तापानुशीतन (पदार्थ विज्ञान)

धातुकर्म और पदार्थ विज्ञान में, तापानुशीतन एक ऊष्मा प्रबंध है जो पदार्थ के भौतिक और कभी-कभी रासायनिक गुणों को, अपनी तन्यता बढ़ाने और इसकी कठोरता को कम करने के लिए बदल देता है, जिससे यह अधिक सुकरणीय हो जाता है। इसमें पदार्थ को उसके पुन: क्रिस्टलीकरण तापमान से ऊपर गर्म किया जाता है, उचित समय के लिए उपयुक्त तापमान बनाए रखना और फिर ठंडा किया जाता है।

तापानुशीतन में, परमाणु क्रिस्टल जाल में स्थानांतरण करते हैं और अव्यवस्थाओं की संख्या कम हो जाती है, जिससे तन्यता और कठोरता में परिवर्तन होता है। जैसे ही पदार्थ ठंडा होता है, यह पुन: क्रिस्टलीकृत हो जाता है। कार्बन इस्पात सहित कई मिश्र धातुओं के लिए, क्रिस्टल कण आकार और कला संयोजन, जो अंततः पदार्थ के गुणों को निर्धारित करते हैं, तापन दर और शीतलन दर पर निर्भर हैं। तापानुशीतन प्रक्रिया के बाद तप्तकर्मण या अनूष्ण क्रियाविधि धातु संरचना को बदल देती है, इसलिए आवश्यक गुणों को प्राप्त करने के लिए और ऊष्मा प्रबंध का उपयोग किया जा सकता है। संयोजन और कला आरेख से, ऊष्मा प्रबंध का उपयोग कठोर और अधिक भंगुर से मृदु और अधिक तन्य में समायोजित करने के लिए किया जा सकता है।

लौह धातुओं के मामले में, जैसे कि स्टील, पदार्थ (सामान्यतः चमकने तक) को गर्म करके धीरे-धीरे इसे शांत वायु में कमरे के तापमान तक ठंडा करके तापानुशीतन किया जाता है। तांबे, चांदी और पीतल को या तो धीरे-धीरे हवा में ठंडा किया जा सकता है, या जल्दी से पानी में ठंडा किया जा सकता है। इस तरह, धातु को मृदु बनाया जा सकता है और इसके बाद आकार देने, मुद्रांकन या किसी भी रूप मे तैयार किया जाता है।

ऊष्मागतिकी
तापानुशीतन ठोस पदार्थ में परमाणुओं के प्रसार से होता है, जिससे कि पदार्थ अपनी साम्यावस्था की ओर बढ़ती है। प्रसार की दर, बंधनों को तोड़ने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करके बढ़ाई जाती है। परमाणुओं की गति में पुनर्वितरण का प्रभाव होता है तथा धातुओं में और (कुछ हद तक) सिरेमिक में अव्यवस्थाओं के पुनर्वितरण और उन्मूलन का प्रभाव होता है। प्रचलित अव्यवस्थाओं में यह परिवर्तन धातु की वस्तु को आसानी से विकृत करती है, जिससे इसकी तन्यता बढ़ जाती है।

विकृत धातु में प्रक्रिया शुरू करने वाली गिब्स मुक्त ऊर्जा की मात्रा भी तापानुशीतन प्रक्रिया से कम हो जाती है। उद्योग में, गिब्स मुक्त ऊर्जा की इस कमी को प्रतिबल विमोचन कहा जाता है।

आंतरिक तनावों से अनुतोष ऊष्मागतिक रूप से स्वतः से होने वाली प्रक्रिया है, यह कमरे के तापमान पर मंद प्रक्रिया है। तापानुशीतन के उच्च तापमान पर प्रक्रिया तीव्र होती है।

प्रतिक्रिया, अतप्त कर्मित धातु को उसकी तनाव-मुक्त अवस्था में वापस लाने की सुविधा प्रदान करती है, में कई प्रतिक्रिया मार्ग होते हैं, जिसमें ज्यादातर धातु मे जाली रिक्ति अनुपात को समाप्त किया जाता है। जाली रिक्तियों का निर्माण अरहेनियस समीकरण द्वारा नियंत्रित होता है और जाली रिक्तियों के प्रसार फिक के प्रसार के नियमों द्वारा नियंत्रित किया जाता है।

इस्पात में, एक विकार्बन तंत्र होता है, जिसे तीन अलग-अलग घटनाओं के रूप में वर्णित किया जा सकता है: इस्पात की सतह पर प्रतिक्रिया, कार्बन परमाणुओं का अंतराकाशी प्रसार और इस्पात में कार्बाइड का विघटन।

