Heat Treatment of Steels

Heat Treatment of Steels กรรมวิธีทางความร้อนของเหลก็ กล้า โดย นายนคร ศรีโสภณ แผนกวชิ าช่างกลโรงงาน

กรรมวิธีทางความร้อนของเหลก็ กล้าคาร์บอน กรรมวธิ ีทางความร้อน หรือเรียกส้ันๆ ว่า “การอบ-ชุบ” นิยาม Heat Treatment (การอบชุบ) หมายถึง “การรวมเอา การทาให้ร้อน การทาให้เยน็ เวลา และ การประยุกต์ ใส่เข้าไปในโลหะหรือโลหะผสมในสภาพทย่ี งั เป็ นของแขง็ แล้วทาให้ได้คุณสมบตั ิ ตามทต่ี ้องการ” Kittima Sillapasa วตั ถุประสงค์ • เพ่ือเปลยี่ นแปลงคุณสมบตั ิให้ได้ตามทตี่ ้องการ – มคี วามอ่อนตวั สูง  ขนึ้ รูปได้ง่าย – มีความแขง็ สูง  เพื่อทนการเสียดสี – มีความเหนียว  ใช้งานท่มี แี รงกระแทกและบดิ ตวั สูงได้ทนทาน หลกั การ • เผาให้ร้อนและปล่อยให้เยน็ ตวั ทอ่ี ตั ราต่างๆ กนั เหลก็ จะเปลย่ี นโครงสร้างเนื่องจากมสี มบัติ Allotropy คือเปลย่ี นแปลงระบบผลกึ เมื่ออุณหภูมเิ ปลย่ี นแปลง 2

Kittima Sillapasa ลกั ษณะการอบ-ชุบ เหลก็ กล้า การอบชุบทสี่ าคญั และใช้กนั มากมี 4 แบบ คือ 1. Annealing (การอบออ่ น หรือ การอบคลายเครียด) 2. Normalizing (การอบปกติ) 3. Tempering (การอบคืนตวั ) 4. Hardening (การชุบแขง็ ) 3

Annealing (การอบอ่อน หรือ อบคลาย) หมายถงึ การอบเพือ่ ใหเ้ หลก็ อ่อนลง (Softening) หรือเพอ่ื ทาใหเ้ หลก็ เหนียวข้ึน (Toughening) วตั ถุประสงค์ของ การอบเพ่ือให้คืนตวั เนื่องจากเหลก็ ที่ผา่ นการข้ึนรูปเยน็ (Cold Working) หรือการหล่อมามกั จะมี ความแขง็ เพิ่มข้ึน และไม่สม่าเสมอ ทาใหก้ ารกลึงหรือไสไดย้ าก ดงั น้นั จึง จาเป็นตอ้ งทาลายความแขง็ ของเหลก็ เพ่อื กลึงไสไดส้ ะดวก มีสอง 2 วธิ ี คือ 1. Full Annealing (การอบอ่อนอยา่ งสมบูรณ์) Kittima Sillapasa 2. Incomplete Annealing หรือ Process Annealing (การอบอ่อนไม่ สมบูรณ์) 2.1 Stress- relief Anneals 4

Kittima Sillapasa กรรมวิธีการทา Full Annealing เหลก็ Hypo-eutectoid เผาใหม้ ีอุณหภูมิเหนือเส้น Ac3 ประมาณ 30-50 oC เหลก็ Hyper-eutectoid เผาใหม้ ีอุณหภูมิเหนือเสน้ Ac1 ประมาณ 30-50 oC (ไม่เลย Acm) แช่เหลก็ ทิ้งไวใ้ นเตา ใหเ้ ป็น austenite ท้งั หมด ปลอ่ ยใหเ้ ยน็ ในเตาท่ีปิ ดฝาสนิท (ถา้ เป็นเตาไฟฟ้า กเ็ พียงแต่ถอดปลก๊ั ออก) สิ่งท่ีจะเกิดขึน้ เม่ือเหลก็ ถูกปล่อยใหเ้ ยน็ ชา้ ๆ การเปล่ียนโครงสร้างภายใน กจ็ ะกลบั สู่สภาพใกลเ้ คียงสมดุลยโ์ ครงสร้างที่เป็นอยเู่ ดิม นน่ั คือ มารเ์ทนไซตห์ รอื เบนไนท จะกลบั มาเป็นเฟอร์ไรทแ์ ละซีเมนไทต์ ทาใหค้ วามแขง็ ลดลงกลายเป็นเหลก็ ออ่ นน่ิม มคี วามม่งุ หมาย เพ่ือทาใหเ้ หลก็ ออ่ นลงเพอื่ สะดวกในการกลึงไส 5

