ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΓENIKA Θερµική κατεργασία είναι σύνολο διεργασιών που περιλαµβάνει τη θέρµανση και ψύξη µεταλλικού προϊόντος σε στερεά κατάσταση και σε καθορισµένες θερµοκρασιακές και χρονικές συνθήκες. Σκοπός µιας θερµικής κατεργασίας είναι η πρόσδοση στο µεταλλικό υλικό δοµικής και εντατικής κατάστασης τέτοιας, που να οδηγεί στην εξασφάλιση συγκεκριµένων αναγκαίων και επιθυµητών ιδιοτήτων σ αυτό. Ταξινόµηση των θερµικών κατεργασιών Α. Ανάλογα µε την τροποποίηση των ιδιοτήτων του υλικού Προκαταρκτικές ή ενδιάµεσες, όταν τροποποιούνται οι τεχνολογικές ιδιότητες του υλικού που σχετίζονται µε την κατεργασιµότητά του. ευτερεύουσες ή τελικές, όταν τροποποιούνται οι λειτουργικές ιδιότητες του υλικού που σχετίζονται µε την χρηστικότητα του τελικού προϊόντος. Β. Ανάλογα τη σταθερότητα της προσδιδόµενης δοµής Κατεργασίες ανόπτησης, που οδηγούν σε σταθερές δοµές. Κατεργασίες σκλήρυνσης, που οδηγούν σε µετασταθείς δοµές (εκτός ισορροπίας). Βασικές διεργασίες θερµικής κατεργασίας Σε µια θερµική κατεργασία µπορεί να συναντηθούν οι ακόλουθες διεργασίες: Θέρµανση σε µια υψηλή θερµοκρασία για χρονικό διάστηµα αναγκαίο προς απόκτηση σταθερής δοµής. Ψύξη µέχρι τη θερµοκρασία περιβάλλοντος ή µέχρι µια ενδιάµεση θερµοκρασία µε βύθιση σε κάποιο λουτρό βαφής. Παραµονή σε ενδιάµεση θερµοκρασία για σχετικά ικανό χρονικό διάστηµα. Θερµικός κύκλος µιας θερµικής κατεργασίας είναι το διάγραµµα θερµοκρασίας (Τ) χρόνου (t) που αποτυπώνει/περιγράφει όλες τις χαρακτηριστικές διεργασίες αυτής. Στο Σχ. 1 παρουσιάζονται χαρακτηριστικοί τύποι θερµικών κύκλων που εφαρµόζονται στην πράξη. Παράµετροι θερµικής κατεργασίας: Στον Πίνακα 1 παρουσιάζονται οι παράµετροι των φάσεων µιας θερµικής κατεργασίας (θέρµανση, παραµονή, ψύξη). Πίνακας 1. Παράµετροι θερµικής κατεργασίας Θέρµανση Παραµονή Ψύξη Τ s ( o C): θερµοκρασία θέρµανσης t s (min ή h): διάρκεια θέρµανσης υ H = Τ/ t: ταχύτητα θέρµανσης Μέσο θέρµανσης (κλίβανοι ή λουτρά αλάτων) Χαρακτηριστικά τεµαχίου (Μέγεθος, σχήµα, πολυπλοκότητα µορφής, φυσική κατάσταση, πλήθος) t (min ή h): διάρκεια παρα- µονής Μέσο παραµονής (ταυτόσηµο µε το µέσο θέρ- µανσης) 1 t w (min ή h): διάρκεια ψύξης υ w = Τ/ t: ταχύτητα ψύξης Μέσο ψύξης (νερό, λάδι, αέρας, ειδικοί κλίβανοι απόψυξης) Χαρακτηριστικά τεµαχίου (Μέγεθος, σχήµα, πολυπλοκότητα µορφής, φυσική κατάσταση, πλήθος)
Σχ. 1 Χαρακτηριστικοί τύποι θερµικών κύκλων ΤAΞINOMHΣH Χαρακτηριστικές θερµοκρασίες σε µια θερµική κατεργασία (Σχ. 2) Τ ο : θερµοκρασία αντιστρεπτού µετασχηµατισµού µε αλλαγή φάσεων. Τ 1 : θερµοκρασία µέγιστης ταχύτητας µετασχηµατισµού. Τ 3 : θερµοκρασία ολοκλήρωσης του µετασχηµατισµού (ταχύτητα µετασχηµατισµού µηδενική). Επίσης, σε µια θερµική διαδικασία διακρίνουµε τις ακόλουθες θερµοκρασίες: Τ > Τ ο, στην οποία φέρεται το µέταλλο και παραµένει για αρκετό χρόνο, µέχρις ότου αποκτήσει σταθερή κατάσταση. Τ 2 : ενδιάµεση θερµοκρασία µεταξύ Τ 1 και Τ 3, όπου φέρεται το µέταλλο σε κάποια ενδιάµεση διεργασία. Σχ. 2 Χαρακτηριστικά είδη θερµικών κατεργασιών 1: βαφή, 2: κλιµακωτή βαφή, 3:επαναφορά, 4-5:ανόπτηση 2
