Rawatan haba logam ialah kaedah proses di mana bahan kerja logam diletakkan dalam medium tertentu dan dipanaskan pada suhu yang sesuai, dan kemudian disimpan pada suhu ini untuk tempoh masa tertentu, dan kemudian disejukkan pada kelajuan yang berbeza.
Rawatan haba logam adalah salah satu proses penting dalam pembuatan mekanikal. Berbanding dengan teknologi pemprosesan lain, rawatan haba secara amnya tidak mengubah bentuk dan komposisi kimia keseluruhan bahan kerja, sebaliknya mengubah struktur mikro di dalam bahan kerja atau komposisi kimia pada permukaan bahan kerja untuk memberi atau meningkatkan prestasi bahan kerja. Cirinya adalah untuk meningkatkan kualiti intrinsik bahan kerja, yang secara amnya tidak dapat dilihat dengan mata kasar.
Untuk menjadikan bahan kerja logam mempunyai sifat mekanikal, sifat fizikal dan sifat kimia yang diperlukan, sebagai tambahan kepada pemilihan bahan yang munasabah dan pelbagai proses pembentukan, proses rawatan haba sering diperlukan. Keluli adalah bahan yang paling banyak digunakan dalam industri jentera. Struktur mikro keluli adalah kompleks dan boleh dikawal oleh rawatan haba, jadi rawatan haba keluli adalah kandungan utama rawatan haba logam. Selain itu, aluminium, kuprum, magnesium, titanium, dsb. dan aloinya juga boleh mengubah sifat mekanikal, fizikal dan kimianya melalui rawatan haba untuk mendapatkan prestasi yang berbeza.
Dalam proses dari Zaman Batu ke Zaman Gangsa dan Zaman Besi, peranan rawatan haba secara beransur-ansur telah diiktiraf oleh orang ramai. Seawal 770-222 SM, orang Cina telah menemui dalam amalan pengeluaran bahawa sifat kuprum dan besi akan berubah akibat pengaruh ubah bentuk suhu dan tekanan. Rawatan pelembutan besi tuang putih adalah proses penting untuk membuat alat pertanian.
Pada abad keenam SM, senjata keluli secara beransur-ansur diterima pakai. Untuk meningkatkan kekerasan keluli, proses pelindapkejutan telah dibangunkan dengan cepat. Dua pedang dan tombak yang digali di Yanxiadu, Daerah Yi, Wilayah Hebei, China, mempunyai martensit dalam struktur mikronya, menunjukkan bahawa ia telah dipadamkan.
Dengan perkembangan teknologi pelindapkejutan, orang ramai secara beransur-ansur menemui pengaruh penyejuk pada kualiti pelindapkejutan. Pu Yuan, seorang lelaki Shu dalam zaman Tiga Kerajaan, pernah membuat 3,000 pisau untuk Zhuge Liang di Xiagu, Wilayah Shaanxi. Dikatakan dia menghantar orang ke Chengdu untuk mendapatkan air untuk pemadaman. Ini menunjukkan bahawa China menyedari kapasiti penyejukan kualiti air yang berbeza pada zaman dahulu, dan juga memberi perhatian kepada kapasiti penyejukan minyak dan air kencing. Pedang yang ditemui di makam Raja Jing Zhongshan semasa Dinasti Han Barat (206 SM-24 AD) di China mempunyai kandungan karbon sebanyak 0.15-0 .4% dalam teras, manakala kandungan karbon pada permukaan adalah lebih daripada 0.6%, menunjukkan bahawa teknologi pengkarburan telah digunakan. Walau bagaimanapun, sebagai rahsia "kemampuan" peribadi pada masa itu, ia tidak mahu diteruskan, jadi ia berkembang dengan sangat perlahan.
Pada tahun 1863, ahli logam dan ahli geologi British menunjukkan enam struktur metalografi keluli yang berbeza di bawah mikroskop, membuktikan bahawa apabila keluli dipanaskan dan disejukkan, struktur dalaman akan berubah, dan fasa pada suhu tinggi dalam keluli akan berubah menjadi fasa yang lebih keras apabila ia cepat disejukkan. Teori alotropi besi yang ditubuhkan oleh orang Perancis Osmond dan rajah fasa besi-karbon yang pertama kali dirumuskan oleh British Austin meletakkan asas teori untuk teknologi rawatan haba moden. Pada masa yang sama, orang ramai juga mengkaji kaedah perlindungan logam semasa proses pemanasan rawatan haba logam untuk mengelakkan pengoksidaan dan penyahkarbonan logam semasa pemanasan.
