धातूंचे उष्णता संस्करण : धातूची घन अवस्था कायम ठेवून उष्णतेच्या साह्याने तिच्या संरचनेत हवा तसा बदल घडवून आणण्याची प्रक्रियेत धातूचे तापमान पाहिजे तितके वाढविणे, तिला जरूर तितका वेळ त्या तापमानात राहू देणे व नंतर तिचे तापमान ठराविक क्रमाने कमी करीत जाणे वगैरे क्रियांचा समावेश होतो. उष्णता संस्करणाने धातूच्या स्फटिकांची रचना आणि कणांचा आकार बदलता येतो. धातूचे भौतिक गुणधर्म तिच्या अंतर्गत सूक्ष्म संरचनेवर अवलंबून असतात. ही सूक्ष्म संरचना बदलून धातूची कठिनता, तन्यता (तार काढता येण्याची क्षमता), स्थितिस्थापकता (लवचिकपणा), चिवटपणा, प्रसरणशीलता वगैरे गुणधर्म बदलता येतात अंतर्गत विषमता नाहीशी करता येते व स्थानिक ताण किंवा संपीडन (आकुंचन) काढून टाकता येते. कित्येक धातूंमध्ये बहुरूपता (एकापेक्षा अधिक अवस्था असण्याचा गुणधर्म) असते. हे व्युत्क्रमी म्हणजे पुन्हा पूर्व स्थितीत नेता येणारे संरचना बदल विशिष्ट तापमानातच होतात व त्याच वेळी त्या धातूंचे गुणधर्मही बदलतात. उष्णता संस्करणात शक्य तेथे धातूचे प्रथम समांगी (सर्वत्र सारखा) घन विद्राव (दोन अगर अधिक घन घटकांचे समांगी मिश्रण) घडवून नंतर तिच्या सूक्ष्म संरचनेत पाहिजे तसा बदल घडवून आणणे, हा प्रमुख हेतू असतो. लोहाराने ठोकून तयार केलेली सुरी चांगली कार्यक्षम व धारदार होण्यासाठी तिला पाणी द्यावे लागते. तसेच ओतीव, घडीव व लाटीव धातूंना कर्तनसुलभ करण्यासाठी द्रव अवस्थेतून एकदम घन अवस्थेत गेल्यामुळे किंवा इतर कोणत्याही कारणाने उत्पन्न होणारे धातूतील अंतर्गत ताण नष्ट करण्यासाठी एकाच भागात निरनिराळ्या ठिकाणी निरनिराळे गुण उत्पन्न करण्यासाठी पृष्ठभागात बाहेरची कार्बन, नायट्रोजन वगैरे द्रव्ये घुसवून त्याची कठिनता वाढविण्यासाठी स्प्रिंगेसारख्या घडीव आकाराच्या वस्तूंना स्थितिस्थापक बनविण्यासाठी मापके व मुद्रा (डाय) यांच्या आकाराला कायमपणा येण्यासाठी पत्रे आणि तारा यांचे ताणबल वा प्रसरणशीलता वाढविण्यासाठी आणि लोहचुंबक व रोहित्र (प्रत्यावर्ती म्हणजे उलटसुलट होणारा विद्युत् दाब बदलण्याचे उपकरण) अशा उपकरणामध्ये वापरण्याच्या लोखंडी तबकड्यांना विशिष्ट गुण येण्यासाठी उष्णता संस्करण करावे लागते लोखंडाला बहुरूपता असते त्यामुळे उष्णता संस्करणात पुष्कळ विविधता येते. उद्योगधंद्यांमध्ये लोखंड व पुष्कळ निरनिराळ्या प्रकारचे पोलाद या धातूंचा फार मोठ्या प्रमाणावर उपयोग होतो, त्यामुळे उष्णता संस्करण हे मुख्यतः पोलादी वस्तूंसाठीच विशेष प्रचारात आहे. लोखंडाची तीन रूपे त्यांच्या स्थिर अवस्थांच्या सीमा व त्यांचे विशेष गुणधर्म ही कोष्टक क्र. १. मध्ये दिली आहेत. तसेच लोखंडाच्या मुख्य प्रकारांचे थोडक्यात वर्णन खाली दिले आहे.