Kittima Sillapasa Full Annealing 6

Kittima Sillapasa กรรมวธิ ีการทา Incomplete Annealing (Stress-relief) เผาเหลก็ ใหม้ ีอุณหภูมิต่ากวา่ เส้น Ac1 เลก็ นอ้ ย (500-650 oC) เมื่อตอ้ งการขจดั Stress-relief แช่เหลก็ ทิ้งไวใ้ นเตาไวน้ านพอสมควรเพ่อื ใหเ้ หลก็ ร้อนทว่ั ถึงกนั (ใหม้ ีอุณหภูมิเท่ากนั ถึงภายใน) ปลอ่ ยใหเ้ ยน็ ในอากาศ ส่ิงที่จะเกิดขึน้ วธิ นี ีค้ วามแข็งของเหล็กจะลดลงเล็กนอ้ ย เพราะโครงสรา้ งของเห ไม่เปลี่ยนแปลงมากนกั แต่ความเครียดที่มีอยจู่ ะถูกทาลายหมดไป มคี วามม่งุ หมาย เพื่อทาลายความเครียดภายในใหห้ มดไป เช่น เหลก็ ที่ถูกรีดหรือตีข้ึนรูปมา ตอ้ งผา่ นการ Annealing เพื่อใหค้ วามตา้ นทานแรงกระทานอ้ ยลง 7

Kittima Sillapasa กรรมวธิ ีการทา Incomplete Annealing (Spheroidising) 0.7-0.8%C เผาใหม้ ีอุณหภูมิต่ากวา่ Ac1 และเผาสลบั กบั สูงกวา่ Ac1 เพื่อใหอ้ อ่ นตวั สูง >0.8%C เผาใหม้ ีอุณหภูมิสูงกวา่ เส้น Ac1 เลก็ นอ้ ย เพอ่ื ใหอ้ อ่ นตวั สูง แช่เหลก็ ทิ้งไวใ้ นเตาไวน้ านพอสมควร (10-15 hr.) ปล่อยใหเ้ ยน็ ในอากาศ สิ่งท่ีจะเกิดขึน้ วธิ นี ีท้ าใหเ้ หลก็ มีความเหนียวเพ่มิ ข้ึน ลดความเปราะลง เนื่องจากการเปลี่ยนโครงสร้าง เช่นมีดกลึงสามารถกลึงไดผ้ วิ ท่ีเรียบข้ึน มคี วามม่งุ หมาย เพือ่ ทาให้ pro-eutectoid cementite ขาดเป็นช่วงๆ และ cementite ใน pearlite ซ่ึงเป็นแถบบางๆ (lamella) มีลกั ษณะเป็นเมด็ กลมเลก็ ๆ (Spheroid) 8

Incomplete Annealing (Stress-relief Anneals) 500-650 oC Kittima Sillapasa 9

Kittima Sillapasa Incomplete Annealing (Spheroidising Anneals) 10

Kittima Sillapasa Normalizing (การปรับปรุงความเหนียว) หมายถงึ การอบเพื่อใหเ้ หลก็ มีเหนียวดีข้ึน โดยการลดขนาดของเมด็ เกรนของ เหลก็ (Grain Size) เพ่ือทาใหค้ ุณสมบตั ิของเหลก็ สม่าเสมอ และขณะเดียวกนั กล็ ดความเครียดดว้ ย วตั ถุประสงคข์ อง การอบเพือ่ ใหค้ ืนตวั โดยทวั่ ไปเหลก็ ที่ผา่ นการหล่อ (Casting) หรือการรีดข้ึนรูปมา มกั จะ มีความแขง็ หรือความเหนียวไม่สม่าเสมอตลอดท้งั แท่ง จึงจาเป็ นตอ้ ง นามาทา Normalizing 11

Kittima Sillapasa กรรมวิธีการทา Normalizing เหลก็ Hypo-eutectoid เผาใหม้ ีอุณหภูมิเหนือเส้น Ac3 ประมาณ 30-50 oC เหลก็ Hyper-eutectoid เผาใหม้ ีอุณหภูมิเหนือเส้น Acm ประมาณ 30-50 oC แช่เหลก็ ทิ้งไวใ้ นเตา (30-60 นาที/ความหนาเฉลี่ย 25 มม.) ใหอ้ ุณหภูมิเท่ากนั หมดทุกจุดตลอดภายในใจกลางดว้ ย เอาออกจากเตา ปล่อยใหเ้ ยน็ ในอากาศธรรมดา สิ่งท่ีเกิดข้ึน เหลก็ จะมีความเหนียวดีและคุณสมบตั ิสม่าเสมอ เมด็ เกรนของเหลก็ จะมีขนาดเลก็ กวา่ แบบ Annealing เน่ืองจากเยน็ ในอากาศ ดงั น้นั อตั ราการเยน็ ตวั จะเร็วกวา่ 12

