टेम्परिंग (धातुकर्म): Difference between revisions

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भिन्‍नरूपेण पायित स्टील। उत्पादित विभिन्न रंग उस तापमान को दर्शाते हैं जिस पर स्टील को ऊष्मित किया गया था। हल्का भूसा 204 डिग्री सेल्सियस (399 डिग्री फ़ारेनहाइट) इंगित करता है और हल्का नीला 337 डिग्री सेल्सियस (639 डिग्री फ़ारेनहाइट) इंगित करता है।.^[1]^[2]

टेम्परिंग या पायन ऊष्मा उपचार की एक प्रक्रिया है, जिसका उपयोग लौह -आधारित मिश्र धातुओं की कठोरता में वृद्धि करने के लिए किया जाता है। अतिरिक्त कठोरता को कम करने के लिए सामान्यतः दृढ़ीकरण के पश्चात् टेम्परिंग या पायन किया जाता है तथा एक निश्चित अवधि के लिए क्रांतिक बिंदु से नीचे कुछ तापमान पर धातु को तापन प्रदान करके किया जाता है, फिर स्थिर वायु में इसे ठंडा करने की अनुमति दी जाती है। सटीक तापमान निष्काषित कठोरता की मात्रा निर्धारित करता है और मिश्रधातु की विशिष्ट संरचना और परिसज्जित उत्पाद में वांछित गुणों दोनों पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, अत्यंत कठोर उपकरणों को प्रायः न्यूनतम तापमान पर पायन किया जाता है, जबकि स्प्रिंग अधिक तापमान पर पायन किया जाता है।

परिचय

मार्टेन्जाइट का फोटोमाइक्रोग्राफ (प्रकाश सूक्ष्मचित्र), जहां स्टील के शमित होने पर अधिक कठोर सूक्ष्म संरचना का निर्माण होता है। पायन मार्टेन्जाइट को पायित मार्टेन्जाइट के विभिन्न रूपों में परिवर्तित करके कठोरता को कम करता है।

टेम्परिंग एक ताप उपचार तकनीक है जिसे स्टील या संचकित लोहा जैसे लौह मिश्र धातुओं पर प्रयुक्त किया जाता है, जिससे कि मिश्र धातु की कठोरता को न्यूनतम करके अधिक कठोरता प्राप्त की जा सके। कठोरता में अवकरण प्रायः तन्यता में वृद्धि के साथ होती है, जिससे धातु की भंगुरता न्यूनतम हो जाती है। पायन सामान्यतः शमन के पश्चात् किया जाता है, जो धातु को उसकी अत्यंत कठोर अवस्था में लाने के लिए तत्काल शीतन किया जाता है। पायन को शमित वर्कपीस को उसके "न्यूनतम क्रांतिक तापमान" से नीचे के तापमान पर नियंत्रित ऊष्मण द्वारा प्राप्त किया जाता है। इसे निम्न रूपांतरण ताप या निम्न संरोध (A1) ताप भी कहा जाता है: वह तापमान जिस पर मिश्र धातु के क्रिस्टलीय चरण (पदार्थ) जिसे फेराइट और सीमेन्टाईट कहा जाता है, एकल-चरण ठोस विलयन निर्मित होने के लिए संयोजित होने लगते हैं जिसे ऑस्टेनाईट कहा जाता है। इस तापमान से ऊपर गर्म करने से बचा जाता है जिससे कि मार्टेंसाईट नामक अत्यंत कठोर बुझने वाली सूक्ष्म संरचना नष्ट न हो जाए।[^[3]

भौतिक गुणों के वांछित संतुलन को प्राप्त करने के लिए पायन प्रक्रिया के दौरान समय और ताप का सटीक नियंत्रण महत्वपूर्ण है। न्यून पायन ताप केवल आंतरिक तनाव को कम कर सकता है, जबकि अधिकांश कठोरता को बनाए रखते हुए भंगुरता को कम कर सकता है। उच्च पायन ताप कठोरता में अधिक अवकरण लाते हैं, जिससे तन्यता और सुघट्यता में वृद्धि के लिए कुछ पराभव सामर्थ्य और तनन सामर्थ्य का त्याग करना पड़ता है। यद्यपि कुछ न्यून मिश्र धातु स्टील में, जिनमें क्रोमियम और मोलिब्डेनम जैसे अन्य तत्व होते हैं, न्यून ताप पर पायन से कठोरता में वृद्धि हो सकती है, जबकि उच्च ताप पर कठोरता कम हो जाएगी। इन मिश्र धातु तत्वों की उच्च सांद्रता वाले अनेक स्टील अवक्षेपण कठोरण मिश्र धातुओं के प्रकार व्यवहार करते हैं, जो शमन और पायन में पाए जाने वाली स्थितियों के अंतर्गत विपरीत प्रभाव उत्पन्न करते हैं और उन्हें मैरेजिंग स्टील के रूप में जाना जाता है।^[3]

कार्बन स्टील में, पायन मार्टेंसाइट में कार्बाइड के आकार और वितरण को परिवर्तित कर देता है, जिससे "टेम्पर्ड मार्टेंसाइट" नामक एक सूक्ष्म संरचना निर्मित होता है। तन्यता, यंत्रीकरण और संघट्ट सार्मथ्य वृद्धि के लिए सामान्यीकृत स्टील और ढलवा लोहा पर भी पायन किया जाता है।^[3] स्टील को सामान्यतः समान रूप से पायित किया जाता है, जिसे "पायन के माध्यम से" कहा जाता है, जिससे प्रायः समान कठोरता उत्पन्न होती है, किन्तु कभी-कभी इसे असमान रूप से ऊष्मित किया जाता है, जिसे "विभेदक पायन" कहा जाता है, जिससे कठोरता में भिन्नता उत्पन्न होती है।^[4]

इतिहास

पायन एक प्राचीन ताप-उपचार तकनीक है। पायित मार्टेंसाइट का प्राचीन ज्ञात उदाहरण एक कुदाली है जो गलिली में पाई गई थी, जो प्रायः 1200 से 1100 ईसा पूर्व की थी।^[5] इस प्रक्रिया का उपयोग प्राचीन विश्वभर में, एशिया से लेकर यूरोप और अफ्रीका तक किया जाता था। प्राचीन काल में मूत्र, रक्त या पारद या सीसा जैसी धातुओं में शमन के लिए अनेक विभिन्न तरीकों और शीतलन स्नानों का प्रयास किया गया है, किन्तु युगों से पायन की प्रक्रिया अपेक्षाकृत अपरिवर्तित रही है। पायन प्रायः शमन के साथ भ्रमित किया जाता था और इस शब्द का उपयोग प्रायः दोनों तकनीकों का वर्णन करने के लिए किया जाता था।

वर्ष 1889 में, सर विलियम चांडलर रॉबर्ट्स-ऑस्टेन ने लिखा, "यहां तक कि प्रतिष्ठित अधिकारियों के लेखन में भी "लचकीला बनाना", "पायन" और "कठोरण" शब्दों के मध्य अभी भी इतना भ्रम है कि इन प्राचीन परिभाषाओं को सावधानी से ध्यान में रखना उचित होगा। मैं पायन शब्द का उपयोग पायन शब्द के समान अर्थ में करूंगा।''^[6]

शब्दावली

धातु विज्ञान में, ऐसे अनेक शब्द पाए जा सकते हैं जिनका क्षेत्र के भीतर अधिक विशिष्ट अर्थ होता है, किन्तु बाह्य रूप से वे अस्पष्ट प्रतीत हो सकते हैं। "कठोरता," "प्रभाव प्रतिरोध", "सुदृढ़ता" और "प्रबलता" जैसे शब्दों में अनेक विभिन्न अर्थ हो सकते हैं, जिससे कभी-कभी विशिष्ट अर्थ पर विचार करना कठिन हो जाता है। कुछ शब्द और उनकी विशिष्ट परिभाषाएँ हैं:

प्रबलता - स्थायी विरूपण (यांत्रिकी) विदारण का प्रतिरोध। धातु विज्ञान में प्रबलता अभी भी एक अस्पष्ट शब्द है, इसलिए इसे प्रायः पराभव सामर्थ्य (वह प्रबलता जिसके अतिरिक्त विरूपण स्थायी हो जाता है), तनन सामर्थ्य (अंतिम विदारण सामर्थ्य), अपरूपण सामर्थ्य (अनुप्रस्थ या कर्तन बलों का प्रतिरोध), और संपीड़न सामर्थ्य (भार के अंतर्गत प्रत्यास्थ संक्षिप्तीकरण का प्रतिरोध) में विभाजित किया जाता है।
सुदृढ़ता - विभंग के प्रति प्रतिरोध, जैसा कि चार्पी परीक्षण द्वारा मापा जाता है। सामर्थ्य कम होने पर कठोरता में प्रायः वृद्धि होती है, क्योंकि जो सामग्री बंकन होती है उसके विभाजित होने की संभावना कम होती है।
कठोरता - स्क्रैचिंग, घर्षण, या दंतुरण के प्रति सतह का प्रतिरोध। पारंपरिक धातु मिश्र धातुओं में दंतुरण कठोरता और तनन सामर्थ्य के मध्य एक रैखिक संबंध होता है, जो अनुवर्ती की मापन को सरलतम बनाता है।^[7]
भंगुरता - भंगुरता किसी सामग्री के प्रत्यास्थतया या सुघट्य रूप से बंकन या विरूपण होने से पूर्व विभाजित होने की प्रवृत्ति का वर्णन करती है। कठोरता कम होने से भंगुरता में वृद्धि होती है, किन्तु यह आंतरिक प्रतिबल से भी अधिक प्रभावित होती है।
सुघट्यता (भौतिकी) - इस प्रकार संचनीय, बंकन या विरूपित होने की क्षमता जो अनायास अपने मूल आकार में स्वतः पुनरावृत्त नहीं होते। यह पदार्थ की तन्यता या आघात्वर्धनीयता के समानुपाती होता है।
प्रत्यास्थतया (भौतिकी) - जिसे सुनम्यता भी कहा जाता है, इसमें विरूपित करने, बंकन, संपीड़ित करने या विस्तारित करने और बाह्य प्रतिबल विमोचित होने पर मूल आकार में पुनः पुनरावृत्त होने की क्षमता है। प्रत्यास्थतया सामग्री के यंग का मापांक से विपरीत रूप से संबंधित है।
संघट्ट प्रतिरोध - सामान्यतः उच्च-सामर्थ्य सुदृढ़ता का पर्याय है, इसमें न्यूनतम विरूपण के साथ शॉक-लोडिंग का प्रतिरोध करने की क्षमता है।
घर्षणरोध - सामान्यतः कठोरता का पर्याय है, इसमें क्षरण, अपक्षरण, स्पॉलिंग (समुत्खंडन) या गैलिंग (कणपाटन) का प्रतिरोध है।
संरचनात्मक अखंडता - अधिकतम सेवा काल प्रदान करने के लिए, विभंजन तथा श्रांति का विरोध करते हुए और न्यूनतम मात्रा में नम्य या विक्षेपण (इंजीनियरिंग) उत्पन्न करते हुए अधिकतम-दर भार सहन करने की क्षमता।

कार्बन स्टील

बहुत कम धातुएँ ऊष्मा उपचार पर उसी प्रकार या उसी सीमा तक प्रतिक्रिया करती हैं जिस प्रकार कार्बन स्टील करता है तथा कार्बन-स्टील का ऊष्मा-उपचार व्यवहार मिश्रधातु तत्वों के आधार पर मौलिक रूप से भिन्न हो सकता है। स्टील को एनीलन या अनीलीकरण के माध्यम से आघातवर्ध्य अवस्था में नरम किया जा सकता है, या इसे शमन द्वारा कांच के समान कठोर और भंगुर अवस्था में कठोर किया जा सकता है। यद्यपि अपनी कठोर अवस्था में स्टील सामान्यतः अधिक भंगुर होता है, जिसमें विभंजन सुदृढता का अभाव होने से अधिकांश अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी होता है। पायन एक ऐसी विधि है जिसका उपयोग कठोरता को न्यूनतम करने हेतु किया जाता है, जिससे शमित स्टील की तन्यता में वृद्धि होती है, जिससे धातु को कुछ लचीलापन और आघातवर्ध्यता प्रदान किया जाता है। यह धातु को विभंजन से पूर्व बंकन की अनुमति देता है। स्टील को कितना पायन प्रदान किया गया है इसके आधार पर विभंग से पूर्व, इसमें प्रत्यास्थ रूप से बंकन हो सकता है (भार हटा दिए जाने के पश्चात स्टील अपने मूल आकार में लौट आता है), या यह प्लास्टिक के रूप में बंकन हो सकता है (स्टील अपने मूल आकार में पुनः नहीं आता है, जिसके परिणामस्वरूप स्थायी विरूपण होता है)। पायन का उपयोग धातु के यांत्रिक गुणधर्मों, जैसे अपरूपण सामर्थ्य, पराभव सामर्थ्य, कठोरता, तान्यता और तनन सामर्थ्य में से किसी भी संयोजन को प्राप्त करने हेतु सटीक रूप से संतुलित करने के लिए किया जाता है,जो स्टील को विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी बनाता है। हथौड़ों और रिंच जैसे उपकरणों को अपघर्षण, संघट्ट प्रतिरोध और विरूपण के प्रतिरोध के लिए उचित प्रतिरोध की आवश्यकता होती है। स्प्रिंग्स को अधिक घर्षणरोध की आवश्यकता नहीं होती है, किन्तु उन्हें विभंजित हुए बिना प्रत्यास्थतया से विकृत होना चाहिए। स्वचालित अंश कुछ कम दृढ होते हैं किन्तु विभंजित से पूर्व उन्हें प्लास्टिक रूप से विकृत होने की आवश्यकता होती है।

दुर्लभ स्थितियों के अतिरिक्त जहां अधिकतम कठोरता या घर्षणरोध की आवश्यकता होती है जैसे कि फ़ाइल (उपकरण) के लिए उपयोग किया जाने वाला अकठोरीकृत स्टील, शमित स्टील प्रायः सदैव कुछ मात्रा तक संस्कारित होता है। यद्यपि, स्टील को कभी-कभी तापानुशीतन नामक प्रक्रिया के माध्यम से अनीलित किया जाता है, जिससे स्टील केवल आंशिक रूप से नरम हो जाता है। कभी-कभी इसे और अधिक नरम करने के लिए प्रसामान्यीकृत स्टील (इस्पात) पर पायन का उपयोग किया जाता है, जो सरल धातु कर्मण के लिए सुघट्यता और यंत्रीकरण की वृद्धि की जाती है। वेल्ड के ओर ऊष्मा प्रभावित क्षेत्र में उत्पन्न कुछ तनाव और अतिरिक्त कठोरता को दूर करने के लिए वेल्डेड स्टील पर पायन का भी उपयोग किया जा सकता है। ^[3]

शमित इस्पात (स्टील)

