กระบวนการอบชุบความร้อน – การชุบแข็ง การอบคืนตัว การทำให้เป็นปกติ การอบอ่อน

การชุบแข็งเหล็กคือการให้ความร้อนแก่เหล็กจนถึงอุณหภูมิวิกฤต Ac3a (เหล็กซับยูเทคติก) หรือ Ac1 (เหล็กโอเวอร์ยูเทคติก) สูงกว่าอุณหภูมิดังกล่าว แล้วคงอุณหภูมิไว้เป็นระยะเวลาหนึ่งเพื่อให้เกิดออสเทนไนเซชันทั้งหมดหรือบางส่วน จากนั้นจึงลดอัตราการเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วให้ต่ำกว่าอัตราการเย็นตัววิกฤต (หรือใกล้เคียงกับอัตราการเย็นตัวแบบไอโซเทอร์มอล) จนเกิดการเปลี่ยนสภาพเป็นมาร์เทนไซต์ (หรือเบไนต์) กระบวนการนี้มักใช้กับโลหะผสมอะลูมิเนียม โลหะผสมทองแดง โลหะผสมไทเทเนียม กระจกนิรภัย และวัสดุอื่นๆ ที่ต้องการช่วยในการละลายของแข็ง หรือกระบวนการอบชุบความร้อนที่มีกระบวนการเย็นตัวอย่างรวดเร็วเช่นกัน

 

จุดประสงค์ของการชุบแข็ง:
(1) ปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของโลหะให้เป็นวัสดุหรือชิ้นส่วน
(2) ปรับปรุงคุณสมบัติทางวัสดุหรือคุณสมบัติทางเคมีของเหล็กกล้าชนิดพิเศษบางชนิด

 

วิธีการชุบแข็ง: ส่วนใหญ่ได้แก่ การชุบแข็งด้วยของเหลวชนิดเดียว การชุบแข็งด้วยของเหลวสองชนิด การชุบแข็งแบบไล่ระดับ การชุบแข็งแบบอุณหภูมิคงที่ การชุบแข็งเฉพาะจุด และอื่นๆ

การอบคืนตัว คือการนำโลหะที่ผ่านการชุบแข็งแล้ว มาให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิที่กำหนด จากนั้นคงอุณหภูมินั้นไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง แล้วจึงทำให้เย็นลงด้วยวิธีการอบชุบความร้อนแบบหนึ่ง การอบคืนตัวเป็นขั้นตอนที่ทำทันทีหลังจากชุบแข็ง และโดยปกติแล้วจะเป็นขั้นตอนสุดท้ายของการอบชุบความร้อนชิ้นงาน ดังนั้นกระบวนการรวมกันระหว่างการชุบแข็งและการอบคืนตัวจึงเรียกว่าการอบชุบขั้นสุดท้าย
หน้าที่ของการอบชุบความร้อนคือ:
(1) ปรับปรุงเสถียรภาพขององค์กร เพื่อให้ชิ้นงานในการใช้งานกระบวนการไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงในองค์กรอีกต่อไป เพื่อให้รูปทรงและคุณสมบัติของชิ้นงานยังคงมีเสถียรภาพ
(2) ขจัดความเครียดภายในเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของชิ้นงานและทำให้รูปทรงเรขาคณิตของชิ้นงานคงที่

(3) ปรับคุณสมบัติทางกลของเหล็กให้ตรงตามข้อกำหนดในการใช้งาน

 

ข้อกำหนดการอบคืนตัว: ชิ้นงานที่มีการใช้งานต่างกันควรได้รับการอบคืนตัวที่อุณหภูมิต่างกันเพื่อให้ตรงตามข้อกำหนดในการใช้งาน (1) เครื่องมือตัด ตลับลูกปืน ชิ้นส่วนชุบแข็งแบบคาร์บูไรซิ่ง และชิ้นส่วนชุบแข็งผิว มักจะอบคืนตัวที่อุณหภูมิต่ำกว่า 250 ℃ ซึ่งการอบคืนตัวที่อุณหภูมิต่ำจะทำให้ความแข็งไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก ความเครียดภายในลดลง และความเหนียวดีขึ้นเล็กน้อย (2) สปริงควรอบคืนตัวที่อุณหภูมิปานกลาง 350 ~ 500 ℃ เพื่อให้ได้ความยืดหยุ่นสูงและความเหนียวที่จำเป็น (3) ชิ้นส่วนเหล็กโครงสร้างคาร์บอนปานกลางมักจะอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูง 500 ~ 600 ℃ เพื่อให้ได้ความแข็งแรงและความเหนียวที่เหมาะสม

 

