กระบวนการชุบแข็งเหล็กและการจำแนกประเภท

การชุบแข็งเป็นกระบวนการบำบัดความร้อนโดยให้ความร้อนชิ้นงานจนถึงอุณหภูมิวิกฤติ จากนั้นจึงเลือกทำให้เย็นลงเพื่อให้ได้มาร์เทนไซต์ที่มีความแข็งสูง-หรือเบนไนต์ส่วนล่างที่แข็ง ตามด้วยการแบ่งเบาบรรเทา

การชุบแข็งช่วยเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอและความแข็งแรงของชิ้นส่วนตลอดจนอายุการใช้งานความล้า

 

 

หลักการดับและผังกระบวนการพื้นฐาน

 

เหล็กและวัสดุอื่นๆ จะได้รับการเปลี่ยนแปลงเฟสเมื่อถูกความร้อน และการเปลี่ยนเฟสออสเทนไนเซชันเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการชุบแข็ง

โดยทั่วไป เหล็กไฮโปยูเทคตอยด์จะถูกดับที่อุณหภูมิ 20 ถึง 30 องศาเหนือ Ac3 ในขณะที่เหล็กไฮเปอร์ยูเทคตอยด์จะถูกดับที่อุณหภูมิ 20 ถึง 30 องศาเหนือ Ac1

เมื่อดับ สิ่งสำคัญคือต้องหลีกเลี่ยงความร้อนที่มากเกินไป ควรกำหนดเวลาในการจับยึดตามขนาดชิ้นงานและแบบจำลองของเตาเผาเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคที่สม่ำเสมอ

กระบวนการสำคัญในการดับคือการทำความเย็น เส้นโค้งการระบายความร้อนที่เหมาะสมที่สุดจะหลีกเลี่ยงบริเวณจมูกของเพิร์ลไลต์ โดยหลักแล้วเพื่อป้องกันการก่อตัวของโครงสร้างที่ไม่ใช่-มาร์เทนซิติก ต้องควบคุมอัตราการทำความเย็นเพื่อลดความเครียดภายในและการเสียรูปของชิ้นส่วน

หมายเหตุ: Ac1 และ Ac3 แสดงถึงอุณหภูมิที่ออสเทนไนต์เริ่มก่อตัวและอุณหภูมิที่เหล็กกล้าไฮโปยูเทคตอยด์มีออสเทนไนต์เต็มที่เมื่อถูกความร้อน ตามลำดับ สิ่งเหล่านี้เป็นจุดอ้างอิงที่สำคัญสำหรับการพิจารณากระบวนการอบอ่อน

 

วิธีกระบวนการชุบแข็งหลักและแนวปฏิบัติหลัก

 

1. การชุบแข็งด้วยของเหลว-เดี่ยว

การดับด้วยของเหลวเดี่ยว-เป็นวิธีการดับขั้นพื้นฐานและง่ายที่สุด ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับชิ้นส่วนที่มีรูปร่างเรียบง่ายและสมมาตรและมีการเปลี่ยนแปลงหน้าตัด-น้อยที่สุด เช่น เพลาและหมุด

สำหรับการดับด้วยของเหลวเดี่ยว- ต้องเลือกสารหล่อเย็นที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากวัสดุและความหนาของชิ้นงาน โดยทั่วไปเหล็กกล้าอัลลอยด์-คาร์บอนต่ำและ-โลหะผสมต่ำจะถูกชุบแข็งด้วยน้ำหรือน้ำเกลือ ในขณะที่เหล็กกล้าโลหะผสมสูง-และชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อนขนาดเล็ก- สามารถชุบแข็งได้ด้วยน้ำมันหรือสารละลายโพลีเมอร์

ในระหว่างการดับ ตรวจสอบให้แน่ใจว่าชิ้นงานแช่อยู่ในตัวกลางอย่างสม่ำเสมอ และตัวกลางถูกกวนอย่างเหมาะสมเพื่อป้องกันไม่ให้ฟิล์มไอขัดขวางการระบายความร้อน

การชุบด้วยของเหลว-เดี่ยวให้ความเสถียร-คุณภาพสูงและเหมาะสำหรับการผลิตขนาดใหญ่- แต่ขอแนะนำให้ใช้ความระมัดระวังเกี่ยวกับความเสี่ยงของการเสียรูปและการแตกร้าวที่เกิดจากการเย็นตัวลงเร็วเกินไป

 

2. การดับด้วยของเหลวสอง-

การดับด้วยของเหลวสอง-ผสมผสานข้อดีของการทำความเย็นอย่างรวดเร็วและช้า ขั้นแรก ตัวกลางชนิดแรก เช่น น้ำหรือน้ำเกลือ จะถูกส่งผ่านอย่างรวดเร็วผ่านบริเวณออสเทนไนต์ที่ไม่เสถียรที่สุดของวัสดุ เมื่ออุณหภูมิของวัสดุเข้าใกล้อุณหภูมิการเปลี่ยนรูปของมาร์เทนไซต์ วัสดุจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวกลางที่สองอย่างรวดเร็ว เช่น น้ำมัน เพื่อทำการเปลี่ยนรูปของมาร์เทนไซต์ให้เสร็จสมบูรณ์

