धातूंच्या कठिनीकरणाच्या तीन महत्त्वाच्या मूलभूत पद्धती आहेत, त्या अशा : १) शीतकाम, २) घन विद्रावण कठिनीकरण व ३) अवक्षेपण कठिनीकरण. पुष्कळसे उच्च ताणबल असलेल्या आधुनिक मिश्रधातू वरील एक वा अधिक पद्धतींनीच कठीण केलेल्या असतात. पहिल्या दोन पद्धती फार पूर्वीपासून प्रचारात आहेत; परंतु अवक्षेपण कठिनीकरण पद्धतीचा शोध १९०६ साली आल्फ्रेट विल्म यांनी जर्मनीत लावला. पोलादाप्रमाणे उच्च तापमानापासून द्रुतशीतन केल्यावर कठीण होऊ शकेल अशा प्रकारच्या ॲल्युमिनियमच्या मिश्रधातूच्या शोधात विल्म होते. या दृष्टीने प्रयोग करीत असताना त्यांना अचानक ड्युराल्युमीन (४ टक्के तांबे, ०·५ टक्के मॅग्नेशियम, ०·५ टक्के मँगॅनीज व बाकी ॲल्युमिनियम) या एका मिश्रधातूत वरीलप्रमाणे गुणधर्म बदललेले आढळले. ही मिश्रधातू उच्च तापमानापासून द्रुतशीतन केल्यावर काही काळानंतर कठीण झालेली आढळली. पोलाद हे अशा प्रकारच्या क्रियेने लगेच कठीण होते; पण अवक्षेपण कठिनीकरणात धातूचे काठिण्य हे द्रुत शीतनानंतरच्या कालावधीवर अवलंबून असते. विल्म यांना अशा प्रकारे हा महत्त्वाचा शोध लागला व त्यांनी १९११ साली तो प्रसिद्ध केला; परंतु त्यांना हे कठिनीकरण का होते, हे नीट शास्त्रीय पद्धतीने सांगता आले नाही. नंतर १९१९ साली पी. डी. मेरीका, आर्. जी. वॉल्टेनबर्ग व एच्. स्कॉट यांनी हे कठिनीकरण का होते, हे स्पष्ट केले.
पद्धती : एखादी मिश्रधातू उच्च तापमानास तापवून नंतर एकदम थंड केली असता ती एकदम कठीण न होता काही काळानंतर कठीण होते, अशा प्रकारच्या कठिनीकरणाच्या पद्धतीस अवक्षेपण कठिनीकरण पद्धती असे म्हणतात. हे कठिनीकरण द्रुतशीतनानंतरच्या काळावर अवलंबून असते म्हणून त्यास कालपरिणत कठीनीकरण असेही म्हणतात. कोणत्या प्रकारची मिश्रधातू या पद्धतीने कठीण करता येईल, हे त्या मिश्रधातूच्या समतोलावस्था आकृतीच्या (Equilibrium Diagram or Phase Diagram) साहाय्याने कळू शकते. अशा समतोल आकृतीचे स्वरूप आ. १ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे असावे लागते.
आ. १ ही अ आणि आ या धातूंचे मिश्रण वेगवेगळ्या प्रमाणांत केल्यावर व ही मिश्रणे त्यांच्या वितळबिंदूपासून थंड केल्यावर मिळू शकते. आडव्या अक्षावर अ धातूत किती प्रतिशत आ धातू मिसळली आहे, ते दाखविले आहे. या आकृतीवरून असे दिसून येते की, मिश्रधातूचे तापमान त१ पासून त२ पर्यंत कमी केले असता आ या धातूचा अ धातूतील घन विद्राव कमीकमी होत जातो व तो क१ क२ या वक्राप्रमाणे कमीकमी होतो. जेव्हा तापमान कमी केले असता घन विद्रावही कमी होत जातो तेव्हाच तशा प्रकारच्या मिश्रधातूसाठी ही पद्धती वापरात येऊ शकते. म्हणून अवक्षेपण कठिनीकरण पद्धतीत प्रथम ती मिश्रधातू या पद्धतीस योग्य आहे किंवा नाही, ते बघावे लागते. त्या मिश्रधातूच्या समतोलावस्था आकृतीत आ. १ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे भाग असेल, तरच ही पद्धत वापरता येण्याची शक्यता असते, अन्यथा नाही आणि अशा प्रकारची समतोलावस्था आकृती ही ठराविक मिश्रधातूंच्या बाबतीतच मिळू शकते म्हणून ठराविक प्रकारच्याच मिश्रधातू या पद्धतीने कठीण करता येतात.
