บทท 8 กรรมวธทางความรอนของเหลกกลา

(Heat Treatment of steel)

ในบทนจะกลาวถงเรอง การปรบปรงคณสมบตของเหลกกลาโดยการใชกรรมวธทาง

ความรอนไดแก การอบออน(Annealing) การอบปกต(Normalizing) การชบแขง(Hardening)

การอบคนตว(Martempering) และการชบผวแขง(Surface Hardening)

8.1 กลาวนา กรรมวธทางความรอน หมายถง “การนาเอาโลหะหรอโลหะผสมทเปนของแขงมาให

ความรอนแลวปลอยใหเยนตวในอตราทแตกตางกน เพอใหม Mechanical Properties ตาม

ตองการ” โดยทวไป การทา Heat Treatment ของ Steels เปนการทาให Steels ม Phase เปน

Austenite และให Austenite เปลยนแปลงไปเปน Phases ตาง ๆ ตามตองการ ซง

ประกอบดวยขบวนการตาง ๆ ดงน

รป 8.1 อณหภมทใชสาหรบ Heat Treatment ชนดตาง ๆ

110

8.2 การอบออน (Annealing) มความมงหมายเพอปรบปรงคณสมบตของเหลกทผานการผลตตาง ๆ มา เชน การ

ขนรปรอน (Forging, Hot Rolling) การขนรปเยน (Cold Rolling, Drawing) การเชอม หรอ

การผานการหลอ (Casting) ซงเหลกผานขนตอนการผลตดงกลาวน จะมคณสมบตทไมมด

หลายประการ เชน

เหลกทผานการขนรปรอน จะมคณสมบตไมสมาเสมอตามสวนทมมมแหลม ซงอตรา

การเยนตวสงจะมความแขงมากกวาสวนอน ๆ โครงสรางของเหลกบรเวณผวจะมโครงสรางท

ประกอบดวยเกรนขนาดเลก เพราะถกแรงกระแทก หรออดมากกวาเนอเหลกภายใน ทาให

คณสมบตไมสมาเสมอถงภายในเชนเดยวกน

เหลกทผานการขนรปเยน มกจะมความเครยดทเกดจากการถกแรงอด หรอบบเหลก

คางอย มสวนทาใหมความแขงแรงไมสมาเสมอ สญเสยความเหนยว (Ductility)

เหลกทผานงานเชอม เชนเดยวกน การเชอมเปนการทาใหเหลกรอนเปนบางจด การ

ขยายตวเมอถกความรอน และการหดตวเมอถกปลอยใหเยน ยอมจะเปนการยากทจะทาใหได

ทวถง มกจะเกดความเครยดเหลอคาง และโครงสรางของเนอเหลกบรเวณจดททาการเชอมจง

ตางกบเนอเหลกในสวนอน ๆ ทไมถกความรอนจากจดเชอม คณสมบตของเหลกจะขาดความ

ไมสมาเสมอ

เหลกทผานงานหลอ ยงมองเหนไดงายวาโครงสราง และคณสมบตของเหลกจะมสวน

ทแตกตางกนมาก เพราะอตราการเยนตวของเหลกในแบบหลอ (ซงสวนมากใชทรายเปนวสด

ในแบบหลอ) จะแตกตางกนทงสวนทหนาและสวนทบาง ยงสวนทเปนแงมม การเยนตวจะยง

เรวกวาสวนอน จงมกมความแขงสง

จากทกลาวมาแลวนจะเหนไดวา การทจะนาเอาเหลกทผานกรรมวธขนรปตาง ๆ ไป

ใชงาน หรอนาไปตด เจาะ กลง ไส ยอมจะทาใหเกดอปสรรคในลกษณะตาง ๆ ทพอจะ

มองเหนไดชดเจน เชน การกลงหรอไส ถาเหลกมความแขงไมเทากนทกสวน การปรบมมของ

มดกลง หรอตงอตราความเรวในการตดจะเกดปญหามากมาย และผลงานทไดรบกไมด

เทาทควร ดงนนเหลกทผานการขนรปขนมา กอนจะนาไปใชงานหรอฟอรมรปรางในขนตอ ๆ

ไป จาเปนจะตองผานการอบใหออนตว ซงลกษณะของการทางานมหลายวธ ขนอยกบ

วตถประสงคสดทาย

8.2.1 การอบออนอยางสมบรณ (Full Annealing)

111

มความมงหมายเพอใหเหลกมความออนตวสง โดยเปนการทาลาย

Martensite เพอชวยในการกลงหรอไสไดงาย เพอทาใหเหลกมคณสมบตดานไฟฟา และ

แมเหลกสมาเสมอ

1. Hypo Eutectoid Steels (%C < 0.8) จะเผาไปทเหนอ Ac3 ประมาณ 30

– 50oC (รป 9.1) เชน การทา Refinement Pearlite ทมขนาดโต ทมสวนผสมของ 0.3% C

เมอ Heat ไปเหนอ Ac3 กจะเกดการเปลยน Phases เปน γ ทละเอยด +α หยาบ (เดม) และ

เมอให Temp สงกวา Ac3 ประมาณ 50 oC α กจะเปลยนเปน γ ทละเอยด แลวจากนนจงลด

Temp ลงชา ๆ ประมาณ 150 o - 200 oC/hr. เมอ Temp ลดลงมาท Room Temp กจะได

Phase ของ Pearlite ทละเอยด +Ferrite ทละเอยด

2. Hyper Eutectoid Steels Annealing Temp จะอยเหนอ Ac1 ประมาณ

50 oC แลวลด Temp ลงชา (รป 9.1) โครงสรางทได คอ Fine γ ถกลอมรอบดวย Coarse

Proeutectoid Cementite ซงจะยงคงมคณสมบตเชงกลตาอย แตกดกวาโครงสรางทเปน

Martensite + Cementite เดม

8.2.2 การอบออนไมสมบรณ (Incomplete Annealing)

หมายถง การอบออนทกระทาทอณหภมตากวาเสน Ac1 หรอบางกรณอาจจะ

สงกวาเสน Ac1 เลกนอย ความมงหมายกเพอทาลายความเครยดทเหลออย อนเนองมาจาก

การขนรปเยน หรอเพอตองการปรบปรงคณสมบตทางดานการกลง หรอไส สาหรบเหลกบาง

ชนด การอบออนไมสมบรณทสาคญมอย 2 ลกษณะ

8.2.2.1 การอบออนเพอขจดความเครยดเหลอคาง (Stress-relief

Annealing)

เปนการอบออนเพอมงทาลายความเครยดในแทงเหลกทผานการขน

รปเยน เชน เหลกทผานการรด หรอผานการดง จะทาใหกลมอะตอมของเหลกอยในสภาพบด

เบยว (Lattice distortion) ทาใหเหลกมความแขงเพมขน และสญเสยความเหนยว ไมเหมาะท

จะนาไปใชงานหรอไมเหมาะสาหรบทจะทาการขนรปในขนตอไป จะตองทาการอบออนขจด

ความเครยดภายในเสยกอน โดยเผาเหลกไปยงอณหภมทตากวา Ac1 50oC นสาคญมาก

ปกตจะใชเวลา 1 ชวโมงตอขนาดของชนงาน 1 ลบ.นว (1 hr/inch3) แตถา Martensite Break

Down เปน α + Fe3C (Sorbite) ถาตองการทจะใชเวลาในการทา Stress Relief นาน ก

จะตองเผาเหลกไปทอณหภมไมเกน 200 oC

112

8.2.2.2 การอบออนเพอความออนตวสง (Spheroidizing (Spheroidize

Annealing))

เปนกรรมวธการอบออนทใชกบเหลกทมคารบอนสงประมาณ 0.7 –

12% C ซงโครงสรางของเหลกจะประกอบไปดวย Pearlite และ Proeutectoid Cementite

ตามขอบเกรน ลกษณะโครงสรางเชนน เหลกจะมคณสมบตดานความเหนยวลดลง และอก

ประการหนง คณสมบตทางดานการกลงหรอไส (Machinability) จะไมด จะกลงใหมผวเรยบ

ไดยาก เพราะปลายแหลมของมดกลง ในขณะตดจะผานเนอเหลกออน (Ferrite) และผานเนอ

เหลกทแขง (Cementite) ตองทาให Proeutectoids Cementite เกดลกษณะทไมตอเนอง และ

Eutectoid Cementite (ใน Pearlite) เกดลกษณะเปนเมดกลมเลก ๆ (Spheroid) ไมเปน

ลกษณะแถบบาง ๆ (Lamellar) ซงจะกระทาไดโดยการนาเหลกไปเผาทอณหภมเหนอเสน Ac1

เลกนอย (730 o - 770 oC) สาหรบเหลกทมคารบอนสงกวา 0.8% หรอถาเหลกมคารบอนอย

ใกลระหวาง 0.7 – 0.8% จะเผาทอณหภมตากวา Ac1 เลกนอย แลวปลอยใหสงขนไปกวา Ac1

ทาสลบกนไปโดยใชเวลาประมาณ 10 – 15 ชวโมง จากนนจงปลอยใหเยนในอากาศ ในขณะ

ทเหลกอยเหนออณหภม Ac1 เลกนอย Cementite ใน Pearlite จะขาดเสถยรภาพเกดการขาด

เปนชวง ๆ และเมออณหภมลดลงตากวา Ac1 Cementite ทเกดจากการแตกตวของ

Austenite จะไปรวมตวกบ Cementite ทเหลออย ทาใหไมเกดเปนแถบบาง ๆ และเหลกถก

เผาใหอยในชวงนเปนระยะเวลานาน Cementite จะคอย ๆ ปรบตวในฟอรมทมเสถยรภาพ

มากทสด คอ คอย ๆ เปลยนเปนเมดกลม ทาใหเหลกมทงความออนตว และความเหนยว การ

กลง หรอไส จะไดผวเรยบเพราะในขณะทมดกลงตดผานจะไมมโอกาสตดเมดกลมเลก ๆ ของ

Cementite โดยเมดเลก ๆ ของ Cementite จะหลดออกหรอไมกเบนหลบไป ทาใหมดกลงตด

ผานเฉพาะเนอเหลก (Ferrite) อยางเดยว ไมเกดการสนทปลายมดกลง ทาใหผวเหลกเรยบ

8.3 การอบปกตเพอปรบปรงคณสมบต (Normalizing) มวตถประสงคสาคญหลายประการคลายคลงกบการอบออน คอ

