   |
|
การอบชุบเหล็กกล้าขั้นพื้นฐาน (Heat Treatment of Steels) . |
|
|||||
| การอบชุบเหล็กกล้าขั้นพื้นฐาน (Heat treatment of steels) การอบชุบเหล็กในที่นี้มิได้หมายถึงการชุบเหล็กให้แข็งเพียงอย่างเดียว แต่หมายถึงการใช้ความร้อนกระทำต่อเหล็กเพื่อเปลี่ยน | ||
| คุณสมบัติของเหล็กและโครงสร้างภายในของเหล็ก การอบชุบเหล็กที่สำคัญและใช้กันมากมีดังนี้ | ||
| การชุบแข็ง
(Hardening) คือการชุบเพื่อให้เหล็กมีความแข็งขึ้น ขั้นแรกจะต้องเผาเหล็กจากอุณหภูมิบรรยากาศให้ร้อนประมาณ 800 ๐C - 900 ๐C |
||
| (ขึ้นอยู่กับชนิดของเหล็ก) ภายในเตาไฟฟ้าหรือเตาอบชุบอื่น ๆ ที่สามารถควบคุมอุณหภูมิมิได้เมื่อเหล็กร้อนจนถึงอุณหภูมินี้ โครงสร้างของเหล็กจะเปลี่ยนไปเป็นออสเตนไนท์ (ดูจาก diagram) ทั่ว ๆ ไป มักจะเผาให้อุณหภูมิของเหล็กร้อนเลยเส้น A3 ไปประมาณ 50 ๐C - 75 ๐C แต่จะไม่เผาเหล็กให้อุณหภูมิสูงเกินพิกัดนี้ เพราะจะทำให้เกรนของเหล็กขยายโตตัวขึ้น ซึ่งจะทำให้คุณภาพของเหล็กหลังจากการชุบเสียไป ในทางปฏิบัติถ้าเป็นเหล็กที่มีคาร์บอนต่ำกว่า 0.8% จะเผาให้อุณหภูมิสูงกว่าเส้น A3 ประมาณ 50 ๐C - 75 ๐C ถ้าเหล็กมีคาร์บอนสูงกว่า 0.8% จะเผาเพียงแค่อุณหภูมิเหนือเส้น A 1ประมาณ 50 ๐C - 75 ๐C เท่านั้น เหตุผลก็คือเพื่อต้องการรักษาซีเมนไตต์ไว้ไม่ให้เปลี่ยนไปเป็นออสเตนไนท์ เพราะซีเมนไตต์มีความแข็งสูงอยู่แล้ว (ดูภาพประกอบ) | ||
| เมื่อเผาเหล็กจนกลายเป็นออสเตนไนท์แล้วจะต้องทิ้งไว้ที่อุณหภูมินี้ระยะหนึ่ง เวลาประมาณ 1 ชั่วโมงต่อความหนา 25 มม. | ||
| เพื่อให้เหล็กร้อนทั่วถึงกันตลอดทั้งแท่ง จากนั้นจึงจะนำเอาเหล็กออกจากเตาทำให้เย็นโดยรวดเร็วด้วยการจุ่มลงในน้ำ (Water quench) หรือในน้ำมัน (Oil quench) ในขณะที่ทำให้เหล็กเย็นโดยรวดเร็วนี้ ออสเตนไนท์จะเปลี่ยนกลับไปเป็นเฟอร์ไรท์ และเพิรไลท์ ไม่ทันแต่ะะให้โครงสร้างใหม่ที่มีความแข็งสูง เรียกว่ามาร์เทนไซต์ ถ้าจะพิจารณาโดยละเอียดแล้วมาร์เทนไซต์ก็คือเหล็กเฟอร์ไรท์นั่นเอง แต่เป็นเหล็กเฟอร์ไรท์ที่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่าสภาพสมดุลย์ตาม Equilibrium diagram ที่เป็นเช่นนี้เพราะอะตอมของคาร์บอนไม่มีเวลาพอที่จะเคลื่อนไหวมารวมกันให้ซีเมนไตต์ ดังนั้นความแข็งของเหล็กที่ผ่านการชุบจึงขึ้นอยู่กับสองสิ่ง คือ | ||
