การชุบผิวแข็ง (Hardening)

ชิ้นส่วนของเครื่องจักรกลส่วนใหญ่มักจะต้องมีผิวที่แข็งทนทานต่อการสึกหรอ และยังต้องมีความทนทานต่อการใช้งานหนักต่างๆ ได้ดี โดยเฉพาะอย่างยิ่งจะต้องมีความทนต่อ Dynamic Stresses เพื่อให้ได้ชิ้นงานที่มีคุณสมบัติต่างๆ ดังกล่าว จึงนำเหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติทนทานต่อการใช้งานหนัก มาทำให้ผิวของเหล็กมีความแข็งเพิ่มขึ้น หรือที่เรียกว่า "ทำการชุบผิวแข็ง" ซึ่งอาจทำได้หลายวิธีต่างๆ กัน คือ
 

วิธีการชุบผิวแข็ง

1. Case Hardening
2. Nitriding
3. Flame Hardening
4. Induction Hardening

เฉพาะเหล็กที่ผ่านการชุบแข็งผิวแบบ Case Hardening และ Nitriding เท่านั้นที่ผิวเหล็กจะมีองค์ประกอบทางเคมีเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม
 

Case Hardening

ในการทำ Case Hardening เหล็กกล้าประเภท Low – carbon จะถูกนำไปอบกับสารที่มีปริมาณคาร์บอนสูง ซึ่งอาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือ ก๊าซ จนมีอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤตบน ผิวของชิ้นงานดังกล่าวจะมีปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นจนถึง 0.85 % ต่อมาจึงนำไปทำ Heat Treatment อีกทีหนึ่งก็จะได้ชิ้นงานมีผิวแข็งทนทานต่อการ สึกหรอต่างๆ การทำให้ผิวชิ้นงานมีปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นดังกล่าวอาจเรียกว่า Carburising ซึ่งแยกออกตามลักษณะของสารที่นำมาอบด้วยเป็น 3 ประเภท คือ
 

Solid Carburisig

สารที่นำมาอบด้วยจะมีลักษณะเป็นของแข็งเป็นผง ซึ่งชิ้นงานที่ทำเสร็จแล้วจะนำมาอัดด้วยสารดังกล่าวลงในกล่องเหล็กกล้า การอัดต้องอัดให้ชิ้นงานสัมผัสกับสารดังกล่าวให้ทั่วถึงทุกซอกทุกมุม บริเวณผิวชิ้นงานที่ไม่ต้องการให้เกิดการชุบแข็งก็อาจปิดด้วยแผ่นทองแดงหนา 0.075 มม. ตามฝากล่องใช้ดินเหนียวอัดให้แน่นไม่ให้อากาศเข้าได้ ต่อจากนั้นนำไปอบที่อุณหภูมิประมาณ 900 – 950 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 3 – 8 ชม. แล้วแต่ความลึกของผิวที่ต้องการชุบแข็ง

หลังจากนั้นจึงปล่อยให้เย็นตัวลงช้าๆ ภายในเตา สารที่นำมาอบด้วยอาจจะเป็นถ่านไม้ หรือถ่านโค๊กป่นผสมกับตัวก่อให้เกิดปฏิกิริยา เช่น แบเรียมคาร์บอเนต เมื่อนำไปอบแบเรียมคาร์บอเนตจะสลายตัวในออกซิเจน ซึ่งจะไปออกซิไดซ์คาร์บอนให้เป็นคาร์บอนมอนอกไซด์ ทำให้เกิดเป็น Nascent Carbon หรือ คาร์บอนที่เกิดใหม่ๆ ได้ดังสมการ

2CO => CO2 + C

คาร์บอนที่เกิดใหม่นี้จะซึมเข้าไปในผิวเหล็กกล้า อัตราการซึมตัวเข้าไปในผิวเหล็กกล้าจะขึ้นกับอุณหภูมิที่อบ และขึ้นกับองค์ประกอบของเหล็กกล้าและองค์ประกอบของสารที่นำมาอบด้วย โดยทั่วๆ ไป ความลึกของผิวชุบแข็งที่ได้มักอยู่ระหว่าง 0.05 – 1.55 มม. ชิ้นงานที่นำมาอบที่ 900 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ชม. จะมีความลึกของผิวชุบแข็งประมาณ 0.25 มม. ต่อชั่วโมง 

Liquid Carburising

สารที่นำมาอบด้วยจะเป็นของเหลว โดยทั่วๆ ไปจะประกอบด้วยโซเดียมไซยาไนด์ ประมาณ 20 – 45 % กับโซเดียมคาร์บอเนต และโซเดียมคลอไรด์ ชิ้นงานที่ต้องการชุบผิวให้แข็งจะถูกนำใส่ตะกร้ามาจุ่มลงในอ่างเกลือหลอมเหลวซึ่งควบคุมอุณหภูมิให้คงที่ภายในช่วง 870 – 950 องศาเซลเซียส หลังจากนั้นจึงดึงออกทำให้เย็นตัวโดยเร็ว วิธีนี้เป็นการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ ชิ้นงานจึงบิดงอน้อย เป็นวิธีที่ประหยัดและเหมาะสำหรับชิ้นงานขนาดเล็ก ซึ่งต้องการผิวชุบแข็งเพียงบางๆ

