Heat Treatment of Steels กรรมวิธีทางความร้อนของเหล็กกล้า โดย นายนิเวศน์ เดินสันเทียะ

กรรมวิธีทางความร้อนของเหล็กกล้าคาร์บอน กรรมวิธีทางความร้อน หรือเรียกสั้นๆ ว่า “การอบ-ชุบ” นิยาม Heat Treatment (การอบชุบ) หมายถึง “การรวมเอา การทำให้ร้อน การทำให้เย็น เวลา และการประยุกต์ ใส่เข้าไปในโลหะหรือโลหะผสมในสภาพที่ยังเป็นของแข็ง แล้วทำให้ได้คุณสมบัติตามที่ต้องการ” วัตถุประสงค์ เพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติให้ได้ตามที่ต้องการ มีความอ่อนตัวสูง  ขึ้นรูปได้ง่าย มีความแข็งสูง  เพื่อทนการเสียดสี มีความเหนียว  ใช้งานที่มีแรงกระแทกและบิดตัวสูงได้ทนทาน หลักการ เผาให้ร้อนและปล่อยให้เย็นตัวที่อัตราต่างๆ กัน เหล็กจะเปลี่ยนโครงสร้างเนื่องจากมีสมบัติ Allotropy คือเปลี่ยนแปลงระบบผลึกเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

ลักษณะการอบ-ชุบ เหล็กกล้า การอบชุบที่สำคัญ และใช้กันมากมี 4 แบบ คือ 1. Annealing (การอบอ่อน หรือ การอบคลายเครียด) 2. Normalizing (การอบปกติ) 3. Tempering (การอบคืนตัว) 4. Hardening (การชุบแข็ง)

Annealing (การอบอ่อน หรือ อบคลาย) หมายถึง การอบเพื่อให้เหล็กอ่อนลง (Softening) หรือเพื่อทำให้เหล็กเหนียวขึ้น (Toughening) วัตถุประสงค์ของ การอบเพื่อให้คืนตัว เนื่องจากเหล็กที่ผ่านการขึ้นรูปเย็น(Cold Working) หรือการหล่อมามักจะมีความแข็งเพิ่มขึ้น และไม่สม่ำเสมอ ทำให้การกลึงหรือไสได้ยาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำลายความแข็งของเหล็กเพื่อกลึงไสได้สะดวก มีสอง 2 วิธี คือ 1. Full Annealing (การอบอ่อนอย่างสมบูรณ์) 2. Incomplete Annealing หรือ Process Annealing (การอบอ่อนไม่สมบูรณ์) 2.1 Stress- relief Anneals 2.2 Spheroidising Anneals

กรรมวิธีการทำ Full Annealing เหล็ก Hypo-eutectoid เผาให้มีอุณหภูมิเหนือเส้น Ac3 ประมาณ 30-50 oC เหล็ก Hyper-eutectoid เผาให้มีอุณหภูมิเหนือเส้น Ac1 ประมาณ 30-50 oC (ไม่เลย Acm) แช่เหล็กทิ้งไว้ในเตา ให้เป็น austenite ทั้งหมด ปล่อยให้เย็นในเตาที่ปิดฝาสนิท (ถ้าเป็นเตาไฟฟ้า ก็เพียงแต่ถอดปลั๊กออก) สิ่งที่จะเกิดขึ้น เมื่อเหล็กถูกปล่อยให้เย็นช้าๆ การเปลี่ยนโครงสร้างภายใน ก็จะกลับสู่สภาพใกล้เคียงสมดุลย์โครงสร้างที่เป็นอยู่เดิม นั่นคือ มาร์เทนไซต์หรือเบนไนท์ จะกลับมาเป็นเฟอร์ไรท์และซีเมนไทต์ ทำให้ความแข็งลดลงกลายเป็นเหล็กอ่อนนิ่ม มีความมุ่งหมาย เพื่อทำให้เหล็กอ่อนลงเพื่อสะดวกในการกลึงไส

