เหล็กกล้าคาร์บอน-การบำบัดความร้อน

วัตถุประสงค์ของการอบชุบเหล็กกล้าคาร์บอนด้วยความร้อนคือเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติทางกลของเหล็ก ซึ่งได้แก่ ความเหนียว ความแข็ง ความแข็งแรงของผลผลิต หรือความต้านทานแรงกระแทก โปรดทราบว่าค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนมีการเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น เช่นเดียวกับเทคนิคการเสริมความแข็งแกร่งส่วนใหญ่สำหรับเหล็ก โมดูลัสของ Young (ความยืดหยุ่น) จะไม่ได้รับผลกระทบ การรักษาความเหนียวของการค้าเหล็กทั้งหมดเพื่อเพิ่มความแข็งแรงและในทางกลับกัน เหล็กมีความสามารถในการละลายคาร์บอนในเฟสออสเทนไนต์ได้สูงกว่า ดังนั้นการบำบัดความร้อนทั้งหมด ยกเว้นการทำให้เป็นทรงกลมและการอบอ่อนของกระบวนการ เริ่มต้นด้วยการให้ความร้อนแก่เหล็กจนถึงอุณหภูมิที่สามารถมีเฟสออสเทนนิติกได้ จากนั้นจึงนำเหล็กไปดับ (ดึงความร้อนออก) ในอัตราที่สูง ทำให้ซีเมนต์ไทต์ตกตะกอน และในที่สุดเหล็กบริสุทธิ์ก็จะแข็งตัวในที่สุด อัตราการทำให้เหล็กเย็นลงผ่านอุณหภูมิยูเทคตอยด์จะส่งผลต่ออัตราที่คาร์บอนแพร่กระจายออกจากออสเทนไนต์และก่อตัวเป็นซีเมนไทต์ โดยทั่วไปแล้ว การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วจะทำให้เหล็กคาร์ไบด์กระจายตัวอย่างประณีต และทำให้เกิดเพิร์ลไลต์เนื้อละเอียด (จนกว่าจะถึงอุณหภูมิวิกฤตของมาร์เทนไซต์) และการเย็นลงอย่างช้าๆ จะทำให้ได้เพิร์ลไลต์ที่หยาบกว่า การระบายความร้อนของเหล็กไฮโปยูเทคตอยด์ (น้อยกว่า 0.77 wt% C) ส่งผลให้เกิดโครงสร้างลาเมลลาร์-เพิร์ลลิติกของชั้นเหล็กคาร์ไบด์ที่มีα-เฟอร์ไรต์ (เหล็กบริสุทธิ์) ระหว่าง ถ้าเป็นเหล็กไฮเปอร์ยูเทคตอยด์ (มากกว่า 0.77 wt% C) โครงสร้างจะเป็นเพิร์ลไลต์เต็มโดยมีเม็ดเล็กๆ (ขนาดใหญ่กว่าแผ่นเพิร์ลไลต์) ของซีเมนไทต์ที่กระจัดกระจายไปทั่ว จำนวนองค์ประกอบสัมพัทธ์พบได้โดยใช้กฎคาน ต่อไปนี้เป็นรายการประเภทของการบำบัดความร้อนที่เป็นไปได้:

·Spheroidizing: Spheroidite เกิดขึ้นเมื่อเหล็กกล้าคาร์บอนถูกให้ความร้อนถึงประมาณ 700°C นานกว่า 30 ชั่วโมง Spheroidite สามารถก่อตัวได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่า แต่เวลาที่ต้องใช้จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก เนื่องจากเป็นกระบวนการที่ควบคุมการแพร่กระจาย ผลลัพธ์ที่ได้คือโครงสร้างของแท่งหรือทรงกลมของซีเมนไทต์ภายในโครงสร้างหลัก (เฟอร์ไรต์หรือเพิร์ลไลต์ ขึ้นอยู่กับว่าคุณอยู่ด้านใดของยูเทคตอยด์) จุดประสงค์คือเพื่อทำให้เหล็กกล้าคาร์บอนสูงขึ้นอ่อนตัวลงและช่วยให้ขึ้นรูปได้มากขึ้น นี่คือเหล็กรูปแบบที่อ่อนที่สุดและเหนียวที่สุด ภาพทางด้านขวาแสดงตำแหน่งที่มักเกิดทรงกลม

