บทที่ 7 Heat Treatment of Steels กรรมวิธีทางความร้อนของเหล็กกล้า

1. บทที่ 7Heat Treatment of Steelsกรรมวิธีทางความร้อนของเหล็กกล้า โดย อ.กิตติมา ศิลปษา และ ผศ.ดร.สุขอังคณา ลี ภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยอุบลราชธานี

2. กรรมวิธีทางความร้อนของเหล็กกล้าคาร์บอนกรรมวิธีทางความร้อนของเหล็กกล้าคาร์บอน กรรมวิธีทางความร้อน (Heat Treatment) หรือเรียกสั้นๆ ว่า “การอบ-ชุบ” หมายถึง “การรวมเอา การทำให้ร้อน การทำให้เย็น เวลา และการประยุกต์ ใส่เข้าไปในโลหะหรือโลหะผสมในสภาพที่ยังเป็นของแข็ง แล้วทำให้ได้คุณสมบัติตามที่ต้องการ” วัตถุประสงค์ เพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติให้ได้ตามที่ต้องการ เช่น • มีความอ่อนตัวสูง(Ductile)เพิ่มความสามารถในการขึ้นรูป • มีความแข็งสูง (Hard)เพื่อเพิ่มความต้านทานการสึกหรอ • มีความเหนียวแน่น (Toughness)เพิ่มความต้านทานแรงกระแทกและบิดตัว

3. Background • Steel is an alloy of iron and carbon (0.06-2% wt) with some other alloying elements • Equilibrium phase diagram shown that Carbon can be in solid solution (Ferrite and Austenite) or form a compound of Fe3C • Iron has a Allotropy property:สามารถเปลี่ยนระบบผลึกเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง

4. Morphology of Steel

6. What happens when a steel is heated or cooled under nonequilibrium condition? • On heating, phase change as in Phase Diagram. • On rapid Cooling, C atom in -FCC are trapped, resulting in a (Body centered tetragonal) structure which is called “Martensite” Slow cooling Equilibrium Rapid cooling BCC -FCC T> Ac3 BCT (up to 60 HRC with 0.6%C)

7. ประเภทของการอบ-ชุบ เหล็กกล้า • การอบชุบที่สำคัญ และใช้กันมากสำหรับเหล็กกล้า มี 4 แบบ คือ • Hardening (การชุบแข็ง) • Tempering (การอบคืนตัว) • Annealing (การอบอ่อน) • Normalizing (การอบปกติ)

8. 1 .Hardening (การชุบแข็ง) • หมายถึง การอบเหล็กให้เกิดโครงสร้างออสเทนไนท์ และชุบเพื่อให้จะเกิดโครงสร้างมาเทนไซท์เพื่อเพิ่มความแข็ง การชุบผิวแข็งด้วยกระบวนการแพร่ ใช้ในกรณีที่ปริมาณคาร์บอนน้อย

9. ความแข็งของเหล็กที่ผ่านการชุบจะมากหรือน้อยนั้นจะ ขึ้นอยู่กับปัจจัย 3 อย่าง คือ • ปริมาณโครงสร้าง ออสเทนไนท์ ของเหล็ก • ปริมาณ Carbon ในเหล็กที่เพียงพอ • ถ้ามี %C มาก มาร์เทนไซต์จะเกิดได้ง่ายและเกิดในปริมาณมาก • ถ้ามี %C น้อย เฟสมาร์เทนไซท์จะเกิดน้อย หรือ ไม่เกิด • อัตราการเย็นตัวในการชุบ • เย็นตัวเร็ว โอกาสที่ออสเทนไนท์ จะเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ก็มีมาก • เย็นช้าๆ ออสเทนไนท์จะเปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรท์ กับซีเมนไตต์ (ตามเฟสไดอะแกรม)

