การอบชุบของโลหะ หรือ การอบอ่อนสมบูรณ์เป็นวิธีการอบชุบทางความร้อนที่มีวัตถุประสงค์หลักในการปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าให้มีความสม่ำเสมอ ซึ่งมักจะใช้กับเหล็กกล้าที่ผ่านการขึ้นรูปเย็น จนกระทั่งมีลักษณะเกรนยาวหรือขนาดเกรนไม่สม่ำเสมอ เพื่อที่จะนำไปขึ้นรูปเย็นต่อได้โดยไม่เกิดการแตก นอกจากนี้ยังใช้สำหรับการปรับค่าความแข็งให้เหมาะสมกับการกลึงไสตัดเจาะด้วย
สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนไฮโปยูเท็กตอยด์ (%C < 0.8) การอบอ่อนสมบูรณ์ประกอบด้วยการอบเหล็กกล้าขึ้นไปที่อุณหภูมิเหนือเส้น A3ประมาณ 50 องศาเซลเซียส แล้วทิ้งไว้เป็นเวลาประมาณ 30 นาทีต่อความหนา 1 นิ้ว จากนั้นปล่อยให้เย็นตัวช้าๆ ในเตาอบ ระหว่างที่อบเหนือเส้น A3นั้นเฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์เปลี่ยนไปเป็นออสเทนไนต์ทั้งหมด และไม่ควรใช้อุณหภูมิสูงมากเกินไปเพราะขนาดเกรนออสเทนไนต์จะโตขึ้นตามอุณหภูมิที่สูงขึ้น ต่อมาเมื่อปล่อยให้เย็นตัวช้าๆ จนกระทั่งอุณหภูมิต่ำกว่า A3 จะเริ่มเกิดเกรนเฟอร์ไรต์ขึ้น เรียกเกรนเฟอร์ไรต์เหล่านี้ว่า โปรยูเท็กตอยด์เฟอร์ไรต์ ปริมาณของโปรยูเท็กตอยด์เฟอร์ไรต์จะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนเมื่ออุณหภูมิลดลงถึง A1ออสเทนไนต์ส่วนที่เหลือจะเกิดการเปลี่ยนเฟสแบบยูเท็กตอยด์กลายเป็นเพิร์ลไลต์ ปริมาณโปรยูเท็กตอยด์เฟอร์ไรต์และเพิร์ลไลต์สามารถประมาณหาได้จากกฎคานงัด
สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนไฮเปอร์ยูเท็กตอยด์การอบอ่อนสมบูรณ์ประกอบด้วยการอบเหล็กกล้าขึ้นไปที่อุณหภูมิเหนือเส้น A1ประมาณ 50 องศาเซลเซียส แล้วทิ้งไว้เป็นเวลาประมาณ 30 นาทีต่อความหนา 1 นิ้ว จากนั้นปล่อยให้เย็นตัวช้าๆ ในเตาอบ ระหว่างที่อบเหนือเส้น A1นั้นโครงข่ายซีเมนไทต์ตามขอบเกรนจะเริ่มสลายตัวขาดออกจากกัน ส่วนเพิร์ลไลต์เปลี่ยนไปเป็นออสเทนไนต์ทั้งหมด โดยออสเทนไนต์จะมีปริมาณคาร์บอนมากกว่าจุดยูเท็กตอยด์เล็กน้อยเนื่องจากละลายเอาคาร์บอนจากซีเมนไทต์เข้ามา เมื่อปล่อยเย็นตัวช้าๆ ภายในเตาคาร์บอนส่วนเกินจะไปจับตัวกับซีเมนไทต์แต่จะไม่ก่อตัวกลายเป็นโครงข่ายเหมือนเดิม และเมื่ออุณหภูมิต่ำลงถึง A1ออสเทนไนต์จะเปลี่ยนเฟสแบบยูเท็กตอยด์กลายเป็นเพิร์ลไลต์ ดังนั้นโครงสร้างจุลภาคสุดท้ายประกอบไปด้วยโปรยูเท็กตอยด์ซีเมนไทต์ที่ไม่เป็นโครงข่ายต่อเนื่องและเพิร์ลไลต์ ทั้งนี้ที่ไม่อบเหนือ Acmเนื่องจากหากอบให้เป็นออสเทนไนต์ทั้งหมดแล้วปล่อยเย็นช้าๆ ในเตา จะเกิดโครงข่ายซีเมนไทต์ขึ้น ซึ่งทำให้เหล็กเปราะ
ช่วงอุณหภูมิที่ใช้ในการอบออสเทนนิไทซิงของเหล็กกล้าคาร์บอนเพื่อการอบอ่อนสมบูรณ์และการอบปกติ
[William D., Jr. Callister,MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING: AN INTRODUCTION, JohnWiley&Sons, 7th edition 2007]
