התארגנות זו, המכונה אלוטרופיה או פולימורפיזם, יכולה להתרחש מספר פעמים, בטמפרטורות שונות עבור מתכת בודדת. בסגסוגות, התארגנות זו עלולה לגרום ליסוד שבאופן רגיל הינו לא מסיס במתכת הבסיס להפוך להיות מסיס בתנאים מסויימים, כאשר שינוי של התנאים יכול להביא להפסקת מסיסותו של היסוד באופן חלקי או מוחלט.
בתנאי בהם היסוד מסיס, תהליך של דיפוזיה גורם לאטומים של היסוד המומס להתפזר באופן הומוגני בתוך הגבישים של מתכת הבסיס. אם הסגסוגת מקוררת למצב בו היסוד מפסיק להיות מסיס, אטומי היסוד עשויים לנדוד החוצה מהתמיסה. סוג זה של דיפוזיה, שנקרא פרסיפיטציה (precipitation), מוביל להתגרענות, כאשר קבוצת האטומים של היסוד נודדת ומצטברת בגבולות הגרעינים. תהליך זה יוצר מיקרומבנה המורכב בדרך כלל משתיים או יותר פאזות ברורות. פלדה המקוררת לאט, לדוגמה, יוצרת מבנה למינרי המורכב לסירוגין משכבות של פריט וצמנטיט (cementite), הנקרא פריט. לאחר חימום הפלדה ליצירת פאזת אוסטניט (austenite) הומוגנית ואז קירור מהיר במים, המיקרומבנה יהיה פאזה מרטנזיטית (martensitic). זאת בשל העובדה כי הפלדה תשתנה מפאזה אוסטניטית לפאזה מרטנזיטית לאחר הקירור המהיר. יש לציין כי חלק מהחומר יעבור למבנה פרליטי או פאזה פריטית במקרים בהם קירור הפלדה לא היה מהיר מספיק.
בניגוד לסגסוגות ברזליות, רוב סגסוגות המתכת לא עוברות טרנספורמציה מרטנזיטית. בסגסוגות אלה, ההתגרענות בגבולות הגרעין יכולה להביא לחיזוק המיקרומבנה הקריסטלי. מתכות אלה עוברות הקשחה על ידי חיזוק מתבדלים. זהו תהליך איטי, בדרך כלל, התלוי בטמפרטורה, ומכונה בדרך כלל "זיקון".
מתכות רבות עוברות טרנספורמציה מרטנזיטית בקירור מהיר (במדיה כגון שמן, פולימר, מים וכו'). כאשר המתכת מקוררת מהר מאוד, האטומים הלא מסיסים לא יוכלו לדפז מהפאזה הבסיסית בזמן. תהליך זה נקרא "diffusionless transformation". כאשר המבנה הקריסטלי משתנה לפאזה המתאימה לטמפרטורה הנמוכה שלו, האטומים המומסים יכולים להלכד בתוך הסריג הגבישי. האטומים הלכודים עשויים למנוע את המעבר הקריסטלי המלא לפאזה המתאימה לטמפרטורה הנמוכה, וליצור מאמצים פנימיים בתוך הסריג. בחלק מהסגסוגות, כגון בפלדה, הטרנספורמציה המרטנזיטית מקשה את המתכת, ואילו באחרות, כמו באלומיניום, הסגסוגת הופכת לרכה יותר.
כללי
טיפולים תרמיים היא קבוצה של תהליכים תעשייתיים המשמשים לשינוי של התכונות הפיזיות ולפעמים הכימיות של החומר. טיפולים תרמיים כרוכים בחימום או קירור, בדרך כלל לטמפרטורות קיצוניות, של החומר במטרה להשיג את התוצאה הרצויה כגון התקשות או ריכוך של החומר. טכניקות טיפולים תרמיים כוללות ריכוך, הקשיית פני שטח, חיסום, הרפיה, נרמול וזיקון. ראוי לציין כי בעוד שהכוונה בטיפולים התרמיים הינה רק לתהליכים שבהם החימום והקירור נעשים לצורך הספציפי של שינוי תכונות החומר בכוונה, חימום וקירור לעתים קרובות מתרחשים במהלך תהליכי ייצור אחרים כגון חישול או ריתוך.