- เพอปรบปรงคณสมบตเชงกลใหดขน

- เพอปรบปรงคณสมบตดานการกลง การไส หรอตด

- เพอปรบปรงคณสมบตดานความเหนยว โดยเฉพาะสาหรบเหลกทผานการขนรป

รอนและเยน

113

- ปรบปรงโครงสรางใหสมาเสมอ และเหมาะสมสาหรบทาการชบแขงในขนตอไป

- เปนการทาลายความเครยดภายในทเกดจากการขนรปเยน

จะเหนไดวาการทา Normalizing เปนกรรมวธทใชทากบงานสรางชนสวน

เครองจกรกลโดยทวไป ไมวาจะเปนงานทผานการขนรปรอน เชน การรด (Hot Rolling) หรอ

การตขนรป (Hot Forging) เหลกจะถกเผาทอณหภมคอนขางสง จะไดเหลกทมเกรนโต

คณสมบตเชงกลทดจะเปลยนไป (ทนแรงดงแรงกระแทกไดนอยลง) งานทผานการหลอมาก

เชนเดยวกนจะมขนาดเกรนโต มลกษณะเปน Dendrite และไมสมาเสมอ มขอเสยทควร

จะตองปรบปรงกอนนาไปใชงาน โดยเฉพาะอยางยงงานทผานการขนรปเยน เชน การรด

(Cold Rolling) หรอการตขนรป ทาใหโครงสรางภายในของเหลกจะเกดการบดเบยวไปตาม

ทศทางของแรงกระทา ทาใหเกดความเครยดภายใน สญเสยความเหนยว และมความแขง

เพมขนในลกษณะทไมสมาเสมอ สงทเกดขนในลกษณะทไมดเหลานสามารถทาใหหมดไป

และปรบปรงใหดขนโดยเฉพาะขนาดของเกรนของเนอเหลกทาใหมขนาดเลกละเอยด และ

สมาเสมอไดดวยการทา Normalizing ซงจะเนนในเรองของการปรบปรงโครงสรางมากทสด

(Grain refinement)

ภาพท 8.2 อณหภมของการอบปกต

การทา Normalizing ใชวธเผาเหลกใหรอนจนมอณหภมสงอยในชวง Austenite ทง

เหลกทมคารบอนตากวา 0.8% หรอสงกวา 0.8% จะเผาอณหภมเนอเสน Ac3 สาหรบเหลก

Hypo Eutectoid และทอณหภมเหนอเสน Acm สาหรบเหลก Hyper Eutectoid ประมาณ 30o

114

– 50oC ทงไวทอณหภมนประมาณ 30 – 60 นาทตอความหนาเฉลย 25 มม. เชนเดยวกบการ

อบออน จากนนจะนาเหลกออกจากเตาปลอยใหเยนในอากาศนง อตราการเยนตวประมาณ 1

o - 5 oC ตอวนาท ถาเปนการเปาอากาศ อตราการเยนตวจะเพมขนเปนประมาณ 10 oC ตอ

วนาท (การอบออน อตราการเยนตวประมาณ 5 o - 10 oC ตอวนาท)

อตราการเยนตวทเรวขนจะมผลตอโครงสรางทเกดขน กลาวคอ อตราการเยนตวยง

เรว การเปลยนแปลงจาก Austenite จะเกดทอณหภมยงตาลง จด Eurectoid ของเหลกจะ

เปลยนแปลงมาทางดานคารบอนตาลงสาหรบ Hypo Eutectoid และจะยายไปทางดานทม

คารบอนมากขนสาหรบเหลก Hyper Eutectoid ทาใหปรมาณของ Pearlite เพมมากขน และ

ความละเอยดของ Pearlite จะยงดขน (เปลยนแปลงทอณหภมตา) ความละเอยดของ

Pearlite หมายถง แถบบาง ๆ ระหวาง Ferrite และ Cementite จะแคบบมา นอกจากน

Proeutectoid Ferrite ในเหลก Hypo Eutectoid จะมปรมาณนอยลง และเชนเดยวกน

Proeutectoid Cementite ในเหลก Hyper Eutectoid จะนอยลง และลกษณะการตอเนอง

ตามขอบเกรนจะลดนอยลง คณสมบตของโครงสรางทประกอบดวย Pearlite มความละเอยด

เชนนจะทาใหเหลกมความแขงแรง และความแขงสงกวาเหลกทผานการอบออน จากทกลาว

มาแลววา การทา Normalizing เปนการปรบปรงโครงสรางใหสมาเสมอ เพอทจะนาไปทาการ

ชบแขงในภายหลงนน ทงนกเพอใหเหลกภายหลงจากการชบแขงมคณสมบตทด หลกเลยง

ขอเสยทจะเกดขน ปกตนนเหลกยงมเกรนละเอยดยอมเปนผลดตอการชบแขงมาก เพราะ

เหลกมเกรนหยาบและไมสมาเสมอ ภายหลงการชบแขงเหลกจะมความแขงไมสมาเสมอ

เชนเดยวกน และบางทอาจจะเกดการบดหรอแตกราวได ยงเปนเหลกทมธาตอน ๆ ผสมอย

และปรมาณของธาตทผสมขาดความสมาเสมอ การชบแขงอาจจะไมประสบผลดตามท

ตองการ ดงนนในกรณทตองการคณภาพของเหลกจากการชบแขงสง จงสมควรทาการ

Normalizing เสยขนหนงกอนแลวจงนาไปทาการชบแขง

8.4 การชบแขง (Hardening) คอ การอบชบความรอนเพอตองการใหเหลกภายหลงจากการชบมความแขงเพมขน

เพอทนตอการเสยดสในขณะใชงาน การชบแขงเปนวธจะใหไดโครงสรางของเหลกสดทายเปน

Martensite หรอ Bainite ขนอยกบความแขงสดทายทตองการ การเปลยนแปลงโครงสราง

115

จาก Austenite ไปเปน Martensite หรอ Bainite ซงจะไดเหลกทมความแขงสงจะตองม

องคประกอบทสาคญอยางนอย 3 ประการคอ

1. ปรมาณคารบอน ซงเปนองคประกอบทสาคญ เพราะการท Austenite จะ

เปลยนไปเปน Martensite ในลกษณะการชบแขงธรรมดาดวยนา เหลกควรจะมคารบอน

มากกวา 0.3% สวนธาตทผสมในเหลกอน ๆ เชน นเกล โครเมยม และโมลบดนม จะเพยงทา

หนาทชวยใหการชบแขงไดผลดขนเทานน ความแขงของ Martensite จะขนอยกบปรมาณของ

คารบอน ดงตวอยางเชน เหลกคารบอน 0.35% สามารถชบแขงไดความแขงประมาณ 50 HRC

ตรงกนขามกบเหลก 0.02%C, 10%Cr ไดความแขงภายหลงการชบแขงเพยง 35 HRC

2. อณหภมกอนการชบ คอ อณหภมทเหลกจะตองเปลยนเปน Austenite กอนการชบ

นาหรอนามน อณหภมของเหลกไมสงพอจนโครงสรางเปลยนเปน Austenite หมด เราจะชบ

ในนาหรอนาเกลอ นาดาง ความแขงทไดจะไมสงเทาทควร เพราะ Martensite ทไดจะตองมา

จาก Austenite เทานน และเปนการเปลยนโครงสรางโดยปราศจากการกาเนดนวเคลยส ไม

เหมอนอยางเชน Ferrite หรอ Cementite

3. อตราการเยนตว เปนองคประกอบทสาคญอกประการหนงท Austenite จะ

เปลยนไปเปน Martensite หรอ Bainite จะตองเปนอตราการเยนตวทสงพอ ซงจะปรากฏคา

วา “อตราการเยนตววกฤต (Critical cooling rate)” หมายถง อตราการเยนตวท Austenite

เปลยนไปเปน Martensite หรอ Bainite ถาอตราการเยนตวชากวาน Austenite จะไมมโอกาส

เปลยนเปน Martensite หรอ Bainite แตจะได Pearlite หรอ Sorbite แทน

8.4.1 อณหภมสาหรบการชบแขง (Hardening Temperature)

