การชุบผิวแข็ง (Hardening)

การชุบผิวแข็ง (Hardening)คือการเพิ่มความแข็งให้กับผิวชิ้นงาน เพื่อความทนทานต่อการสึกหรอ และทนทานต่อ Dynamic Stresses โดยนำเหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติทนทานต่อการใช้งานหนัก มาทำให้ผิวของเหล็กมีความแข็งเพิ่มขึ้น

การชุบผิวแข็งแบ่งได้เป็น 4 วิธี
1. Case Hardening คือการนำเหล็ก Low carbon ไปอบกับสารที่มีปริมาณคาร์บอนสูง ซึ่งอาจเป็นของแข็ง ของเหลว หรือ ก๊าซ จนมีอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤตบนผิวของชิ้นงานเพื่อเพิ่มปริมาณคาร์บอนขึ้นถึง 0.85% ต่อมาจึงทำ Heat Treatment ซึ่งจะได้ชิ้นงานมีผิวแข็งทนทานต่อการสึกหรอ

2. Nitriding (Surface Hardening) คือ การทำให้ผิวชิ้นงานเกิดเป็นโลหะไนไตรน์ ด้วยการอบชิ้นงานที่ผ่านการทำ Heat Treatment มาแล้ว ในภาชนะปิดที่มีก๊าซแอมโมเนียหมุนเวียนอยู่ตลอดเวลา อบจนมีอุณหภูมิ 500?C เป็นเวลา 2 - 4 วัน แอมโมเนียจะสลายตัวให้ก๊าซไฮโดรเจน และไนโตรเจน จะซึมเข้าไปในผิวชิ้นงานเกิดเป็นโลหะไนไตรน์ โลหะพวก Plain Carbon Steels ไม่ควรนำมาทำ Nitriding เนื่องจากจะเกิดคาร์บอนไนไตรน์ ที่ผิวชิ้นงานจะทำให้ชิ้นงานเปราะเกินไป

ข้อดีของการทำ Nitriding
- เนื่องจากชิ้นงานได้ผ่านการทำ Heat treatment มาก่อนทำ Nitriding การบิดงอหรือแตกร้าวของชิ้นงานซึ่งเกิดจากการทำให้เย็นตัวโดยเร็วจึงไม่มี และหลังจากผ่านการทำ Nitriding แล้วจะปราศจากความเครียดภายในเนื้อโลหะ

- ผิวชิ้นงานจะแข็งประมาณ 1050 - 1100 HV ที่ความลึกประมาณ 0.03 - 0.08 มม.

- ความแข็งของผิวชิ้นงานจะคงสภาพที่อุณหภูมิ 500?C ในขณะที่ชิ้นงานที่ผ่านการทำ Carburising จะมีความแข็งของผิวเพียงประมาณ 200?C เมื่ออุณหภูมิเกินกว่า 200?C ผิวชิ้นงานจะอ่อนตัวลง

- ทนทานต่อการกัดกร่อนต่างๆ ได้ดีมาก

- มีความทนทานต่อการล้าตัว (Fatigue) ของเนื้อโลหะ

- การทำ Nitriding จะเสียค่าใช้จ่ายในขั้นต้น เช่น ค่าก่อสร้างโรงงานมากกว่าการชุบแข็งแบบอื่นๆ และยังต้องใช้โลหะผสมชนิดพิเศษอีกด้วย แต่ถ้าต้องชุบแข็งชิ้นงานจำนวนมากๆ วิธีนี้จะถูกกว่าวิธีอื่นๆ

3. Flame Hardening คือ การใช้เปลว Oxy Acetylene เผาชิ้นงานจนมิอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤติ แล้วพ่นละอองน้ำให้ชิ้นงานเย็นตัว เหล็กกล้าที่ทำ Flame Hardening ควรจะมีปริมาณคาร์บอน 0.4 - 0.6 % เพื่อให้ชิ้นงานมีผิวแข็งและทนทานต่อการใช้งานหนัก เหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอน 0.45 % หลังจากทำ Flame Hardening จะมีผิวแข็งประมาณ 600 - 650 HV ที่ความลึกประมาณ 3.0 - 3.8 มม. ตัวอย่างชิ้นงาน เช่น เกียร์ ลูกเบี้ยว ซี่เฟืองต่างๆ ก่อนที่จะนำชิ้นงานมาชุบแข็งควรจะลดความเครียดภายในออกเสียก่อน หลังจากทำการชุบผิวแข็งแล้วจึงทำการ Annealing ที่อุณหภูมิต่ำๆ เพื่อลดความเครียดอีกทีหนึ่ง

4. Induction Hardening คือ การให้ความร้อนผิวชิ้นงานอย่างรวดเร็ว ด้วยกระแสความถี่สูงทำให้ชิ้นงานมีอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤติภายในเวลา 3 - 5 วินาที แล้วทำให้เย็นตัว โดยการพ่นละอองน้ำ ความลึกของผิวชุบแข็งที่ได้มีค่าประมาณ 3.2 มม. เหล็กกล้าที่จะนำมาทำ Induction Hardening ควรมีปริมาณคาร์บอน 0.4 - 0.6 % วิธีนี้ถ้าควบคุมเวลาที่ใช้ในการชุบแข็งได้ตามกำหนด การที่ผลึกจะขยายขนาดขึ้น การบิดงอของชิ้นงาน หรือ De-Carburisation จะไม่มีโอกาสเกิดขึ้น