התהליך פיזיקלי
חומר מתכתי מורכב מגבישים קטנים בשם "גרעינים" או "קריסטלינים". תכונות הגרעינים (כגון, גודל גרעין והרכב) הן אחד הגורמים היעילים ביותר שמאפשרים לקבוע את ההתנהגות המכאנית הכוללת של המתכת. טיפול תרמי הינה דרך יעילה לשינוי של תכונות המתכת על ידי שליטה על קצב הדיפוזיה והקירור של המיקרומבנה. הטיפול התרמי משמש לעתים קרובות כדי לשנות את התכונות המכניות של סגסוגת מתכת, כגון רמת קשיות, חוזק, קשיחות, משיכות, ואלסטיות.
ישנם שני מנגנונים שעשויים לשנות התכונות של סגסוגת מתכת במהלך טיפול תרמי: ההיווצרות של מרטנזיט גורמת לגבישים לעוות פנימי, ומנגנון הדיפוזיה גורם לשינוי ההומוגניות של הסגסוגת.
המבנה הגבישי מורכב מאטומים המקובצים בסדר מאוד ספציפי הנקרא סריג. ברוב היסודות, סדר זה יארגן את עצמו מחדש, בהתאם לשינוי בתנאים כגון טמפרטורה ולחץ.
טיפולים תרמיים
יש לך עוד שאלות?
ניתן לפנות אלינו בכל שאלה בתחום מטלורגיה, בדיקות, חומרים וחקרי כשל בטלפון:
052-5912775
או במייל:
info@metallabs.co.il
בנוסף, ניתן לפנות אלינו בכל שאלה:
יש ערך נוסף שאתה מעוניין בו או שאתה רוצה להוסיף ערך נוסף?
פנה אלינו בטלפון:
052-5912775
או במייל:
info@metallabs.co.il
בנוסף, ניתן לפנות אלינו בכל בקשה:
השפעת ההרכב הכימי
להרכב הספציפי של הסגסוגת תהיה, בדרך כלל, השפעה גדולה על תוצאות הטיפול התרמי. עבור אחוז מסגסגים ספציפי ומדוייק, לסגסוגת יווצר מיקרומבנה אחיד ובודד בתהליך הקירור. תערובת כזאת של מסגסגים נקראת אוטקטית (eutectoid). עם זאת, אם האחוז של המומסים משתנה מסגסוגת אוטקטוקידית, שניים או יותר מיקרומבנים שונים ייוצרו, בדרך כלל, בו זמנית. סגסוגת היפואוטקטית (hypoeutectoid) מכילה פחות מסגסגים מהסגסוגת האוטקטית, בעוד שפאזה היפראוטקטית (hypereutectoid) מכילה יותר מסגסגים.
סגסוגות אוטקטיות (eutectic)
סגסוגות אוטקטיות מאופיינות על ידי נקודת התכה אחת. נקודת התכה זו נמוכה יותר מזו של כל מרכיבי הסגסוגת, ולא קיים שינוי בכמות המסגסגים שיוריד את נקודת ההתכה עוד יותר. כאשר סגסוגת אוטקטית מקוררת מהתכה, כל המרכיבי הסגסוגת יתגבשו לפאזות שלהם באותה הטמפרטורה.
סגסוגות היפואוטקטיות (Hypoeutectoid)
לסגסוגת היפואוטקטיות יש שתי נקודות היתוך נפרדות. שתיהן מעל נקודת ההתכה האוטקטית, אבל מתחת נקודות ההיתוך של כל מרכיבי הסגסוגת. בין שתי נקודות ההיתוך, חלק מהסגסוגת תתקיים כמוצק וחלק כנוזל. מרכיב הסגסוגת עם נקודת ההתכה הנמוכה ביותר יהיה הראשון שיתגבש. בסיום ההתגבשות, סגסוגת היפואוטקטית תהיה לרוב תמיסה מוצקה.
באופן דומה, לסגסוגות היפואוטקטיות יש שתי טמפרטורות קריטיות. בין שתי טמפרטורות אלה, הסגסוגת תכיל תמיסה ופאזה קריסטלינית נפרדת, הנקראת "פאזה פרואוטקטית". שתי הטמפרטורות האלה נקראות נקודת טרנספורמציה עליונה (A3) ותחתונה (A1). כאשר התמיסה מתקררת מטמפרטורת הטרנספורמציה העליונה כלפי מצב אי-מסיסות, מתכת הבסיס העודפת לעתים קרובות תיאלץ להתגבש בנפרד ולהפוך לפאזה הפרואוטקית. התהליך יתרחש עד שהריכוז הנותר של המומסים מגיע לרמה האוטקטית, אשר תוכל להתגבש כמיקרומבנה נפרד.