Hardening Temperature แบงออกตามสวนผสมของคารบอนดงน

1. Hypo Eutectoid Steels Hardening Temp จะอยทเหนอ Ac3 ประมาณ

50oC ซงอณหภมนจะไดโครงสรางทเปน Austenite ทงหมด ถาพจารณาในกรณทอณหภมตา

กวาน และอยในชวง Ac1 – Ac3 จะปรากฏม Ferrite เหลออยบางสวน ถาทาการชบทอณหภม

น Austenite จะเปลยนเปน Martensite แต Ferrite จะไมมการเปลยนแปลง ยงคงสภาพอย

เชนเดม เหลกภายหลงจากการชบแขงแลวจะไมไดความแขงสงเทาทควร และบรเวณ

โครงสรางทเปน Ferrite จะเปนบรเวณทออน (Soft spots) ขาดคณสมบตตานทานตอการ

เสยดส

ในกรณถาเผาทอณหภมเหนอเสน Ac3 ไปมาก (Overheating) จะได

โครงสรางของ Austenite ทมเกรนโต ภายหลงการชบนาจะได Martensite ทหยาบ (Coarse

116

martensite) ซงจะทนแรงกระแทกไดนอยลง อกประการหนง ชนงานในขณะชบนาจะเกดการ

บดงอหรอแตกราวไดงาย

2. Hyper Eutectoid Steels

จะใชอณหภมเหนอเสน Ac1 ประมาณ 30 - 50 oC เทานน จะเหนวาในชวง

ของอณหภมนจะปรากฏโครงสรางของ Proeutectoid Cementite เหลออยบางสวนเทานน ท

กลายหรอสลายตวไปเปน Austenite และ Cementite เหลออยนจะกระจดกระจายอยทวไปใน

โครงสรางของ Austenite เมอทาการชบนาจะไดโครงสรางของ Martensite โดยม

Proeutectoid Cementite แทรกอย ซงจะปรากฏเปนผลดในสวนทเหลกจะมความแขงสง และ

ทนการเสยดสในขณะใชงานไดด ทงนเพราะ Proeutectoid Cementite มความแขงประมาณ

700 – 800 HB ซงแขงกวา Martensite (650 – 700 HB) ประเดนทสาคญคอ จะตองเลอก

อณหภมทจะไมเกด Proeutectoid Cementite ในลกษณะตอเนองเปนลกโซตามขอบเกรน

ในกรณทเผาอณหภมเหนอเสน Acm จะไมเกดผลด นอกจากตองใชพลงงาน

มากขนแลว Austenite จะขยายตวใหเกรนโตเรวมาก จะทาใหผลทไดภายหลงการชบไมด

เพราะจะได Martensite เกรนหยาบ ทนแรงกระแทกไดไมด และยงอาจจะเกดการบดงอและ

แตกราวไดโดยงาย

8.5 การชบแขงมารเทมเปอรง (Martempering) เปนการชบแขงลกษณะหนงทนยมใชกบชนงานชบทมรปรางซบซอนมความหนาบาง

แตกตางกนมาก ซงถาเปนการชบดวยกรรมวธปกต เหลกอาจเกดการบดงอ หรอเกด

ความเครยดอนเนองมาจากการเยนตวเรว ทาใหแตกราวไดงาย การชบแขงแบบ

Martempering จะไดโครงสรางสดทายเปน Martensite เชนเดยวกบการชบแขงดวยวธปกต

อปกรณทตองใชเพมขนนอกเหนอจากกรรมวธชบแขงทวไปแลว จะตองมอางเกลอหลอมละลาย

(Salt bath) ทอณหภมตาประมาณ 400 oC ซงสวนใหญจะใชเกลอโซเดยมไนเตรด กบโปแต

สเซยมไนเตรด (40 – 50%) เกลอผสมนจะหลอมเหลวทอณหภม 145 oC มชวงการใชงานอย

ระหวาง 160 - 650 oC นอกจากนยงตองอาศยแผนภม T.T.T. ของเหลกทตองการชบแขง มา

ประกอบกบการชบแขงดวย เพราะแผนภม T.T.T. จะเปนเสมอนแผนทนาทางใหการชบแขง

ประสบผลตามความมงหมาย

117

การชบแขงจะเรมโดยการเผาเหลกจนรอนถงอณหภมในชวง Austenite คอ เหนอเสน

Ac1 หรอ Ac3 ประมาณ 50 oC ภายหลงททงไวจนอณหภมของแทงเหลกเทากนทงภายนอก

และภายในแลว จะนาออกมาจากเตา แลวชบในอางเกลอทอณหภมเหนอเสน M ทปรากฏใน

แผนภม T.T.T จากนนปลอยทงไวเพอใหมการปรบอณหภมระหวางผว กบภายในใหเทากน

ระยะเวลาหนง โดยทเวลาจะไมยาวจนถงจดทเรมเกดการเปลยนแปลงโครงสรางไปเปน

Bainite จะตองนาเอาชนเหลกขนมาจากอางเกลอกอนถงจดนนนาไปชบในอางนาทนทเพอให

โครงสราง Austenite เปลยนไปเปน Martensite จากนนจะตองนาไปอบคนตวในขนตอไปเพอ

ลดความเครยด ลกษณะการทางานจะเปนไปดงภาพท 8.3

ภาพท 8.3 Cooling Curve for Martempering

8.6 การชบแขงออสเทมเปอรง (Austempering) การชบแขงมลกษณะคลายคลงกบวธ Martempering สวนแตกตางจะอยทโครงสราง

สดทายทตองการ คอ โครงสรางแบบ Bainite อาจจะเปน Bainite แบบขนนก หรอแบบอซคลา

118

ขนอยทชวงอณหภมทจะปลอยใหเกดการเปลยนแปลงโครงสราง อปกรณทใชคงมลกษณะ

เหมอนกน

ขนตอนของการชบแขง Austempering จะเรมตงแตการเผาเหลกจนเปลยนเปน

Austenite หมด จากนนนาออกจากเตาเผา ชบชนเหลกในอางเกลอหลอมละลาย ถาตองการ

Bainite ชนดขนนก (Upper Bainite) อณหภมอางเกลอหลอมละลายจะอยทอณหภม

ประมาณ 500 - 600 oC ถาตองการ Bainite ชนดอซคลา (Lower Bainite) จะควบคมอณหภม

ของอางเกลอใหอยในชวง 400 - 500 oC เมอชบแทงเหลกลงในอางเกลอ แลวจะทงไว

ระยะเวลาทยาวจนแนใจวาระยะเวลานานพอทการเปลยนแปลงของ Austenite ไปเปน

Bainite จะสนสดอยางสมบรณ ซงสามารถกาหนดระยะเวลาไดจากแผนภม T.T.T เมอเวลา

ผานไปตามกาหนด แลวจงนาชนเหลกออกจากอางเกลอ ปลอยใหเยนในอากาศ ไม

จาเปนตองทาการชบนาอก เพราะในชวงทชนเหลกถกนาขนมาจากอางเกลอแลว จะไมมการ

เปลยนแปลงโครงสรางแตอยางใด ขนตอนการทางานจะปรากฏดงภาพท 8.4

ภาพท 8.4 Cooling Curve for austempering

119

8.7 การอบคนตว (Tempering) เหลกภายหลงจากการชบแขงจะมโครงสรางสวนใหญประกอบดวย Martensite และ