पायन प्रायः उन स्टील पर किया जाता है जिसे शमन नामक प्रक्रिया में गर्म स्टील को जल, तेल या प्रणोदित वायु में निमज्जित करने जैसी विधियों का उपयोग करके उसके ऊपरी क्रांतिक (A3) ताप से अतिरिक्त उष्मित किया जाता है और पुनः द्रुतता से ठंडा किया जाता है। संस्कारित स्टील को उसकी कठिन संभव स्थिति में या उसके निकटतम स्थिति में रखा जाता है, फिर कठोरता को वांछित अनुप्रयोग के लिए अधिक उपयुक्त बिंदु तक कम करने के लिए संस्कारित किया जाता है। पायित स्टील की कठोरता शीतलन गति और मिश्रधातु की संरचना दोनों पर निर्भर करती है। उच्च कार्बन मात्रा वाला स्टील निम्न कार्बन मात्रा वाले स्टील की तुलना में अधिक कठिन स्थिति में पहुंच जाएगा। इसी प्रकार, उच्च-कार्बन स्टील को एक निश्चित ताप पर संस्कारित करने से ऐसे स्टील का उत्पादन होगा जो उसी ताप पर पायित करने वाले निम्न-कार्बन स्टील की तुलना में अत्याधिक कठिन होता है। संस्कारित ताप पर समयावधि का भी प्रभाव पड़ता है। किंचित उन्नयित ताप पर न्यूनतम समय के लिए पायन वही प्रभाव उत्पन्न कर सकता है जो दीर्घ काल के लिए न्यूनतम ताप पर पायन से होता है। कार्बन मात्रा, आकार और स्टील के वांछित अनुप्रयोग के आधार पर पायन का समय भिन्न होता है, विशिष्ट रूप से कुछ मिनटों से लेकर कुछ घंटों तक होता है।

66 और 148 डिग्री सेल्सियस (151 और 298 डिग्री फारेनहाइट) के मध्य, न्यूनतम ताप पर शमित स्टील के पायन से प्रायः कुछ आंतरिक तनावों में थोड़ी उच्चावच और भंगुरता में कमी के अतिरिक्त अधिक प्रभाव नहीं पड़ेगा। 148 से 205 डिग्री सेल्सियस (298 से 401 डिग्री फारेनहाइट) तक के उच्च ताप पर पायन से कठोरता में अवकरण होगा, किन्तु मुख्य रूप से अधिकांश आंतरिक तनाव से उच्चावच होगा। निम्न मिश्रधातु मात्रा वाले कुछ स्टील में, 260 और 340 डिग्री सेल्सियस (500 और 644 डिग्री फारेनहाइट) की सीमा में पायन से तन्यता में कमी और भंगुरता में वृद्धि होती है, और इसे "संस्कारित मार्टेंसाइट एम्ब्रिटलमेंट" (टीएमई) श्रेणी के रूप में जाना जाता है। लोहारगिरी के स्थिति के अलावा, सामान्यतः इस सीमा को परिवर्जित किया जाता है। सुदृढ़ता से अधिक सामर्थ्य की आवश्यकता वाले स्टील, जैसे उपकरण, सामान्यतः 205 डिग्री सेल्सियस (401 डिग्री फारेनहाइट) से अधिक संस्कारित नहीं होते हैं। इसके अतिरिक्त, कठोरता में परिवर्तन प्रायः केवल पायन काल में परिवर्तन से उत्पन्न होता है। जब सामर्थ्य के व्यय पर वृद्ध सुदृढ़ता की आवश्यकता होती है, तो 370 से 540 डिग्री सेल्सियस (698 से 1,004 डिग्री फारेनहाइट) तक उच्च पायन ताप का उपयोग किया जाता है। 540 और 600 डिग्री सेल्सियस (1,004 और 1,112 डिग्री फ़ारेनहाइट) के मध्य भी उच्च ताप पर पायन से उत्कृष्ट सुदृढ़ता उत्पन्न होगी, किन्तु सामर्थ्य और कठोरता में गंभीर अवकरण होगा। 600 डिग्री सेल्सियस (1,112 डिग्री फ़ारेनहाइट) पर, स्टील को भंगुरता के एक और चरण का अनुभव हो सकता है, जिसे "टेम्पर एम्ब्रिटलमेंट" (टीई) कहा जाता है, जो उस स्थिति में होता है जब स्टील को दीर्घ काल तक टेम्पर एम्ब्रिटलमेंट ताप की सीमा के भीतर रखा जाता है। इस ताप से अधिक ऊष्मित करने पर स्टील को सामान्यतः किसी भी समय तक रखा नहीं जाएगा तथा टैम्पर भंगुरता से परिवर्जित करने के लिए शीघ्रता से ठंडा कर दिया जाएगा।^[3]

प्रसामान्यीकृत इस्पात (स्टील)

जिस स्टील को उसके ऊपरी क्रांतिक ताप से अधिक ऊष्मित किया जाता है और पुनः स्थिर वायु में ठंडा किया जाता है, उसे प्रसामान्यीकृत स्टील कहा जाता है। प्रसामान्यीकृत स्टील में पर्लाइट, मार्टेंसाइट और कभी-कभी बैनाइट कण जैसे इस सूक्ष्म संरचना के भीतर एक साथ मिश्रित होते हैं। यह ऐसे स्टील का उत्पादन करता है जो पूर्ण-अनीलित स्टील की तुलना में अधिक शक्तिशाली होते है, और पायित शमित स्टील की तुलना में अधिक सुदृढ़ होते है। यद्यपि, सामर्थ्य में अवकरण के समय कभी-कभी अतिरिक्त सुदृढ़ता की आवश्यकता होती है। पायन स्टील की कठोरता को सावधानीपूर्वक कम करने का एक विधि प्रदान करता है, जिससे सुदृढ़ता अधिक वांछनीय बिंदु तक वृद्धि पाती है। होने वाली विकृति की मात्रा को कम करने के लिए, कास्ट स्टील को प्रायः अनीलित करने के स्थान पर प्रसामान्यीकृत किया जाता है। पायन से कठोरता और कम हो सकती है, जिससे अनीलित स्टील के समान तन्यता में कुछ बिंदु तक वृद्धि आती है।^[8] पायन का उपयोग प्रायः कार्बन स्टील पर किया जाता है, जिससे प्रायः समान परिणाम प्राप्त होते हैं। प्रक्रिया, जिसे "प्रसामान्यीकरण और पायन" कहा जाता है, प्रायः 1045 कार्बन स्टील जैसे स्टील, या 0.35 से 0.55% कार्बन वाले अधिकांश अन्य स्टील पर उपयोग की जाती है। सुदृढ़ता बढ़ाने और आंतरिक तनाव से उच्चावचन के लिए इन स्टील को प्रायः प्रसामान्यीकरण के पश्चात पायित किया जाता है। यह धातु को उसके इच्छित उपयोग के लिए अधिक उपयुक्त और मशीन बनाने में सरलतम बना सकता है।^[9]

वेल्ड की गई स्टील

स्टील जिसे आर्क वेल्डेड, गैस वेल्डेड, या फोर्ज वेल्डेड के अतिरिक्त किसी अन्य तरीके से वेल्ड किया गया है, वेल्डिंग प्रक्रिया के ऊष्म से स्थानीय क्षेत्र में प्रभावित होता है। यह स्थानीयकृत क्षेत्र, जिसे ताप-प्रभावित क्षेत्र (एचएजेड) कहा जाता है, में ऐसे स्टील होते हैं जिनकी कठोरता में अत्याधिक भिन्नता होती है, प्रसामान्यीकृत स्टील से स्टील तक प्रायः इस ताप-प्रभावित क्षेत्र के सीमा के समीप शमित स्टील जितना कठोर होता है। असमान तापन, घनीकरण और शीतलन से ऊष्मीय संकुचन वेल्ड के भीतर और आसपास धातु में आंतरिक तनाव उत्पन्न करता है। पायन का उपयोग कभी-कभीवेल्ड के आसपास की आंतरिक तनाव और भंगुरता को कम करने के लिए प्रतिबल मोचन के स्थान पर किया जाता है (यहां तक कि संपूर्ण वस्तु को A1 ताप के ठीक नीचे तक ऊष्मित और शीतनन करना)। स्थानीयकृत पायन का उपयोग प्रायः वेल्ड पर किया जाता है जब निर्माण विशालकाय होता है, जटिल होता है, या अन्यथा संपूर्ण वस्तु को समान रूप से उष्मित करने के लिए अधिक असुविधाजनक होता है। इस उद्देश्य के लिए पायन ताप सामान्यतः 205 डिग्री सेल्सियस (401 डिग्री फारेनहाइट) और 343 डिग्री सेल्सियस (649 डिग्री फारेनहाइट) के आसपास होता है।^[10]