การหลอมแบบเต็ม: เหล็กกล้าคาร์บอนถูกให้ความร้อนประมาณ 40°C เหนือ Ac3? หรือ Acm? เป็นเวลา 1 ชั่วโมง สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าเฟอร์ไรต์ทั้งหมดจะเปลี่ยนเป็นออสเทนไนต์ (แม้ว่าซีเมนไทต์อาจยังคงอยู่หากปริมาณคาร์บอนมากกว่ายูเทคตอยด์) จากนั้นเหล็กจะต้องถูกทำให้เย็นลงอย่างช้าๆ ในขอบเขต 20°ค (36°F) ต่อชั่วโมง โดยปกติแล้วจะใช้เพียงการระบายความร้อนด้วยเตาเผา โดยที่เตาจะปิดลงโดยที่ยังมีเหล็กอยู่ข้างใน ส่งผลให้มีโครงสร้างมุกหยาบ ซึ่งหมายความว่า “แถบ” ของเพิร์ลไลต์มีความหนา เหล็กอบอ่อนทั้งชิ้นมีความอ่อนและเหนียว โดยไม่มีแรงเค้นภายใน ซึ่งมักจำเป็นสำหรับการขึ้นรูปที่คุ้มค่า เฉพาะเหล็กทรงกลมเท่านั้นที่จะนุ่มและเหนียวกว่า

·กระบวนการอบอ่อน: กระบวนการที่ใช้ในการบรรเทาความเครียดในเหล็กกล้าคาร์บอนงานเย็นที่มีน้อยกว่า 0.3 wt% C โดยทั่วไปเหล็กจะถูกให้ความร้อนสูงถึง 550-650°C เป็นเวลา 1 ชั่วโมง แต่บางครั้งอุณหภูมิสูงถึง 700°C. รูปภาพทางขวา[ต้องการคำชี้แจง] แสดงบริเวณที่กระบวนการหลอมเกิดขึ้น

การหลอมด้วยความร้อนแบบไอโซเทอร์มอล: เป็นกระบวนการที่เหล็กกล้าไฮโปยูเทคตอยด์ถูกให้ความร้อนเหนืออุณหภูมิวิกฤตส่วนบน และอุณหภูมินี้จะถูกคงไว้ระยะหนึ่ง จากนั้นอุณหภูมิจะลดลงต่ำกว่าอุณหภูมิวิกฤติที่ต่ำกว่า และคงรักษาไว้อีกครั้ง จากนั้นจึงทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้องในที่สุด วิธีนี้จะกำจัดการไล่ระดับอุณหภูมิ

การทำให้เป็นมาตรฐาน: เหล็กกล้าคาร์บอนถูกให้ความร้อนประมาณ 55°C สูงกว่า Ac3 หรือ Acm เป็นเวลา 1 ชั่วโมง; สิ่งนี้ทำให้มั่นใจได้ว่าเหล็กจะเปลี่ยนเป็นออสเทนไนต์อย่างสมบูรณ์ จากนั้นเหล็กจะถูกระบายความร้อนด้วยอากาศซึ่งมีอัตราการทำความเย็นประมาณ 38°ซี (100°F) ต่อนาที ส่งผลให้มีโครงสร้างมุกละเอียดและมีโครงสร้างที่สม่ำเสมอมากขึ้น เหล็กธรรมดามีความแข็งแรงสูงกว่าเหล็กอบอ่อน มีความแข็งแรงและความแข็งค่อนข้างสูง