Austenite เหลอคาง (Residual austenite) ถาเปนเหลกคารบอนสง จะม Proeutectoid

Cementite กระจดกระจายอยทวไป นอกจากนเหลกทผานการชบแขงจะเกดความเครยด

ภายใน อนเนองมาจากอตราการเยนตวทเรวจากอณหภมสง คณสมบตของเหลกตามลกษณะ

ทกลาวจะมความแขงสง แตจะขาดคณสมบตดานความเหนยวไมทนตอแรงกระแทก (Poor

impact strength) และความเครยดภายในทเกดขนจะมสวนทาใหชนงานบดงอ หรออาจเกด

การแตกราวในขณะใชงานได ดงนนเหลกทผานการชบแขงกอนนาไปใชงานควรจะตองนามา

ทาการอบคนตว เพอคลายความเครยดภายในใหหมดไป หรอเหลออยนอยทสด และใน

ขณะเดยวกนจะทาให Martensite แตกตวใหโครงสรางกงสมดลย (Temperd Martensite) ซง

จะมผลอยางกวางขวางตอคณสมบตของเหลก ดงเชน ความแขงจะลดลง แตความเหนยวจะ

กลบสงขน ทงนขนอยกบชวงอณหภมของการอบคนตวและเวลาทใช

การอบคนตว เปนวธการเผาเหลกทผานการชบแขงทอณหภมตากวาเสน A1 ภายหลง

เมอทงไวเปนเวลานานพอสมควรแลว จะปลอยใหเยนชา ๆ ภายในเตา การเปลยนแปลงของ

Martensite และ Austenite เหลอคางไปสโครงสรางกงสมดลยจะเกดขนในชวงอณหภมตาง ๆ

กนดงน

อณหภมชวงแรก (80 - 200 oC) โครงสราง Martensite จะแตกตวใหโครงสราง

Ferrite ชนดทใกลจะเปนระบบลกบาศก (Pseudo cubic) ซงมคารบอนละลายอย 0.25%

การคารไบดชนดเอฟซลอน (ε carbide) มสตร Fe2C หรอ Fe2C4 และมคารบอนประมาณ

8.2% ทงคารไบด และ Ferrite (0.25%C) จะตกผลกชนดละเอยดและกระจดกระจายอยทวไป

ในโครงสราง สามารถศกษาไดโดยกลองขยายอเลกตรอนเทานน การอบคนตวในชวงอณหภม

นความแขงจะลดลงเลกนอย แตความเครยดภายในจะถกทาลายไปเกอบหมด

อณหภมชวงทสอง (200 o - 280 oC) โครงสราง Austenite ทไมสามารถเปลยนเปน

Martensite ไดทนในขณะชบแขง (Retained austenite) จะแตกตวใหโครงสราง Ferrite

(0.025%C) และ Cementite (Fe3C) ทมความละเอยดและกระจดกระจายโครงสรางทปรากฏ

จะคลายคลงกบ Gainite ความแขงแรงจะลดลงมาก แตความเหนยวจะเพมขน

อณหภมชวงทสาม (300 o - 500 oC) จะเกดการเปลยนแปลงโดย Ferrite (Pseudo

cubic) จะแตกตวให Ferrite (Cubic) ทมคารบอน 0.025% และ Cementite สวน ε-carbide

120

จะเปลยนเปน Cementite (Fe3C) โครงสรางทจะไดจะยงอยในลกษณะละเอยด และกระจด

กระจายมลกษณะคลาย Sorbite

อณหภมชวงทส (สงกวา 500 oC ขนไปจนถง A1) โครงสรางทเกดขนจะปรบตวเขากบ

สภาพสมดลย และมการขยายตวเอง Ferrite และ Cementite โตขน ความแขงจะลดลงมาก

โดยความเหนยวจะเพมขนในลกษณะคลายคลงกบเหลกทผานการทาสเฟอรรอยไดซซง

(Incomplete annealing)

จากการทดลองอบคนตวเหลก Eutectoid (0.8%C) ทชวงอณหภมตาง ๆ ปรากฏได

ความแขงลดลงจากความแขงภายหลงการชบแขง (64 Rc) อบคนตวอณหภมชวงแรก 1

ชวโมง ไดความแขง 60 – 64 Rc ชวงทสองไดความแขง 40 – 60 Rc) ชวงทสามความแขง 20 –

40 Rc และชวงทสเหลอความแขง 5 – 10 Rc

ในทางปฏบตแบงชวงอณหภมสาหรบการอบคนตวออกเปน 3 ชวงคอ

การอบคนตวทอณหภมตา (150 o - 250 oC) มวตถประสงคเพอลดความเครยด

ภายใน และปรบปรงคณสมบตทางดานความเหนยว โดยพยายามรกษาระดบความแขงไวใน

ระดบใกลเคยงกบความแขงทไดภายหลงการชบแขง เวลาทใชประมาณ 1 – 2 ชวโมง

โครงสรางของเหลกจะเปลยนแปลงเลกนอย

การอบคนตวทอณหภมปานกลาง (350 o - 450 oC) มวตถประสงคเพอใหเหลกม

ความเหนยวสงและมคณสมบตทางดานยดหยนสง สวนใหญใชสาหรบเหลกทาแหนบสปรง

โครงสรางของเหลกจะใกลเคยงกบ Bainite หรอ Troostite

การอบคนตวทอณหภมสง (500 o - 650 oC) จะกระทาเมอตองการทาลาย

ความเครยดภายในใหหมดไป และเพอใหเหลกมคณสมบตทางดานความเหนยวสง โดยม

ความแขงอยในเกณฑสงดวย โครงสรางของเหลกจะมลกษณะเปน Pearlite ละเอยดใกลเคยง

กบโครงสราง Sorbite

8.8 การชบแขงเฉพาะผว (Surface Hardening) การชบแขงพนผว เปนการชบแขงเพอใหไดความแขงเฉพาะตามบรเวณผวเทานน สวน

เนอเหลกภายใตผวแขงจนถงใจกลางยงคงเปนเนอเหลกเดมซงมความเหนยวสง ความมงหมาย

กเพอตองการใหเหลกทนตอการสกหรอในขณะใชงาน ทนตอแรงบดหรอแรงกระแทกอยาง

รนแรงไดดโดยไมแตกหก นบเปนกรรมวธชบแขงเหลกทมสวนดกวาการชบแขงตามทไดกลาว

121

มาแลว เพราะการชบแขงโดยวธทกลาวมาแลวแมจะไดความแขงทผวสงกตาม แตจะสญเสย

ความเหนยวของเหลก การทา Tempering จะชวยเพมความเหนยวไดบาง แตกลบจะตอง

สญเสยความแขงไปบาง ยกเวนเหลกผสมสงบางชนดททาใหไดคณภาพทงความแขงและความ

เหนยว แตเหลกผสมสงสวนมากราคาจะแพง ดงนนจะเหนวาการชบแขงพนผว จงนบวาเปน

กรรมวธชบแขงทนาสนใจมากในดานความประหยด และไดชนสวนเครองจกรกลทดมคณภาพ

พรอมทงความแขงผวและควาเหนยว ตวอยางชนสวนเครองจกรกลทนยมทาการชบแขงผว

ไดแก เพลาขอเหวยง เพลาราวลน เฟองเกยร และอน ๆ การชบแขงพนผวกระทาไดหลาย ๆ วธ

ดงตอไปน

8.8.1 การชบแขงพนผวโดยวธ Carburizing หรอ Case Hardening

เหลกทชดผวแขงพนผวดวยกรรมวธนจะตองเปนเหลกทมคารบอนตา

ประมาณ 0.1 – 0.2% และอาจจะมธาตบางตว เชน นเกล โครเมยม วานาเดยม ผสมอยบาง

ในปรมาณเลกนอย เพอเพมความเหนยวใหกบเหลก ปกตเหลกทมคารบอนตาจะไมสามารถ

ทาการชบแขงดวยวธธรรมดา เพราะมคารบอนนอย จะไมมโอกาสไดโครงสราง Martensite

แตเหลกชนดนจะมความเหนยวสง ทนไดดตอแรงบดและแรงกระแทก หลกในการชบดวยวธน

ใชหลกการเพมปรมาณคารบอนใหกบบรเวณผวเหลกไดสงประมาณ 0.8% ซงเปนเหลก

คารบอนทมคณสมบตชบแขงดทสด หลงจากนนจะนาเหลกไปทาการชบ เพอใหไดความแขง

และความเหนยวตอไป

วธการเพมปรมาณคารบอนใหกบบรเวณผวเหลกม 3 ลกษณะดวยกนคอ

8.8.1.1 การเพมโดยใชสารเพมคารบอนในสภาพของแขง (Solid

Carburizing)

สารเพมคารบอนทใช ไดแก ผงถานไม (Charcoal) ประมาณ 70 –

80% โดยนาหนก ผสมกบสารตวเรงปฏกรยา (Energizer) ไดแก ผงแบเรยมคารบอเนต หรอ

โซเดยมคารบอเนต และแคลเซยมคารบอเนต รวมกนอกประมาณ 20 – 30% ดงตวอยางเชน

ถานไม 74 – 78%

BaCO3 12 – 15%

Na2CO3 1 – 1.5%

CaCO3 3 – 5%

นามนหรอนาเหลอนาตาล (Molasses) 4.5 – 55% (เพอชวยใหอดตวไดแนน) นาเอา

แทงเหลกทจะชบผวแขงมาบรรจในหบเหลก หรอภาชนะเคลอบททนความรอนโดยอดผงสาร

122

เพมคารบอนใหรอบแทงเหลก และอดใหแนนถามแทงเหลกหลาย ๆ ชนบรรจในหบใบเดยวกน

จะตองวางใหหางกนประมาณ 20 – 25 มม. หรอจะมากกวานกไมมผลเสย เมอบรรจและอด

ผงสารเพมคารบอนจนแนนดแลวจะตองมฝาปดอยางมดชด โดยใชดนทนไฟยาตามรอยให

สนทเพอปองกนมใหอากาศแทรกเขาไปทาการเผาไหมกบคารบอนได

จากนนนาเอาหบเหลกไปเผาในเตาชา ๆ จนถงอณหภมระหวาง 900 o - 950 oC เวลา

ทใชในการเพมปรมาณคารบอนจะขนอยกบนาหนกของเหลกทจะชบแขงผว และทสาคญกคอ

ความหนาของผวแขงทตองการ ตามปกตถอหลกปฏบตงาย ๆ คอ จะเผานาน 1 ชวโมงตอ

ความหนาของผวแขง 0.1 มม. แตปรมาณคารบอนทผวและใตผวจนถงใจกลางจะลดลงโดย

ลาดบ ดงภาพท 8.5

ภาพท 8.5 แสดงลกษณะการแพรซมของคารบอนเขาสผวของแทงเหลก

ระหวางการทา Carburizing ความหนาผวแขง (Case depth) คอ ความหนา หรอความลกของผวแขง ทมความ

