รู้จักกับความหมายและวิธีชุบผิวแข็ง (Hardening) 7 เทคนิค

การชุบผิวแข็ง (Hardening) คืออะไร

การชุบผิวแข็งหรือ Hardening คือรูปแบบหนึ่งของการนำโลหะ เช่น เหล็ก ไปทำการอบชุบกับความร้อนเพื่อปรับคุณสมบัติให้เกิดความแข็งแรงมากขึ้น ทนทานต่อการเสียดสีต่าง ๆ เช่น การถูกขัดสี โดยโครงสร้างของเหล็กจะเริ่มต้นจากการถูกให้ความร้อนในระดับอุณหภูมิที่สูงจนเกิดสภาพ Austenite จากนั้นจึงมีการปล่อยทิ้งเอาไว้ในเตาเพื่อให้โครงสร้างดังกล่าวเกิดความ-สม่ำเสมอทั่วทั้งชิ้นงาน ท้ายที่สุดก็เข้าสู่ขั้นตอนการทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว (Quenching) หรืออัตราการเย็นตัววิกฤต (Critical Cooling Rate) จนเปลี่ยนสภาพเป็น Martensite หรือ Bainite ขึ้นอยู่กับความต้องการ ทั้งนี้ปัจจัยที่มีความเกี่ยวข้องของการชุบแข็งโลหะจะประกอบไปด้วย

• ปริมาณธาตุคาร์บอน สำหรับเหล็กที่มีธาตุคาร์บอนสูง การเกิดโครงสร้าง Martensite จะเพิ่มขึ้น หรือถ้ามีธาตุอื่นเพิ่มเติมด้วย เช่น โมลิบดินั่ม โครเมียม นิเกิล จะยิ่งเพิ่มประสิทธิภาพของการชุบแข็งด้วยเทคนิคลดอัตราการเย็นตัววิกฤตอีกด้วย
• อัตราการเย็นตัว สำหรับอัตราการเย็นตัวนี้ต้องไม่ต่ำกว่าอัตราการเย็นตัววิกฤต ในส่วนนี้ ยังมีปัจจัยอื่นเข้ามาเกี่ยวข้อง เช่น ลักษณะผิวชิ้นงาน ตัวกลาง ขนาดชิ้นงาน เป็นต้น

การชุบผิวแข็งมีประโยชน์อย่างไรบ้าง

1. เพิ่มความแข็งแรงทนทาน

การอบชุบแข็งมีประโยชน์ในด้านของการเพิ่มความแข็งแรงทนทานให้กับโลหะ โดยเฉพาะกลุ่มเหล็ก เพิ่มประสิทธิภาพของการใช้งานให้มากขึ้นกว่าเดิม

2. ทนต่อการเสียดสี

เป็นเรื่องปกติที่วัตถุต่าง ๆ มีโอกาสถูกเสียดสีโดยเฉพาะเหล็กที่ใช้ทำเป็นชิ้นส่วนหลักของอุปกรณ์ เครื่องมือเครื่องใช้ รวมถึงตัวถังรถยนต์ เมื่อชุบแข็งเหล็กแล้วจะช่วยให้เกิดการต้านทานเมื่อถูกเสียดสี ไม่สึกหรอเสียหายง่าย เช่น การถูกขัดสี การถูกเฉี่ยวชนด้วยของแข็ง หรือของมีคม 

การชุบผิวแข็งมีกี่วิธี อะไรบ้าง

หลังจากรู้จักกับความหมายและประโยชน์กันไปแล้วก็มาต่อกันด้วยคำถามที่หลายคนสงสัย การชุบผิวแข็งมีกี่วิธีหรือการชุบแข็งมีอะไรบ้าง ดังนั้น เราขอนำเสนอ 7 เทคนิคในการชุบผิวแข็งดังนี้

1. Quenching and Tempering (การอบชุบแข็งและการอบคืนตัว)

Quenching and Tempering หรือการอบชุบแข็งและการอบคืนตัว เป็นขั้นตอนชุบแข็งโลหะโดยการนำเหล็กไปทำการอบชุบแข็งโดยอาศัยความร้อนสูงระดับหนึ่งจากนั้นก็ทำให้เย็นโดยเร็ว เหล็กที่ได้แม้ภายนอกดูแข็งอยู่แต่ก็มีความเปราะบางและเกิดระดับความเครียดอยู่ในเนื้อเหล็ก ไม่เหมาะกับงานที่เจอกับแรงกดทับหรือแรงกระแทกแรง ๆ เสี่ยงต่อการแตกร้าว จึงต้องผ่านขั้นตอนอบคืนตัวหรืออบคลายเครียดอีกครั้งด้วยการนำเหล็กไปอบเผาไฟที่ความร้อนต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤต (700 องศาเซลเซียส) เพื่อปรับคุณสมบัติให้ทนต่อการเสียดสี และเนื้อเหล็กแข็งแรงขึ้น

