טיפול בחום מתכת הוא שיטת תהליך שבה מניחים חלק מתכת במדיום מסוים ומחומם לטמפרטורה מתאימה, ולאחר מכן נשמר בטמפרטורה זו למשך פרק זמן מסוים, ולאחר מכן מקורר במהירויות שונות.
טיפול בחום מתכת הוא אחד התהליכים החשובים בייצור מכני. בהשוואה לטכנולוגיות עיבוד אחרות, טיפול בחום בדרך כלל אינו משנה את הצורה וההרכב הכימי הכולל של חומר העבודה, אלא משנה את המיקרו-מבנה בתוך חומר העבודה או את ההרכב הכימי על פני השטח של חומר העבודה כדי לתת או לשפר את הביצועים של חומר העבודה. המאפיין שלו הוא לשפר את האיכות הפנימית של חומר העבודה, אשר בדרך כלל אינו גלוי לעין בלתי מזוינת.
על מנת לגרום לחומר המתכת להיות בעל התכונות המכניות, התכונות הפיזיקליות והתכונות הכימיות הנדרשות, בנוסף לבחירה הסבירה של חומרים ותהליכי יצירה שונים, תהליכי טיפול בחום הם לרוב הכרחיים. פלדה היא החומר הנפוץ ביותר בתעשיית המכונות. מבנה המיקרו של פלדה מורכב וניתן לשלוט בו על ידי טיפול בחום, ולכן טיפול החום בפלדה הוא התוכן העיקרי של טיפול בחום מתכת. בנוסף, אלומיניום, נחושת, מגנזיום, טיטניום וכו' וסגסוגותיהם יכולים גם לשנות את התכונות המכניות, הפיזיקליות והכימיות שלהם באמצעות טיפול בחום כדי לקבל ביצועים שונים.
בתהליך מתקופת האבן לתקופת הברונזה ותקופת הברזל, תפקידו של טיפול בחום הוכר בהדרגה על ידי אנשים. כבר ב770-222 לפני הספירה, הסינים גילו בפועל הייצור שתכונות הנחושת והברזל ישתנו עקב השפעת עיוות הטמפרטורה והלחץ. טיפול הריכוך של ברזל יצוק לבן הוא תהליך חשוב לייצור כלים חקלאיים.
במאה השישית לפני הספירה, אומצו בהדרגה נשק פלדה. על מנת לשפר את קשיות הפלדה, תהליך ההמרה פותח במהירות. לשתי חרבות ולבן שנחשפו ב-Yanxiadu, מחוז יי, במחוז הביי, סין, יש מרטנזיט במיקרו-מבנים שלהם, מה שמעיד על כך שהם כבויים.
עם התפתחות טכנולוגיית ההמרה, אנשים גילו בהדרגה את השפעת נוזלי הקירור על איכות ההמרה. פו יואן, איש שו בתקופת שלוש הממלכות, ייצר פעם 3,000 סכינים עבור Zhuge Liang בשיאגו, מחוז שאאנשי. אומרים שהוא שלח אנשים לצ'נגדו כדי להביא מים לכיבוי. זה מראה שסין הבחינה ביכולת הקירור של איכויות מים שונות בימי קדם, וגם שמה לב ליכולת הקירור של שמן ושתן. לחרב שנחשפה בקברו של המלך ג'ינג מג'ונגשאן בתקופת שושלת האן המערבית (206 לפני הספירה-24 לספירה) בסין יש תכולת פחמן של 0.15-0 .4% בליבה, בעוד שתכולת הפחמן על פני השטח היא יותר מ-0.6%, מה שמעיד על שימוש בטכנולוגיית הקרבוריזציה. אולם כסוד של "אומנות" אישית באותה תקופה, היא לא הייתה מוכנה לעבור הלאה, ולכן היא התפתחה לאט מאוד.
בשנת 1863, מטלולוגים וגיאולוגים בריטיים הראו שישה מבנים מטאלוגרפיים שונים של פלדה תחת מיקרוסקופ, והוכיחו שכאשר פלדה מחוממת ומקררת, המבנה הפנימי ישתנה, והשלב בטמפרטורה גבוהה בפלדה יהפוך לשלב קשה יותר כאשר הוא מתקרר במהירות. תיאוריית האלוטרופיה של הברזל שהוקמה על ידי אוסמונד הצרפתי ותרשים פאזות הברזל-פחמן שנוסח לראשונה על ידי אוסטין הבריטי הניחו את הבסיס התיאורטי לטכנולוגיית טיפול בחום מודרנית. במקביל, אנשים למדו גם את שיטות ההגנה של מתכות במהלך תהליך החימום של טיפול בחום מתכת כדי למנוע חמצון ושחרור מתכות במהלך החימום.