การอบปกติ (normalizing)
ในการอบปกตินั้นมีจุดมุ่งหมายในการปรับโครงสร้างจุลภาคให้สม่ำเสมอก่อนไปใช้งานหรือก่อนนำไปชุบแข็งต่อไป ความแข็งที่ได้จากการอบปกติจะสูงกว่าการอบอ่อนสมบูรณ์
สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนไฮโปยูเท็กตอยด์นั้นจะอบเหนือเส้น A3ไปประมาณ 50-100 องศาเซลเซียสเป็นเวลาประมาณ 30 นาทีต่อความหนา 1 นิ้ว จากนั้นปล่อยให้เย็นตัวในอากาศ ในทางอุตสาหกรรมอาจใช้พัดลมเป่าช่วย โดยการเย็นตัวในอากาศนี้ถือว่าเร็วเมื่อเทียบกับการเย็นตัวเพื่อให้เป็นไปตามแผนภูมิกึ่งสมดุล ส่งผลให้จุดยูเท็กตอยด์ขยับไปทางซ้ายและลดต่ำลง(ปริมาณคาร์บอนและอุณหภูมิ ณ จุดยูเท็กคอยด์ลดลง) ดังนั้นลักษณะโครงสร้างที่ได้จากการอบปกติเมื่อเทียบกับการอบอ่อนสมบูรณ์จะเป็นดังนี้
1. ปริมาณเพิร์ลไลต์จะมากกว่าที่ประมาณโดยกฎคานงัดบนแผนภูมิกึ่งสมดุลระหว่าง Fe-Fe3C
2. ความละเอียดของเกรนโปรยูเท็กตอยด์เฟอร์ไรต์และโคโลนีของเพิร์ลไลต์จะละเอียดกว่าการอบอ่อนสมบูรณ์
3. ความละเอียดของแถบสลับระหว่างซีเมนไทต์และเฟอร์ไรต์ภายในเพิร์ลไลต์จะละเอียดมากขึ้นเพราะการเปลี่ยนเฟสแบบยูเท็กตอยด์เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำลง
สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนไฮเปอร์ยูเท็กตอยด์นั้นจะอบเหนือเส้น Acmไปประมาณ 50-100 องศาเซลเซียสเป็นเวลาประมาณ 30 นาทีต่อความหนา 1 นิ้ว จากนั้นปล่อยเย็นตัวในอากาศ ด้วยอัตราการเย็นตัวที่เร็วกว่าที่จะเข้าใกล้สมดุล ในกรณีนี้จุดยูเท็กตอยด์จะขยับไปทางขวาและลดต่ำลง (ปริมาณคาร์บอน ณ จุดยูเท็ตคอยด์เพิ่มขึ้นและอุณหภูมิณ จุดยูเท็กคอยด์ลดลง) ดังนั้นโครงสร้างจุลภาคที่ได้จะมีลักษณะดังนี้
1. ถ้าคาร์บอนสูงกว่าจุดยูเท็กตอยด์ไม่มากนัก จะไม่มีโปรยูเท็กตอยด์ซีเมนไทต์และเป็นโคโลนีเพิร์ลไลต์ทั้งหมด แต่ถ้าคาร์บอนสูงกว่าจุดยูเท็กตอยด์มากก็จะมีโปรยูเท็กตอยด์คาร์ไบด์เล็กน้อย
2. ความละเอียดของเกรนโปรยูเท็กตอยด์เฟอร์ไรต์และโคโลนีของเพิร์ลไลต์จะละเอียดกว่าการอบอ่อนสมบูรณ์
3. ความละเอียดของแถบสลับระหว่างซีเมนไทต์และเฟอร์ไรต์ภายในเพิร์ลไลต์จะละเอียดมากขึ้นเพราะการเปลี่ยนเฟสแบบยูเท็กตอยด์เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำลง
การอบปกติไม่ใช้กับเหล็กกล้าผสมสูงที่มีปริมาณคาร์บอนสูงด้วย เช่น AISI D2 (SKD11) เนื่องจากปริมาณธาตุผสมที่สูงนั้นทำให้อัตราการเย็นตัวในอากาศนั้นถือว่าเร็วพอที่จะชุบแข็งได้
การอบอ่อนให้ซีเมนไทต์กลม (Spheroidize annealing)