विद्रावण प्रक्रिया (Solution Hardening ) : प्रथम योग्य असलेली मिश्रधातू ही ठराविक तापमानापर्यंत तापवितात. साधारणतः आ. १ मध्ये दाखविल्याप्रमाणे प बिंदूपर्यंत ती तापवितात. या तापमानास मिश्रधातू ही एकाच प्रावस्थेत असते. वातावरणीय तापमानास दोन प्रावस्था प्रामुख्याने असतात. दुसरी प्रावस्था बहुधा फार थोड्या प्रमाणात असते. ही दुसरी प्रावस्था धातू उच्च तापमानास तापविल्यावर जास्त प्रमाणात असलेल्या प्रावस्थेत विरघळते व एकच प्रावस्था तयार होते. धातू या तापमानास समांग घन विद्राव होईपर्यंत तापवितात. नंतर त्या मिश्रधातूचे कमी तापमानास द्रुतशीतन करतात (आ. १ मध्ये प ते प१). ह्यामुळे अतिसंपृक्त अवस्था निर्माण होते. अशा क्रियेस विद्रावण प्रक्रिया असे म्हणतात. या प्रक्रियेमुळे दुसरी प्रावस्था ही जरी पहिलीत विरघळलेली असली, तरी ती फारच अस्थिर असते कारण तापमान कमी केल्यावर आ धातूचा अ धातूतील घन विद्राव कमी होतो व ही अधिक प्रमाणातील आ धातू अतिसंपृक्त अवस्था निर्माण करते. विद्रावण प्रक्रियेनंतर लगेच धातूचे कठिनीकरण झालेले नसते. कारण मिश्रधातूची प्रामुख्याने तेव्हा एकच प्रावस्था असते. धातू कठीण करण्यासाठी नंतरची दुसरी प्रक्रिया आवश्यक असते. तीस कालपरिणत प्रक्रिया किंवा अवक्षेपण अनुशीतन असे म्हणतात.
काल
परिणत प्रक्रिया (Ageing Hardening) : विद्रावण प्रक्रियेनंतर धातू कठीण झालेली नसते; पण नंतर काही वेळाने दुसरी प्रावस्था जी पहिलीत विरघळलेली असते तिचे अवक्षेपण होते. साध्या सूक्ष्मदर्शकाखाली दिसणार नाहीत, इतक्या सूक्ष्म आकारमानाच्या कणांचे अवक्षेपण होते. या अवक्षेपणास काही कालावधी जाऊ द्यावा लागतो व हे अवक्षेप ठराविक मर्यादेपर्यंत वाढल्यावर धातू एकदम कठीण होते.
साध्या वातावरणीय तापमानास अवक्षेपणास फारच वेळ लागतो. कारण अवक्षेपणाचा उगम व वाढ हे आणवीय विसरणावर अवलंबून असते आणि हे विसरण कमी तापमानास फार कमी प्रमाणात होते. हा कठिनीकरणास लागणारा कालावधी कमी करण्यासाठी साधारणतः विद्रावण प्रक्रियेनंतर धातू पुन्हा द्रुतशीतन तापमानापेक्षा थोड्या जास्त तापमानास काही काळ ठेवतात. ॲल्युमिनियमच्या मिश्रधातूंसाठी हे तापमान साधारणतः १२०° ते १९०° से. या दरम्यान असते. या तापमानास अवक्षेपण क्रिया जलद करता येते.