משנת 1850 עד 1880, הייתה שורה של פטנטים ליישום גזים שונים (כגון מימן, גז פחם, פחמן חד חמצני ועוד) לחימום מגן. מ-1889 עד 1890, האגם הבריטי השיג פטנטים לטיפול בחום בהיר של מתכות שונות.
מאז המאה ה-20, התפתחות פיזיקת המתכות וההשתלה והיישום של טכנולוגיות חדשות אחרות הפכו את תהליך הטיפול בחום במתכת למפותח יותר. התקדמות משמעותית הייתה היישום של תנורים סיבוביים לקרבור גז בייצור תעשייתי מ-1901 עד 1925; הופעתם של פוטנציומטרים של נקודת הטל בשנות ה-30 הפכה את פוטנציאל הפחמן של אטמוספרת התנור לשליטה, ומאוחר יותר נחקר השימוש במכשירי אינפרא אדום של פחמן דו חמצני, בדיקות חמצן וכו' לשליטה נוספת בפוטנציאל הפחמן של אטמוספרת התנור; בשנות ה-60, טכנולוגיית טיפול בחום השתמשה בתפקידם של שדות פלזמה לפיתוח תהליכי חנקת יונים וקרבוריזציה; היישום של טכנולוגיית לייזר וקרני אלקטרונים אפשר למתכות להשיג טיפול חום משטח חדש ושיטות טיפול בחום כימי.
2. תהליך טיפול בחום מתכת
תהליך הטיפול בחום כולל בדרך כלל שלושה תהליכים: חימום, בידוד וקירור, ולעיתים רק שני תהליכים: חימום וקירור. תהליכים אלו קשורים זה בזה ואינם ניתנים להפסקה.
חימום הוא אחד השלבים החשובים בטיפול בחום. ישנן שיטות חימום רבות לטיפול בחום מתכת. הקדומים שבהם השתמשו בפחם ובפחם כמקורות חום, ולאחר מכן נעשה שימוש בדלקים נוזליים וגז. השימוש בחשמל הופך את החימום לקל לשליטה וידידותי לסביבה. מקורות חום אלו יכולים לשמש לחימום ישיר, או בעקיפין באמצעות מלחים מותכים או מתכות, או אפילו חלקיקים צפים.
כאשר מתכת מחוממת, חומר העבודה נחשף לאוויר, ולעתים קרובות מתרחשים חמצון ושחרור (כלומר, תכולת הפחמן על פני חלקי הפלדה פוחתת), מה שמשפיע לרעה מאוד על תכונות פני השטח של החלקים לאחר חום יַחַס. לכן יש לחמם מתכות בדרך כלל באווירה מבוקרת או באווירת הגנה, במלחים מותכים ובוואקום, וניתן להגן ולחמם גם בשיטות ציפוי או אריזה.
טמפרטורת החימום היא אחד מפרמטרי התהליך החשובים של תהליך הטיפול בחום. הבחירה והבקרה של טמפרטורת החימום היא הנושא העיקרי כדי להבטיח את איכות הטיפול בחום. טמפרטורת החימום משתנה בהתאם לחומר המתכת המטופל ומטרת הטיפול בחום, אך בדרך כלל היא מחוממת מעל טמפרטורת שינוי הפאזה כדי לקבל את המבנה הנדרש. בנוסף, השינוי דורש פרק זמן מסוים. לכן, כאשר פני השטח של חומר העבודה המתכתי מגיעים לטמפרטורת החימום הנדרשת, יש לשמור אותו בטמפרטורה זו למשך פרק זמן מסוים כדי להפוך את הטמפרטורות הפנימיות והחיצוניות לעקביות ולהשלים את השינוי במבנה המיקרו. פרק זמן זה נקרא זמן ההחזקה. כאשר נעשה שימוש בחימום בצפיפות אנרגיה גבוהה ובטיפול בחום פני השטח, מהירות החימום מהירה ביותר, ובדרך כלל אין זמן החזקה או זמן ההחזקה קצר מאוד, בעוד שזמן ההחזקה של טיפול בחום כימי ארוך יותר.
קירור הוא גם שלב הכרחי בתהליך הטיפול בחום. שיטת הקירור משתנה בהתאם לתהליך, בעיקר כדי לשלוט על מהירות הקירור. בדרך כלל, לחישול יש את מהירות הקירור האיטית ביותר, לנרמול יש מהירות קירור מהירה יותר, ולכיבוי יש מהירות קירור מהירה עוד יותר. עם זאת, ישנן דרישות שונות עבור סוגים שונים של פלדה. לדוגמה, ניתן להקשיח פלדה מוקשה באוויר באותה מהירות קירור כמו נורמליזציה.