कोष्टक क्र. १. लोखंडाची विविध रूपे आणि त्यांचे गुणधर्म
|
गुणधर्म |
रूपे |
|
आल्फा α गॅमा γ डेल्टा δ |
|
|
स्फटिक संरचना शरीरकेंद्रित पृष्ठकेंद्रित शरीरकेंद्रित जालक स्थिरांक २·८६ ३·६५ २·९३ (Å अँगस्ट्रॉम एककात) कार्बनाची घन विद्राव्यता ०·००५ ते ०·००२२ % ०·८५ ते २·०० % ०·५२ % (९०५° से.) (१,४९९° से.) चुंबकत्व ७००° से. पर्यंत चांगले जवळजवळ नाही अल्प चुंबकीय ७००° से. पासून पुढे कमी व नंतर शून्य स्थिरावस्था सीमा ९१०° से.पासून खाली ९१०° से. च्या वर १,४००° से.ते १,५३९° से. -२७३° से. पर्यंत १,४००° से. पर्यंत (वितळण्यापर्यंत) विशिष्ट गुरुत्व ७·८७ ७·७० (९०५° से.) ७·३० (१,४२५° से.) वितळण्यापूर्वी |
|
लोखंडाचे प्रकार : लोखंडाच्या सूक्ष्म संरचना विविध प्रकारच्या असल्यामुळे लोखंडाचे अनेक प्रकार झाले आहेत. त्यांमध्ये (अ) फेराइट, (आ) सिमेंटाइट, (इ) ऑस्टेनाइट आणि (ई) पिअरलाइट असे मुख्य प्रकार असून मार्टेन्साइट, ट्रूस्टाइट, सॉरबाइट, स्फेरॉइडाइट वगैरे आणखीही काही प्रकार आहेत.
फेराइट : हे शुद्ध आल्फा लोह, जास्तीत जास्त ०·००५% घन विद्रावित कार्बन व काही वेळा सिलिकॉन, निकेल इ. सूक्ष्म प्रमाणातील इतर द्रव्ये यांचे मिश्रण असते. ते मऊ असते. त्याचे ताणबल ३० ते ३२ किग्रॅ./ मिमी.२. कठिनता १२० ते १४० ब्रिनेल अंक [ → कठिनता] व दीर्घीकरण ४० ते ६०% असते. त्याची अंतर्गत संरचना चांगली समांगी असून ते थंड किंवा गरम अवस्थेत सहज ताणता, वाकविता व घडविता येते.
सिमेंटाइट : (Fe3 C). हे लोखंड व कार्बन यांचे मिश्रण (कार्बाइड) असते व ते फार कठीण असते. त्याने काचेवर चरे पाडता येतात. हे मिश्रण पोलादामध्ये जास्त असले म्हणजे पोलाद अधिक कठीण होते व त्याचे ताणबलही वाढते. गॅमा रूपात याचे घन विद्रावण होते व आल्फा रूपात पोलादामध्ये त्याचे भिन्न अवस्थाक्षम अवक्षेपण (विद्रावातील बंदिस्त अवस्था सोडून घन कणांच्या रूपात बाहेर पडणे) होते.
ऑस्टेनाइट : हे गॅमा रूपातील लोखंड व ०—२% कार्बन (कार्बाइड) यांचा घन विद्राव आहे. ते सामान्यतः ९०५° से.च्या वर स्थिर असते. पण त्यात १३·०% मँगॅनीज व ८ ते १०% निकेल मिसळले, तर ते सामान्य तापमानातही स्थिर राहते. थंड व उष्ण अवस्थेत त्याला घडविणे व वाकविणे सोपे जाते. त्यात चुंबकीय गुण नाहीत. ते मऊ असले तरी थंड स्थितीत वारंवार ठोकले, तर कठीण होत जाते व त्याच्या सूक्ष्मसंरचनेत जुळी जात उत्पन्न होते.
पिअरलाइट : हे फेराइट व सिमेंटाइट यांचा एका ठराविक तापमानात (७२३° से. ला) ०·८४% कार्बन असणारा भिन्न अवस्थाक्षम अवक्षेप आहे. या अवस्थेत ते सूक्ष्मदर्शकातून पाहताना शिंपल्यावरील पट्ट्यांप्रमाणे एकाआड एक फेराइट व सिमेंटाइटाच्या लांबट पटलांच्या स्वरूपात दिसते.
पोलादातील वेगवेगळ्या गुणांचे दर्शन त्याच्यातील फेराइट, पिअरलाइट, सिमेंटाइट यांचे प्रमाण सीमांचा आकार इ. गोष्टींवर अवलंबून असते.
अनुशीतन : या उष्णता संस्करणात धातूचे तापमान जरूर तितके वाढवून मग धातू सावकाश थंड करतात. धातूचे काठिण्य कमी करणे आणि तिला मऊ, कर्तनक्षम बनविणे हा या संस्करणाचा मुख्य हेतू असतो. तांबे, पितळ, जस्त इ. लोहेतर धातू काही ठराविक तापमानावर तापविल्या म्हणजे त्यांच्या सूक्ष्म संरचनेत बदल होतो. ताणून लांबट झालेले कण, स्फटिकांच्या पृष्ठताणांची सोडवणूक झाल्यामुळे पुन्हा समकक्षी होऊन पूर्व स्थितीत येतात. निरनिराळ्या धातूंसाठी लागणारे तापमान कोष्टक क्र. २ मध्ये दिले आहे.
