กรรมวิธีการอบชุบความร้อนโลหะ

กรรมวิธีการอบชุบความร้อนโลหะ

       การอบชุบโลหะด้วยความร้อน มีกรรมวิธีอยู่มากมาย ไม่ว่าจะเป็น การอบอุ่น การชุบแข็ง การทำเทมเพอร์ การชุบแข็งผิว หรือการชุบแข็งโดยการตกตะกอน เป็นต้น แต่ละวิธีจะมีประโยชน์และการใช้งานที่แตกต่างกัน จะเลือกใช้วิธีใดขึ้นอยู่กับสมบัติสุดท้ายของโลหะที่เราต้องการ

      เหล็กกล้าคาร์บอนมีสมบัติเด่นอย่างหนึ่งคือ สามารถเปลี่ยนแปลงระบบผลึกของตนเองได้เมื่อได้รับความร้อนหรือทำให้เย็นลง ซึ่งเราเรียกว่า สภาพอัญรูป (allotropy) จากสมบัติที่ดีในข้อนี้ทำให้เหล็กกล้าสามารถปรับปรุงสมบัติทางกลโดยกระบวนการทางความร้อน (heat treatment) ได้อย่างกว้างขวาง

Ø  กรรมวิธีการอบชุบเหล็กกล้าที่สำคัญๆ อาจจำแนกได้ดังต่อไปนี้

Ø  การอบอ่อน (annealing)

Ø  การอบปรกปกติ (normalizing)

Ø  การชุบแข็ง (hardening หรือ quenching)

Ø  การทำเทมเพอร์ (tempering)

Ø  การชุบแข็งออสเทมเพอริง (austempering)

Ø  การชุบแข็งมาร์เทมเพอริง (martempering)

Ø  การชุบแข็งที่ผิว (surface hardening หรือ case hardening)

Ø  การอบอ่อน (Annealing)

      กระบวนการการอบอ่อน (annealing) เป็นการให้ความร้อนกับเหล็กกล้าจนถึงอุณหภูมิออสเทไนไทซิงแล้วปล่อยให้เย็นตัวอัตราการเย็นที่ช้าๆ วัตถุประสงค์ของการอบอ่อนทำเพื่อปรับปรุงสมบัติของเหล็กกล้าที่ผ่านการขึ้นรูปต่างๆ เช่น ชิ้นงานหล่อ การขึ้นรูปเย็น การขึ้นรูปร้อน ฯลฯ

v การอบปรกติ (Normalizing)

      การอบปรกติ (normalizing) เป็นการให้ความร้อนกับเหล็กกล้าจนถึงอุณหภูมิออสเทไนไทซิงแล้วอบแช่ทิ้งไว้ จากนั้นปล่อยให้เย็นตัวในอากาศจนถึงอุณหภูมิห้อง ความแตกต่างระหว่างการอบปรกติกับการอบอ่อนจะอยู่ที่อุณหภูมิออสเทไนไทซิง และอัตราการเย็นตัว

      การทำการอบปรกติจึงเหมาะกับการปรับปรุงโครงสร้างและการกระจายตัวของเกรนก่อนการชุบแข็ง ปรกติแล้วกระบวนการนี้จะทำกับเหล็กกล้าที่ผ่านการหล่อขึ้นรูปมาและเหล็กที่ผ่านการขึ้นรูปร้อน ซึ่งเกรนที่ได้จะหยาบและไม่สม่ำเสมอ โครงสร้างไม่เป็นเนื้อเดียวกันสำหรับชิ้นงานหล่อ

v การอบชุบแข็ง (Quenching)

      การชุบแข็ง (quenching or hardening) เป็นการทำให้เหล็กล้าเย็นตัวอย่างรวดเร็ว (rapid cooling) เพื่อเปลี่ยนสภาพไปเป็นโครงสร้างที่เราต้องการ กระบวนการชุบแข็งนี้จะทำให้เหล็กมีความแข็งเพิ่มขึ้นขณะเดียวกันความเหนียวจะลดลง ดังนั้น ตัวแปรที่มีส่วนอย่างมากในการควบคุมอัตราการเย็นตัว คือ สารชุบ (quenching media) ซึ่งต้องเลือกให้เหมาะกับชนิดของเหล็ก

