उष्णता संस्करण क्रियेमुळे पोलादाच्या उपयुक्ततेमध्ये पुष्कळच भर पडते. विशिष्ट तापमानास पोलाद तापविणे आणि विशिष्ट पद्धतीने थंड करणे यास उष्णता संस्करण म्हणतात. अशा संस्करणामुळे पोलादाचे ताणबल, कठिनता, चिवटपणा यांमध्ये बदल करता येतो आणि त्यामुळे उपयोगाच्या विविधतेप्रमाणे योग्य असे यांत्रिक गुणधर्म मिळविता येतात. एकाच रासायनिक पृथक्करणाचे पोलाद अतिशय कठीण किंवा अतिशय मऊ बनविणे उष्णता संस्करणाने साध्य होते. तसेच जरूरीप्रमाणे पोलादी यंत्रभागाचे काही अंग कठीण आणि काही मऊ व चिवट बनविता येते.
पोलादांच्या संरचनेत घनक्रांतिकाची विक्रिया आहे. कार्बन पोलादामध्ये ही विक्रिया ७२३° से. ला होते. मिश्र पोलादामध्ये मिश्रक धातूचे प्रमाण आणि परिणाम यांनुसार घनक्रांतिकाचे तापमान बदलते. या घनक्रांतिकाच्या विक्रियेमध्येच पोलादाच्या उष्णता संस्करणाचे रहस्य आहे.
कठिनीकरण (Hardening) : घनक्रांतिकाच्या तापमानापेक्षा जास्त तापमानास तापविलेले पोलाद ऑस्टेनाइटी प्रावस्थेचे असते. असे पोलाद जर सावकाश थंड केले, तर समतोलावस्था आकृतीप्रमाणे त्यामध्ये फेराइट, सिमेंटाइट व पिअरलाइट या प्रावस्थांचे मिश्रण मिळते.
पोलाद थंड करण्याचा म्हणजेच शीतनाचा वेग (Quenching) पुरेसा वाढविला, तर पोलादामधील समतोलावस्था आकृतीमध्ये दर्शविलेल्या म्हणजे पिअरलाइट वगैरे प्रावस्था न निर्माण होता मार्टेन्साइट नावाची नवीनच प्रावस्था निर्माण होते. म्हणजेच पुरेशा शीतन त्वरेस पोलादामधील घनक्रांतिकाच्या विक्रियेचे दमन होते. त्वरित शीतनाने मिळणारी मार्टेन्साइट ही प्रावस्था अत्यंत कठीण आणि ठिसूळ असते. घनक्रांतिकाचे शीघ्र शीतनाने दमन करून मार्टेन्साइटी प्रावस्था मिळविण्याच्या क्रियेला पोलादाचे कठिनीकरण म्हणतात.
ऑस्टेनाइटी प्रावस्थेचे मंद शीतनाने घनक्रांतिकाच्या तापमानास फेराइट, पिअरलाइट वगैरे प्रावस्थांमध्ये होणारे विघटन विसरणाने होते. विसरण क्रिया मूलतः काल आणि तापमानावर अवलंबून असल्याने मंद शीतनाच्या वेळी विसरणास योग्य कालावधी मिळतो म्हणून फेराइट वगैरे समतोल प्रावस्था निर्माण होऊ शकतात.
शीघ्र शीतनामध्ये पोलादाचे तापमान अत्यल्प काळात उतरत असल्याने समतोल साधला जाण्यास लागणारी विसरण क्रिया होऊ शकत नाही. त्यामुळे मार्टेन्साइट ही असमतोल प्रावस्था निर्माण होते. मार्टेन्साइटची स्फटिकरचना चतुष्कोणीय शरीरकेंद्रित पद्धतीची असते. सूक्ष्मदर्शकातून मार्टेन्साइट खवल्यांचे बनलेले दिसते (आ. १ अ).
मार्टेन्साइट अतिशय कठीण असून त्याची कठिनता पोलादातील कार्बनच्या प्रमाणावर मुख्यतः अवलंबून असते. (आ. १ आ).
मार्टैन्साइट निर्माण होण्याची विक्रिया तापमानावर अवलंबून असते पण काळावर अवलंबून नसते. त्यामुळे मार्टैन्साइटात रूपांतर होण्यास सुरुवातीचे आणि शेवटचे तापमान महत्त्वाचे असते.