Full Annealing

กรรมวิธีการทำ Incomplete Annealing (Stress-relief) เผาเหล็กให้มีอุณหภูมิต่ำกว่าเส้น Ac1 เล็กน้อย (500-650 oC) เมื่อต้องการขจัด Stress-relief แช่เหล็กทิ้งไว้ในเตาไว้นานพอสมควรเพื่อให้เหล็กร้อนทั่วถึงกัน (ให้มีอุณหภูมิเท่ากันถึงภายใน) ปล่อยให้เย็นในอากาศ สิ่งที่จะเกิดขึ้น วิธีนี้ความแข็งของเหล็กจะลดลงเล็กน้อย เพราะโครงสร้างของเหล็กแต่เดิม ไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก แต่ความเครียดที่มีอยู่จะถูกทำลายหมดไป มีความมุ่งหมาย เพื่อทำลายความเครียดภายในให้หมดไป เช่น เหล็กที่ถูกรีดหรือตีขึ้นรูปมา ต้องผ่านการ Annealing เพื่อให้ความต้านทานแรงกระทำน้อยลง

กรรมวิธีการทำ Incomplete Annealing (Spheroidising) 0.7-0.8%C เผาให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า Ac1 และเผาสลับกับสูงกว่า Ac1 เพื่อให้อ่อนตัวสูง >0.8%C เผาให้มีอุณหภูมิสูงกว่าเส้น Ac1 เล็กน้อย เพื่อให้อ่อนตัวสูง แช่เหล็กทิ้งไว้ในเตาไว้นานพอสมควร (10-15 hr.) ปล่อยให้เย็นในอากาศ สิ่งที่จะเกิดขึ้น วิธีนี้ทำให้เหล็กมีความเหนียวเพิ่มขึ้น ลดความเปราะลง เนื่องจากการเปลี่ยนโครงสร้าง เช่นมีดกลึงสามารถกลึงได้ผิวที่เรียบขึ้น มีความมุ่งหมาย เพื่อทำให้ pro-eutectoid cementite ขาดเป็นช่วงๆ และ cementite ใน pearlite ซึ่งเป็นแถบบางๆ (lamella) มีลักษณะเป็นเม็ดกลมเล็กๆ (Spheroid)

Incomplete Annealing (Stress-relief Anneals) 500-650 oC

Incomplete Annealing (Spheroidising Anneals)

Normalizing (การปรับปรุงความเหนียว) หมายถึง การอบเพื่อให้เหล็กมีเหนียวดีขึ้น โดยการลดขนาดของเม็ดเกรนของเหล็ก (Grain Size) เพื่อทำให้คุณสมบัติของเหล็กสม่ำเสมอ และขณะเดียวกัน ก็ลดความเครียดด้วย วัตถุประสงค์ของ การอบเพื่อให้คืนตัว โดยทั่วไปเหล็กที่ผ่านการหล่อ (Casting) หรือการรีดขึ้นรูปมา มักจะมีความแข็งหรือความเหนียวไม่สม่ำเสมอตลอดทั้งแท่ง จึงจำเป็นต้องนำมาทำ Normalizing

กรรมวิธีการทำ Normalizing เหล็ก Hypo-eutectoid เผาให้มีอุณหภูมิเหนือเส้น Ac3 ประมาณ 30-50 oC เหล็ก Hyper-eutectoid เผาให้มีอุณหภูมิเหนือเส้น Acm ประมาณ 30-50 oC แช่เหล็กทิ้งไว้ในเตา (30-60 นาที/ความหนาเฉลี่ย 25 มม.) ให้อุณหภูมิเท่ากันหมดทุกจุดตลอดภายในใจกลางด้วย เอาออกจากเตา ปล่อยให้เย็นในอากาศธรรมดา สิ่งที่เกิดขึ้น เหล็กจะมีความเหนียวดีและคุณสมบัติสม่ำเสมอ เม็ดเกรนของเหล็กจะมีขนาดเล็กกว่าแบบ Annealing เนื่องจากเย็นในอากาศ ดังนั้นอัตราการเย็นตัวจะเร็วกว่า