शमन और स्व-पायन

500 एमपीए सामर्थ्य का आधुनिक प्रबलन सरियाँ महंगे सूक्ष्म मिश्रातु स्टील से या शमन और स्व-पायन (क्यूएसटी) प्रक्रिया द्वारा बनाया जा सकता है। सरियाँ के अंतिम रोलिंग पास से निष्कासन के पश्चात जहां सरियाँ का अंतिम आकार प्रयुक्त किया जाता है, सरियाँ पर जल का छिड़काव किया जाता है जो सरियाँ की बाह्य सतह को शमित करता है। सरियाँ की गति और जल की मात्रा को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जाता है ताकि सरियाँ के केंद्र भाग को शमित न किया जा सके। गर्म केंद्र भाग तब पूर्व शमित बाह्य भाग को पायित करता है, जिससे उच्च सामर्थ्य वाली किन्तु निश्चित कोटि तन्यता वाली सरियाँ भी उत्पन्न होती है।

लोहकार

पायन मूल रूप से लोहारों (लोहे को गढ़ने वाले) द्वारा उपयोग और विकसित की गई एक प्रक्रिया थी। यह प्रक्रिया संभवतः ईसा पूर्व बारहवीं या ग्यारहवीं शताब्दी में अनातोलिया (आधुनिक तुर्की) के हित्तियों द्वारा विकसित की गई थी। धातुविज्ञान के ज्ञान के बिना, पायन मूल रूप से परीक्षण-और-त्रुटि विधि के माध्यम से तैयार की गई थी।

चूँकि आधुनिक समय तक तापमान को सटीक रूप से मापने के कुछ तरीके उपस्थित थे, इसलिए ताप का आकलन सामान्यतः धातु के पायित रंगों को देखकर किया जाता था। पायन में प्रायः चारकोल या कोयला फोर्ज या आग के ऊपर ऊष्मित करना सम्मिलित था, इसलिए कार्य को सटीक समय के लिए यथार्थत: सटीक ताप पर रखना सामान्यतः संभव नहीं था। पायन सामान्यतः धातु को मंदतः समान रूप से अधितापन करके, जैसा कि रंग से आंका जाता है और पुनः मुक्तांगण में या जल में निमज्जित करके तत्काल ठंडा किया जाता है। इससे वैसा ही प्रभाव उत्पन्न होता है जैसा उचित समय के लिए उचित ताप पर ऊष्मित करने से होता है, और अल्प समयावधि के भीतर पायित करके भंगुरता से परिवर्जित किया जाता है। यद्यपि, जबकि पायन-कलर गाइड उपस्थित हैं, पायन की इस विधि को सामान्यतः परिपूर्ण करने के लिए अच्छी मात्रा में अभ्यास की आवश्यकता होती है, क्योंकि अंतिम परिणाम अनेक कारकों पर निर्भर करता है, जिसमें स्टील की संरचना, जिस गति से इसे उष्मित किया गया था, ऊष्मा स्रोत के प्रकार (ऑक्सीकरण या कार्बुरीकरण), शीतलन दर, तेल की परतें या सतह पर अशुद्धियाँ, और अनेक अन्य परिस्थितियाँ जो प्रति लोहार या यहां तक कि कार्य से कार्य तक भिन्न होती हैं, सम्मिलित है। स्टील की मोटाई भी एक भूमिका निभाती है। मोटी वस्तुओं में ऊष्मा भीतर प्रवेश करने से पूर्व केवल सतह को सही ताप तक ऊष्मित करना सरल हो जाता है। यद्यपि, अधिक मोटी वस्तुएँ शमन के समय संपूर्णतया से कठोर नहीं हो पाती हैं।^[11]

पायन रंग

थ्रू-टेम्पर्ड स्टील फ़्लैटबार के टुकड़े। बाईं ओर से प्रथम, सामान्यीकृत स्टील है। द्वितीय शमित, अपायित मार्टेंसाइट है। शेष टुकड़ों को प्रति घंटे के लिए ओवन में उनके अनुरूप ताप पर पायित किया गया है। इस प्रकार के "पायन मानकों" का उपयोग कभी-कभी लोहारों द्वारा तुलना के लिए किया जाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि कार्य को उचित रंग में पायित किया गया है।

यदि स्टील को नवीनतापूर्वक घर्षण किया गया है, रगड़कर चमकाया गया है, या पॉलिश किया गया है, तो ऊष्मित होने पर इसकी सतह पर ऑक्साइड की परत बन जाएगी। जैसे-जैसे स्टील के ताप में वृद्धि होगी, आयरन ऑक्साइड की मोटाई भी बढ़ेगी। यद्यपि आयरन ऑक्साइड सामान्य रूप से पारदर्शी नहीं होता है, किन्तु ऐसी पतली परतें प्रकाश को परत की ऊपरी और निचली दोनों सतहों से परावर्तित होने देती हैं। यह पतली-फिल्म अंतःक्षेप नामक एक परिघटना का कारण बनता है, जो सतह पर रंग उत्पन्न करता है। जैसे-जैसे तापमान के साथ इस परत की मोटाई बढ़ती है, इसके कारण रंग बहुत हल्के पीले से परिवर्तित होकर भूरा, बैंगनी और अंत में नीला हो जाता है। ये रंग अत्यधिक सटीक तापमान पर दिखाई देते हैं और लोहार को ताप मापन के लिए एक सटीक गेज प्रदान करते हैं। विभिन्न रंग, उनके तदनुरूपी तापमान और उनके कुछ उपयोग हैं:

हल्का पीला - 176 डिग्री सेल्सियस (349 डिग्री फ़ारेनहाइट) - ग्रेवर, रेज़र, स्क्रेपर
लाइट-स्ट्रॉ - 205 डिग्री सेल्सियस (401 डिग्री फ़ारेनहाइट) - रॉक ड्रिल, रीमर, धातु-काटने वाली आरी
डार्क-स्ट्रॉ - 226 डिग्री सेल्सियस (439 डिग्री फ़ारेनहाइट) - स्क्रिबर, प्लेनर ब्लेड
भूरा - 260 डिग्री सेल्सियस (500 डिग्री फ़ारेनहाइट) - नल, डाई, ड्रिल बिट, हथौड़े, अताप छेनी
बैंगनी - 282 डिग्री सेल्सियस (540 डिग्री फ़ारेनहाइट) - शल्य उपकरण, छेदक यंत्र, शिला तक्षणी उपकरण
गहरा नीला - 310 डिग्री सेल्सियस (590 डिग्री फारेनहाइट) - स्क्रूड्राइवर, रिंच
हल्का नीला - 337 डिग्री सेल्सियस (639 डिग्री फ़ारेनहाइट) - स्प्रिंग्स, सुषिर काष्ट आरी
ग्रे-नीला - 371 डिग्री सेल्सियस (700 डिग्री फारेनहाइट) और उच्चतर - संरचनात्मक स्टील