चरण
तापानुशीतन प्रक्रिया के तीन चरण जो पदार्थ के तापमान में वृद्धि के रूप में आगे बढ़ते हैं, कुछ इस प्रकार है, पुनर्प्राप्ति, पुन: क्रिस्टलीकरण और कण की वृद्धि। पहला चरण पुनर्प्राप्ति है, और इसके परिणामस्वरूप मुख्य रूप से रैखिक दोषों को हटाकर धातु को नरम किया जाता है जिसे अव्यवस्था कहा जाता है इनके कारण आंतरिक तनाव उत्पन्न होता हैं। सभी तापानुशीतन प्रक्रियाओं के निचले तापमान चरण में और नए तनाव मुक्त कण की उपस्थिति से पहले पुनर्प्राप्ति होती है। कण का माप और आकार नहीं बदलता है। दूसरा चरण पुन: क्रिस्टलीकरण है, जहां नए तनाव मुक्त कण केंद्रीकृत होते हैं और आंतरिक तनावों द्वारा विकृत कण बदलने के लिए विकसित होते हैं। यदि पुन: क्रिस्टलीकरण पूरा होने के बाद तापानुशीतन को जारी रखने की अनुमति दी जाती है, तो कण की वृद्धि (तीसरा चरण) होती है। कण की वृद्धि में, सूक्ष्म संरचना बड़ी होने लगती है और इससे धातु अपनी मूल शक्ति का एक बड़ा भाग खो सकती है। हालांकि इसे सख्त करके पुनः प्राप्त किया जा सकता है।

नियंत्रित वायुमंडल
तापानुशीतन के उच्च तापमान के परिणामस्वरूप धातु की सतह का ऑक्सीकरण हो सकता है, जिसका परिणाम परत बनना (स्केल) हो सकता है। यदि परत बनना (स्केल) से बचने के लिए, तापानुशीतन एक विशेष वातावरण में किया जाता है, जैसे कि आन्तरोष्मी गैस (कार्बन मोनोऑक्साइड, हाइड्रोजन गैस और नाइट्रोजन गैस का मिश्रण) के साथ। तापानुशीतन, हाइड्रोजन और नाइट्रोजन के मिश्रण गैस भी बनाने में किया जाता है।

हाइड्रोजन वातावरण में मिश्र धातु को तपानुशीतित करके म्यू-धातु (एस्पी कोर) के चुंबकीय गुणों को प्रस्तावित किया जाता है।

विन्यास एवं उपकरण
सामान्यतः बड़े अवन का उपयोग तापानुशीतन प्रक्रिया के लिए किया जाता है। अवन के अंदर का भाग अत्यधिक बड़ा होता है ताकि वस्तु (जिस पर कार्य किया जाना है) को ऐसी स्थिति में रखा जा सके कि वह अधिकतम परिसंचारी गर्म हवा प्राप्त कर सके। उच्च मात्रा की तापानुशीतन प्रक्रिया के लिए, प्रायः गैस वाहक भट्टियों का उपयोग किया जाता है। बड़ी वस्तु (जिस पर कार्य किया जाना है) या उच्च मात्रा वाले भागों के लिए, कार-तल भट्टियों का उपयोग किया जाता है ताकि श्रमिक आसानी से भागों को अंदर और बाहर ले जा सकें। एक बार तापानुशीतन प्रक्रिया सफलतापूर्वक पूरी हो जाती है, तो वस्तु (जिस पर कार्य किया जाना है) को कभी -कभी अवन में छोड़ दिया जाता है, ताकि भागों को नियंत्रित तरीके से ठंडा किया जा सके। जबकि कुछ वस्तुओ (जिस पर कार्य किया जाना है) को नियंत्रित कार्य प्रणाली में ठंडा करने के लिए अवन में छोड़ दिया जाता है, अन्य पदार्थो और मिश्र धातुओं को अवन से हटा दिया जाता है। एक बार अवन से हटा दिए जाने के बाद, वस्तु (जिस पर कार्य किया जाना है) को शमन कठोरण प्रक्रिया में जल्दी से ठंडा किया जाता है। शमन कठोरण पदार्थ के विशिष्ट तरीकों में माध्यम जैसे हवा, पानी, तेल या नमक शामिल हैं। नमक का उपयोग सामान्यतः खारे पानी (नमक पानी) के रूप में शमन के लिए एक माध्यम के रूप में किया जाता है। खारा पानी, सामान्य पानी की तुलना में तेजी से शीतलन दर प्रदान करता है। इसका कारण यह है कि जब किसी वस्तु का पानी में शामन किया जाता है तो वस्तु की सतह पर भाप के बुलबुले बनते हैं जो पृष्ठ क्षेत्रफल को कम करते हैं । खारे पानी में नमक वस्तु की सतह पर भाप के बुलबुले के गठन को कम करता है, जिसका अर्थ है कि पानी के संपर्क में वस्तु का बड़ा पृष्ठ क्षेत्रफल है, जो तेजी से शीतलन दर प्रदान करता है। शमन कठोरण सामान्यतः कुछ लौह मिश्र धातुओं पर किया जाता है, लेकिन तांबे के मिश्र धातुओं पर नहीं।

