धातु का काल-निर्धारण, प्रकार, कृत्रिम, प्राकृतिक, यह कैसे होता है और यह किस पर निर्भर करता है

धातुओं की आयुवृद्धि यह एक काफी धीमी प्रक्रिया है जिसके परिणामस्वरूप यांत्रिक परिवर्तन और भौतिक एवं रासायनिक गुणों में परिवर्तन होता है।

पर धातुओं की उम्र बढ़ना यह कई कारकों से प्रभावित होता है, जिनमें शामिल हैं:

• परमाणुओं और अणुओं की तापीय गति;
• यांत्रिक प्रभाव (झुकने/संपीडन/फाड़ने आदि पर विभिन्न भार);
• प्रकाश विकिरण (विशेषकर मनुष्यों के लिए अदृश्य विकिरण);
• चुंबकीय क्षेत्र (चुंबकीकरण/विचुंबकीकरण), आदि।

धातु की उम्र बढ़ने का सार यह है कि यह एक संतुलन अवस्था में पहुँच जाती है, जिसके दौरान धातु के गुण मानक से विचलित हो जाते हैं। विशेष रूप से, सामग्री नरम, भंगुर, कम लोचदार आदि हो सकती है।

धातु आयुवृद्धि के प्रकार

प्राकृतिक और कृत्रिम उम्र बढ़ने के बीच अंतर किया जाता है।

धातु का कृत्रिम आयुवर्धन, वांछित संरचना और गुणों का शीघ्र अधिग्रहण है। कृत्रिम आयुवर्धन ऊष्मा उपचार और प्लास्टिक विरूपण द्वारा प्राप्त किया जाता है। उदाहरण के लिए, ड्यूरालुमिन का उत्पादन करते समय, इसे कई घंटों तक कृत्रिम रूप से आयुवर्धन किया जाता है।

प्राकृतिक उम्र बढ़ना स्वाभाविक रूप से होता है और इसके लिए किसी अतिरिक्त स्थिति की आवश्यकता नहीं होती। हालाँकि, यह प्रक्रिया लंबी अवधि और 20°C के तापमान के साथ अधिक तीव्र होती है।

धातुकर्म और धातुकर्म में आयुवृद्धि प्रक्रियाओं का अनुप्रयोग

अंतिम चरण के रूप में, एक अतिरिक्त उपचार के रूप में, एजिंग का उपयोग किया जाता है। इसका उपयोग कुछ धातुओं और मिश्रधातुओं पर किया जाता है जिनमें एक अतिसंतृप्त ठोस विलयन अतिरिक्त घटकों को अवक्षेपित कर सकता है और समय के साथ स्वतः विघटित हो सकता है। यह विधि विशेष रूप से उन व्यक्तिगत घटकों और भागों के उत्पादन हेतु सामग्री तैयार करने के लिए उपयोगी है जिनके लिए ऊपर वर्णित प्रक्रिया महत्वपूर्ण है।

उम्र बढ़ने के बाद, धातु की कठोरता और मजबूती बढ़ जाती है, लेकिन इसकी श्यानता और तन्यता कम हो जाती है। हालाँकि, यह ध्यान रखना ज़रूरी है कि ये मान सामग्री के पूरे सेवा जीवन के दौरान बने रहते हैं।

स्टील की आंतरिक संरचना में परिवर्तन के लिए एजिंग की जाती है और इसे शमन के बाद लागू किया जाता है। परिणामस्वरूप नाइट्रोजन और कार्बन से संतृप्त ठोस फेराइट विलयन गर्म करने पर विघटित हो जाता है। "एजिंग" सामग्री में कार्बन समावेशन की मात्रा के आधार पर, आंतरिक संरचना निम्नलिखित रूप धारण करती है:

• घन;
• गोलाकार;
• डिस्क के आकार का (पतली प्लेटों के रूप में);
• सुई जैसा.