पोलादामध्ये मार्टैन्साइट निर्माण होण्यासाठी जेवढी कमीत कमी शीतन त्वरा आवश्यक आहे त्या शीतन त्वरेस क्रांतिक शीतन त्वरा म्हणतात. पोलादाचे कठिनीकरण करताना यापेक्षा जास्त त्वरेने शीतन करावे लागते.
मिश्र पोलादामध्ये कठिनीकरणाच्या दृष्टीने दोन प्रकार असतात. पहिल्या प्रकारच्या पोलादात मिश्रक धातूंमुळे पोलादाची क्रांतिक शीतन त्वरा कमी होते म्हणजेच अशा पोलादात मार्टैन्साइट प्रावस्था सुलभतेने मिळवता येते. त्यास फार तीव्र शीतन लागन नाही. क्रोमियम, व्हॅनेडियम, टंगस्टन, कार्बन यांमुळे पोलादाचे कठिनीकरण सुलभ होते. मिश्र पोलादांच्या दुसऱ्या प्रकारात मिश्रक धातूंमुळे पोलादाची क्रांतिक शीतन त्वरा अधिक तीव्र होते. या प्रकारच्या पोलादांचे कठिनीकरण अवघड होते. त्यासाठी अती तीव्र शीतन त्वरा लागते. मँगॅनीज, निकेल या मिश्रक धातूंमुळे पोलादाचे कठिनीकरण दुर्लभ होते. मिश्रक धातूंचा पोलादातील मार्टेंन्साइटच्या कठिनतेवर परिणाम होत नाही. मार्टेंन्साइटची कठिनता कार्बनच्या प्रमाणावर अवलंबून असते.
कठिनीकरणासाठी पोलाद प्रथम ऑस्टेनाइटी प्रावस्थेस आणावे लागते. ऑस्टेनाइटी प्रावस्था मिळण्याचे तापमान समतोलावस्था आकृतीमध्ये दाखविलेल्या तापमानाच्या ५०°–३००° से. वरती असते. या तापमानास कठिनीकरणाचे तापमान म्हणतात. पोलादाची समतोलावस्था आकृती घटक मिश्रक धातूंवर अवलंबून असल्याने कठिनीकरणाचे तापमान प्रत्येक पोलादाच्या बाबतीत निरनिराळे असते.
पोलादाची टी टी टी (T T T) किंवा एस (S) आकृती : शीघ्र शीतनाने पोलादामधील प्रावस्था असमतोल होत असल्याने त्या प्रावस्था समतोलावस्था आकृतीत दाखवता येत नाहीत. बदलत्या शीतन त्वरेमुळे दिलेल्या पोलादामध्ये निरनिराळ्या प्रावस्था कशा निर्माण होतात हे दाखविण्यासाठी टी टी टी (टेंपरेचर, टाइम व ट्रॅन्स्फर्मेशन म्हणजे तापमान, काल व रूपांतरण) आकृतीचा उपयोग होतो. (या आकृतीचा आकार इंग्रजी S अक्षराप्रमाणे असल्याने तिला एस आकृती असेही म्हणतात). घनक्रांतिक (०·८ टक्के कार्बन पोलाद) पोलादाची अशी आकृती आ. २ मध्ये दाखविली आहे.
टी टी टी आकृतीत काल आणि तापमान यांनुसार पोलादाच्या प्रावस्थेत होणारे बदल दाखविलेले असतात. शीतन त्वरा क्रांतिक त्वरेपेक्षा कमी असल्यास घनक्रांतिकाची विक्रिया होते. ही विक्रिया सुरू होण्यास आणि संपूर्ण होण्यास निरनिराळ्या तापमानास लागणारा काल मोजून त्यानुसार विक्रिया सुरू होण्याचा आणि पूर्ण होण्याचा असे दोन वक्र या आकृतीत येतात. मार्टेन्साइट निर्माण होण्याच्या सुरुवातीचे तापमान (Ms) आणि पूर्ण होण्याचे तापमान (Mf) या वक्रांच्या खाली दाखविलेले असते.