לדוגמה, פלדה היפואוטקטית מכילה פחות מ 0.77% פחמן. בקירור פלדת היפואוטקטית מטמפרטורת האוסטיניזציה, איים קטנים של פריט פרואוטקטי יתהוו. אלה ימשיכו לגדול בעוד אחוז הפחמן באוסטניט ימשיך לרדת עד הריכוז האוטקטי של 0.77%. תערובת אוטקטית זו תמשיך להתגבש כמיקרומבנה של פרליט. מכיוון שפריט הינה פאזה רכה יותר מפרליט, שילוב של שני המיקרומבנים מאפשר להגדיל את המשיכות של הסגסוגת. וכתוצאה מכך, להקטין את רמת הקשיות של הסגסוגת.
סגסוגות היפראוטקטית (Hypereutectoid)
גם לסגסוגת היפראוטקטית יש שתי נקודות היתוך. עם זאת, בין נקודות אלה, המרכיב עם נקודת ההתכה הגבוהה יותר יהיה בפאזה מוצקה. באופן דומה, לסגסוגת היפראוטקטית יש שתי טמפרטורות קריטיות. במהלך קירור של סגסוגת היפראוטקטית מטמפרטורת הטרנספורמציה העליונה, המרכיב המומס בעודף יתחיל להתגבש החוצה מהפאזה הראשית, ויצור פאזה פרואוטקטית. התהליך יימשך עד שריכוז מרכיבי הסגסוגת הנותרים יתאים לפאזה האוטקטית, אשר לאחר מכן תתגבש לכדי מיקרומבנה נפרד.
לדוגמה, פלדה היפראוטקטית מכילה יותר מ 0.77% פחמן. בקירור איטי של פלדה היפראוטקטית, צמנטיט יתחיל להתגבש ראשון. כשהפלדה הנותרת תגיע להרכב אוטקטי של 0.77% פחמן, פרליט יתחיל להתגבש. מכיוון שצמנטיט הוא הרבה יותר קשה מפרליט, הסגסוגת תהייה קשה יותר במחיר של משיכות נמוכה יותר.
השפעת טמפרטורה וזמן
טיפול תרמי תקין מחייב שליטה מדויקת בטמפרטורה, בזמן ההחזקה בטמפרטורה ובקצב הקירור.
למעט בשחרור מאמצים, הרפיה, וזיקון, רוב הטיפולים תרמיים מתחילים בחימום הסגסוגת אל מעבר לטמפרטורת הטרנספורמציה העליונה (A3). בטמפרטורה זו המתכת חווה היסטרזה (hysteresis), כאשר כל אנרגית החום משמשת לשינוי הקריסטל, כך שהטמפרטורה מפסיקה לעלות לזמן קצר ולאחר מכן ממשיכה לטפס לאחר שהשינוי הושלם. לכן, הסגסוגת חייבת להיות מחוממת מעל לטמפרטורה הקריטית כדי שהטרנספורמציה תתרחש במלואה. בדרך כלל הסגסוגת תוחזק בטמפרטורה זו מספיק זמן בשביל לאפשר לחום לחדור לתוך הסגסוגת לחלוטין, ובכך להביא אותה לכדי פאזה מוצקה אחידה.
מכיוון שגודל גרעין קטן בדרך כלל משפר תכונות מכאניות, כגון קשיחות, חוזק גזירה וחוזק מתיחה, לרוב המתכת תחומם לטמפרטורה שהיא בדיוק מעל הטמפרטורה הקריטית העליונה, כדי למנוע מגרעיני המתכת מלגדול יותר מדי. למשל, כאשר פלדה מחוממת מעל הטמפרטורה הקריטית העליונה, נוצרים גרעינים קטנים של פאזה אוסטניטית. הגרעינים גדלים ככול שהטמפרטורה עולה. בקירור מהיר מאוד, במהלך טרנספורמציה מרטנזיטית,גודל גרעיני האוסטניט משפיעיםבאופן ישיר על גודל גרעיני המרטנזיט. לגרעינים גדולים יש גבולות גרעינים גדולים, המשמשים נקודות חולשה במבנה. גודל הגרעין בדרך כלל נשמר כדי להקטין את ההסתברות של שבר.