2. Annealing (การอบให้อ่อน)

Annealing หรือการอบอ่อนคือรูปแบบของการใช้ความร้อนในการอบโลหะ (เหล็ก) เพื่อลดความแข็งตัวสำหรับนำไปดัดงอหรือทำการขึ้นรูปเป็นดีไซน์ต่าง ๆ ให้ง่ายขึ้น แต่ทั้งนี้ตัวเหล็กจะถูกเพิ่มความเหนียวเพื่อป้องกันความเสียหายหลังการขึ้นฟอร์มหรือขึ้นรูปเรียบร้อยด้วย

3. Case Hardening (การอบชุบแข็งเฉพาะที่ผิว)

Case Hardening คือเทคนิคชุบผิวแข็งโดยนำเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนน้อยมากหรือแทบไม่มีผสมอยู่เลย ไปทำการอบด้วยความร้อนที่ผสมกับสารบางชนิดซึ่งมีปริมาณคาร์บอนสูง (สารดังกล่าวเป็นได้ทั้งของแข็ง ของเหลว และก๊าซ) กระทั่งอุณหภูมิบริเวณผิวเหล็กสูงกว่าจุดวิกฤตเล็กน้อยทำให้ปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นราว 85% ต่อด้วยการทำ Heat Treatment จนผิวโลหะแข็งแรง ทนต่อการสึกหรอ โดย Thai Parkerizing ผู้เชี่ยวชาญในการอบชุบทางบความร้อน จะมีบริการอบชุบแข็งเฉพาะที่ผิวอยู่ 2 รูปแบบ ได้แก่

• Gas Carburizing – เป็นวิธีการให้ความร้อนกับเหล็กในอุณหภูมิ 850 – 940 องศาเซลเซียส แล้วเพิ่มคาร์บอนให้ผิวเหล็กจากนั้นจึงทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว โลหะที่ได้จะแข็งขึ้นโดยเฉพาะบริเวณผิว โดยยังคงความเหนียวของเนื้อเหล็กในแกนกลาง
• Gas Carbonitriding - เป็นวิธีการให้ความร้อนกับเหล็กในอุณหภูมิ 800 – 880 องศาเซลเซียส แล้วเพิ่มคาร์บอนและไนโตรเจนให้ผิวเหล็กจากนั้นจึงทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว โลหะที่ได้จะมีผิวแข็ง ใช้งานกับเหล็กคาร์บอนต่ำได้ ต้นทุนต่ำกว่า อีกทั้งโลหะเสียรูปหรือเปลี่ยนแปลงน้อย

4. Nitriding (Surface Hardening) การชุบแข็งด้วยวิธีไนไตรดิ้ง

Nitriding หรือการชุบแข็งด้วยวิธีไนไตรดิ้งเป็นวิธีชุบแข็งเหล็กด้วยเทคนิคอบโลหะที่ผ่านการทำ Heat Treatment มาเรียบร้อยในภาชนะปิดสนิทแต่ด้านในอัดแน่นไปด้วยก๊าซแอมโมเนียหมุนเวียนตลอดกระทั่งได้อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส ทิ้งไว้ประมาณ 2-4 วัน ก๊าซแอมโมเนียจะเกิดการสลายตัวส่งผลให้ก๊าซไนโตรเจนและไฮโดรเจนซึมเข้าสู่ผิวโลหะ บริเวณผิวจึงเกิดโลหะไนไตรด์ โดยไม่แนะนำให้ใช้วิธีนี้กับโลหะกลุ่ม Plain Carbon Steels เพราะชิ้นงานจะเปราะบางง่าย

