De elektriska, magnetiska och strukturella egenskaperna hos metaller kan förändras genom värme. Eftersom användningsområdena för metall är varierande prioriterar olika miljöer olika kvaliteter. Till exempel i tekniska tillämpningar önskas seghet; i elektriska applikationer är låg elektrisk resistivitet viktigt.
Det finns ett antal sätt att värma metall som vanligtvis används för att omvandla dessa egenskaper. Temperaturen till vilken metallen värms upp och kylhastigheten kontrolleras noggrant för att uppnå önskat resultat.
Effekten av värme på metalluppvärmning
De viktigaste sätten att metaller omvandlas genom värme:
- Elektrisk resistans
- Termisk expansion
- Struktur
- Magnetism
Elektrisk resistans
Elektrisk resistans är måttet på hur starkt metallen hindrar passage av elektrisk ström. När elektroner passerar genom metallen sprids de när de kolliderar med metallstrukturen. När metallen värms upp absorberar elektronerna mer energi och rör sig snabbare. Detta leder till mer spridning, vilket ökar mängden motstånd. Termometrar använder faktiskt förändringen i elektriskt motstånd i en tråd för att mäta temperaturen.
Termisk expansion
Metall expanderar vid upphettning. Längd, yta och volym ökar med temperaturen. Den vetenskapliga termen för detta är termisk expansion.
Graden av termisk expansion varierar med olika typer av metall. Termisk expansion uppstår eftersom värme ökar vibrationerna hos atomerna i metallen. Att ta hänsyn till termisk expansion är viktigt när man designar metalliska strukturer. Ett vardagligt exempel skulle vara designen av hushållsrör, som måste rymma expansion och sammandragning när årstiderna förändras.
Struktur
Metaller består av en symmetrisk struktur av atomer som kallas en allotrop. Uppvärmning av metallen kommer att förskjuta atomer från sin position och de förskjutna atomerna bildar en ny struktur.
Denna process är känd som allotrop fastransformation. Allotrop fasomvandling förändrar metallens hårdhet, styrka och duktilitet. Den viktigaste allotropa fasomvandlingen genomgår av järn. När järn värms upp över 1 674 grader Fahrenheit (912 grader celcius) kan det absorbera mer kol, vilket är en ingrediens som kommer att öka hårdheten hos alla stålprodukter. Denna önskade effekt används i flera typer av stål med hög kolhalt (över 0,50 kol).
Magnetism
Det finns tre metaller med magnetiska egenskaper: järn, nickel och kobolt. De är kända som ferromagnetiska metaller.
Uppvärmning av dessa metaller kommer att minska deras magnetisering till den punkt där magnetismen är helt borttagen.
Temperaturen vid vilken detta inträffar är känd som Curie-temperaturen. För nickel är denna temperatur 626 grader Fahrenheit (330 celcius); för kobolt är det 2 012 grader Fahrenheit (1100 celcius); och för järn är det 1 418 grader Fahrenheit (770).
Värmebehandling
Värmebehandling är en process utformad för att ändra metallens egenskaper för att bättre passa dess avsedda användning. De viktigaste typerna av värmebehandling är:
- Glödgning
- Normaliserande
- Härdning
- Härdning
Glödgning
Glödgning används ofta för att mjuka upp metaller inklusive järn, stål, koppar, mässing och silver. Processen innebär att metallen värms upp till en specifik temperatur och sedan låter den svalna långsamt med en kontrollerad hastighet.
Glödgning förändrar metallens fysikaliska och kemiska egenskaper för att öka duktiliteten och minska hårdheten. Detta underlättar formnings-, stämplings- eller formningsprocesser och gör att metallen kan skäras lättare. Glödgning förbättrar också den elektriska ledningsförmågan.
Normaliserande
Normalisering appliceras på legeringar för att ge enhetlighet i kornstorlek och sammansättning. Metallen värms upp till en fördefinierad temperatur och kyls sedan med luft. Den resulterande metallen är fri från oönskade föroreningar och uppvisar större styrka och hårdhet.
Normalisering används ofta för att producera ett hårdare och starkare stål, om än ett som är mindre duktilt än det som produceras av glödgning. Normaliseringsprocessen utförs vanligtvis på material som kommer att utsättas för bearbetning, eftersom processen har förbättrat denna egenskap.
Härdning
Härdning appliceras på stål och andra legeringar för att förbättra deras mekaniska egenskaper. Under härdningen värms metallen upp till en hög temperatur och denna temperatur bibehålls tills en andel kol har lösts upp. Därefter kyls metallen, vilket innebär att den snabbt kyls i olja eller vatten.
Härdning ger en legering som har hög hållfasthet och slitstyrka. Men härdning kommer också att öka sprödheten och är inte lämplig för tekniska tillämpningar. När det finns ett behov av att ha ytan på komponenten tillräckligt hård för att motstå slitage och erosion, samtidigt som duktiliteten och segheten bibehålls för att motstå stöt- och stötbelastning – skulle ythärdning användas.
Härdning
Härdning appliceras på stål där duktilitet önskas. Ohärdat stål är mycket hårt men för sprött för de flesta praktiska tillämpningar. Anlöpning är en värmebehandlingsprocess vid låg temperatur som normalt utförs efter härdning (neutral härdning, dubbelhärdning, atmosfärisk uppkolning, karbonitrering eller induktionshärdning) för att uppnå ett önskat förhållande mellan hårdhet och seghet.
Processen går ut på att värma upp stål till en lägre temperatur för att minska en del av hårdheten. Metallen får sedan svalna i stillastående luft vilket resulterar i ett segare och mindre sprött stål.