अर्धचालकों का विसरण तापानुशीतन
अर्धचालक उद्योग में, आयन आरोपण जैसे चरणों से परमाणु स्तर की अव्यवस्था के सुधार के लिए सिलिकॉन की पतली परतों का तापानुशीतन किया जाता है। प्रक्रिया चरण में, अपमिश्रित परमाणु, सामान्यतः बोरॉन, फॉस्फोरस या आर्सेनिक, क्रिस्टल जाल में प्रतिस्थापन स्थिति में चले जाते हैं, जो इन अपमिश्रित परमाणुओं को अर्धचालक पदार्थ में अपमिश्रण के रूप में अच्छी तरह कार्य करता है।

सामान्यीकरण
सामान्यीकरण एक तापानुशीतन प्रक्रिया है जो पदार्थ को ठीक ठाक संरचना प्रदान करने के लिए लौह मिश्र धातु पैर की जाती है तथा इस्पात मे अधिक तन्यता को रोकता है। इसमें इस्पात को 20-50 °C (डिग्री सेल्सियस) क्रांतिक तापमान से उच्च तापमान पर गर्म किया जाता है तथा कुछ समय के लिए उसे उस तापमान पर भिगो कर वायु द्वारा ठंडा किया जाता है। इस्पात को उसके क्रांतिक तापमान से कुछ उच्च तापमान पर गर्म करने से ऑस्टेनिटिक कण (पिछले फेरिटिक कण से अत्यधिक छोटा) बनता है अपने ऊपरी आलोचनात्मक बिंदु के ठीक ऊपर स्टील को गर्म करने से ऑस्टेनिटिक अनाज (पिछले फेरिटिक अनाज की तुलना में बहुत छोटा) बनता है, जो ठंडा होने के दौरान, एक और परिष्कृत कण के आकार के साथ नए फेरिटिक कण बनाते हैं। यह प्रक्रिया अतयधिक उग्र तथा तन्य पदार्थ का उत्पादन करती है, और स्तंभाकार कण और द्रुमिका पृथक्करण को समाप्त करती है जो कभी -कभी ढलाई के दौरान होती है। सामान्यीकरण घटक के मशीनीकरण में सुधार करता है और उष्मीय प्रबंध प्रक्रियाओं के अधीन होने पर आयामी स्थिरता प्रदान करता है।

तापानुशीतन प्रक्रिया
तापानुशीतन प्रक्रिया, जिसे मध्यवर्ती तापानुशीतन, उपक्रांतिक तापानुशीतन, या तापानुशीतन प्रक्रम भी कहा जाता है, एक उष्मीय प्रबन्ध चक्र है जो अतप्त कर्मित उत्पाद के लिए कुछ तन्यता को पुनर्स्थापित करता है, अतः इसके टूटे बिना इस अतप्त कर्मित किया जा सकता है।

तपानुशीतन प्रक्रिया के लिए तापमान सीमा 260°C (डिग्री सेल्सियस) (500°F (डिग्री फारेनहाइट)) से 760°C (डिग्री सेल्सियस) (1400°F (डिग्री फारेनहाइट)) तक है जो उपयुक्त मिश्र धातु पर निर्भर करता है। यह प्रक्रिया मुख्य रूप से कम कार्बन इस्पात के लिए अनुकूल है। पदार्थ को इस्पात के क्रांतिक तापमान के कुछ कम तापमान पर गर्म किया जाता है। अतप्त कर्मित इस्पात सामान्यतः वर्धित कठोरता और कम तन्यता होती है, जिससे कार्य करना कठिन हो जाता है। तपानुशीतन प्रक्रिया इन विशेषताओं में सुधार करने के लिए जाता है। यह मुख्य रूप से शीतल ताप-दाबित इस्पात जैसे इस्पात के बनाए गए तार, के केन्द्र से हटते हुए तन्य लौह पाइप आदि पर किया जाता है।