| 1. ปริมาณธาตุคาร์บอนในเหล็ก กล่าวคือ ถ้าในเหล็กมีธาตุคาร์บอนมากโอกาสที่เหล็กจะเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ก็ยิ่งง่าย และให้ปริมาณ | ||
| ของมาร์เทนไซต์มาก | ||
| 2. อัตราความเร็วในการชุบ กล่าวคือ ถ้าทำให้เหล็กเย็นเร็ว ๆ โอกาสที่ออสเตนไนท์จะเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ก็มีมาก ในทางตรงกันข้าม | ||
| ถ้าปล่อยให้เหล็กเย็นช้า ๆ ออสเตนไนท์จะเปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรท์กับซีเมนไตต์หมดไม่เกิดมาร์เทนไซต์ เหล็กก็ไม่แข็ง | ||
| การคืนตัว
(Tempering) เหล็กที่ผ่านการชุบมาแล้วย่อมจะเกิดความเครียด (strain) ขึ้นภายใน และมีความแข็งเพิ่มขึ้น แต่เหล็กจะขาดคุณสมบัติทางด้าน ความ |
||
| เหนียว (Ductility) ทำให้ไม่เหมาะที่จะนำไปใช้งาน เพราะถ้าเกิดมีการกระแทกชิ้นเหล็กอาจจะแตกร้าวได้ จึงจำเป็นต้องปรับปรุงคุณสมบัติเสียใหม่โดยการอบคืนตัว ซึ่งมีวิธีการดังนี้ | ||
| นำเหล็กที่ผ่านการชุบมาแล้วเผาภายในเตาที่อุณหภูมิต่ำประมาณ 200 ๐C - 400 ๐C ทิ้งไว้ประมาณ 1 - 3 ชั่วโมงแล้วเอาออกปล่อย | ||
| ให้เย็น ในอากาศธรรมดา เหล็กจะมีคุณสมบัติด้านความเหนียว (Ductility) ดีขึ้น แต่ความแข็งจะลดลงเล็กน้อย ในขณะที่เผาที่อุณหภูมิต่ำ มาร์เทนไซต์จะมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย โดยอะตอมคาร์บอนจะเคลื่อนไหวออกจากมาร์เทนไซต์มารวมกันเป็นเฟอร์ไรท์และซีเมนไซต์บางส่วน ที่เป็นเช๋นนี้เพราะมาร์เทนไซต์ไม่ใช่โครงสร้างของเหล็กที่สมดุลย์ที่อุณหภูมิบรรยากาศ เมื่อเหล็กได้รับความร้อนจะเกิดการเปลี่ยนแปลงเพื่อกลับไปเป็นโครงสร้างที่สมดุลย์คือเหล็กเฟอร์ไรท์ กับซีเมนต์ที่เราต้องเผาที่อุณหภูมิสูงไม่เกิน 400 ๐C ก็เพื่อไม่ต้องการให้มาร์เทนไซต์คืนตัวหมด เพราะเรายังต้องการความแข็งของเหล็กอยู่ ถ้าเราเผาให้อุณหภูมิสูงเกิน 400 ๐C ความแข็งจะถูกทำลายหมด | ||
| โดยทั่ว ๆ ไปการชุบแข็ง และการคืนตัวจะต้องกระทำติดต่อกันเพื่อให้ได้เหล็กแข็งและทนแรงกระแทกได้ดีด้วย (รูปที่ STEEL-HT1 ) |
|
|
|
รูปที่
STEEL-HT1
แสดงช่วงของอุณหภูมิในการทำอบชุบแข็งและการอบคืนตัว. |
|
การอบคลาย (Annealing) |
||
| การขึ้นรูปเย็น (cold working) หรือการหล่อมามักจะมีความแข็งเพิ่มขึ้นและไม่สม่ำเสมอ ทำให้เกิดการกลึงหรือไสยาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำลายความแข็งของเหล็กเพื่อจะได้กลึงหรือไสได้สะดวก | ||
