Кіріспе

Материалдың қасиеттерін өзгертетін жылумен өңдеу. Металлургия және материалтану ғылымдарында оттау – материалдың физикалық және кейде химиялық қасиеттерін өзгертетін, оның пластикалық деформациялануын арттырып, қаттылығын азайтатын, оны өңдеуге қолайлы ететін жылумен өңдеу процесі. Бұл материалды қайта кристалдану температурасынан жоғары қыздыруды, белгілі бір температураны тиісті уақыт бойы сақтап тұруды және содан кейін салқындатуды қамтиды. Оттау кезінде атомдар кристалдық торда жылғалыста болады және дислокациялар саны төмендейді, нәтижесінде пластикалық деформациялану және қаттылық өзгеріске ұшырайды. Материал салқындағанда қайта кристалданады. Көміртекті болат сияқты көптеген қорытпалар үшін кристалл түйіршігінің мөлшері мен фазалық құрамы, материалдың қасиеттерін анықтайды, олар қыздыру және салқындату жылдамдықтарына байланысты. Оттау процесінен кейін ыстық немесе суық өңдеу металл құрылымын өзгертеді, сондықтан қажетті қасиеттерге қол жеткізу үшін қосымша жылумен өңдеу қажет болуы мүмкін. Материалдың құрамын және фазалық диаграммасын білген кезде, жылумен өңдеуді материалды қаттырақ және сынғыштан жұмсақ және пластикалыққа өзгерту үшін пайдалануға болады. Темір сияқты қара металдар үшін оттау материалды (әдетте, жарқырағанша) белгілі бір уақыт бойы қыздырудан және содан кейін оны ауада баяу салқындатудан тұрады. Мыс, күміс және латунь ауада баяу немесе суда жылдам салқындатылуы мүмкін. Осылайша металл жұмсатылып, пішілдеу, штамптау немесе қалыптау сияқты келесі өңдеу операцияларына дайындалады. Шыны және пластик пленкалар сияқты көптеген басқа материалдар дайын өнімнің қасиеттерін жақсарту үшін оттауды қолданады.

Термодинамика

Қызу қатты материал ішіндегі атомдардың диффузиясы арқылы жүреді, осылайша материал тепе-теңдік күйіне жақындайды. Жылу, байланыстарды бұзуға қажетті энергияны ұсынып, диффузия жылдамдығын арттырады. Атомдардың қозғалысы металдардағы және (аздау дәрежеде) керамикадағы дислокацияларды қайта бөлуге және жоюға ықпал етеді. Бұл дислокацияларға жасалған өзгеріс металл заттың оңай деформациялануына мүмкіндік береді, оның пластикалық қасиеттерін арттырады. Деформацияланған металда процесті бастайтын Гиббс еркін энергиясының мөлшері де қызу процесінде азаяды. Практикада және өнеркәсіпте Гиббс еркін энергиясының төмендеуі кернеуді жеңілдету деп аталады. Ішкі кернеулерді жеңілдету термодинамикалық тұрғыдан өздігінен жүретін процесс, бірақ бөлме температурасында ол өте баяу болады. Қызу процесіндегі жоғары температуралар осы процесті үдетуге көмектеседі. Суық өңделген металлдың кернеусіз күйіне оралуын қамтамасыз ететін реакцияның көптеген механизмдері бар, олардың көпшілігі металл денесіндегі кристалдық тордағы бос орындардың градиентін жоюға байланысты. Кристалдық тордағы бос орындардың пайда болуы Аррениус теңдеуімен, ал олардың қозғалысы/диффузиясы Фиктің диффузия заңдарымен реттеледі. Болатта декарбуризация механизмі үш ерекше оқиға ретінде сипатталуы мүмкін: болат бетіндегі реакция, көміртек атомдарының интерстициалдық диффузиясы және болат ішіндегі карбидтердің еруі.

Кезеңдер

Материалдың температурасы жоғарылаған сайын өтетін оттану процесінің үш кезеңі: қалпына келтіру, қайта кристалдану және дән өсуі. Бірінші кезең – қалпына келтіру, ол металдың жұмсаруына әкеледі, негізінен дислокациялар деп аталатын сызықтық ақауларды және олар тудыратын ішкі кернеулерді жою арқылы. Қалпына келтіру барлық оттану процестерінің төмен температуралық сатысында, жаңа, деформацияланбаған дән пайда болуына дейін жүреді. Дәннің мөлшері мен пішіні өзгермейді. Екінші кезең – қайта кристалдану, онда ішкі кернеулерден деформацияланған дәннің орнына жаңа, деформацияланбаған дән пайда болып өседі.

