Metallien lämpökäsittely

Metallien lämpökäsittely on prosessi, jossa kappale ensin kuumennetaan ja jäähdytetään hallitusti, jotta saadaan kappaleelle toivottu mikrorakenne. Mikrorakenne vaikuttaa metallien ominaisuuksiin kuten metallien kovuuteen, sitkeyteen, lujuuteen ja kulutuksen kestävyyteen. Lämpökäsittelyprosesseja on useita kuten teräksille on mm. karkaisu, normalisointi, nuorrutus, päästöhehkutus, rekristallisointi, perlitointi, bainitointi, pintakarkaisu, myöstö, pehmeäksihehkutus ja vedynpoistohehkutus. 

Lämpökäsiteltyjä esimerkkiosia ja tuotteita

Lämpökäsittelyjä käytetään yleisesti metalliteollisuudessa. Eri metalleja kuten teräksiä, ruostumattomia teräksiä, valurautoja ja alumiineja voidaan lämpökäsitellä. Esimerkiksi hammaspyörät, akselit ja puukkojen terät ovat lämpökäsiteltyjä.

Hammaspyörät ja rattaat ovat usein lämpökäsiteltyjä.

Lämpökäsittelyt suoritetaan yleisesti uuneissa.

Lämpökäsittelyssä oleva kappale ei sula.

Lämpökäsittely prosessina

Metallien ominaisuuksiin vaikuttaa koostumus ja rakenne. Lämpökäsittelyllä pyritään vaikuttamaan metallien mikrorakenteeseen. Lämpökäsittelyn aikana kappale ei sula, vaan kappale joko kokonaan kuumennetaan tai ainoastaan kuumennetaan kappaleen pinta. Kuumennuksen aikana mm. kappaleen mikrorakenne järjestäytyy uudelleen, jäännösjännitykset laukeavat ja vety poistuu kappaleesta. Lämpökäsittelyssä on oleellista on teräslaadulle sopiva lämpötila, kappaleen kuumennusaika sekä jäähtymisnopeus. Lämpökäsittelyt suoritetaan uunissa ja jäähdytys eli sammutus voi olla esimerkiksi ilmajäähdytys, jäähdytys öljyyn, veteen tai jäähdytys uunissa. Uuneja on myös useita eri vaihtoehtoja kuten panosuuni, läpivetouusi, kellouuni, leijupeti ja tyhjiöuuni. Uuni voi myös olla kontrolloidulla atmosfäärillä. 

Useimmissa lämpökäsittelyissä teräs kuumennetaan austeniittialueelle, joka saavutetaan yleensä noin 900-1400 ℃ lämpötilassa riippuen teräslaadusta. Austeniittialueella tapahtuu teräksessä faasimuutos ja muodostunut austeniitti voi mm. liuottaa enemmän hiiltä.  Jäähdyttämistapa austeniittialueelta määrää myös kappaleen lopullisen mikrorakenteen. Esimerkiksi nopeutettu jäähdytys muodostaa kovaa, mutta haurasta martensiittia ja hallitulla jäähdytyksellä voidaan saada esimerkiksi perliittiä tai bainiittia. Lämpötilat riippuvat teräslaadusta. Erityisesti hiilen määrä, mutta myös muiden seosaineiden määrä vaikuttaa lämpötiloihin. 

Erilaiset lämpökäsittelyt

Lämpökäsittelyt voidaan karkeasti jakaa hehkutuksiin, karkaisuihin ja päästöihin, nuorrutukseen, pintakarkaisuun, typetykseen, kylmäkäsittelyihin, valurautojen ja valuterästen lämpökäsittelyihin, ruostumattomien terästen lämpökäsittelyihin ja alumiiniseosten lämpökäsittelyihin. 

Hehkutus

Hehkutuksella teräs lämmitetään sopivaan lämpötilaan yleensä austeniittialueelle, jolloin teräksen mikrorakenne muuttuu. Hehkutuksen tavoitteena on helpottaa tuotteen muokkaamista ja käsittelemistä. Erilaisia hehkutuksia ovat mm. myöstöhehkutus, normalisointi, pehmeäksihehkutus, rekristallisaatiohehkutus, tasaushehkutus ja vedynpoistohehkutus. Hehkutuksia tilatessa on hyvä olla kappaleen piirustus, tieto aiemmista lämpökäsittelyista ja muista käsittelyistä kuten tuotteen mahdolliset pintakäsittelyt. Listassa alla on kerrottu erilaisista hehkutuksista.

