14.5.3 ออสเทมเปอร์ริ่ง

      เหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการอบคืนตัวแบบออสเทมเปอร์ริ่ง มองภาพรวมแล้วผลที่ออกมาจะให้เหล็กกล้ามีคุณภาพดีขึ้น วิธีการออสเทมเปอร์ริ่งก็คือการนำเอาชิ้นงานเหล็กกล้านำไปอบให้ร้อน ต้องให้ร้อนไปจนถึงบริเวณออสเตนไนต์ของเหล็กกล้าแต่ละชนิด

      จากนั้นก็นำไปจุ่มลงไปในอ่างน้ำเกลือ (Salt bath) และรักษาอุณหภูมินั้นไว้ให้นานจนกว่าโครงสร้างจะเปลี่ยนแปลงไปเป็นไบย์ไนต์ทั้งหมด

รูปตัวอย่างงานออสเทมเปอร์ริ่ง สปริงที่ถูกแช่ในอ่างเกลือ

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

      ในออสเทมเปอร์ริ่ง เหล็กกล้าถูกชุบแข็งอย่างรวดเร็วจนกระทั่ง มันเข้าไปถึงอุณหภูมิระหว่าง 260°C - 315°C (500°F ถึง 600°F) ดูที่รูปด้านล่าง

รูปแผนภาพไอทีในกระบวนการออสเทมเปอร์ริ่งเป็นกระบวนการชุบแข็งแบบพิเศษ เปลี่ยนแปลงเหล็กกล้าไปสู่ไบย์ไนต์ 100%

แนวเส้นเวลา (จากจุด A) ไม่ถูกลากผ่านโดนจมูกเส้นโค้งตัวซี เมื่อถึงอุณหภูมิระหว่าง 260°C ถึง 315°C (500°F ถึง 600°F) (จุด B) แล้วคงอุณหภูมิช่วงนี้เอาไว้ (ชุบตัว (Soaked)) ที่อุณหภูมิหนึ่งเป็นเวลาที่ยาวนาน (อาจกินเวลาหลายชั่วโมงไปจนถึงหลายสิบชั่วโมงเลยทีเดียว) ขึ้นอยู่กับว่าช่วงเวลาที่ยาวนานนี้จะต้องมีความเพียงพอสำหรับโครงสร้างที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงขึ้นภายในบริเวณไบย์ไนต์

      หลังจากนั้น (จุด C) โครงสร้างก็พัฒนาไปเป็นไบย์ไนต์จนสำเร็จสมบูรณ์โดยใช้เวลาสั้น ๆ และเหล็กกล้าก็จะถูกชุบแข็งที่อุณหภูมิห้อง (จุด D) เหล็กกล้าที่ได้จะไม่มีทางที่จะกลายมาเป็นรูปแบบมาร์เทนไซต์ได้

      ออสเทมเปอร์ริ่ง มีกระบวนการทางความร้อนที่ทำให้เหล็กกล้ามีความละมุนอ่อนโยนมากกว่าการอบคืนตัวทั่วไป หรืออบคืนตัวแบบมาร์เทมเปอร์ริ่ง ผลที่ได้ที่เกิดขึ้นในโครงสร้างภายในจะเกิดความเค้นน้อยกว่า อีกทั้งยังเพิ่มความทนทานต่อการแตกร้าว และการบิดตัวยิ่งขึ้น

      แต่เหล็กกล้าที่ผ่านการออสเทมเปอร์ริ่ง จะให้ค่าความแข็ง และความแข็งแกร่งน้อยกว่า เมื่อนำไปเปรียบเทียบกับการปรับสภาพเหล็กกล้าด้วยด้วยวิธีอบคืนตัวทั่วไป และมาร์เทมเปอร์ริ่ง

      แต่ทว่า กระบวนการออสเทมเปอร์ริ่งก็มีข้อจำกัดอยู่ คือมันไม่เหมาะกับชิ้นส่วนเครื่องกลที่เป็นชิ้นงานบาง เพราะจะทำให้มีความไวต่อการบิดตัว เช่น แหวนสปริง, เข็ม และชิ้นส่วนโลหะที่บางอื่น ๆ