แขงสงกวา 500 HV หรอประมาณ 500 HB การวดความหนาผวนจะวดจากแทงเหลกตวอยาง

หลงจากทาการชบแขงผวแลวจะตดหรอตหก แลวขดใหเรยบเพอสะดวกตอการวดความแขง

จากผวลกเขามาภายใน จากนนนาไปเขยนกราฟระหวางความแขงกบระยะทหางจากผว

ระยะจากผวลกเขามาจนถงระดบความแขง 550 HV คอ คาความหนาผวแขง ซงคาความหนา

ผวแขงนจะขนอยกบอณหภม และเวลาทใชในการทา Carburizing ดงรปท 8.6 และ 8.7

ปฏกรยาทเกดขนในขณะทา Carburizing

123

ในขณะทหบบรรจผงสารเพมคารบอนกบแทงเหลกถกเผาทอณหภมสง อากาศหรอ

ออกซเจนทแทรกอยระหวางผงสารเพมคารบอนจะรวมตวกบผงถานทาใหเกดกาซ

คารบอนไดออกไซดและคารบอนมอนอกไซด ดงปฏกรยา

C + O2 = CO2

2C + O2 = 2CO

และกาซ CO2 เมอสมผสกบผงถานกจะใหกาซคารบอนมอนอกไซด ดงปฏกรยา

CO2 + C = 2CO

เมอกาซ CO สมผสกบผวของเหลกจะทาใหเกดอะตอมของคารบอนแรกเกด (2CO =

CO2 + Cat) ซงจะแพรซม (Diffuse) เขาสผวเหลกโดยปฏกรยา 3Fe(γ) + Cat = Fe3C

\

สาหรบสารตวเรงปฏกรยาซงไดแก BaCO3, Na2CO3 หรอ CaCO3 เมอถกเผาท

อณหภมสงจะตกตวใหกาซ CO2 ดงปฏกรยา

BaCO = BaO + CO2

Na2CO3 = Na2O + CO2

ภาพท 8.6 แผนภมแสดงระดบความแขง จากผวถงภายใน และการหาคา ความหนาของผวแขง

ภาพท 8.7 ความหนาของผวแขงสมพนธ กบเวลาและอณหภม

124

CaCO3 = CaO + CO2

ซงกาซ CO2 จะรวมกบผงถานกลายเปนกาซ CO และเมอสมผสกบผวเหลกกจะแตก

ตวใหอะตอมของคารบอนแรกเกดกบกาซ CO2 และกาซ CO2 กจะรวมตวกบคารบอนใหกาซ

CO วนเวยนไปดงนจนกวาจะไดปรมาณคารบอนทผวสงตามทตองการ ซงจะขนอยกบ

อณหภมและเวลา ดงทกลาวมาแลว

จะเหนไดวาสารตวเรงปฏกรยา จะเปนตวเพมปรมาณกาซ CO2 ใหเกดขนภายในหบ

ทปดสนท ซงจะชวยทาใหเกดกาซ CO และแตกตวใหอะตอมของคารบอนแรกเกดเพมมากขน

อนเปนการชวยทาใหเวลาทใชในการชบแขงผวสนลง แตจากผลการทดลองพบวาถาใชสารเรง

ปฏกรยามากเกนกวา 10% ความหนาของผวแขงทไดจะไมเพมขนมากและมแนวโนมใหคา

ความหนาผวแขงคงท

8.8.1.2 การชบแขงผวโดยใชกาซ (Gas Carburizing)

การชบแขงผวโดยการเพมคารบอน ดวยวธใชกาซมขอทดกวาการใช

ของแขงอยหลายประการ เชน เวลาทใชในการชบแขงผวจะสนกวา เพราะไมตองเสยเวลาไป

เผาหบ (case) และสารตวเพมคารบอนทเปนของแขงซงเปนฉนวนความรอน สามารถใชเตาท

มเนอทเลกกวา การควบคมปรมาณคารบอน และความหนาของผวแขงทาไดแนนอนกวา

ประการสดทายกคอ ลดแรงงานในการบรรจเหลกลงหบ และรอออกเมอสาเรจ

กาซทใชเปนตวเพมคารบอนจะใชกาซไฮโดรคารบอน ทสาคญไดแก

กาซธรรมชาต (กาซมเทน CH4) ซงกาซชนดนจะตองมความบรสทธมาก เพราะถามนามนตด

เขามาจะทาใหเกดเขมาของนามนทเผาไหมและไปจบตามบรเวณผวของแทงเหลก อนเปน

สาเหตหนงททาใหอะตอมคารบอนทเกดจากปฏกรยาไมสามารถแพรซมผานผวเหลกได การ

ชบแขงผวจะไดผลไมด

หลกในการชบแขงผวแบบกาซน จะใชเตาทปดมดชด อาจจะเปน

ชนดบรรจเหลกทละครง หรอแบบตอเนอง โดยสายพานเหลกทนความรอน เปนตวพาแทง

เหลกใหเคลอนผานเตาในอตราชา ๆ อณหภมทใชประมาณ 900o – 950oC ภายในเตาจะ

ปลอยใหกาซไฮโดรคารบอนใหไหลผานในอตราทพอเหมาะเพอใหไดปรมาณคารบอนทผว

เหลกตามทกาหนด คอ ควรจะไดปรมาณคารบอนทผวประมาณ 0.8%

ปฏกรยาทเกดขนเปนดงนคอ

2CO → Cat + CO2

125

CH4 → Cat + 2H2

CnH2n → Cat + nH2

นอกจากปฏกรยาทเกดดงกลาวแลว จะเกดปฏกรยารวมตวระหวาง

CO กบ H2 ใหไอนาและคารบอนอะตอม

CO + H2 → C + H2O

เมอเราทราบปรมาณของคารบอนทผวของแทงเหลก ทราบอณหภม

ของการชบแขงผว เราสามารถควบคมปรมาณของ CO และ H2 ของกาซทเปนตวเพมปรมาณ

คารบอนไดโดยทางปฏบต ในตอนแรกจะผสมกาซตวเพมปรมาณคารบอนในปรมาณทสง

และจะคอย ๆ ลดลง จนถงชวงสดทายจะไมมาผสมกาซตวเพมปรมาณคารบอนเลย ทงนเพอ

ไมใหปรมาณคารบอนทผวสงจนเกนไป เพราะจะทาใหเกด Cementite ตามบรเวณขอบเกรน

(Proeutectoid Cementite) จะทาใหเหลกแตกงายในขณะชบแขง ปกตเวลาทใชในการชบ

แขงผวดวยกาซนจะสนกวาการใชของแขงเลกนอย ทาใหเหลกทไดมเกรนเลก

มวธทพฒนาขนมาในระยะเวลาไมนาน โดยการเผาเหลกดวยวธการ

เหนยวนา (Induction) ทอณหภมสงประมาณ 1000 oC ใหรอนแตบรเวณผว ทงเหลกและขด

ลวดทองแดงเหนยวนาจะอยในเตาปดมดชด โดยมทอปลอยใหกาซเพมคารบอนผานเขาดาน

หนง และผานออกอกดานหนง วธนสามารถทาการชบแขงผว ไดความหนาของผวแขง 0.8 – 1

มม. ใชเวลาเพยง 30 – 40 นาท

ภาพท 8.8 แสดงอปกรณและวธการชบแขงผวดวยกาซโดยใชกระแสไฟฟาเหนยวนา

126

127

8.8.1.3 การชบแขงผว โดยใชสารเพมคารบอนทเปนของเหลว (Liquid

Carburizing)

การชบแขงผวดวยวธน สารเพมคารบอนจะเปนเกลอระหวาง NaCl

10 – 15% ผสมกบ Na2CO3 75 – 85% หลอมในเบาหลอมใหละลายทอณหภม 850 - 900

oC ผสมซลกอนคารไบด (SiC) ประมาณ 6 – 10% ปฏกรยาทเกดในเบาหลอมจะเปนดงน

2Na2CO3 + SiC = Na2SiO3 + Na2O + 2CO + Cat

2CO = CO2 + Cat

จากปฏกรยาจะเหนวา NaCl ไมมบทบาทอะไร เพยงแตเปนตวชวย

ทาใหโซเดยมคารบอเนตหลอมละลายไดงาย NaCl ทาหนาทเปน Flux สวนโซเดยมซลเกต

(Na2SiO3) และโซเดยมออกไซด (Na2O) จะลอยขนทผวกลายเปนแสลก (Slag)

สาหรบกาซ CO ทเกดขนจะแตกตวใหอะตอมของคารบอนแรกเกด

กบกาซ CO2 จะเหนไดวาจากปฏกรยามอะตอมคารบอนแรกเกด ทงจากปฏกรยาโดยตรง

และจาก CO ทาใหการชบแขงผวดวยวธนใชเวลาสนกวาใชกาซในแบบธรรมดา แตจะตองเคย

เตมเกลอโซเดยมคารบอเนต และซลกอนคารไบดลงไปในอางเกลอเปนระยะ ๆ

วธการชแขงดวยวธนเปนวธทสะดวก เพยงแตจมแทงเหลกลงไปใน

อางเกลอหลอมละลายในเวลาทพอเหมาะ แลวนาเอาแทงเหลกไปชบนาไดทนท จะเหนวาการ

ชบแขงผววธนมผลดตรงทแทงเหลกจะรอนสมาเสมอ การบดตวของแทงเหลกมนอย และ

สามารถชบแขงไดทนทจากอางเกลอ สวนเวลาทใชนนเรวกวาใชกาซ ดงตวเลขทแสดง

ความหนาของผวแขง (มม.) 0.2 0.25 0.35 0.4 0.5

เวลาทใช (ช.ม.) 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0

8.9 การชบแขงพนผวโดยวธ Cyaniding การชบแขงพนผวโดยวธ Cyaniding เปนกรรมวธเพมทงปรมาณคารบอนและ

