Liuoskäsittely – seosten lämpökäsittely ja ylikyllästetyn kiinteän liuoksen saaminen

Ylikylläisyys / liuoshehkutus on prosessi lämpökäsittely johon kuuluu seoksen kuumentaminen lämpötilaan, jossa tietyt komponentit tai faasit liukenevat matriisiin, materiaalin kuumentaminen tähän lämpötilaan ja sen jälkeen sen jäähdyttäminen riittävän nopeasti niiden uudelleenpäästön rajoittamiseksi. Tämän seurauksena huoneenlämmössä voidaan saada ylikyllästetty kiinteä liuos, ts. tila, joka sisältää suuremman määrän liuennutta komponenttia kuin vastaa tasapainotilaa kyseisessä lämpötilassa.
Kyllästyminen on erityisen tärkeää materiaaleille, jotka on tarkoitettu sateen vahvistuminenVälittömästi ylikyllästymisen jälkeen saavutettu tila on termodynaamisesti epästabiili tai metastabiili ja voi muodostaa lähtökohdan myöhemmille ikääntyminen, jonka aikana pienet faasit erottuvat ylikyllästyneestä liuoksesta, mikä lisää kovuus, materiaalin myötölujuus ja lujuus.
Prosessia käytetään muun muassa metalliseoksissa alumiini, ruostumattomat teräkset, erkautuskarkaistut teräkset PH, nikkelipohjaiset superseokset ja valittujen muiden metallien seokset.

Mikä on ylikyllästyminen?

Prosessin perustana on seosaineiden liukoisuuden riippuvuus lämpötilastaMonissa järjestelmissä lämpötilan noustessa kiinteään liuokseen liuenneena pysyvän komponentin määrä kasvaa.
Materiaali kuumennetaan lämpötilaan, joka riittää liuottamaan tarvittavan osan sekundäärifaaseista matriisiin. Sitten sitä pidetään tässä lämpötilassa riittävän ajan, jotta asianmukaiset rakenteelliset muutokset ja koostumuksen tasapainottuminen vaaditussa määrin ovat mahdollisia.
Kun hehkutus on valmis, materiaali jäähdytetään nopeasti. Jäähdytyksen tarkoituksena on rajoittaa komponenttien diffuusiota ja uudelleenjakautumista niiden kulkiessa lämpötila-alueella, jolla niiden tasapainoliukoisuus pienenee.
Tämän seurauksena se säilyy huoneenlämmössä ylikyllästetty kiinteä liuos.

Mikä on ylikyllästetty kiinteä liuos?

Kiinteä liuos on homogeeninen kiteinen faasi, jossa yhden tai useamman komponentin atomit sijaitsevat peruskomponentin kidehilassa.
Jos matriisi voi liuottaa enemmän tiettyä komponenttia korkeassa lämpötilassa kuin huoneenlämmössä, nopea jäähdytys voi pitää komponentin tilapäisesti liuoksessa.
Se sitten syntyy ylikyllästetty liuos.
Tämä tila ei vastaa täydellistä termodynaamista tasapainoa. Sopivassa lämpötilassa ja ajassa ylimääräinen liuennut komponentti voi alkaa saostua matriisista. Tämä ilmiö muodostaa perustan myöhemmälle vanhenemiselle ja saostumislujittumiselle.

Kyllästysprosessin vaiheet

Lämpenee. Materiaali kuumennetaan tietylle seokselle sopivaan liuoslämpötilaan.
Liotus. Seosta pidetään tietyssä lämpötilassa riittävän kauan, jotta tarvittavat faasit liukenevat ja kiinteän liuoksen koostumus on sopiva.
Nopea jäähdytys. Materiaali jäähdytetään riittävällä nopeudella, jotta komponenttien vapautuminen jäähdytyksen aikana rajoittuu.
Ylikyllästetyn kiinteän liuoksen saaminen. Ympäristön lämpötilassa matriisiin jää suurempi määrä liuenneita komponentteja kuin tasapaino-olosuhteissa olisi seurauksena.
Ikääntyminen – jos teknologia sen sallii. Hienojen faasien hallittu saostuminen voi sitten lisätä materiaalin kovuutta ja lujuutta.