Είδη θερµικών κατεργασιών (Σχ. 2) Ανάλογα µε τις διεργασίες που λαµβάνουν χώρα µεταξύ των θερµοκρασιών Τ και Τ 3, καθώς επίσης και την ταχύτητα θέρµανσης και ψύξης σε κάθε φάση, οι θερµικές κατεργασίες των µεταλλικών υλικών διακρίνονται στις εξής µεγάλες οµάδες (Σχ. 2): (α) Βαφή (β) Κλιµακωτή βαφή (γ) Επαναφορά (δ) Ανόπτηση ΒΑΦΗ Φάσεις: 1. Το κράµα φέρεται σε κατάσταση ισορροπίας στη θερµοκρασία Τ. 2. Ακολουθεί ταχύτατη απόψυξη του κράµατος µε εµβάπτιση σε λουτρό βαφής (αέρας, νερό, λάδι, τήγµατα µετάλλων), χαµηλής θερµοκρασίας Τ 3. Με τον τρόπο αυτό, το κράµα δεν προλαβαίνει να υποστεί αντιστρεπτό µετασχηµατισµό στην περιοχή γύρω από την θερµοκρασία Τ 1, και διατηρεί τελικά τη δοµή ισορροπίας που είχε στη θερµοκρασία Τ, αλλά σε µετασταθή κατάσταση. Τελικό αποτέλεσµα της βαφής είναι συνήθως αυξηµένη σκληρότητα και µειωµένη ολκιµότητα. ΚΛΙΜΑΚΩΤΗ ΒΑΦΗ Φάσεις: 1. Το κράµα φέρεται σε κατάσταση ισορροπίας στη θερµοκρασία Τ. 2. Ακολουθεί ταχύτατη απόψυξη του κράµατος σε ενδιάµεση θερµοκρασία Τ 2 (Τ 1,Τ 3 ). 3. Παραµονή του κράµατος σ αυτή τη θερµοκρασία για µικρό χρονικό διάστηµα. 4. Ολοκλήρωση της απόψυξης µέχρι τη θερµοκρασία Τ 3. Με την κλιµακωτή βαφή επιτυγχάνεται µερικός µετασχηµατισµός προς την κατάσταση ισορροπίας, που εξαρτάται από τον χρόνο παραµονής στην ενδιάµεση θερµοκρασία. Τελικό αποτέλεσµα είναι σχετικά µικρότερη σκληρότητα και µεγαλύτερη ολκιµότητα σε σύγκριση προς τη βαφή. ΕΠΑΝΑΦΟΡΑ Ακολουθεί πάντοτε µια κατεργασία βαφής. Συνεπώς, συνολικά οι φάσεις κατεργασίας συνίστανται σε: 1. Το κράµα φέρεται σε κατάσταση ισορροπίας στη θερµοκρασία Τ. 2. Ακολουθεί ταχύτατη απόψυξη του κράµατος σε θερµοκρασία Τ 3. 3. Αναθέρµανση του υλικού σε θερµοκρασία Τ 2 (Τ 1,Τ 3 ). 4. Παραµονή του κράµατος σ αυτή τη θερµοκρασία για ικανό χρονικό διάστηµα. 5. Ολοκλήρωση της απόψυξης µέχρι τη θερµοκρασία Τ 3 (αργή απόψυξη στον αέρα). Αποτέλεσµα της επαναφοράς είναι ο µερικός (αλλά σε ακόµη µεγαλύτερο βαθµό) µετασχηµατισµός του υλικού, µε συνέπεια τη δραστική µείωση της σκληρότητας και την αύξηση δυσθραυστότητας και ολκιµότητας. ΑΝΟΠΤΗΣΗ Μπορεί να λάβει χώρα κατά δύο τρόπους, βλ. 4 και 5 στο Σχ. 2, αντίστοιχα: (i) Μετά από βαφή και επαναφορά σε θερµοκρασία Τ 3. (ii) Απ ευθείας, εκκινώντας από τη σταθερή κατάσταση σε θερµοκρασία Τ. 3