הטרנספורמציה הדיפוזיונית הינה מאוד תלוית זמן. קירור מהיר של מתכת בדרך כלל יעקב את ההתבדלות של הפאזה היציבה לטמפרטורה נמוכה בהרבה. אוסטניט, למשל, בדרך כלל קיים רק מעל הטמפרטורה הקריטית העליונה. עם זאת, אם אוסטני מקורר מספיק מהר, השינוי עשוי להיות מעוקב במאות מעלות מתחת לטמפרטורה הקריטית הנמוכה. אוסטניט כזה הוא מאוד לא יציב, ולאחר מספיק זמן, ייתחיל להתבדל למיקרומבנים שונים של פרית וצמנטיט. ניתן לשלוט על קצב הקירור על מנת לשלוט על קצב גידול הגרעינים או אפילו על מנת ליצור פאזה מרטנזיטית חלקית או מלאה. עם זאת, שינוי מרטנזיטי הוא לא תלוי זמן. אם הסגסוגת מקוררת למתחת טמפרטורת הטרנספורמציה המרטנזיטית (MS) לפני שמיקרומבנים אחרים יכולים להיווצר באופן מלא, הטרנספורמציה המרטנזיטית בדרך כלל תתרחש במהירות של ממש מתחת למהירות הקול.
כאשר אוסטניט מקורר בקצב איטי מספיק כך ששינוי מרטנזיטי אינו מתרחש, לגודל גרעין האוסטניט תיהיה השפעה על גודל הגרעין הסופי, אבל לטמפרטורה וקצב הקירור תהייה בדרך כלל השפעה גדולה יותר. כאשר אוסטניט מקורר בקצב איטי מאוד, זה יווצרו גבישי פריט גדולים עם אינקלוזיות פנימיות של כדורי צמנטיט. מיקרומבנה זה מכונה ספרואידי (phereoidite). אם האוסטניט מקורר מאט יותר מהר, יווצר מיקרומבנה של פרליט גס. אם הוא יקורר אפילו יותר מהר, יווצר פרליט עדין. ואם הוא יקורר אפילו מהר יותר מכך, יווצר מיקרומבנה באיניטי (bainite). מיקרומבנים אלו יווצרו באופן דומה גם אם האוסטניט יקורר מהר לטמפרטורה מסוימת ולאחר מכן יוחזק שם למשך פרק זמן מסוים.
רוב הסגסוגות האל-ברזליות גם עוברות חימום במטרה ליצור פאזה אחידה. ברוב הסגסוגות השלב הבא הינו קירורי מהיר מאוד במטרה ליצור טרנספורמציה מרטנזיטית, כלומר ליצור פאזה רווית יתר. במצב זה הסגסוגת הרבה יותר רכה ויכולה לעבור עיבוד בקור. עיבוד בקור זה מגדיל את החוזק והקשיות של הסגסוגת. כמו כן הפגמים אשר נגרמים כתוצאה מהדפורמציה הפלסטית נוטים להאיץ התבדלות מתבדלים, דבר אשר אשוי להגדיל את הקשיחות מעבר לקשיחות הסטנדרטית של הסגסוגת. גם ללא עיבוד בקור, האלמנטים המומסים בסגסוגות אלה יעברו התבדלות, למרות שהתהליך עשוי להימשך זמן רב. במקרים רבים מחוממים את הסגסוגת לטמפרטורה הנמוכה מהטמפרטורה הקריטית הנמוכה (A1), כדי למנוע רקריסטליזציה, על מנת להאיץ את קצב התבדלות המתבדלים.
טיפולים תרמיים מקובלים
ניתן להפריד את הטיפולים התרמיים השונים למספר סוגים. במקרים רבים, במטרה לקבל את התכונות הרצויות יש לבצע מספר טיפולים תרמיים שונים.
