Metallien lämpökäsittelyn olennainen vaihe on sammutus, jossa metallikappale jäähdytetään nopeasti, jotta saadaan aikaan tai muutetaan ominaisuuksia, kuten kovuutta, lujuutta tai sitkeyttä.

Nopea jäähdytys lyhentää metallin altistumisaikaa korkeille lämpötiloille ja suojaa sitä vioilta. Lisäksi metalli voi muuttua käyttömenetelmästä ja väliaineesta riippuen.

Ilma, öljy, vesi ja suolavesi ovat muutamia tyypillisiä sammutusaineita.

Öljyä käytetään laajalti sammutukseen, koska se siirtää lämpöä nopeasti ilman, että metalli vääntyy merkittävästi. Vaikka vesipohjaiset syövyttävät sammutusaineet ovat nopeampia, niiden käyttämä voima voi aiheuttaa joidenkin materiaalien särkymistä tai vääntymistä.

Öljyn ja veden välinen ero on artikkelin pääkysymys.

Mikä on sammutusprosessi?

Sammutus on nopea jäähdytysprosessi, joka johtaa materiaalien kovettumiseen. Sammutusnopeus riippuu materiaalin laadusta, käyttökohteesta ja seosaineiden koostumuksesta. Lisäksi siihen vaikuttavat myös useat sammutusaineen ominaisuudet.

Teoriassa ennen sammuttamista metalli- tai lasimateriaalia kuumennetaan yli sen vakiolämpötilan. Sen jälkeen se jäähdytetään nopeasti, jotta lämpö poistuu välittömästi. Se auttaa muuttamaan materiaalin kiderakenteessa niitä ominaisuuksia, jotka menetetään kuumennuksen aikana.

Jotta metalli tai lasi muuttuisi kovemmaksi ja jäykemmäksi esineenä, ne usein sammutetaan. Esineen sammutuslämpötilan tulisi aina olla kiteytymislämpötilan yläpuolella mutta sulamislämpötilan alapuolella.

Sammutusprosessin vaiheet

Kaksi ihmistä työskentelee teräksen sulatusaltaan ympärillä

Sammutuksessa on tyypillisesti kolme vaihetta, jotka tapahtuvat, kun kuuma kappale lähestyy nestemäistä sammutusainetta. Nämä vaiheet määrittävät muutoksen sammutusaineen ja materiaalin ominaisuuksissa. Nämä kolme vaihetta ovat:

• Höyryn vaihe
• Nukleaatin kiehumisvaihe
• Konvektiovaihe

Tarkastellaan niitä nyt perusteellisesti.

Höyryn vaihe

Höyrystymisvaihe tulee kyseeseen, kun komponentin kuuma pinta joutuu ensimmäiseen kosketukseen nestemäisen sammutusaineen kanssa. Sen seurauksena elementin ympärille muodostuu höyrysuojus. Johtumista tapahtuu jossain määrin höyrystymisvaiheen aikana.

Tämän vaiheen ensisijainen lämmönsiirtotapa on kuitenkin säteily höyrypeitteen läpi. Muodostunut peitto on suhteellisen stabiili.

Ainoa keino nopeuttaa sen poistumista on sekoittamalla tai lisäämällä erilaisia lisäaineita. Lisäksi tämä vaihe on suotavaa tehdä mahdollisimman lyhyeksi.

Syynä on se, että se vaikuttaa merkittävästi pehmeisiin alueisiin, jotka kehittyvät sammutuksen aikana. Näin ollen ei-toivottuja mikrokomponentteja voi kehittyä, jos niiden annetaan jatkua.

Nukleaatin kiehumisvaihe

Se on toinen vaihe höyryvaiheen jälkeen. Se alkaa, kun lähempänä materiaalin pintaa oleva neste alkaa kiehua ja höyryvaihe alkaa romahtaa. Se on nopein vaihe kyseisen komponentin jäähdyttämisessä.

Lämmön siirtyminen lämmitetystä pinnasta ja sen jälkeinen imeytyminen nestemäiseen sammutusaineeseen mahdollistavat huomattavan lämmöntalteenoton. Se mahdollistaa jäähdytetyn nesteen siirtymisen pinnalle.

Useat sammutusaineet sisältävät lisäaineita, jotka lisäävät nesteen maksimijäähdytysnopeutta. Kiehuminen loppuu, kun komponentin pintalämpötila laskee nesteen kiehumispisteen alapuolelle.

Vääntymiselle alttiiden komponenttien osalta väliaineet, kuten korkean lämpötilan öljyt ja suolat, tuottavat hyviä tuloksia. Muuten materiaalit saattavat haurastua ja vaurioitua nopeasti haluttujen sovellusten aikana.

Konvektiivinen vaihe

Konvektio on prosessin viimeinen vaihe. Se tapahtuu, kun materiaali saavuttaa lämpötilan, joka on alhaisempi kuin sammutusaineen kiehumispiste. Konvektiovaiheessa tapahtuu lämmönsiirto irtotavarana olevan nesteen läpi, ja sen lähtökohtana on johtuminen.

Se on hitain vaihe, koska lämmönsiirto kestää kauan ennen kuin se saavuttaa kaikki molekyylit irtotavaran sisällä. Lämmön poistumisen hallintaan konvektion avulla liittyy monia muuttujia, kuten sammutusaineen ominaislämpö ja lämmönjohtavuus.