Kittima Sillapasa Normalizing 13

Kittima Sillapasa Tempering (การอบคืนตัว) หมายถงึ การอบเพ่อื ใหเ้ หลก็ มีคุณสมบตั ิเหมาะในการใชง้ าน ลดความเครียด เพิ่มความเหนียว ลดความเปราะลง วตั ถุประสงคข์ อง การอบเพอ่ื ใหค้ ืนตวั เน่ืองจากเหล็กท่ีผ่านการชุบ ย่อมเกิดความเครียดข้ึนภายใน ถึงมี ความแขง็ เพ่ิมข้ึน แต่ขาดความเหนียว (Ductility) ทาใหเ้ ปราะ หลงั จาก ชุบแขง็ แลว้ จึงตอ้ งนามาอบ Tempering ก่อนนาไปใชง้ านจริง 14

Kittima Sillapasa กรรมวิธีการทา Tempering นาเหลก็ ที่ผา่ นการชุบแลว้ มาเผาในเตา อุณหภูมิประมาณ 200-400 oC แช่เหลก็ ทิ้งไวใ้ นเตา 1 - 3 ชวั่ โมง เอาออกจากเตา ปล่อยใหเ้ ยน็ ในอากาศธรรมดา สิ่งท่ีเกิดข้ึน เหลก็ ที่ผา่ นการชุบ จะมีความเหนียวดีข้ึน แตค่ วามแขง็ จะลดลงเลก็ นอ้ ย ข้อควรระวงั ขณะเผาทอี่ ณุ หภมู ติ ่า มารเ์ทนไซตจ์ ะเปลยี่ นแปลงเล จะพยายามเปล่ียนเป็นโครงสร้างที่สมดุลยท์ ่ีอุณหภูมิบรรยากาศ ดงั น้นั ไม่ควรเผาอุณหภูมิเกิน 400 oC เพื่อไม่ใหม้ าร์เทนไซตค์ ืนตวั หมด 15

Tempering ทาลายความเครียด/เหนียวสูง 500-650 oC เหนียวสูง/สปริง/ใกล้เคยี ง Bainite 350-450 oC ลดความเครียด/hardness ลดลงเลก็ น้อย 150-250 oC Kittima Sillapasa 16

ค่าความแข็งทเี่ ปลย่ี นแปลงหลงั การอบคืนตวั 200-280 oC เกดิ Ferrite (0.025%C) + Fe3C ทล่ี ะเอยี ด 1 300-500 oC 2 3 Ferrite(Pseudo cubic) Ferrite 80-200 oC  Carbide (Fe2C) Fe3C เกดิ Ferrite(Pseudo cubic) +  carbide Fe2C (หรือ Fe2C4) 4 > 500 oC โครงสร้างสู่สมดุลย์ / ความแขง็ ลดลงมาก Kittima Sillapasa 17

Kittima Sillapasa การเปราะเนื่องจากการอบคืนตวั (Tempered Brittleness) • การอบคืนตวั จะทาใหส้ มบตั ิดา้ นความเหนียวดีข้ึน แต่ที่ช่วงอุณหภูมิ 300-500 oC จะไดท้ าใหส้ มบตั ิทนแรงกระแทก (Impact strength) ลดลง • เหลก็ กลา้ คาร์บอนจะเกิดการเปราะเลก็ นอ้ ย • เหลก็ กลา้ ผสม (โดยเฉพาะ Mn, Cr และ Mo) จะปรากฏชดั เจน • สาเหตุจาก เกิดการตกผลึกของคาร์ไบดท์ ี่มาจาก Martensite หรือ จากการท่ี martensite แตกตวั  ควรหลีกเล่ียงอุณหภูมิดงั กล่าว หรือใชเ้ วลานอ้ ยที่สุดในช่วงน้ี 18

Kittima Sillapasa Hardening (การชุบแขง็ ) หมายถึง การชุบเพอ่ื ใหเ้ หลก็ มีความแขง็ ข้ึน ความแขง็ ของเหลก็ ที่ผา่ นการชุบ ขึน้ อย่กู ับสองส่ิง คอื 1. ปริมาณ Carbon ในเหลก็ กล่าวคือ ถา้ มีมาก โอกาสที่จะเปลี่ยนเป็น มาร์เทนไซตก์ ย็ ง่ิ ง่าย และทาใหเ้ กิดปริมาณของ มาร์เทนไซตง์ ่าย 2. อตั ราความเร็วในการชุบ กล่าวคือ ยงิ่ เยน็ เร็วๆ โอกาสที่ออสเทน ไนท์ จะเปล่ียนเป็นมาร์เทนไซตก์ ม็ ีมาก ในทางตรงขา้ มถา้ เยน็ ชา้ ๆ ออสเทนไนทจ์ ะเปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรท์ กบั ซีเมนไตตห์ มด 19

