Кіріспе

Бір нәрсені өзгерту үшін қыздыру процесі. Жылумен өңдеу (немесе жылулық өңдеу) – материалдың физикалық және кейде химиялық қасиеттерін өзгерту үшін қолданылатын өнеркәсіптік, жылулық және металл өңдеу процестерінің жиынтығы. Ең көп тараған қолданысы – металлургия саласында. Жылумен өңдеу шыны сияқты көптеген басқа материалдарды дайындауда қолданылады. Жылумен өңдеуге материалды қатайту немесе жұмсарту сияқты күтілетін нәтижеге жету үшін, әдетте, жоғары температурада қыздыру немесе салқындату кіреді. Жылумен өңдеу техникаларына оттырту, беттік қатайту, тұнбалау арқылы күшейту, темперлеу, карбонизациялау, нормализациялау және суыту жатады. Жылумен өңдеу термині қасиеттерді өзгерту мақсатында ғана жүргізілетін қыздыру және салқындату процестеріне ғана қатысты болғанымен, қыздыру және салқындату жиі ыстық пішімдеу немесе дәнекерлеу сияқты өндірістік процестер барысында кездейсоқ түрде жүзеге асырылады.

Физикалық процестер

Металл материалдар "дәнділер" немесе кристаллиттер деп аталатын шағын кристалдардың микроқұрылысынан тұрады. Дәндердің сипаты (яғни дәннің мөлшері мен құрамы) металдың жалпы механикалық қасиеттерін анықтайтын ең тиімді факторлардың бірі болып табылады. Жылумен өңдеу микроқұрылымдағы диффузия жылдамдығын және салқындату жылдамдығын бақылау арқылы металдың қасиеттерін өзгертудің тиімді тәсілін ұсынады. Жылумен өңдеу көбінесе металл қорытпасының механикалық қасиеттерін өзгерту үшін қолданылады, мысалы, қаттылық, беріктік, тұтқырлық, созылғыштық және серпімділік сияқты қасиеттерді басқарады. Жылумен өңдеу кезінде қорытпаның қасиеттерін өзгертетін екі механизм бар: мартенситтің түзілуі кристалдардың ішкі деформациясына әкеледі, ал диффузиялық механизм қорытпаның біртектілігінде өзгерістер тудырады. Кристалл құрылымы атомдардың өте нақты ретпен топтасқаннан тұрады, бұл рет тор деп аталады. Көптеген элементтерде бұл рет температура мен қысым сияқты жағдайларға байланысты өзгеріп отырады. Бұл өзгеріс аллотропия немесе полиморфизм деп аталады және ол белгілі бір металл үшін әртүрлі температурада бірнеше рет қайталанылуы мүмкін. Қорытпаларда бұл өзгеріс әдетте негізгі металға ерімейтін элементтің кенеттен ерігіш болуына, ал аллотропияның кері процесі элементтердің ішінара немесе толық ерімейтін болуына әкелуі мүмкін. Ерігіш күйде диффузия процесі еріген элемент атомдарын таратып, негізгі металдың кристалдарында біртекті таралуға қол жеткізуге тырысады. Егер қорытпа ерімейтін күйге дейін салқындатылса, еріген құрамдас бөліктердің атомдары (ерітінділер) ерітіндіден шығып кетуі мүмкін. Бұл типтегі диффузия, яғни шөгінді түзілу, ядролық түзілуге алып келеді, онда шығып келе жатқан атомдар дән шекарасында топтасады. Бұл әдетте екі немесе одан көп ерекше фазалардан тұратын микроқұрылымды құрайды. Мысалы, аустениттеу температурасынан жоғары қыздырылған (қызылдан қызғылт сарыға дейін немесе көміртегінің мөлшеріне байланысты шамамен) және содан кейін баяу салқындатылған болат, феррит пен цементит қабаттарының кезектесіп орналасқан ламинатталған құрылымын қалыптастырады, нәтижесінде жұмсақ перлит пайда болады. Болатты аустенит фазасына дейін қыздырып, суға сөндіргеннен кейін микроқұрылым мартензиттік фазаға өтеді. Бұл болаттың аустенит фазасынан мартензит фазасына ауысуына байланысты. Егер сөндіру процесі болатты жеткілікті түрде тез салқындатпаса, онда кейбір перлит немесе феррит қалуы мүмкін. Көптеген металдар мен металл емес материалдар тез салқындатылғанда (мұнай, полимер, су және т.б. сияқты сыртқы ортамен) мартензит трансформациясына ұшырайды. Металл өте тез салқындатылғанда, ерімейтін атомдар ерітіндіден уақытында шыға алмай қалуы мүмкін. Бұл "диффузиялық емес трансформация" деп аталады. Кристалл матрицасы төмен температуралық құрылымына ауысқанда, еріген заттың атомдары тордың ішінде тұтқынға түседі. Тұтқынға түскен атомдар кристалл матрицасының төмен температурадағы аллотропына толық өзгеруіне кедергі келтіреді, бұл тордың ішінде серпімді кернеулерді тудырады. Кейбір қорытпалар, мысалы болат, тез салқындатылғанда мартензит трансформациясы металды қатайтады, ал алюминий сияқты басқаларында қорытпа жұмсақ болады.