Normalizing

Tempering (การอบคืนตัว) หมายถึง การอบเพื่อให้เหล็กมีคุณสมบัติเหมาะในการใช้งาน ลดความเครียด เพิ่มความเหนียว ลดความเปราะลง วัตถุประสงค์ของ การอบเพื่อให้คืนตัว เนื่องจากเหล็กที่ผ่านการชุบ ย่อมเกิดความเครียดขึ้นภายใน ถึงมีความแข็งเพิ่มขึ้น แต่ขาดความเหนียว (Ductility) ทำให้เปราะ หลังจากชุบแข็งแล้วจึงต้องนำมาอบ Tempering ก่อนนำไปใช้งานจริง

กรรมวิธีการทำ Tempering นำเหล็กที่ผ่านการชุบแล้วมาเผาในเตา อุณหภูมิประมาณ 200-400 oC แช่เหล็กทิ้งไว้ในเตา 1 - 3 ชั่วโมง เอาออกจากเตา ปล่อยให้เย็นในอากาศธรรมดา สิ่งที่เกิดขึ้น เหล็กที่ผ่านการชุบ จะมีความเหนียวดีขึ้น แต่ความแข็งจะลดลงเล็กน้อย ข้อควรระวัง ขณะเผาที่อุณหภูมิต่ำ มาร์เทนไซต์จะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย จะพยายามเปลี่ยนเป็นโครงสร้างที่สมดุลย์ที่อุณหภูมิบรรยากาศ ดังนั้น ไม่ควรเผาอุณหภูมิเกิน 400 oC เพื่อไม่ให้มาร์เทนไซต์คืนตัวหมด

Tempering 500-650 oC ทำลายความเครียด/เหนียวสูง 350-450 oC เหนียวสูง/สปริง/ใกล้เคียง Bainite 150-250 oC ลดความเครียด/hardness ลดลงเล็กน้อย

ค่าความแข็งที่เปลี่ยนแปลงหลังการอบคืนตัว 200-280 oC เกิด Ferrite (0.025%C) + Fe3C ที่ละเอียด 1 300-500 oC Ferrite(Pseudo cubic) Ferrite  Carbide (Fe2C) Fe3C 2 80-200 oC เกิด Ferrite(Pseudo cubic) +  carbide Fe2C (หรือ Fe2C4) 3 4 > 500 oC โครงสร้างสู่สมดุลย์ / ความแข็งลดลงมาก

การเปราะเนื่องจากการอบคืนตัว (Tempered Brittleness) การอบคืนตัวจะทำให้สมบัติด้านความเหนียวดีขึ้น แต่ที่ช่วงอุณหภูมิ 300-500 oC จะได้ทำให้สมบัติทนแรงกระแทก (Impact strength) ลดลง เหล็กกล้าคาร์บอนจะเกิดการเปราะเล็กน้อย เหล็กกล้าผสม (โดยเฉพาะ Mn, Cr และ Mo) จะปรากฏชัดเจน สาเหตุจาก เกิดการตกผลึกของคาร์ไบด์ที่มาจาก Martensite หรือจากการที่ martensite แตกตัว  ควรหลีกเลี่ยงอุณหภูมิดังกล่าว หรือใช้เวลาน้อยที่สุดในช่วงนี้

Hardening (การชุบแข็ง) หมายถึง การชุบเพื่อให้เหล็กมีความแข็งขึ้น ความแข็งของเหล็กที่ผ่านการชุบ ขึ้นอยู่กับสองสิ่ง คือ 1. ปริมาณ Carbon ในเหล็ก กล่าวคือ ถ้ามีมาก โอกาสที่จะเปลี่ยนเป็น มาร์เทนไซต์ก็ยิ่งง่าย และทำให้เกิดปริมาณของ มาร์เทนไซต์ง่าย 2. อัตราความเร็วในการชุบ กล่าวคือ ยิ่งเย็นเร็วๆ โอกาสที่ออสเทนไนท์ จะเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ก็มีมาก ในทางตรงข้ามถ้าเย็นช้าๆ ออสเทนไนท์จะเปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรท์ กับซีเมนไตต์หมด