मार्टेन्साइट मिळविण्यासाठी लागणारी क्रांतिक शीतन त्वरा वक्र टाळून जाते. क्रांतिक शीतन त्वरेच्या उतारावरून तिची तीव्रता लक्षात येते. ज्या मिश्र पोलादाची क्रांतिक शीतन त्वरा कमी असते म्हणजेच ज्यांचे कठिनीकरण सुलभ असते त्याची एस आकृती उजव्या बाजूला सरकलेली असते. याउलट कठिनीकरण अवघड असलेल्या पोलादांची एस आकृती डाव्या बाजूला सरकलेली असते. अशा नमुन्याच्या तीन एस आकृत्या आ. ३ मध्ये दाखविल्या आहेत.
कठिनीभवनक्षमता (Hardenability) : एखाद्या पोलादाचे कठिनीकरण करताना ते पोलाद प्रथम त्यात ऑस्टेनाइट प्रावस्था निर्माण होण्याच्या तापमानास तापवून नंतर क्रांतिक शीतन त्वरेपेक्षा जास्त त्वरेने थंड करावे लागते. दिलेल्या यंत्रभागासाठी जे पोलाद वापरावयाचे ते योग्य तेवढ्या जाडीपर्यंत कठीण व्हावयास पाहिजे. तापविलेला पोलादाचा यंत्रभाग कठीण करण्यासाठी शीतन माध्यमात टाकल्यावर त्याच्या पृष्ठभागाचे तापमान त्वरित उतरते; परंतु आतील भागाचे तापमान मात्र उष्णता संवाहकतेवर अवलंबून असल्याने सावकाश उतरते. अगदी मध्यात तर ते इतके सावकाश उतरते की, तेथे क्रांतिक शीतन त्वरा मिळणे कठीण असते. दिलेल्या परिस्थितीत शीतन केले असता एखादे पोलाद किती खोलवर कठीण होते त्यास त्या पोलादाची कठिनीभवनक्षमता म्हणतात. उष्णता संस्करण करून वापरावयाच्या एखाद्या यंत्रभागाकरिता कोणते पोलाद वापरावयाचे हे ठरविण्यासाठी त्या पोलादाची कठिनीभवनक्षमता हा महत्त्वाचा गुणधर्म आहे. कठिनीभवनक्षमता बऱ्याच गोष्टींवर अवलंबून असते.
शीघ्र शीतनामध्ये वापरावयाचे शीतन माध्यम आणि त्या माध्यमाची परिस्थिती यावर शीतन त्वरा अवलंबून असते. शीतन माध्यम म्हणून पाणी, पाणी व मीठ यांचा विद्राव, निरनिराळ्या प्रकारची तेले ही माध्यमे वापरतात. यांपैकी विद्राव माध्यमे तीव्र शीतन करतात, तर तेले मंद शीतन करतात. दिलेल्या पोलादास जरूरीपेक्षा जास्त शीतन त्वरा दिल्यास त्यास तडे जातात. स्तब्ध शीतन माध्यमात मिळणाऱ्या शीतन त्वरेपेक्षा तेच माध्यम जर ढवळत ठेवले, तर जास्त शीतन त्वरा मिळते कारण ढवळत ठेवलेले माध्यम संवहन आणि संनयन या दोन्हीही क्रियांनी पोलादातील उष्णता काढून घेते. सर्व प्रकारचे उष्णता संक्रमण उष्ण वस्तू आणि थंड वस्तू यांमधील तापमानाच्या फरकावर अवलंबून असल्याने शीतन माध्यमाचे तापमान कठिनीभवनक्षमतेमध्ये महत्त्वाचे आहे.
तप्त पोलाद कठिनीकरणासाठी शीतन माध्यमात बुडविल्यानंतर पोलादाच्या पृष्ठभागाचे त्वरित शीतन होते; परंतु पृष्ठभागापासून जसजसे आत जावे तसतशी शीतन त्वरा कमी होते. पृष्ठभागापासून विशिष्ट खोलीपर्यंतच शीतन त्वरा क्रांतिक किंवा त्यापेक्षा जास्त असल्याने दिलेल्या यंत्रभागाची जाडी किती आहे आणि त्या पोलादाची उष्णता संवाहकता किती आहे यावरही कठिनीभवनक्षमता अवलंबून असते.