| หลักการทำ Annealing แบ่งออกเป็นสองวิธีคือ Full annealing กับ Process annealing โดยมีลักษณะแตกต่างกันดังนี้ |
| Full annealing มีความมุ่งหมายเพื่อทำให้เหล็กแข็งอ่อนลงเพื่อสะดวกต่อการกลึงหรือไส วิธีนี้ต้องเผาเหล็กให้มีอุณหภูมิสูงจน | ||
| เหล็กกลายเป็น Austenite ที่อุณหภูมิเหนือเส้น A3 ประมาณ 50 ๐C ภายในเตาที่สามารถควบคุมอุณหภูมิได้ ทิ้งไว้ที่อุณหภูมินี้ไม่เกิน 2 ชั่วโมง จากนั้นปล่อยให้เหล็กเย็นช้า ๆ ภายในเตา ถ้าเป็นเตาไฟฟ้าก็เพียงแต่ตัดกระแสไฟเสีย แล้วปล่อยให้เหล็กเย็นอยู่ภายในเตาที่ปิดฝาสนิท เมื่อเหล็กถูกปล่อยให้เย็นช้า ๆ การเปลี่ยนโครงสร้างภายในก็จะปรับสู่สภาพใกล้เคียงสมดุลย์ โครงสร้างที่เป็นอยู่เดิม เช่นมาร์เทนไซต์หรือเบนไนท์ ฯลฯ ก็จะกลับมาเป็นเฟอร์ไรท์ และซีเมนไซต์ ทำให้ความแข็งลดลงกลายเป็นเหล็กอ่อนนิ่ม | ||
| Process annealing มีความมุ่งหมายเพื่อทำลายความเครียดภายในให้หมดไป เช่น เหล็กที่ถูกรีดหรือตีขึ้นรูปมา ถ้าจะนำไปทำ ต่อ | ||
| ในขั้นต่อไป เหล็กจะต้องผ่าน Annealing เพื่อให้มีความต้านทานแรงกระทำน้อยลง วิธีนี้เผาเหล็กให้ร้อนถึงอุณหภูมิต่ำกว่ายูเต็คตอยด์ คือต่ำกว่าเส้น A1 เล็กน้อย ทิ้ไว้นานพอสมควรเพื่อให้เหล็กร้อนทั่วถึงกัน หลังจากนั้นปล่อยให้เหล็กเย็นช้า ๆ วิธีนี้ความแข็งของเหล็กจะลดลงเล็กน้อย เพราะโครงสร้างของเหล็กแต่เดิมไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก แต่ความเครียดที่มีอยู่จะถูกทำลายหมดไป | ||
| การทำ
Normalizing มีความมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงความเหนียว โดยขนาดลดขนาดของเม็ดเกรนของเหล็ก (grain size) เพื่อทำให้คุณสมบัติของ เหล็ก |
||
| สม่ำเสมอ และในขณะเดียวกันก็ช่วยในการลดความเครียดภายในด้วย โดยทั่ว ๆ ไปเหล็กที่ผ่านการหล่อ (casting) หรือการรีดขึ้นรูปมามักจะมีความแข็งหรือความเหนียวไม่สม่ำเสมอตลอดทั้งแท่ง จึงจำเป็นต้องนำมาทำ Normalizing โดยการเผาเหล็กให้ร้อนจนกลายเป็นออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิเหนือเส้น A3 ประมาณ 50 ๐C หลังจากทิ้งไว้จนอุณหภูมิเท่ากันหมดทุกจุดตลอดภายในใจกลางด้วย โดยทั่ว ๆ ไปเหล็กที่ผ่านการหล่อ (casting) หรือมักรีดขึ้นรูปมามักจะมีความแข็งหรือความเหนียวไม่สม่ำเสมอตลอดทั้งแท่ง จึงจำเป็นต้องนำมาทำ Normalizing