การชุบด้วยของเหลว-สองครั้งเป็นเรื่องปกติโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นงานขนาดกลาง-ถึง-ขนาดใหญ่ที่ทำจากเหล็กกล้าคาร์บอนสูง- และเหล็กกล้าผสมปานกลาง-ถึง- สูง เช่น แม่พิมพ์และช่องว่างเกียร์

หัวใจสำคัญของการดำเนินการนี้คือการควบคุมเวลาคงตัวของชิ้นงานในตัวกลางตัวแรกอย่างแม่นยำ โดยทั่วไปจะใช้เวลาดับ 1 วินาทีต่อความหนาของชิ้นงานที่มีประสิทธิภาพ 3-5 มม. แม้ว่าจะสามารถกำหนดได้โดยการสังเกตการหายไปของฟองบนพื้นผิวชิ้นงานก็ตาม

การถ่ายโอนจากตัวกลางที่หนึ่งไปยังตัวกลางที่สองจะต้องรวดเร็วและต่อเนื่องเพื่อหลีกเลี่ยงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่อาจทำให้เกิดการสลายตัวของโครงสร้างวัสดุ

การชุบด้วยของเหลว-สองครั้งช่วยลดความเครียดจากความร้อนและโครงสร้างได้อย่างมาก ทำให้เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการควบคุมการเสียรูปและป้องกันการแตกร้าว

 

3. ขั้นตอนการดับ

การดับแบบขั้นจำเป็นต้องให้ความร้อนแก่ชิ้นงานเพื่อให้ได้ออสเทนไนซ์ จากนั้นจึงดับลงในอ่างน้ำร้อนเหนือจุด Ms เล็กน้อย เช่น อ่างไนเตรตหรืออ่างอัลคาไลน์ เพื่อการจับยึด เมื่ออุณหภูมิสม่ำเสมอทั่วทั้งหน้าตัด-ของชิ้นงาน ชิ้นงานจะถูกเอาออกและ-ระบายความร้อนด้วยอากาศ

การดับขั้นบันไดมักใช้กับเครื่องมือและชิ้นส่วนที่มีรูปร่างซับซ้อนและมีความต้องการความแม่นยำสูง เช่น ต๊าป เฟืองขนาดเล็ก และเพลาที่มีความแม่นยำ

ในระหว่างการทำงาน ความผันผวนของอุณหภูมิอ่างจะต้องได้รับการควบคุมอย่างเข้มงวด โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงบวกหรือลบสิบองศาเซลเซียส ระยะเวลาในการถือครองจะคำนวณตามหน้าตัดที่ใหญ่ที่สุด- โดยทั่วไปจะประมาณไว้ที่ห้ามิลลิเมตรต่อนาที

การดับขั้นตอนจะช่วยลดความเครียดจากความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยให้การเปลี่ยนแปลงของมาร์เทนซิติกดำเนินไปทีละน้อยในระหว่างการระบายความร้อนด้วยอากาศ ส่งผลให้เกิดความเครียดจากโครงสร้างจุลภาคต่ำและการเสียรูปน้อยที่สุด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความสามารถในการทำความเย็นของเกลือหลอมเหลวมีจำกัด จึงเหมาะสำหรับชิ้นงานที่มีความหนาประสิทธิผลไม่เกิน 20 มม. เท่านั้น

 

4. การดับไอโซเทอร์มอล

การดับด้วยอุณหภูมิคงที่เกี่ยวข้องกับการดับชิ้นงานที่ได้รับความร้อนจนถึงอุณหภูมิออสเทนไนซ์โดยสมบูรณ์ลงในอ่างน้ำร้อนที่โซนการเปลี่ยนรูปเบนไนต์ ระยะเวลาการกักเก็บที่ยาวนานขึ้นจะทำให้ออสเทนไนต์เปลี่ยนสภาพไปเป็นเบนไนต์ส่วนล่างได้อย่างสมบูรณ์ ตามด้วยการระบายความร้อนด้วยอากาศ ออสเทมเปอร์ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับชิ้นส่วนที่ต้องการความแข็งแรง ความเหนียว และความเสถียรของมิติสูง เช่น ตลับลูกปืนและแม่พิมพ์ที่มีความแม่นยำ อุณหภูมิและระยะเวลาไอโซเทอร์มอลถูกกำหนดโดยอิงจากกราฟ TTT ของเหล็ก โดยทั่วไปอุณหภูมิจะอยู่ระหว่าง 250 ถึง 400 องศา

หลังจากออสเทมเปอร์แล้ว วัสดุจะกลายเป็นเบนไนต์ ซึ่งมีความแข็งแรงและความเหนียวเป็นเลิศ โดยมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนรูปหรือแตกร้าวเพียงเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม การแยกชิ้นส่วนมีวงจรการผลิตที่ยาวนาน มีต้นทุนสูง และจำกัดเฉพาะชิ้นงานที่มีหน้าตัด-เล็กกว่า