Ylikyllästymislämpötila

Yhtä ainoaa universaalia ylikyllästymislämpötilaa ei ole. Lämpötila-alue riippuu materiaalin tyypistä, sen kemiallisesta koostumuksesta, faasitasapainodiagrammista, liuotettavien faasien tyypistä ja lopullisen mikrorakenteen vaatimuksista.
Lämpötilan on oltava riittävän korkea, jotta asiaankuuluvien komponenttien liukoisuus paranee ja tarvittavat faasit liukenevat, mutta samalla se ei saa johtaa ei-toivottuun sulamiseen, liialliseen rakeiden kasvuun tai muihin epäsuotuisiin rakenteellisiin muutoksiin.

Parametri	Tärkeys kyllästymisen aikana	Väärän valinnan vaikutus
Lämpötila	Se määrittää komponenttien liukoisuuden ja yksittäisten faasien stabiilisuuden.	Liian alhainen arvo voi jättää liukenemattomia faaseja; liian korkea arvo voi aiheuttaa rakeiden kasvua tai paikallista sulamista.
Lämmitysaika	Se mahdollistaa poikkileikkauksen lämmittämisen ja tarvittavat diffuusioprosessit ja faasien liukenemisen.	Liian lyhyt aika voi johtaa epätäydelliseen kyllästymiseen; liian pitkä aika lisää jyvien kasvun riskiä ja prosessikustannuksia.
Jäähdytysnopeus	Se määrittää komponenttien kyvyn pysyä ylikyllästetyssä liuoksessa.	Liian hidas jäähdytys voi johtaa ennenaikaiseen faasien erottumiseen.
Jäähdytysväliaine	Se vaikuttaa lämmönpoiston nopeuteen ja elementin lämpötilagradienttiin.	Väärä valinta voi johtaa riittämättömään kyllästymiseen, muodonmuutokseen tai jännitykseen.
Elementin koko	Vaikuttaa lämmitysaikaan ja ytimen todelliseen jäähdytysnopeuteen.	Suuret poikkileikkaukset saattavat vaatia eri syklin kuin ohuet poikkileikkaukset.

Miksi liuoslämpökäsittelyn jälkeen käytetään nopeaa jäähdytystä?

Liuoshehkutuksen aikana seosaineita on matriisissa määrinä, jotka säilyvät korkeissa lämpötiloissa. Lämpötilan laskiessa niiden tasapainoliukoisuus voi pienentyä.
Jos jäähdytys on liian hidasta, atomeilla on riittävästi aikaa diffundoitua ja muodostaa saostumia jäähtyessään. Tämä voi estää tarvittavan ylikyllästetyn kiinteän liuoksen saamisen.
Riittävän nopea jäähdytys rajoittaa diffuusiota ja mahdollistaa metastabiilin ylikyllästyneen tilan ylläpitämisen.
Materiaalista ja vaadittavasta jäähdytysnopeudesta riippuen voidaan käyttää erilaisia jäähdytysaineita. Siksi ei voida soveltaa yhtä yleispätevää jäähdytysmenetelmää kaikille seoksille.

Liuoslämpökäsittely ja karkaisu – mitä eroja näillä prosesseilla on?

Liuoslämpökäsittely ja karkaisu voivat sisältää samanlaisen teknologisen järjestyksen: kuumennuksen, hehkuttamisen ja nopean jäähdytyksen. Näiden prosessien mekanismit ja ensisijaiset tavoitteet kuitenkin eroavat toisistaan.