Sammutusaineen ja materiaalin välinen lämpötilaero voi vaikuttaa konvektioprosessiin. Yleensä suurin osa vääristymistä tapahtuu tässä vaiheessa.

Edellä mainitut kolme sammutusvaihetta tapahtuvat järjestyksessä tietyssä paikassa. Kappaleen geometriasta ja sekoituksesta riippuen eri alueilla eri vaiheet alkavat kuitenkin eri aikoina.

Sammutusprosessin kolme vaihetta

Sammutusaineet

Sammuttaminen tapahtuu minkä tahansa väliaineen avulla, ja seuraavassa on luettelo neljästä eri väliaineesta. Jokaisella on hyvät ja huonot puolensa, jotka riippuvat sen ominaisuuksista, kosketuksissa olevista elementeistä, ajasta, lämmönsiirtolakeista ja suhteista.

1. Ilma: Normaalin ympäristön lämpötilan käyttäminen lämmitetyn materiaalin jäähdyttämiseen.
2. Suolaliuos: Suolan ja veden liuos on nopein jäähdytysaine sammutettaessa.
3. Öljy: Luotettava ja nopeampi sammutusvaihtoehto ilmalle.
4. Vesi: Sammuttaa nesteet nopeammin kuin ilma tai öljy.

Vaikka kirjallisuudessa on runsaasti tietoa edellä mainituista väliaineista, tarkastellaan kahta tärkeintä, öljyä ja vettä.

Veden sammuttaminen

Vedellä on se ominaisuus, että se jäähdyttää materiaalin nopeammin kuin öljy ja ilma. Veden avulla tapahtuva sammutus on siis nopeatempoinen prosessi.

• Suolavedellä tapahtuva sammutus reagoi jäähdytyksessä huomattavasti ankarammin kuin mikään muu menetelmä, joten veden liotus on tehokkain menetelmä.
• Ennen tätä prosessia veden on oltava huoneenlämpöistä tai halutussa lämpötilassa. Kun lämmitetty materiaali laitetaan jäähdytysveteen, se vaihtaa vaiheita vaiheiden mukaan.
• Vesikyllästyksessä tulokset saadaan nopeammin. Toinen etu on, että se on nopea jäähdytysmenetelmä. Siksi se on edullisin sekä rahallisesti että ajallisesti. Nopeaan tulokseen liittyy kuitenkin tietenkin myös merkittäviä haittoja.
• Nopean tai välittömän nopeuden haittana ovat jäykät, hauraat ja helposti rikkoutuvat lopputuotteet. Sammutettua materiaalia voidaan pitää joko hyvälaatuisena tai huonolaatuisena.
• Vedellä sammuttaminen on käyttökelpoinen vaihtoehto teräksen karkaisussa. Syynä on se, että teräksellä on ainutlaatuinen jäähdytystapa, joka voidaan saavuttaa veden avulla. Hiiltynyt teräs lämpenee uudelleenkiteytymislämpötilansa yläpuolelle.
• Jäähdyttämällä terästä välittömästi vesikyllästys estää teräksen sulamisen tässä vaiheessa, jolloin se muuten sulaisi, jos sitä ei pysäytettäisi. Siksi vesikyllästys soveltuu teräkselle paremmin kuin muut väliaineet.

Öljyn sammutus

Yksi suosituimmista sammutustekniikoista metallin sammutuksen alalla on öljykarkaisu. Optimaalinen menetelmä metalliseosten kovettamiseen antaa niille tarvittavan kovuuden ja voiman ilman, että ne jäykistyvät ja haurastuvat prosessin aikana.

Öljykylvyssä on useita etuja, mutta tärkein niistä on se, että se lämpenee hitaammin kuin muut sammutusaineet ja jäähtyy pidempään, mikä antaa lämmitetylle materiaalille enemmän vakautta ja kovettumisaikaa.

Lisäksi tämä takaa sen, että sammutettu materiaali ei ole liian haurasta ja että se kestää täydellisesti. Siksi se on parempi kuin vesi-, ilma- tai suolavedellä tapahtuva menetelmä, koska se vähentää sammutetun metallin rungon vääristymisen tai halkeilun mahdollisuutta.

Sammutus on nopea jäähdytysprosessi

Veden ja öljyn sammuttamisen välinen ero

Vesi ja öljy ovat kaksi erityyppistä väliaineita. Molemmat eroavat toisistaan joiltakin osin ja käyttäytyvät eri tavoin sammutuksessa. Seuraavassa taulukossa on yhteenveto näiden kahden väliaineen eroista.

Veden sammutus vs. öljyn sammutus

Päätelmä

• Nopea jäähdytys, jota kutsutaan sammuttamiseksi, saa materiaalit kovettumaan. Teräksen laatu, käyttökohteet ja seosaineiden koostumus vaikuttavat kaikki sammutusnopeuteen.
• Aineen jäähtymisnopeus riippuu myös sammutusaineen ominaisuuksista. Tässä artikkelissa on korostettu öljy- ja vesiympäristöjä. Molemmat ovat ainutlaatuisia eri sovellusten mukaan.
• Öljy on hyvä sammutusaine, koska se siirtää nopeasti lämpöä muuttamatta metallia. Vaikka vesipohjaiset syövyttävät sammutusaineet ovat nopeampia, niiden teho voi rikkoa tai vääristää joitakin materiaaleja.