Dari 1850 hingga 1880, terdapat satu siri paten untuk penggunaan pelbagai gas (seperti hidrogen, gas arang batu, karbon monoksida, dll.) untuk pemanasan pelindung. Dari 1889 hingga 1890, Tasik British memperoleh paten untuk rawatan haba cerah pelbagai logam.
Sejak abad ke-20, perkembangan fizik logam dan pemindahan serta penggunaan teknologi baharu yang lain telah menjadikan proses rawatan haba logam lebih maju. Kemajuan yang ketara ialah penggunaan relau berputar untuk pengkarbonan gas dalam pengeluaran perindustrian dari 1901 hingga 1925; kemunculan potensiometer titik embun pada tahun 1930-an menjadikan potensi karbon atmosfera relau dapat dikawal, dan kemudiannya penggunaan instrumen inframerah karbon dioksida, probe oksigen, dan lain-lain untuk mengawal lebih lanjut potensi karbon atmosfera relau telah dikaji; pada tahun 1960-an, teknologi rawatan haba menggunakan peranan medan plasma untuk membangunkan proses nitriding ion dan pengkarbonan; aplikasi teknologi pancaran laser dan elektron telah membolehkan logam memperoleh rawatan haba permukaan dan kaedah rawatan haba kimia yang baharu.
2. Proses rawatan haba logam
Proses rawatan haba secara amnya merangkumi tiga proses: pemanasan, penebat, dan penyejukan, dan kadangkala hanya dua proses: pemanasan dan penyejukan. Proses ini saling berkaitan dan tidak boleh diganggu.
Pemanasan adalah salah satu langkah penting dalam rawatan haba. Terdapat banyak kaedah pemanasan untuk rawatan haba logam. Yang terawal menggunakan arang dan arang sebagai sumber haba, dan kemudian bahan api cecair dan gas digunakan. Penggunaan elektrik menjadikan pemanasan mudah dikawal dan mesra alam. Sumber haba ini boleh digunakan untuk pemanasan langsung, atau secara tidak langsung melalui garam atau logam cair, atau bahkan zarah terapung.
Apabila logam dipanaskan, bahan kerja terdedah kepada udara, dan pengoksidaan dan penyahkarbonan sering berlaku (iaitu, kandungan karbon pada permukaan bahagian keluli berkurangan), yang mempunyai kesan yang sangat buruk pada sifat permukaan bahagian selepas haba rawatan. Oleh itu, logam biasanya harus dipanaskan dalam suasana terkawal atau suasana pelindung, dalam garam cair dan dalam vakum, dan juga boleh dilindungi dan dipanaskan dengan kaedah salutan atau pembungkusan.
Suhu pemanasan adalah salah satu parameter proses penting dalam proses rawatan haba. Pemilihan dan kawalan suhu pemanasan adalah isu utama untuk memastikan kualiti rawatan haba. Suhu pemanasan berbeza dengan bahan logam yang dirawat dan tujuan rawatan haba, tetapi ia biasanya dipanaskan di atas suhu perubahan fasa untuk mendapatkan struktur yang diperlukan. Di samping itu, transformasi memerlukan masa tertentu. Oleh itu, apabila permukaan bahan kerja logam mencapai suhu pemanasan yang diperlukan, ia mesti disimpan pada suhu ini untuk tempoh masa tertentu untuk menjadikan suhu dalaman dan luaran konsisten dan transformasi struktur mikro selesai. Tempoh masa ini dipanggil masa pegangan. Apabila pemanasan ketumpatan tenaga tinggi dan rawatan haba permukaan digunakan, kelajuan pemanasan adalah sangat pantas, dan secara amnya tiada masa penahanan atau masa penahanan adalah sangat singkat, manakala masa penahanan rawatan haba kimia selalunya lebih lama.
Penyejukan juga merupakan langkah yang sangat diperlukan dalam proses rawatan haba. Kaedah penyejukan berbeza-beza bergantung kepada proses, terutamanya untuk mengawal kelajuan penyejukan. Secara amnya, penyepuhlindapan mempunyai kelajuan penyejukan yang paling perlahan, penormalan mempunyai kelajuan penyejukan yang lebih cepat, dan pelindapkejutan mempunyai kelajuan penyejukan yang lebih cepat. Walau bagaimanapun, terdapat keperluan yang berbeza untuk pelbagai jenis keluli. Sebagai contoh, keluli keras udara boleh dikeraskan pada kelajuan penyejukan yang sama seperti menormalkan.