पोलादातील घटक मिश्रक धातूंमुळे त्यातील प्रावस्थांचे स्थैर्य कमीजास्त होते. त्यामुळे कठिनीभवनक्षमता मिश्रक धातूंवरही अवलंबून असते. पोलादाच्या कणांच्या आकारमानामुळे उष्णता संवहन आणि प्रावस्थांतर यांमध्ये बदल होत असल्याने कठिनीभवनक्षमतेमध्ये कणांच्या आकारमानालाही महत्त्व आहे.
विविध पोलादांची कठिनीभवनक्षमता अजमावण्यासाठी अनेक आलेख उपलब्ध आहेत. या आलेखांमध्ये मूळ पोलादाच्या कठिनीभवनक्षमतेवर शीतन माध्यम, तापमान, कठीण करावयाच्या वस्तूचा आकार, मिश्रक धातू वगैरेंचा कसा परिणाम होतो ते अजमावता येते. पोलादाचा जो जास्तीत जास्त व्यास पूर्णपणे कठीण करता येतो त्यास क्रांतिक व्यास (Critical Diameter) म्हणतात.
सामान्यपणे उपलब्ध असलेल्या पोलादाचे गुणधर्म देताना उत्पादक त्यामधील घटक मिश्रक धातूंचे प्रमाण यांत्रिक गुणधर्म याचबरोबर त्या पोलादाची टी टी टी आकृती देतात, तसेच कठिनीभवनक्षमता अजमावण्यासाठी त्या पोलादाच्या ‘जॉमिनी परीक्षे’चा (Jominy End quench Test) अहवाल देतात. जॉमिनी परीक्षा ही त्या पोलादाची कठिनीभवनक्षमता अजमावण्याची सर्वमान्य पद्धत आहे.
जॉमिनी परीक्षेमध्ये २५ मिमी. व्यास आणि १०० मिमी. लांबीचा पोलादी दंड प्रथम त्यात ऑस्टेनाइट प्रावस्था येईल इतक्या तापमानास तापवतात आणि नंतर तो उभा ठेवून त्याच्या तळावर विशिष्ट दाबाने पाणी फवारतात (आ. ४). फवाऱ्याच्या प्रत्यक्ष संपर्कामुळे दंडाच्या तळावर शीतन त्वरा सर्वांत जास्त तीव्र असते आणि वरच्या दिशेने ती कमीकमी होत जाते. फवाऱ्याने दंड थंड झाल्यावर त्याच्या लांबीवर जागोजागी कठिनता मोजतात. परीक्षेच्या अहवालामध्ये लांबीनुसार कठिनता कशी बदलते याचा आलेख देतात. या आलेखावरून त्या पोलादाची किती जाडीची वस्तू मध्यापर्यंत कठीण करता येईल, हे अजमावता येते; म्हणजेच क्रांतिक व्यास कळतो.
कठिनीकरणानंतरचे पुनःतापन : मार्टेन्साइट प्रावस्था अत्यंत कठीण व ठिसूळ असल्यामुळे केवळ कठिनीकरणानंतर पोलाद फारसे उपयोगी नसते. तसेच कठिनीकरणामध्ये पोलादाचे अती शीघ्र शीतन झाले असल्याने व शीतनाच्या आधी व नंतर मिळणाऱ्या प्रावस्थांच्या घनतेत फरक असल्याने कठीण केलेल्या पोलादात अंतर्बल निर्माण झालेले असते. या सर्वांमुळे कठीण केलेल्या पोलादाला तडे जातात.