กรรมวิธีการทำ Hardening เผาเหล็กให้ร้อนถึงอุณหภูมิประมาณ 800-900 oC (ขึ้นกับชนิดของเหล็ก) ถ้า C< 0.8%ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น A3 ประมาณ 50-75 oC ถ้า C>0.8% ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น A1 ประมาณ 50-75 oC เท่านั้น เมื่อเหล็กกลายเป็น ออสเทนไนท์ แช่อุณหภูมิไว้ประมาณ 1 ชม./ความหนา 25 มม. เอาออกจากเตาทำให้เย็นโดยเร็ว ด้วยการจุ่มในน้ำ (Water Quench) หรือในน้ำมัน (Oil Quench) สิ่งที่เกิดขึ้น ออสเทนไนท์เปลี่ยนกลับเป็นเฟอร์ไรท์และเพิรไลท์ไม่ทัน แต่ให้โครงสร้างที่มีความแข็งสูง เรียก มาร์เทนไซต์

กรรมวิธีการทำ Hardening

อัตราการเผาและช่วงเวลาที่เหมาะสม อัตราการเผาช้า เผาเหล็กให้ร้อนไปพร้อมๆ กับเตา อุณหภูมิของเหล็กจะต่ำกว่าเตาเพียงเล็กน้อย (ดูภาพ) เหมาะกับชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อนและมีส่วนหนา บางต่างกัน อัตราการเผาสูง บรรจุเหล็กเข้าเตาที่มีอุณหภูมิที่ต้องการ โดยพบว่าเหล็กจะมีอุณหภูมิที่ต่างกันมากในตอนเริ่มต้นจากนั้นจะเท่ากัน โดยใช้เวลาน้อยกว่าอัตราการเผาช้า เหมาะกับชิ้นงานที่มีรูปร่างไม่ซับซ้อน และมีปริมาณคาร์บอนปานกลาง สามารถลดความต่างของอุณหภูมิโดยบรรจุเหล็กไว้ในหีบปิดคลุมมิดชิดก่อนบรรจุเข้าเตา อัตราการเผาที่สูงมาก ไม่ค่อยนิยม เพราะอุณหภูมิระหว่างผิวกับใจกลางต่างกันมาก ซึ่งอาจทำให้เหล็กบิดเบี้ยวหรือแตกร้าวได้ ซึ่งสามารถลดความต่างของอุณหภูมิโดยบรรจุเหล็กไว้ในหีบปิดคลุมมิดชิดก่อนบรรจุเข้าเตาเช่นกัน

ของเหลวสำหรับการชุบแข็ง ต้องมีอัตราการเย็นตัวที่สูงกว่าอัตราการเย็นตัววิกฤติ มีอัตราการเย็นตัวที่ช้าลงในช่วงอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงจาก Austenite ไปเป็น Martensite (ประมาณ 200-400 oC) เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเครียดภายในจนเกิดการบิดงอ หรือแตกร้าวเสียหายได้ ของเหลวสำหรับการชุบแข็งที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ น้ำ, น้ำเกลือ, น้ำด่าง, เกลือละลาย และอากาศ การถ่ายเทความร้อนที่ของเหลวกลายเป็นไอเมื่อสัมผัสแท่งเหล็กร้อน แบ่งเป็น 3 ลักษณะ ขั้นแรก ของเหลวที่สัมผัสกับแท่งเหล็กร้อนจะกลายเป็นไอหุ้มแท่งเหล็กไว้ในลักษณะฟิล์มบางๆ การถ่ายเทความร้อนช่วงนี้จะช้า แต่จะเป็นอยู่ในระยะสั้นๆ ขั้นที่สอง ฟิล์มบางๆ ที่หุ้มอยู่แตกออก ของเหลวสัมผัสกับแท่งเหล็ก จะเดือดและกลายเป็นไอ มีลักษณะเหมือนการกวน ขั้นนี้อัตราการเย็นจะสูงมาก ขั้นที่สาม อัตราการเย็นตัวช้าลง เพราะแท่งเหล็กเย็นน้อยลง ของเหลวมีอุณภูมิลดลงต่ำกว่าจุดเดือด ความร้อนจึงถ่ายเทออกไปโดยการพาด้วยของเพียงอย่างเดียว อัตราการเย็นตัวจะลดลงจนถึงจุดที่ของเหลวกับแท่งเหล็กมีอุณหภูมิเท่ากัน