ส่วนใหญ่จะใช้ชุบชิ้นงานที่ทำจาก Mild Steel และใช้รับแรงน้อยๆ โดยชุบผิวแข็งหนาไม่เกิน 0.25 มม. การชุบผิวแข็งให้มีความหนาดังกล่าวอาจทำได้โดยแช่ชิ้นงานไว้ในอ่างเกลือหลอมเหลวประมาณ 45 นาที ความหนาสูงสุดที่ทำได้โดยค่าใช้จ่ายไม่เพิ่มขึ้นมาก จะหนาประมาณ 0.75 มม. ซึ่งทำได้โดยแช่ชิ้นงานไว้เป็นเวลาประมาณ 3 ชั่วโมง

เนื่องจากการชุบผิวแข็งวิธีนี้ต้องใช้ ไซยาไนด์ซึ่งเป็นสารพิษรุนแรง ดังนั้น จึงต้องระมัดระวังมาก เหนืออ่างหลอมเหลวจะต้องมีที่ดูดควันอย่างดี ต้องระมัดระวังไม่ให้ของเหลวกระเด็นออกนอกอ่าง และต้องระมัดระวังไม่ให้ไซยาไนด์เข้าสู่ร่างกายโดยเฉพาะอย่างยิ่งทางบาดแผล 

Gas Carburisig

วิธีนี้เป็นวิธีทีทำได้ง่ายๆ โดยอบชิ้นงานให้มีอุณหภูมิประมาณ 900 องศาเซลเซียส ภายในเตาที่มีก๊าซที่เหมาะสม เช่น อีเทน โปรเปน และบูเทน ความลึกของผิวที่ชุบแข็งจะมีค่าประมาณ 0.25 – 1.0 มม. โดยใช้เวลาอบไม่เกิน 4 ชั่วโมง

Gas Carburising อีกแบบหนึ่งคือ Carbonitriding plain carbon steels จะเกิดทั้ง Carburising และ Nitriding หลังจากอบไว้ที่อุณหภูมิประมาณ 650 - 950 องศาเซลเซียส ภายใต้บรรยากาศที่มีก๊าซแอมโมเนียและไฮโดรคาร์บอน อุณหภูมิที่เลือกอบจะขึ้นอยู่กับความลึกของผิวที่ต้องการชุบให้แข็ง

โดยทั่วๆ ไปจะใช้ประมาณ 820 – 840 องศาเซลเซียส หลังจากนั้นจึงนำออกจากเตาทำให้เย็นตัวโดยเร็ว ชิ้นงานที่ได้จะแตกร้าวและบิดงอน้อย เนื่องจากอบที่อุณหภูมิต่ำกว่าและไม่ต้องนำไปทำ Heat Treatment อีก
 

Nitriding

คือ การทำให้ผิวชิ้นงานเกิดเป็นโลหะไนไตรน์ขึ้น โดยการอบชิ้นงานที่ผ่านการทำ Heat Treatment มาแล้ว ในภาชนะปิดที่มีก๊าซแอมโมเนียหมุนเวียนอยู่ตลอดเวลา อบจนมีอุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 2 – 4 วัน แอมโมเนียจะสลายตัวให้ก๊าซไฮโดรเจน และไนโตรเจน ก๊าซไนโตรเจนที่เกิดใหม่ๆ นี้จะซึมเข้าไปในผิวชิ้นงานเกิดเป็นโลหะไนไตรน์ขึ้น โลหะพวก plain carbon steels ไม่ควรที่จะนำมาทำ Nitriding เนื่องจากจะเกิดคาร์บอนไนไตรน์ที่ผิวชิ้นงานทำให้ชิ้นงานเปราะเกินไป

โลหะที่สามารถทำ Nitriding ได้ดี ได้แก่โลหะผสมพวก Nitralloy ซึ่งจะมีคาร์บอน 0.2 – 0.5 % โครเมียม 1.5% อลูมิเนียม 1 % และโมลิบดินัม 0.2% ผิวชิ้นงานจะเกิดเป็นโครเมียม และอลูมิเนียมไนไตรน์ทำให้ผิวแข็งขึ้น เนื่องจากการเกิดโครเมียมไนไตรน์เกิดเข้าไปในผิวชิ้นงานได้ลึกกว่าอลูมิเนียมไนไตรน์มาก ดังนั้น ความแข็งภายในผิวชิ้นงานจะค่อยๆ ลดลง เป็นลำดับตามความลึก โมลิบดินัมที่มีอยู่จะช่วยปรับสภาพเกรนบริเวณแกนกลางชิ้นงาน และช่วยให้แกนกลางทนทานต่องานหนักได้ดี
 