कठीण केलेले पोलाद जर पुन्हा तापवले, तर त्यातील अंतर्बल नाहीसे होते आणि तापमान व काल यांनुसार पोलादामध्ये हळूहळू समतोल प्रावस्था निर्माण होऊ लागतात. उच्च तापमानास (६५०° से.) सावकाश पुनःतापन केलेले पोलाद संपूर्णपणे समतोल प्रावस्थेत येते आणि कठिनीकरण नाहीसे होते. ०·४ टक्के कार्बन असलेल्या कठिनीकरण केलेल्या पोलादाचे गुणधर्म पुनःतापनाने कसे बदलतात हे आ. ५ मध्ये दाखवले आहे. निरनिराळ्या पोलादांच्या पुनःतापन-गुणधर्माचे आलेख उत्पादकांकडे उपलब्ध असतात. अशा आलेखांवरून पुनःतापनाचे तापमान आणि काल ठरवावा लागतो. पुनःतापनाने पोलादाचा ठिसूळपणा कमी होऊन चिवटपणा वाढतो. काही पोलादे पुनःतापनाच्या विवक्षित तापमानास पुन्हा ठिसूळ होतात. यास ‘पुनःतापन ठिसूळपणा’ म्हणतात. याचे कारण अजून नीटसे समजलेले नाही; परंतु पोलादात मॉलिब्डेनम मिश्रक धातू असल्यास असा ठिसूळपणा कमी होतो, असे आढळून आले आहे. पुनःतापनानंतर पोलाद सावकाश थंड करावे लागते, नाही तर अंतर्बल निर्माण होऊन ते पुन्हा ठिसूळ होते. पोलादाचे कठिनीकरण आणि पुनःतापन टी टी टी आकृतीमध्येही दाखवता येते. (आ. ६).
मारटेंपरिंग क्रिया ( Martempering) : कठिनीकरणाच्या वेळी ऑस्टेनाइटी प्रावस्थेत असलेले पोलाद मार्टेन्साइटी प्रावस्था पूर्ण होण्याच्या तापमानास शीघ्र गतीने थंड केले जाते. तापमानाच्या अशा बदलामुळे व शीघ्र शीतनामुळे पोलादात अंतर्बल निर्माण होऊन तडे जातात. असे प्रखर अंतर्बल निर्माण न होता कठिनीकरण करण्यासाठी मारटेंपरिंग क्रिया वापरतात. या क्रियेत ऑस्टेनाइटी प्रावस्थेतील पोलाद प्रथम वितळलेल्या लवणात किंवा तेलात बुचकळतात. या लवणाचे अगर तेलाचे तापमान मार्टेन्साइट मिळण्याच्या तापमानाच्या वर असते. पोलाद अशा तापमानास बराच काळ ठेवल्यास त्याच्या आत व बाहेर समान तापमान निर्माण होते. यानंतर पोलाद मार्टेन्साइट होण्याच्या तापमानास बहुधा हवेतच थंड करतात. अशा पायरीच्या शीघ्र शीतनाने पोलादी भाग कठिनीकरणात भंग पावत नाहीत किंवा आकुंचन-प्रसरणामुळे वाकडेतिकडे होत नाहीत. कठीण केलेल्या पोलादाचे नंतर गुणधर्मांनुसार पुनःतापन करावे लागते (आ. ७).
ऑसटेंपरिंग क्रिया (Austempering) : कठिनीकरणाच्या या क्रियेमध्ये ऑस्टेनाइटी प्रावस्थेत असलेले पोलाद मार्टेन्साइट निर्माण होण्याच्या तापमानापेक्षा जास्त पंरतु पिअरलाइट (समतोलावस्था) मिळण्याच्या तापमानापेक्षा कमी तापमानास थंड करतात. या तापमानास पोलादामध्ये बेनाइट नावाची नवीनच प्रावस्था निर्माण होते. बेनाइट समतोल व असमतोल या दोन्ही प्रावस्थांच्या मधली प्रावस्था आहे. सूक्ष्मदर्शकात बेनाइट पिसासारखे दिसते. बेनाइट मार्टेन्साइटपेक्षा थोडे कमी कठीण परंतु अत्यंत चिवट असते. त्यामुळे ऑसटेंपरिंग केल्यानंतर कठिनीकरणाप्रमाणे निराळे पुनःतापन करावे लागत नाही. मारटेंपरिंगप्रमाणेच ऑसटेंपरिंगमध्येही शीतन पायऱ्यांनी होत असल्याने संस्कारित पोलाद भंग पावत नाही किंवा वेडेवाकडे होत नाही. मारटेंपरिंग व ऑसटेंपरिंग क्रिया आ. ७ मध्ये दाखविल्या आहेत.