ได้โครงสร้าง Martensite ที่มีความแข็งสูง กรรมวิธีการทำ Mar-tempering เผาเหล็กให้ร้อนถึงอุณหภูมิประมาณ 800-900 oC (ขึ้นกับชนิดของเหล็ก) ถ้า C< 0.8%ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น A3 ประมาณ 50-75 oC ถ้า C>0.8% ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น A1 ประมาณ 50-75 oC เท่านั้น เมื่อเหล็กกลายเป็น ออสเทนไนท์ แช่อุณหภูมิไว้ประมาณ 1 ชม./ความหนา 25 มม. ชุบลงในอ่างเกลือหลอมละลาย (~400 oC) ซึ่งส่วนใหญ่ใช้เกลือโซเดียมไนเตรด กับโปแตสเซียมไนเตรด (40-50%) ซึ่งมีจุดหลอมเหลวที่ 145 oC ที่อุณหภูมิเหนือเส้น Msโดยเวลาต้องไม่ถึงช่วงที่เกิด Bainite (ดูจาก TTT diagram) เอาออกจากเตาทำให้เย็นโดยเร็ว ด้วยการจุ่มในน้ำ หรือในน้ำมัน ได้โครงสร้าง Martensite ที่มีความแข็งสูง

Mar-Tempering Hardening นิยมใช้กับชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน มีความหนา บางแตกต่างกันมาก (ถ้าชุบแบบปกติชิ้นงานอาจบิดงอ เกิดความเครียดจากการเย็นตัวเร็ว อาจแตกร้าวในที่สุด) ควรมีการอบคืนตัวเพื่อลดความเครียด

ได้โครงสร้าง Bainite ตามอุณหภูมิที่ชุบในอ่างเกลือ กรรมวิธีการทำ Aus-tempering เผาเหล็กให้ร้อนถึงอุณหภูมิประมาณ 800-900 oC (ขึ้นกับชนิดของเหล็ก) ถ้า C< 0.8%ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น A3 ประมาณ 50-75 oC ถ้า C>0.8% ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น A1 ประมาณ 50-75 oC เท่านั้น เมื่อเหล็กกลายเป็น ออสเทนไนท์ แช่อุณหภูมิไว้ประมาณ 1 ชม./ความหนา 25 มม. ชุบลงในอ่างเกลือหลอมละลาย (~500-600 oC) ถ้าต้องการ Upper bainite (ขนนก) ชุบลงในอ่างเกลือหลอมละลาย (~400-500 oC) ถ้าต้องการ Lower bainite (Acicular) ทิ้งไว้ระยะยาวจนแน่ใจว่า austenite เปลี่ยนเป็น Bainite ทั้งหมดแล้ว (ดูจาก TTT diagram) เอาออกจากเตาทำให้เย็นโดยเร็ว ด้วยการจุ่มในน้ำ หรือในน้ำมัน ได้โครงสร้าง Bainite ตามอุณหภูมิที่ชุบในอ่างเกลือ

Aus-Tempering Hardening

Hardenability (ความสามารถในการชุบแข็ง) ไม่สามารถวัดเป็นปริมาณได้ จะได้จากการเปรียบเทียบลักษณะความแข็งที่ได้จากการทดลอง เหล็กชนิดใดมีความแข็งถึงผิวใจกลางสม่ำเสมอถือว่ามี Hardenability สูง

Jominy End Quenched Test วัตถุประสงค์ : เพื่อวัดความสามารถในการชุบแข็ง วิธีการ: ใช้แท่งเหล็กกลมขนาดศูนย์กลาง 1 นิ้ว + ยาว 4 นิ้ว เผาให้ร้อนถึงอุณหภูมิ Austenite นำมาฉีดแขวนโดยฉีดน้ำ(ศก.ท่อ 0.5 นิ้ว) ที่ปลายแท่งเหล็กจนเย็น วัดความแข็งทุกๆ ระยะ 1/6 นิ้ว จากปลายแท่งเหล็กจนถึงจุดที่ความแข็งไม่เปลี่ยนแปลง Plot กราฟ ความแข็ง & ระยะจากปลายแท่งเหล็ก