סוגי הטיפולים התרמיים העיקריים הם:
שחרור מאמצים (Stress relieving)
ריכוך (Annealing)
ריכוך הוא מונח די כללי. ריכוך מורכב מחימום מתכת עד לטמפרטורה מסוימת ולאחר מכן קירור בקצב שיאפשר ייצור מיקרומבנה מעודן, על ידי הפרדה מלאה או חלקית של הפאזות השונות. קצב הקירור הינו איטי בדרך כלל. ריכוך משמש לרוב כדי לרכך מתכת לפני עיבוד בקור, כדי לשפר את יכולת העיבוד (machinability) שלה, או כדי לשפר תכונות כמו מוליכות חשמלית.
בסגסוגות ברזליות, ריכוך בדרך כלל מושג על ידי חימום המתכת מעבר לטמפרטורה הקריטית העליונה ולאחר מכן קירור איטי מאוד, וכתוצאה מכך ההיווצרות של מיקרומבנה פרליטי. במתכות טהורות ובסגסוגות רבות אשר לא מגיבות לטיפולים תרמיים אחרים, ריכוך משמש להסרת הקשיות הנגרמת על ידי עיבוד בקור. המתכת מחוממת לטמפרטורה שבה רקריסטליזציה יכול להתרחש, ובכך מתוקנים הפגמים אשר נגרמו על ידי הדפורמציה הפלסטית. במתכות אלה, לקצב הקירור בדרך כלל תהיה השפעה קטנה. רוב המתכות האל-ברזליות והסגסוגות שלהן העוברות טיפולים תרמיים עוברות תחילה ריכוך על מנת להוריד את הקשיות שנגרמה מהעיבוד בקור. סגסוגות אלה עשוייות להיות מקוררות לאט בכדי לאפשר התבדלות מלאה של האלמנטים המומסים בהן ולייצר מיקרומבנה מעודן.
בסגסוגות ברזליות עושים לרוב הפרדה בין "ריכוך מלא" ל-"ריכוך בתהליך":
ריכוך מלא- דורש קצבי קירור איטיים מאוד, על מנת ליצור פאזת פרליט גס.
ריכוך בתהליך- דורש קצבי קירור מהירים יותר, עד, וכולל נרמול. המטרה העיקרית של ריכוך בתהליך היא לייצר מיקרומבנה אחיד ולהקטין מאמצים פנימיים.
נירמול (Normalizing)
נורמליזציה היא טכניקה המשמשת כדי לספק אחידות בגודל גרעין והרכב כימי בכל נפח הסגסוגת. המונח משמש לעתים קרובות עבור סגסוגות ברזליות אשר עברו אוסטניזציה ולאחר מכן קוררו באוויר הפתוח. נרמול לא רק מייצר מיקרומבנה פרליטי, אלא גם מרטנזיטי ולפעמים באיניטי, אשר נותן פלדה קשה וחזקה, אך עם משיכות פחות טובה, עבור אותו הרכב, בהשוואה לריכוך מלא.
שחרור מאמצים (Stress relieving)
שחרור מאמצים הוא תהליך שמטרתו להסיר או לצמצם את הלחצים הפנימיים שנוצרו במתכת. מאמצים אלה עלולים להיגרם במספר הדרכים, החל מעבוד בקור ועד קירור לא אחיד.שחרור מאמצים בדרך כלל מושג על ידי חימום המתכת לטמפרטורה הנמוכה מהטמפרטורה הקריטית הנמוכה ולאחר מכן קירור אחיד.
זיקון (Aging)
ישנן סגסוגות המסווגות כסגסוגות הקשיית מתבדלים (precipitation hardening). כאשר סגסוגת הקשיית מתבדלים עוברת חיסום, המסגסגים שלה נלכדים בתמיסה, וכתוצאה מכך תתקבל מתכת רכה ונוחה לעיבוד. זיקון המתכת במצב זה יאפשר למסגסגים לדפז החוצה מהמיקרומבנה וליצור חלקיקים אינטרמטאלים (intermetallic particles). חלקיקים אלו יעברו נוקלאציה ויתבדלו מהפאזה הראשית כמתבדלים קשיחים, ובכך יגדילו את החוזק של הסגסוגת. סגסוגות יכולות להזדקן "באופן טבעי", כלומר, שההתבדלות נוצרת בטמפרטורת החדר, או שהם עשויים להזדקן "באופן מלאכותי" כאשר המתבדלים יווצרו רק בטמפרטורות גבוהות. ביישומים מסוימים, ניתן לאחסן סגסוגות הזדקנות טבעית במקפיא כדי למנוע את ההקשיה עד לאחר ביצוע פעולות נוספות - הרכבה של מסמרות, למשל, עשויה להיות קלה יותר כאשר החומר רך.