การอบอ่อนให้ซีเมนไทต์กลมมีจุดมุ่งหมายในการปรับโครงสร้างจุลภาคให้เหมาะสมต่อการนำไปกลึงไสตัดเจาะโดยจะใช้กับเหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนปานกลางและสูง โครงสร้างจุลภาคภายหลังอบอ่อนให้ซีเมนไทต์กลมจะประกอบด้วยซีเมนไทต์รูปร่างมนและมีเนื้อพื้นเป็นเฟอร์ไรต์ กระบวนการอบอ่อนให้ซีเมนไทต์กลมนี้นิยมใช้กับเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนสูงและเหล็กกล้าเครื่องมือชั้นคุณภาพที่มีคาร์บอนปานกลางขึ้นไป เนื่องจากเหล็กกล้าดังกล่าวมีคาร์ไบด์มาก และอาจมีลักษณะต่อเนื่องหรือเป็นแท่งยาว ทำให้กลึงไสตัดเจาะได้ยาก มีดกลึงจึงมีอายุการใช้งานสั้น ดังนั้นจึงต้องปรับโครงสร้างจุลภาคด้วยกระบวนการอบอ่อนให้ซีเมนไทต์กลมก่อนนำไปกลึงไสตัดเจาะ อย่างไรก็ตาม ไม่มีการนำมาใช้กับเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนต่ำ เพราะจะทำให้เหล็กอ่อนนุ่มมากเกินไปซึ่งจะกลายเป็นทำให้กลึงไสตัดเจาะยาก
การอบอ่อนให้ซีเมนไทต์กลมนั้นมีวิธีการหลายแบบ เช่น
1. การอบที่อุณหภูมิใต้เส้น A1เล็กน้อยเป็นเวลานานประมาณ 12-24 ชั่วโมง ซึ่งซีเมนไทต์หรือคาร์ไบด์จะมีลักษณะกลมมนมากขึ้น
2. อบที่อุณหภูมิต่ำกว่าและสูงกว่า A1 เพียงเล็กน้อยสลับกันไปมา
3. อบที่อุณหภูมิสูงกว่า A1 จากนั้นปล่อยเย็นตัวในเตาลงมาที่อุณหภูมิต่ำกว่า A1 เพียงเล็กน้อยแล้วคงไว้เป็นเวลานานๆ
จากวิธีการอบทั้งสามแบบจะเห็นได้ว่า จุดมุ่งหมายคือการปรับให้คาร์ไบด์กลมมนขึ้น โดยในวิธีการที่มีการอบให้อุณหภูมิสูงกว่า A1เล็กน้อยนั้น จะช่วยให้เกิดการสลายตัวของคาร์ไบด์บางส่วน ดังนั้นคาร์ไบด์ที่ต่อเนื่องจะขาดออกจากกัน ส่วนการอบที่อุณหภูมิต่ำกว่า A1เล็กน้อย นั้นช่วยให้คาร์บอนที่เกิดจากการสลายตัวของคาร์ไบด์ไปจับตัวกับคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวและปรับรูปทรงให้กลมมนขึ้น การอบซีเมนไทต์กลมนี้ต้องใช้เวลานานเมื่อเทียบกับการอบอ่อนปกติเพราะเป็นการทำให้โครงสร้างจุลภาคมีลักษณะเข้าใกล้สมดุลมากขึ้น
คาร์ไบด์กลมและเนื้อพื้นเพิร์ลไลต์ในเหล็กกล้ายูเท็กตอยด์หลังผ่านการอบอ่อนซีเมนไทต์กลม ณ อุณหภูมิต่ำกว่า A1 เพียงเล็กน้อย
[Dr. R F Cochrane, Micrograph No. 267, DoITPoMS: Fe, C 0.8(wt%) steel, normalised, Nital etched]
การอบอ่อนใต้อุณหภูมิวิกฤติ (sub-critical annealing or process-annealing)
การอบชุบของโลหะ หรือ การอบอ่อนใต้อุณหภูมิวิกฤตหรือในภาษาอังกฤษมีชื่อเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “process-annealing” เป็นวิธีการหนึ่งที่มีจุดมุ่งหมายในการปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าที่ผ่านการขึ้นรูปเย็นมาอย่างรุนแรงและไม่สามารถทนต่อการขึ้นรูปเย็นต่อไปได้อีกเนื่องจากจะเกิดการแตกร้าวให้กลับมามีความเหนียวและสามารถขึ้นรูปต่อไปอีกได้ โดยในระหว่างการอบอ่อนใต้อุณหภูมิวิกฤตนี้จะเกิดการตกผลึกของเกรนเฟอร์ไรต์ใหม่ (recrystallization of ferrite) ซึ่งเกรนที่เกิดขึ้นใหม่นี้ไม่มีความเครียดสะสมอยู่จึงทำให้มีความเหนียวและพร้อมที่จะผ่านการขึ้นรูปเย็นต่อไปได้อีกโดยปกติแล้วการอบอ่อนใต้อุณหภูมิวิกฤติเป็นขั้นตอนหนึ่งในกระบวนการ เช่น การดึงขึ้นรูปเย็น การลากขึ้นรูปเย็น และการทุบขึ้นรูปเย็น เป็นต้น
