น้ำมันชุบแข็ง

น้ำมันชุบแข็ง มีหน้าที่หลักสองอย่างคือ  ทำให้เหล็กแข็งตัวในขณะที่ทำการชุบแข็ง และเพิ่มการสัมผัสระหว่างชิ้นงานกับน้ำมันชุบเพื่อลดกระทบเรื่องความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิที่อาจทำให้ชิ้นงานบิดตัว หรือแตกร้าว

ลักษณะการเย็นตัวของเหล็กชุบแข็งในของเหลว 

เมื่อจุ่มชิ้นเหล็กที่มีอุณหภูมิสูงเกินอุณหภูมิวิกฤตของเหล็กลงในอ่างของเหลว ชิ้นเหล็กนี้จะเย็นลงเรื่อย ๆ อุณหภูมิที่ผิวและแกนกลางของชิ้นเหล็กจะเย็นลงไม่เท่ากัน ลักษณะการระบายความร้อนหรือการเย็นตัวของชิ้นเหล็ก ณ ที่ผิวและแกนกลางในขณะที่ยังจุ่มอยู่ในของเหลวพอที่จะจำแนกออกได้เป็น 3 ขั้นตอนได้แก่ Vapour Blanket Stage , Boiling หรือ Vapour Transport Stage และ Liquid Cooling Stage

Vapour Blanket Stage

เมื่อจุ่มเหล็กที่ร้อนลงในของเหลวทันที สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือความร้อนในเนื้อเหล็กจะทำให้ของเหลวรอบ ๆ เนื้อเหล็กกลายเป็นไอทันทีทันใด ไอนี้จะห่อหุ้มชิ้นเหล็กไว้ การถ่ายเทความร้อนระหว่างชิ้นงานและของเหลวจะไม่ดีเลย เนื่องจากมีไอห่อหุ้มเป็นฉนวนอยู่ ไอนี้เป็นตัวนำความร้อนที่ต่ำมาก ในงานชุบแข็งเหล็กเราต้องการให้การถ่ายเทความร้อนในขั้นตอนนี้เป็นไปอย่างเร็วที่สุดและสั้นที่สุด

Boiling หรือ  Vapour Transport Stage

ขณะที่อุณหภูมิของชิ้นงานค่อยๆ เย็นลง เนื่องจากการระบายความร้อน ใน Vapour Blanket Stage อุณหภูมินี้จะเย็นลงถึงจุดๆหนึ่งที่ไอห่อหุ้มชิ้นเหล็กไม่อาจคงสภาพอยู่ได้ ของเหลวรอบๆ ชิ้นงานก็เข้าไปสัมผัสกับผิวนอกของเนื้อเหล็กเกิดการเดือดอย่างรุนแรง ความร้อนจำนวนมากจากเนื้อเหล็กจะถูกดึงออกไปเพื่อใช้ในการเดือดในรูปของความร้อนแฝง ฟองที่เกิดจากการเดือดจะช่วยปั่นกวนของเหลวทำให้การถ่ายเทความร้อนดีขึ้น อัตราการเย็นตัวของเนื้อเหล็กในขั้นตอนนี้จะมากและอย่างน้อยจะต้องเท่ากับอัตราการเย็นตัววิกฤตของเหล็กนั้นๆ เพื่อให้แน่ใจว่าเนื้อเหล็กผิวนอกทั้งหมดจะถูกแปรสภาพให้อยู่ในโครงสร้างของ Martensite

Liquid Cooling Stage 

หลังจากผ่าน Boiling หรือ Vapour Transport Stage แล้ว อุณหภูมิของเนื้อเหล็กจะลดลงจนเท่ากับอุณหภูมิจุดเดือดของของเหลว การเดือดจะหยุด การถ่ายเทความร้อนในช่วงนี้อาศัยวิธีการพาและการนำความร้อน อุณหภูมิของของเหลวในขณะนี้จะอยู่ในราว 300 - 350 ๐C ซึ่งเป็นอุณหภูมิของเนื้อเหล็กที่เริ่มจะเปลี่ยนโครงสร้างไปเป็น Martensite การระบายความร้อนใน Stage นี้ต้องเป็นไปอย่างช้าๆ เพื่อให้อุณหภูมิผิวนอกและแกนในใกล้เคียงกันมากที่สุดเพื่อป้องกันการแตกร้าวหรือบิดเบี้ยวของชิ้นงาน ขณะที่เนื้อเหล็กจะเริ่มเปลี่ยนโครงสร้างจาก Austenite เป็น Martensite