Құрамының әсері

Қоспа жүйесінің нақты құрамы жылулық өңдеу нәтижелеріне әдетте зор әсер етеді. Егер әрбір құрамдас бөліктің мөлшері дұрыс болса, қорытпа салқындағанда біртұтас, үздіксіз микроқұрылым түзеді. Мұндай қоспа эутектоидты деп аталады. Дегенмен, егер ерітілген заттардың мөлшері эутектоидты қоспадан өзгеше болса, әдетте екі немесе одан көп түрлі микроқұрылымдар бірдей қалыптасады. Гипоэутектоидты ерітіндіде эутектоидты қоспаға қарағанда ерітілген заттың мөлшері аз, ал гипереутектоидты ерітіндіде одан көп болады.

Эутектоидты қорытпалар

Эутектоидты (эутектілік сияқты) қорытпаның мінез-құлқы эутектілік қорытпаға ұқсас. Эутектілік қорытпа бір ғана балқу нүктесімен сипатталады. Бұл балқу температурасы кез келген құрамдас бөліктерінен төмен болады және қоспаның құрамын өзгертсе, балқу температурасын одан әрі төмендету мүмкін емес. Эутектілік қорытпа балқыған күйден салқындатылғанда, барлық құрамдас бөліктері бір температурада сәйкес фазаларға кристалданады. Эутектоидты қорытпа да осыған ұқсас, бірақ фазалық өзгеріс сұйық емес, қатты ерітіндіде жүзеге асады. Эутектоидты қорытпаны ерітінді температурасынан салқындатқанда, құрамдас бөліктері әртүрлі кристалдық фазаларға ажыратылып, біртұтас микроқұрылымды құрайды. Мысалы, эутектоидты болаттың құрамында 0,77% көміртек болады. Баяу салқындағанда, темір мен көміртек ерітіндісі (аустенит деп аталатын бір фаза) феррит және цементит фазаларының қабатты түйіршіктерге ажыратылады. Бұл перлит деп аталатын қабатты микроқұрылымды құрайды. Перлит темірден қатты болғандықтан, жұмсақтық деңгейі көбінесе перлитпен шектеледі. Сол сияқты, қатайту қабілеті де өте жылдам салқындату кезінде қалыптасатын үздіксіз мартенситті микроқұрылыммен шектеледі.