ऑसफॉर्मिंग क्रिया (Ausforming) : ज्याप्रमाणे मिश्रक धातू वापरून व उष्णता संस्करण करून पोलादाचे यांत्रिक बल वाढविता येते, तसेच शीत रूपणामुळेही अंतर्बल निर्माण होऊन यांत्रिक बल वाढविता येते. म्हणून बलसंवर्धनाच्या वरील तीनही मार्गांचा एकत्रित उपयोग करून अत्युच्च ताणबलाची पोलादे नुकतीच उपलब्ध झालेली आहेत. क्रोमियम मिश्रक धातू असलेल्या काही पोलादांच्या टी टी टी आकृतीला विशिष्ट आकार येतो. आ. ८ मध्ये पिअरलाइटच्या किमान तापमानाच्या खाली आणि मार्टेन्साइट मिळणाऱ्या तापमानाच्या वर विक्रिया संपण्याच्या वक्रास चिंचोळे परंतु लांब पोट निर्माण होते. या विवक्षित आकृती बदलामुळे असे दिसते की, अशा मिश्रक धातूंच्या बाबतीत विवक्षित तापमानास ऑस्टेनाइटचे रूपांतर व्हावयास बराच काळ लागतो. या तापमानास असलेले पोलादाचे तापमान फार कमी होऊ न देता रूपण केल्यास रूपणामुळे अंतर्बल वाढते; परंतु पोलाद ऑस्टेनाइटी प्रावस्थेत असल्याने रूपणक्षमता उत्तम असते. रूपण केलेले पोलाद नंतर शीतनाने मार्टेन्साइटी प्रावस्थेत आणतात व जरूरीप्रमाणे पुनःतापन करून त्याचा ठिसूळपणा कमी करतात. रूपणाचे तापमान, रूपणाची तीव्रता व कार्बनचे प्रमाण यांवर ऑसफॉर्म पोलादाचे बल अवलंबून असते. सामान्य कठीण केलेल्या पोलादाच्या दुप्पट ताणबल ऑसफॉर्म पोलादात असते.
अलीकडेच ऑसफार्म पोलादांमध्ये केवळ एक-प्रावस्थी (मार्टेन्साइटी) पोलादांच्या बरोबरच द्वि-प्रावस्थी (मार्टेन्साइटी + फेराइटी) पोलादे उपलब्ध झालेली आहेत. द्वि-प्रावस्थी पोलादांना ऑसफार्मिंगनंतरही रूपणक्षमता व वितळजोडक्षमता असते. ऑसफॉर्मिंग क्रिया आ. ८ मध्ये दाखविली आहे.
उष्णता संस्करणाच्या संकीर्ण पद्धती : पोलाद अतिशय कठीण असेल, तर त्यात रूपणक्षमता किंवा यंत्रणक्षमता कमी असते व त्यामुळे उत्पादनास अडचण होते. अशा कठीण पोलादांच्या संपर्कात येणाऱ्या हत्यारांची झीजही जलद होते म्हणून हत्यारांवरील खर्च वाढतो. कडक व कठीण पोलाद मंद शीतनाने मऊ होते आणि त्याची रूपणक्षमता व यंत्रणक्षमता वाढते. मंद शीतनासाठी उपघनक्रांतिक (< ०·८ टक्के कार्बन) पोलाद ९००° च्या जवळपास आणि अतिघनक्रांतिक पोलाद सु. ७५०° से. ला तापवून भट्टीतच त्याचे शीतन करतात. मिश्र पोलादाचे मंद शीतन करताना उत्पादकाने दिलेले तापमान वापरावे लागते.
मंद शीतनाइतके मऊ पोलाद नको असल्यास तापवल्यावर ते भट्टीतून बाहेर काढून हवेतच त्याचे शीतन करतात. या हवेतील शीतनास मूलस्थितिस्थापन म्हणतात. मंद शीतनापेक्षा मूलस्थितिस्थापनामध्ये शीतन त्वरा जास्त असल्याने पोलादाचे ताणबल वाढते. हवेत शीतन करताना स्तब्ध हवेपेक्षा अभिसारी हवेमध्ये शीतन त्वरा अधिकच वाढते.