โดยการเผาเหล็กให้ร้อนจนกลายเป็นออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิเหนือเส้น A3 ประมาณ 50 ๐C หลังจากทิ้งไว้จนอุณหภูมิเท่ากันหมดทุกจุดตลอดภายในใจกลางด้วย จากนั้นจึงเอาเหล็กออกมาจากเตาทิ้งให้เย็นอากาศธรรมดา การปล่อยให้เหล็กเย็นในอากาศนั้นอัตราการเย็นตัวของเหล็กจะเร็วกว่าการทำ Annealing ดังนั้นเม็ดเกรนของเหล็กจะมีขนาดเล็กกว่า ทำให้เหล็กมีความเหนียวดีและคุณสมบัติสม่ำเสมอ | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-HT2
Heat-treatment Temperatures of Carbon Steels in Relation to the Equilibrium Diagram. |
| การทำ
spheroidizing เป็นการชุบเหล็กประเภทหนึ่งที่กระทำกับเหล็กที่มีคาร์บอนตั้งแต่ 0.8% ขึ้นไปเพราะเหล็กเหล่านี้จะมีโครงสร้างที่ประกอบด้วย |
||
| เพิรไลท์เป็นส่วนใหญ่ คือโครงสร้างที่ประกอบด้วยแถบของเฟอร์ไรท์กับซีเมนไซต์สลับกัน ดังนั้นในการกลึงหรือไสจึงไม่เรียบเพราะมีดกลึงจะต้องตัดผ่านของแข็งและอ่อนสลับกัน | ||
| การทำ spheroidizing เป็นการทำเพื่อเปลี่ยนลักษณะโครงสร้างจากลักษณะที่เป็นแถบยาวของซีเมนไซต์ให้มีลักษณะเป็นเม็ดกลมเล็ก ๆ | ||
| กระจายอยู่ทั่วไปในขณะทำการกลึง ตัวมีดจะได้ไม่ต้องตัดผ่านซีเมนไซต์ในขณะที่ตัวมีดเคลื่อนที่ผ่านของซีเมนไซต์ก็จะหลุด หรือเบนหนีการตัดผ่านไปได้ทำให้ตัวมีดตัดผ่านแต่เฉพาะเฟอร์ไรท์อย่างเดียว | ||
| วิธีการทำ spheroidizing กระทำได้สองแบบ |
| วิธีแรก เผาเหล็กให้ร้อนที่อุณหภูมิต่ำกว่าเส้น A1 เล็กน้อย แล้วทิ้งไว้ที่อุณหภูมินี้ประมาณ 10 - 15 ชั่วโมง เพื่อให้ซีเมนไซต์เปลี่ยนรูป | ||
| เป็นเม็ดกลม หลังจากนั้นเอาเหล็กออกปล่อยให้เย็นในอากาศ | ||
| วิธีที่สอง เผาเหล็กให้ร้อนที่อุณหภูมิเหนือเส้น A1 เล็กน้อย แล้วปล่อยให้เย็นลงมาจนต่ำกว่าเส้น A1 แล้วกลับเผาให้อุณหภูมิเหนือเส้น A1 | ||
| อีก กระทำสลับกันไปประมาณ 10 ชั่วโมง หลังจากนั้นปล่อยให้เหล็กเย็นในอากาศ | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-HT3
แสดงลักษณะโครงสร้างของเหล็กกล้าที่ผ่าน Annealing กับ Normalizing ที่อุณหภูมิต่างกัน. |
Head
|
G. PRECISION ENGINEERING LTD.,PART. 26/27 MOO.9 BYPASS ROAD , TUMBOL NAPA AMPHUR MUANG ,CHONBURI 20000 THAILAND. TEL :038-441-348 , 087-9182311 , 081-6446767 FAX : 038-441-349 Website : http://www.Gprecision.net E-mail : info@gprecision.net |