ข้อสังเกตเกี่ยวกับความสามารถในการชุบแข็ง Austenite ที่เกรนโตจะมี Hardenability สูง (มีระยะฟักตัวนาน) Fe3C หรือ Carbide หรือสารมลทิน ที่ไม่สลายได้หมดใน Austenite จะทำให้ความแข็งลดลง (กราฟขยับซ้าย) เหล็ก 0.8%C เป็นเหล็กที่มี Hardenability สูงที่สุด (กราฟ ขยับขวาสุด) ระดับความแข็งที่ผิวกับบริเวณภายในไม่ต่างกันมาก ถือว่ามี Hardenability สูง (ความชันต่ำ) เหล็กส่วนผสมเท่ากัน ใช้อัตราเย็นตัวที่เท่ากัน  ความแข็งเท่ากัน (ขนาดเหล็กไม่มีผลต่อความแข็ง)

เส้นผ่าศูนย์กลาง (มม.) Oil quench HRC HRC  1  2 เส้นผ่าศูนย์กลาง (มม.)   1  2 ผิว ตรงกลาง ระยะห่างจากปลายสุด

ความสามารถในการชุบแข็งเชิงคุณภาพ วิธีการ Grossman นำแท่งเหล็กที่มีส่วนผสมทางเคมีแน่นอนหลายๆ แท่ง มีขนาดเส้นผ่า ศก. ต่างๆ กันมาเผาที่อุณหภูมิ Austenite เท่ากัน จนได้โครงสร้าง Austenite ทั้งหมด ชุบในน้ำ (หรือน้ำมัน) เหมือนกันทุกๆ ชุดของการทดลอง ตัดขวาง/ขัดให้เรียบ แล้ววัดความแข็งตั้งแต่ขอบจนถึงปลายอีกด้าน Plot กราฟระหว่างความแข็ง & เส้นผ่าศูนย์กลาง หาค่าเส้นผ่าศูนย์กลางวิกฤติ (Critical diameter, D) นั่นก็คือแท่งเหล็กที่มีขนาดโตที่สุดที่จะเกิด 50%martensite + 50%pearlite

(c) (b) ความแข็งที่ผิวของ  ขนาดเล็ก >  ขนาดใหญ่ ความแข็งที่ผิวของ  ขนาดเล็ก >  ขนาดใหญ่ ความแข็งที่ใจกลางของ  ขนาดเล็ก >  ขนาดใหญ่ (b)

วิธีการวัดที่นิยมและเป็นที่ยอมรับคือวิธีของ Grossman และผู้ร่วมงาน แต่การหาค่าเส้นผ่าศูนย์กลางวิกฤติ (Critical diameter, D) ที่จะเกิด 50%martensite + 50%pearlite หาได้ยากแม้จะใช้วิธีทางโลหะวิทยาโครงสร้าง (Metallography) หรือ X-ray diffraction (XRD) ดังนั้นมีอีกวิธีที่ใช้หาค่า D คือ plot กราฟระหว่าง ค่าความแข็งที่จุดศูนย์กลาง & ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง ของแท่งเหล็ก (ดังภาพ) พบว่าค่าความแข็งจะลดลงเมื่อขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเพิ่มขึ้น หาค่า D โดยลากเส้นผ่านกึ่งกลางระหว่างช่วงการเปลี่ยนแปลงความแข็งจากสูงต่ำ (ดังภาพ) ซึ่งค่า D และความแข็งที่ได้ ณ จุดตัด คือช่วงที่เกิดโครงสร้าง 50%martensite + 50%pearlite นั่นเอง

ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง (ดูภาพ (c)) ความแข็งที่จุดศูนย์กลาง (HV) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง (ดูภาพ (c))