• Myöstöhehkutuksella eli jännitystenpoistohehkutuksella pyritään vähentämään kappaleen sisäisiä jännityksiä, joita muodostuu mm. kylmämuokkauksessa, työstöissä, valuissa, hitseissä ja nopeassa jäähdytyksessä.
• Normalisointi on prosessi, jolla pyritään tasaamaan sisäistä rakennetta eli hienontaa raekokoa ja poistaa aikaisempien lämpökäsittelyjen vaikutuksia. Normalisoinnilla parannetaan terästen lastuttavuutta, iskusitkeyttä ja poistetaan aiheutunutta karkearakeisuutta. Normalisointia käytetään yleensä < 0,8 % hiiltä sisältäville teräksille.
• Pehmeäksihehkutuksella parannetaan teräksen soveltuvuutta muovaavaan ja lastuavaan työstöön. Pehmeäksihehkutus soveltuu teräksille, jotka sisältävät hiiltä yli 0,3 %.
• Rekristallisaatiohehkutus eli rekristallisointihehkutus on menetelmä, jota käytetään pehmentämään kylmämuokkauksessa lujittuneita kappaleita. Rekristallisaatiohehkutuksella palautetaan teräkselle alkuperäiset ominaisuudet. Vaihtoehtona rekristallisoinnille on normalisointi, varsinkin jos muokkausaste on pieni.
• Tasaushehkutuksen tavoitteena on saada mahdollisimman tasainen koostumus teräkselle eli liuottaa teräkseen muodostuneet suotaumat ja erkaumat takaisin teräksen matriisiin. Tasaushehkutusta käytetään yleisesti valuille ja runsaasti seostetuille teräksille. Seosaineet ja epäpuhtaudet kuten rikki, hiili, fosfori, nikkeli, mangaani, pii ja kromi ovat voimakkaasti suotautuvia aineita.
• Vedynpoistohehkutuksella on tarkoitus poistaa vetyä teräksestä. Vety voi aiheuttaa kappaleeseen vetyläikkiä, kaasuonkaloita ja halkeamia, jotka voi heikentää kappaleen toimivuutta. Vetyä voi liueta kappaleeseen esimerkiksi pintakäsittelyssä ja hitsauksessa. Altius vetyhaurauteen pintakäsittelyssä kasvaa teräksen lujuuden myötä. 

Karkaisu ja päästö 

Karkaisulla ja päästöllä pyritään lisäämään teräksen kovuutta, lujuutta ja sitkeyttä. Karkaisussa teräs kuumennetaan austeniittialueelle ja jäähdytetään nopeasti, jolloin teräkseen saadaan martensiittinen rakenne. Martensiittinen rakenne on hyvin kovaa, mutta haurasta. Päästössä kappale lämmitetään uudelleen alempaan lämpötilaan, jolloin kappaleen sitkeys kasvaa merkittävästi, mutta kovuus hieman alenee. Päästön lämpötiloilla voidaan määrittää sopiva sitkeyden ja lujuuden yhdistelmä. 

Pintakarkaisu

Pintakarkaisulla pyritään saamaan kappaleelle suurta kovuutta pintaan ja säilyttää muuten materiaalin sitkeys. Pintakarkaisu aiheuttaa myös puristusjännityksen kappaleen pintaan, joka parantaa väsymislujuutta. Pintakarkaisu voidaan toteuttaa hiiletyskarkaisulla, induktiokarkaisulla tai typetyksellä. Eri menetelmillä voidaan saada eri paksuuksia pintakarkaisuja aikaaan kuten 0,2 mm:stä yli 5 mm. Hiiletyskarkaisussa kappaletta hehkutetaan väliaineessa, joka luovuttaa hiiltä. Pinnan hiilipitoisuus kasvaa ja pinta kovenee. Hiiletyskarkaisussa saadaan 59-63 HRC pinnankovuus aikaan, sekä erinomainen pintapaineen kesto, hyvä taivutusväsymislujuus ja hyvät pinnan liukuominaisuudet. Induktiokarkaisussa kappaletta kuumennetaan induktion avulla ja kappale jäähdytetään nopeasti. Induktiokarkaisulla saadaan noin 55-60 HRC pinnankovuuksia, hyvät pintapaineen kestokyky sekä taivutuväsymislujuus, mutta pinnan liukuominaisuudet ovat heikot ja pinnassa on repeilyvaara. 

Typetys

Typetys eli nitraus on menetelmä, joka soveltuu lähes kaikille teräksille. Typetyksessä typpeä johdetaan kappaleen pintaan, johon muodostuu nitridikerros. Pinnan kovettuminen tapahtuu siis liuoslujittamisella. Typetys on mittatarkka menetelmä, joka suoritetaan matalassa lämpötilassa. Typetysmenetelmiä on useita kuten kaasutypetys, hiilitypetys, alipainetypetys, suolakylpytypetys ja plasmatypetys. Typetyksen lisäksi kappale voidaan vielä hapettaa eli mustanitrata. Typetyksen etuina on vähäiset mittamuutokset, hyvä pinnan taivutusväsymislujuus, kohtalainen pintapaineen kestokyky ja erinomaiset liukuominaisuudet. 

