Varmebehandling er oppvarmingsprosesser som gjennomføres under produksjon av metaller og legeringer for å gi materialene ønskede egenskaper. Prosessene fører til danning av bestemte mikrostrukturer som har bestemte egenskaper.

Prosessene kombinerer oppvarming, opphold ved forhøyd temperatur og avkjøling. Ofte kjøres flere slike programmer i serie. Den enkelte prosessen navngis ofte etter den strukturen eller egenskapen man ønsker å oppnå, for eksempel homogenisering, bainittherding og rekrystallisasjon.

Også kombinerte termiske og kjemiske prosesser som blankgløding, avgassing og settherding kan klassifiseres som varmebehandling.

Gløding er oppvarming av metaller eller legeringer til en høy temperatur, deretter et relativt langvarig opphold ved høy temperatur med påfølgende langsom avkjøling. Valg av oppvarmingshastighet, temperatur og holdetid, og avkjølingshastighet tilpasses det enkelte materialet og formålet med prosessen.

For stål kan gløding for eksempel være utjevning av konsentrasjonsvariasjoner dannet under størkning. Dette kan blant annet skje ved omvandling av deltaferritt (diffusjonsgløding) ved ca. 1200–1300 °C, overføring av en uønsket struktur etter støping til en gunstigere struktur, for eksempel adusering ved ca. 700–1000 °C , mykgløding ved ca. 700–720 °C, oppløsning av utfelte faser (for eksempel austenittgløding), normalisering av struktur og egenskaper ved ca. 780–950 °C, utløsning av spenninger fra kaldbearbeiding ved spenningsgløding ved ca. 500–600 °C eller omforming av en kaldbearbeidet struktur ved rekrystallisasjonsgløding ved ca. 600–700 °C.

For aluminiumlegeringer foregår gløding ved vesentlig lavere temperaturer enn for stål, ofte i temperaturområdet 400–600 °C.

For spesielle formål kan gløding kombineres med annen behandling av metallet. Noen eksempler er gløding i vakuum for å fjerne oppløste gasser, eller gløding i et magnetfelt for å forbedre mekaniske egenskaper.

Herding av metalliske materialer er behandling som gjøres for å øke styrken og hardheten til materialet. Dette skjer for eksempel ved omvandling av krystallstruktur (stål), utskilling av partikler, innlegering av andre grunnstoffer i fast løsning og kaldbearbeiding (arbeidsherding).

For stål kan alle disse herdemekanismene opptre, for aluminium de tre siste.

Anløpning er betegnelsen på to ulike prosesser.

  1. Varmebehandling av herdet stål ved en temperatur under omvandlingstemperaturen for å øke stålets duktilitet og seighet uten vesentlig reduksjon av styrke. Under avkjølingen dannes martensitt, som ved anløpning i temperaturområdet 250–650 °C går over til små sementittutfellinger i en ferritt-grunnmasse.

  2. Kjemisk prosess som farger metalloverflater, se korrosjon. Fargene som oppstår, skyldes interferens (lysbrytning) i tynne filmer av korrosjonsprodukter, vanligvis i form av oksider eller sulfider.

Isoterm varmebehandling er en prosess for å gi legeringer den strukturen man ønsker. Prosessen består av en gitt holdetid ved høy temperatur, deretter bråkjøling til en lavere temperatur og opphold ved denne temperaturen til en ønsket mengde strukturforandring er fullført, før materialet avkjøles til romtemperatur.

Noen eksempler på isoterm varmebehandling er bainittherding og patentering.

Viktige varmebehandlingsprosesser for stål, som herding, anløpning og gløding, har vært kjente, empiriske teknologier i flere tusen år. Innsikt i og forståelse av de underliggende, kompliserte mekanismene som frembringer de tilsiktede forandringer i stålets struktur og egenskaper, hadde imidlertid en lang vei å gå. Mye av dette kommer av at man ikke hadde tilgang på egnet måleutstyr som kunne vise hvilke strukturendringer som foregikk under varmebehandlinger av legeringer av ulike slag. Først når man fikk mikroskop som førte til at man kunne se strukturendringer på preparerte prøver etter varmebehandlingsprosesser hvor man kunne måle temperatur, fikk man et mer solid grunnlag for bygging av teorier.

Relevante undersøkelser kom først for alvor i gang i siste del av den industrielle revolusjon, da arbeider av H .C. Sorby, A. Martens, F. Osmond, W.C. Roberts-Austen og andre markerte oppbyggingen av den nye vitenskapen om metallografi og fysikalsk metallurgi.

Jernets allotropi, som danner det teoretiske grunnlaget for de fleste varmebehandlingsprosesser i stål, ble først endelig utredet og akseptert på begynnelsen av 1900-tallet, da røntgendiffraksjon ble tilgjengelig som et revolusjonerende, fysikalsk verktøy. Et arbeid av E. S. Davenport og E. C. Bain i 1930, om isoterm omvandling av stål, representerer et viktig utviklingsskritt i kunnskap om og forståelse av de forskjellige strukturene som fremkommer når austenitten i stål omdannes, avhengig av temperaturen.

I 1906 fant den tyske ingeniøren Alfred Wilm ved en tilfeldighet ut at styrken kunne økes i en legering av aluminium, 4 prosent kobber og 0,5 prosent magnesium etter først en varmebehandling ved 520 °C, og deretter rask avkjøling etterfulgt av lagring ved romtemperatur. Dette er noe som senere er betegnet som utfellingsherding, og det ble først forklart i 1919 av P.D. Merica, R.G. Waltenberg og H. Scott. I løpet av kort tid ble det avdekket at den samme type varmebehandling var virksom for andre aluminiumlegeringer, stål og andre legeringer. Den fullstendige forklaringen på hvorfor og hvordan varmebehandlingen forandrer metallstrukturen, måtte imidlertid vente til årene etter 1950, da strukturene etter varmebehandlingene kunne studeres i elektronmikroskop.

Studier av deformasjon av metaller av J.A. Ewing og W. Rosenhain i 1899 viste relasjoner mellom krystallstruktur og sliplinjer på overflaten. I 1934 ble den teoretiske mekanismen for plastisk deformasjon forklart av G.I. Taylor, E. Orowan og M. Polanyi, som bevegelse av dislokasjoner på utvalgte krystallplan. Senere har utvikling av nye røntgenmetoder og elektronoptiske metoder vist hvordan dislokasjoner er virksomme ved plastisk deformasjon og hvordan hindringer av dislokasjoners bevegelser fører til styrkeøkning etter varmebehandlinger som for eksempel gir utfellingsherding og herding etter allotrope omvandlinger.

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.