धातूचे काठिण्य हे कालपरिणत प्रक्रिया कोणत्या तापमानास केली त्यावर अवलंबून असते. जेवढे हे तापमान जास्त असेल तेवढे धातूचे काठिण्य कमी होत जाते. सर्वांत कमी तापमानास धातूचे काठिण्य सर्वाधिक मिळू शकते; परंतु कमी तापमान वापरण्यात महत्त्वाचा तोटा म्हणजे कठिनीकरणास फारच वेळ लागतो. उत्पादन क्षमतेच्या दृष्टीने हे योग्य नसल्यामुळे थोड्याफार प्रमाणात काठिण्याची त्रुटी सोसून कठिनीकरणाचा वेग व इष्ट यंत्रभागाचे उत्पादन वाढविण्यासाठी कालपरिणत तापमान वाढवितात. ॲल्युमिनियमची मिश्रधातू जर विद्रावण प्रक्रियेनंतर १९०° से. पेक्षा जास्त तापमानास तापविली, तर तिचे काठिण्य न वाढता कमी होते व कठिनीकरणाचा उद्देश असफल होतो. यासाठी योग्य काल परिणत तापमान वापरणे फारच महत्त्वाचे असते.
आ. १ मध्ये जे चौरस दाखविले आहेत, ते अवक्षेपाचे आकारमान हे कालपरिणत तापमान व मिश्रधातूची घटना यांवर कसे अवलंबून असते, ते दाखवितात. कठिनीकरणासाठी अवक्षेपाचे आकारमान जेवढे लहान तेवढे जास्त काठिण्य मिळू शकते. या आकृतीवरून असा निष्कर्ष काढता येईल की, अवक्षेपाचे आकारमान कालपरिणत तापमान जसजसे कमी करावे तसतसे कमी होत जाते व त्याचप्रमाणे मिश्रधातूतील कमी प्रमाणातील दुसऱ्या धातूचे प्रमाण जसजसे वाढते तसतसे अवक्षेपाचे आकारमान कमी होते. या अवक्षेपाचे आकारमान शक्यतो जेवढे कमी असेल त्या प्रमाणात धातूचे काठिण्य वाढत जाते.
आ. २ मध्ये ॲल्युमिनियम व तांबे या मिश्रधातूची समतोलावस्था आकृती दाखविली आहे. वेगवेगळ्या तापमानांस व घटनेस 
अशा प्रावस्था असतात.
यांत्रिक आणि भौतिक गुणधर्मांतील बदल : कालपरिणत प्रक्रियेमुळे धातूच्या गुणधर्मांत कसा बदल होतो, हे आ. ४ वरून स्पष्ट होते. घन विद्रावण प्रक्रियेनंतर जेव्हा विशिष्ट तापमानास धातू तापवितात तेव्हा अतिसूक्ष्म अवक्षेप उगम पावतो. ही अवक्षेपनिर्मिती आणवीय विसरणामुळे होते. हा सूक्ष्म अवक्षेप नंतर हळूहळू वाढत जातो व त्यामुळे काठिण्य वाढत जाते.
इ. स. १९३० साली ए. गिनीर व जी. डी. प्रेस्टन यांनी क्ष-किरण तंत्राच्या साहाय्याने कठिनीकरण का होते ते सिद्ध केले. गिनीर व प्रेस्टन यांनी कालपरिणत प्रक्रियेत कमी प्रतिशत असलेल्या धातूच्या अणूंचे सूक्ष्म असे समूह हे जास्त प्रतिशत असलेल्या धातूच्या अणूंच्या जालकात निर्माण होतात, असे दाखवून दिले आणि हे समूह जालकात आयास निर्माण करतात. हे आयास मिश्रधातूतील अणूंच्या आकारमानातील फरकामुळे निर्माण होतात. हे समूह व आयास कसे निर्माण होतात हे आ. ३ (ख) मध्ये दाखविले आहे.