10. Austenite • Moderate strength • Crystal structure: FCC with • Carbon in solid solution • Martensite • 40-60 HRC • crystal structure: • BCT (Body-centered tetragonal) with Carbon in • Solid solution 1.1 Austenizing Process

11. start Martensite finish Time-Temperature transformation diagram (TTT)

12. เย็นตัวช้า Typical Time-Temperature transformation diagram (TTT)

13. Hardening temperature range for steel

14. Austenizing Process เผาเหล็กที่อุณหภูมิประมาณ 800-900 oC ถ้า C< 0.8%ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น Ac3 ประมาณ 50-75 oC ถ้า C>0.8% ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น Ac1 ประมาณ 50-75 oC เท่านั้น เกิดโครงสร้างออสเทนไนท์ แช่อุณหภูมิไว้ประมาณ 1 ชม./ความหนา 25 มม. Nonequilibrium เอาออกจากเตาทำให้เย็นโดยเร็ว ด้วยการจุ่มในน้ำ (Water Quench) หรือในน้ำมัน (Oil Quench) ออสเทนไนท์ มาร์เทนไซต์

15. Heating Rate • อัตราการเผาช้า (a) • เผาเหล็กให้ร้อนไปพร้อมๆ กับเตา อุณหภูมิของเหล็กจะต่ำกว่าเตาเพียงเล็กน้อย เหมาะกับชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อนและมีส่วนหนา บางต่างกัน • อัตราการเผาสูง (b) • บรรจุเหล็กเข้าเตาที่มีอุณหภูมิที่ต้องการ โดยพบว่าเหล็กจะมีอุณหภูมิที่ต่างกันมากในตอนเริ่มต้นจากนั้นจะเท่ากัน โดยใช้เวลาน้อยกว่าอัตราการเผาช้า • เหมาะกับชิ้นงานที่มีรูปร่างไม่ซับซ้อน และมีปริมาณคาร์บอนปานกลาง • สามารถลดความต่างของอุณหภูมิโดยบรรจุเหล็กไว้ในหีบปิดคลุมมิดชิดก่อนบรรจุเข้าเตา • อัตราการเผาที่สูงมาก (c) • ไม่นิยม เพราะอุณหภูมิระหว่างผิวกับใจกลางต่างกันมาก ซึ่งอาจทำให้เหล็กบิดเบี้ยวหรือแตกร้าวได้ ซึ่งสามารถลดความต่างของอุณหภูมิโดยบรรจุเหล็กไว้ในหีบปิดคลุมมิดชิดก่อนบรรจุเข้าเตาเช่นกัน

17. Quenching ของเหลวสำหรับการชุบแข็ง (Quenching medium) • ต้องมีอัตราการเย็นตัวที่สูงกว่าอัตราการเย็นตัววิกฤติ(see TTT) • มีอัตราการเย็นตัวที่ช้าลงในช่วงอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงจาก Austenite ไปเป็น Martensite (ประมาณ 200-400 oC) เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดความเครียดภายในจนเกิดการบิดงอ หรือแตกร้าวเสียหายได้ • ของเหลวสำหรับการชุบแข็งที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ น้ำ, น้ำเกลือ, น้ำด่าง, เกลือละลาย และอากาศ

18. Heat transfer & Cooling rate during Quenching • การถ่ายเทความร้อนที่ของเหลวกลายเป็นไอเมื่อสัมผัสแท่งเหล็กร้อน แบ่งเป็น 3 ช่วง • ช่วงที่ 1 อัตราการถ่ายเทความร้อนช้า ของเหลวที่สัมผัสกับแท่งเหล็กร้อนจะกลายเป็นไอหุ้มแท่งเหล็กไว้ในลักษณะฟิล์มบางๆ การถ่ายเทความร้อนช้า แต่จะเป็นอยู่ในระยะสั้นๆ • ช่วงที่ 2 อัตราการเย็นตัวสูง ฟิล์มบางๆ ที่หุ้มอยู่แตกออก ของเหลวสัมผัสกับแท่งเหล็ก จะเดือดและกลายเป็นไอ มีลักษณะเหมือนการกวน • ช่วงที่ 3 อัตราการเย็นตัวช้าลง เพราะแท่งเหล็กมีอุณหภูมิต่ำลง ของเหลวมีอุณภูมิลดลงต่ำกว่าจุดเดือด ความร้อนจึงถ่ายเทออกไปโดยการพาด้วยของเพียงอย่างเดียว อัตราการเย็นตัวจะลดลงจนถึงจุดที่ของเหลวกับแท่งเหล็กมีอุณหภูมิเท่ากัน

