Pirms modernu metālapstrādes metožu izgudrošanas kalēji izmantoja siltumu, lai metāls būtu apstrādājams. Kad metāls tika izveidots vēlamajā formā, karsēto metālu ātri atdzesēja. Ātrā dzesēšana padarīja metālu cietāku un mazāk trauslu. Mūsdienu metālapstrāde ir kļuvusi daudz sarežģītāka un precīzāka, ļaujot dažādiem paņēmieniem izmantot dažādus mērķus.
Siltuma ietekme uz metālu
Metāla pakļaušana ekstrēmam karstumam izraisa tā paplašināšanos, papildus ietekmējot tā struktūru, elektrisko pretestību un magnētismu. Termiskā izplešanās ir diezgan pašsaprotama. Metāli izplešas, ja tiek pakļauti noteiktai temperatūrai, kas mainās atkarībā no metāla. Siltumā mainās arī faktiskā metāla struktūra. Saukts par allotropās fāzes transformācija, siltums parasti padara metālus mīkstākus, vājākus un elastīgākus. Kaļamība ir spēja stiept metālu stieplē vai kaut kas līdzīgs.
Karstums var ietekmēt arī metāla elektrisko pretestību. Jo karstāks metāls kļūst, jo vairāk izkliedē elektroni, tādējādi metāls kļūst izturīgāks pret elektrisko strāvu. Arī metāli, kas uzsildīti līdz noteiktai temperatūrai, var zaudēt magnētismu. Paaugstinot temperatūru līdz 626 grādiem pēc Fārenheita līdz 2 012 grādiem pēc Fārenheita, atkarībā no metāla, magnētisms pazudīs. Temperatūru, kurā tas notiek konkrētā metālā, sauc par tā Curie temperatūru.
Termiskā apstrāde
Termiskā apstrāde ir metālu sildīšana un atdzesēšana, lai mainītu to mikrostruktūru un izceltu fizikālās un mehāniskās īpašības, kas padara metālus vēlamākus. Metālu temperatūra tiek sakarsēta līdz temperatūrai, un atdzesēšanas ātrums pēc termiskās apstrādes var ievērojami mainīt metāla īpašības.
Izplatītākie metālu termiskās apstrādes iemesli ir to stiprības, cietības, izturības, elastības un izturības pret koroziju uzlabošana. Izplatītākās termiskās apstrādes metodes ir šādas:
- Rūdīšana ir termiskās apstrādes veids, kas tuvina metālu tā līdzsvara stāvoklim. Tas mīkstina metālu, padarot to praktiskāku un nodrošinot lielāku elastību. Šajā procesā metāls tiek uzkarsēts virs tā augšējās kritiskās temperatūras, lai mainītu tā mikrostruktūru. Pēc tam metālu lēni atdzesē.
- Lētāk nekā rūdīšana, rūdīšana ir termiskās apstrādes metode, kas metālu ātri atgriež istabas temperatūrā pēc tam, kad tas ir uzkarsēts virs tā augšējās kritiskās temperatūras. Rīcināšanas process aptur dzesēšanas procesu no metāla mikrostruktūras izmaiņām. Rūdīšana, ko var veikt ar ūdeni, eļļu un citiem līdzekļiem, sacietē tēraudam tajā pašā temperatūrā, kāda tiek veikta pilnīgai atkvēlināšanai.
- Nokrišņu sacietēšana ir arī pazīstams kā vecuma sacietēšana. Tas rada metāla graudu struktūras vienveidību, padarot materiālu stiprāku. Šis process ietver šķīduma apstrādes sildīšanu augstā temperatūrā pēc ātras dzesēšanas procesa. Nokrišņu sacietēšana parasti tiek veikta inerta atmosfērā temperatūrā no 900 grādiem pēc Fārenheita līdz 1150 grādiem pēc Fārenheita. Procesa veikšana var ilgt no stundas līdz četrām stundām. Laika ilgums parasti ir atkarīgs no metāla biezuma un līdzīgiem faktoriem.
- Mūsdienās parasti tiek izmantots tērauda ražošanā, rūdīšana ir termiskā apstrāde, ko izmanto tērauda cietības un izturības uzlabošanai, kā arī trausluma samazināšanai. Process rada elastīgāku un stabilāku struktūru. Rūdīšanas mērķis ir panākt vislabāko metālu mehānisko īpašību kombināciju.
- Stresa mazināšana ir termiskās apstrādes process, kas samazina metālu stresu pēc tam, kad tie ir apdzēsti, lieti, normalizēti utt. Stresu mazina, sasildot metālu līdz temperatūrai, kas ir zemāka par pārveidošanai nepieciešamo. Pēc šī procesa metālu lēnām atdzesē.
- Normalizēšana ir termiskās apstrādes veids, kas novērš piemaisījumus un uzlabo izturību un cietību, mainot graudu lielumu, lai tas būtu vienmērīgāks visā metālā. To panāk, atdzesējot metālu pa gaisu pēc tam, kad tas ir uzkarsēts līdz noteiktai temperatūrai.
- Kad metāla detaļa ir kriogēni apstrādāts, to lēnām atdzesē ar šķidru slāpekli. Lēns dzesēšanas process palīdz novērst metāla termisko spriegumu. Pēc tam metāla daļu apmēram dienu uztur aptuveni mīnus 190 grādos pēc Celsija. Pēc tam, kad to vēlāk karsē, metāla detaļas temperatūra paaugstinās līdz aptuveni 149 grādiem pēc Celsija. Tas palīdz samazināt trausluma daudzumu, ko var izraisīt martensīta veidošanās kriogēnas apstrādes laikā.