ग्रे-नीले रंग के अतिरिक्त, आयरन ऑक्साइड अपनी पारदर्शिता विलोपित कर देता है, और तापमान को अब इस प्रकार से नहीं आंका जा सकता है। समय पारित के साथ-साथ परत की मोटाई भी बढ़ती जाएगी, जो अधितापन करने और तत्काल शीतलन का उपयोग करने का एक और कारण है। पायन ओवन में स्टील को दीर्घकाल तक 205 डिग्री सेल्सियस (401 डिग्री फारेनहाइट) पर रखा जाए तो वह भूरे, बैंगनी या नीले रंग में परिवर्तित होना प्रारंभ हो जाएगा, चाहे तापमान हल्के-भूसे रंग का उत्पादन करने के लिए आवश्यक तापमान से अधिक न हो। ऊष्मा स्रोतों का ऑक्सीकरण या कार्बराइजिंग भी अंतिम परिणाम को प्रभावित कर सकता है। जंग के विपरीत आयरन ऑक्साइड परत, निष्क्रियता के माध्यम से स्टील को जंग से भी सुरक्षित रखती है।^[12]

विभेदी पायन

एक विभेदी पायित खड़ग। केंद्र को स्प्रिंग रूपी कठोरता में पायित किया जाता है जबकि किनारों को हथौड़े की तुलना में किंचित सख्त में पायित किया जाता है।

विभेदी पायन स्टील के विभिन्न अंशों को विभिन्न मात्रा में पायन प्रदान करने की एक विधि है। इस विधि का उपयोग प्रायः ब्लेड, चाकू और खड़ग बनाने के लिए किया जाता है, जिससे कि ब्लेड की रीढ़ या केंद्र को नरम करते हुए अधिक कठोर धार प्रदान की जा सके। इसने बहुत सख्त, तेज, प्रभाव-प्रतिरोधी धार बनाए रखते हुए कठोरता को बढ़ाया, जिससे टूटने को रोकने में सहायता प्राप्त हुई। यह तकनीक यूरोप में अधिक समय पाई जाती थी, एशिया में अधिक प्रचलित विभेदी दृढ़ीकरण तकनीकों के विपरीत, जैसे कि जापानी तलवारबाजी में।

विभेदी पायन में ब्लेड के केवल एक भाग, सामान्यतः रीढ़, या दोधारी ब्लेड के केंद्र पर ताप प्रयुक्त करना सम्मिलित है। एकल-धार वाले ब्लेड के लिए, ताप, प्रायः लौ या लाल-गर्म पट्टी के रूप में, केवल ब्लेड की रीढ़ पर प्रयुक्त होती है। तब ब्लेड को ध्यानपूर्वक देखा जाता है जहां पायन रंग बनते हैं और धीरे-धीरे किनारे की ओर फैलते हैं। हल्के भूसे का रंग किनारे तक प्राप्त होने से पूर्व ताप हटा दिया जाता है। ताप हटने के पश्चात रंग थोड़े समय के लिए किनारे की ओर बढ़ते रहेंगे, इसलिए लोहार विशिष्ट रूप से ताप कुछ समय पूर्व ही हटा देता है, ताकि हल्का पीला रंग किनारे तक पहुंच जाए और आगे न बढ़े। दोधारी ब्लेड के लिए समान विधि का उपयोग किया जाता है, किन्तु ताप स्रोत ब्लेड के केंद्र पर प्रयुक्त किया जाता है, जिससे रंग प्रत्येक किनारे की ओर फैल जाएं।^[13]

अवरुद्ध शमन

अवरुद्ध शमन विधियों को प्रायः पायन के रूप में जाना जाता है, यद्यपि यें प्रक्रियाएँ पारंपरिक पायन से अधिक भिन्न हैं। इन विधियों में एक विशिष्ट ताप तक शमन करना सम्मिलित है जो मार्टेंसाइट स्टार्ट (Ms) ताप से अधिक है, और पुनः उस ताप पर अतिरिक्त समय तक बनाए रखना है। ताप और समय की मात्रा के आधार पर, यह या तो शुद्ध बैनाइट निर्मित होने की अनुमति देता है, या जब तक कि अधिकांश आंतरिक तनाव में विराम नहीं होता, तब तक मार्टेंसाइट का निर्माण स्थगित हो जाता है। इन विधियों को ऑस्टेम्परिंग (ऑसपायन) और मार्टेम्परिंग (मार्टेपायन) के नाम से जाना जाता है। ^[14]

आस्टेंपरिंग (ऑसपायन)

काल ताप परिवर्तन (टीटीटी) आरेख। लाल रेखा ऑसपायन के शीतलन वक्र को दर्शाता है।

ऑसपायन एक ऐसी तकनीक है जिसका उपयोग शुद्ध बैनाइट के निर्माण के लिए किया जाता है, जो पर्लाइट और मार्टेंसाइट के मध्य पाई जाने वाली एक संक्रमणकालीन सूक्ष्मसंरचना है। प्रसामान्यीकरण में, ऊपरी और निचले दोनों बैनाइट सामान्यतः पर्लाइट के साथ मिश्रित पाए जाते हैं। पर्लाइट या मार्टेंसाइट के निर्माण से परिवर्जित करने के लिए, स्टील को गलित धातुओं या लवण अवगाह में शमित किया जाता है। यह स्टील को उस बिंदु से पूर्व द्रुतता से ठंडा करता है जहां पर्लाइट बन सकता है और बैनाइट-गठन सीमा में आ जाता है। तब स्टील को बैनाइट- गठन ताप पर रखा जाता है, उस बिंदु से परे जहां तापमान समतुल्य तक पहुंच जाता है, जब तक कि बैनाइट पूर्णता से गठित नहीं हो जाती। फिर स्टील को अवगाह से निष्कासित कर पर्लाइट या मार्टेंसाइट का गठन न करके वायुशीतलित किया जाता है।

धारण ताप के आधार पर, ऑसपायन ऊपरी या निचले बैनाइट का उत्पादन कर सकता है। ऊपरी बैनाइट एक लेमिनेट संरचना है जो विशिष्ट रूप से 350 डिग्री सेल्सियस (662 डिग्री फारेनहाइट) से अधिक ताप पर निर्मित होती है और यह अधिक सुदृढ़ सूक्ष्मसंरचना है। निचला बैनाइट एक सुई जैसी संरचना है, जो 350 डिग्री सेल्सियस से निम्न ताप पर उत्पन्न होती है, और सशक्त किन्तु अधिक भंगुर होती है।^[15] किसी भी स्थिति में ऑसपायन किसी दी गई कठोरता के लिए अधिक सामर्थ्य और सुदृढ़ता उत्पन्न करता है, जो अधिकतर शीतलन गति के बजाय संरचना और न्यूनीकृत आंतरिक तनाव द्वारा निर्धारित होता है जिससे भंजन हो सकता है। यह उत्तम प्रभाव प्रतिरोध वाले स्टील का उत्पादन करता है। आधुनिक छेदक यंत्र और छेनी प्रायः ऑसपायित किए जाते हैं। चूँकि ऑसपायन से मार्टेंसाइट का उत्पादन नहीं होता है, इसलिए स्टील को और अधिक पायन की आवश्यकता नहीं होती है।^[14]