דוגמאות של סגסוגות הקשיית מתבדלים כוללות סגסוגות אלומיניום מסדרות 2000, 6000, ו-7000, כמו גם כמה סגסוגות עילאיות וכמה פלדות אל-חלד.
חיסום (Quenching)
חיסום הוא תהליך של קירור מתכת בקצב מהיר. הדבר נעשה בדרך כלל כדי ליצור טרנספורמציה מרטנזיטית. בסגסוגות ברזליות, חיסום יכול לעתים קרובות לייצר מתכת קשה יותר, בעוד שסגסוגות אל-ברזליות בדרך כלל תהפוכנה לרכות מרגיל.
כדי להקשות על ידי חיסום, מתכת (בדרך כלל פלדה או ברזל יציקה) חייבת להיות מחוממת מעל הטמפרטורה הקריטית העליונה ואז להתקרר במהירות. כתלות בסגסוגת ובשיקולים אחרים (כגון היחס בין קשיות מקסימלית לסידוק ועיוותים), הקירור עשוי להיעשות בלחץ אוויר או גזים אחרים, (כגון חנקן), או בנוזלים, בשל המוליכות התרמית הטובה יותר שלהם, כגון נפט, מים, פולימר מומס במים, או מי מלח. לאחר הקירור המהיר, אחוז מסויים מהפאזה האוסטניטית (תלוי בהרכב של הספציפי של הסגסוגת) יהפוך למרטנזיט (Martensite), מיקרומבנה גבישי קשה ושביר. הקשיות לאחר החיסום של מתכת תלויה בהרכב הכימי שלה ובשיטת החיסום. מהירויות קירור, מהמהירים ביותר לאיטיים ביותר, נעים מחיסום במלח, בפולימר (כלומר תערובות של פולימרי גליקול ומים, במים מתוקים, בשמן, ובאוויר דחוס. עם זאת,חיסום פלדה מסוימת מהר מדי יכול לגרום לסידוק, וזו הסיבת שפלדות חוזק גבוה כגון AISI 4140 צריכות להיות מחוסמות בשמן בעוד פלדות כלים כגון ISO 1.2767 או פלדת כלי עבודה חמה H13 יכולות לעבור חיסום באוויר דחוס, וסגסוגת או פלדות בחוזק בינוני כגון XK1320 או AISI 1040 צריכות להיות מחוסמות במי מלח.
עם זאת, רוב המתכות האל-ברזליות, כמו סגסוגות של נחושת, אלומיניום, או ניקל, וכמה פלדות בסגסוג גבוהה כגון פלב"מ אוסטניטיות 304, 316, עוברות השפעה הפוכה כאשר הן עוברות חיסום: הן מתרככות.
הרפיה (Tempering)
פלדת מרטנזיט לא מורפא, בעוד שהיא קשה מאוד, היא שבירה מדי כדי להיות שימושית עבור מרבית היישומים. השיטה להקלת הבעיה הזו נקראת הרפיה. רוב היישומים דורשים שחלקים מחוסמים יעברו הרפיה. תהליך ההרפיה כולל חימום של הפלדה אל מתחת לטמפרטורה הקריטית הנמוכה (לעתים קרובות 205 עד 595 מעלות צלזיוס, תלוי בתוצאות הרצויות), כדי להקנות קשיחות. טמפרטורות הרפיה גבוהות (יכולות להיות עד 700 מעלות צלזיוס, תלוי בסגסוגת והיישום) משמשות לעתים להקניית משייכות מוגברת, אם כי על חשבון חוזק כניעה נמוך יותר.
הרפיה עשויה גם להתבצע על פלדות מנורמלות. שיטות אחרות של הרפיה מורכבות מחיסום לטמפרטורה מסוימת, מעל לטמפרטורת המעבר למרטנזיט, ולאחר מכן החזקה של הפלדה שם עד להיווצרות באיניט (Bainite) להקלה על מאמצים פנימיים. תהליכים אלו כוללים אהוסטמפרינג (Austempering) ומרטמפרינג (Martempering).