Ominaista	Ylikylläisyys	Teräksen karkaisu
Ensisijainen tavoite	Ylikyllästetyn kiinteän liuoksen ja sopivan faasitilan saaminen.	Kovettuvan rakenteen saaminen, useimmiten austeniitin muuttuessa nopean jäähdytyksen aikana.
mechanizm	Sopivien faasien liuottaminen korkeassa lämpötilassa ja niiden uudelleenpäästön rajoittaminen jäähdytyksen aikana.	Faasimuutos, joka liittyy riittävän nopeaan jäähdytykseen austeniittisalueella.
Valtio heti oikeudenkäynnin jälkeen	Ylikyllästetty kiinteä liuos tai rakenne, joka on valmistettu jatkovanhentamista varten.	Klassisessa teräksen karkaisussa martensiittinen rakenne on yleisin tai rakenne riippuu käytetystä syklistä.
Jatkokäsittely	Usein luonnollinen tai keinotekoinen ikääntyminen.	Yleensä päästää irti.
Tyypilliset materiaalit	Alumiiniseokset, ruostumattomat teräkset, PH-teräkset, nikkeliseokset ja muut erkautuslujitetut seokset.	Ensinnäkin teräkset, jotka kykenevät kovettumaan.

Ylikyllästyminen ja ikääntyminen

Kylläisyys ja ikääntyminen ovat tiiviisti sidoksissa toisiinsa erkautuslujitetuissa materiaaleissa.
Liuoskäsittelyssä materiaali valmistetaan lisäämällä sopivat komponentit kiinteään liuokseen. Vanhennus mahdollistaa sitten erittäin hienojen saostumien hallitun muodostumisen.
Kaavio voidaan esittää seuraavasti:

faasien liukeneminen → nopea jäähtyminen → ylikyllästynyt kiinteä liuos → vanheneminen → hienojakoinen saostuminen → materiaalin lujittuminen

Pienet saostumat estävät dislokaatioiden liikkumista. Tämän seurauksena ne voivat lisääntyä kovuus, vetolujuus Rm ja myötölujuus.
Jos vanhentaminen on liian pitkää tai liian korkeassa lämpötilassa, saostumat voivat kasvaa ja menettää optimaalisen kykynsä estää dislokaatioiden liikettä. Tätä tilaa kutsutaan vanhentuminen.

Ruostumattomien terästen liuoskäsittely

Liuoslämpökäsittely on tärkeä lämpökäsittelyprosessi monille austeniittiset ruostumattomat teräkset.
Materiaali kuumennetaan riittävän korkeaan lämpötilaan tiettyjen saostumien liuottamiseksi ja jäähdytetään sitten nopeasti niiden uudelleenmuodostumisen rajoittamiseksi epäsuotuisan lämpötila-alueen läpi kulkiessa.
Käyttäytymisellä on erityisen suuri merkitys kromiTietyissä lämpöolosuhteissa voi muodostua kromipitoisia saostumia, jotka aiheuttavat paikallista kromin ehtymistä matriisissa. Tämä voi heikentää raerajakorroosionkestävyyttä.
Oikein valittu ylikyllästys voi johtaa tällaisten saostumien liukenemiseen ja komponenttien takaisin kiinteään liuokseen.
Esimerkki liuoslämpökäsitellystä teräksestä on 1.4550 / X6CrNiNb18-10 / AISI 347, jonka käsittelyparametrit riippuvat standardin vaatimuksista, tuotteen muodosta ja teknologiasta.

PH-terästen liuoskäsittely – erkautuskarkaistu

Ylikyllästymisellä on erityistä merkitystä seuraavissa tapauksissa: erkautuskarkaistut ruostumattomat teräkset PH.
Näissä materiaaleissa liuoslämpökäsittely on vaihe, joka valmistelee mikrorakenteen myöhempää vanhentamista varten.
Asianmukaisen kuumennuksen ja nopean jäähdytyksen jälkeen materiaali vanhenee, minkä aikana muodostuu hienojakoisia saostumia, jotka lisäävät lujuutta ja kovuutta.
PH-teräksissä tärkeä rooli voi olla muun muassa seuraavilla: nikkeli, kupari, alumiini, titaani i niobi.