      สารชุบเป็นตัวกลางผ่านความร้อนจากชิ้นงานให้หมดไปอย่างรวดเร็ว ดังนั้น สมบัติของสารชุบต้องให้อัตราการเย็นตัวที่สูงกว่าอัตราการเย็นตัววิกฤต เพื่อป้องกันกันการเปลี่ยนเฟสจากออสเทไนต์ไปเป็นโครงสร้างอื่นที่ไม่ใช่มาร์เทนไซต์

v การทำเทมเพอร์ (Tempering)

      โครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่ได้จากชุบแข็งมานั้น จะมีสมบัติที่แข็งและเปราะ อีกทั้งอัตราเย็นตัวที่รวดเร็วจะทำให้เกิดความเครียดขึ้นภายใน ส่งผลให้เหล็กขาดความเหนียวไม่ทนต่อแรงกระแทก อาจแตกร้าวภายหลังการใช้งานได้ ดังนั้น จึงต้องมีการนำเหล็กที่ผ่านการชุบแข็งมาทำเทมเพอร์เพื่อคลายความเครียดให้หมดไป

      การเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกลขณะทำเทมเพอร์ จะสัมพันธ์กับอุณหภูมิและเวลา ความเค้นตกค้าง (residual stress) เกิดขึ้นจากการชุบแข็งเนื่องจากอัตราการเย็นตัวที่สูง เมื่อนำชิ้นงานมาทำเทมเพอร์ความเค้นดังกล่าวจะลดลงยิ่งอุณหภูมิในการทำเทมเพอร์สูงขึ้นเปอร์เซ็นความเค้นตกค้างก็จะลดลงมากขึ้นด้วย

v การชุบแข็งออสเทมเพอริง

      การชุบแข็งแบบออสเทมเพอริง (austempering) เป็นวิธีการหนึ่งในการชุบแข็งแบบเป็นชั้น (step quenching) ทั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวหรือบิดงอของชิ้นงานที่มีความหนาบางแตกต่างกันมากๆ ดังนั้น จึงมีการหาวิธีที่ทำให้เหล็กเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์หรือเบไนต์ที่อุณหภูมิสูงโดยไม่ต้องเย็นตัวลงมาถึงอุณหภูมิห้องในทันที วิธีที่นิยมมี 2 วิธี คือออสเทมเพอริงและมาร์เทมเพอริง

v การชุบแข็งมาร์เทมเพอริง

      การชุบแข็งมาร์เทมเพอริง (martempering) เป็นการชุบแข็งแบบเป็นขั้นอีกวิธีหนึ่งที่มีวัตถุประสงค์เช่นเดียวกับออสเทมเพอริง คือ ป้องกันปัญหาการแตกร้าวและบิดงอจากอัตรการเย็นตัวอย่างรวดเร็วโครงสร้างที่ได้จากการทำมาร์เทมเพอริงจะป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์

v การชุบแข็งที่ผิว (surface hardening)

      การชุบแข็งที่ผิว มีวัตถุประสงค์เพื่อทำให้บริเวณของชิ้นงานเกิดความแข็งขึ้น ส่วนเนื้อเหล็กบริเวณภายในยังคงอ่อนและเหนียวดังเดิม การชุบแข็งที่ผิวทำเพื่อให้เหล็กทนการสึกหรอที่บริเวณผิวดีขึ้น ขณะเดียวกันแกนกลางยังคงอ่อนเหนียว ซึ่งจะช่วยให้เหล็กรับแรงบิดหรือแรงกระแทกได้ดีขึ้น งานที่เหมาะกับการชุบแข็งที่ผิวได้แก่ เพลาข้อเหวี่ยง เฟืองเกียร์ต่างๆ และชิ้นส่วนที่ต้องการความทนทานการเสียดสี

v การอบชุบแข็งโดยวิธีการบ่มแข็งหรือการตกตะกอน

      การชุบแข็งโดยการบ่มแข็งหรือการชุบโดยการตกตะกอน (age or precipitation hardening) เป็นกระบวนการที่อาศัยการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดขึ้นในสภาวะของแข็งโดยมีการเกิดเฟสของแข็งที่เป็นอนุภาคขนาดเล็กระดับนาโนเมตรที่เกิดขึ้นจากการตกตะกอนและมีแรงยึดเหนี่ยวกับเมทริกซ์ที่มีความอ่อนเหนียว ทำให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น

อ้างอิง
ณรงค์ศักดิ์ ธรรมโชติ.  (2556).  โลหวิทยา.   กรุงเทพมหานคร : จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.