ताणलेल्या लोखंडाच्या तुकड्यातील फेराइटाचे कण हे एकाच दिशेत लांबट झालेले दिसतात. तो तुकडा ५४०° ते ५५०° से. तापमानाला काही वेळ तापविला असता ताणलेल्या स्फटिकांचे पुन्हा समकक्षी कण बनू लागतात.
कोष्टक क्र.२. निरनिराळ्या धातूंचे अनुशीतन तापमान
|
धातू तापमान (° से.) धातू तापमान (° से.) |
|
जस्तप्रधान मिश्रधातू १००–१२० ताम्रप्रधान मिश्रधातू ३००–४०० पितळ, कासे ३००–४०० क्युप्रोनिकेल ५५०–८०० मोनेल ८७०–९८० निकेल सिल्व्हर ५५०–८०० लोखंड ८५०–९५० इंकोनेल ९८०–१,०६० |
यासाठी तापमान जितके अधिक असेल तितका परिणामही अधिक होतो. पूर्ण समकक्षीयता येण्यासाठी ९०५° से. तापमान लागते. यावरून समकक्षीयता येण्यासाठी बहुरूपात जाणे आवश्यक नाही, हे दिसून येते परंतु पोलादाच्या बाबतीत बहुरूपता सहज शक्य असते आणि त्याचा गुणबदल व गुणसंवर्धन यांसाठी उपयोग होतो. म्हणून पोलादाच्या अनुशीतनात त्याचे तापमान बहुरूपता येण्याच्या तापमानापेक्षा (ए३ रेषेपेक्षा) ३०° ते ५०° से. अधिक ठेवावे लागते व त्या कक्षेत वस्तूच्या जाडीप्रमाणे २५ मिमी./तास याप्रमाणे तापन करून हळूहळू थंड करावे लागते. पोलादाला जितके अधिक नरम करावयाचे असेल तितका शीतनाचा वेग कमी करावा लागतो. गोळी धारवे (बॉल बेअरिंग) बनविण्याचे पोलाद, उच्चवेगी पोलाद इ. ताशी ५° ते १०° से. अशा दराने हळूहळू थंड करावे लागते. मऊ व मध्यम कार्बन पोलादासाठी ताशी ५०° से. उताराचा दर चांगला समजतात. शीतनाच्या दरातील विविधतेमुळे अनुशीतनाचे आणखी पोटभेद पडतात व निरनिराळ्या मिश्रणांच्या पोलादांना, निरनिराळे भौतिक गुण येण्यासाठी हे प्रकार वापरतात. ०·३ % किंवा त्यापेक्षा कमी कार्बन असलेल्या पोलादांना बहुरूप देणाऱ्या तापमानापेक्षा कमी तापमानावर तापवून त्यांच्या कणांमध्ये समकक्षीयता उत्पन्न करतात. साधी कल्हई किंवा जस्ताचा मुलामा चढविण्याचे पातळ पत्रे मऊ करण्यासाठी ही पद्धत सोईची असते.
चमकदार अनुशीतन पद्धतीत पोलादी पत्रे, दांडे, गज, सळया, दंड वगैरे भाग प्रथम चकचकीत करून मोठ्या पेटीत ठेवतात व ते भाग हायड्रोजन, नायट्रोजन अशा ऑक्सिडीकरण [→ ऑक्सिडीभवन] न होणाऱ्या वातावरणात तापवितात. नंतर ते हळूहळू थंड करतात. त्यामुळे त्या वस्तूंची पूर्वीची चकाकी तशीच कायम राहते.
नील-अनुशीतन पद्धतीत धातूचे भाग ऑक्सिडीकारक वातावरणात तापवितात. त्यामुळे पृष्ठभागावर ऑक्साइडाचा निळसर पापुद्रा तयार होतो. या पद्धतीने लहान समकक्षी कण तयार होतात व ते दीर्घ प्रसारणासाठी चांगले काम देतात. बिडाच्या कठीण व शुभ्र प्रकारासही अनुशीतन करून मऊ व चिवट बनविता येते. या प्रकारास वर्धनीकरण म्हणतात.
अनुशीतन क्रियेत पोलाद अवस्थांतर तापमानापेक्षा ३०° ते ५०° से. अधिक तापमानात तापवून भट्टीतच (भट्टी बंद करून) हळूहळू थंड होऊ देतात. ही क्रिया ओतीव पोलादातील अंतर्गत प्रतिबलांच्या (विकृती निर्माण करणाऱ्या प्रेरणांच्या) विसर्जनासाठी आणि घटकांच्या व संरचनेच्या समांगीकरणासाठी वापरतात. आ. १ मध्ये कार्बनाचे वेगवेगळे प्रमाण असलेल्या पोलादास लागणारे अनुशीतन तापमान तीत दाखविलेल्या तापमान कक्षेवरून समजते.