ขั้นตอนต่างๆ โดยทั่วๆ ไป ในการทำงานของชิ้นงานพวก Nitralloy มีดังนี้ คือ

1. ทำ Hardening โลหะ โดยอบที่ อุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียส แล้วทำให้เย็นตัวโดยเร็ว โดยจุ่มลงในน้ำ
2. ทำ Tempering ที่อุณหภูมิ 650 องศาเซลเซียส
3. ทำเป็นชิ้นงานหยาบเช่นนำมากัดกลึงต่างๆ
4. ทำ Annealing ที่อุณหภูมิ 525 – 550 องศาเซลเซียส เป็นเวลาอย่างมากที่สุด 5 ชม. เพื่อลดความเครียดที่เกิดจากข้อ 3
5. ทำให้เป็นชิ้นงานสำเร็จ
6. ทำ Nitriding ที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส ให้ผิวแข็งประมาณ 1050 – 1100 HV ความลึกของผิวแข็งจะประมาณ 0.25 – 0.90 มม.

ตัวอย่างชิ้นงานดังกล่าวได้แก่ Die Block จานเบรก เพลาข้อเหวี่ยง Mould หล่อพวกพลาสติก ตัว Spindles ต่างๆ เป็นต้น

ข้อดีของการชุบผิวแข็ง โดยวิธี Nitriding คือ

1. เนื่องจากชิ้นงานได้ผ่านการทำ Heat – treatment มาก่อนทำ Nitriding ดังนั้นการบิดงอ หรือแตกร้าวของชิ้นงานซึ่งเกิดจากการทำให้เย็นตัวโดยเร็วจึงไม่มี และหลังจากผ่านการทำ Nitriding แล้วจะปราศจากความเครียดภายในเนื้อโลหะ
2. ผิวชิ้นงานมีลักษณะแข็งมาก คือประมาณ 1050 – 1100 HV และบริเวณที่อยู่ลึกลงไปประมาณ 0.03 – 0.08 มม. จะแข็งมากที่สุด
3. ความแข็งของผิวชิ้นงาน จะคงอยู่จนถึงอุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส ในขณะที่ชิ้นงานที่ผ่านการทำ Carburising จะมีความแข็งของผิวคงอยู่เพียงประมาณ 200 องศาเซลเซียส เท่านั้น เมื่ออุณหภูมิเกินกว่า 200 องศาเซลเซียส ผิวชิ้นงานจะอ่อนตัวลง
4. ทนทานต่อการกัดกร่อนต่างๆ ได้ดีมาก
5. มีความทนทานต่อการล้าตัว (Fatigue) ของเนื้อโลหะ

การทำ Nitriding จะเสียค่าใช้จ่ายในขั้นต้น เช่น ค่าก่อสร้างโรงงานมากกว่าการชุบแข็งแบบอื่นๆ และยังต้องใช้โลหะผสมชนิดพิเศษอีกด้วย แต่ถ้าต้องชุบแข็งชิ้นงานจำนวนมากๆ วิธีนี้จะถูกกว่าวิธีอื่นๆ
 

Flame Hardening

ใช้เปลว Oxy – Acetylene ก๊าซเผาชิ้นงานจนมิอุณหภูมิเพียงพอดี เหนือจุดวิกฤติบน แล้วพ่นละอองน้ำลงไปให้ชิ้นงานเย็นตัวทันที เหล็กกล้าที่จะนำมาทำ Flame Hardening ควรจะมีปริมาณคาร์บอน 0.4 – 0.6 % เพื่อให้ชิ้นงานมีผิวแข็งและมีความทนทานต่อการใช้งานหนัก เหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอน 0.45 % หลังจากทำ Flame Hardening แล้วจะมีผิวแข็งประมาณ 600 – 650 HV และความลึกของผิวแข็งนี้จะประมาณ 3.0 – 3.8 มม.
ตัวอย่างชิ้นงาน ได้แก่ เกียร์ ลูกเบี้ยว ซี่เฟืองต่างๆ
ก่อนที่จะนำชิ้นงานมาชุบแข็งควรจะลดความเครียดภายในออกเสียก่อน หลังจากทำการชุบผิวแข็งแล้วจึงทำการ Annealing ที่อุณหภูมิต่ำๆ เพื่อลดความเครียดอีกทีหนึ่ง
 

Induction Hardening

วิธีนี้เป็นการให้ความร้อนผิวชิ้นงานอย่างรวดเร็วโดยใช้กระแสความถี่สูงทำให้ชิ้นงานมีอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤติบนภายในเวลา 3 – 5 วินาที แล้วทำให้เย็นตัวทันทีโดยการพ่นละอองน้ำลงไป ความลึกของผิวชุบแข็งที่ได้มีค่าประมาณ 3.2 มม. เหล็กกล้าที่จะนำมาทำ Induction Hardening ควรมีปริมาณคาร์บอน 0.4 – 0.6 % วิธีนี้ถ้าควบคุมเวลาที่ใช้ในการชุบแข็งให้ได้ตามกำหนดแล้ว การที่ผลึกจะขยายขนาดขึ้น หรือเกิดการบิดงอของชิ้นงานหรือเกิด Decarburisation จะไม่มีโอกาสเกิดขึ้น