11.3 เทคนิค และสารตัวกลางชุบแข็ง

      สารตัวกลางชุบแข็ง (Quenching medium) จะเป็นของไหล (ของเหลว, ก๊าซ) หรือของแข็งก็ได้ ทำหน้าที่เป็นตัวกลางระหว่างกระบวนการชุบแข็ง ตัวกลางที่นิยมใช้ในการชุบแข็งมักจะเป็นของเหลว แต่อาจมีบางครั้งก็เป็นก๊าซ เช่น อากาศ ส่วนของแข็ง ก็เช่น ทราย แต่ก็ใช้เป็นเพียงบางครั้งในการชุบแข็ง

11.3.1 การชุบแข็งด้วยน้ำ

      น้ำถูกนำมาใช้เป็นตัวกลางในการชุบแข็งมากที่สุด ราคาไม่แพง และสะดวกที่สุดในการนำมาใช้ และให้ความเย็นอย่างรวดเร็ว

รูปการชุบแข็งด้วยน้ำ

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

วิดีโอการชุบแข็งด้วยน้ำเย็น

      การชุบแข็งด้วยน้ำ มักใช้กับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ ซึ่งต้องการความเร็วในการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมาก เพื่อให้ได้ความแข็ง และความแข็งแกร่งที่ดี แต่น้ำก็มีข้อเสียอยู่บ้างเมื่อนำมาใช้ชุบแข็งแบบฉับพลันสุดขีด อาจเกิดความเค้น, เกิดการบิด หรือเกิดการแตกร้าวภายในเนื้อเหล็ก 

11.3.2 การชุบแข็งด้วยน้ำเกลือ

      ผลที่เกิดโดยการชุบแข็งด้วย น้ำเกลือ (Brine quenching) คล้ายกันอย่างมากกับผลที่ได้จากการชุบแข็งด้วยน้ำ น้ำเกลือเป็นน้ำที่มีเกลือละลายอยู่ ข้อดีที่ต่างจากน้ำ ก็คือทำให้โลหะมีอัตราเย็นตัวได้เร็วกว่าน้ำ ดังนั้นการชุบแข็งที่เกิดขึ้นอย่างฉับพลันจึงมีมากกว่าเล็กน้อย ส่วนความแตกต่างของผลที่ได้จากตัวกลางทั้งสองมีเล็กน้อยมาก

      การชุบแข็งด้วยน้ำเกลือเป็นตัวกลาง มีเกลือโซเดียมคลอไรด์ หรือเกลือแกง (Sodium Chloride: NaCl) อัตราผสม 5% - 10% ในน้ำ เกลือทำให้อัตราการทำความเย็นเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อย อนุภาคของเกลือทำให้ระยะระบายไอออกใช้เวลาลดลง เกลือตกตะกอน เนื่องจากการ ระเบิด ออกห่างโลหะ การระเบิดเล็ก ๆ มากทำให้แยกฟิล์มของไอออกอย่างรวดเร็ว การชุบแข็งด้วยน้ำเกลือมักจะเกิดสะเก็ดเล็ก ๆ ออกจากโลหะมากกว่าการชุบแข็งด้วยน้ำ

      นอกจากน้ำเกลือที่ใช้ชุบแข็งแล้ว ยังมีน้ำเกลือเข้มข้นที่อาจเป็นเกลือทั้งหมดนำมาต้มหลอมในเตาหลอมเกลือเพื่อใช้ในการชุบแข็งโลหะ

      การชุบแข็งชิ้นส่วนโลหะในอ่างเกลือหลอมเหลว จะไม่เหมือนกันกับการชุบแข็งด้วยน้ำเกลือ วิธีการชุบแข็งในอ่างเกลือหลอมจะมีการอัตราการถ่ายเทความร้อนอย่างรวดเร็วกว่าน้ำเกลือ โดยมีเตาหลอมเกลือเป็นอ่างชุบแข็งด้วย อุณหภูมิที่ใช้หลอมเกลืออยู่ที่ 180 °C ถึง 400° C (350 °F ถึง 750 °F) 

รูปเตาหลอมเกลือในงานชุบแข็ง สร้างความร้อนเพื่อละลายเกลือโดยใช้ไฟฟ้า อุณหภูมิ 180 °C ถึง 400° C

11.3.3 การชุบแข็งด้วยน้ำมัน

      ในการชุบแข็งด้วยน้ำมัน (Oil quenching) มีความนุ่มนวลกว่าน้ำ หรือน้ำเกลือ มักนิยมนำไปเป็นตัวกลางชุบแข็งที่เป็น ชิ้นงานโลหะที่อาจเกิดวิกฤติเมื่อนำไปชุบด้วยน้ำ หรือน้ำเกลือ เช่น ชิ้นงานโลหะที่บาง หรือมีมุมขอบคม เช่น ใบมีดโกน (Razor blades), สปริง และใบมีดเครื่องจักร เหล่านี้มักจะนำไปชุบแข็งด้วยน้ำมัน