मार्टेपायन

मार्टेपायन ऑसपायन के समान है, जिसमें स्टील को पर्लाइट गठन सीमा से पूर्व तीव्र शीतलन के लिए गलित धातु या लवण अवगाह में शमित किया जाता है। यद्यपि मार्टेपायन में, लक्ष्य बैनाइट के बजाय मार्टेंसाइट निर्मित करना है। मार्टेंसाइट प्रारंभ ताप से अधिक ताप पर स्टील को ऑसपायन के लिए उपयोग किए जाने वाले ताप से अधिक न्यूनतम ताप पर शमित किया जाता है। तब तक धातु को इस ताप पर रखा जाता है जब तक कि स्टील का तापमान समतुल्य तक नहीं पहुंच जाता। किसी भी बैनाइट निर्मित होने से पूर्व स्टील को अवगाह से निष्कासित किया जाता है और पुनः इसे वायुशीतलित किया जाता है जिससे यह मार्टेंसाइट में परिवर्तित हो जाता है। शीतलन में व्यवधान से मार्टेंसाइट निर्मित से पूर्व अधिकांश आंतरिक तनाव विरामित हो जाते हैं, जिससे स्टील की भंगुरता न्यूनतम हो जाती है। यद्यपि, मार्टेपायित स्टील को सामान्यतः कठोरता और सुदृढ़ता को समायोजित करने के लिए और अधिक पायन से पारित करना होगा, किंतु कुछ दुर्लभ स्थितियों के अलावा जहां अधिकतम कठोरता की आवश्यकता होती है किन्तु अनुषंगी भंगुरता नहीं होती है। आधुनिक फ़ाइलें प्रायः मार्टेपायित होते हैं।^[14]

भौतिक प्रक्रियाएँ

पायन में तीन चरणों की प्रक्रिया सम्मिलित होती है जिसमें अस्थिर मार्टेंसाइट फेराइट और अस्थिर कार्बाइड में वियोजित हो जाता है, और अंततः स्थिर सीमेंटाइट में परिवर्तित हो जाता है, जिससे पायित मार्टेंसाइट नामक सूक्ष्मसंरचना के विभिन्न चरण बनते हैं। मार्टेंसाइट में विशिष्ट रूप से लैथ (पट्टियां) या प्लेटें होती हैं, जो कभी-कभी सूचीवत (सुई जैसी) या मसुराकार (लेंस के आकार की) दिखाई देती हैं। कार्बन मात्रा के आधार पर, इसमें निश्चित मात्रा में "प्रतिधारित ऑस्टेनाइट" भी होता है। प्रतिधारित ऑस्टेनाइट ऐसे क्रिस्टल होते हैं जो मार्टेंसाइट निःशेष (Mf) ताप से न्यून में शमन के पश्चात् भी मार्टेंसाइट में परिवर्तित होने में असमर्थ होते हैं। मिश्रधातु कारकों या कार्बन मात्रा में वृद्धि से प्रतिधारित ऑस्टेनाइट में वृद्धि होती है। ऑस्टेनाइट में मार्टेंसाइट या पर्लाइट की तुलना में स्टैकिंग-फ़ॉल्ट (चितिकरण दोष) ऊर्जा अत्याधिक है, जो घर्षणरोध न्यूनतम करता है और गैलिंग (कण पाटन) की संभावना में वृद्धि करती है, यद्यपि कुछ या अधिकांश प्रतिधारित ऑस्टेनाइट को पायन से पूर्व शीतल और परिशीतन उपचार द्वारा मार्टेंसाइट में रूपांतरित किया जा सकता है।

मार्टेंसाइट एक विसरणहीन रूपांतरण समय निर्मित होता है, जिसमें रूपांतरण पात के समय होने वाले रासायनिक परिवर्तनों के बजाय क्रिस्टल लैटिस में उत्पन्न अपरूपण प्रतिबल के कारण होता है। अपरूपण प्रतिबल क्रिस्टल के मध्य अनेक दोष, या "विस्थापन" उत्पन्न करता है, जिससे कार्बन परमाणुओं को स्थानांतरित होने के लिए न्यूनतम तनावपूर्ण क्षेत्र मिलते हैं। ऊष्मित होते ही, कार्बन परमाणु सर्वप्रथम इन दोषों की ओर पलायन करते हैं और अस्थिर कार्बाइड उत्पन्न करते हैं। यह इसमें से कुछ को फेराइट में परिवर्तित कर कुल मार्टेंसाइट की मात्रा को कम कर देता है। अधिक ऊष्मित करने पर मार्टेंसाइट और भी कम हो जाता है, जिससे अस्थिर कार्बाइड स्थिर सीमेंटाइट में रूपांतरित हो जाते है।

पायन का प्रथम चरण सामान्य ताप और 200 डिग्री सेल्सियस (392 डिग्री फारेनहाइट) के मध्य होता है। प्रथम चरण में, कार्बन ε-कार्बन (Fe 2,4C) में अवक्षेपित हो जाता है। द्वितीय चरण में, 150 डिग्री सेल्सियस (302 डिग्री फ़ारेनहाइट) और 300 डिग्री सेल्सियस (572 डिग्री फ़ारेनहाइट) के मध्य, प्रतिधारित ऑस्टेनाइट सीमेंटाइट (पुरातन रूप से इसे "ट्रोस्टाइट" कहा जाता है) के बजाय ε-कार्बन युक्त निचले-बेनाइट के रूप में परिवर्तित हो जाता है।^[16]^[17] तृतीय चरण 200 डिग्री सेल्सियस (392 डिग्री फारेनहाइट) और इससे अधिक तापमान पर होता है। तृतीय चरण में, ε-कार्बन सीमेंटाइट में अवक्षेपित हो जाता है, और मार्टेंसाइट में कार्बन की मात्रा न्यूनतम हो जाती है। यदि उच्च ताप, 650 डिग्री सेल्सियस (1,202 डिग्री फ़ारेनहाइट) और 700 डिग्री सेल्सियस (1,292 डिग्री फ़ारेनहाइट) के मध्य या इससे अधिक समय तक पायित किया जाए, तो मार्टेंसाइट पूर्णतः फेरिटिक बन सकता है और सीमेंटाइट मोटे या अधिक गोलाकार हो सकता है। गोलाभित स्टील में, सीमेंटाइट नेटवर्क खंडित हो जाता है और छड़ या गोलाकार आकार के ग्लोब्यूल्स में कम हो जाता है, और स्टील अनीलित स्टील की तुलना में नरम हो जाता है जो प्रायः शुद्ध लोहे जितना नरम होता है, जिससे इसे बनाना या मशीन बनाना अधिक सरल हो जाता है।^[18]

भंगुरता

पायन के समय भंगुरता तब होती है, जब एक विशिष्ट ताप सीमा के माध्यम से स्टील कठोरता में वृद्धि और तन्यता में कमी का अनुभव करता है, जो इस सीमा के दोनों ओर होने वाली कठोरता में सामान्य कमी के विपरीत होता है। प्रथम प्रकार को पायित मार्टेंसाइट भंगुरता (टीएमई) या एक-चरणीय भंगुरता कहा जाता है। द्वितीय को पायित भंगुरता (टीई) या द्वि-चरणीय भंगुरता कहा जाता है।

एक-चरणीय भंगुरता सामान्यतः कार्बन स्टील में 230 डिग्री सेल्सियस (446 डिग्री फ़ारेनहाइट) और 290 डिग्री सेल्सियस (554 डिग्री फ़ारेनहाइट) के मध्य तापमान पर होता है, और इसे ऐतिहासिक रूप से "500 डिग्री [फ़ारेनहाइट] भंगुरता" कहा जाता है। यह भंगुरता मार्टेंसाइट की इंटरलाथ सीमाओं में सीमेंटाइट से बनी विडमैनस्टैट पैटर्न सुइयों या प्लेटों के अवक्षेपण के कारण होती है। फास्फोरस जैसी अशुद्धियाँ, या मैंगनीज जैसे मिश्रधातु कारक, भंगुरता में वृद्धि करा सकते हैं, या उस तापमान को परिवर्तित कर सकते हैं जिस पर यह होता है। इस प्रकार का भंगुरता स्थायी है, और इसे केवल ऊपरी क्रांतिक ताप से अधिक ऊष्मित करने और पुनः शमन से ही उच्चावच हो सकता है। यद्यपि, इन सूक्ष्म संरचनाओं के निर्माण में सामान्यतः एक घंटे या उससे अधिक की आवश्यकता होती है, इसलिए प्रायः पायन की लोहार विधि में कोई समस्या नहीं होती है।