ऊष्मा उपचार (धातु का कृत्रिम काल-निर्धारण) उन मिश्रधातुओं पर लागू होता है जिनमें ठोस अवस्था में किसी एक तत्व की घुलनशीलता काफ़ी कम हो जाती है। तापमान कम होने पर यह गुण और भी स्पष्ट हो जाता है।

कम कार्बन सामग्री वाले स्टील्स में, जो 0.05% से अधिक नहीं होते, कृत्रिम आयुवृद्धि के कारण अतिसंतृप्त ठोस अल्फा विलयन विघटित हो जाता है। परिणामस्वरूप, अतिरिक्त चरण अवक्षेपित हो जाते हैं। इस उपचार के बाद, तन्यता कम हो जाती है, लेकिन कठोरता और मजबूती में उल्लेखनीय वृद्धि होती है। ये वे गुण हैं जो अक्सर अंतिम धातुकर्म उत्पाद में आवश्यक होते हैं।

ओरोवन का मॉडल

चित्र ओरोवन मॉडल को दर्शाता है, जो विस्थापन गति को स्पष्ट रूप से दर्शाता है। अधिकतम प्रभाव प्राकृतिक रूप से उम्र बढ़ने के माध्यम से प्राप्त किया जा सकता है। हालाँकि, इसके लिए काफी समय लगता है, जो न तो लागत-प्रभावी है और न ही निरंतर, उच्च-मात्रा उत्पादन के लिए व्यावहारिक (यह बैरल में वाइन या कॉन्यैक को जमा करने जैसा नहीं है)। इसलिए, इन प्राकृतिक प्रक्रियाओं को तेज करने के लिए कृत्रिम तरीके मौजूद हैं (यह अफ़सोस की बात है कि आप व्हिस्की के साथ ऐसा नहीं कर सकते)। हालाँकि, यह ध्यान देने योग्य है कि कृत्रिम रूप से उम्र बढ़ने से सामग्री के मज़बूती गुण काफी कम हो जाएँगे।

उम्र बढ़ने के समय के आधार पर कठोरता

दर्शाया गया ग्राफ स्पष्ट रूप से ऊपर वर्णित समस्या को दर्शाता है: धातु के आयुवृद्धि समय को कम करने से उसकी शक्ति विशेषताओं में वृद्धि नहीं होती है।

उम्र बढ़ने की प्रक्रिया मुख्यतः कार्बन और नाइट्रोजन पर निर्भर करती है। यह कम कार्बन वाले स्टील्स में विशेष रूप से स्पष्ट है। तापमान कम होने पर अल्फा आयरन में नाइट्रोजन कम आसानी से घुलता है। उदाहरण के लिए, 590°C पर, घुली हुई नाइट्रोजन की मात्रा 0.1% होती है, लेकिन 20°C पर, इसकी मात्रा घटकर 0.004% हो जाती है। उम्र बढ़ने के दौरान, अल्फा विलयन नाइट्राइड छोड़ता है। इसलिए, तापीय प्रभावों के तहत नाइट्रोजन का प्रभाव कार्बन की तुलना में कम स्पष्ट होता है।

जैसे-जैसे स्टील में कार्बन की मात्रा बढ़ती है, तापीय उपचार से उत्पन्न संरचनात्मक परिवर्तन भी बढ़ते जाते हैं। अल्फा आयरन में घुल सकने वाली कार्बन की अधिकतम मात्रा 0.02-0.04% है। इस मात्रा के साथ, प्राकृतिक रूप से परिपक्व किए गए उत्पाद की कठोरता तापानुशीतन के बाद की कठोरता से डेढ़ गुना अधिक होती है।

ऊष्मा-प्रतिरोधी मिश्र धातुओं (उच्च-निकल मिश्र धातुओं) की मजबूती बढ़ाने के लिए आयुवृद्धि प्राथमिक विधि है। इस समूह में एल्युमीनियम, तांबा और मैग्नीशियम आधारित मिश्र धातुएँ भी शामिल हैं। इसके अलावा, इन धातुओं और मिश्र धातुओं की परिवर्तित संरचना निग्राहिता प्रदान करती है।

विभिन्न धातुओं के संरचनात्मक अपघटन तापमानों में अंतर के कारण, एल्युमीनियम और एल्युमीनियम-तांबा मिश्रधातुएँ विभिन्न तापमानों (100°C से ऊपर) पर अपघटित होती हैं। इस प्रकार, निम्न-तापमान और उच्च-तापमान संरचनात्मक अपघटन के बीच अंतर किया जाता है।

ठोस विलयन का अपघटन दो प्रकार से होता है। पहली स्थिति में, प्रावस्था कणों का निर्माण और वृद्धि पूरे आयतन में होती है। दूसरी स्थिति में, अपघटन असंतत (कोशिकीय) होता है। इस प्रक्रिया के दौरान, कोशिकाएँ कॉलोनियों में बढ़ती हैं। कॉलोनियों की संरचना कोशिकीय होती है, और वृद्धि कणिका सीमा से शुरू होकर अंदर की ओर बढ़ती है, आकार में घटती है।