อย่างไรก็ตามวิธียอดนิยมในการชุบแข็งด้วยเทคนิคนี้คือ

Gas Soft Nitriding ที่จะส่งผลให้ก๊าซไนโตรเจนและคาร์บอน ซึมเข้าสู่ด้านในของเนื้อโลหะได้มากขึ้น กลายเป็นชั้นสารประกอบไนไตรด์ที่ทนต่อแรงเสียดทานกับชั้นซึมลึกที่ทนต่อความล้าได้มากกว่าเดิม แต่เนื้อวัสดุยังคงความเหนียวได้ดีเยี่ยม ซึ่งบริการนี้ทาง Thai Parkerizing ถือเป็นผู้เชี่ยวชาญที่มีความชำนาญมาอย่างยาวนาน ได้ผลลัพธ์น่าพึงพอใจอย่างแน่นอน

5. Flame Hardening (การชุบผิวแข็งด้วยเปลวไฟ)

Flame Hardening (การชุบผิวแข็งด้วยเปลวไฟ) จะใช้เปลวไฟหรือเปลว Oxy–Acetylene เพื่อเผาโลหะให้มีอุณหภูมิสูงกว่าจุดวิกฤตเล็กน้อย ตามด้วยการพ่นละอองน้ำเพื่อให้เกิดการเย็นตัว คุณสมบัติสำคัญของเหล็กที่จะใช้วิธีการชุบแข็งแบบนี้ต้องมีปริมาณคาร์บอน 4-0.6% เพื่อให้เกิดความแข็งแรง ทนทานเมื่อต้องใช้งานหนักหน่วง แต่ทั้งนี้หากเป็นเหล็กกล้าที่มีคาร์บอน 0.45% ก่อนทำการชุบผิวแข็งต้องลดความเครียดด้านในออกด้วย เมื่อทำการ Flame Hardening เรียบร้อยก็ใช้เทคนิค Annealing ในอุณหภูมิต่ำเพื่อลดความเครียดซ้ำ

6. Induction Hardening (การชุบแข็งผิวด้วยกระแสเหนี่ยวนำ)

Induction Hardening (การชุบแข็งผิวด้วยกระแสเหนี่ยวนำ) คือวิธีชุบเหล็กให้แข็งโดยการให้ความร้อนผ่านบริเวณผิวโลหะด้วยความรวดเร็วจนเหล็กมีอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤตแค่ 3-5 วินาที จากนั้นจึงรีบพ่นละอองน้ำเพื่อให้เย็นตัว ความลึกผิวชุบแข็งที่เกิดขึ้นมักอยู่ประมาณ 2 มิลลิเมตร เหล็กกล้าที่ใช้ควรมีค่าคาร์บอนระหว่าง 0.4-0.6% แต่ต้องระวังเรื่องการบิดงอด้วย

7. Precipitation Hardening (การชุบแข็งโดยการบ่มแข็งหรือตกตะกอน)

Precipitation Hardening (การชุบแข็งโดยการบ่มแข็งหรือตกตะกอน) เป็นวิธีเพิ่มความแข็งของโลหะเพื่อให้สารละลายของแข็งเปลี่ยนแปลงเฟส เกิดเฟสของแข็งด้วยอนุภาคขนาดเล็กระดับนาโนเมตรจากตะกอน รวมถึงมีแรงยึดเหนี่ยวกับเมทริกซ์ที่อ่อนเหนียว ระดับความแข็งแรงของเหล็กจึงเพิ่มมากขึ้น ทั้งนี้อาจเกิดการตกตะกอนตามอุณหภูมิห้องโดยรอบเมื่อทิ้งไว้สักพัก

การชุบแข็ง (Hardening) เป็นขั้นตอนสำคัญของอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องกับโลหะโดยเฉพาะเหล็กเพื่อเสริมความแข็งแรง ทนทาน สามารถใช้งานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพมากกว่าเดิม ซึ่งทั้ง 7 เทคนิคที่อธิบายนี้ล้วนเป็นวิธีชุบแข็งเหล็กที่ได้รับความนิยมทั้งสิ้น หากธุรกิจไหนสนใจการชุบผิวแข็ง Thai Parkerizing เราคือผู้นำด้านเทคโนโลยีการเคลือบเตรียมผิว การอบชุบทางความร้อน และการเคลือบป้องกันสนิม พร้อมนำเสนอบริการชั้นยอดภายใต้การวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างผลลัพธ์อันน่าพึงพอใจสูงสุด ดูแลโดยผู้เชี่ยวชาญทุกขั้นตอน มั่นใจได้เต็มร้อยแน่นอน ติดต่อเราวันนี้เพื่อพูดคุยกับผู้เชี่ยวชาญของเราได้เลย