प्रतिबल विसर्जन अनुशीतन : धातूंचे वितळजोडकाम (वेल्डिंग) करताना द्रवरूपाचे एकदम घनरूप होते व जोडाच्या भागात अंतर्गत ताण उत्पन्न होतात. त्यामुळे हे जोड फाटण्याची भीती असते. यासाठी असे जोड ५५०° ते ६६०° से.पर्यंत तापवून सावकाश थंड करतात. या संस्करणाने जोडातील अंतर्गत ताण नाहीसे होतात. या पद्धतीला प्रतिबल विसर्जन अनुशीतन म्हणतात. मापनाची प्रमाण उपकरणे व मुद्रा यांना आकारस्थैर्य येण्यासाठी −४०° से. ते −११०° से.पर्यंत थंड करतात व नंतर हळूहळू तापमान वाढू देतात. या प्रकाराला उष्णता संस्करणाचा एक विशेष प्रकार समजतात. भट्ट्यांचे दरवाजे, नळ्या वगैरे बिडाचे भाग प्रदीर्घ तापनामुळे आकारमानाने मोठे होतात व मग निरुपयोगी होतात. त्यांची कार्यक्षमता सतत कायम ठेवण्यासाठी त्यांवर प्राथमिक यंत्रण (कापणे, घासणे इ. क्रिया) करून ते भाग ९००° से.वर दीर्घकाल तापवितात मग हळूहळू थंड होऊ देतात. नंतर अखेरचे यंत्रण करतात. एकदा आकारवाढ झालेली असल्याने प्रत्यक्ष वापरात पुन्हा होत नाही.
मूलस्थितिस्थापन : या क्रियेत पोलाद (०·८% पेक्षा कमी कार्बन असलेले) अवस्थांतर तापमानापेक्षा ३०° ते ५०° से. अधिक तापमानात तापवून नंतर भट्टीतून बाहेर काढून आपोआप हवेत थंड होऊ देतात. या क्रियेमुळे पोलादाचे ताणबल सारख्याच कार्बन असलेल्या अनुशीतन केलेल्या पोलादापेक्षा जास्त असते. आ. १ वरून कार्बनाचे प्रमाण वेगवेगळे असलेल्या पोलादाचे मूलस्थितिस्थापन तापमान समजते. म्हणून एकाच रासायनिक संघटनाच्या पण निर्मितीतील वेगवेगळ्या पद्धतींतील पोलादांच्या गुणांत फरक पडतो. कारण त्यांच्या निर्मितीच्या शेवटच्या टप्प्यात तापमान आणि शीतनाचा वेग यांमध्ये फरक पडू शकतो. ०·६% पर्यंत कार्बन असलेल्या पोलादाच्या निरनिराळ्या गटांना पुन्हा तापवून बहुरूप येण्याच्या कक्षेवर तापवितात व सामान्य वातावरणात (हवेत) ठेवून थंड होऊ देतात. त्यामुळे सर्व गटांचे गुण सारखे होतात. ०·६% पेक्षा जास्त कार्बन असलेल्या व क्रोमियम, टंगस्टन इ. धातू मिसळलेल्या पोलादासाठी ही पद्धत उपयोगी पडत नाही. कारण या मिश्रधातू तापवून वातावरणात थंड केल्या, तरी कठीणच राहतात. काही धातूंचे गुणधर्म समान करता आले, तरी त्यांची कर्तनक्षमता कमी होते. अशा धातूंचे अनुशीतन करण्यासाठी त्यांना बंदिस्त जागेत तापवितात. या दोन्ही पद्धती महोत्पादनात वापरतात.