รูปแหวนสปริง (Spring washers) ชิ้นงานบางไม่เหมาะกับการทำออสเทมเปอร์ริ่ง

รูปเข็ม (Needles) ก็เป็นชิ้นงานบางก็ไม่เหมาะที่จะทำออสเทมเปอร์ริ่ง

      โลหะที่ผ่านออสเทมเปอร์ริ่ง โดยทั่วไปแล้วจะใช้งานได้อย่างทนทาน และให้ความยืดหยุ่นตัวได้มากกว่า เหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการการทำอบคืนตัวทั่วไป และการมาเทมเปอร์ริ่ง นอกจากนี้พวกมันจะมีความทนทานต่อแรงกระแทกได้ดีกว่า ที่เป็นแบบนี้ก็เนื่องมาจาก ไม่มีรูปแบบโครงสร้างเป็นมาเทนไซต์นั่นเอง

14.5.4 การชุบแข็ง และการอบคืนตัวความร้อนคงที่

      การชุบแข็ง และการอบคืนตัวความร้อนคงที่ เป็นกระบวนการปรับสภาพทางความร้อนแบบอบคืนตัวรูปแบบหนึ่ง จะทำให้ชิ้นงานเหล็กกล้าเป็นทั้งโครงสร้างมาเทนไซต์จาการอบคืนตัว และไบย์ไนต์

รูปแผนภาพไอทีของกระบวนการชุบแข็ง และการอบคืนตัวความร้อนคงที่ เหล็กกล้าจะได้โครงสร้างเบย์ไนต์ และมาเทนไซต์จากการอบคืนตัว

      การชุบแข็ง และอบคืนตัวความร้อนคงที่ ดูกระบวนการได้ในรูปด้านบน เหล็กกล้าชุบแข็งอย่างรวดเร็ว (จากจุด A) จนกระทั่ง มันไปถึงประมาณตรงกลางของอาณาบริเวณมาเทนไซต์ (จุด A) หลังจากแนวเส้นเวลาข้ามผ่านบริเวณเปลี่ยนแปลงจากออสเตนไนต์จนสำเร็จประมาณ 50% แล้ว จะคงอุณหภูมิคงที่ให้กับเหล็กกล้า อุณหภูมิที่คงไว้ประมาณ 150°C และ 205°C (300°F และ 400°F)

      ในระหว่างจุดเอ (จุด A) ถึงจุดบี (จุด B) เหล็กกล้าประมาณครึ่งหนึ่ง จะมีการเปลี่ยนแปลงจากออสเตนไนต์ไปเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์ ส่วนอีกครึ่งที่เหลือจะเป็นมาเทนไซต์แต่แค่ชั่วคราว แล้วจะย้อนกลับไปเป็นออสเตนไนต์ตามเดิม

      เมื่อแนวเส้นเวลามาถึงจุดบี (จุด B) เหล็กกล้าจะคงอุณหภูมิโดยใช้เวลาเพียงเล็กน้อย ท่ามกลางอาณาบริเวณมาเทนไซต์ (จุด B ถึง จุด C) จากนั้นก็ให้ความร้อนเพื่อเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น (จุด D) ตรงนี้โครงสร้างออสเตนไนต์ยังคงอยู่ แล้วคงอุณหภูมินั้นไว้จะใช้เวลานานพอสมควร (อาจหลายชั่วโมง) จนแนวเส้นเวลาก้าวข้ามไปสู่อาณาบริเวณไบย์ไนต์ (จุด E) จากนั้นก็นำเหล็กกล้าไปชุบตัวในช่วงเวลาหนึ่ง เพื่อลดความเค้นที่มีจำนวนมากในโครงสร้าง และท้ายสุด มันก็ถูกทำให้เย็นตัวลงไปถึงอุณหภูมิห้อง