กรรมวิธีการทา Hardening เผาเหลก็ ใหร้ ้อนถึงอุณหภูมิประมาณ 800-900 oC (ข้ึนกบั ชนิดของเหลก็ ) ถา้ C< 0.8%ใหใ้ ชอ้ ุณหภูมิเลยเส้น A3 ประมาณ 50-75 oC ถา้ C>0.8% ใหใ้ ชอ้ ุณหภูมิเลยเสน้ A1 ประมาณ 50-75 oC เท่าน้นั เม่ือเหลก็ กลายเป็น ออสเทนไนท์ แช่อุณหภูมิไวป้ ระมาณ 1 ชม./ความหนา 25 มม. เอาออกจากเตาทาใหเ้ ยน็ โดยเร็ว ดว้ ยการจุ่มในน้า (Water Quench) หรือในน้ามนั (Oil Quench) Kittima Sillapasa ส่ิงท่ีเกิดข้ึน ออสเทนไนทเ์ ปล่ียนกลบั เป็นเฟอร์ไรทแ์ ละเพิรไลทไ์ ม่ทนั แต่ใหโ้ ครงสร้างที่มีความแขง็ สูง เรียก มาร์เทนไซต์ 20

Kittima Sillapasa กรรมวธิ ีการทา Hardening 21

Kittima Sillapasa อัตราการเผาและช่วงเวลาท่ีเหมาะสม • อตั ราการเผาชา้ – เผาเหลก็ ใหร้ ้อนไปพร้อมๆ กบั เตา อุณหภูมิของเหลก็ จะต่ากวา่ เตาเพียงเลก็ นอ้ ย (ดูภาพ) – เหมาะกบั ชิ้นงานท่ีมีรูปร่างซบั ซอ้ นและมีส่วนหนา บางต่างกนั • อตั ราการเผาสูง – บรรจุเหลก็ เขา้ เตาที่มีอุณหภูมิท่ีตอ้ งการ โดยพบวา่ เหลก็ จะมีอุณหภูมิท่ีต่างกนั มากในตอนเร่ิมตน้ จากน้นั จะ เท่ากนั โดยใชเ้ วลานอ้ ยกวา่ อตั ราการเผาชา้ – เหมาะกบั ชิ้นงานท่ีมีรูปร่างไม่ซบั ซอ้ น และมีปริมาณคาร์บอนปานกลาง – สามารถลดความต่างของอุณหภูมิโดยบรรจุเหลก็ ไวใ้ นหีบปิ ดคลุมมิดชิดก่อนบรรจุเขา้ เตา • อตั ราการเผาที่สูงมาก – ไม่คอ่ ยนิยม เพราะอุณหภูมิระหวา่ งผวิ กบั ใจกลางต่างกนั มาก ซ่ึงอาจทาใหเ้ หลก็ บิดเบ้ียวหรือแตกร้าวได้ ซ่ึง สามารถลดความต่างของอุณหภูมิโดยบรรจุเหลก็ ไวใ้ นหีบปิ ดคลุมมิดชิดก่อนบรรจุเขา้ เตาเช่นกนั 22

Kittima Sillapasa 23

Kittima Sillapasa ของเหลวสาหรับการชุบแขง็ • ตอ้ งมีอตั ราการเยน็ ตวั ที่สูงกวา่ อตั ราการเยน็ ตวั วกิ ฤติ • มีอตั ราการเยน็ ตวั ที่ชา้ ลงในช่วงอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงจาก Austenite ไปเป็น Martensite (ประมาณ 200-400 oC) เพ่ือป้องกนั ไม่ใหเ้ กิดความเครียดภายในจนเกิดการบิดงอ หรือแตกร้าว เสียหายได้ • ของเหลวสาหรับการชุบแขง็ ท่ีใชก้ นั ทวั่ ไป ไดแ้ ก่ น้า, น้าเกลือ, น้าด่าง, เกลือละลาย และอากาศ • การถ่ายเทความร้อนท่ีของเหลวกลายเป็นไอเมื่อสมั ผสั แท่งเหลก็ ร้อน แบ่งเป็น 3 ลกั ษณะ – ข้นั แรก ของเหลวท่ีสมั ผสั กบั แท่งเหลก็ ร้อนจะกลายเป็นไอหุม้ แท่งเหลก็ ไวใ้ นลกั ษณะฟิ ลม์ บางๆ การถ่ายเท ความร้อนช่วงน้ีจะชา้ แต่จะเป็นอยใู่ นระยะส้นั ๆ – ข้นั ทสี่ อง ฟิ ลม์ บางๆ ที่หุม้ อยแู่ ตกออก ของเหลวสมั ผสั กบั แท่งเหลก็ จะเดือดและกลายเป็นไอ มีลกั ษณะเหมือน การกวน ข้นั น้ีอตั ราการเยน็ จะสูงมาก – ข้นั ที่สาม อตั ราการเยน็ ตวั ชา้ ลง เพราะแท่งเหลก็ เยน็ นอ้ ยลง ของเหลวมีอุณภูมิลดลงต่ากวา่ จุดเดือด ความร้อน จึงถ่ายเทออกไปโดยการพาดว้ ยของเพียงอยา่ งเดียว อตั ราการเยน็ ตวั จะลดลงจนถึงจุดท่ีของเหลวกบั แท่งเหลก็ มี อุณหภูมิเท่ากนั 24