कठिनीकरण : ही क्रिया उच्च ताणसामर्थ्य असणाऱ्या किंवा येऊ शकणाऱ्या पोलादासाठी, यंत्रभाग हत्यारे चांगली कार्यक्षम होण्यासाठी व उच्च वेगी पोलादासाठी वेगवेगळ्या प्रकारची असते. या सर्व पोलादांना तापवून प्रथम त्यांना गॅमा रूपात नेतात व त्यातील कार्बनाचे आवश्यक तितक्या प्रमाणात घन विद्राव घडवून आणतात. नंतर त्यांना थंड करण्यासाठी लवण-जल, साधे थंड पाणी, तेल व हवेचा झोत यांपैकी एखादे माध्यम वापरतात. पोलाद थंड करण्याचा क्रांतिक वेग हा कार्बनाचे प्रमाण, मिश्रधातूंची उपस्थिती, कणांची सूक्ष्मता इ. वर अवलंबून असतो. मार्टेन्साइट सूक्ष्मरचना उत्पन्न होण्यास व अत्यंत कठिनता येण्यास शुद्ध लोखंडासाठी थंड करण्याचा वेग ५,०००° से. प्रती सेकंद इतका जलद ठेवावा लागतो. उलट १८% टंगस्टनयुक्त हत्यारात हा वेग इतका कमी असतो की, साध्या वातावरणात ठेवून थंड होऊ दिले, तरी मार्टेन्साइट रचना आणि कठिनता उत्पन्न करता येते. कठिनीकरणात घ्यावयाची मुख्य काळजी म्हणजे धातूच्या पृष्ठभागातील कार्बन कमी होऊ न देणे कारण पुढे येणारे गुण कार्बनावरच आधारलेले असतात. म्हणून वस्तू तापविताना भट्टीचे वातावरण ऑक्सिडीकरण न होऊ देणारे (क्षपणशील) ठेवणे, हत्यारे बंदिस्त पेटीत ठेवून तापविणे किंवा तापविण्यासाठी तप्त लवण रस असलेले कुंड वापरणे अशा युक्त्या योजतात. जेव्हा लोखंड उच्च तापमानापासून (गॅमा रूपातून) त्याच्या क्रांतिक वेगापेक्षा जास्त वेगाने थंड करतात तेव्हा मार्टेन्साइट ही कठीण रचना निर्माण होते. या नव्या रचनेत पूर्वी विद्रावित असलेला कार्बन तसाच विद्रावित राहणे स्वाभाविक नसते. कार्बन प्रत्येक जालकातून बाहेर पडण्यास थोडाही वेळ नसल्यामुळे आंतरकेंद्रित चतुष्कोणीय संरचना तयार होते. यात कार्बन आंतरकेंद्रित घनीय जालकाच्या सांध्यांत व पातळ्यांत अडकतो आणि त्यामुळे मार्टेन्साइट ही कठीण रचना निर्माण होते व वस्तू कठीण होतात.
असे उपयुक्त बदल होताना काही अनिष्ट व अदृश्य परिणाम होऊ शकतात. गॅमा लोखंडाचे मार्टेन्साइटामध्ये रूपांतर होताना वस्तूच्या घनफळात वाढ होते, शिवाय थंड करताना काही प्रमाणात औष्णिक आकुंचन होते. म्हणजे एकाच वेळी प्रसरण व आकुंचन वेगवेगळ्या प्रमाणांत होत असते. यामुळे वस्तूत प्रतिबले निर्माण होतात व या उर्वरित प्रतिबलांमुळे त्या वस्तूत द्रुतशीतन भेगा निर्माण होतात व ती वस्तू वापरात आल्यावर लवकर तुटते. म्हणून वस्तूत भेगा पडणार नाहीत अशा शीतनाचा वेग निवडावा लागतो.
कठिनतेचे नियंत्रण : वर दिलेले दुष्परिणाम टाळण्यासाठी कठीण केलेली वस्तू पूर्वीपेक्षा कमी तापमानापर्यंत पुन्हा तापवून व पूर्वीप्रमाणे थंड करून तिची भंगुरता आणि काही अंशी कठिनताही उतरवितात. लोहाराच्या भाषेत ‘पाणी देणे’ हा प्रयोग कठिनीकरण आणि कठिनतेचे नियंत्रण या दोन्ही क्रियांसाठी वापरतात. कठिनता कमी करण्याची क्रिया कठिनीकरणानंतर शक्य तितक्या तातडीने करणे आवश्यक असते. कारण अंतर्गत प्रतिबले असलेल्या स्थितीत धातू दीर्घकाल ठेवल्याने तिला तडे जातात व तिच्यातील अदृश्य तडे वस्तू वापरात आल्यावर दृश्य होतात.