Proses rawatan haba logam boleh dibahagikan secara kasar kepada rawatan haba keseluruhan, rawatan haba permukaan, rawatan haba tempatan dan rawatan haba kimia. Menurut media pemanasan yang berbeza, suhu pemanasan dan kaedah penyejukan, setiap kategori utama boleh dibahagikan kepada beberapa proses rawatan haba yang berbeza. Logam yang sama boleh memperoleh struktur yang berbeza dan dengan itu mempunyai sifat yang berbeza dengan menggunakan proses rawatan haba yang berbeza. Keluli adalah logam yang paling banyak digunakan dalam industri, dan struktur mikronya juga paling kompleks, jadi terdapat banyak jenis proses rawatan haba keluli.
Rawatan haba keseluruhan ialah proses rawatan haba logam yang memanaskan bahan kerja secara keseluruhan dan kemudian menyejukkannya pada kadar yang sesuai untuk mengubah sifat mekanikal keseluruhannya. Terdapat empat proses asas untuk rawatan haba keseluruhan keluli: penyepuhlindapan, penormalan, pelindapkejutan dan pembajaan.
Penyepuhlindapan adalah untuk memanaskan bahan kerja pada suhu yang sesuai, menggunakan masa pegangan yang berbeza mengikut saiz bahan dan bahan kerja, dan kemudian perlahan-lahan menyejukkannya. Tujuannya adalah untuk menjadikan struktur dalaman logam mencapai atau mendekati keadaan keseimbangan, memperoleh prestasi proses yang baik dan menggunakan prestasi, atau menyediakan struktur untuk pelindapkejutan selanjutnya. Menormalkan ialah memanaskan bahan kerja pada suhu yang sesuai dan kemudian menyejukkannya di udara. Kesan menormalkan adalah serupa dengan penyepuhlindapan, tetapi struktur yang diperoleh lebih halus. Ia sering digunakan untuk meningkatkan prestasi pemotongan bahan, dan kadangkala digunakan sebagai rawatan haba akhir untuk beberapa bahagian dengan keperluan yang rendah.
Pelindapkejutan adalah untuk memanaskan dan memastikan bahan kerja tetap hangat, dan kemudian menyejukkannya dengan cepat dalam medium pelindapkejutan seperti air, minyak atau garam tak organik lain, larutan akueus organik, dll. Selepas pelindapkejutan, keluli menjadi keras, tetapi juga rapuh. Untuk mengurangkan kerapuhan bahagian keluli, bahagian keluli yang dipadamkan disimpan hangat untuk masa yang lama pada suhu yang sesuai di atas suhu bilik dan di bawah 710 darjah, dan kemudian disejukkan. Proses ini dipanggil tempering. Penyepuhlindapan, penormalan, pelindapkejutan dan pembajaan ialah "empat kebakaran" dalam keseluruhan rawatan haba. Antaranya, pelindapkejutan dan pembajaan berkait rapat dan sering digunakan dalam kombinasi. Mereka amat diperlukan.
"Empat kebakaran" telah berkembang menjadi proses rawatan haba yang berbeza dengan suhu pemanasan dan kaedah penyejukan yang berbeza. Untuk mendapatkan kekuatan dan keliatan tertentu, proses menggabungkan pelindapkejutan dan pembajaan suhu tinggi dipanggil pelindapkejutan dan pembajaan. Selepas beberapa aloi dipadamkan untuk membentuk larutan pepejal supertepu, ia disimpan pada suhu bilik atau suhu yang sesuai sedikit lebih tinggi untuk masa yang lama untuk meningkatkan kekerasan, kekuatan, atau sifat elektrik dan magnet aloi. Proses rawatan haba sedemikian dipanggil rawatan penuaan. Kaedah menggabungkan ubah bentuk pemprosesan tekanan dengan rawatan haba secara berkesan dan rapat untuk menjadikan bahan kerja memperoleh gabungan kekuatan dan keliatan yang baik dipanggil rawatan haba ubah bentuk; rawatan haba dalam suasana tekanan negatif atau vakum dipanggil rawatan haba vakum, yang bukan sahaja boleh menghalang bahan kerja daripada pengoksidaan dan penyahkarbonan, mengekalkan permukaan bahan kerja licin selepas rawatan, dan meningkatkan prestasi bahan kerja, tetapi juga melepasi penyusupan untuk rawatan haba kimia.