ניתן לחלק באופן גס את תהליכי טיפול בחום במתכת לטיפול בחום כולל, טיפול בחום משטח, טיפול בחום מקומי וטיפול בחום כימי. על פי אמצעי החימום השונים, טמפרטורת החימום ושיטות הקירור, ניתן לחלק כל קטגוריה מרכזית למספר תהליכי טיפול בחום שונים. אותה מתכת יכולה לקבל מבנים שונים ובכך בעלת תכונות שונות באמצעות תהליכי טיפול בחום שונים. פלדה היא המתכת הנפוצה ביותר בתעשייה, ומבנה המיקרו שלה הוא גם המורכב ביותר, ולכן ישנם סוגים רבים של תהליכי טיפול בחום פלדה.
טיפול בחום כולל הוא תהליך טיפול בחום מתכת המחמם את חומר העבודה בכללותו ולאחר מכן מקרר אותו בקצב מתאים כדי לשנות את התכונות המכניות הכוללות שלו. ישנם ארבעה תהליכים בסיסיים לטיפול בחום כולל של פלדה: חישול, נורמליזציה, כיבוי וחיסול.
חישול הוא לחמם את חומר העבודה לטמפרטורה מתאימה, להשתמש בזמני החזקה שונים בהתאם לחומר ולגודל חומר העבודה, ולאחר מכן לקרר אותו באיטיות. המטרה היא לגרום למבנה הפנימי של המתכת להגיע או להתקרב למצב של שיווי משקל, להשיג ביצועי תהליכים טובים וביצועי שימוש, או להכין את המבנה להמשך כיבוי. נורמליזציה היא לחמם את חומר העבודה לטמפרטורה מתאימה ולאחר מכן לקרר אותו באוויר. השפעת הנרמול דומה לחישול, אך המבנה המתקבל עדין יותר. הוא משמש לעתים קרובות לשיפור ביצועי החיתוך של החומר, ולעתים משמש כטיפול חום סופי עבור חלקים מסוימים עם דרישות נמוכות.
כיבוי הוא לחמם ולשמור על חום חומר העבודה, ולאחר מכן לקרר אותו במהירות במדיום מרווה כגון מים, שמן או מלחים אנאורגניים אחרים, תמיסות מימיות אורגניות וכו'. לאחר ההמרה, הפלדה הופכת קשה, אך גם שבירה. על מנת להפחית את שבירותם של חלקי פלדה, חלקי הפלדה הרווים נשמרים חמים לאורך זמן בטמפרטורה מתאימה מעל טמפרטורת החדר ומתחת ל-710 מעלות, ולאחר מכן מתקררים. תהליך זה נקרא מזג. חישול, נורמליזציה, כיבוי וחיסול הם "ארבע השריפות" בטיפול החום הכולל. ביניהם, מרווה ומזג קשורים קשר הדוק והם משמשים לעתים קרובות בשילוב. הם הכרחיים.
"ארבע השריפות" התפתחו לתהליכי טיפול בחום שונים עם טמפרטורות חימום ושיטות קירור שונות. על מנת לקבל חוזק וקשיחות מסויימים, תהליך השילוב של מרווה וטמפרור בטמפרטורות גבוהות נקרא מרווה וטמפרינג. לאחר שסגסוגות מסוימות נכבות ליצירת תמיסה מוצקה על-רוויה, הן נשמרות בטמפרטורת החדר או בטמפרטורה מתאימה מעט גבוהה יותר למשך זמן רב כדי לשפר את הקשיות, החוזק או התכונות החשמליות והמגנטיות של הסגסוגת. תהליך טיפול בחום כזה נקרא טיפול הזדקנות. השיטה לשילוב דפורמציה בעיבוד לחץ עם טיפול בחום בצורה יעילה וקרובה כדי לגרום לחומר להשיג שילוב טוב של חוזק וקשיחות נקראת טיפול בחום דפורמציה; טיפול בחום באווירת לחץ שלילי או ואקום נקרא טיפול בחום ואקום, אשר יכול לא רק למנוע מחמצון ושחרור מחומר העבודה, לשמור על פני השטח של חלק העבודה חלקים לאחר הטיפול, ולשפר את הביצועים של חלק העבודה, אלא גם להעביר את המסנן. לטיפול בחום כימי.