Alumiiniseosten liuoskäsittely

Liuoslämpökäsittely on yksi monien seosten lämpökäsittelyn perusvaiheista. alumiini tarkoitettu sateen vahvistamiseen.
Korkeat lämpötilat lisäävät tiettyjen seosaineiden liukoisuutta alumiinimatriisiin. Sopivan kuumennuksen ja nopean jäähdytyksen jälkeen ne voivat pysyä ylikyllästyneessä kiinteässä liuoksessa.
Materiaali voidaan sitten altistaa luonnollinen ikääntyminen huoneenlämmössä tai keinotekoinen vanhentaminen korotetussa lämpötilassa.
Seosryhmästä riippuen tärkeä rooli voi olla muun muassa seuraavilla: kupari, magnesium, pii i sinkki.

Nikkeliseosten liuoshehkutus

Saturaatiota käytetään myös nikkelipohjaiset superseoksetLajista riippuen prosessia voidaan käyttää tiettyjen faasien liuottamiseen ja rakenteen valmisteluun myöhempää vanhentamista varten.
Nämä seokset sisältävät mm. nikkeli, chrom, molybdeeni, niobi, titaani, alumiini i Kobalt.
Liuoslämpökäsittelyn ja sitä seuraavan vanhentamislämpötilan valinta liittyy läheisesti tiettyyn seoslaatuun ja vaadittuun faasijärjestelyyn.

Seosaineiden vaikutus liuoslujittumiseen ja erkautuslujittumiseen

Elementti	Symboli	Merkitys valituissa liuoslämpökäsitellyissä seoksissa
kromi	Cr	Ruostumattomien terästen keskeinen komponentti; sen jakautumisella on merkittävä vaikutus korroosionkestävyyteen.
Nikkeli	Ni	Se stabiloi tiettyjä rakenteita ja on nikkelisuperseosten ja monien ruostumattomien terästen peruskomponentti.
kupari-	Cu	Se voi osallistua joidenkin PH-seosten ja -terästen saostumislujitusmekanismiin.
Alumiini	Al	Se muodostaa alumiiniseosten matriisin ja osallistuu lujittavien faasien muodostumiseen valituissa superseoksissa.
Titaani	Ti	Se osallistuu metallien välisten faasien muodostumiseen ja lujittaviin saostumiin monissa erikoisseoksissa.
niobium	Nb	Se voi muodostaa faaseja ja saostumia, jotka ovat tärkeitä seosten lujittumiselle ja rakenteelliselle stabiilisuudelle.
molybdeeni	Mo	Se vaikuttaa monien seosten faasistabiilisuuteen, korkeisiin lämpötiloihin ja korroosionkestävyyteen.
Magnesium	Mg	Tärkeä osa monista erkautuskarkenevista alumiiniseoksista.
Pii	Si	Yhdessä magnesiumin kanssa sillä on tärkeä rooli Al-Mg-Si-seosten erkautumislujittamisessa.
Sinkki	Zn	Yksi Al-Zn-Mg- ja Al-Zn-Mg-Cu-ryhmien korkean lujuuden omaavien alumiiniseosten peruskomponenteista.

Liuoshehkutus ja homogenisointihehkutus

Liuoshehkutusta ei pidä sekoittaa homogenisointihehkutukseen , vaikka molemmat prosessit hyödyntävät diffuusiota ja saattavat vaatia korkeita lämpötiloja.

Ominaista	Ylikylläisyys	Homogenisoiva hehkutus
Päätavoite	Sopivien faasien liuottaminen ja ylikyllästetyn kiinteän liuoksen saaminen.	Koagulaation aikana tapahtuvan mikrosegregaation väheneminen.
Tyypillinen alkutila	Materiaali, joka sisältää faaseja, jotka voidaan liuottaa ylikyllästyslämpötilassa.	Harkko, valukappale tai puolivalmis tuote, jossa komponentit ovat jakautuneet epätasaisesti.
Jäähdytys	Yleensä riittävän nopea rajoittamaan eritystä.	Valittu materiaalin ja seuraavan teknologisen vaiheen mukaan.
Tyypillinen seuraava vaihe	Materiaalin vanhentaminen tai käyttö ylikyllästyneessä tilassa.	Taonta, valssaus, normalisointi tai muu jatkokäsittely.