ไนโตรเจนตามบรเวณผวเหลกโดยการใชอางเกลอหลอมเหลว (Salt bath) ของโซเดยม

ไซยาไนด (NaCN) หรอโปแตสเซยมไซยาไนด (KCN) หรอบางทกอาจจะใชแคลเซยม

ไซยาไนด [Ca(CN)2] ขนอยกบลกษณะของกรรมวธ

การชบแขงพนผวโดยวธ Cyaniding ใชวธการหลอมเกลอไซยาไนดผสมกบเกลอท

เปนกลาง (Neutral salt) ไดแก NaCl และ Na2CO3 ตามสดสวนตาง ๆ ขนอยกบอณหภมทใช

128

เมอหลอมเกลอละลายทอณหภมตาง ๆ ตามตองการแลว จะนาเหลกทตองการชบแขงผวมา

เผาจนรอนทอณหภม 100o – 400oC กอน แลวจงจมลงไปในอางเกลอเพอใหอะตอมของ

คารบอนและไนโตรเจนแพรซมเขาไปจนไดทงปรมาณและความหนาพอกบความตองการ

(ขนอยกบเวลาและอณหภมของอางเกลอ) จากนนจงเอาชนเหลกขนจากอางเกลอ แลวนาไป

ชบนา ตอจากนอาจจะตองนาชนเหลกทมผวแขงไปทาการอบคนตว (Temper) อกครงหนง

การชบแขงผวโดยวธ Cyaniding แบงเปนชวงอณหภมของการทางานออกเปน 3 ชวงคอ

1. การชบแขงทอณหภมตา (Low temperature Cyaniding)

ใชอณหภมในการชอบแขงอยระหวาง 550 o - 600 oC เกลอทใชมสวนผสม 30

– 40% NaCN, 20 – 45% Na2CO3 และ 10 – 20% NaCl เนองจากเปนการชบแขงทอณหภม

ตาประมาณ 0.2 – 0.04 มม. เวลาทใชประมาณ 5 – 30 นาท ความมงหมายในการทาท

อณหภมตา เพอตองการใหอะตอมไนโตรเจนแพรซมเขาสผวเหลกไดมากกวาคารบอน เพราะ

ตองการความแขงทผวสงและมประสทธความฝดตา เหมาะสาหรบการชบแขงผวเหลกทใชทา

เครองมอตด ดงเชน เหลก Hi-Speed

2. การชบแขงทอณหภมปานกลาง (Medium temperature Cyaniding)

อณหภมทใชอยระหวาง 750 o - 850 oC โดยใชสวนผสมเกลอ 20 – 50%

NaCN ผสมกบเกลอทเปนกลาง NaCl และ Na2CO3 ความหนาของผวแขงจะไดประมาณ

0.075 – 0.25 มม. โดยใชเวลาประมาณ 5 – 9 นาท ปรมาณของคารบอนและไนโตรเจนท

บรเวณผวจะอยระหวาง 0.6 – 0.8%C และ 0.4 – 0.5%N ภายหลงจากการชบแขงผวแลวจะ

ไดความแขงของผวเหลกประมาณ 55 – 60 HRC เหมาะสาหรบการชบผวแขงชนสวน

เครองจกรทว ๆ ไป ททาดวยเหลกกลาคารบอนตา และคารบอนปานกลาง เชน พวกเฟองเกยร

สกรนอต และอน ๆ

3. การชบแขงผวทอณหภมสง (High temperature Cyaniding)

มวตถประสงคทสาคญคอ ตองการความหนาของผวแขงสงประมาณ 0.5 –

1.5 มม. โดยใชเวลาสน เมอเทยบกบการทา Carburizing อณหภมทใชประมาณ 900 o - 950

oC อางเกลอประกอบดวย 6 – 10% NaCN, 80 – 84% BaCl2 และประมาณ 10% NaCl บาง

ทอาจจะใช Ca(CN)2 แทนกได เพราะราคาถกกวา เวลาทใชในการชบแขงผวประมาณ 5

ชวโมง (ถาเปนการทา Carburizing จะใชเวลา 10 ชวโมง) ปรมาณของคารบอนและ

ไนโตรเจนทผวจะไดประมาณ 1.0 – 1.2%C และ 0.2 – 0.3%N ภายหลงจากการชบแขงผว

แลวจะตองทาการอบคนตว (Tempering) ทอณหภมประมาณ 200 oC เนองจากทผวม

129

ปรมาณคารบอนสง อาจจะได Retained Austenite อยบางภายหลงการชบนาทาใหความ

แขงทไดตากวาผวทอยลกลงไปเลกนอย

ปฏกรยาของเกลอขณะทา Cyaniding

ขนแรก เกลอกไซยาไนดจะทาปฏกรยากบออกซเจนจากบรรจากาศใหไซยาเนตของ

โซเดยมหรอโปแตสเซยม ปฏกรยาจะเกดบรเวณผวของเกลอทสมผสกบอากาศ ดงปฏกรยา

2NaCN + O2 → 2NaCNO

และไซยาเนตของโซเดยมจะทาปฏกรยากบกาซออกซเจน ซงจะใหอะตอมของ

ไนโตรเจนแรกเกดกบกาซ CO และโซเดยมคารบอเนต ดงปฏกรยา

2NaCNO + O2 → Na2CO3 + CO + 2Nat

เมอกาซ CO สมผสกบผวเหลกทอยในอางเกลอ แทงเหลกจะดงอะตอมของคารบอน

เขาไปรวมตวตามบรเวณผวให Cementite ดงปฏกรยา

3Fe + 2CO → Fe3C + CO2

บางทฤษฎจะกลาวถงกาซ CO แตกตวใหอะตอมคารบอนแรกเกดกอน แลวจง

แพรซมเขาสผวเหลก ดงปฏกรยา

2CO → CO2Cat

การทา Cyaniding ทอณหภมสง ปฏกรยาทเกดจะแตกตางออกไปจากทกลาวมาแลว

ตามปกตมกจะเกด Na2CO3 ถาทาทอณหภมสงประมาณ 900 o - 950 oC ปรมาณของ

Na2CO3 ทเกดจะรวมตวกนมปรมาณมาก ซง Na2CO3 จะมผลในการกนไมใหอะตอมของ

คารบอนแพรซมเขาสผวเหลก จงตองผสม BaCl2 ลงไปในอางเกลอเพอปองกนไมใหเกด

Na2CO3 และ BaCl2 จะมสวนชวยใหเกดการแตกตวของคารบอนและไฮโดรเจน โดยจะให

อะตอมคารบอนปรมาณสงกวาไฮโดรเจน ดงปฏกรยา

2NaCN + BaCl2 → 2NaCl + Ba(CN)2

ซงแบเรยมไซยาไนดไมมเสถยรภาพทอณหภมสง จะแตกตวใหอะตอมคารบอนแรก

เกดกบแบเรยมไซยาไนด

Ba(CN)2 → BaCN2 + Cat

สาหรบ BaCN2 ทไดจากปฏกรยาจะรวมตวกบออกซเจนในอากาศใหอะตอม

ไนโตรเจนแรกเกดกบกาซ CO และแบเรยมออกไซด ดงปฏกรยา

BaCN2 + O2 → BaO + CO + 2N

130

ซงกาซ CO จะแตกตวใหอะตอมคารบอนแรกเกดเปนขนสดทาย หรอกาซ CO อาจจะ

ทาปฏกรยากบเหลก ให Cementite ดงทกลาวมาแลว

8.10 การชบแขงผวโดยกรรมวธ Carbonitriding Carbonitriding คอ วธการชบแขงพนผวโดยการเพมปรมาณทงคารบอนและ