पृष्ठाचे कठिनीकरण : कित्येक हत्यारांचा व यंत्रभागांचा (उदा., दंतचक्र) अंतर्भाग मऊ व चिवट असावा लागतो परंतु बाहेरचा पृष्ठभाग चांगला कठीण आणि न झिजणारा असावा लागतो. हे साधण्यासाठी उष्णता संस्करणाचे काही विशेष प्रकार आहेत. पहिल्या प्रकारात वस्तू चांगली तापवून तिच्या पृष्ठभागामध्ये कार्बन, नायट्रोजन किंवा दोन्ही द्रव्ये आवश्यक तितकी खोल जाण्याची व्यवस्था करतात. या क्रियेतील वस्तूत अल्पकार्बनी पोलाद अथवा १ ते ५% निकेल मिसळलेले अल्पकार्बनी पोलाद असते. या पद्धतीत भाग वा हत्यारे यांवर बरेचसे यंत्रण करून ती जवळजवळ पूर्ण करतात. पृष्ठभागामध्ये कार्बन घुसविण्यासाठी वस्तू एका बंदिस्त पेटीत ठेवून त्यांच्या सर्व बाजूंनी लोणारी कोळसा व बेरियम किंवा सोडियम कार्बोनेट यांचे मिश्रण भरतात. ही पेटी ९००°–९२०° से. तापमानावर काही वेळ तापवितात. त्यामुळे त्या वस्तूंत आल्फाचे गॅमात रूपांतर होते. पेटीत उत्पन्न झालेल्या कार्बन मोनॉक्साइड वायूतील कार्बन वस्तूंच्या पृष्ठभागातून आत शिरतो व खोलवर जातो. ४ ते १६ तासांत त्याची खोली ०·१० ते २·५ मिमी.पर्यंत जाते. नंतर पेटी हळूहळू थंड होऊ देऊन वस्तू बाहेर काढतात. या संस्करणाने या वस्तू द्विघटक अवस्थेत येतात म्हणजे त्यांचा अंतर्भाव पूर्वीप्रमाणेच अल्पकार्बनी राहतो पण पृष्ठभाग जास्त कार्बनी (०·६ ते १·२%) होतो. ही अवस्था साधण्यासाठी काही ठिकाणी उष्ण (अल्कली) लवण रसाचा उपयोग करतात. वितळलेले सोडीयम कार्बोनेट व थोडे सोडियम सायनाइड यांच्या गरम मिश्रणात वस्तू २ ते ४ तास बुडवून ठेवतात. असे केल्याने पृष्ठभाग कठीण होतो आणि अंतर्भाग पूर्वीप्रमाणे नरमच राहतो. पृष्ठभाग पाहिजे तितका कठीण झाला नाही, तर ही क्रिया पुन्हा करावी लागते. पृष्ठभागाचे कठिनीकरण केल्याने पृष्ठभाग रॉकवेल सी—६० ते सी—६४ पर्यंत [ → कठिनता] कठीण करता येतो व अंतर्भाग सी–२० ते सी –३० पर्यंत मृदू राहू शकतो. अशा भागांची भंगुरता कमी करण्यासाठी त्यांना २३०° से. तापमानावर १ ते २ तास तापत ठेवतात.
नायट्रोजन घुसविणे : (नायट्राइडिंग). धातूच्या तयार वस्तूंच्या पृष्ठभागामध्ये नायट्रोजन घुसवून तेथे नायट्राइडे बनवितात व त्यामुळेही पृष्ठभाग कठीण होतो. यासाठी प्रथम वस्तू सर्व प्रकारचे यंत्र संस्कार पूर्ण करून ठरलेल्या आकारात आणतात. त्यांच्या पृष्ठभागावरचे तेल व घाण काढून त्यांना अगदी स्वच्छ करतात व मोठ्या लोखंडी कपाटात तारांनी किंवा आकड्यांनी टांगून ठेवतात. कपाट चांगले बंद करून त्याच्या एका बाजूने अमोनिया वायू आत सोडतात. दुसऱ्या समोरच्या बाजूने वायू बाहेर जाण्यासाठी नळ्या जोडलेल्या असतात. सर्व कपाट ५३०° से. तापमानापर्यंत तापवितात व अमोनियाच्या विघटनाने तयार झालेला ताजा (नवजात) नायट्रोजन वस्तूंच्या पृष्ठभागात शोषला जाऊन खोल शिरतो. सु. ५ ते ४० तासांत त्याची खोली ०·०२ ते ०·१० मिमी. होते. नायट्राइडे जास्त टणक होण्यासाठी या प्रकारच्या वस्तूंसाठी सु. १·०% ॲल्युमिनियम मिसळलेले पोलाद वापरतात कारण त्यामुळे ॲल्युमिनियम नायट्राइड हे कठीण संयुग तयार होते. त्याशिवाय अंतर्भागाचे ताणबल वाढवावयाचे असेल, तर क्रोमियम व मॉलिब्डेनम या धातूही पोलादात मिसळतात. नायट्राइडांची प्रक्रिया केलेल्या वस्तू अत्यंत कठीण पण भंगुरता नसलेल्या (चिवट) होतात. घर्षणक्षमता फार कमी असल्याने त्यांचा विशेष उपयोग मोटारगाडीतील एकमेकांवर सरकणारे भाग, उदा., भुजादंडाच्या धारव्यात (फिरता दंड योग्य स्थितीत राहण्यासाठी देण्यात येणाऱ्या आधारात) राहणारा भाग, झडप-बैठका, साधे गोळी धारवे वगैरेंसाठी होतो. इतर कोणत्याही पद्धतीने वस्तूंचा पृष्ठभाग इतका कठीण करता येत नाही. काही प्रकारांत कठीण करावयाच्या वस्तू वितळलेल्या लवण रसात बुडवून त्यांच्या पृष्ठभागामध्ये कार्बन आणि नायट्रोजन एकदम घुसवितात. या संस्काराला सायनाइडिंग म्हणतात. ही दोन्ही मूलद्रव्ये वायूरूपाने पृष्ठभागात घुसविली, तर त्या संस्काराला कार्बोनायट्राइडिंग म्हणतात.