การชุบแข็ง: เหล็กกล้าคาร์บอนที่มีอุณหภูมิอย่างน้อย 0.4 wt% C จะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิปกติ จากนั้นจึงทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว (ดับ) ในน้ำ น้ำเกลือ หรือน้ำมันจนถึงอุณหภูมิวิกฤติ อุณหภูมิวิกฤติขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอน แต่ตามกฎทั่วไปแล้วอุณหภูมิจะลดลงเมื่อปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เกิดโครงสร้างมาร์เทนซิติก รูปแบบของเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนอิ่มตัวยิ่งยวดในโครงสร้างผลึกลูกบาศก์ที่มีร่างกายเป็นศูนย์กลาง (BCC) ที่ผิดรูป ซึ่งเรียกอย่างถูกต้องว่า tetragonal (BCT) ที่มีร่างกายเป็นศูนย์กลาง โดยมีความเครียดภายในมาก เหล็กชุบแข็งจึงมีความแข็งมากแต่เปราะ มักจะเปราะเกินไปสำหรับการใช้งานจริง ความเครียดภายในเหล่านี้ทำให้เกิดรอยแตกร้าวของความเครียดบนพื้นผิว เหล็กชุบแข็งจะมีความแข็งกว่าเหล็กธรรมดาประมาณสามถึงสี่เท่า (ที่มีคาร์บอนมากกว่า)

Martempering (Marquenching): Martempering ไม่ใช่ขั้นตอนการแบ่งเบาบรรเทาจริงๆ ดังนั้นคำว่า "marquenching" เป็นรูปแบบหนึ่งของการบำบัดความร้อนด้วยความร้อนคงที่ซึ่งใช้หลังจากการดับครั้งแรก ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในอ่างเกลือหลอมเหลวที่อุณหภูมิสูงกว่า "อุณหภูมิเริ่มต้นของมาร์เทนไซต์" ที่อุณหภูมินี้ ความเค้นตกค้างภายในวัสดุจะถูกบรรเทาลง และเบนไนต์บางส่วนอาจก่อตัวขึ้นจากออสเทนไนต์ที่ตกค้างซึ่งไม่มีเวลาที่จะเปลี่ยนเป็นสิ่งอื่น ในอุตสาหกรรม นี่เป็นกระบวนการที่ใช้ในการควบคุมความเหนียวและความแข็งของวัสดุ ด้วยการมาร์เควนกิ้งที่นานขึ้น ความเหนียวจะเพิ่มขึ้นโดยสูญเสียความแข็งแรงเพียงเล็กน้อย เหล็กจะถูกยึดไว้ในสารละลายนี้จนกว่าอุณหภูมิภายในและภายนอกจะเท่ากัน จากนั้นเหล็กจะถูกทำให้เย็นลงด้วยความเร็วปานกลางเพื่อให้อุณหภูมิมีความลาดชันน้อยที่สุด กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดความเครียดภายในและการแตกร้าวของความเครียดเท่านั้น แต่ยังเพิ่มความต้านทานต่อแรงกระแทกอีกด้วย

การดับและการอบคืนตัว: นี่คือการรักษาความร้อนที่พบบ่อยที่สุด เนื่องจากคุณสมบัติสุดท้ายสามารถกำหนดได้อย่างแม่นยำโดยอุณหภูมิและเวลาในการอบคืนตัว การแบ่งเบาบรรเทาเกี่ยวข้องกับการอุ่นเหล็กชุบแข็งที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิยูเทคตอยด์แล้วจึงเย็นลง อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้สฟีรอยด์ไนต์ก่อตัวได้ในปริมาณน้อยมาก ซึ่งจะทำให้คืนความเหนียวกลับคืนมา แต่ความแข็งจะน้อยลง อุณหภูมิและเวลาจริงได้รับการคัดเลือกมาอย่างดีสำหรับแต่ละองค์ประกอบ

การออสเทมเปอร์: กระบวนการออสเทมเปอร์นั้นเหมือนกับการมาร์เทมเปอร์ ยกเว้นว่าเหล็กจะถูกเก็บไว้ในอ่างเกลือหลอมเหลวผ่านอุณหภูมิการเปลี่ยนรูปของเบนไนต์ จากนั้นจึงทำให้เย็นลงปานกลาง ผลลัพธ์ที่ได้คือเหล็กกล้าเบนไนต์ที่มีความเหนียวมากขึ้น ทนทานต่อแรงกระแทกสูง และการบิดเบี้ยวน้อยลง ข้อเสียของการปรับออสเทมเปอร์คือใช้ได้กับเหล็กบางชนิดเท่านั้น และต้องใช้อ่างเกลือพิเศษ