समतोलावस्थेत असलेल्या पोलादात पिअरलाइट ही घनक्रांतिक प्रावस्था असते. पिअरलाइट प्रावस्था स्वतंत्र नसून ती फेराइट व सिमेंटाइट या दोन्ही प्रावस्थांच्या एकाआड एक पापुद्र्यांची बनलेली असते. मंद शीतन केलेल्या पोलादामधील पिअरलाइटचे पापुद्रे जाड असतात; परंतु मूलस्थितिस्थापन केलेल्या पोलादाच्या पिअरलाइटचे पापुद्रे पातळ होतात. अभिसारित हवा अगर तत्सम माध्यमात शीतन केलेल्या पोलादातील पिअरलाइटचे पापुद्रे पातळ होत जातात. टी टी टी आकृतीतील बाकाच्या किंवा नाकाच्या किंचित वरती शीतन केलेल्या पोलादामध्ये पिअरलाइटचे पापुद्रे इतके पातळ होतात की, सामान्य सूक्ष्मदर्शकातून ते अलग दिसत नाहीत व पिअरलाइट काळे दिसते. अशा सूक्ष्म पापुद्र्याच्या पिअरलाइटाचे ‘ट्रूस्टाइट’ असे नाव आहे.
पापुद्र्यांतील अंतर जसे कमी होत जाते, तसे पिअरलाइट अधिक चिवट बनते. मंद शीतन व मूलस्थितिस्थापन क्रिया आ. २ मध्ये दाखविल्या आहेत.
मंद शीतनामुळे ओतीव पोलादातील घटकांची विषम व्याप्ती काढता येते. तसेच घडीव पोलादातील अंतर्बल काढून टाकता येते.
पृष्ठ-कठिनीकरण (Surface Hardening) : काही पोलादी यंत्रभागांना घर्षणविरोध मिळण्यासाठी पृष्ठभाग अंतर्भागापेक्षा जास्त कठीण असावा लागतो. योग्य तापमानास कमी कार्बनाच्या (२ टक्के) पोलादाच्या पृष्ठभागामध्ये अभिसरणाने कार्बन किंवा नायट्रोजनचे प्रमाण वाढविता येते. अशा पोलादाचा पृष्ठभाग उष्णता संस्करणानंतर कठीण होतो; परंतु आतील भाग मात्र कमी कार्बनाचा म्हणून चिवट राहतो. पोलादी दंतचक्रे, आस, कुणी, खीळ इ. यंत्रभागांचे पृष्ठ-कठिनीकरण करतात.
मध्यम कार्बनाच्या पोलादांचे पृष्ठ-कठिनीकरण विद्युत प्रवर्तनी तापनाने व नंतर उष्णता संस्करणाने करता येते. प्रवर्तनी तापनामध्ये वस्तूच्या फक्त पृष्ठभागाचे तापन होत असल्याने पृष्ठभागातच उष्णता संस्करण होऊन तो कठीण होतो.
अवक्षेपण कठिनीकरण (Precipitation Hardening) : कमी कार्बनच्या (०·०२ ते ०·०५ टक्के) पोलादामध्ये अवक्षेपण कठिनीकरण शक्य होते. समतोलावस्था आकृतीप्रमाणे ७२३° से.तापमानास फेराइटामध्ये ०·०२ ते ०·०३ टक्के कार्बन विरघळतो; परंतु कमी तापमानास ही विद्राव्यता ०·००५ टक्के इतकी कमी होते. फेराइटच्या कार्बनमधील विद्राव्यतेतील ह्या फरकामुळे अवक्षेपण कठिनीकरण शक्य होते.
औद्योगिक उष्णता संस्करण : (Industrial heat treatment) : औद्योगिक उत्पादनामध्ये पोलादी यंत्रभागांचे फार मोठ्या प्रमाणावर उष्णता संस्करण करावे लागते. यासाठी विविध पद्धतीच्या भट्ट्या वापरतात. द्रव लवण भट्ट्या सोडल्यास इतर सर्व भट्ट्यांमध्ये तापविताना पोलाद हवेच्या संपर्कात येऊ नये म्हणून त्याभोवती संरक्षक वातावरण ठेवावे लागते. तप्त पोलाद हवेतील ऑक्सिजनच्या संपर्कात आल्यास त्यावर जलद गंज चढतो तसेच पोलादाच्या पृष्ठभागावरील कार्बन अपसरणाने बाहेर पडतो. पेट्रोलियम वायू अगर अमोनियासारखा एखादा वायू अर्धवट जाळल्यास त्यापासून कार्बन मोनॉक्साइड, हायड्रोजन यांसारख्या क्षपणकारक वायूंचे मिश्रण मिळते. असे क्षपणकारक मिश्रण संरक्षक वातावरण म्हणून वापरतात.