19. 1.1.1 Mar-tempering Process เผาเหล็กให้ร้อนถึงอุณหภูมิประมาณ 800-900 oC ถ้า C< 0.8%ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น Ac3 ประมาณ 50-75 oC ถ้า C>0.8% ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น Ac1 ประมาณ 50-75 oC เท่านั้น เมื่อเหล็กกลายเป็น ออสเทนไนท์ แช่อุณหภูมิไว้ประมาณ 1 ชม./ความหนา 25 มม. ชุบลงในอ่างเกลือหลอมละลาย (~400 oC) ซึ่งส่วนใหญ่ใช้เกลือโซเดียมไนเตรด กับโปแตสเซียมไนเตรด (40-50%) ซึ่งมีจุดหลอมเหลวที่ 145 oC ที่อุณหภูมิเหนือเส้น Ms โดยเวลาต้องไม่ถึงช่วงที่เกิด Bainite (ดูจาก TTT diagram) เอาออกจากเตาทำให้เย็นต่อโดยเร็ว ด้วยการจุ่มในน้ำ หรือในน้ำมัน ได้โครงสร้าง Martensite ที่มีความแข็งสูง

20. Mar-Tempering Hardening • นิยมใช้กับชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน มีความหนา บางแตกต่างกันมาก (ถ้าชุบแบบปกติชิ้นงานอาจบิดงอ เกิดความเครียดจากการเย็นตัวเร็ว อาจแตกร้าวในที่สุด) • ควรมีการอบคืนตัวเพื่อลดความเครียด

21. 1.1.2 Aus-tempering Process เผาเหล็กให้ร้อนถึงอุณหภูมิประมาณ 800-900 oC ถ้า C< 0.8%ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น Ac3 ประมาณ 50-75 oC ถ้า C>0.8% ให้ใช้อุณหภูมิเลยเส้น Ac1 ประมาณ 50-75 oC เท่านั้น เมื่อเหล็กกลายเป็น ออสเทนไนท์ แช่อุณหภูมิไว้ประมาณ 1 ชม./ความหนา 25 มม. ชุบลงในอ่างเกลือหลอมละลาย (~500-600 oC) ถ้าต้องการ Upper bainite (ขนนก) ชุบลงในอ่างเกลือหลอมละลาย (~400-500 oC) ถ้าต้องการ Lower bainite (Acicular) ทิ้งไว้ระยะยาวจนแน่ใจว่า austenite เปลี่ยนเป็น Bainite ทั้งหมด (TTT diagram) เอาออกจากเตาทำให้เย็นโดยเร็ว ด้วยการจุ่มในน้ำ หรือในน้ำมัน ได้โครงสร้าง Bainite ตามอุณหภูมิที่ชุบในอ่างเกลือ

22. Aus-Tempering Hardening • Bainite • เป็นโครงสร้างที่ผสมระหว่าง Ferrite และ Cementite คล้าย Pearlite แต่จะแข็งแรงกว่า • เกิดที่อุณหภูมิระหว่าง Ms ถึง 530 C • โครงสร้างมีหลายแบบ เช่น แบบขนนก, • แบบเลนส์ เป็นต้น ขึ้นกับอุณหภูมิการเย็นตัว