कालपरिणत प्रक्रियेत प्रथम G.P.Zone – 1 विभाग निर्माण होतात. काळ तसाच पुढे वाढवीत गेल्यास या अवक्षेपाची वाढ होते आणि ठराविक स्फटिक संरचनेचा अवक्षेप निर्माण होतो; त्यास G. P. Zone – 2 किंवा θ″ म्हणतात. या अवक्षेपामुळे जास्तीत जास्त आयास निर्माण होतात आणि धातूचे काठिण्यही या वेळी जास्तीत जास्त असते. अवक्षेपण अनुशीतन तसेच पुढे चालू ठेवले, तर अवक्षेप θ′ व नंतर समतोल अवक्षेप θ तयार होतो. त्याचा आकार बराच वाढल्यामुळे तो जालकात सामावू शकत नाही व त्यामुळे सुसंगतता नाहीशी होते आणि जालकातील आयासही कमी होतात. त्याचा परिणाम धातूचे काठिण्य कमी होण्यात होतो. G.P.Zone – 1, G.P.Zone – 2, θ′ व θ हे अवक्षेप केव्हा होतात, हे आ. ४ मध्ये दाखविले आहे. कालपरिणत प्रक्रिया ही जरूरीपेक्षा जास्त वेळ केली, तर समतोल अवक्षेप θ निर्माण होतो व धातूचे काठिण्य कमी होते. आ. ४ मध्ये मिश्रधातूचे काठिण्य हे कालपरिणत काळावर कसे अवलंबून असते, ते दाखविले आहे [व्ही. पी. एन. म्हणजे व्हिकर्झ पिरॅमिडल नंबर]. १३०° से. तापमानास २ टक्के, ३ टक्के, ४ टक्के व ४·५ टक्के तांबे आणि बाकी ॲल्युमिनियम या मिश्रधातूचे वक्र या आकृतीत दाखविले आहेत. यांवरून तांब्याचे ॲल्युमिनियममधील प्रमाण वाढविले असता कठिनीकरणातही वाढ होते, हे दिसून येईल.
अवक्षेपण कठिनीकरणास योग्य असलेल्या मिश्रधातू : अवक्षेपण कठिनीकरण करता येणाऱ्या व नेहमी वापरल्या जाणाऱ्या मिश्रधातू कोष्टकात दिलेल्या आहेत. मिश्रधातूंचे यांत्रिक गुणधर्म या पद्धतीने कसे बदलतात, हेही या कोष्टकावरून दिसून येईल.
मिश्रधातूचे ताणबल आणखी वाढविण्यासाठी विद्रावण प्रक्रियेनंतर तिचे शीतकाम करून मग कालपरिणत प्रक्रिया करतात. शीतकाम केल्यामुळे नंतर निर्माण होणाऱ्या अवक्षेपाचे आकारमान हे नेहमीच्या आकारमानापेक्षा लहान असते. शिवाय शितकामामुळे जास्त प्रमाणात धातूत विस्थापने निर्माण होतात. धातूस ताण दिल्यास ही विस्थापने अवक्षेपात अडकल्यामुळे लवकर पुढे सरकू शकत नाहीत व यामुळे धातूचे कठिनीकरण होते. अशा प्रकारे शीतकाम केल्याने अवक्षेपण कठिनीकरण चांगले होते व मिश्रधातूचे ताणबल बरेच वाढते. शीतकामामुळे मिश्रधातूच्या ताणबलात बऱ्याच प्रमाणात वाढ होते, हे कोष्टकावरून दिसून येईल.
विसरण कठिनीकरण : धातूंच्या कठिनीकरणाच्या पद्धतींत विशेषतः लोहेतर धातूंसाठी अवक्षेपण कठिनीकरण ही पद्धती नेहमी वापरली जाते; परंतु या पद्धतीचा महत्त्वाचा तोटा म्हणजे यंत्रभाग जर उच्च तापमानास वापरावयाचा असला, तर धातूचे काठिण्य त्या तापमानास लगेच कमी होते म्हणून अशा उच्च तापमानास लागणारे यंत्रभाग या पद्धतीने कठीण करणे उपयोगाचे नसते.