ไนโตรเจน บรเวณผวเหลกพรอม ๆ กน คลายคลงกบการทา Cyaniding ผดแตการทา

Carbonitriding สารททาหนาทเปนตวเพมคารบอนและไนโตรเจน จะเปนกาซผสมระหวาง

กาซ Carburizing (กาซธรรมชาต หรอกาซทไดจากการกลนปโตรเลยม) ประมาณ 70 – 80%

โดยปรมาตร กบกาซแอมโมเนยประมาณ 20 – 30% หรออาจกลาวไดวา การทา

Carbonitriding เปนการทา Carburizing ดวยกาซพรอม ๆ กบการทา Nitriding

การทา Carbonitriding แบงชวงอณหภมในการทางานออกเปน 3 ชวงคอ

1. Carbonitriding ทอณหภมตา (540 o - 560 oC) เหมาะสาหรบงานทตองการความ

แขงทผวสงประมาณ 950 – 1100 Hv แตความหนาของผวแขงนอยซงอยระหวาง 0.02 – 0.04

มม. และใชเวลาในการทางานประมาณ 30 นาท ถง 3 ชวโมง เหมาะสาหรบชบแขงผวอปกรณ

เครองมอทใชในการตด (Cutting tool) ททาดวยเหลกกลาความเรวสง เชน มดตดโลหะชนด

หมน (Milling cutter) ดอกสวาน (Twist drills) และอปกรณสาหรบทาเกลยว เปนตน ซง

อปกรณตาง ๆ เหลานตองการความแขงทผวสง และสมประสทธความฝดตา การทา

Carbonitriding ทอณหภมตาไมตองทาการชบนา เพราะความแขงทไดจะเปนผลจาก

ไนโตรเจน สวนคารบอนมปรมาณนอย

2. Carbonitriding ทอณหภมปานกลาง (840 o - 860 oC) เหมาะสาหรบงานท

ตองการความหนาของผวแขงสง โดยจะตองใชเวลาประมาณไมเกน 10 ชวโมง จะไดความ

หนาของผวแขงสงประมาณ 1 มม. จะใชกาซแอมโมเนยผสมประมาณ 30% ชนงานทไดใน

การชบแขงผวในชวงอณหภมสวนใหญจะเปนพวกชนสวนเครองจกรกลทว ๆ ไป แมจะเปน

ชนงานทมรปรางซบซอน (Complex shape) สามารถทาการชบแขงผวได ภายหลงจากการ

ชบในนาแลว จะตองนามาทาการอบคนตวทอณหภมประมาณ 200 oC เพอคลายความเครยด

อนเนองมาจากการชบนา

3. Carbonitriding ทอณหภมสง (900 o - 950 oC) เปนวธการชบแขงผวทตองการ

ความหนาของผวแขงสงและใชเวลาสนเมอเทยบกบการทา Carburizing ดวยกาซเพยงอยาง

131

เดยว จะไดความหนาของผวแขงในอตราทชากวา (ประมาณ 0.1 มม.ตอชวโมง) แตเมอเพม

กาซแอมโมเนยประมาณ 15 – 25% ความหนาของผวแขงทไดจะเปนประมาณ 0.2 มม.ตอ

ชวโมง แตอยางไรกตาม ความหนาของผวแขงทไดจะนอยกวาการทา Cyaniding เมอใชเวลา

เทากน ภายหลงการชบแขงแลวจะตองทาการอบคนตวทอณหภมประมาณ 200 oC

เชนเดยวกน

การชบแขงดวยวธ Carbonitriding มขอดเมอเทยบกบการทา Gas Carburizing กคอ

ใชเวลาในการชบแขงผวสนกวา และไดความแขงทผวสงกวา และทสาคญกคอ สามารถทจะ

ใชอณหภมตาได เมอเปรยบเทยบกบการทา Cyaniding แลว ขอทดกวามเพยงไมมสารพษเขา

มาเกยวของเทานน

8.11 การชบแขงพนผวโดยวธ Nitriding การชบพนผวโดยวธ Nitriding เปนการเพมอะตอมของไนโตรเจนในลกษณะททาให

อมตว (Saturating) ตามบรเวณผวของแทงเหลก มลกษณะคลายกบการทา Carburizing

หรออาจกลาวไดวาการทา Carburizing เปนการเพมธาตคารบอนใหกบเหลกในสภาพ

Austenite (austenitic thermochemical treatment) แตการทา Nitriding เปนการเพมธาต

ไนโตรเจนใหกบเหลกในสภาพ Ferrite เพราะจะกระทาทอณหภมตา ประมาณ 500 o - 590 oC

ซงอณหภมชวงน เหลกยงคงสภาพเปน Ferrite และอณหภมชวงนเปนชวงทเหลก Ferrite จะ

ยอมใหอะตอมของไนโตรเจนละลายไดสงทสดประมาณ 0.1% และทอณหภมนจะ

เกดปฏกรยา Eutectoid ของ Austenite (2.35%N) แตกตวให Ferrite (0.1%N) กบไนตราย

ของเหลก (Fe4N หรอ γ′) ทมไนโตรเจน 5.5 – 5.9%

การทา Nitriding จะใชกาซไนโตรเจนซงเปนกาซเฉอยถาอยในสภาพสมดลย (N2)

ดงนน จะตองใชกาซไนโตรเจนในสภาพอะตอมหรอสภาพแรกเกด จงจะสามารถแพรซมเขาส

ผวเหลก และรวมกบอะตอมของเหลกใหเหลกไนตราย (Fe4N และ Fe2N) กาซทจะให

ไนโตรเจนในสภาพอะตอมไดกคอ กาซแอมโมเน (NH3) เมอถกเผาทอณหภม 500 o - 600 oC

จะแตกตวใหกาซไฮโดรเจน กบกาซไนโตรเจน ดงปฏกรยา

2NH3 → 2N + 3H2

ในการทา Nitriding ไมมขอจากดชนดของเหลกทจะนามาใชในการทา Nitriding สงท

สาคญกคอ ตองหาทางทาใหเนอเหลกภายในมความแขงแรง และความเหนยวสงเทานน

132

แมแตเหลกทมคารบอนสงกสามารถทา Nitriding ได ถาสามารถทาการชบใหเหลกมความ

เหนยวกอนการทา Nitriding ได สาหรบความแขงทผวนนสามารถเพมใหสงไดมาก ถา

สามารถเลอกเหลกทมธาตบางธาตทสามารถรวมตวกบไนโตรเจน และใหไนตรายทมความ

แขงสง เชน อลมเนยม โครเมยม และโมลบดนม เปนตน ดงนนเหลกทเหมาะสาหรบการทา

Nitriding เพอใหความแขงสง ควรมธาตเหลานผสมดวย ดงตวอยางแสดงในตารางท 8.1 ตารางท 8.1 : แสดงสวนผสมของเหลก Nitriding ตามมาตรฐาน ISO/R 683/X-1970

C% Si% Mn% P%

Max

S%

Max

Al% Cr% Mo% V%

0.28-

0.35

0.35-

0.42

0.30-

0.37

0.38-

0.45

0.15-

0.40

0.15-

0.40

0.20-

0.50

0.20-

0.50

0.4-0.7

0.4-0.7

0.5-0.8

0.5-0.8

0.03

0.03

0.03

0.03

0.035

0.035

0.035

0.035

-

-

0.8-1.2

0.8 – 1.2

2.3 – 3.3

3.0 – 3.5

1.0 – 1.3

1.5 – 1.8

0.3 – 0.5

0.8 – 1.1

0.15-

0.25

0.25-0.4

-

0.15-

0.25

-

-

8.12 การชบแขงพนผวดวยกระแสไฟฟาเหนยวนา (Induction Hardening) การชบแขงพนผวดวยกระแสไฟฟาเหนยวนาความถสง ใชกบเหลกทมคารบอนปาน

กลาง (0.4 – 0.5%C) หรอเหลกผสม (Alloy Steel) ทมปรมาณคารบอนปานกลาง ซงเหลก

ประเภทนสามารถชบแขงดวยวธธรรมดาได และจะไดความแขงประมาณ 50 – 60 HRC บาง

กรณอาจชบแขงผวดวยวธนกบเหลกทมคารบอนสง (0.8 – 1.2%C) ได แตตองควบคมการให

ความรอนทด และควรจะเปนงานขนาดใหญ เชน ลกรดเหลก

หลกการทางานของการชบพนผววธน อาศยหลกการใหความรอนแกแทงเหลกดวย

กระแสเหนยวนา (Induction current) ความถสง ซงจะทาใหเหลกรอนจดเฉพาะบรเวณผว

จนถงจดทจะเปลยนจากโครงสรางเดม (Pearlite, Ferrite) เปน Austenite สวนเนอเหลกใน

สวนทอยลกลงไปในถงใจกลางจะไมรอน หรอจะรอนบางกยงไมถงจดทจะกลายเปน

Austenite เมอนาเหลกทเปน Austenite เฉพาะผวไปชบนาหรอทาใหเยนโดยเรว Austenite

ตามบรเวณผวจะเปลยนโครงสรางเปน Martensite สวนเนอเหลกตรงกลางจะไมมการ

133

เปลยนแปลงคงสภาพโครงสรางเดม ทาใหเหลกมความแขงเฉพาะบรเวณผว ซงจะทนตอการ

เสยดส และทนตอความลา (Fatigue) ไดด ในขณะทคณสมบตความเหนยวยงคงอยในเกณฑ

สง

หลกการทางานของการชบแขงผวดวยกระแสเหนยวนา อาศยหลกการของ

กระแสไฟฟาสลบเมอไหลผานขดลวด จะทาใหเกดสนามแมเหลกไฟฟา (Electro-magnetic)

ขนรอบ ๆ ขดลวด และสนามแมเหลกนจะกลบขวตามจานวนความถของกระแสไฟฟาสลบ ถา

เรานาเอาแทงเหลกไปใสไวในขดลวด สนามแมเหลกไฟฟาจะตดผานเนอเหลกในลกษณะกลบ

ขวไปมา จะทาใหเกดกระแสไฟฟาขนในเนอเหลกทเรยกวา กระแสเหนยวนาไหลวน (Induce

eddy หรอ Foucault current) แตการเกดกระแสไหลวนในเนอเหลกนจะไมเกดสมาเสมอ

ตลอดพนทตดขวางของแทงเหลกจะเกดมากตามบรเวณผว ยงความถของกระแสไฟฟาสง

กระแสทเกดขนจะเขมขนมากตามบรเวณผวซงเรยกวา skin effect

ภาพท 8.9 แสดงชนดของขดลวดไฟฟาความถสง

เมอเกดกระแสไหลวนตามบรเวณผว และเหลกมความตานทาน พลงงานไฟฟาจะ

เปลยนเปนพลงงานความรอนซงจะเกดขนในชวงทสนมากเปนวนาท ทาใหการถายเทความ

รอนจากผวไปสใจกลางเปนไปไดยาก ขณะทบรเวณผวรอนแดงแลว ภายในบรเวณใจกลาง

อาจจะยงอยทอณหภมปกต

134

8.13 การชบแขงพนผวโดยเปลวไฟใหความรอน (Flame Hardening) การชบแขงพนผวดวยวธโดยเปลวไฟใหความรอนน เปนวธทคลายคลงในหลกการ