Και στις δύο περιπτώσεις, η διαδικασία ανόπτησης ακολουθεί τις εξής φάσεις: 1. Το κράµα φέρεται στην περιοχή γρήγορου και αντιστρεπτού µετασχηµατισµού περί τη θερµοκρασία Τ 1. 2. Παραµονή στη θερµοκρασία Τ 1 για αρκετό χρονικό διάστηµα, έως ότου επιτευχθεί ο πλήρης µετασχηµατισµός. 3. Αργή απόψυξη σε θερµοκρασία Τ 3. Αποτέλεσµα της ανόπτησης είναι η απόκτηση από το υλικό της κατάστασης ισορροπίας του, σε φυσικοχηµικό επίπεδο και σε επίπεδο δοµής. Ανόπτηση και διαταραχές Με την ανόπτηση η συσσωρευµένη ενέργεια µέσα στο µέταλλο υπό τη µορφή µηχανικού έργου παραµόρφωσης (πλαστικό έργο) ελευθερώνεται, µε αποτέλεσµα την ελάττωση της πυκνότητας των διαταραχών και τη µετακίνησή τους σε σταθερότερες θέσεις. Τούτο επιτυγχάνεται µε τους εξής µηχανισµούς: 1. Μείωση των σηµειακών ατελειών µε µετανάστευση ή αµοιβαία εξουδετέρωσή τους. 2. Αλληλεξουδετέρωση των αντίθετων διαταραχών σε περιοχές πυκνές σε διαταραχές. 3. Επαναδιάταξη των διαταραχών (µε ολίσθηση ή άνοδό τους) σε πιο σταθερή κατάσταση. 4. Σάρωση και απορρόφηση των διαταραχών λόγω µετακίνησης των ορίων των κόκκων ή/και της µείωσης της συνολικής επιφάνειας των κόκκων που µπορεί να προκληθεί από τη µετακίνηση των ορίων τους. υνατές διεργασίες που λαµβάνουν χώρα κατά την ανόπτηση Οι διεργασίες που λαµβάνουν χώρα κατά την ανόπτηση εξαρτώνται από δύο παράγοντες: (α) Τη θερµοκρασία ανακρυστάλλωσης Τ R : Είναι η ελάχιστη θερµοκρασία, στην οποία το υλικό κατά την παραµονή του για ορισµένο χρόνο αλλάζει κρυσταλλική δοµή. (β) Τη µέση ενέργεια σφαλµάτων επιστοίβασης γ s. Μέταλλα µε µικρή γ s, οι διαταραχές δεν αναρριχώνται εύκολα και έτσι δεν παρατηρείται µεταβολή των µηχανικών ιδιοτήτων αν δεν µεταβληθεί η κρυσταλλική του δοµή, ενώ το αντίθετο συµβαίνει σε µέταλλα µε µεγάλη τιµή του γ s. Οι διεργασίες που λαµβάνουν χώρα µπορεί να είναι: 1. Αποκατάσταση. 2. Ανακρυστάλλωση. 3. Ανάπτυξη των κόκκων (µετά από ανακρυστάλλωση). Αποκατάσταση Είναι η επαναφορά στις αρχικές του τιµές ορισµένων ιδιοτήτων του υλικού, που είχαν µεταβληθεί λόγω προηγούµενης ψυχρής κατεργασίας (ενδοτράχυνση). Επιτελείται µε ανόπτηση σε θερµοκρασία µικρότερη από τη θερµοκρασία ανακρυστάλλωσης. εν παρατηρείται καµία µεταβολή της κρυσταλλικής δοµής του µετάλλου. Ο βαθµός αποκατάστασης σε δεδοµένη θερµοκρασία εξαρτάται από: (α) Τη διάρκεια παραµονής στη δεδοµένη θερµοκρασία. (β) Το βαθµό ενδοτράχυνσης (δηλ. την έκταση της πλαστικής παραµόρφωσης). (γ) Το αρχικό µέγεθος των κόκκων. Ο ρυθµός αποκατάστασης είναι ανάλογος της θερµοκρασίας ανόπτησης και αντιστρόφως ανάλογος του χρόνου ανόπτησης. 4
Ανακρυστάλλωση Πραγµατοποιείται σε θερµοκρασία µεγαλύτερη από τη θερµοκρασία ανακρυστάλλωσης. Χαρακτηρίζεται από ριζική αναγέννηση (ανάπλαση) των κόκκων που έχουν υποστεί ψυχρή πλαστική παραµόρφωση (ενδοτράχυνση) και από την ανάπτυξη νέου ιστού (υφής) κόκκων. Παρατηρείται σηµαντική µείωση της πυκνότητας των διαταραχών, επειδή απορροφώνται από τα όρια των κόκκων του νέου ιστού. Ο µηχανισµός της ανακρυστάλλωσης συνίσταται σε εµφάνιση νέων πυρήνων κρυστάλλωσης διαφορετικού προσανατολισµού, οι οποίοι αναπτύσσονται