Гипоэутектоидты қорытпалар

Гипоэвтектикалық қорытманың екі бөлек балқу температурасы бар. Екеуі де жүйе үшін эвтектикалық балқу температурасынан жоғары, бірақ жүйені құрайтын кез келген компоненттің балқу температурасынан төмен. Осы екі балқу температурасы арасында қорытманың бір бөлігі қатты, бір бөлігі сұйық күйде болады. Жоғары балқыма температурасы бар компонент бірінші болып қатаяды. Толық қатып қалған кезде гипоэвтектикалық қорытма көбінесе қатты ерітінді түрінде болады. Сол сияқты, гипоэвтектоидтық қорытмада "тоқтаулар" деп аталатын екі маңызды температура бар. Осы екі температураның арасында қорытманың бір бөлігі ерітінді ретінде, ал екінші бөлігі "проэвтектоидтық фаза" деп аталатын жеке кристалдану фазасы ретінде болады. Бұл екі температура жоғарғы (A3) және төменгі (A1) түрлену температуралары деп аталады. Ерітінді жоғарғы түрлену температурасынан ерімейтін күйге дейін салқындағанда, артық негізгі металл көбінесе "кристалдануға" мәжбүр болады, нәтижесінде проэвтектоид пайда болады. Бұл, қалған еріген заттардың концентрациясы эвтектоид деңгейіне жеткенге дейін жалғасады, содан кейін ол жеке микроқұрылым ретінде кристалданады. Мысалы, гипоэвтектоидтық болаттың құрамында 0,77%-дан кем көміртек болады. Гипоэвтектоидтық болатты аустенит түрлену температурасынан салқындатқанда, проэвтектоидтық ферриттің кішкентай аралдары пайда болады. Олар өсуін жалғастырады және көміртек мөлшері азаяды, сонда болаттың қалған бөлігінде эвтектоидтық концентрацияға жетеді. Бұл эвтектоидты қоспа перлиттің микроқұрылымы ретінде кристалданады. Феррит перлитке қарағанда жұмсақ болғандықтан, екі микроқұрылымның бірігуі қорытманың пластикалық деформациялау қабілетін арттырады. Осының салдарынан, қорытманың қатаю қабілеті төмендейді.