รูปการชุบแข็งเฟืองด้วยน้ำมัน

รูปการชุบแข็งด้วยน้ำมัน

วิดีโอการชุบแข็งใบเลื่อยด้วยน้ำมัน

      การชุบแข็งด้วยน้ำมันจะเกิดความรุนแรงต่อชิ้นงานน้อยกว่าการชุบแข็งด้วยน้ำ ลดผลความเสี่ยงให้เกิดขึ้นน้อยลง ที่จะทำให้ชิ้นงานเกิดความเค้น, การบิดตัว หรือการแตกร้าวภายใน

      แต่ถึงอย่างไร เนื่องจากความนุ่มนวลในการชุบแข็ง ทำให้ผลของความแข็ง และความแข็งแกร่งในเหล็กกล้าอาจมีน้อยกว่าการชุบแข็งด้วยน้ำเล็กน้อย

      ดังนั้น นักโลหะวิทยาจะต้องมีการติดสินใจเลือกระหว่าง ต้องการให้โลหะมีความเด่นในด้านความแข็ง และความแข็งแกร่ง หรือต้องการให้โลหะที่จะชุบลดความเค้นภายใน, การแตกร้าว หรือการบิดตัวของชิ้นงาน แล้วแต่วัตถุประสงค์ที่จะใช้งาน

      การชุบแข็งด้วยน้ำให้ประสิทธิผลทางด้านเทคนิคมากกว่า เมื่อน้ำมันเกิดความร้อนเกินกว่าอุณหภูมิห้องเล็กน้อย 40 °C ถึง 65° C (100° F ถึง 150 °F) ตัวกลางใดที่จะถูกนำไปชุบแข็งมีความเย็นกว่า จะให้ความแข็ง และความแข็งแกร่งในการชุบมากกว่า

      แต่ถึงอย่างไร น้ำมันมีความหนาแน่นมาก เมื่อความร้อนน้ำมันเพิ่มขึ้น ถึง 40 °C (100° F) ความหนืดของน้ำมันจะน้อยลง (จะเบาบางกว่า) เกิดการเคลื่อนที่จะเกิดได้อย่างอิสระได้ง่ายกว่า ในการชุบแข็งชิ้นงาน ดังนั้น การอุ่นน้ำมันจะมีผลต่อการชุบแข็งได้ไวกว่าการใช้น้ำมันที่เย็น

11.3.4 การชุบแข็งด้วยอากาศ

      การชุบแข็งด้วยอากาศ (Air quenching) ให้ผลรุนแรงต่อชิ้นงานน้อยกว่าการชุบแข็งด้วยการใช้น้ำมัน, น้ำ หรือน้ำเกลือ ขั้นตอนทางฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องในการชุบแข็งด้วยอากาศ

รูปอุปกรณ์ชุบแข็งด้วยอากาศ อากาศเย็นถูกเป่าด้วยความเร็วสูงผ่านตะแกรง และถูกกับชิ้นส่วนที่ร้อน

ชิ้นงานโลหะที่ร้อน ถูกวางบนตะแกรง แล้วมีอากาศเย็นถูกพ่นเป่าด้วยความเร็วสูงจากด้านล่าง ผ่านตะแกรง และปะทะกับชิ้นส่วนโลหะที่ร้อน การชุบแข็งด้วยอากาศสามารถสร้างทำเป็นห้องชุบแข็งได้ หลังจากโลหะออกจากเตา

      การชุบแข็งด้วยอากาศชิ้นส่วนที่ชุบ จะไม่เย็นตัวอย่างรวดเร็วเหมือนกับชุบแข็งกับน้ำ หรือน้ำมัน มันจะมีทั้งข้อดี และข้อเสีย เนื่องจากว่าอัตราการเย็นตัวลงอย่างช้า ๆ จึงเกิดการเปลี่ยนแปลงด้านความเค้น, การบิด หรือรอยแตกร้าวในการชุบแข็งภายในโลหะจะเกิดขึ้นน้อย

      อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอัตราการเย็นตัวที่ช้า จะส่งผลต่อความแข็ง และความแข็งแกร่งทำให้มีค่าไม่สูง ยกเว้นนำไปใช้ชุบแข็งกับโลหะผสมพิเศษ โดยปกติจะใช้ชุบแข็งเหล็กกล้าที่มีส่วนผสมในโลหะที่สูงเท่านั้น เช่นโลหะผสมโครเมียม และโมลิบดีนัม เพราะโลหะเหล่านี้โดยปกติ สภาพจะแข็งอยู่แล้วจึงสามารถนำมาใช้กับการชุบแข็งด้วยอากาศได้   

11.4 บทสรุปของกรรมวิธีการชุบแข็ง

      ผลที่ได้จากการชุบแข็งด้วยวิธีการต่าง ๆ จะมีความแตกต่างกันในด้านเทคนิค ตัวกลางการชุบแข็งไม่ว่าจะเป็น น้ำ, น้ำเกลือ, น้ำมัน และอากาศ จะมีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการนำไปใช้งาน 