กรรมวิธีการทา Mar-tempering เผาเหลก็ ใหร้ ้อนถึงอุณหภูมิประมาณ 800-900 oC (ข้ึนกบั ชนิดของเหลก็ ) ถา้ C< 0.8%ใหใ้ ชอ้ ุณหภูมิเลยเสน้ A3 ประมาณ 50-75 oC ถา้ C>0.8% ใหใ้ ชอ้ ุณหภูมิเลยเส้น A1 ประมาณ 50-75 oC เท่าน้นั เมื่อเหลก็ กลายเป็น ออสเทนไนท์ แช่อุณหภูมิไวป้ ระมาณ 1 ชม./ความหนา 25 มม. ชุบลงในอ่างเกลือหลอมละลาย (~400 oC) ซ่ึงส่วนใหญใ่ ชเ้ กลือโซเดียมไนเตรด กบั โปแตสเซียมไนเตรด (40-50%) ซ่ึงมีจุดหลอมเหลวที่ 145 oC ท่ีอุณหภูมิเหนือเสน้ Msโดยเวลาตอ้ งไม่ถึงช่วงท่ีเกิด Bainite (ดูจาก TTT diagram) เอาออกจากเตาทาใหเ้ ยน็ โดยเร็ว ดว้ ยการจุ่มในน้า หรือในน้ามนั Kittima Sillapasa ได้โครงสร้าง Martensite ทีม่ คี วามแขง็ สูง 25

Kittima Sillapasa Mar-Tempering Hardening - นิยมใชก้ บั ชิ้นงานที่มี รูปร่างซบั ซอ้ น มีความหนา บางแตกต่างกนั มาก (ถา้ ชุบ แบบปกติชิ้นงานอาจบิดงอ เกิดความเครียดจากการเยน็ ตวั เร็ว อาจแตกร้าวในที่สุด) - ควรมีการอบคืนตวั เพ่อื ลด ความเครียด 26

กรรมวธิ ีการทา Aus-tempering เผาเหลก็ ใหร้ ้อนถึงอุณหภูมิประมาณ 800-900 oC (ข้ึนกบั ชนิดของเหลก็ ) ถา้ C< 0.8%ใหใ้ ชอ้ ณุ หภูมิเลยเสน้ A3 ประมาณ 50-75 oC ถา้ C>0.8% ใหใ้ ชอ้ ณุ หภูมิเลยเส้น A1 ประมาณ 50-75 oC เท่าน้นั เมื่อเหลก็ กลายเป็น ออสเทนไนท์ แช่อุณหภูมิไวป้ ระมาณ 1 ชม./ความหนา 25 มม. ชุบลงในอ่างเกลือหลอมละลาย (~500-600 oC) ถา้ ตอ้ งการ Upper bainite (ขนนก) ชุบลงในอ่างเกลือหลอมละลาย (~400-500 oC) ถา้ ตอ้ งการ Lower bainite (Acicular) ทิ้งไวร้ ะยะยาวจนแน่ใจวา่ austenite เปลี่ยนเป็น Bainite ท้งั หมดแลว้ (ดูจาก TTT diagram) เอาออกจากเตาทาใหเ้ ยน็ โดยเร็ว ดว้ ยการจุ่มในน้า หรือในน้ามนั Kittima Sillapasa ได้โครงสร้าง Bainite ตามอุณหภูมทิ ชี่ ุบในอ่างเกลือ 27

Kittima Sillapasa Aus-Tempering Hardening 28

Hardenability (ความสามารถในการชุบแขง็ ) ไม่สามารถวดั เป็นปริมาณได้ จะไดจ้ ากการเปรียบเทียบลกั ษณะความแขง็ ท่ีไดจ้ ากการทดลอง เหลก็ ชนิดใดมีความแขง็ ถึงผวิ ใจกลางสม่าเสมอถือวา่ มี Hardenability สูง

