การลดเวลากระบวนการชุบผิวแข็งแบบแก๊สคาร์บุไรซิ่ง โดยการลดเวลาแพร่ และการบำบัดเย็น

การชุบผิวแข็งด้วยวิธีแก๊สคาร์บุไรซิ่ง เป็นกระบวนการที่นิยมใช้กันอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน โดยเฉพาะในการผลิตชิ้นส่วนรถยนต์และเครื่องจักรทั่วไป โดยใช้หลักการนําเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำอบที่อุณหภูมิออสเตไนต์ และควบคุมบรรยากาศภายในเตาอบให้มีศักย์คาร์บอน หรือ CP(Carbon Potential) สูง เช่น 1.25% เพื่อให้คาร์บอนสามารถแพร่ผ่านผิวเหล็กกล้าอย่าง รวดเร็ว 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

  1. รศ.สมนึก วัฒนศรียกุล. การทดสอบวัสดุ กรีนเวิลด์ มีเดีย, 2549
  2. รศ.สมนึก วัฒนศรียกุล. การชุบแข็งเหล็กกล้า สถาบันเทคโนโลยี พระจอมเกล้าพระนครเหนือ 2542
  3. American Society for Metals. Carburizing and Carbonitriding American Society,1977.
  4. ASM Handbook Committee. "Metals Handbook 8 th Edition." The American Society for Metals 1973.
  5. C.A. Stick. "Gas Carburizing."ASM Treatment 4 (1991) : 312-324