Гиперутектоидты қорытпалар

Гиперевтектикалық қорытпаның да балқу температурасы әртүрлі болады. Дегенмен, осы температуралар арасында қатты болатын құрамдас бөлігінің балқу температурасы жоғарырақ болады. Сол сияқты, гиперевтектоидты қорытпаның да екі критикалық температурасы бар. Гиперевтектоидты қорытпаны жоғарғы трансформация температурасынан салқындатқанда, көбінесе артық еріген заттар бірінші болып кристалданып, проэвтектоидты құрайды. Бұл, қалған қорытпадағы концентрация эвтектоидқа жеткенше жалғасады, содан кейін ол жеке микроқұрылымға айналады. Гиперевтектоидты болаттың құрамында 0,77%-дан астам көміртек болады. Гиперевтектоидты болатты баяу салқындатқанда, цементит бірінші болып кристалдана бастайды. Қалған болат эвтектоидтық құрамға жеткенде, ол перлитке айналады. Цементит перлитке қарағанда қаттырақ болғандықтан, қорытпаның қатаю қабілеті жоғары, бірақ созылу қабілеті төмен. Кернеуді жеңілдету, қатайту және қартаюдан басқа, көптеген жылулық өңдеулер белгілі бір трансформация немесе тоқтау (А) температурасынан жоғары қорытпаны қыздырудан басталады. Бұл температура "тоқтау" деп аталады, себебі А температурасында металл гистерезис кезеңін бастан өткізеді. Осы кезде барлық жылу энергиясы кристалдық өзгеріске жұмсалады, сондықтан температура қысқа уақытқа (тоқтау) көтерілуін тоқтатады, содан кейін өзгеріс аяқталғаннан кейін көтерілуін жалғастырады. Сондықтан, қорытпаны трансформация үшін критикалық температурадан жоғары қыздыру қажет. Қорытпа әдетте осы температурада ұсталып, жылудың қорытпаға толық енуіне және толық қатты ерітіндіге айналуына жеткілікті уақыт беріледі. Мысалы, темірдің көміртегінің мазмұнына байланысты төрт критикалық температурасы бар. Таза темірдің альфа (бөлме температурасы) күйі А2 температурасында магниттік емес гамма темірге, ал А4 температурасында дәнекерлеуге болатын дельта темірге өзгереді. Дегенмен, көміртек қосылғанда, болатқа айналады, A2 температурасы A3 температурасына бөлінеді, ол аустенизациялау температурасы деп те аталады (барлық фазалар гамма темір мен көміртек ерітіндісі – аустенитке айналады) және оның A1 температурасы (аустенит салқындағанда перлитке айналады). Осы жоғарғы және төменгі температуралар арасында салқындату кезінде проэвтектоидтық фаза пайда болады. Ұсақ дән мөлшері әдетте механикалық қасиеттерді, мысалы, беріктік, қиылыс беріктігі және созылу беріктігі сияқты қасиеттерді жақсартатындықтан, бұл металдар көбінесе жоғарғы критикалық температурадан сәл жоғары температураға дейін қыздырылады, ерітінді дәншелерінің тым үлкен өсуін болдырмау үшін. Мысалы, болатты жоғарғы температурадан жоғары қыздырғанда, аустениттің ұсақ дәншелері пайда болады. Олар температураның жоғарылауымен өседі. Мартензит трансформациясы кезінде өте тез салқындатқанда, аустенит дәншелінің мөлшері тікелей мартензит дәншелінің мөлшеріне әсер етеді. Үлкен дәншелердің үлкен дәншелік шекаралары бар, олар құрылымның әлсіз жерлері болып табылады. Дәншелінің мөлшері, әдетте, сыну ықтималдығын азайту үшін бақыланады. Диффузиялық трансформация уақытқа өте тәуелді. Металды салқындату көбінесе жауын-шашынды әлдеқайда төмен температураға дейін басады. Мысалы, аустенит көбінесе тек жоғарғы критикалық температурадан жоғары ғана болады. Дегенмен, аустенитті жеткілікті жылдамдықпен салқындатса, трансформация төменгі критикалық температурадан жүздеген градусқа дейін басылуы мүмкін. Мұндай аустенит өте тұрақсыз және жеткілікті уақыт берілсе, феррит пен цементиттің әртүрлі микроқұрылымдарына айналады. Салқындату жылдамдығы дәншелердің өсу жылдамдығын бақылау үшін немесе тіпті ішінара мартензит микроқұрылымдарын жасау үшін пайдаланылуы мүмкін. Алайда, мартензит трансформациясы уақытқа тәуелсіз. Егер қорытпа басқа микроқұрылымдар толық қалыптаспас бұрын мартензит трансформациясы (Ms) температурасына дейін салқындатылса, трансформация көбінесе дыбыс жылдамдығынан сәл төмен жылдамдықпен жүзеге асады. Аустенитті салқындатқанда, бірақ мартензит басталу температурасы Ms-тан жоғары ұстағанда, мартензит трансформациясы болмау үшін аустенит дәншелінің мөлшері ядролану жылдамдығына әсер етеді, бірақ дәншелінің мөлшері мен микроқұрылымды температура мен салқындату жылдамдығы бақылайды. Аустенитті өте баяу салқындатқанда, ол цементиттің сфералық инклюзияларымен толтырылған үлкен феррит кристалдарын қалыптастырады. Бұл микроқұрылым "сфероидтық" деп аталады. Егер салқындату жылдам болса, онда ірі перлиттер пайда болады. Тағы да жылдамдатса, жақсы перлит пайда болады. Егер салқындату одан да жылдам болса, банит пайда болады, баниттің толық трансформациясы мартензит басталуы Ms жоғары ұсталу уақытына байланысты. Сол сияқты, осы микроқұрылымдар белгілі бір температураға дейін салқындатылып, содан кейін белгілі бір уақытқа ұсталып тұрса да пайда болады. Көптеген түсті металл қорытпалары да ерітінді жасау үшін қыздырылады. Көбінесе, олар мартензит трансформациясын жасау үшін өте тез салқындатылады, ерітіндіні қаныққан күйге келтіреді. Қорытпа, өте жұмсақ күйде болғандықтан, содан кейін суық өңдеуге түсіріледі. Бұл қорытпаның беріктігі мен қатаңдығын арттыратын жұмсартуға әкеледі. Сонымен қатар, пластикалық деформациядан туындаған ақаулар жауын-шашынды жылдамдатып, қорытпа үшін қалыптыдан асып түсетін қатаңдықты арттырады. Егер суық өңдеуге түсірілмесе де, осы қорытпалардағы еріген заттар көбінесе жауын шашып, бірақ бұл процеске көбірек уақыт қажет болуы мүмкін. Кейде осы металдар төменгі критикалық (A1) температурадан төмен температураға дейін қыздырылады, қайта кристалдануды болдырмау үшін, жауын-шашынды жылдамдату үшін.