Liuoshehkutus ja hehkutus

Käytännössä ylikyllästymisestä puhutaan joskus ns. liuoksen hehkutus, erityisesti ruostumattomien terästen ja joidenkin erikoisseosten kanssa. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että sen mekanismi ja tarkoitus olisivat identtiset minkä tahansa tyyppisen hehkuttamisen kanssa.
Täysi hehkutus, jännitystenpoistohehkutus, uudelleenkiteytyshehkutus i sferoidisoiva hehkutus pyrkiä muihin teknologisiin tavoitteisiin.

Ylikyllästymisen vaikutus materiaalien ominaisuuksiin

Ylikyllästymisen vaikutus riippuu materiaalista, eikä sitä tule pelkistää pelkästään kovuuden lisääntymiseen.
Heti liuoslämpökäsittelyn jälkeen materiaali voi olla suhteellisen pehmeää ja plastista. Merkittävä kasvu kovuus, vetolujuus Rm ja myötöraja voi tapahtua vasta myöhemmässä vanhentamisessa.

Ominaisuus tai ominaisuus	Ylikyllästymisen mahdollinen vaikutus
Kiinteän liuoksen koostumus	Matriisiin jäävien tiettyjen ainesosien määrän lisääminen.
Divisioonat	Joidenkin prosessia edeltävien faasien liukeneminen.
Kovuus	Riippuu seoksesta; materiaalien erkautumislujittumisen suurin kasvu voi tapahtua vasta vanhentamisen jälkeen.
Vahvuus Rm	Riippuu materiaalista ja sitä seuraavasta vanhenemisesta; pelkkä liuoslämpökäsittely ei välttämättä tarjoa maksimaalista lujuutta.
Plastisuus	Monissa materiaaleissa ylikyllästetty tila voi olla alttiimpi muodonmuutokselle kuin täysin vanhennettu tila.
Korroosionkestävyys	Valituissa ruostumattomissa teräksissä sitä voidaan parantaa liuottamalla epäedullisia saostumia ja palauttamalla suotuisampi kromijakauma.

Yleisimmät virheet ylikyllästymisen yhteydessä

Lämpötila liian alhainen – tarvittavien faasien riittämätön liukeneminen.
Lämmitysaika liian lyhyt – poikkileikkauksen epätäydellinen kuumeneminen tai faasien epätäydellinen liukeneminen.
Lämpötila liian korkea – jyvien kasvun, paikallisen sulamisen tai muiden epäsuotuisien rakenteellisten muutosten riski.
Jäähdytys liian hidas – mahdollisuus erottaa ainekset jäähtymisen aikana.
Epätasainen jäähdytys – lämpötilagradienttien, jännitysten ja muodonmuutosten muodostumisen mahdollisuus.
Väärä aikavalinta kyllästymisen ja vanhenemisen välillä – erityisen tärkeää materiaaleissa, joissa muutoksia voi tapahtua jo huoneenlämmössä.

Miten ylikyllästymisen tehokkuutta kontrolloidaan?

Prosessin arviointiin voi sisältyä mikrorakenteen, faasien lukumäärän ja jakauman, matriisikoostumuksen ja mekaanisten ominaisuuksien testaus.
Materiaalista riippuen käytetään muun muassa seuraavia:

optinen ja elektronimikroskopia,
saostumien ja sekundäärifaasien analyysi,
mittaus kovuus,
tutkimusta vetolujuus Rm,
myötörajan määrittäminen,
ruostumattomien terästen korroosionkestävyystestit,
ominaisuuksien hallinta myöhemmän vanhentamisen jälkeen.