Jominy End Quenched Test วตั ถุประสงค์ : เพอื่ วดั ความสามารถในการชุบแขง็ วิธีการ: ใชแ้ ท่งเหลก็ กลมขนาดศูนยก์ ลาง 1 นิ้ว + ยาว 4 นิ้ว เผาใหร้ ้อนถึงอุณหภูมิ Austenite นามาฉีดแขวนโดยฉีดน้า(ศก.ท่อ 0.5 นิ้ว) ท่ีปลายแท่งเหลก็ จนเยน็ วดั ความแขง็ ทุกๆ ระยะ 1/6 นิ้ว จากปลายแท่งเหลก็ จนถึงจุดท่ีความแขง็ ไม่ เปล่ียนแปลง Kittima Sillapasa Plot กราฟ ความแขง็ & ระยะจากปลายแท่งเหลก็ 30

Kittima Sillapasa ข้อสังเกตเก่ยี วกับความสามารถในการชุบแขง็ 1. Austenite ท่ีเกรนโตจะมี Hardenability สูง (มีระยะฟักตวั นาน) 2. Fจะe3ทCาใหหรค้ือวCามarแbขidง็ eลหดลรืองส(การรมาฟลขทยินบั ทซี่ไา้ ยม)่สลายไดห้ มดใน Austenite 3. เหลก็ 0.8%C เป็นเหลก็ ที่มี Hardenability สูงท่ีสุด (กราฟ ขยบั ขวา สุด) 4. ระดบั ความแขง็ ที่ผวิ กบั บริเวณภายในไม่ต่างกนั มาก ถือวา่ มี Hardenability สูง (ความชนั ต่า) 5. เหลก็ ส่วนผสมเท่ากนั ใชอ้ ตั ราเยน็ ตวั ที่เท่ากนั  ความแขง็ เท่ากนั (ขนาดเหลก็ ไม่มีผลต่อความแขง็ ) 31

Kittima Sillapasa1 Oil quench ผวิ 1 2 HRC 2 HRC เส้นผ่าศูนย์กลาง (มม.) ตรงกลาง 32 ระยะห่างจากปลายสุด

Kittima Sillapasa ความสามารถในการชุบแขง็ เชิงคณุ ภาพ วิธีการ Grossman นาแท่งเหลก็ ท่ีมีส่วนผสมทางเคมีแน่นอนหลายๆ แท่ง มีขนาดเส้นผา่ ศก. ต่างๆ กนั มาเผาที่ อุณหภูมิ Austenite เท่ากนั จนไดโ้ ครงสร้าง Austenite ท้งั หมด ชุบในน้า (หรือน้ามนั ) เหมือนกนั ทุกๆ ชุดของการทดลอง ตดั ขวาง/ขดั ใหเ้ รียบ แลว้ วดั ความแขง็ ต้งั แต่ขอบจนถึงปลายอีกดา้ น Plot กราฟระหวา่ งความแขง็ & เสน้ ผา่ ศูนยก์ ลาง หาค่าเสน้ ผา่ ศูนยก์ ลางวกิ ฤติ (Critical diameter, D) นนั่ กค็ ือแท่งเหลก็ ท่ีมีขนาดโตที่สุดท่ีจะเกิด 50%martensite + 50%pearlite 33

Kittima Sillapasa (c) ความแขง็ ทผ่ี วิ ของ ขนาดเลก็ >  ขนาดใหญ่ ความแขง็ ทใี่ จกลางของ ขนาดเลก็ > ขนาดใหญ่ (b) 34

Kittima Sillapasa • วธิ ีการวดั ที่นิยมและเป็นท่ียอมรับคือวธิ ีของ Grossman และ ผรู้ ่วมงาน • แต่การหาคา่ เสน้ ผา่ ศูนยก์ ลางวิกฤติ (Critical diameter, D) ท่ีจะเกิด 50%martensite + 50%pearlite หาไดย้ ากแมจ้ ะใชว้ ธิ ีทางโลหะวทิ ยา โครงสร้าง (Metallography) หรือ X-ray diffraction (XRD) • ดงั น้นั มีอีกวธิ ีท่ีใชห้ าค่า D คือ plot กราฟระหวา่ ง คา่ ความแขง็ ที่จุด ศูนยก์ ลาง & ขนาดเสน้ ผา่ ศูนยก์ ลาง ของแท่งเหลก็ (ดงั ภาพ) – พบวา่ ค่าความแขง็ จะลดลงเมื่อขนาดเสน้ ผา่ ศูนยก์ ลางเพิ่มข้ึน – หาค่า D โดยลากเสน้ ผา่ นก่ึงกลางระหวา่ งช่วงการเปลี่ยนแปลงความแขง็ จากสูงต่า (ดงั ภาพ) ซ่ึงค่า D และความแขง็ ที่ได้ ณ จุดตดั คือช่วงท่ีเกิด โครงสร้าง 50%martensite + 50%pearlite นนั่ เอง 35