Жылумен өңдеу түрлері

Металлургияшылар металл қорытпасының механикалық қасиеттерін оңтайландыру үшін күрделі жылумен өңдеу кестелерін немесе "циклдерді" жиі жасайды. Аэроғарыш өнеркәсібінде суперқосқыштар қажетті қасиеттерді дамыту үшін бес немесе одан да көп түрлі жылумен өңдеу операцияларынан өтуі мүмкін. Бұл, пештің температураны бақылау және таймерінің дәлдігіне байланысты, сапа мәселелеріне алып келуі мүмкін. Бұл операцияларды әдетте бірнеше негізгі техникаларға бөлуге болады.

Жарықтау

От жағу – металлдың белгілі бір температураға дейін қыздырылып, содан кейін құрамындағы элементтерді толық немесе ішінара бөліп, тазартылған микроқұрылымды қалыптастыратын жылдамдықпен салқындатылуынан тұрады. Салқындату жылдамдығы көбінесе баяу болады. От жағу металды суық өңдеуге жұмсарту, өңдеуді жақсарту немесе электр өткізгіштігі сияқты қасиеттерін арттыру үшін жиі қолданылады. Темір қорытпаларында от жағу әдетте металлдың жоғарғы критикалық температурадан жоғары қыздырылып, содан кейін өте баяу салқындатылуы арқылы жүзеге асырылады, нәтижесінде перлит түзіледі. Таза металдар мен жылумен өңделмейтін көптеген қорытпаларда суық өңдеуден туындаған қаттылықты жою үшін от жағу қолданылады. Металл қайта кристалдану процесі жүзеге асуы мүмкін температураға дейін қыздырылады, осылайша пластикалық деформациядан пайда болған кемшіліктерді жояды. Мұндай металдарда салқындату жылдамдығы көбінесе аз әсер етеді. Жылумен өңделетін темір емес қорытпаларының көпшілігі суық өңдеудің қаттылығын азайту үшін от жағады. Бұлар компоненттердің толық тұнбалануына және тазартылған микроқұрылымды алуға мүмкіндік беру үшін баяу салқындатылуы мүмкін. Темір қорытпалары көбінесе "толық отталған" немесе "процесспен отталған" болып келеді. Толық от жағу үшін өте баяу салқындату жылдамдығы қажет, осылайша ірі перлит түзіледі. Процесспен от жағуда салқындату жылдамдығы жоғары болуы мүмкін, тіпті нормализацияға дейін. Процесспен от жағудың басты мақсаты – біртекті микроқұрылымды жасау. Темір емес қорытпалары көбінесе әртүрлі от жағу техникаларына ұшырайды, оның ішінде "қайта кристалдану от жағу", "жартылай от жағу", "толық от жағу" және "соңғы от жағу" бар. Барлық от жағу техникалары да рекристаллизацияны қамтымайды, мысалы, кернеуді азайту.

Нормалдастыру

Нормалдау – қорытпаның құрамы мен дән мөлшерін (тең осты кристаллдар) біркелкі етуге қолданылатын техника. Бұл термин көбінесе аустениттелген және ашық ауада салқындатылған темір қорытпаларына қатысты қолданылады.

Қаптаманың қатаюы

Қаттылық беру – бұл термохимиялық диффузиялық процесс, онда легирлеуші элемент, көбінесе көміртек немесе азот, біртекті металдың бетіне таралады. Соның нәтижесінде пайда болатын интерстициалдық қатты ерітінді негізгі материалдан мықтырақ болады, бұл беріктікті төмендетпей, тозуға төзімділікті арттырады.