पूर्ण तापानुशीतन
पूर्ण तापानुशीतन सामान्यतः दूसरे सबसे अधिक तन्य अवस्था में परिणाम देता है। इसका उद्देश्य एक समान और स्थिर सूक्ष्म संरचना की उत्पत्ति करना है जो धातु के कला आरेख संतुलन सूक्ष्म संरचना के सबसे निकट मिलता-जुलता है, इस प्रकार धातु को उच्च सुनम्यता और उग्रता के साथ अपेक्षाकृत निम्न स्तर की कठोरता, परम शक्ति और अंतिम शक्ति प्राप्त करता है। उदाहरण के लिए इस्पात पर पूर्ण तापानुशीतन करने के लिए, इस्पात को ऑस्टेनिटिक तापमान से थोड़ा ऊपर गर्म किया जाता है और पदार्थ को पूरी तरह से ऑस्टेनाइट या ऑस्टेनाइट-सीमेंटेट कण संरचना बनाने तक पर्याप्त समय के लिए संघटित किया जाता है। फिर पदार्थ को बहुत धीरे-धीरे ठंडा होने दिया जाता है ताकि संतुलन सूक्ष्म संरचना प्राप्त हो सके। अधिकतर स्थितियों मे इसका अर्थ है कि पदार्थ को भट्टी (भट्ठी को बंद करके) मे ठंडा किया जाता है लेकिन कुछ स्थितियों में यह ठंडी वायु के द्वारा ठंडा किया जाता है। इस्पात की शीतलन दर को पर्याप्त रूप से धीमा होना चाहिए ताकि ऑस्टेनाइट को बैनाइट या मार्टेंसाइट में परिवर्तित न हो, बल्कि यह पूरी तरह से पर्लिट और फेराइट या सीमेंटाइट में परिवर्तित हो जाये। इसका अर्थ है कि इस्पात जो बहुत कठोर हैं (अर्थात मध्यम रूप से कम शीतलन दर से मार्टेंसाइट बनाते हैं) को भट्ठी मे ठंडा करना पड़ता है। प्रक्रिया का विवरण धातु के प्रकार और निश्चित मिश्र धातु पर निर्भर करता है। किसी भी स्थिति में परिणाम एक अधिक तन्य पदार्थ है लेकिन कम उपज शक्ति और एक कम तन्यता शक्ति के साथ। इस प्रक्रिया को इस्पात उद्योग में लैमेलर पर्लिट के लिए एलपी (LP) तापानुशीतन भी कहा जाता है, तापानुशीतन प्रक्रिया के विपरीत, जो एक सूक्ष्म संरचना को निर्दिष्ट नहीं करता है और पदार्थ को केवल तन्यता प्रदान करता है। प्रायः मशीनीकृत किए जाने वाले पदार्थ का तापानुशीतन किया जाता है, और फिर अंतिम वांछित गुणों को प्राप्त करने के लिए और उष्मीय प्रबंध के अधीन किया जाता है।

लघु चक्र तापानुशीतन
लघु चक्र तापानुशीतन का उपयोग सामान्य फेराइट को आघात वर्धनीय फेराइट में बदलने के लिए किया जाता है। इसमें 4 से 8 घंटे तक गर्म, ठंडा तथा पुनः गर्म किया जाता है।

प्रतिरोध तापन
तांबे के तार को कुशलतापूर्वक हटाने के लिए प्रतिरोध तापन का उपयोग किया जा सकता है। उष्मीय प्रणाली एक नियंत्रित विद्युत लघु परिपथ को नियुक्त करती है। यह लाभदायक हो सकता है क्योंकि इसमें तापानुशीतन के अन्य विधियों की तरह तापमान नियंत्रित भट्टी की आवश्यकता नहीं होती है।

इस प्रक्रिया में दो चालकीय घिरनिया (सोपान घिरनी) होते हैं, जिससे तार एक ओर से दूसरी ओर खींचा जाता है। दोनों घिरनियों के बीच विद्युत विभव होता है, जिसके कारण तार में लघु परिपथ होता है। जूल प्रभाव के कारण तार का तापमान लगभग 400 °C (डिग्री सेल्सियस) तक बढ़ जाता है। यह तापमान घिरनियों की घूर्णन गति, परिवेश के तापमान और लगाए गए वोल्टेज से प्रभावित होता है। जहां t तार का तापमान, k एक नियतांक, v लगाया गया वोल्टेज, r प्रति मिनट घिरनियों के घूर्णन की संख्या, तथा Ta परिवेश का तापमान है।


 * $$t = \frac{1}{r} KV^2 + t_a$$

नियतांक k घिरनियों के व्यास और तांबे की प्रतिरोधकता पर निर्भर करता है।

पूर्ण रूप से तांबे के तार के तापमान के संदर्भ में, घिरनी प्रणाली के माध्यम से तार की गति में वृद्धि प्रतिरोध में कमी के समान प्रभाव डालती है।

यह भी देखें

 * तापानुशीतन (ग्लास)
 * लघु परिपथ द्वारा तापानुशीतन
 * हॉलोमन-जफ पैरामीटर
 * अवकृष्ट हाइड्रोजन तापानुशीतन
 * कृत्रिम तापानुशीतन
 * टेम्परिंग (धातुकर्म)

बाहरी संबंध

 * Annealing – efunda – engineering fundamentals
 * Annealing – Aluminum and Aircraft Metal Alloys