Nuorrutus

Nuorrutus on menetelmä, jossa kappale ensin karkaistaan, sammutetaan ja päästetään 500-700 ℃ lämpötilassa. Nuorrutuksella saadaan hyvä lujuuden ja sitkeyden yhdistelmä aikaan. Nuorrutusteräkset ovat standardoituja ja yleisesti teräkset on nuorrutettu jo tehtaalla. Nuorrutusta tilatessa on hyvä tietää materiaali, aiemmat lämpökäsittelyt, muut käsittelyt ja myötölujuus.

Perlitointi ja bainitointi

Perlitointi ja bainitointi ovat samankaltaisia menetelmiä, jossa teräs ensin kuumennetaan austeniittialueelle ja siirretään sen jälkeen sopivaan lämpötilaan, jolloin kiderakenne muuttuu perliitiksi tai bainiitiksi. Perlitoinnilla pyritään parantamaan teräksen lastuttavuutta ja bainitoinnilla parannetaan teräksen sitkeyttä.

Metallien kylmäkäsittelyt

Metallien kylmäkäsittelyihin kuuluu mm. pakkaskarkaisu ja kryokäsittely. Pakkaskarkaisulla voidaan vaikuttaa esimerkiksi jäännösausteniitin määrään ruostumattomissa teräksissä. Pakkaskarkaisussa kappale jäähdytetään karkaisun jälkeen noin -70 ℃ lämpötilaan ja päästetään pariin kertaan. Kryokäsittelyllä voidaan poistaa jäännösjännityksiä ja parantaa kappeleen kulumiskestävyyttä. Kryokäsittelyssä kappale jäähdytetään alle -190 ℃ lämpötilaan. 

Valurautoja ja valuterästen, ruostumattomien terästen ja alumiiniseosten lämpökäsittelyt

Valurautojen lämpökäsittelyihin kuuluu mm. adusointi, austemperointi, ferritointi, nuorrutus, pehmeäksihehkutus, perlitointi, pintakarkaisut ja myöstö. Valuterästen lämpökäsittelyihin kuuluu mm. jännityksen poistohehkutus, karkaisu ja päästö, normalisointi, nuorrutus, pehmeäksihehkutus, hiiletyskarkaisu, erkautuskarkaisu ja bainitointi.

Ruostumattomien terästen lämpökäsittelyt riippuvat teräksen päätyypistä. Päätyypit ovat  austeniittinen, ferriittinen, martensiittinen ja austeniittis-ferriittinen (duplex). Taulukkoon alla on listattu päätyypeille sopivia lämpökäsittelyjä.

Alumiiniseoksista yleisimmin 2000-, 5000-, 6000-, ja 7000-sarjojen alumiineja lämpökäsitellään. Alumiiniseosten lämpökäsittelyjä ovat mm. erkautuskarkaisu (liuotushehkutus ja vanhennus), jännitystenpoistohehkutus, pehmennyshehkutus ja tasaushehkutus. 

Lämpökäsittely suunnittelun ja valmistuksen kannalta

Osa lämpökäsittelyistä tehdään jo tehtaalla ja teräs myydään valmiina materiaalina, mutta kylmämuokkaukset ja muut käsittelyt voivat vaikuttaa tuotteen tarpeeseen uudelleen lämpökäsitellä. 

Kappaleiden lämpökäsittelyä tilatessa on hyvä ilmoittaa tuotetta koskevat tiedot. Tietoja voi olla esimerkiksi toivottu lämpökäsittely, materiaali, aikaisemmat lämpökäsittelyt, muut käsittelyt kuten pintakäsittelyt, toivottu kovuus tai lujuus, suojattavat kohdat kappaleessa ja muut käsittelykohtaiset tiedot kuten typetysmenetelmä, pintakovuus ja toleranssit. 

Lämpökäsittelyjen vaatimukset ja rajoitteet

Onnistuneen lämpökäsittelyn edellyksiä on mm. lämpötilan tarkka hallinta, joka pitää sisällään kuumennuksen, pidon ja jäähdytyksen, uunin atmosfäärin hallinta suojakaasuineen ja kappalekohtaisten pitoaikojen hallinta. Pitoaika riippuu mm. kappaleen koosta ja muodosta. Lämpökäsittely voi myös epäonnistua. Tyypillisimpiä virheitä ovat mm. ei-toivottu mikrorakenne, jäännösjännitykset, kappaleen taipuilu, hiilenkato ja hapettuminen sekä hilseily.

Lämpökäsitellyn tuotteen ulkonäkö

Lämpökäsittelyllä ei ole tarkoitus muuttaa kappaleen ulkonäköä, mutta osa lämpökäsittelyistä saattaa muuttaa kappaleen ulkonäköä, sävyä tai kokoa. Esimerkiksi typetys ja hapetus voivat muuttaa pinnan sävyä.