 

ปัญหาทั่วไปและการควบคุมคุณภาพ

 

การชุบแข็งมักส่งผลให้เกิดข้อบกพร่อง เช่น ความแข็งไม่เพียงพอ จุดอ่อน การเสียรูป การแตกร้าว ออกซิเดชัน และการแยกคาร์บอนออก

โดยทั่วไปความแข็งที่ไม่เพียงพอมักเกิดจากการให้ความร้อนที่อุณหภูมิต่ำเกินไปหรือความเย็นไม่เพียงพอ อีกสาเหตุหนึ่งคือการแยกชิ้นส่วนออกจากพื้นผิวของชิ้นงาน

โดยทั่วไปจุดอ่อนมักเกิดจากสารดับที่ปนเปื้อนหรือมีตะกรันออกไซด์บนพื้นผิวชิ้นงาน การเสียรูปและการแตกร้าวอาจเกิดจากความเครียดจากความร้อนหรือโครงสร้างที่มากเกินไป

ดังนั้นการควบคุมคุณภาพในระหว่างการดับจึงจำเป็นต้องมีการตรวจสอบกระบวนการที่ครอบคลุม โดยเฉพาะอย่างยิ่งการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำในระหว่างขั้นตอนการให้ความร้อน ในระหว่างขั้นตอนการทำความเย็น อุณหภูมิ ความเข้มข้น และอัตราการไหลเวียนของตัวกลางจะต้องคงที่ จำเป็นต้องแบ่งเบาบรรเทาทันทีหลังจากการชุบแข็งเพื่อขจัดความเค้นตกค้างในชิ้นส่วน

ในระหว่างการผลิตจำนวนมาก ควรทำการตรวจสอบเฉพาะจุดของโครงสร้างโลหะและการไล่ระดับความแข็ง การทดสอบแบบไม่ทำลายสามารถใช้กับชิ้นส่วนที่สำคัญเพื่อตรวจจับรอยแตกร้าวได้

 

ความเข้ากันได้ของวัสดุและการเลือกกระบวนการ

 

ความแตกต่างขององค์ประกอบระหว่างวัสดุส่งผลให้มีความสามารถในการชุบแข็งที่แตกต่างกัน อุณหภูมิเริ่มต้นของการเปลี่ยนแปลงมาร์เทนซิติก และอัตราการทำความเย็นที่สำคัญ ดังนั้นจึงต้องเลือกกระบวนการชุบแข็งเฉพาะตามลักษณะของวัสดุ

เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ-และเหล็กโครงสร้างโลหะผสมต่ำ-มีความสามารถในการชุบแข็งค่อนข้างต่ำ และโดยทั่วไปจะชุบแข็งด้วยน้ำหรือ-การชุบด้วยของเหลวสองหรือสองชนิดเพื่อปรับปรุงความแข็งของพื้นผิวและความต้านทานการสึกหรอของชิ้นส่วน

เหล็กชุบแข็งและเหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง-ต้องทำให้แกนกลางแข็งตัวทั่วถึง ดังนั้นการชุบน้ำมันหรือการชุบน้ำมันอย่างรวดเร็วจึงมักใช้เพื่อหลีกเลี่ยงการเสียรูปและการแตกร้าว

เหล็กกล้าเครื่องมือคาร์บอนสูง-มีแนวโน้มที่จะเกิดความร้อนสูงเกินไป ซึ่งเพิ่มโอกาสที่จะเกิดการเสียรูป ดังนั้น สามารถใช้การดับแบบขั้นตอนหรือการดับอ่างอัลคาไลน์ที่อุณหภูมิต่ำ-ได้

เหล็กกล้าโลหะผสมสูง- เช่น H13 มีความสามารถในการชุบแข็งได้ดีเยี่ยม จึงสามารถดับหรือชุบแข็งด้วยแก๊สในอ่างเกลือที่มีอุณหภูมิสูง-เพื่อลดการบิดเบือนได้

ชิ้นงานที่ผ่านการคาร์บูไรซ์ต้องการความเหนียวของแกนสูงเป็นพิเศษ ดังนั้นจึงต้องใช้อุณหภูมิที่ค่อนข้างต่ำ ไม่ว่าจะเป็นการชุบแข็งโดยตรงหรือการชุบแข็งในอ่างเกลือ

สแตนเลสและเหล็กความเร็วสูง-ต้องอาศัยการอุ่นก่อนและการชุบเกลือเพื่อป้องกันการแตกร้าวและการตกตะกอนของคาร์ไบด์

การชุบแข็งเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและสำคัญ ดังนั้นจึงต้องเลือกวิธีการชุบแข็งที่เหมาะสมโดยพิจารณาจากคุณสมบัติของวัสดุ รูปร่างของชิ้นส่วน และสภาพการทำงาน

การชุบแข็งจำเป็นต้องมีการควบคุมอย่างเข้มงวดของกระบวนการทำความร้อนและความเย็นเพื่อให้ได้โครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติที่ต้องการ ขณะเดียวกันก็รับประกันคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้