การอบชุบแบบนอร์มาไลซ์ (Normalizing) เป็นกระบวนการอบชุบความร้อนชนิดหนึ่งเพื่อเพิ่มความเหนียวของเหล็ก โดยชิ้นส่วนเหล็กจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิ Ac3 สูงกว่า 30-50 องศาเซลเซียส หลังจากนั้นคงอุณหภูมิไว้ระยะหนึ่งแล้วจึงปล่อยให้เย็นตัวลงในอากาศ คุณสมบัติหลักคืออัตราการเย็นตัวเร็วกว่าการคืนตัวและต่ำกว่าการชุบแข็ง การอบชุบแบบนอร์มาไลซ์สามารถช่วยให้การเย็นตัวเร็วขึ้นเล็กน้อยในระหว่างการปรับโครงสร้างผลึกของเหล็ก ทำให้ได้ความแข็งแรงที่น่าพอใจ และสามารถเพิ่มค่าความเปราะบาง (AKV) ได้อย่างมาก ลดแนวโน้มการแตกร้าวของชิ้นส่วน การอบชุบแบบนอร์มาไลซ์สามารถทำได้กับแผ่นเหล็กรีดร้อนโลหะผสมต่ำ เหล็กดัด และเหล็กหล่อโลหะผสมต่ำบางชนิด ซึ่งสามารถปรับปรุงคุณสมบัติทางกลโดยรวมของวัสดุได้ และยังช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการตัดเฉือนอีกด้วย

 

การอบอ่อนคือการให้ความร้อนแก่โลหะอย่างช้าๆ จนถึงอุณหภูมิที่กำหนด คงอุณหภูมินั้นไว้เป็นระยะเวลาที่เพียงพอ แล้วจึงทำให้เย็นลงด้วยอัตราที่เหมาะสม ซึ่งเป็นกระบวนการอบชุบโลหะ การอบอ่อนแบ่งออกเป็น การอบอ่อนสมบูรณ์ การอบอ่อนไม่สมบูรณ์ และการอบอ่อนเพื่อลดความเค้น คุณสมบัติทางกลของวัสดุที่ผ่านการอบอ่อนสามารถตรวจสอบได้โดยใช้การทดสอบแรงดึงแบบคินเซ่ หรือการทดสอบความแข็ง วัสดุเหล็กหลายชนิดถูกส่งมาในสภาพที่ผ่านการอบชุบแล้ว การทดสอบความแข็งของเหล็กสามารถใช้เครื่องทดสอบความแข็งแบบล็อค (Locke's hardness tester) เพื่อทดสอบความแข็งแบบ HRB สำหรับแผ่นเหล็กบาง แถบเหล็ก และท่อเหล็กผนังบาง สามารถใช้เครื่องทดสอบความแข็งแบบล็อคที่พื้นผิว (Surface Locke's hardness tester) สำหรับวัสดุก่อสร้าง สามารถใช้เครื่องทดสอบความแข็งแบบ HRT (Herbate-Related Stress Test)
วัตถุประสงค์ของการชุบแข็งและการอบอ่อน: 1. เพื่อปรับปรุงคุณภาพของชิ้นงาน ขจัดความแข็งกระด้างที่เกิดขึ้นในกระบวนการหล่อ การตีขึ้นรูป การรีด และการเชื่อม อันเกิดจากข้อบกพร่องเชิงโครงสร้างต่างๆ รวมถึงความเค้นตกค้าง เพื่อป้องกันการเสียรูปและการแตกร้าวของชิ้นงาน 2. เพื่อทำให้ชิ้นงานอ่อนตัวลงเพื่อให้สามารถตัดได้ง่ายขึ้น 3. เพื่อปรับขนาดเกรนและปรับปรุงโครงสร้างเพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางกลของชิ้นงาน 4. เพื่อให้การอบชุบความร้อนขั้นสุดท้าย (การชุบแข็ง การอบคืนตัว) เป็นไปตามมาตรฐานที่กำหนด
กระบวนการอบอ่อนที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่:
(1) การอบอ่อนอย่างสมบูรณ์ ใช้ในการปรับปรุงเหล็กกล้าคาร์บอนระดับกลางและล่างโดยการหล่อ การตีขึ้นรูป และการเชื่อม หลังจากเกิดคุณสมบัติทางกลที่ไม่ดีของเนื้อหยาบที่ร้อนจัด
(2) การอบอ่อนทรงกลม ใช้เพื่อลดความแข็งสูงของเหล็กกล้าเครื่องมือและเหล็กกล้าแบริ่งหลังจากการตีขึ้นรูป
(3) การอบอ่อนแบบไอโซเทอร์มอล ใช้สำหรับเหล็กกล้าโครงสร้างโลหะผสมเหล็กฉากที่มีนิกเกิลและโครเมียมบางชนิดในเจียงตูที่มีความแข็งสูง
(4) การอบอ่อนแบบรีคริสตัลไลน์ ใช้สำหรับลวดโลหะและแผ่นโลหะในกระบวนการดึงเย็น การรีดเย็น เพื่อเพิ่มความแข็ง (ความแข็งเพิ่มขึ้น ความยืดหยุ่นลดลง)
(5) การอบอ่อนกราไฟต์ ใช้เพื่อทำให้เหล็กหล่อที่มีคาร์บอนจำนวนมากกลายเป็นเหล็กหล่ออ่อนที่มีความยืดหยุ่นดี
(6) การอบอ่อนแบบแพร่กระจาย ใช้เพื่อทำให้องค์ประกอบทางเคมีของโลหะผสมที่หล่อมีความสม่ำเสมอและปรับปรุงประสิทธิภาพ
(7) การอบคลายความเครียด ใช้เพื่อขจัดความเครียดภายในของเหล็กหล่อและงานเชื่อม