उच्च तापमानात वापराव्या लागणाऱ्या यंत्रभागांच्या कठिनीकरणासाठी धातुवैज्ञानिकांनी नवीन प्रकारची पद्धती निर्माण केली आहे. या पद्धतीत चांगल्या ताणबल असलेल्या धातूत अतिसूक्ष्म अविद्राव्य प्रावस्थेचे सर्वत्र विसरण केले जाते. यासाठी धातुचूर्ण पद्धतीचाही चूर्ण करावयास उपयोग करतात. तीत ऑक्साइडे व धातूचे चूर्ण यांचे मिश्रण केले जाते. ॲल्युमिनियम चूर्णामध्येसुद्धा ॲल्युमिनियम ऑक्साइडचे चूर्ण मिसळून त्याचे दाबयंत्रात संपीडन करतात व नंतर त्याचे तापपिडन करतात. अशा प्रकारे तयार केलेली मिश्रधातू उच्च तापमानालाही आपला कठिणपणा चांगला टिकवू शकते. यात ॲल्युमिनियम ऑक्साइडचे आकारमान १ मायक्रॉनपेक्षाही (१ मायक्रॉन = १०-३ मिमी.) कमी असते.
अशा प्रकारच्याच एका नवीन पद्धतीत थोरियाचे कण रासायनिक अवक्षेपणाने तयार करून ते शुद्ध निकेल धातूमध्ये मिसळतात. चूर्णाचे दाबयंत्रात संपीडन करून नंतर तापपिडन करतात. थोरिया हे सर्वांत जास्त स्थिर ऑक्साइड असल्यामुळे व ते निकेलामध्ये फारच थोड्या प्रमाणात विरघळत असल्यामुळे अतिउच्च तापमानालाही या मिश्रधातूचे कठिण्य कायम राहते. या मिश्रधातूस टी—डी निकेल असे म्हणतात. निकेलाचा वितळबिंदू सु. १,४५४° से. आहे. ही मिश्रधातू सु. १,३४३° से.पर्यंतसुद्धा कठीण राहू शकते. यामुळे उच्च तापमानात वापराव्या लागणाऱ्या यंत्र भागांसाठी ही पद्धत फारच महत्त्वाची आहे.
अवक्षेपण कठिनीकरण ही पद्धती औद्योगिक क्षेत्रात मोठ्या प्रमाणावर वापरली जाते. विमानांच्या यंत्रभागांसाठी ॲल्युमिनियमची मिश्रधातू या पद्धतीनेच कठीण करून वापरतात. विमानाचे पत्रे जोडण्यासाठी जे रिव्हेट वापरले जातात त्यांवर प्रथम विद्रावण प्रक्रिया करून ते ०° से. तापमानाच्या खाली साठवून ठेवतात. या प्रक्रियेच्या वेळेस त्यांचे कठिनीकरण झालेले नसते आणि ते तन्य असतात. त्यामुळे ते विमानाच्या पत्र्यांना ठोकणे शक्य होते. नंतर आपोआपच वातावरणीय तापमानात त्यांचे अवक्षेपण कठिनीकरण होते. मोटारगाड्यांच्या काही भागांसाठीसुद्धा या प्रकारची मिश्रधातू वापरली जाते. वेगवेगळ्या प्रकारची भांडीही ड्युराल्युमिनासारख्या मिश्रधातूंपासून तयार करतात. ॲल्युमिनियम—तांबे ही मिश्रधातू बऱ्याच ठिकाणी वापरली जाते कारण ती पोलादाच्या मानाने स्वस्त असते.
संदर्भ :
- Chalmers, B. Physical Metallurgy, New York, 1962.
- Martin, J. W. Precipitation Hardening, New York, 1968.
- Read-Hill, R. E. Physical Metallurgy Principles, New York, 1964.
- Shewmon, P. G. Transformations in Metals, New York, 1969.