Kittima Sillapasa ความแขง็ ท่ีจุดศูนยก์ ลาง (HV) ขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง (ดูภาพ (c)) 36

Kittima Sillapasa ความรุนแรงของการชุบ (Severity of Quench) • ความรุนแรงของการชุบ  ทาใหค้ ่าเสน้ ผา่ ศูนยก์ ลางวิกฤติ (D) เปลี่ยนแปลงได้ • Severity of Quench หมายถึงความสมั พนั ธ์ของการถ่ายเทความร้อน จากใจกลางแท่งเหลก็ ออกมาบริเวณผวิ กบั ปริมาณความร้อนที่ ของเหลวสาหรับชุบ (Quenching media) พาออกไปยงั บรรยากาศ รอบๆ ได้ 37

ค่าความรุนแรงของการชุบ (H) Grossman ไดก้ าหนดความสมั พนั ธ์ไวด้ งั น้ี Kittima Sillapasa H = / 2 เม่ือ  = สมั ประสิทธ์ิการถ่ายเทความร้อนระหวา่ งแท่งโลหะกบั สารชุบ  = สมั ประสิทธ์ิการนาความร้อนของสารชุบ 38

แสดงค่า H ของการชุบในลกั ษณะการกวนต่างๆ กนั ลกั ษณะของการกวน อากาศ นา้ มัน นา้ นา้ เกลือ 0.9-1.0 2.0 ไม่มกี ารเคลื่อนไหว 0.02 0.25-0.3 1.0-1.1 1.2-1.3 2.0-2.2 เคลื่อนไหวเลก็ น้อย - 0.30-0.35 1.4-1.5 - 1.6-2.0 - เคลื่อนไหวปานกลาง - 0.35-0.40 - 4.0 5.0 เคล่ือนไหวมาก - 0.40-0.50 39 เคลื่อนไหวแรง 0.05 0.50-0.80 เคล่ือนไหวรุนแรง - 0.80-1.10 Kittima Sillapasa คา่ H =  สาหรับการชุบที่เป็น Ideal quench

Kittima Sillapasa • ค่า H =  สาหรับการชุบที่เป็น Ideal quench หมายถึง การชุบท่ีสามารถทาใหอ้ ุณหภูมิของผวิ แท่งเหลก็ ลดลง เท่ากบั อุณหภูมิของสารชุบในทนั ทีที่สมั ผสั สารชุบ (ในทางปฏิบตั ิเป็นไปไม่ได)้ • ค่า H = 5 ถือเป็นค่าสูงที่สุด โดยชุบในน้าเกลือท่ีมีการ กวนใหส้ ารชุบเคลื่อนไหว หรือแกวง่ แท่งเหลก็ ในขณะชุบอยา่ งรุนแรงที่สุด 40

Kittima Sillapasa • จากผลการทดลองเปรียบเทียบระหวา่ งการชุบในน้า กบั ในน้ามนั เพอ่ื หา คา่ เสน้ ผา่ ศูนยก์ ลางวิกฤติ (D) พบวา่ ค่า Dwater > Doil แสดงวา่ ค่า Hwater >> Hoil (ดงั ภาพ) 41

Kittima Sillapasa การเปรียบเทียบค่า D และ H • วดั เส้นผา่ ศูนยก์ ลางของแท่งเหลก็ ท่ี ไม่เปล่ียนแปลงความแขง็ Du (Unhardened core) นาค่าท่ีได้ Plot กราฟระหวา่ ง D กบั Du/D จะได้ เส้นกราฟของ น้า กบั น้ามนั (ดงั ภาพ) • ลกั ษณะความโคง้ ของเส้นจะบอก ถึงความรุนแรงในการชุบ โดยเส้น ที่มีความโคง้ มากจะมีคา่ ความ รุนแรงในการชุบสูง 42

Kittima Sillapasa • จากกราฟ พบวา่ แกนนอน (ค่า D) สามารถแทนไดด้ ว้ ย HD เน่ืองจากท่ีคา่ Du/D =0 กค็ ือ Du ที่มีค่านอ้ ยมากเมื่อเทียบกบั คา่ D • ดงั น้นั สามารถหาค่า HD ไดโ้ ดยการลากเส้นต้งั ฉากกบั แกนนอนเม่ือทราบค่า Du/D • ตวั อยา่ ง คา่ D = 61 มม. และคา่ Du/D = 0.6 มม. เมื่อลากเส้นต้งั ฉากลงมาจะตดั แกน นอน จะไดค้ ่า HD = 80 มม. นนั่ กค็ ือคา่ เส้นผา่ ศูนยก์ ลางของแท่งเหลก็ จะมีความ แขง็ ตลอด ถา้ ถูกชุบท่ีความรุนแรง H เป็น Ideal quench (H = ) HD=DI 43