23. Hardenability • ความสามารถในการชุบแข็งไม่สามารถวัดเป็นปริมาณ(ตัวเลข)ได้ • แต่ จะได้จากการเปรียบเทียบลักษณะความแข็งที่ได้จากการทดลอง • เหล็กชนิดใดมีความแข็งถึงผิวใจกลางสม่ำเสมอถือว่ามี Hardenability สูง http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/jominy/jominy.php

24. Jominy End Quenched Test วิธีการ: ใช้แท่งเหล็กกลมขนาดศูนย์กลาง 1 นิ้ว, ยาว 4 นิ้ว เผาให้ร้อนถึงอุณหภูมิ Austenite นำมาฉีดแขวนโดยฉีดน้ำ(ศก.ท่อ 0.5 นิ้ว) ที่ปลายแท่งเหล็กจนเย็น วัดความแข็งทุกๆ ระยะ 1/6 นิ้ว จากปลายแท่งเหล็กจนถึงจุดที่ความแข็งไม่เปลี่ยนแปลง Plot กราฟ ความแข็ง vs ระยะจากปลายแท่งเหล็ก

25. ชิ้นงานวัดความแข็ง Oil quench HRC HRC  1  2 เส้นผ่าศูนย์กลาง (มม.)   1  2 ผิว ใจกลาง ระยะห่างจากปลายสุด

26. ข้อสังเกตเกี่ยวกับความสามารถในการชุบแข็งข้อสังเกตเกี่ยวกับความสามารถในการชุบแข็ง • Austenite ที่เกรนโตจะมี Hardenability สูง (มีระยะฟักตัวนาน) • Fe3C หรือ Carbide หรือสารมลทิน ที่ไม่สลายได้หมดใน Austenite จะทำให้ความแข็งลดลง (กราฟขยับซ้าย) • เหล็ก 0.8%C เป็นเหล็กที่มี Hardenability สูงที่สุด (กราฟ ขยับขวาสุด) • ระดับความแข็งที่ผิวกับบริเวณภายในไม่ต่างกันมาก ถือว่ามี Hardenability สูง (ความชันต่ำ) • เหล็กส่วนผสมเท่ากัน ใช้อัตราเย็นตัวที่เท่ากัน ความแข็งเท่ากัน (ขนาดเหล็กไม่มีผลต่อความแข็ง)

27. Diffusion treatment carbulizing

28. Nitriding

29. Induction induced

30. 2. Tempering (การอบคืนตัว) เป็นการอบที่อุณหภูมิต่ำเพื่อให้เหล็กมีคุณสมบัติเหมาะในการใช้งานภายหลังจากการชุบแข็งเพื่อลดความเค้น เพิ่มความเหนียว ลดความเปราะลง เนื่องจากเหล็กที่ผ่านการชุบ ย่อมเกิดความเค้นขึ้นภายใน ถึงมีความแข็งเพิ่มขึ้น แต่ขาดความเหนียว (Ductility) ทำให้เปราะ หลังจากชุบแข็งแล้วจึงต้องนำมาอบ Tempering ก่อนนำไปใช้งานจริง เช่น มีดกลึงที่ผ่านการ quenching มีความแข็ง62 HRC ต้อง temper ลดความแข็งลงมาที่ 60 HRC

31. Tempering Process นำเหล็กที่ผ่านการชุบแล้วมาเผาในเตา อุณหภูมิประมาณ 200-400 oC แช่เหล็กทิ้งไว้ในเตา 1 - 3 ชั่วโมง เอาออกจากเตา ปล่อยให้เย็นในอากาศธรรมดา ข้อควรระวัง ขณะเผาที่อุณหภูมิต่ำ มาร์เทนไซต์จะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย จะพยายามเปลี่ยนเป็นโครงสร้างที่สมดุลย์ที่อุณหภูมิบรรยากาศ ดังนั้น ไม่ควรเผาอุณหภูมิเกิน 400 oC เพื่อไม่ให้มาร์เทนไซต์คืนตัวหมด ความแข็งจะลดลงเล็กน้อยเพียง 1-2 HRC แต่ toughness เพิ่มได้ถึง 10เท่า