Көміртегіден тазарту

Кейде болатты қыздыру көміртегінің мөлшерін өзгерту әдісі ретінде қолданылады. Болат тотығу ортасында қыздырылғанда, оттегі темірмен қосылып темір оксиді қабатын жасайды, ол болатты көміртексізденуден қорғайды. Бірақ болат аустенитке айналғанда, оттегі темірмен қосылып шлак түзеді, ол көміртексізденуден қорғамайды. Шлак пен қабыршақтың пайда болуы көміртексізденуді күшейтеді, себебі темір оксиді көміртексіздену аймағындағы оттекті байланыста ұстап тұрады, тіпті болат оттегі жоқ ортаға, мысалы, ұстахананың көміріне ауысқаннан кейін де. Осылайша, көміртегі атомдары айналасындағы шлак пен қабыршақпен бірігіп, көміртек монооксиді мен көміртек диоксидін құрайды, олар ауаға таралады. Болаттың құрамында гамма темірде еркін қозғала алатын салыстырмалы түрде аз көміртегі болады. Аустениттелген болат ұзақ уақыт ауаға ұшыраса, болаттағы көміртегінің мөлшері азаяды. Бұл, болатты тотығу ортасында қыздырғанда болатын жағдайдың керісінше, онда көміртегі металға қарай баяу диффузияланады. Тотығу ортасында көміртегі тез сыртқа диффузиялана алады, сондықтан аустениттелген болат көміртексізденуге бейім. Бұл көбінесе құйма болат үшін қолданылады, онда құю үшін жоғары көміртегі қажет, бірақ дайын өнімде төмен көміртегі қажет. Ол сондай-ақ, "ақ темперлеу" деп аталатын процесте иілгіш шойынды алу үшін шойынды өңдеуде қолданылады. Бұл көміртексізденуге бейімділік көбінесе басқа операцияларда, мысалы, ұстаханада мәселе тудырады, онда болатты көміртексізденуді болдырмау үшін мүмкіндігінше қысқа уақытқа аустениттеуге тырысады.

Жылумен өңдеудің ерекшеліктері

Көбінесе жылулық өңдеу процесінің өзі емес, соңғы нәтиже талабы көрсетіледі.

Қаптаманың қатаюы

Қаптаманың қатаюы "қатаю" және "қаптама тереңдігі" арқылы сипатталады. Қаптама тереңдігі екі түрде берілуі мүмкін: жалпы қаптама тереңдігі немесе тиімді қаптама тереңдігі. Жалпы қаптама тереңдігі – қаптаманың нақты тереңдігі. Көптеген қорытпалар үшін тиімді қаптама тереңдігі – HRC50 қаттылығына тең келетін қаптама тереңдігі; алайда, кейбір қорытпалар тиімді қаптама тереңдігі үшін басқа қаттылықты (40-60 HRC) талап етеді, бұл Tukon микроқаттылық сынағышымен тексеріледі. Бұл мәнді жалпы қаптама тереңдігінің шамамен 65% деп жуықтауға болады, бірақ химиялық құрамы мен қатаю қабілеті бұл жуықтауға әсер етуі мүмкін. Егер қаптама тереңдігінің түрі көрсетілмесе, жалпы қаптама тереңдігі қолданылады. Қаттылықты көрсету кезінде диапазон немесе ең төменгі қаттылық көрсетілуі керек. Егер диапазон көрсетілсе, кемінде 5 бірлік болуы тиіс.

Топтық пештер

Батальдық жүйелер әдетте стальной қабығы бар жылу оқшауланған камерадан, жылыту жүйесінен және камераға кіруге арналған есіктен тұрады.

Сұйықтықпен жұмыс істейтін пештер

Сұйытылған төсек – жоғары температуралы қорытпадан жасалған, алюминий оксиді бөлшектері сияқты құммен толтырылған цилиндрлі ретортадан тұрады. Газ (ауа немесе азот) оксид арқылы көпіршіктеп өтеді, нәтижесінде құм сұйықтай қозғалып, сұйытылған қасиеттер көрсетеді. Оксид бөлшектерінің бір-бірімен тікелей жанасуы өте жоғары жылу өткізгіштігін қамтамасыз етеді және пештің ішінде температураның біркелкі таралуын қамтамасыз етеді, бұл тұзды ваннадағыдай температураға теңеседі.