อุณหภูมิที่ใช้ในการอบอ่อนใต้อุณหภูมิวิกฤต ก็คือช่วงอุณหภูมิที่ต่ำกว่าอุณหภูมิ A1ลงมาประมาณ 25-75 องศาเซลเซียสนั่นเอง หรือประมาณที่อุณหภูมิ 650-700 องศาเซลเซียส โดยปล่อยทิ้งไว้เป็นเวลานานพอที่จะปล่อยให้เกิดการตกผลึกใหม่ของเกรนเฟอร์ไรต์ได้ทั้งหมด หลังจากนั้นปล่อยเย็นตัวในอากาศ
การอบอ่อนใต้อุณหภูมิวิกฤตินี้ใช้กับเหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำถึงปานกลางเท่านั้น เนื่องจากเฉพาะเฟอร์ไรต์เท่านั้นที่เกิดการตกผลึกของเกรนใหม่ได้ที่ช่วงอุณหภูมิต่ำกว่า A1เล็กน้อย
ระดับความรุนแรงของการขึ้นรูปเย็นเป็นปัจจัยสำคัญหลักในการผลักดันให้เกิดการตกผลึกใหม่ หากชิ้นงานผ่านการขึ้นรูปเย็นมาไม่มากนัก ก็ไม่สามารถเกิดการตกผลึกใหม่ได้แม้ว่าจะอบที่อุณหภูมิสูงขึ้น
อุณหภูมิในการอบชุบทางความร้อนของเหล็กกล้าคาร์บอน G. Roberts, G. Krauss, R.Kennedy ใน วารุณี เปรมานนท์ และอรจีรา เดี่ยววณิชย์
“วัสดุทำแม่พิมพ์และชิ้นงาน” งานขึ้นรูปโลหะ เล่มที่ 2 สมาคมส่งเสริมเทคโนโลยี ไทย-ญี่ปุ่น 2554
การอบอ่อนคลายความเค้น(stress-relief annealing)
การอบอ่อนคลายความเค้นเป็นวิธีการที่มีจุดมุ่งหมายในการลดความเค้นตกค้างภายในชิ้นงานซึ่งอาจมาจากการขึ้นรูปเย็น การเปลี่ยนเฟส และการเย็นตัวภายใต้สภาวะการดึงรั้ง เป็นต้น โดยปกติแล้วไม่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างในระดับจุลภาคจึงไม่สามารตรวจสอบได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสง ค่าความแข็งหลังการอบคลายความเค้นไม่เปลี่ยนแปลง อุณหภูมิที่ใช้ในการอบอ่อนคลายความเค้นของเหล็กกล้านั้นต่ำกว่าที่ใช้ในการอบอ่อนใต้อุณหภูมิวิกฤตและต่ำกว่าอุณหภูมิในการตกผลึกใหม่ของเกรนเฟอร์ไรต์ โดยกรณีเหล็กกล้าคาร์บอนจะอยู่ที่ประมาณ 450-650 องศาเซลเซียส จากนั้นปล่อยเย็นตัวในอากาศนิ่งหรือเย็นตัวในเตา ในระหว่างการอบอ่อนคลายความเค้นนั้นเกิดปรากฏการณ์การคืนตัว (recovery) เช่น เกิดการจัดเรียงของดิสโลเคชันให้อยู่ในลักษณะที่ให้พลังงานภายในต่ำ เป็นต้น
การอบอ่อนที่อุณหภูมิคงที่ (Isothermal annealing)
การอบอ่อนที่อุณหภูมิคงที่เป็นวิธีการที่มีจุดมุ่งหมายในการปรับโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไฮโปยูเท็กตอยด์ให้สม่ำเสมอ เหมาะสำหรับการนำไปกลึงไสตัดเจาะได้ ขั้นตอนการอบประกอบด้วยการทำให้เป็นออสเทนไนต์บางส่วน (อุณหภูมิเหนือ A1) หรือทั้งหมด (อุณหภูมิเหนือ A3) จากนั้นปล่อยเย็นตัวช้าๆ มาที่อุณหภูมิต่ำกว่า A1เล็กน้อยแล้วทิ้งไว้ที่อุณหภูมิดังกล่าวเพื่อให้ออสเทนไนต์เปลี่ยนเป็นเพิร์ลไลต์ตามด้วยการเย็นตัวในอากาศ
ที่มา ————————————->http://personal.sut.ac.th/