จากการระบายความร้อน 3 ขั้นตอนที่ได้กล่าวมาแล้วพอสรุปได้ว่า สำหรับงานชุบแข็งเหล็กที่ดี Vapour Blanket Stage ควรจะเกิดขึ้นเร็วที่สุดและสั้นที่สุด อัตราการเย็นตัวของเนื้อเหล็กใน Vapour Transport Stage จะต้องสูงอย่างน้อยต้องเท่ากับอัตราการเย็นตัววิกฤตของเหล็กนั้นๆ ยิ่งอัตราการเย็นตัวมากเท่าใดเหล็กที่ชุบก็จะชุบได้แข็งกว่าและลึกกว่า และสุดท้ายในขั้นตอนของ Liquid Cooling Stage การระบายความร้อนต้องไม่เร็วเกินไป เหตุผลคือป้องกันไม่ให้อุณหภูมิที่ผิวและแกนในต่างกันมากเพื่อป้องกันการแตกร้าวหรือบิดเบี้ยวของชิ้นงาน นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่คนนิยมใช้น้ำมันสำหรับชุบแข็งเหล็กแทนน้ำ เพราะน้ำสามารถระบายความร้อนได้ค่อนข้างเร็วใน Liquid Cooling Stage ทำให้ชิ้นงานมีโอกาสบิดเบี้ยวและแตกร้าวได้ง่าย

การปนเปื้อนในน้ำมันชุบแข็ง 

• น้ำ  การปนเปื้อนด้วยน้ำเป็นปัญหาที่พบได้ทั่วไป ซึ่งจะทำให้เกิดการชุบแข็งเป็นจุด การบิดตัว การแตกร้าว  สาเหตุมาจากระบบแลกเปลี่ยนความร้อนของน้ำมันเสียหาย และการกลั่นตัวของน้ำจากอากาศ
•  เขม่า มักจะมาจากสิ่งแวดล้อม  หากไม่ได้ควบคุมสภาพแวดล้อมให้ดี เขม่าเป็นอนุภาคขนาดเล็ก และกรองได้ยาก  จากการศึกษาพบว่าในตอนแรกเขม่าจะช่วยเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อน แต่เมื่อสะสมมากขึ้นจะทำให้การถ่ายเทความร้อนช้าลง
  
• เกลือ  มักจะติดมากับชิ้นงานที่มาจากเตา Salt-bath 
• Oxidation มาจากการใช้งานที่อุณหภูมิสูง และการเสียโครงสร้างของน้ำมันในขณะทำการชุบแข็ง
  
• น้ำมันไฮดรอลิค เป็นสิ่งปนเปื้อนที่พบได้ทั่วไป อาจมาจากการรั่วไหลของระบบเปิด ปิดประตู หรืออื่น ๆ
  

ผลของการปนเปื้อน

รูปที่ 1: ผลของการปนเปื้อนต่อ max. cooling rate และอุณหภูมิที่่ max. cooling rate

ในปัจจัยทั้งหมด อุณหภูมิของน้ำมันชุบแข็งมีผลต่ออัตราการเย็นตัวมากที่สุด  การเพิ่มอุณหภูมิของน้ำมันชุบแข็งจะทำให้ได้อัตราการเย็นตัวที่ดีขึ้น มันอาจจะขัดกับความรู้สึกบ้าง แต่เหตุผลหลักก็คือความหนืดของน้ำมันจะเปลี่ยนไปเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น  ตัวอย่างเช่น ที่อุณหภูมิห้อง 28 องศาเซลเซียส  น้ำมันจะมีความหนืดและไม่เปียกชิ้นงานได้ง่าย แต่เมื่ออุณหภูมิของน้ำมันสูงขึ้น ความหนืดจะลดลงและเปียกชิ้นงานได้ง่ายขึ้น  จึงทำให้อัตราการเย็นตัวดีขึ้น

การปนเปื้อนด้วยอนุภาค เขม่าหรือปฏิกิริยาทางเคมี มักจะทำให้ความหนืดของน้ำมันเปลี่ยนไป และมีผลกระทบต่อคุณภาพของชิ้นงาน  หากไม่ได้บำรุงรักษาน้ำมันให้ดีพอจะต้องมีการเปลี่ยนถ่าย มีต้นทุนแรงงาน การขนส่งและอื่น ๆ ตามมาอีกมาก

การปนเปื้อนด้วยน้ำ จะเพิ่มอัตราการเย็นตัว จึงทำให้อุณหภูมิที่ให้อัตราการเย็นตัวสูงสุดลดลง และทำให้เกิดการบิดตัว และการแข็งไม่เท่ากันของชิ้นงาน

รูปที่ 2:  ผลของการปนเปื้อนด้วยน้ำ

น้ำมันไฮดรอลิค จะทำให้อัตราการเย็นตัวสูงขึ้น และทำให้อุณหภูมิที่ให้อัตราการเย็นตัวสูงสุดสูงขึ้น  เพราะน้ำมันไฮดรอลิคละลายเข้ากับน้ำมันชุบแข็งได้ จึงทำให้คุณสมบัติของน้ำมันชุบแข็งเปลี่ยนไป

อ๊อกซิเดชั่น ทำให้อัตราการเย็นตัวและอุณหภูมิที่ให้อัตราการเย็นตัวสูงสุด ลดลง  เนื่องจากอ๊อกซิเดชั่นทำให้น้ำมันชุบแข็งมีความหนืดสูงขึ้น

รูปที่ 3:  ผลของการเกิดอ๊อกซิเดชั่น

 ตัวอย่างการแยกตะกอนออกจากน้ำมันชุบแข็ง

  Share