द्वि-चरणीय भंगुरता विशिष्ट रूप से क्रांतिक ताप सीमा के भीतर धातु की काल प्रभावन या उस सीमा के माध्यम से इसे मंदतः शीतलन से होती है। कार्बन स्टील के लिए, यह विशिष्ट रूप से 370 डिग्री सेल्सियस (698 डिग्री फारेनहाइट) और 560 डिग्री सेल्सियस (1,040 डिग्री फारेनहाइट) के मध्य होता है, यद्यपि फॉस्फोरस और सल्फर जैसी अशुद्धियाँ प्रभाव को नाटकीय रूप से बढ़ा देती हैं। यह सामान्यतः इसलिए होता है क्योंकि अशुद्धियाँ कण सीमाओं तक स्थानांतरित होने में सक्षम होती हैं, जिससे संरचना में दुर्बल स्थल उत्पन्न होते हैं। पायन के पश्चात् धातु को शीघ्रता से ठंडा करके प्रायः भंगुरता को परिवर्जित किया जा सकता है। यद्यपि, द्वि-चरणीय भंगुरता प्रतिवर्ती है। स्टील को 600 डिग्री सेल्सियस (1,112 डिग्री फ़ारेनहाइट) से अधिक ऊष्मित करके और पुनः शीघ्र ठंडा करके भंगुरता को समाप्त किया जा सकता है।^[19]

मिश्रधातु इस्पात (स्टील)

अनेक तत्व प्रायः स्टील के साथ मिश्रित होते हैं। अधिकांश तत्वों को स्टील के साथ मिश्रित करने का मुख्य उद्देश्य इसकी कठोरता में वृद्धि करना और ताप के अंतर्गत नरमी को कम करना है। उदाहरण के लिए, टूल स्टील में सुदृढ़ता और सामर्थ्य दोनों में वृद्धि के लिए क्रोमियम या वैनेडियम जैसे तत्व मिलाए जा सकते हैं, जो रिंच और स्क्रूड्राइवर जैसी चीजों के लिए आवश्यक है। दूसरी ओर, ड्रिल बिट्स और रोटरी फ़ाइलों को उच्च ताप पर अपनी कठोरता बनाए रखने की आवश्यकता होती है। कोबाल्ट या मोलिब्डेनम योजित कर स्टील को लाल-गर्म ताप पर भी अपनी कठोरता बनाए रखने का कारण बन सकता है, जिससे उच्च गति वाले स्टील बनते हैं। प्रायः केवल एक या दो तत्वों के योजन के अलावा, वांछित गुण प्राप्त करने के लिए स्टील में अनेक विभिन्न तत्वों की अल्प मात्रा मिलाई जाती है।

अधिकांश मिश्रधातु तत्वों (विलेयों) में न केवल कठोरता बढ़ाने का लाभ होता है, यद्यपि मार्टेंसाइट प्रारंभ ताप और वह तापमान जिस पर ऑस्टेनाइट फेराइट और सीमेंटाइट में परिवर्तित होता है, दोनों को भी कम करता है। शमन के समय, यह धीमी शीतलन दर की अनुमति देता है, जो मोटे अनुप्रस्थ काट वाली वस्तुओं को सादे कार्बन स्टील की तुलना में अधिक गहनता तक कठोर करने की अनुमति देता है, जिससे सामर्थ्य में अधिक एकसमानता उत्पन्न होती है।

मिश्रधातु स्टील के लिए पायन विधि अत्याधिक भिन्न हो सकते हैं, जो कि योजित तत्वों के प्रकार और मात्रा पर निर्भर करता है। सामान्यतः मैंगनीज, निकल, सिलिकॉन और एल्युमीनियम जैसे तत्व पायन के समय फेराइट में विलीन रहेंगे जबकि कार्बन अवक्षेपित होगा। शमित होने पर, ये विलेय सामान्यतः समान कार्बन मात्रा वाले सादे कार्बन स्टील की तुलना में कठोरता में वृद्धि उत्पन्न करेंगे। जब कठोर मिश्रधातु-स्टील, जिसमें इन तत्वों की मध्यम मात्रा होती है, को पायित किया जाता है, तो मिश्रधातु प्रायः कार्बन स्टील के अनुपात में कुछ नरम हो जाएगी।

यद्यपि पायन के समय क्रोमियम, वैनेडियम और मोलिब्डेनम जैसे तत्व कार्बन के साथ अवक्षेपित हो जाते हैं। यदि स्टील में इन तत्वों की सांद्रता अत्यंत न्यून है, तो कार्बन स्टील को पायित करने के लिए आवश्यक ताप की तुलना में, बहुत अधिक तापमान तक पहुंचने तक स्टील की नरमी को धीमा किया जा सकता है। यह स्टील को उच्च ताप या उच्च घर्षण अनुप्रयोगों में अपनी कठोरता बनाए रखने की अनुमति देता है। यद्यपि कठोरता में कमी लाने के लिए, पायन के समय अधिक तापमान की भी आवश्यकता होती है। यदि स्टील में इन तत्वों की विशाल मात्रा होती है, तो पायन से एक विशिष्ट ताप तक पहुंचने तक कठोरता में वृद्धि हो सकती है, जिस बिंदु पर कठोरता में ह्रास होना प्रारंभ हो जाएगा।^[20]^[21] उदाहरण के लिए, मोलिब्डेनम स्टील विशिष्ट रूप से 315 डिग्री सेल्सियस (599 डिग्री फारेनहाइट) के समीप अपनी उच्चतम कठोरता प्राप्त करेंगे, जबकि वैनेडियम स्टील 371 डिग्री सेल्सियस (700 डिग्री फारेनहाइट) के समीप पायित होने पर पूर्णतः कठोर हो जाएंगे। जब अत्याधिक मात्रा में विलेय योजित किए जाते हैं, तो मिश्रधातु इस्पात अवक्षेपण-कठोर मिश्रधातुओं के समान व्यवहार कर सकते हैं, जो पायन के समय कभी नरम नहीं होते हैं।^[22]

कच्चा लोहा

कच्चा लोहा कार्बन मात्रा के आधार पर अनेक प्रकारों में आता है। यद्यपि, कार्बाइड के रूप के आधार पर, उन्हें सामान्यतः ग्रे और श्वेत ढलवा लोहा में विभाजित किया जाता है। ग्रे ढलवे लोहे में, कार्बन मुख्य रूप से ग्रेफाइट के रूप में होता है, किन्तु श्वेत ढलवे लोहे में, कार्बन सामान्यतः सीमेंटाइट के रूप में होता है। ग्रे ढलवे लोहे में मुख्य रूप से पर्लाइट नामक सूक्ष्मसंरचना होती है, जो ग्रेफाइट और कभी-कभी फेराइट के साथ मिश्रित होती है। ग्रे ढलवे लोहे का उपयोग प्रायः सांचे के रूप में किया जाता है, जिसके गुणधर्म इसकी संरचना से निर्धारित होते हैं।

श्वेत ढलवा लोहा अधिकतर पर्लाइट के साथ मिश्रित लेडबुराइट नामक सूक्ष्मसंरचना से बना होता है। लेडेबुराइट अधिक कठोर होता है जिससे ढलवा लोहा अधिक भंगुर हो जाता है। यदि श्वेत ढलवे लोहे में हाइपोएयूटेक्टिक संरचना होती है, तो इसे सामान्यतः आघात वर्धनीय या तन्य ढलवा लोहा बनाने के लिए पायित किया जाता है। पायन की दो विधियों का उपयोग किया जाता है, जिन्हें "श्वेत पायन" और "श्याम पायन" कहा जाता है। दोनों पायन विधियों का उद्देश्य तन्यता की वृद्धि कर लेडबुराइट के भीतर सीमेंटाइट को विघटित करना है।^[23]

