skiljer austenit + ferritfasen från γ (Gamma) austenitfasen.

Acm: Fasdiagrammet är ett viktigt verktyg för att överväga om värmebehandling kommer att vara fördelaktigt eller inte. Varje struktur för med sig vissa egenskaper till slutprodukten och valet av värmebehandling görs utifrån det.

Gemensamma värmebehandlingsmetoder

Det finns en hel del värmebehandlingstekniker att välja mellan. Var och en av dem för med sig vissa egenskaper.

De vanligaste värmebehandlingsmetoderna inkluderar:

• Glödgning
• Normalisering
• Härdning
• Åldring
• Stresslindring
• Stemperering
• Karburering

Glödgning

I glödgning, värms metallen upp över den övre kritiska temperaturen och kyls sedan av i långsam takt.

Glödgning utförs för att mjuka upp metallen. Den gör metallen mer lämplig för kallbearbetning och formning. Den förbättrar också metallens bearbetbarhet, duktilitet och seghet.

Glödgning är också användbar för att lindra spänningar i detaljen som orsakats på grund av tidigare kallbearbetningsprocesser. De plastiska deformationer som finns avlägsnas under omkristallisering när metallens temperatur passerar den övre kritiska temperaturen.

Metaller kan genomgå en uppsjö av glödgningstekniker, t.ex. omkristalliseringsglödgning, helglödgning, partiell glödgning och slutglödgning.

Normalisering

Normalisering är en värmebehandlingsprocess som används för att lindra inre spänningar som orsakats av processer som svetsning, gjutning eller avkylning.

I denna process värms metallen upp till en temperatur som är 40° C över dess övre kritiska temperatur.

Denna temperatur är högre än den som används vid härdning eller glödgning. Efter att ha hållit den vid denna temperatur under en bestämd tidsperiod kyls den i luft. Normalisering skapar en enhetlig kornstorlek och sammansättning i hela delen.

Normaliserat stål är hårdare och starkare än glödgat stål. I sin normaliserade form är stål faktiskt hårdare än i något annat tillstånd. Detta är anledningen till att delar som kräver slagstyrka eller måste bära massiva externa belastningar nästan alltid kommer att normaliseras.

Härdning

Den vanligaste värmebehandlingsprocessen av alla, härdning, används för att öka hårdheten hos en metall. I vissa fall kan endast ytan härdas.

Ett arbetsstycke härdas genom att det värms upp till den angivna temperaturen och sedan kyls snabbt genom att det sänks ner i ett kylmedium. Olja, saltvatten eller vatten kan användas. Den resulterande delen får ökad hårdhet och hållfasthet, men sprödheten ökar också samtidigt.

Casehärdning är en typ av härdningsprocess där endast det yttre skiktet av arbetsstycket härdas. Den process som används är densamma, men eftersom ett tunt yttre skikt utsätts för processen har det resulterande arbetsstycket ett hårt yttre skikt men en mjukare kärna.

Detta är vanligt för axlar. Ett hårt yttre skikt skyddar den mot materialslitage. När ett lager monteras på en axel kan det annars skada ytan och förskjuta vissa partiklar som sedan påskyndar slitageprocessen. En härdad yta ger skydd mot detta och kärnan har fortfarande de nödvändiga egenskaperna för att hantera utmattningsspänningar.

Andra typer av härdningsprocesser är bland annat induktionshärdning, differentiell härdning och flamhärdning. Flamhärdning kan dock resultera i en värmepåverkad zon som skapas när detaljen kyls.

Ageing

Ageing eller utfällningshärdning är en värmebehandlingsmetod som oftast används för att öka sträckgränsen hos formbara metaller. Processen producerar jämnt utspridda partiklar i en metalls kornstruktur som medför förändringar i egenskaperna.

Utfällningshärdning kommer vanligtvis efter en annan värmebehandlingsprocess som når högre temperaturer. Åldring höjer dock bara temperaturen till medelhöga nivåer och sänker den snabbt igen.

Vissa material kan åldras naturligt (vid rumstemperatur) medan andra bara åldras artificiellt, dvs. vid förhöjda temperaturer. För material som åldras naturligt kan det vara lämpligt att förvara dem vid lägre temperaturer.

Stressavlastning

Stressavlastning är särskilt vanligt för panndelar, luftflaskor, ackumulatorer osv. Denna metod tar metallen till en temperatur strax under dess nedre kritiska gräns. Nedkylningsprocessen är långsam och därför jämn.

Detta görs för att lindra spänningar som har byggts upp i delarna på grund av tidigare processer, t.ex. formning, maskinbearbetning, valsning eller riktning.

Temperering

Temperering är processen för att reducera överskottshårdhet, och därmed sprödhet, som inducerats under härdningsprocessen. Interna spänningar lindras också. Att genomgå denna process kan göra en metall lämplig för många tillämpningar som kräver sådana egenskaper.

Temperaturerna är vanligtvis mycket lägre än härdningstemperaturerna. Ju högre temperatur som används, desto mjukare blir det slutliga arbetsstycket. Nedkylningshastigheten påverkar inte metallstrukturen under härdning och vanligtvis kyls metallen i stillastående luft.

Karburering

I denna värmebehandlingsprocess upphettas metallen i närvaro av ett annat material som frigör kol vid nedbrytning.

Det frigjorda kolet absorberas i metallens yta. Kolinnehållet i ytan ökar, vilket gör den hårdare än den inre kärnan.

Vilka metaller lämpar sig för värmebehandling?

Och även om järnmetaller står för majoriteten av värmebehandlade material kan även legeringar av koppar, magnesium, aluminium, nickel, mässing och titan värmebehandlas.

Omkring 80 % av de värmebehandlade metallerna är olika kvaliteter av stål. Järnmetaller som kan värmebehandlas är bland annat gjutjärn, rostfritt stål och olika kvaliteter av verktygsstål.

Processer som härdning, glödgning, normalisering, spänningsavlastning, sätthärdning, nitrering och anlöpning utförs i allmänhet på järnmetaller.

Koppar och kopparlegeringar utsätts för värmebehandlingsmetoder som glödgning, åldrande och släckning.

Aluminium lämpar sig för värmebehandlingsmetoder som glödgning, lösningsvärmebehandling, naturlig och artificiell åldrande. Värmebehandling av aluminium är en precisionsprocess. Processens omfattning måste fastställas och den bör kontrolleras noggrant i varje steg för att uppnå önskade egenskaper.

Ejdenstås att inte alla material är lämpliga för formerna av värmebehandling. På samma sätt kommer ett enskilt material inte nödvändigtvis att gynnas av varje metod. Därför bör varje material studeras separat för att uppnå önskat resultat. Att använda fasdiagrammen och tillgänglig information om vilken effekt de ovan nämnda metoderna har är utgångspunkten.