अलीकडेच मोठ्या प्रमाणावर निर्वातीकरण करू शकणारे पंप उपलब्ध झाल्याने निर्वात आवरणातही यशस्वी रीत्या पोलादाचे उष्णता संस्करण करता येते. मोठ्या संख्येने लागणाऱ्या परंतु आकारमानाने लहान असलेल्या यंत्रभागास निर्वात उष्णता संस्करण अत्यंत सोयीचे असते.
काही मिश्र पोलादांचे (विशेषतः उच्च कार्बन व क्रोमियम युक्त) कठिनीकरण करताना त्यामध्ये ऑस्टेनाइटचे रूपांतर संपूर्णपणे मार्टेन्साइटात होत नाही व शीघ्र शीतनानंतरही मार्टेन्साइटच्या कणांमध्ये काही शेष ऑस्टेनाइट अडकून राहते. कालांतराने या ऑस्टेनाइटचे मार्टेन्साइटात हळूहळू रूपांतर होते आणि वस्तूच्या आकारमानात सूक्ष्म वाढ झालेली दिसून येते. अशी सूक्ष्म वाढ होऊन नये म्हणून पहिल्या शीघ्र शीतनानंतर वस्तूंचे पुन्हा एकादा शुष्क बर्फाच्या (घन कार्बन डाय-ऑक्साइडच्या) किंवा शीतकाच्या साहाय्याने अतिनीच तापमानास शीतन करतात. शीतनाच्या या दुसऱ्या पायरीत शेष ऑस्टेनाइटचे मार्टेन्साइटात रूपांतर होते.
जास्त कार्बन किंवा मिश्रक धातू असलेली पोलादे कठिनीकरणासाठी तापविताना फार काळजी घ्यावी लागते. परिसराच्या तापमानापासून कठिनीकरणाच्या तापमानापर्यंत ही पोलादे दोन पायऱ्यांमध्ये तापवितात. कारण अशा पोलादांमधील प्रावस्थांचे ऑस्टेनाइटात रूपांतर सावकाश होते. मिश्र पोलादात कार्बाइडांचे प्रमाण जास्त असते व ही कार्बाइडे अपघटन पावून ऑस्टेनाइटात मिसळण्यास वेळ लागतो.
कठिनीकरणाचे तापमान ऑस्टेनाइट प्रावस्थांतर होण्याच्या तापमानापेक्षा फार जास्त असू नये कारण त्यामुळे ऑस्टेनाइटच्या कणांचे आकारमान फार वाढते आणि त्याचा पोलादाच्या कठिनीकरणक्षमता, रूपणक्षमता व आघातबल या गुणधर्मांवर अनिष्ट परिणाम होतो. पोलादाचे पिंड तयार करताना त्यात विरघळलेला ऑक्सिजन काढून टाकण्यासाठी जर ॲल्युमिनियमचा वापर केला असेल, तर अशा पोलादाच्या कणांचे आकारमान मुळात लहान असते व ते कठिनीकरणाच्या वेळी फार लवकर वाढत नाही.
कठिनीकरणानंतर पोलादाचे विशेष यंत्रण-रूपण करता येत नाही. त्यामुळे बहुतेक सर्व रूपण व यंत्रण आधी करून घेऊनच उष्णता संस्करण करतात. उष्णता संस्करणाच्या वेळी प्रावस्थांतर, आकुंचन-प्रसरण व ऑक्सिडिभवन यांमुळे होणारा आकारमानातील संभाव्य बदल लक्षात घेऊनच वस्तूची मापे ठरवावी लागतात.
संदर्भ :
- Dennis, W.H. Foundations of Iron and Steel Metallurgy, Amsterdam,1967.
- Hanson, A.; Parr, J. G. The Engineer’s Guide to Steel, Reading, Mass., 1965.
- Lyman, T. & others, Ed. Metals Handbook, II Vols., Metals Park, 1976.
- McGannon, H. E. The Making, Shaping and Treating of Steel, Pittsburgh, 1973.
- खानगावकर, प. रा.; मिश्रा, वि. ना. लोखंड व पोलादाचे उत्पादन, नागपूर, १९७४.