श्वेत पायन

आघात वर्धनीय (छिद्रपूर्ण) ढलवा लोहा श्वेत पायन द्वारा निर्मित किया जाता है। श्वेत पायन का उपयोग अतिरिक्त कार्बन को ऑक्सीकरण युक्त वातावरण में दीर्घकाल तक ऊष्मित करके तापायन के लिए किया जाता है। ढलवा लोहा सामान्यतः 60 घंटों तक 1,000 डिग्री सेल्सियस (1,830 डिग्री फ़ारेनहाइट) के उच्च ताप पर रखा जाएगा। उष्मण के पश्चात् प्रति घंटे प्रायः 10 डिग्री सेल्सियस (18 डिग्री फारेनहाइट) की धीमी शीतलन दर होती है। संपूर्ण प्रक्रिया 160 घंटे या उससे अधिक समय तक चल सकती है। इससे सीमेंटाइट लेडबुराइट से वियोजित हो जाता है, और फिर कार्बन धातु की सतह से बहिःश्यामित होकर निष्कासित हो जाता है, जिससे ढलवे लोहे की तन्यता में वृद्धि होती है।^[23]

श्याम पायन

तन्य (गैर-छिद्रपूर्ण) ढलवा लोहा (प्रायः "श्याम लोहा" कहा जाता है) श्याम पायन द्वारा निर्मित होता है। श्वेत पायन के विपरीत, श्याम पायन अक्रिय गैस वातावरण में किया जाता है, ताकि वियोजित कार्बन बहिःश्यामित न हो जाए। इसके अलावा, वियोजित कार्बन एक प्रकार के ग्रेफाइट में परिवर्तित हो जाता है जिसे "पायित ग्रेफाइट" या "परतदार ग्रेफाइट" कहा जाता है, जिससे धातु की तन्यता में वृद्धि आती है। पायन सामान्यतः 20 घंटे तक 950 डिग्री सेल्सियस (1,740 डिग्री फ़ारेनहाइट) के उच्च ताप पर किया जाता है। पायन के पश्चात् निम्न क्रांतिक ताप के माध्यम से धीमी गति से ठंडा किया जाता है, जो 50 से 100 घंटे या इससे अधिक अवधि तक चल सकता है।^[23]

अवक्षेपण कठोरण मिश्रधातुएँ

अवक्षेपण कठोरण मिश्रधातुएँ सर्वप्रथम 1900 के प्रारंभ में उपयोग में आईं। अधिकांश ताप-उपचार योग्य मिश्रधातुएँ अवक्षेपण कठोरण मिश्रधातुओं की श्रेणी में आती हैं, जिनमें एल्यूमीनियम, मैगनीशियम, टाइटेनियम और निकल की मिश्रधातुएँ सम्मिलित हैं। अनेक उच्च- मिश्रधातु स्टील भी अवक्षेपण कठोरण मिश्रधातु हैं। ये मिश्रधातुएं शमित होने पर सामान्य से अधिक नरम हो जाती हैं और पुनः समय के साथ कठोर हो जाती हैं। इस कारण से, अवक्षेपण कठोरण को प्रायः "काल प्रभावन" के रूप में जाना जाता है।

यद्यपि अधिकांश अवक्षेपण कठोरण मिश्रधातुएं सामान्य ताप पर कठोर हो जाएंगी, केवल कुछ उच्च ताप पर ही कठोर होंगी और अन्य में, उच्च ताप पर काल प्रभावन से प्रक्रिया तीव्र हो सकती है। सामान्य ताप से अधिक ताप पर काल प्रभावन को "कृत्रिम काल प्रभावन" कहा जाता है। यद्यपि यह विधि पायन के समान है, किंतु "पायन" शब्द का उपयोग सामान्यतः कृत्रिम काल प्रभावन का वर्णन करने के लिए नहीं किया जाता है, क्योंकि भौतिक प्रक्रियाएं, (यानी: अतिसंतृप्त मिश्रधातु से अंतराधात्विक चरणों का अवक्षेपण), वांछित परिणाम (यानी: नरम करने के बजाय प्रबलन करना), और निश्चित ताप पर समय की मात्रा कार्बन-स्टील में उपयोग किए जाने वाले पायन से अधिक भिन्न होती है।

यह भी देखें

अनीलन (धातुकर्म)
ऑसपायन
अवक्षेपण वृद्धि
पायित कांच

संदर्भ

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अग्रिम पठन

Manufacturing Processes Reference Guide by Robert H. Todd, Dell K. Allen, and Leo Alting pg. 410

बाहरी संबंध

[1] Light, its interaction with art and antiquities By Thomas B. Brill - Plenum Publishing 1980 Page 55

[2] Andrews, Jack (1994). New Edge of the Anvil: a resource book for the blacksmith. pp. 98–99

[autogenerated2007-3] 3.0 ^3.1 ^3.2 ^3.3 ^3.4 Steel metallurgy for the non-metallurgist By John D. Verhoeven - ASM International 2007 Page 99-105

[4] The Medieval Sword in the Modern World By Michael 'Tinker' Pearce - 2007 Page 39

[5] Tool steels By George Adam Roberts, George Krauss, Richard Kennedy, Richard L. Kennedy - ASM International 1998 Page 2

[6] Roberts-Austen By Sir William Chandler Roberts-Austen, Sydney W. Smith - Charles Griffin & Co. 1914 Page 155-156

[7] Pavlina, E. J.; Tyne, C. J. Van (1 December 2008). "स्टील के लिए कठोरता के साथ उपज शक्ति और तन्य शक्ति का सहसंबंध". Journal of Materials Engineering and Performance. 17 (6): 888–893. Bibcode:2008JMEP...17..888P. doi:10.1007/s11665-008-9225-5. S2CID 135890256.

[8] Steel castings handbook By Malcolm Blair, Thomas L. Stevens - Steel Founders' Society of America and ASM International Page 24-9

[9] Practical heat treating By Jon L. Dossett, Howard E. Boyer - ASM International 2006 Page 112

[10] How To Weld By Todd Bridigum - Motorbook 2008 Page 37

[11] Practical Blacksmithing and Metalworking By Percy W. Blandford - TAB Books 1988 Page 3, 74–75

[12] Practical Blacksmithing and Metalworking By Percy W. Blandford - TAB Books 1988 Page 74-75

[13] Knife Talk II: The High Performance Blade By Ed Fowler - Krause Publications 2003 Page 114

[autogenerated1-14] 14.0 ^14.1 ^14.2 Elements of metallurgy and engineering alloys By Flake C. Campbell - ASM International 2008 Page 195-196

[15] Steel Heat Treatment Handbook By George E. Totten -- Marcel Dekker 1997 Page 659

[16] Phase Transformations in Steels, Volume 1: Fundamentals and Diffusion-Controlled Transformations by Elena Pereloma, David V Edmonds -- Woodhead Publishing 2012 Page 20--39

[17] Light Microscopy of Carbon Steels by Leonard Ernest Samuels ASM International 1999 Page 20--25

[18] Principles of Heat Treatment of Steel By Romesh C. Sharma - New Age International (P) Limited 2003 Page 101-110

[19] Elements of metallurgy and engineering alloys By Flake C. Campbell - ASM International 2008 Page 197

[20] "Hardenable Alloy Steels :: Total Materia Article". www.keytometals.com.

[21] Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies By George E. Totten -- CRC Press 2007 Page 6, 200--203

[22] Steels: Microstructure and Properties: Microstructure and Properties By Harry Bhadeshia, Robert Honeycombe -- Elsevier 2006Page 191--207

[autogenerated2002-23] 23.0 ^23.1 ^23.2 Physical metallurgy for engineers By Miklós Tisza - ASM International 2002 Page 348-350

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