Бақыланатын атмосфералар

Жоғары қыздыру температурасы металдың бетін тотықтандырып, қалдық түзуге әкелуі мүмкін. Егер қалдық түзуді болдырмау қажет болса, қыздыру арнайы атмосферада жүргізіледі, мысалы, эндотермиялық газбен (көміртек оксиді, сутегі және азот газдарының қоспасы). Сондай-ақ, қыздыру сутегі мен азот қоспасынан тұратын түзету газында да жүргізіледі. Мю-металдың (Эспей өзектерінің) магниттік қасиеттері қорытпаны сутегі атмосферасында қыздыру арқылы қалыптастырылады.

Құрылғы мен жабдық

Көбінесе, қыздыру процесі үшін үлкен пештер қолданылады. Пештің ішкі кеңістігі жұмыс дайындамасын айналмалы қыздырылған ауаға максималды әсер ету үшін қоюға жеткілікті үлкен болады. Көп көлемді процестік қыздыру үшін көбінесе газбен жұмыс істейтін конвейерлік пештер пайдаланылады. Үлкен жұмыс дайындамалары немесе көп мөлшердегі бөлшектер үшін вагонеткалы пештер қолданылады, бұл жұмысшыларға бөлшектерді оңай тиеуге және түсіруге мүмкіндік береді. Қыздыру процесі сәтті аяқталғаннан кейін, кейде жұмыс дайындамаларын пеште қалдырып, бақыланатын түрде салқындатуға рұқсат етіледі. Кейбір жұмыс дайындамаларын бақырылған салқындату үшін пеште қалдырса, басқа материалдар мен қорытпалар пештен шығарылады. Пештен шығарылғаннан кейін, жұмыс дайындамалары көбінесе жылдам салқындатылады, бұл қатайту деп аталады. Материалдарды қатайтудың әдеттегі әдістеріне ауа, су, май немесе тұз сияқты орталар жатады. Тұз көбінесе тұзды су түрінде қатайту ортасы ретінде қолданылады. Тұзды су, қарағанда, суға қарағанда жылдам салқындатуды қамтамасыз етеді. Себебі, затты сумен қатайтқанда, оның бетінде бу көпіршіктері пайда болып, сумен жанасқан бетін азайтады. Тұзды судағы тұз заттың бетінде бу көпіршіктерінің пайда болуын азайтады, яғни заттың сумен жанасқан бетінің ауданы артады, бұл заттан айналағы суға жылуды жақсы өткізуге мүмкіндік береді. Қатайту әдетте кейбір темір қорытпаларына қолданылады, бірақ мыс қорытпаларына қолданылмайды.

Жартылай өткізгіштерді диффузиялық қыздыру

Жартылай өткізгіш өнеркәсібінде кремнийлі пластиналар иондық имплантация сияқты кезеңдерден туындаған атомдық деңгейдегі бұзылыстарды жою үшін қыздырылады. Осы процесте допант атомдары, әдетте бор, фосфор немесе мырыш, кристалл торындағы орнына кіретін жағдайларға өтеді, бұл допант атомдарының жартылай өткізгіш материалда допанттар ретінде тиімді жұмыс істеуіне мүмкіндік береді.

Нормалдастыру

Нормалдау – материалға біркелкі ұсақ түйіршікті құрылым беру және болаттың артық жұмсаруын болдырмау үшін темір қорытпаларына қолданылатын қайта кристалдандыру процесі. Ол болатты жоғарғы айқындау температурасынан 20–50 °C-қа дейін қыздыруды, оны қысқа мерзімге сол температурада ұстауды және содан кейін ауада салқындатуды қамтиды. Болатты жоғарғы айқындау температурасынан сәл жоғары қыздыру нәтижесінде аустениттік түйіршіктер (бұрынғы ферриттік түйіршіктерге қарағанда әлдеқайда кіші) пайда болады, олар салқындағанда одан да ұсақ ферриттік түйіршіктерді құрайды. Бұл процесс материалды мықтырақ, серпімдірек етеді және құю кезінде кейде пайда болатын бағаналы түйіршіктерді және дендриттік бөлінуді жояды. Нормалдау детальдің өңделу қабілетін жақсартады және одан әрі жылулық өңдеу процестеріне ұшыраған жағдайда өлшемдік тұрақтылықты қамтамасыз етеді.

