วิธีการ ชุบแข็ง
การลดเวลากระบวนการชุบผิวแข็งแบบแก๊สคาร์บุไรซิ่ง โดยการลดเวลาแพร่ และการบำบัดเย็น
การชุบผิวแข็งด้วยวิธีแก๊สคาร์บุไรซิ่ง เป็นกระบวนการที่นิยมใช้กันอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน
โดยเฉพาะในการผลิตชิ้นส่วนรถยนต์และเครื่องจักรทั่วไป โดยใช้หลักการนําเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำอบที่อุณหภูมิออสเตไนต์
และควบคุมบรรยากาศภายในเตาอบให้มีศักย์คาร์บอน หรือ CP(Carbon Potential) สูง เช่น 1.25% เพื่อให้คาร์บอนสามารถแพร่ผ่านผิวเหล็กกล้าอย่างรวดเร็ว
และลึก โดยความลึกที่ต้องการขึ้นโดยตรงกับอุณหภูมิ ค่า CP และเวลา
โดยการใช้อุณหภูมิสูงเกินไปจะมีผลต่อการเสียรูป ในขณะที่ถ้าค่า CP สูงเกินไปจะทําให้เกิดออสเตไนต์ตกค้างหลังจากการชุบแข็ง
ในทางปฏิบัติจึงใช้วิธีการให้ค่า CP สูงในตอนต้นที่เรียกว่า ช่วงคาร์บุไรซิ่ง และลดค่า CP ลงเหลือ 0.8% ซึ่งเรียกว่า
ช่วงการแพร่ เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดออสเตไนต์ตกค้างหลังชุบแข็ง ซึ่งเป็นวิธีที่นิยมกันโดยทั่วไป แต่การลดค่า CP ลงทําให้เวลารวมในการชุบแข็งยาวขึ้น
ในการวิจัยนี้ เป็นการศึกษากระบวนการชุบผิวแข็งโดยวิธี แก๊สคาร์บุไรซิ่งที่ใช้ช่วงเวลาแพร่ที่สั้นลงจนกระทั่งถึงศูนย์
และปรับออสเตไนต์ตกค้างหลังชุบแข็งให้เป็นมาร์เทนไซต์ ด้วยวิธีบำบัดเย็น ที่อุณหภูมิ
-196 °C ผลการทดลองพบว่า ถ้าใช้เวลาคาร์บุไรซิ่ง 270 นาที ค่า CP 1.25% หลังจากชุบแข็ง
และบำบัดเย็น จะได้ชั้นแข็งลึกประมาณ
1.3 มม. ในขณะที่ถ้าใช้กระบวนการทั่วไป จะใช้เวลารวมถึง 480 นาที ที่ชั้นแข็งลึกใกล้เคียงกัน ซึ่งพบว่า
สามารถลดเวลาในกระบวนการชุบแข็งลงได้ถึง 43% เมื่อเทียบกับกระบวนการทั่วไป เพียงแต่กระบวนการที่ศึกษาต้องเพิ่มกรรมวิธีบำบัดเย็นเพิ่มขึ้น
นอกจากนี้ยังได้มีการเปรียบเทียบค่าความต้านการล้าของทั่งสองกระบวนการ พบว่ามีผลลัพธ์ออกมาใกล้เคียงกัน
ดังนั้นวิธีการที่ศึกษานี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้ในกรณีที่ต้องการลดเวลาของกระบวนการชุบแข็ง สามารถลดต้นทุน และเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตได้
บทนํา
ชิ้นส่วนเครื่องจักรกล ชิ้นส่วนยานยนต์ หลายชนิด ผลิตจากเหล็กกล้า
JIS SCM 415 และมีความจำเป็นต้องชุบผิวแข็งแบบคาร์บุไรซิ่ง ซึ่งปัจจุบันนิยมแบบแก๊สคาร์บุไร
ซึ่งต้องมีการควบคุมกระบวนการ เพื่อไม่ให้เกิดออสเตไนต์ตกค้าง (Retained Austenite) มากเกินไป
เนื่องจากจะมีผลกระทบในทางลบต่อค่าความต้านการล้าของชิ้นส่วน
ในกระบวนการชุบแข็ง ต้องควบคุมไม่ให้คาร์บอนแพร่เข้าที่ผิวเหล็กกล้าจำนวนมาก และรวดเร็วเกินไป ซึ่งส่งผลทำให้ต้องใช้เวลาในกระบวนการนาน
ซึ่งมีผลต่อต้นทุนการผลิต
งานวิจัยนี้ต้องการศึกษาความเป็นไปได้ในการลดเวลาในกระบวนการชุบผิวแข็งแบบแก๊สคาร์บุไรซิ่ง โดยการปรับลดเวลาช่วงการแพร่ (บรรยากาศศักย์คาร์บอน
0.8%) แล้วเพิ่มเวลา
ช่วงคาร์บุไรซิ่ง (บรรยากาศศักย์คาร์บอน 1.25%) แทน โดยเวลารวม