      การชุบแข็ง และการอบคืนตัวความร้อนคงที่ คุณสมบัติ และผลดีของโครงสร้างนี้จะอยู่ตรงกลางระหว่างมาร์เทมเปอร์ริ่ง และออสเทมเปอร์ริ่ง ที่เรียกว่า ตัวกลางที่เป็นตัวเลือกที่ดี (Happy medium)

      เหล็กกล้าที่เป็นโครงสร้างนี้จะให้ความแข็ง และความแข็งแกร่งกว่า เหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการออสเทมเปอร์ริ่ง อีกทั้งเหล็กยังให้ค่าความยืดหยุ่น และความเค้นภายในลดลงได้ดีกว่าเหล็กกล้าที่ผ่านกระบวนการมาเทมเปอร์ริ่ง

14.6 การเปรียบเทียบวิธีการปรับสภาพทางความร้อน

      การอบคืนตัวที่มีกรรมวิธีกระบวนการทางความร้อน และการชุบแข็ง จะคุณสมบัติที่แตกต่างกันเกิดขึ้นในเหล็กกล้าตามแต่ละกระบวนการ หัวข้อนี้เราจะมาทำการเปรียบเทียบลักษณะของแต่ละวิธีการอบคืนตัวทั่วไป, มาร์เทมเปอร์ริ่ง, การชุบแข็ง และการอบคืนตัวความร้อนคงที่ และออสเทมเปอร์ริ่ง ซึ่งจะแสดงในตารางด้านล่าง

ตารางการเปรียบเทียบวิธีการต่าง ๆ ของการอบคืนตัว

      การอบคืนตัวทั่วไป เป็นวิธีการชุบแข็งที่ใช้มากที่สุด เหล็กกล้าที่ได้มาจากวิธีการนี้จะมีความแข็ง และความแข็งแกร่งสูงกว่า  แต่ความยืดตัว และความเหนียวกลับมีค่าต่ำกว่าวิธีการชุบแข็งอีกสามวิธี

      วิธีการออสเทมเปอร์ริ่งเป็นวิธีการชุบแข็งที่นำมาใช้น้อยที่สุด เหล็กกล้าที่ได้จากวิธีการนี้จะมีความยืดตัว และความเหนียวสูงกว่า แต่ความแข็ง และความแข็งแกร่งจะต่ำกว่าวิธีการอื่น ๆ

      การเปรียบเทียบของผลที่ได้จากผลผลิตโดยการอบคืนตัว และความแตกต่างกันของการอบอ่อน และการอบปกติ แสดงในตารางด้านล่าง

ตารางการเปรียบเทียบกันของ การอบคืนตัว, การอบอ่อน และการอบปกติ

การอบคืนตัว, การอบอ่อน และการอบปกติเป็นการปรับสภาพทางความร้อนที่รองลงมาจากวิธีการทั้งหมด ซึ่งแต่ละเทคนิคเป็นสาเหตุที่ทำให้เหล็กกลายสภาพจากเหล็กกล้าชุบแข็ง ไปเป็นเหล็กกล้าที่มีสภาพอ่อนตัวลงมา

      ในการอบคืนตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งการอบคืนตัวทั่วไป ด้านความแข็งจะให้ผลน้อย มันเป็นวิธีการปรับสภาพทางความร้อนที่ถูกนำมาใช้มากสุด รองจากการอบอ่อนเต็ม (ซึ่งเกิดขึ้นทั้งความร้อน และเย็นในเตาอบที่ถูกควบคุมอุณหภูมิ) เป็นวิธีการทำความเย็นที่อ่อนโยนมากสุด และทำให้เกิดผลผลิตเป็นเหล็กกล้าอ่อนนุ่มมากสุด

จบบทที่ 14

ครั้งหน้าเป็นบทสุดท้ายของเรื่องโลหะที่เป็นเหล็ก ในบทที่ 15 เรื่องการชุบผิวแข็ง (Surface hardening) ต่อจากบทนั้นก็จะได้อธิบายถึงโลหะที่ไม่ใช่เหล็ก ขอบคุณที่ติดตามอ่าน

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ทําแล้วเสียใจ  ยังดีกว่าเสียใจที่ไม่ได้ทํา”