เชนเดยวกบการชบแขงพนผวโดยกระแสเหนยวนาความถสง ผลทไดรบใกลเคยงกน เหลกท

จะชบแขงพนผวไดจะตองมสวนผสมโดยเฉพาะคารบอนอยในชวงเดยวกน (0.4 – 0.8%C)

และอาจจะมโครเมยมหรอนเกลผสมในเหลก ผลทไดกจะยงดขน ทวาหลกการคลายคลงกนก

คอ ใชวธทาใหผวเหลกรอนทอณหภมสงจนโครงสรางเดมเปลยนเปน Austenite ภายใน

ระยะเวลานนเพอเนอเหลกทอยลกลงไปใตผวไมเปลยนแปลง จากนนจะทาใหเหลกเยนลง

อยางรวดเรวโดยการชบนา นามน หรอใชอากาศเยนเปา จะทาใหเกดการเปลยนแปลง

โครงสรางจาก Austenite ไปเปน Martensite หรอ Bainite ขนอยกบอตราการเยนตว เมอ

หลกการเปนเชนน เปลวไฟทเหมาะสมทสดจะเปนเปลวไฟทไดจากการเผาไหมของกาซ

ออกซเจน กบอะเซทลน หรอกาซออกซเจนกบกาซไฮโดรคารบอนอน ๆ เชน บวเทน หรอโพ

รเพน

เมอพจารณาขอไดเปรยบเมอเทยบกบการชบแขงพนผวโดยกระแสไฟฟาเหนยวนา

จะเหนวามขอดอยบาง เชน การลงทนเกยวกบอปกรณตาง ๆ จะตากวา วธการทางานงายกวา

มาก ยงชนงานมขนาดโตมาก ๆ สามารถทาการชบแขงไดภายนอกโรงงาน เพยงแตมถงกาซ

และทอฉดนา สวนขอเสยคอ การควบคมอณหภมใหสมาเสมอกระทาไดยาก ยงพนททจะชบ

แขงผวกวางมาก การทางานจะมความยงยากมาก จะตองออกแบบหวเผา ใหการเผามความ

แนนอน ขอเสยประการทสาคญกคอ อณหภมของเหลกบรเวณผวนอกสดมกจะสงมาก

อาจจะถง 1000oC ซงจะทาให Austerite มเกรนโตภายหลง เมอนาเหลกไปชบนาจะได

Martensite ทมลกษณะหยาบ มกจะเปราะแตกงาย

8.14 การชบแขงพนผวโดยวธ Electrolytic การชบแขงดวยวธ Electrolytic อาศยหลกการจากปรากฏการณทางฟสกสทเรยกวา

Cathode effect โดยมทฤษฎทวาเมอกระแสไฟฟาตรง ความตางศกยปานกลาง (200 – 220

โวลท) และมความเขมขนของกระแสตอพนทสงประมาณ 3 – 6 แอมแปรตอตารางเซนตเมตร

ไหลผานอางนายา Electrolyte ทเปนโซเดยมคารบอเนต หรอโปแตสเซยมคารบอเนต (5 –

10%) โดยมแทงคาโทด และแอโนด จะปรากฏวาทแทงคาโทดจะมฟองกาซไฮโดรเจนปกคลม

อย เนองจากกาซไฮโดรเจนมคณสมบตความตานทานไฟฟาสง กระแสไฟฟาทผานจากคาโทด

135

ไปยงนายา Electrolyte จะตองผานขนของฟองกาซไฮโดรเจนรอบ ๆ แทงคาโทด จะทาใหเกด

ความรอนสงประมาณ 2000oC จากปรากฏการณนจงนามาใชกบการชบแขงผว โดยการนา

แทงเหลกไปตอกบสายไฟทเปนขวลบแชในนายา และตวอางนายา Electrolyte ทาหนาทเปน

ขวบวก จากนนปลอยกระแสไฟตรงความตางศกย 200 – 220 โวลท ทความเขม 3 – 6

แอมแปรตอตารางเซนตเมตรใหไหลผาน ดงภาพแสดง

ความรอนทเกดขนทผวของแทงเหลกจนรอนแดงภายในระยะเวลา 10 – 40 วนาท

หลงจากนนจะตองตดกระแสไฟ และปลอยใหแทงเหลกเยนตวโดยอาศยนายา Electrolyte ทา

หนาทเปนทงเตาเผา และถงชบเยน (Cooling tank) ไปในตว วธการนอาจจะมขอยงยากอย

บางตรงทจะทาการชบแขงผวตดตอกนหลาย ๆ ชน นายา Electrolyte จะรอนจด แตแกไขได

ถาจะทาจานวนมาก จะตองใชนายา Electrolyte ทสามารถถายเทหรอมอปกรณทาใหเยนชา

ชวยแกปญหา ในปจจบนยงไมเปนทนยมมากนก เพราะราคากระแสไฟฟามราคาแพง และยง

ไมสะดวกตรงทจะตองมอปกรณมาแปลงไฟขนาดใหญจากกระแสไฟฟาสลบมาเปน

กระแสตรง นอกจากนยงไมเหมาะทจะชบแขงผวทมความหนามากนก เพราะจะทาใหผวดาน

นอกมความรอนสงเกนไป (Overheat)

--------------------------๘๘๘๘๘๘๘๘๘๘๘๘๘--------------------------

หนงสออเลกทรอนกส

ฟสกส 1(ภาคกลศาสตร( ฟสกส 1 (ความรอน)

ฟสกส 2 กลศาสตรเวกเตอร

โลหะวทยาฟสกส เอกสารคาสอนฟสกส 1ฟสกส 2 (บรรยาย( แกปญหาฟสกสดวยภาษา c ฟสกสพศวง สอนฟสกสผานทางอนเตอรเนต

ทดสอบออนไลน วดโอการเรยนการสอน หนาแรกในอดต แผนใสการเรยนการสอน

เอกสารการสอน PDF กจกรรมการทดลองทางวทยาศาสตร

แบบฝกหดออนไลน สดยอดสงประดษฐ

การทดลองเสมอน

บทความพเศษ ตารางธาต)ไทย1) 2 (Eng)

พจนานกรมฟสกส ลบสมองกบปญหาฟสกส

ธรรมชาตมหศจรรย สตรพนฐานฟสกส

การทดลองมหศจรรย ดาราศาสตรราชมงคล

แบบฝกหดกลาง

แบบฝกหดโลหะวทยา แบบทดสอบ

ความรรอบตวทวไป อะไรเอย ?

ทดสอบ)เกมเศรษฐ( คดปรศนา

ขอสอบเอนทรานซ เฉลยกลศาสตรเวกเตอร

คาศพทประจาสปดาห ความรรอบตว

การประดษฐแของโลก ผไดรบโนเบลสาขาฟสกส

นกวทยาศาสตรเทศ นกวทยาศาสตรไทย

ดาราศาสตรพศวง การทางานของอปกรณทางฟสกส

การทางานของอปกรณตางๆ

การเรยนการสอนฟสกส 1 ผานทางอนเตอรเนต

1. การวด 2. เวกเตอร3. การเคลอนทแบบหนงมต 4. การเคลอนทบนระนาบ5. กฎการเคลอนทของนวตน 6. การประยกตกฎการเคลอนทของนวตน7. งานและพลงงาน 8. การดลและโมเมนตม9. การหมน 10. สมดลของวตถแขงเกรง11. การเคลอนทแบบคาบ 12. ความยดหยน13. กลศาสตรของไหล 14. ปรมาณความรอน และ กลไกการถายโอนความรอน15. กฎขอทหนงและสองของเทอรโมไดนามก 16. คณสมบตเชงโมเลกลของสสาร

17. คลน 18.การสน และคลนเสยง การเรยนการสอนฟสกส 2 ผานทางอนเตอรเนต

1. ไฟฟาสถต 2. สนามไฟฟา3. ความกวางของสายฟา 4. ตวเกบประจและการตอตวตานทาน 5. ศกยไฟฟา 6. กระแสไฟฟา 7. สนามแมเหลก 8.การเหนยวนา9. ไฟฟากระแสสลบ 10. ทรานซสเตอร 11. สนามแมเหลกไฟฟาและเสาอากาศ 12. แสงและการมองเหน13. ทฤษฎสมพทธภาพ 14. กลศาสตรควอนตม 15. โครงสรางของอะตอม 16. นวเคลยร

การเรยนการสอนฟสกสทวไป ผานทางอนเตอรเนต

1. จลศาสตร )kinematic) 2. จลพลศาสตร (kinetics) 3. งานและโมเมนตม 4. ซมเปลฮารโมนก คลน และเสยง

5. ของไหลกบความรอน 6.ไฟฟาสถตกบกระแสไฟฟา 7. แมเหลกไฟฟา 8. คลนแมเหลกไฟฟากบแสง9. ทฤษฎสมพทธภาพ อะตอม และนวเคลยร

ฟสกสราชมงคล