การอบชุบด้วยความร้อน “สี่ไฟ”

1. การทำให้เป็นปกติ

คำว่า "นอร์มัลไลเซชัน" ไม่ได้อธิบายลักษณะของกระบวนการนี้ แต่ให้เจาะจงกว่านั้นคือ กระบวนการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันหรือกระบวนการทำให้เกรนละเอียดขึ้น ซึ่งออกแบบมาเพื่อให้องค์ประกอบมีความสม่ำเสมอตลอดทั้งชิ้นงาน จากมุมมองทางความร้อน นอร์มัลไลเซชันคือกระบวนการทำให้เย็นลงในสภาวะนิ่งหรือลมหลังจากส่วนการให้ความร้อนแบบออสเทนไนต์ โดยทั่วไป ชิ้นงานจะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 55°C เหนือจุดวิกฤตบนแผนภาพเฟส Fe-Fe3C กระบวนการนี้ต้องได้รับความร้อนเพื่อให้ได้เฟสออสเทนไนต์ที่เป็นเนื้อเดียวกัน อุณหภูมิที่ใช้จริงขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของเหล็ก แต่โดยทั่วไปจะอยู่ที่ประมาณ 870°C เนื่องจากคุณสมบัติโดยธรรมชาติของเหล็กหล่อ นอร์มัลไลเซชันจึงมักดำเนินการก่อนการกลึงโลหะแบบแท่ง และก่อนการชุบแข็งเหล็กหล่อและงานตีขึ้นรูป เหล็กกล้าชุบแข็งแบบดับด้วยอากาศไม่จัดเป็นเหล็กกล้านอร์มัลไลเซชัน เนื่องจากไม่มีโครงสร้างจุลภาคแบบเพิร์ลไลต์ ซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของเหล็กกล้านอร์มัลไลเซชัน

2. การอบอ่อน

คำว่า “การอบอ่อน” หมายถึงวิธีการอบชุบโลหะโดยการให้ความร้อนและคงสภาพที่อุณหภูมิที่เหมาะสม แล้วจึงทำให้เย็นลงในอัตราที่เหมาะสม โดยส่วนใหญ่แล้วจะทำให้โลหะอ่อนตัวลงพร้อมกับทำให้เกิดคุณสมบัติอื่นๆ หรือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคตามที่ต้องการ เหตุผลของการอบอ่อน ได้แก่ ความสามารถในการตัดเฉือนที่ดีขึ้น ความสะดวกในการขึ้นรูปเย็น การปรับปรุงคุณสมบัติทางกลหรือทางไฟฟ้า และการเพิ่มเสถียรภาพเชิงมิติ เป็นต้น ในโลหะผสมเหล็ก การอบอ่อนมักจะทำที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตสูงสุด แต่การผสมผสานระหว่างเวลาและอุณหภูมิจะแตกต่างกันอย่างมากในช่วงอุณหภูมิและอัตราการเย็นตัว ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบเหล็ก สถานะ และผลลัพธ์ที่ต้องการ เมื่อใช้คำว่า “การอบอ่อน” โดยไม่มีคำนิยาม ค่าเริ่มต้นจะเป็นการอบอ่อนแบบเต็มรูปแบบ (Full Annealing) หากจุดประสงค์เพียงอย่างเดียวคือการคลายความเค้น กระบวนการนี้จะเรียกว่าการคลายความเค้นหรือการคลายความเค้นแบบคลายความเค้น ในระหว่างการอบอ่อนแบบเต็มรูปแบบ เหล็กจะถูกให้ความร้อนถึง 90-180°C เหนือระดับ A3 (เหล็กไฮโปยูเทคตอยด์) หรือ A1 (เหล็กไฮโปยูเทคตอยด์) จากนั้นจึงค่อยๆ เย็นลงเพื่อให้วัสดุตัดหรือดัดได้ง่าย เมื่อผ่านการอบอ่อนอย่างสมบูรณ์แล้ว อัตราการเย็นตัวจะต้องช้ามากเพื่อให้ได้เพิร์ลไลต์หยาบ ในกระบวนการอบอ่อน ไม่จำเป็นต้องทำให้เย็นตัวช้า เนื่องจากอัตราการเย็นตัวที่ต่ำกว่า A1 จะทำให้ได้โครงสร้างจุลภาคและความแข็งเท่ากัน

3. การดับไฟ

การชุบแข็ง (quenching) คือการหล่อเย็นชิ้นส่วนเหล็กอย่างรวดเร็วจากอุณหภูมิออสเทนไนไทซิ่งหรืออุณหภูมิการละลาย โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 815 ถึง 870°C เหล็กกล้าไร้สนิมและเหล็กกล้าผสมสูงสามารถชุบแข็งเพื่อลดปริมาณคาร์ไบด์ที่ขอบเกรนหรือเพื่อปรับปรุงการกระจายตัวของเฟอร์ไรต์ แต่สำหรับเหล็กกล้าส่วนใหญ่ รวมถึงเหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กกล้าผสมต่ำ และเหล็กกล้าเครื่องมือ การชุบแข็งนี้ใช้สำหรับควบคุมปริมาณมาร์เทนไซต์ในเนื้อเยื่อในระดับจุลภาค เป้าหมายคือการทำให้ได้โครงสร้างจุลภาค ความแข็ง ความแข็งแรง หรือความเหนียวตามที่ต้องการ โดยมีโอกาสเกิดความเค้นตกค้าง การเสียรูป และการแตกร้าวน้อยที่สุด ความสามารถของสารชุบแข็งในการทำให้เหล็กแข็งตัวขึ้นอยู่กับคุณสมบัติการหล่อเย็นของสารชุบแข็ง ผลของสารชุบแข็งขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของเหล็ก ชนิดของสารชุบแข็ง และเงื่อนไขการใช้งานของสารชุบแข็ง การออกแบบและการบำรุงรักษาระบบการชุบแข็งก็เป็นกุญแจสำคัญสู่ความสำเร็จของการชุบแข็งเช่นกัน

4. การอบชุบ

ในกระบวนการนี้ เหล็กกล้าที่ผ่านการชุบแข็งหรือนอร์มอลไลซ์แล้วมักจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิต่ำกว่าจุดวิกฤตล่าง และถูกทำให้เย็นลงด้วยอัตราปานกลาง โดยส่วนใหญ่เพื่อเพิ่มความยืดหยุ่นและความเหนียว แต่ยังรวมถึงการเพิ่มขนาดเกรนของเมทริกซ์ด้วย การอบคืนตัวของเหล็กกล้าคือการให้ความร้อนซ้ำหลังจากการชุบแข็งเพื่อให้ได้สมบัติเชิงกลตามค่าที่กำหนด และปลดปล่อยแรงดึงเพื่อคงสภาพมิติ การอบคืนตัวมักจะตามมาด้วยการอบคืนตัวจากอุณหภูมิวิกฤตบน