βαθµιαία και συναντώνται µεταξύ τους, έως ότου ολόκληρος ο αρχικός ιστός του πλαστικά παραµορφωµένου µετάλλου µετατραπεί σε νέο ιστό µε απαραµόρφωτους ισοαξονικούς κόκκους, που δεν έχουν κοινό προσανατολισµό, βλ. Σχ. 3. Σχ. 3 Στάδια εξέλιξης της ανακρυστάλλωσης: 1: αρχικός ιστός του πλαστικά παραµορφωµένου κρυστάλλου, 2: εµφάνιση πυρήνων κρυστάλλωσης, 3: νέος ιστός κόκκων µετά το πέρας της ανακρυστάλλωσης Νόµοι της ανακρυστάλλωσης 1. Η ανακρυστάλλωση λαµβάνει χώρα όταν έχει προηγηθεί µια ελάχιστη κρίσιµη (πλαστική) παραµόρφωση του υλικού. 2. Όσο µικρότερη είναι η πλαστική παραµόρφωση, τόσο µεγαλύτερη είναι η θερµοκρασία ανακρυστάλλωσης. 3. Για την ίδια παραµόρφωση, η θερµοκρασία ανακρυστάλλωσης είναι αντιστρόφως ανάλογη του χρόνου ανόπτησης. 4. Το µέγεθος των κόκκων στο τέλος της ανακρυστάλλωσης είναι αντιστρόφως ανάλογο του βαθµού ενδοτράχυνσης (δηλ. του ποσοστού πλαστικής παραµόρφωσης) και ανάλογο της θερµοκρασίας. 5. Για δεδοµένες θερµοκρασιακές και χρονικές συνθήκες, η κρίσιµη παραµόρφωση είναι ανάλογη του αρχικού µεγέθους των κόκκων του υλικού. 6. Η θερµοκρασία ανακρυστάλλωσης είναι αντιστρόφως ανάλογη της καθαρότητας του µετάλλου, διότι τα ξένα άτοµα βρίσκονται στα όρια των κόκκων, όπου αναµένεται κυρίως η εµφάνιση νέων πυρήνων, µε αποτέλεσµα να παρεµποδίζουν το σχηµατισµό τους. Στάδια της ανακρυστάλλωσης Ο µηχανισµός της ανακρυστάλλωσης περιλαµβάνει δύο διακεκριµένα στάδια, βλ. Σχ. 3: 1. Το στάδιο πυρηνοποίησης (δηλ. εµφάνισης νέων πυρήνων). 2. Το στάδιο ανάπτυξης των νέων πυρήνων. 5
Ανάπτυξη των κόκκων Ακολουθεί αυθόρµητα την ολοκλήρωση της ανακρυστάλλωσης, εφ όσον συνεχίζεται η ανόπτηση. Κινητήρια δύναµη είναι η επιφανειακή ενέργεια των ορίων των κόκκων, που τείνει προς τη συνολική της µείωση. Μηχανισµός (Σχ. 4) Στα τριπλά σηµεία επαφής των κόκκων, οι σύνδεσµοι έχουν την τάση σχηµατισµού ίδιας γωνίας ισορροπίας, δηλ. γωνία 120 ο. Τούτο προκαλεί καµπύλωση και επιµήκυνση των ορίων. Η επιφανειακή τάση, όµως, για να µειωθεί, απαιτεί µετακίνηση των τριπλών σηµείων προς το κέντρο καµπυλότητας, µε αποτέλεσµα την εξαφάνιση κόκκων µε λιγότερες από 6 πλευρές και την αύξηση του µεγέθους κόκκων µε περισσότερες από 6 πλευρές. Σχ. 4 Μηχανισµός ανάπτυξης των κόκκων: 1: κόκκος µε λιγότερες από 6 πλευρές, 2: καµπύλωση και επιµήκυνση των ορίων µε ταυτόχρονη µετακίνηση των τριπλών σηµείων προς τα µέσα, 3: κατάληξη στη ιδανική κατάσταση. Κανόνες της ανάπτυξης των κόκκων 1. Η επιτάχυνση των κόκκων επιταχύνεται µε αύξηση της θερµοκρασίας. 2. Η ανάπτυξη των κόκκων επιβραδύνεται σηµαντικά ή/και σταµατά τελείως λόγω της παρουσίας ακαθαρσιών ή κατακρηµνισµάτων σε διασπορά µέσα στο στερεό διάλυµα. 3. Η ανάπτυξη των κόκκων µπορεί να είναι συνεχής (σύµφωνα µε το µηχανισµό που περιγράφηκε ανωτέρω) ή ασυνεχής (λόγω διαταραχής του µηχανισµού ανακρυστάλλωσης). 6