Rawatan haba permukaan ialah proses rawatan haba logam yang hanya memanaskan permukaan bahan kerja untuk menukar sifat mekanikal permukaannya. Untuk memanaskan hanya permukaan bahan kerja tanpa terlalu banyak haba dihantar ke bahagian dalam bahan kerja, sumber haba yang digunakan mestilah mempunyai ketumpatan tenaga yang tinggi, iaitu, untuk memberikan sejumlah besar tenaga haba per unit luas bahan kerja supaya permukaan atau bahagian tempatan bahan kerja boleh mencapai suhu tinggi dalam masa yang singkat atau serta-merta. Kaedah utama rawatan haba permukaan ialah rawatan haba laser, pelindapkejutan api dan rawatan haba pemanasan aruhan. Sumber haba yang biasa digunakan termasuk nyalaan seperti oksiasetilena atau oksipropana, arus teraruh, sinar laser dan elektron.
Rawatan haba kimia ialah proses rawatan haba logam yang mengubah komposisi kimia, organisasi dan sifat permukaan bahan kerja. Perbezaan antara rawatan haba kimia dan rawatan haba permukaan ialah yang kedua mengubah komposisi kimia permukaan bahan kerja. Rawatan haba kimia adalah untuk memanaskan bahan kerja dalam medium (gas, cecair, pepejal) yang mengandungi karbon, nitrogen atau unsur mengaloi lain, dan memastikan ia hangat untuk jangka masa yang lama, supaya permukaan bahan kerja boleh disusupi dengan unsur-unsur seperti karbon, nitrogen, boron dan kromium. Selepas unsur-unsur menyusup, proses rawatan haba lain seperti pelindapkejutan dan pembajaan kadangkala diperlukan. Kaedah utama rawatan haba kimia ialah pengkarburan, nitriding, metallizing, dan penyusupan komposit.
Rawatan haba adalah salah satu proses penting dalam proses pembuatan bahagian mekanikal dan alatan dan acuan. Secara umumnya, ia boleh menjamin dan menambah baik pelbagai sifat bahan kerja, seperti rintangan haus dan rintangan kakisan. Ia juga boleh menambah baik organisasi dan keadaan tekanan kosong untuk memudahkan pelbagai pemprosesan sejuk dan panas.
Sebagai contoh, besi tuang putih boleh diperolehi dengan penyepuhlindapan jangka panjang untuk mendapatkan besi tuang mudah ditempa dan meningkatkan keplastikan; gear boleh digunakan dengan proses rawatan haba yang betul. Hayat perkhidmatan boleh digandakan atau berpuluh-puluh kali lebih lama daripada gear yang tidak dirawat haba; sebagai tambahan, keluli karbon murah mempunyai beberapa sifat keluli aloi yang mahal dengan menyusup unsur aloi tertentu, yang boleh menggantikan beberapa keluli tahan panas dan keluli tahan karat; hampir semua alatan dan acuan perlu dirawat haba sebelum boleh digunakan.
3. Pengelasan Keluli
Keluli ialah aloi dengan besi dan karbon sebagai komponen utama, dan kandungan karbonnya secara amnya kurang daripada 2.11%. Keluli adalah bahan logam yang sangat penting dalam pembinaan ekonomi. Keluli dibahagikan kepada dua kategori mengikut komposisi kimianya: keluli karbon (disingkat keluli karbon) dan keluli aloi. Keluli karbon adalah aloi yang diperoleh dengan melebur besi babi. Selain besi dan karbon sebagai komponen utamanya, ia juga mengandungi sejumlah kecil kekotoran seperti mangan, silikon, sulfur, dan fosforus. Keluli karbon mempunyai sifat mekanikal tertentu, prestasi proses yang baik, dan harga yang rendah. Oleh itu, keluli karbon telah digunakan secara meluas. Walau bagaimanapun, dengan perkembangan pesat industri moden serta sains dan teknologi, prestasi keluli karbon tidak lagi dapat memenuhi keperluan sepenuhnya, jadi orang ramai telah membangunkan pelbagai keluli aloi. Keluli aloi ialah aloi berbilang unsur yang diperoleh dengan sengaja menambahkan unsur-unsur tertentu (dipanggil unsur aloi) kepada keluli karbon. Berbanding dengan keluli karbon, prestasi keluli aloi telah dipertingkatkan dengan ketara, jadi penggunaannya menjadi lebih dan lebih meluas.