บทที่ 15 การชุบผิวแข็ง

15.1 บทนำการชุบผิวแข็ง

      การชุบผิวแข็ง (Surface hardening) เป็นกระบวนการปรับสภาพทางความร้อนโดยการสร้างพื้นผิวบางเคลือบเป็นชั้นเพื่อเพิ่มความทนทานที่ผิวนอกของโลหะ ขณะที่แก่นภายในเนื้อวัสดุยังคงเหมือนเดิม คืออ่อนตัว และยืดหยุ่นตัวได้แบบเดิม (ว่าง่าย ๆ ก็คือแข็งนอก นุ่มใน) การชุบผิวแข็งปกติแล้ว เราจะเรียกสั้น ๆ ว่า การเกิดเปลือกแข็ง หรือเคสฮาร์เดนนิ่ง (Case hardening (เฉพาะตรงเปลือกโครงสร้างเป็นมาเทนไซต์))

รูปแสดงการชุบผิวแข็ง

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

วิดีโอแสดงการชุบผิวแข็ง

      การชุบผิวแข็ง หรือผิวเคลือบแข็งในชิ้นโลหะ ถ้าเปรียบกับผลไม้ก็เปรียบเสมือนกับ แอปเปิล แตงโม มังคุด ฯลฯ ซึ่งมีความแข็งข้างนอกแต่ข้างในอ่อนนุ่ม ดูที่รูปด้านล่าง

รูปแตงโม เป็นตัวอย่างที่เห็นได้ง่าย ๆ ทั่วไปของลักษณะผิวที่แข็งนอก แต่ข้างในมีความอ่อน

ผลไม้ที่กล่าวมานี้ ผิวภายนอก หรือผิวที่เคลือบจะแข็ง และมีความแกร่ง ก็เพื่อปกป้องสิ่งที่อ่อนไว้ภายใน

      แน่นอนการชุบผิวแข็งของโลหะก็เช่นกัน ผิวเคลือบภายนอกของโลหะจะมีความแข็งแกร่งมากกว่าเนื้อโลหะภายใน การชุบผิวแข็ง จะแข็งแต่ภายนอก แต่ในแกนภายในจะไม่แข็งไปด้วย

15.2 การชุบผิวแข็งในเหล็กกล้า

       ในเหล็กกล้า ผิวเคลือบแข็งที่ทำได้โดยการชุบผิวแข็งในแบบปกติให้เป็นมาเทนไซต์  รูปที่ด้านล่าง

รูปเหล็กกล้าที่ถูกชุบผิวแข็ง ผิวจะมีค่าความหนาอยู่ระหว่าง 0.0254 ถึง 3.175 มิลลิเมตร

รูปการชุบผิวแข็งเฟืองโซ่

ผิวที่แข็งอาจมีความหนาอยู่ระหว่าง 0.0254 mm ถึง 3.175mm (0.001² ถึง 0.125²)

      ผิวภายนอกแข็ง แต่เนื้อภายในโลหะยังคงมีความอ่อนจนบ้างครั้งเกิดความยืดหยุ่น ซึ่งเนื้อข้างในจะขึ้นอยู่กับรูปแบบของโครงสร้างของเหล็ก เช่น โครงสร้างเฟอร์ไรต์, เพิลไลต์, ซีเมนไต หรือโครงสร้างเหล่านี้มาผสมผสานกัน ส่วนอัตราส่วนผสมของธาตุเจือที่อยู่ในเหล็กกล้าก็ขึ้นอยู่กับการนำไปใช้ประโยชน์อะไร จะได้กล่าวถึงรายละเอียดต่อไป

15.3 ตัวอย่างชิ้นส่วนทางกลที่นำไปทำการชุบผิวแข็ง

15.3.1 เฟือง    

รูปเฟืองที่ขบกัน

      ขบวนเฟืองขบ  (Gear train) ดูที่รูปด้านบน หมุนด้วยความเร็วคงที่ ในระหว่างการทำงาน ระหว่างฟันต่อฟันของเฟืองที่ขบจะมีการสัมผัสกัน มีการเสียดสีกัน ความรุนแรงในการสัมผัส และการเสียดสีจะมีมากแค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับโหลด และความเร็วรอบการหมุนของเฟือง

รูปการสึกหรอของฟันเฟือง

รูปการสึกหรอของฟันเฟือง

      หลังจากผ่านการทำงานไปซักระยะ การกดสัมผัสระหว่างที่วิ่งเข้าขบ ก็เริ่มมีการสึกหรอ (ที่ผิวหน้าสัมผัสของฟัน) นอกเสียจากว่าตัวล้อเฟืองจะมีความแข็ง มีความทนทานต่อการเสียดสีที่ผิว จากความต้องการอย่างนี้การชุบผิวแข็งสามารถมาแก้ปัญหาตรงนี้ได้

      ในการเลือกโลหะที่จะนำมาผลิตเฟือง ถ้าทำเฟืองให้เป็นโครงสร้างมาเทนไซต์หมดทั้งตัว เฟืองจะแข็ง แต่อย่าลืมว่าโครงสร้างมาเทนไซต์จะมีความเปราะอยู่ด้วย เฟืองในขณะใช้งานต้องทำงานภายใต้สภาวะรับแรงกระทำซ้ำ ๆ ที่เกิดจากการขับกันของฟัน เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง จึงมีความเสี่ยงสูงที่จะทำให้เกิดรอยร้าวขึ้นภายใต้แรงจากการขบกันของฟันเฟือง

      เพราะฉะนั้น จากการทำงานของฟันเฟืองที่ขบกัน เหล็กที่นำมาทำเฟือง ภายในของเนื้อโลหะจะต้องมีความอ่อนยืดหยุ่น (เพื่อรองรับแรงกระแทก) และผิวเปลือกภายนอกจะต้องมีความแข็ง (ที่ทนทานต่อการเสียดสี) 

รูปการทำให้ผิวของฟันเฟืองมีความแข็ง

รูปเฟืองที่ผ่านการชุบผิว แข็งข้างนอกแข็ง ข้างในอ่อนมีความยืดหยุ่น

รูปเฟืองที่ผ่านการชุบผิว แข็งข้างนอกแข็ง ข้างในอ่อนมีความยืดหยุ่น 2

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“ผู้ไร้สัจจะ ถึงจะมีความสามารถ
ก็ไร้ประโยชน์”