Процесспен қыздыру

Процесспен қыздыру, сондай-ақ аралық қыздыру, сындық температурадан төмен қыздыру немесе өндіріс процесіндегі қыздыру деп те аталады, – бұл суық өңдеуден өткен өнімге серпімділіктің бір бөлігін қайтаруға арналған жылумен өңдеу циклі, осылайша оны сындырмай, одан әрі суық өңдеуге болады. Процесспен қыздыру температурасы материалдың құрамына байланысты 260 °C (500 °F) пен 760 °C (1400 °F) арасында өзгереді. Бұл процесс көбінесе төмен көміртекті болаттар үшін қолданылады. Материал стальдің төменгі сындық температурасынан сәл төмен температураға дейін қыздырылады. Суық өңделген болаттың қатысуы жоғары, ал серпімділігі төмен болады, бұл оны өңдеуді қиындатады. Процесспен қыздыру осы қасиеттерді жақсартуға көмектеседі. Бұл әдетте сымға тартылған болат, центрифугалық құю арқылы жасалған сопақ темір құбырлар және т.б. сияқты суық прокатталған болаттарға қолданылады.

Толық оттану

Толық оттау әдетте металл қорытпасы үшін металл алатын екінші ең икемді күйге әкеледі. Оның мақсаты – металдың фазалық диаграммасындағы тепе-теңдік микроқұрылысына ең жақын бірыңғай және тұрақты микроқұрылымды құру, соның арқасында металдың қаттылығы, ағымдағы беріктігі және соңғы беріктігі салыстырмалы түрде төмен деңгейге жетеді, ал пластикалық деформация және тұтқырлық жоғары болады. Мысалы, болатты толық оттау үшін болатты аустениттік температурадан сәл жоғары температураға дейін қыздырып, материалдың аустениттік немесе аустениттік-цементиттік дәнді құрылымын толық қалыптастыруға жеткілікті уақыт беріледі. Содан кейін материалдың өте баяу салқындауына рұқсат етіледі, осылайша тепе-теңдік микроқұрылымы қамтамасыз етіледі. Көп жағдайда бұл материалды пешпен салқындатуды (пеш өшіріліп, болаттың ішінде салқындауына рұқсат етіледі) білдіреді, бірақ кейбір жағдайларда ауамен салқындату да қолданылады. Болаттың салқындару жылдамдығы аустениттің баинитке немесе мартензитке айналуына жол бермейтіндей жеткілікті баяу болуы керек, керісінше, ол перлитке және ферритке немесе цементитке толығымен айналуы тиіс. Бұл өте қатайтылатын болаттар (яғни, салыстырмалы түрде төмен салқындату жылдамдықтарында мартензит түзуге бейім) пешпен салқындатылуы керек екенін білдіреді. Процестің егжей-тегжейі металдың түріне және нақты қорытпасына байланысты. Қандай жағдайда болса да, нәтижесінде материалдың икемділігі артады, бірақ ағымдағы және соңғы беріктігі төмендейді. Бұл процесс болат өнеркәсібінде ламелді перлит үшін LP оттауы деп те аталады, процестік оттаудан өзгеше, ол микроқұрылымды анықтамайды және тек материалды жұмсартуға бағытталған. Көбінесе өңдеуге арналған материал отталады, содан кейін қажетті қасиеттерге жету үшін одан әрі жылумен өңделеді.

Қысқа циклмен қыздыру

Қысқа циклды оттеу қалыпты ферритті икемді ферритке айналдыру үшін қолданылады. Ол 4-8 сағат бойы қыздыру, салқындату және қайта қыздырудан тұрады.

Қарсылықпен қыздыру

Қарсылықты қыздыруды мыс сымды тиімді қыздыру үшін пайдалануға болады; қыздыру жүйесі бақыланатын электрлік қысқа тұйықталуды қолданады. Бұл тиімді болуы мүмкін, себебі басқа қыздыру әдістері сияқты температураны реттейтін пеш қажет емес. Процесс екі өткізгіш шкивтен (басқышты шкивтерден) тұрады, сым тартылғаннан кейін олардың үстінен өтеді. Екі шкивтің арасында электрлік потенциал бар, ол сымның қысқа тұйықталуына себеп болады. Джоуль эффектісі сымның температурасын шамамен 400 °C-қа дейін көтереді. Бұл температура шкивтердің айналу жылдамдығына, қоршаған орта температурасына және қолданылатын кернеуге тәуелді. Мұнда t – сымның температурасы, K – тұрақты шама, V – қолданылатын кернеу, r – шкивтердің минутына айналу саны, ал ta – қоршаған ортаның температурасы. Тұрақты K шамасы шкивтердің диаметріне және мыстың қарсылығына байланысты. Таза мыс сымының температурасын ескеретінде, сымның шкив жүйесі арқылы жылдамдығының артуы, қарсылықтың төмендеуімен бірдей әсер етеді.