Pelkkä materiaalin nopea jäähtyminen ei tarkoita, että liuoslämpökäsittely olisi suoritettu oikein. Koko syklin tehokkuus määräytyy lämpötilan, lämmitysajan, materiaalin alkutilan ja jäähdytysnopeuden perusteella.

Ylikyllästyminen on lämpökäsittely, jossa syntyy ylikyllästetty kiinteä liuos liuottamalla asianmukaiset komponentit tai faasit korkeassa lämpötilassa ja rajoittamalla niiden uudelleenjakautumista jäähdytyksen aikana.
Prosessi on perusta monien seosten työstölle alumiini, ruostumattomat teräkset, PH-teräkset ja nikkeli-superseokset.
Erotukselujitetuissa materiaaleissa liuoslämpökäsittely on yleensä ensimmäinen askel kohti suurta lujuutta. ikääntyminen aiheuttaa hienojen faasien kontrolloidun vapautumisen, jotka estävät dislokaatioiden liikkumista.
Ylikyllästymistä ei pidä rinnastaa klassiseen teräksen karkaisuVaikka lämmitys ja nopea jäähdytys ovat teknologisesti samankaltaisia, liuoslämpökäsittelyn ensisijainen tavoite on säilyttää komponentit ylikyllästyneessä kiinteässä liuoksessa, ei luoda martensiittista rakennetta.

Teräksen lämpö- ja termokemialliset käsittelymenetelmät

Liuoskäsittely on vain yksi teräksen mikrorakenteen ja ominaisuuksien muokkaamiseen käytetyistä prosesseista. Halutusta vaikutuksesta riippuen käytetään myös normalisointia, jännityksenpoistoa, karkaisua, päästöä jne. sekä termokemiallisia prosesseja, kuten hiiletystä, nitrausta ja muita.

Teräksen lämpökäsittelymenetelmät

Teräksen normalisointi – raekoon hienosäätö ja mikrorakenteen yhtenäistäminen.
Wyżarzanie odpreżające – jäännösjännitysten vähentäminen.
Teräksen pehmeneminen – kovuuden vähentäminen ja jatkokäsittelyn kestävyyden parantaminen.
Täysi hehkutus – austenisointi ja hidas jäähdytys.
Isoterminen hehkutus – muunnos suoritetaan pitämällä oikein valitussa lämpötilassa.
Pallon hehkutus – sferoidisointi – sementiitin tai muiden karbidien morfologian muutos.
Uudelleenkiteytyshehkutus – murskaantumisen vaikutusten poistaminen ja plastisuuden palauttaminen.
Homogenisoiva hehkutus – erottelun vähentäminen ja materiaalikoostumuksen homogenisointi.
Karkaisu ja lämpökäsittely – mikrorakenteen ja ominaisuuksien muokkaaminen karkaisemalla ja päästöllä.
Teräskarkaisu – teräksen ominaisuuksien hallittu muuttaminen karkaisun jälkeen.
Induktiokarkaisu – pinnan induktiolämmitys ja nopea jäähdytys.
Liekkikarkaisu – pinnan kovettuminen paikallisen liekityksen jälkeen.
Ylikylläisyys – ylikyllästetyn kiinteän liuoksen saaminen sopivalla lämpösyklillä.
Ikääntyminen – hallittu faasien erottuminen, joka johtaa materiaalin lujittumiseen.

Teräksen termokemiallisen käsittelyn menetelmät

Teräksen nitraus – pintakerroksen diffuusiorikastuminen typellä.
Teräksen hiiletys – pinnan diffuusiorikastuminen hiilellä.
Hiilinitridointi – pintakerroksen samanaikainen rikastaminen hiilellä ja typellä.
Nitrohiiletys / nitrohiiletys – kerroksen rikastuminen pääasiassa typellä ja hiilellä.
Poraus – pinnan diffuusiokyllästyminen boorilla.
Diffuusiokromipinnoitus – kerroksen diffuusiorikastus kromilla.
Diffuusioaluminointi – kerroksen diffuusiorikastuminen alumiinissa.