उच्च कंप्रता विद्युत् प्रवर्तनी कठिनीकरण पद्धती : या पद्धतीत धातूचा पृष्ठभाग कठीण करण्यासाठी आणखी खालील दोन स्वतंत्र पद्धती आहेत. या पद्धतीत ज्या भागास किंवा वस्तूस कठीण करावयाचे असते तिच्याभोवती तांब्याची नळी गुंडाळून एक वेटोळे बनवितात किंवा आ. २ (अ) मध्ये दाखविल्याप्रमाणे काशाचे पोकळ ओतीव वापरतात. नळीच्या आतून थंड पाणी सोडतात त्यामुळे नळीचे तापमान फार वाढत नाही. नळीच्या धातूमधून २,०००–५,००,००० असा उच्च कंप्रतेचा (एका सेकंदात होणाऱ्या आवर्तनांची संख्या म्हणजे कंप्रता) प्रत्यावर्ती (उलट सुलट दिशेने वाहणारा) विद्युत् प्रवाह सुरू झाला म्हणजे ती नळी रोहित्राच्या प्राथमिक गुंडाळीप्रमाणे चुंबकीय रेषा उत्पन्न करते आणि त्यांच्या प्रवर्तनाने (चुंबकीय स्रोतात बदल झाल्याने उत्पन्न होणाऱ्या विद्युत् दाबाने) गुंडाळीच्या मध्यभागी ठेवलेल्या वस्तूच्या पृष्ठभागातून द्वितीयक विद्युत् प्रवाह वाहतो. हा प्रवाह चांगला जोरदार असतो व तो सूक्ष्म जाडीच्या थरातून वाहत असल्यामुळे वस्तूचा पृष्ठभाग लगेच तापून त्याचे तापमान ८५०°–९००° से.पर्यंत वाढते. तापलेल्या थराची तापमान मर्यादा विद्युत् प्रवाहाच्या कंप्रतेवर अवलंबून असते. कंप्रता, प्रवाह वाहण्याची कालमर्यादा आणि नळीचा आकार व वस्तूच्या पृष्ठभागापासून तिचे अंतर या सर्व गोष्टी योग्य असल्या, तर १ ते ३ सेकंदांतच सर्व संस्करण पूर्ण होते. या पद्धतीत वस्तूचा पृष्ठभाग व भोवतालची सर्व जागा स्वच्छ राहते व एकीमागून एक अशा अगदी सारखे गुण असलेल्या वस्तू तयार करता येतात पण या पद्धतीसाठी ०·३० ते ०·४५% कार्बन मिसळलेले पोलाद वापरावे लागते. तापविलेला भाग नंतर थंड करतात. त्यासाठी पाणी, तेल इ. माध्यम वापरतात (आ. २ आ ).
ज्योत संस्करण : या पद्धतीत वस्तूची मूळ बनावट वरीलप्रमाणेच करावयाची असते परंतु उष्णता संस्करणासाठी ऑक्सिजन—ॲसिटिलीन वायूचे मिश्रण जाळणाऱ्या ज्वालकाचा उपयोग करतात. मोठ्या अजस्त्र भागासाठी ज्वालकांची मालिका वापरतात. या पद्धतीत वस्तू ८४०° — ८५०° से.पर्यंत तापवितात व लगेच पाण्याने थंड करतात यामुळे वस्तू चांगल्या कठीण होतात. या क्रियेसाठी सामान्यतः ०·३५ ते ०·५०% कार्बन मिसळलेले पोलाद वापरतात. या संस्करणात वापरलेले तापमान पहिल्या पद्धतीपेक्षा थोडे जास्त वेळ कायम ठेवतात. त्यामुळे कठीण होणारा थर जास्त जाड होतो आणि वस्तू मोठी असेल, तर तीत बाकी राहिलेल्या उष्णतेने कठिनता कमी होते. दंतचक्रे, स्क्रू, बोल्ट वगैरे लहान वस्तूंच्या पृष्ठभागावर रॉकवेल ४० ते ४५ पर्यंतची कठिनता आणण्यासाठी हे संस्करण करतात.
एकाच तापमानावरचे उष्णता संस्करण : १९३५ सालानंतर मिळालेल्या नव्या माहीतीचा उपयोग करून शास्त्रज्ञांनी पोलादातील बहुरूपता निर्मितीची माहिती देणारे काल—तापमान—सूक्ष्म संरचना—बदलवक्र तयार केले आहेत. त्यांवरून असे सिद्ध होते की, सूक्ष्म संरचना बदल एका ठराविक तापमानासच होतो. त्या तापमानापेक्षा जास्त तापमानावर पोलाद कितीही वेळ तापत ठेवले, तरी त्याची सूक्ष्म संरचना बदलत नाही. तसेच ऑस्टेनाइटापासून मिळणारे निरनिराळ्या गुणांचे घटक निरनिराळ्या तापमानांतच उत्पन्न होतात. या शोधाचा व्यवहारात फार चांगला उपयोग होतो. आता नवीन यंत्रभाग आवश्यक तेवढेच तापवून त्यांमधील कार्बनाचे विद्रावण घडवितात. त्या तापमानावरून पाणी किंवा तेल अशा शीतनकात थंड न करता कमी तापमानाच्या लवण रसात बुडवून वस्तूचे अंतर्बाह्य तापमान एकाच पातळीवर आणतात. या स्थितीत हे तापमान बहुरूप घेण्याच्या तापमानापेक्षा थोडे जास्त असल्याने सूक्ष्म संरचना बदलत नाही. नंतर ती वस्तू पाणी, तेल किंवा वायुझोत थंड करतात. तेव्हा आकुंचन पूर्वीपेक्षा पुष्कळ कमी होते. त्यामुळे वस्तू भंगुर होत नाहीत, त्यांचा आकार बदलत नाही व कठिनता पूर्वीइतकीच राहते.