32. Tempering temperature range for steel 500-650 oC ทำลายความเครียด/เหนียวสูง 350-450 oC เหนียวสูง/สปริง/ใกล้เคียง Bainite 150-250 oC ลดความเครียด/hardness ลดลงเล็กน้อย

33. 200-280 oC เกิด Ferrite (0.025%C) + Fe3C ที่ละเอียด 1 300-500 oC Ferrite(Pseudo cubic) Ferrite  Carbide(Fe2C)Fe3C 2 80-200 oC เกิด Ferrite(Pseudo cubic) +  carbide Fe2C (หรือ Fe2C4) 3 4 > 500 oC โครงสร้างสู่สมดุลย์ / ความแข็งลดลงมาก ค่าความแข็งที่เปลี่ยนแปลงหลังการอบคืนตัว

34. การเปราะเนื่องจากการอบคืนตัว(Tempered Brittleness) • การอบคืนตัวจะทำให้สมบัติด้านความเหนียวดีขึ้น แต่ที่ช่วงอุณหภูมิ 300-500 oC จะได้ทำให้สมบัติทนแรงกระแทก (Impact strength) ลดลง • เหล็กกล้าคาร์บอนจะเกิดการเปราะเล็กน้อย • เหล็กกล้าผสม (โดยเฉพาะ Mn, Cr และ Mo) จะปรากฏชัดเจน • สาเหตุจาก เกิดการตกผลึกของคาร์ไบด์ที่มาจาก Martensite หรือจากการที่ martensite แตกตัว  ควรหลีกเลี่ยงอุณหภูมิดังกล่าว หรือใช้เวลาน้อยที่สุดในช่วงนี้

35. 3. Annealing (การอบอ่อน) หมายถึง การอบและปล่อยให้เหล็กเย็นตัวอย่างช้าๆ เพื่อให้เหล็กมีความอ่อนตัว (Softening) หรือเพื่อทำให้เหล็กมีความเหนียว (Toughening) เพิ่มขึ้น ทั้งนี้ เนื่องจากเหล็กที่ผ่านการขึ้นรูปเย็น (Cold Working) หรือการหล่อ (Casting) มักจะมีความแข็งมากและสมบัติทางกลที่ไม่สม่ำเสมอ ทำให้การกลึงหรือไสทำได้ยาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องลดความแข็งของเหล็กเพื่อให้การแปรรูปขั้นต่อไปทำได้ง่ายขึ้น

36. มีสอง 2 วิธี คือ 1.1 Full Annealing (การอบอ่อนอย่างสมบูรณ์) 1.2 Incomplete Annealing หรือ Process Annealing (การอบอ่อนไม่สมบูรณ์) มี 2 ประเภท ได้แก่ 1.2.1 Stress-relief Anneals 1.2.2 Spheroidising Anneals

37. 3.1 Full Annealing Process เหล็ก Hypo-eutectoid เผาให้มีอุณหภูมิเหนือเส้น Ac3 ประมาณ 30-50 oC (เผาช้าๆ) เหล็ก Hyper-eutectoid เผาให้มีอุณหภูมิเหนือเส้น Ac1 ประมาณ 30-50 oC (เผาช้าๆ) แช่เหล็กทิ้งไว้ในเตา ให้โครงสร้างจุลภาค เป็น austenite ทั้งหมด ปิดเตา และปล่อยให้ชิ้นงานเย็นในเตาที่ปิดฝาสนิท(Furnace cooling) โครงสร้างจุลภาคจาก Austenite Ferrite + Pearlite