ความรุนแรงของการชุบ (Severity of Quench) ความรุนแรงของการชุบ  ทำให้ค่าเส้นผ่าศูนย์กลางวิกฤติ (D) เปลี่ยนแปลงได้ Severity of Quench หมายถึงความสัมพันธ์ของการถ่ายเทความร้อนจากใจกลางแท่งเหล็กออกมาบริเวณผิว กับ ปริมาณความร้อนที่ของเหลวสำหรับชุบ (Quenching media) พาออกไปยังบรรยากาศรอบๆ ได้

ค่าความรุนแรงของการชุบ (H) Grossman ได้กำหนดความสัมพันธ์ไว้ดังนี้ H = / 2 เมื่อ  = สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนระหว่างแท่งโลหะกับสารชุบ  = สัมประสิทธิ์การนำความร้อนของสารชุบ

แสดงค่า H ของการชุบในลักษณะการกวนต่างๆ กัน ลักษณะของการกวน อากาศ น้ำมัน น้ำ น้ำเกลือ ไม่มีการเคลื่อนไหว 0.02 0.25-0.3 0.9-1.0 2.0 เคลื่อนไหวเล็กน้อย - 0.30-0.35 1.0-1.1 2.0-2.2 เคลื่อนไหวปานกลาง 0.35-0.40 1.2-1.3 เคลื่อนไหวมาก 0.40-0.50 1.4-1.5 เคลื่อนไหวแรง 0.05 0.50-0.80 1.6-2.0 เคลื่อนไหวรุนแรง 0.80-1.10 4.0 5.0 ค่า H =  สำหรับการชุบที่เป็น Ideal quench

ค่า H =  สำหรับการชุบที่เป็น Ideal quench หมายถึงการชุบที่สามารถทำให้อุณหภูมิของผิวแท่งเหล็กลดลงเท่ากับอุณหภูมิของสารชุบในทันทีที่สัมผัสสารชุบ (ในทางปฏิบัติเป็นไปไม่ได้) ค่า H = 5 ถือเป็นค่าสูงที่สุด โดยชุบในน้ำเกลือที่มีการกวนให้สารชุบเคลื่อนไหว หรือแกว่งแท่งเหล็กในขณะชุบอย่างรุนแรงที่สุด

จากผลการทดลองเปรียบเทียบระหว่างการชุบในน้ำ กับในน้ำมัน เพื่อหาค่าเส้นผ่าศูนย์กลางวิกฤติ (D) พบว่าค่า Dwater > Doil แสดงว่าค่า Hwater >> Hoil (ดังภาพ)

การเปรียบเทียบค่า D และ H วัดเส้นผ่าศูนย์กลางของแท่งเหล็กที่ไม่เปลี่ยนแปลงความแข็ง Du (Unhardened core) นำค่าที่ได้ Plot กราฟระหว่าง D กับ Du/D จะได้เส้นกราฟของ น้ำ กับ น้ำมัน (ดังภาพ) ลักษณะความโค้งของเส้นจะบอกถึงความรุนแรงในการชุบ โดยเส้นที่มีความโค้งมากจะมีค่าความรุนแรงในการชุบสูง

จากกราฟ พบว่า แกนนอน (ค่า D) สามารถแทนได้ด้วย HD เนื่องจากที่ค่า Du/D =0 ก็คือ Du ที่มีค่าน้อยมากเมื่อเทียบกับค่า D ดังนั้นสามารถหาค่า HD ได้โดยการลากเส้นตั้งฉากกับแกนนอนเมื่อทราบค่า Du/D ตัวอย่าง ค่า D = 61 มม. และค่า Du/D = 0.6 มม. เมื่อลากเส้นตั้งฉากลงมาจะตัดแกนนอน จะได้ค่า HD = 80 มม. นั่นก็คือค่าเส้นผ่าศูนย์กลางของแท่งเหล็กจะมีความแข็งตลอด ถ้าถูกชุบที่ความรุนแรง H เป็น Ideal quench (H = ) HD=DI

ค่าเส้นผ่าศูนย์กลางวิกฤติตามทฤษฎี (Ideal critical diameter, D1) ค่าเส้นผ่าศูนย์กลางวิกฤติที่เป็นจริง (Actual critical diameter, D) มีการศึกษาหาค่า DI และ D เมื่อค่าความรุนแรงของการชุบ (H) เปลี่ยนแปลงไป และสามารถสร้างกราฟความสัมพันธ์ของ DI , D และ H ได้ดังภาพ D H DI