अवक्षेपण कठिनीकरण : हा आणखी एक उष्णता संस्करण प्रकार आहे. ज्याप्रमाणे कार्बन वा कार्बाइडाच्या विद्रावणाचे प्रमाण तापमानावर अवलंबून असते, त्याचप्रमाणे काही धातू व धातुजन्य पदार्थ वाढत्या तापमानावर दुसऱ्या घन धातूत जास्त प्रमाणात विद्रावित होतात. तापमान एकदम कमी केले, तर मिसळलेली द्रव्ये स्फटिकांमध्ये अडकून बसतात आणि नंतर तापमान हळूहळू कमी केले, तर स्फटिकांतून सावकाश बाहेर येऊ लागतात. आवश्यक तितकीच उष्णता देऊन मर्यादित प्रमाणात अशी द्रव्ये स्फटिकांतून बाहेर येऊ दिली, तर मूळ धातूचे ताणबल आणि कठिनता वाढते. पोलादामध्ये ०·५ ते ०·८% तांब्याचे व ॲल्युमिनियमामध्ये तांबे, सिलिकॉन व मॅग्नेशियम धातूंचे अवक्षेपण घडवून त्या धातू जास्त बळकट बनवितात. विमानासाठी वापरीत असलेल्या हलक्या वजनाच्या ड्युराल्युमिनासाठी याच प्रकारचे संस्करण करतात. काही धातूंत हे अवक्षेपण आपोआप सामान्य वातावरणातच अगदी हळूहळू होत असते व ते दीर्घ काळाने पूर्ण होते. असे अवक्षेपण लवकर होण्यासाठी धातूचे तापमान १००° ते ४००° से.च्या दरम्यान जरूरीप्रमाणे वाढवितात. हे तापमान प्रत्येक धातूसाठी वेगवेगळे असते [ → धातूंचे अवक्षेपण कठिनीकरण].
उष्णता संस्करणाने धातूची सूक्ष्म संरचना बदलते आणि त्यामुळे धातूच्या गुणधर्मात फरक पडतो परंतु एखाद्या विशिष्ट क्रियेने सर्व प्रकारच्या धातूंमध्ये एकाच प्रकारचे गुण आणता येत नाहीत. ऑस्टिनिटिक गटातील १३% मँगॅनीज मिसळलेले पोलाद आणि १८:८ या प्रमाणात क्रोमियम आणि निकेल मिसळलेले अगंज (स्टेनलेस) पोलाद या मिश्रधातू १,०५०° से.पर्यंत तापवून थंड पाण्यात बुडविल्या, तर त्या नरम होतात परंतु कठिनीकरण सुलभ जातीचे पोलाद (उदा., कार्बन पोलाद) लाल होईपर्यंत तापवून एकदम पाण्यात बुडवून थंड केले, तर ते कठिण होते. म्हणजे विशिष्ट क्रियेने कोणते गुण येतील, ते धातूमधील साध्य होणाऱ्या सूक्ष्म संरचनेवर अवलंबून असते. उष्णता संस्करणाने धातूंच्या विविध गुणांची आश्चर्यकारक वाढ व त्यांत बदल करता येतो. आधुनिक वैज्ञानिक युगात खोल समुद्रात, खाणीमध्ये, जमिनीवर, उंच वातावरणात आणि दूरस्थ ग्रहांजवळ टिकणाऱ्या धातू उष्णता संस्करणाशिवाय बनविता येणे शक्य झाले नसते.
संदर्भ : 1. Avner, Sidney H. Introduction to physical Metallurgy, New York, 1946.
2. Gregory, E Simons, E. N. The Heat Treatment of Steel, London, 1963.
3. Guy, Albert G. Physical Metallurgy for Engineers, London, 1963.
4. Hanson, A. Parr, J. G. The Engineer’s Guide to Steel. Reading, Mass., 1965.
5. Reed-Hill, R. E. Physical Metallurgy principles, New York, 1964.
6. Young, James F. Materials and processes, New York, 1961.
बापट, ग. कृ.
“