      อัตราของความเร็วที่เกิดขึ้นจากการชุบแข็งมีผลที่เปลี่ยนแปลงในกระบวนการทำความเย็นของโลหะ เมื่อเปรียบเทียบความเร็วในวิธีการชุบแข็งแต่ละวิธี ดูได้จากหลักการด้านล่างนี้

• การชุบแข็งด้วยน้ำ และน้ำเกลือ มีความเร็วในการชุบแข็งสูงสุด

• การชุบแข็งด้วยน้ำมัน ความเร็วในการชุบแข็งจะรองลงมา

• การชุบแข็งด้วยอากาศ ความเร็วในการชุบแข็งจะช้าสุด

      การออกแบบวิธีการชุบแข็งขึ้นอยู่กับความต้องการในการทำความแข็งแกร่ง และความแข็ง ระดับความแตกต่างของผลทางด้านความแข็ง และความแข็งแกร่ง โดยตัวกลางชุบแข็งสามารถเปรียบเทียบโดยดูได้จากข้างล่าง

Ø ผลผลิตที่ได้จากการชุบแข็งด้วยน้ำ และน้ำเกลือ จะมีความแข็ง และความแข็งแกร่งมากที่สุด

Ø ผลผลิตที่ได้จากการชุบแข็งด้วยน้ำมัน จะมีความแข็ง และความแข็งแกร่ง รองลงมา

Ø ผลผลิตที่ได้จากการชุบแข็งด้วยอากาศ จะมีความแข็ง และความแข็งแกร่งน้อยที่สุด

อย่างไรก็ตาม โลหะที่มีการผสมพิเศษ สามารถนำไปชุบแข็งด้วยอากาศได้ดีกว่าสารตัวกลางอื่น ทำให้โลหะผสมพิเศษสามารถนำไปเทียบได้กับ การชุบแข็งด้วยน้ำ, น้ำเกลือ หรือน้ำมัน

      เนื่องจากว่าธรรมชาติของการชุบแข็ง มักจะมีอันตรายต่อโลหะในด้าน ความเค้น, การบิด และการแตกร้าวภายในของโลหะ จึงต้องมีการพิจารณา ตัวกลางในการชุบแข็งแต่ละชนิด ซึ่งพิจารณาดูได้จากด้านล่างนี้

• การชุบแข็งด้วยอากาศ ดีที่สุด เพราะว่าเกิดความรุนแรงภายในน้อยที่สุด

• การชุบแข็งด้วยน้ำมัน ความเค้นภายใน, การบิด หรือการแตกร้า อาจเกิดขึ้นแต่มีเพียงเล็กน้อย

• การชุบแข็งด้วยสารตัวกลางที่เป็นน้ำ หรือน้ำเกลือ เสี่ยงที่จะทำให้เกิดความเค้น, การบิด และการแตกร้าวภายในมากที่สุด

      ส่วนที่เหลือก็ขึ้นอยู่กับประสบการณ์ในการเลือกสารชุบแข็ง โดยให้ตั้งอยู่บนประโยชน์ของโลหะที่จะได้มากที่สุด ถ้าต้องการเลือกสารตัวกลางที่ดีที่สุด มีข้อแนะนำเป็นคำถามนำ ดังนี้

• ชิ้นงานที่ต้องการความแข็ง และความแข็งแรงเป็นสิ่งสำคัญใช่หรือไม่?

• จำนวนการบิด หรือการแตกร้าว จะก่อให้เกิดอันตรายต่อชิ้นงานมีมากแค่ไหน?

ให้เปรียบเทียบปริมาณเหล่านี้ และเทคนิคแต่ละการชุบแข็งที่แสดงในตารางที่ 11.1

ตารางที่ 11.1 การเลือกเทคนิคการชุบแข็ง จะตั้งอยู่บนผลที่เกี่ยวข้องกันกับวิธีการ

ถ้าความแข็งและความแข็งแกร่งเป็นคุณภาพของโลหะที่สำคัญมากที่สุด การชุบแข็งด้วยน้ำ หรือน้ำมัน จะถูกเป็นตัวเลือก

ถ้าต้องการให้โลหะมีความทนทานต่อการบิด และการแตกร้าวเป็นสิ่งที่สำคัญ การชุบแข็งด้วยอากาศจะเป็นตัวเลือกที่ดี

การชุบแข็งด้วยน้ำมันสามารถพิจารณาประนีประนอมเพราะมันเป็น ตัวกลางประนีประนอม (Happy medium) ตรงกลางระหว่างการชุบแข็งด้วยน้ำ และการชุบแข็งด้วยอากาศ

ถ้าต้องการทั้งความแข็งแกร่ง และความแข็ง โดยไม่เกิดการบิด จะใช้การผสมของธาตุในเนื้อโลหะมาช่วยด้วย และนำมาชุบแข็งด้วยอากาศ

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ทำไม เรามี 1 ปาก 2 หู?

คำตอบ ก็เพราะว่าเราต้องรับฟังให้มาก ๆ แล้วต้องพูดให้น้อย ๆ”