यांत्रिक और तापीय उम्र बढ़ने

धातु की उम्र बढ़ने के दो प्रकार हैं: तापीय और यांत्रिक। आइए प्रत्येक पर विस्तार से विचार करें।

थर्मल एजिंग

तापीय उपचार के दौरान धातु को सुदृढ़ बनाने वाला चरण अपने अधिकतम बिंदु पर होता है। यहीं पर गिनीयर-प्रेस्टन क्षेत्र में मेटास्टेबल विलयन चरण होता है। धातुओं और मिश्रधातुओं के इस प्रकार के सुदृढ़ीकरण को आमतौर पर परिक्षेपण सुदृढ़ीकरण कहा जाता है।

उम्र बढ़ने के समय और तापमान पर ताकत की निर्भरता

लंबे समय तक संपर्क में रहने से, ओवरएजिंग शुरू हो जाती है, यानी ताकत की विशेषताओं में कमी आ जाती है। यह इनसे प्रभावित होता है:

• जमावट;
• असंगत कणों द्वारा कणों का आंशिक प्रतिस्थापन।

धातु की तापीय आयुवृद्धि के प्रकार:

• दो-चरण - शमन, फिर प्रतिस्थापन तापमान पर धारण करना, और फिर ठोस विलयन की एकरूपता प्राप्त करने के लिए उच्च तापमान पर धारण करना।
• शमन - शमन और प्राकृतिक शीतलन के साथ धारण का एक चरण।
• प्राकृतिक - एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं के लिए।
• कृत्रिम - अलौह धातुओं के मिश्रधातुओं को प्राकृतिक विनाश के लिए प्रयुक्त तापमान से अधिक तापमान पर गर्म करके।
• स्थिरीकरण - उच्च आयु तापमान और लंबी धारण अवधि भाग के आयाम और गुणों को बनाए रखने में मदद करती है।

धातु की यांत्रिक आयुवृद्धि

पुनःक्रिस्टलीकरण प्रक्रिया से नीचे के तापमान पर, विरूपण बलों द्वारा स्टील का विनाश होता है। यह अव्यवस्थाओं के निर्माण और गति के कारण होता है। शीत प्लास्टिक विरूपण, अव्यवस्था घनत्व को बढ़ाता है, जो भार बढ़ने पर और भी बढ़ जाता है।

धातु के बदलते यांत्रिक गुणों के कारण कार्बन और नाइट्रोजन परमाणु अल्फ़ा विलयन में स्थित विस्थापनों की ओर गति करते हैं। विस्थापनों पर पहुँचने पर, परमाणु बादल (कॉट्रेल वायुमंडल) बनाते हैं। ये समूह विस्थापनों की गति में बाधा डालते हैं, जिसके परिणामस्वरूप गुणों में परिवर्तन होता है। ताप-युग्मित भागों में निहित गुण प्रकट होते हैं।

जहाँ नाइट्रोजन, निकल और तांबा विरूपण के कारण होने वाले उम्र बढ़ने के प्रभाव को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करते हैं, वहीं वैनेडियम, टाइटेनियम और नियोबियम के मिश्रण से यह प्रभाव पूरी तरह से समाप्त हो जाता है। इसलिए, 0.02-0.07% एल्युमीनियम युक्त स्टील का उपयोग करने की सलाह दी जाती है।

उम्र बढ़ने के लिए अनुशंसित तरीके

उष्मा उपचार:

• उच्च कार्बन सामग्री वाले स्टील के लिए: लगभग 130°C-150°C का तापमान, लगभग 25-30 घंटे का धारण समय;
• अलौह धातु मिश्र धातुओं के लिए: लगभग 250°C का तापमान, लगभग 1 घंटे का धारण समय।

प्लास्टिक प्रसंस्करण:

• प्राकृतिक प्रक्रिया के लिए: लगभग 20°C तापमान;
• कृत्रिम प्रक्रिया प्रवाह के लिए: लगभग 250°C का तापमान, लगभग 1 घंटे का धारण समय।

प्रत्येक ग्रेड की धातु और मिश्रधातु के लिए उनकी संरचना के आधार पर तापन तापमान और धारण समय का चयन व्यक्तिगत रूप से किया जाता है।