38. Full Annealing Temperatures range for steel Hyper-eutectoid Hypo-eutectoid

39. 3.2.1 Incomplete Annealing (Stress-relieving) เผาเหล็กให้มีอุณหภูมิต่ำกว่าเส้น Ac1 เล็กน้อย (~500-650 oC) แช่เหล็กทิ้งไว้ในเตาไว้นานพอสมควรเพื่อให้เหล็กร้อนทั่วถึงกัน (ให้มีอุณหภูมิเท่ากันถึงภายใน) ปล่อยให้เย็นในอากาศ โครงสร้างของเหล็กไม่เปลี่ยนแปลงมากนัก ความแข็งจะลดลงเล็กน้อย เพราะความเค้นที่เกิดจาก strain hardening ลดลง รวมทั้งความเครียดภายในลดลง

40. 3.2.2 Incomplete Annealing (Spheroidising) • 0.7-0.8%C เผาให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า Ac1 และเผาสลับกับ อุณหภูมิสูงกว่า Ac1 • >0.8%C เผาให้มีอุณหภูมิสูงกว่าเส้น Ac1 เล็กน้อย แช่เหล็กทิ้งไว้ในเตา 10-15 hr. ปล่อยให้เย็นในอากาศ โครงสร้างจุลภาคเปลี่ยนแปลง:Pro-eutectoid cementite ขาดเป็นช่วงๆ และ cementite ใน pearlite ซึ่งเป็นแถบบางๆ จะมีลักษณะเป็นเม็ดกลมเล็กๆ (Spheroid) มีความเหนียวเพิ่มขึ้น ลดความเปราะลง เช่น มีดกลึงสามารถกลึงได้ผิวที่เรียบขึ้น

41. Incomplete Annealing temperature ranges for steel Spheroidising Anneals 500-650 oC Stress-relieving

42. 4. Normalizing (การอบปกติ) • โดยทั่วไปเหล็กที่ผ่านการหล่อ (Casting) หรือการรีดร้อนขึ้นรูป เช่น เหล็กรูปพรรณรีดร้อน (Hot-rolled bars) มักจะมีความแข็งหรือความเหนียวไม่สม่ำเสมอตลอดทั้งแท่ง เนื่องจากการเย็นตัวที่ไม่เสมอกัน • ดังนั้น จึงจำเป็นต้องนำมาทำ Normalizingซึ่งก็คือ การอบและมีอัตราเย็นตัวปานกลาง เป็นการลดขนาดของเม็ดเกรน (Grain Size) ของเหล็กเพื่อทำให้คุณสมบัติของเหล็กสม่ำเสมอ (Homogenous) แต่ยังคงความแข็งแรงไว้ได้

43. Normalizing Process เหล็ก Hypo-eutectoid เผาให้มีอุณหภูมิเหนือเส้น Ac3 ประมาณ 30-50 oC เหล็ก Hyper-eutectoid เผาให้มีอุณหภูมิเหนือเส้น Acm ประมาณ 30-50 oC แช่เหล็กทิ้งไว้ในเตา (30-60 นาที/ความหนาเฉลี่ย 25 มม.) ให้อุณหภูมิเท่ากันหมดทุกจุดตลอดภายในใจกลางด้วย เอาออกจากเตา ปล่อยให้เย็นในอากาศปกติ เม็ดเกรนของเหล็กจะมีขนาดเล็กกว่าแบบ Annealing เนื่องจากมีอัตราการเย็นตัวที่สูงกว่า เหล็กจะมีความเหนียวและคุณสมบัติสม่ำเสมอ

44. Normalizing temperature range for steel

45. Summary

46. Martempering Austenite transition temperature Austempering Full annealing Hardening Spheroidizing Stress-relieving Tempering Ms Heat treatment thermal cycles

47. อ้างอิง • รศ.มนัส สถิรจินดา. วิศวกรรมการอบชุบเหล็ก. วิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทยในพระบรมราชูปถัมภ์. พิมพ์ครั้งที่ 3, กุมภาพันธ์ 2537 • K.G. Budinski and M.K. Budinski, Engineering materials : Properties and Selection 8th edition, Pearson Prentice Hall, USA, 2005