טיפול בחום על פני השטח הוא תהליך טיפול בחום מתכת המחמם רק את פני השטח של חומר העבודה כדי לשנות את התכונות המכניות של פני השטח שלו. על מנת לחמם רק את פני השטח של חומר העבודה מבלי שיועבר יותר מדי חום לתוך החלק הפנימי של חומר העבודה, מקור החום המשמש חייב להיות בעל צפיפות אנרגיה גבוהה, כלומר לתת כמות גדולה של אנרגיית חום ליחידת שטח של חומר העבודה כך שהמשטח או החלק המקומי של חומר העבודה יכולים להגיע לטמפרטורה גבוהה תוך זמן קצר או מיידי. השיטות העיקריות לטיפול בחום פני השטח הן טיפול בחום בלייזר, כיבוי להבה וטיפול בחום אינדוקציה. מקורות חום נפוצים כוללים להבות כמו אוקסיאצטילן או אוקסיפרופן, זרם מושרה, לייזר וקרן אלקטרונים.
טיפול בחום כימי הוא תהליך טיפול בחום מתכת המשנה את ההרכב הכימי, הארגון והתכונות של פני השטח של חומר העבודה. ההבדל בין טיפול בחום כימי לטיפול בחום משטח הוא שהאחרון משנה את ההרכב הכימי של פני השטח של חומר העבודה. טיפול בחום כימי הוא לחמם את חומר העבודה במדיום (גז, נוזל, מוצק) המכיל פחמן, חנקן או יסודות סגסוגת אחרים, ולחמם אותו לאורך זמן, כך שניתן יהיה לחדור אל פני השטח של חומר העבודה אלמנטים כגון פחמן, חנקן, בורון וכרום. לאחר חדירת האלמנטים, נדרשים לעתים תהליכי טיפול בחום אחרים כגון כיבוי וטמפרור. השיטות העיקריות לטיפול בחום כימי הן קרבוריזציה, ניטרידה, מתכת וחדירה מרוכבים.
טיפול בחום הוא אחד התהליכים החשובים בתהליך הייצור של חלקים מכניים וכלים ותבניות. באופן כללי, זה יכול להבטיח ולשפר את המאפיינים השונים של חומר העבודה, כגון עמידות בפני שחיקה ועמידות בפני קורוזיה. זה יכול גם לשפר את הארגון ואת מצב הלחץ של הריק כדי להקל על עיבודים קרים וחמים שונים.
לדוגמא, ניתן להשיג ברזל יצוק לבן על ידי חישול ארוך טווח כדי להשיג ברזל יצוק בר גמיש ולשפר את הפלסטיות; ניתן להשתמש בגלגלי שיניים עם תהליך טיפול בחום הנכון. חיי השירות יכולים להיות כפולים או ארוכים בעשרות מונים מאשר גלגלי שיניים שלא עברו טיפול בחום; בנוסף, לפלדת פחמן זולה יש כמה תכונות יקרות של פלדת סגסוגת על ידי חדירת אלמנטים מסגסוגת מסוימים, שיכולים להחליף פלדה עמידה בחום ופלדת אל חלד; כמעט כל הכלים והתבניות צריכים לעבור טיפול בחום לפני שניתן להשתמש בהם.
3. סיווג פלדה
פלדה היא סגסוגת עם ברזל ופחמן כמרכיבים העיקריים, ותכולת הפחמן שלה היא בדרך כלל פחות מ-2.11%. פלדה היא חומר מתכת חשוב ביותר בבנייה כלכלית. הפלדה מחולקת לשתי קטגוריות לפי ההרכב הכימי שלה: פלדת פחמן (בקיצור פלדת פחמן) ופלדת סגסוגת. פלדת פחמן היא סגסוגת המתקבלת על ידי התכת ברזל חזיר. בנוסף לברזל ולפחמן כמרכיביו העיקריים, הוא מכיל גם כמות קטנה של זיהומים כמו מנגן, סיליקון, גופרית וזרחן. לפלדת פחמן יש תכונות מכניות מסוימות, ביצועי תהליך טובים ומחיר נמוך. לכן, נעשה שימוש נרחב בפלדת פחמן. עם זאת, עם ההתפתחות המהירה של התעשייה המודרנית והמדע והטכנולוגיה, הביצועים של פלדת פחמן כבר לא יכולים לענות באופן מלא על הצרכים, ולכן אנשים פיתחו פלדות סגסוגת שונות. פלדת סגסוגת היא סגסוגת מרובת אלמנטים המתקבלת על ידי הוספת יסודות מסוימים (הנקראים יסודות סגסוגת) במכוון לפלדת פחמן. בהשוואה לפלדת פחמן, הביצועים של פלדת סגסוגת שופרו משמעותית, כך שהיישום שלה הופך יותר ויותר נרחב.