ค่าเส้นผ่าศนู ย์กลางวิกฤติตามทฤษฎี (Ideal critical diameter, D1) ค่าเส้นผ่าศนู ย์กลางวิกฤติท่ีเป็นจริง (Actual critical diameter, D) • มีการศึกษาหาค่า DI และ D เม่ือ ค่าความรุนแรงของการชุบ (H) เปล่ียนแปลงไป และสามารถ D H สร้างกราฟความสมั พนั ธ์ของ DI , D และ H ไดด้ งั ภาพ DI Kittima Sillapasa 44

Kittima Sillapasa • Grossman ไดส้ ร้างกราฟของกรณีที่เหลก็ มีลกั ษณะเป็นแผน่ แสดง ความสมั พนั ธร์ ะหวา่ ง LI (Ideal critical thickness), L (Actual critical thickness) และ H (Severity of quench) (ดงั ภาพ) หมายเหตุ: ในกรณีท่ี ตอ้ งการเปล่ียนค่าจาก DI ไปเป็น LI (หน่วย เป็นนิ้ว) Grossman ได้ ศึกษาหาความสมั พนั ธ์ ระหวา่ งคา่ ท้งั สองไว้ ดงั น้ีคือ DI = 1.377LI สาหรับเหลก็ ชนิดต่างๆ 45

ผลของขนาดเกรน Austenite และส่วนผสมของเหลก็ ต่อค่า Actual critical diameter, DIC Grossman พบวา่ DIC โต 4 Kittima Sillapasa • ยงิ่ เกรนของ Austenite โตข้ึน 3 (grain size no. เลก็ ลง) (มี %C ไม่เกิน 1%) ค่าของ DIC จะ 2 เลก็ มากข้ึน (จุด 4 > 3) 1 • และเมื่อ %C เพ่ิมข้ึน (ขนาด เกรนเท่ากนั ) คา่ ของ DIC จะ %C มากข้ึน (จุด 2 > 1) 46

Kittima Sillapasa • ธาตุผสมมีส่วนสาคญั อยา่ งยง่ิ ในการ เพิม่ ความสามารถในการชุบแขง็ ใหก้ บั เหลก็ โดยมีอิทธิพลแตกต่าง ไปตามแต่ละธาตุ • Grossman ไดก้ าหนดบทบาทของ ธาตุแต่ละตวั ในลกั ษณะตวั คูณร่วม (Multiplying factor) ซ่ึงจะคูณกบั คา่ DIC เพ่ือใหไ้ ดค้ า่ เส้นผา่ ศูนยก์ ลาง วกิ ฤติที่เป็นจริง (D) เมื่อคา่ ของ H เปลี่ยนแปลง ค่าตวั คูณร่วมท่ีสมั พนั ธ์ กบั ปริมาณของธาตุผสม แสดงดงั ภาพ 47

สูตรที่ใช้คานวณค่า DI Grossman ใหไ้ วด้ งั น้ี Kittima Sillapasa DI = K x DIC x fMn x fNi x ……fx เมื่อ K = 1 เมื่อ D1 และ Dic มีหน่วยเป็น มม. DIC = ค่าเส้นผา่ ศูนยก์ ลางวิกฤติของเหลก็ กลา้ คาร์บอน และท่ีขนาดของเกรน Austenite ขนาดหน่ึง fx = ค่าตวั คูณร่วม (multiplying factor) ของธาตุผสมต่างๆ ท่ีผสมอยใู่ นเหลก็ กลา้ 48

ตวั อย่าง เหลก็ กลา้ 0.4%C, 0.35%Mn, 0.4%Si, 0.5%Ni และ 0.5%Cr ขนาด เกรน austenite No.8 และมีคา่ H =∞ จงหาค่า DI และคา่ D K = 1 เพราะมีหน่วยเป็น มม. จากรูปหนา้ 45 จะหาค่า DIC = 5.00 มม. จากรูปหนา้ 46 จะหาค่าตา่ งๆ ไดด้ งั น้ี fMn = 2.2 fCr = 2.0 fSi = 1.2 fNi = 1.15 ดงั น้นั 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. Kittima Sillapasa จากรูปหนา้ 44 ท่ี DI =30.36 และ H = ∞ จะไดค้ า่ D = 49

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. Kittima Sillapasa 50