ยังคงเดิม มีความเป็นไปได้ที่จะทําให้มีชั้นแข็งลึกเพิ่มขึ้น
จากกฎการแพร่ซึม เมื่อปริมาณคาร์บอนมีมากจะทําให้มีอัตราการแพร่สูง และเร็ว
แต่จะทําให้เกิดโครงสร้างออสเตไนต์ตกค้างเป็นที่ทราบกันดีว่า ออสเตไนต์ตกค้าง สามารถทําให้เป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์ได้โดยการบําบัดด้วยความเย็น (Sub Zero Treatment) เพราะอุณหภูมิที่หยุดการเปลี่ยนโครงสร้างออสเตไนต์กลายมาเป็น มาร์เทนไซต์อยู่ต่ํากว่า ศูนย์องศาเซลเซียส ซึ่งอาจลดต้นทุนการผลิตของชิ้นส่วนได้ นอกจากนั้นยังได้มีการทดสอบค่าความต้านทานการล้าเพื่อเปรียบเทียบด้วย
ในการออกแบบการทดลองงานวิจัยนี้ ใช้วัสดุ เป็นเหล็กกล้า JIS SCM 415 โดยมีส่วนผสมทางเคมีตามมาตรฐาน JIS ลักษณะของ
ชิ้นงานเป็นเพลากลม เส้นผ่านศูนย์กลาง 19 มิลลิเมตร มีความยาว
180 มิลลิเมตร โดยมีค่าศักย์คาร์บอน อุณหภูมิ และเวลา ดังแสดงใน
ตารางที่ 1 จากนั้นชิ้นทดสอบจะถูกลดอุณภูมิลงเหลือ 850 °C ที่ค่าศักย์คาร์บอนคงเดิม แล้วจึงถูกชุบในน้ำมันชุบแข็ง ภาพที่ 1 แสดงขั้นตอนการทดสอบ และจํานวนชิ้นทดสอบในแต่ละขั้นตอน
ตารางที่ 1 รายละเอียดการกําหนดค่าศักย์คาร์บอน, อุณหภูมิ และเวลาของแต่ละแบต โดยเวลารวมแบตที่ 1-6 เท่ากับ 270 นาที
*กระบวนการชุบผิวแข็งด้วยกระบวนการปกติแต่ใช้เวลารวม 480 นาที
สรุปผลการทดลอง
1. ผลจากงานวิจัยพบว่าในด้านของชั้นแข็งลึก ในส่วนของการ
ชุบผิวแข็งด้วยกระบวนการปกติให้ได้ชั้นแข็งลึก ประมาณ 1.28 มม.แต่ใช้เวลาในการชุบผิวแข็งถึง 480 นาที ซึ่งการชุบที่มีแต่เวลาช่วงเวลาคาร์บุไรซิ่ง ใช้เวลาเพียง 270 นาที
จะเห็นได้ว่าสามารถลดเวลาจากกระบวนการชุบผิวแข็งลงได้ถึง 43.75%
2. ผลการทดลองในส่วนของการบําบัดเย็นที่มีผลต่อออสเตไนต์ตกค้าง การบําบัดเย็น
จะส่งผลถึงค่าความแข็งที่ผิวของชิ้นทดสอบส่วนใหญ่จะมีค่าความแข็งที่เพิ่มขึ้นโดยเฉพาะชิ้นทดสอบที่มีโครงสร้างออสเตไนต์ตกค้างมากจะมี
ค่าความแข็งที่ผิวเพิ่มขึ้นอย่างชัดเจน
3. ในด้านค่าความต้านการล้าพบว่าเมื่อชั้นแข็งลึกเพิ่มขึ้น
ค่าความล้าก็เพิ่มขึ้นด้วย แต่ในส่วนของชิ้นทดสอบที่มีโครงสร้าง ออสเตไนต์ตกค้างมากจะมีค่าความต้านการล้าลดลง แม้จะมีชั้นแข็งลึกมากเมื่อผ่านการอบคืนตัว, บําบัดเย็น และอบคืนตัวจะมีค่าเพิ่มขึ้น
4. สรุปผลการทดลองในส่วนของค่าใช้จ่ายในกระบวนการชุบที่ใช้แต่เวลาช่วงคาร์บุไรซิ่ง แล้วบําบัดเย็น เทียบกับกระบวนการชุบแบบปกติช่วยลดค่าใช้จ่ายประมาณ 30 % ต่อการชุบหนึ่งครั้ง
งานวิจัยและเอกสารอ้างอิง
- รศ.สมนึก วัฒนศรียกุล. การทดสอบวัสดุ กรีนเวิลด์ มีเดีย, 2549
- รศ.สมนึก วัฒนศรียกุล. การชุบแข็งเหล็กกล้า สถาบันเทคโนโลยี พระจอมเกล้าพระนครเหนือ 2542
- American Society for Metals. Carburizing and Carbonitriding American Society,1977.
- ASM Handbook Committee. "Metals Handbook 8 th Edition." The American Society for Metals 1973.
- C.A. Stick. "Gas Carburizing."ASM Treatment 4 (1991) : 312-324