สำหรับเหล็กชนิดต่างๆ Grossman ได้สร้างกราฟของกรณีที่เหล็กมีลักษณะเป็นแผ่น แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง LI (Ideal critical thickness), L (Actual critical thickness) และ H (Severity of quench) (ดังภาพ) หมายเหตุ: ในกรณีที่ต้องการเปลี่ยนค่าจาก DI ไปเป็น LI (หน่วยเป็นนิ้ว) Grossman ได้ศึกษาหาความสัมพันธ์ระหว่างค่าทั้งสองไว้ดังนี้คือ DI = 1.377LI สำหรับเหล็กชนิดต่างๆ

ผลของขนาดเกรน Austenite และส่วนผสมของเหล็กต่อค่า Actual critical diameter, DIC โต Grossman พบว่า ยิ่งเกรนของ Austenite โตขึ้น(grain size no. เล็กลง) (มี %C ไม่เกิน 1%) ค่าของ DIC จะมากขึ้น (จุด 4 > 3) และเมื่อ %C เพิ่มขึ้น (ขนาดเกรนเท่ากัน) ค่าของ DIC จะมากขึ้น (จุด 2 > 1) 4 DIC 3 2 เล็ก 1 %C

ธาตุผสมมีส่วนสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งให้กับเหล็ก โดยมีอิทธิพลแตกต่างไปตามแต่ละธาตุ Grossman ได้กำหนดบทบาทของธาตุแต่ละตัวในลักษณะตัวคูณร่วม (Multiplying factor) ซึ่งจะคูณกับค่า DIC เพื่อให้ได้ค่าเส้นผ่าศูนย์กลางวิกฤติที่เป็นจริง (D) เมื่อค่าของ H เปลี่ยนแปลง ค่าตัวคูณร่วมที่สัมพันธ์กับปริมาณของธาตุผสม แสดงดังภาพ

สูตรที่ใช้คำนวณค่า DI Grossman ให้ไว้ดังนี้ DI = K x DIC x fMn x fNi x ……fx เมื่อ K = 1 เมื่อ D1 และ Dic มีหน่วยเป็น มม. DIC = ค่าเส้นผ่าศูนย์กลางวิกฤติของเหล็กกล้าคาร์บอน และที่ขนาดของเกรน Austenite ขนาดหนึ่ง fx = ค่าตัวคูณร่วม (multiplying factor) ของธาตุผสมต่างๆ ที่ผสมอยู่ในเหล็กกล้า

ตัวอย่าง เหล็กกล้า 0. 4%C, 0. 35%Mn, 0. 4%Si, 0. 5%Ni และ 0 ตัวอย่าง เหล็กกล้า 0.4%C, 0.35%Mn, 0.4%Si, 0.5%Ni และ 0.5%Cr ขนาดเกรน austenite No.8 และมีค่า H =∞ จงหาค่า DI และค่า D K = 1 เพราะมีหน่วยเป็น มม. จากรูปหน้า 45 จะหาค่า DIC = 5.00 มม. จากรูปหน้า 46 จะหาค่าต่างๆ ได้ดังนี้ fMn = 2.2 fCr = 2.0 fSi = 1.2 fNi = 1.15 ดังนั้น จาก DI= K x DIC x fMn x fNi x ……fx DI = 1 x 5.00 x 2.2 x 1.2 x 1.15 x 2.0 = 30.36 มม. Ans. จากรูปหน้า 44 ที่ DI =30.36 และ H = ∞ จะได้ค่า D =

DI= K x DIC x fMn x fNi x ……fx DI = 1 x 5.00 x 2.2 x 1.2 x 1.15 x 2.0 = 30.36 มม. Ans.

อ้างอิง รศ.มนัส สถิรจินดา. วิศวกรรมการอบชุบเหล็ก. วิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทยในพระบรมราชูปถัมภ์. พิมพ์ครั้งที่ 3, กุมภาพันธ์ 2537