การอบชุบเหล็กกล้าแม่พิมพ์

อุษณีย์ กิตกาํธร

อีเมล์: k_usanee@sut.ac.th

� ความแข็งแรงและความแกร่งสูง

� ความแข็งสูงเพื�อต้านทานการสึกหรอ

� การคงขนาดและมิติที�แน่นอน

� อายุการใช้งาน

คุณสมบัติของแม่พิมพ์ที�ต้องการ

� แม่พิมพ์ส่วนใหญ่ผลิตโดยการกลึงไสกัดเจาะ

� เหล็กกล้าที�จะนํามาผลิตมาในสภาพแท่งหรือก้อน ส่วนใหญ่มีความแข็งปานกลางถึงตํ�า เหมาะกับการกลึงไสกัดเจาะ

� เพื�อเพิ�มคุณภาพของทั 0งตัวงานที�ผลิต และตัวแม่พิมพ์ ส่วนใหญ่ต้องนําแม่พิมพ์หลังจากกลึงไสและกัด ไปอบชุบทางความร้อนเพื�อเพิ�มความแข็ง

คุณสมบัติของแม่พิมพ์ที�ต้องการ

� วัตถุประสงค์การอบชุบ� เพื�อนําไปขึ 0นรูปและกลึงไส หรือปรับโครงสร้างก่อนนําไปชุบแข็ง�อบอ่อน และอบปกติ

� เพื�อเพิ�มความแข็งและนําไปใช้งาน�ชุบแข็ง

�ชุบผิวแข็ง

การอบชุบเหล็กกล้าแม่พิมพ์

� กลุ่มเหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าผสมตํ�า เช่น�JIS S50C / AISI1050 / DIN Ck50

� กลุ่มเหล็กกล้าเครื� องมือ เช่น

�JIS SKS41 / AISI S1 / DIN 60WCrV8

�JIS SKD11 /AISI D2 / DIN X165CrMoV12

�JIS SKD61 / AISI H13 / DIN 40CrMoV5

� กลุ่มเหล็กกล้าชั 0นคุณภาพพิเศษเฉพาะงาน เช่น เหล็กกล้าแม่พิมพ์พลาสติก AISI P2, AISIP6 / JIS SKC31

ชนิดเหล็กกล้าทําแม่พิมพ์ โลหะวิทยาทั�วไปของเหล็กกล้าคาร์บอน

เหล็กกล้าไฮโปยูเทต็อยด์

เหล็กกล้าไฮเปอร์ยูเทก็ตอยด์

� การอบชุบทางความร้อนปรับโครงสร้างจุลภาคเหล็กได้ เพราะเหล็กและเหล็กกล้ามีโครงสร้างผลึกหรือเฟสได้หลายแบบ

� ที�อุณหภูมิสูงเหล็กและเหล็กผสมเป็นเฟสออสเทนไนต์

� ที�อุณหภูมิตํ�าลงมาเหล็กและเหล็กผสมอาจเปลี�ยนเฟสกลายเป็นเฟอร์ไรต์ เพิ ร์ลไลต์ เบนไนต์ และมาร์เทนไซต์ โดยขึ 0นกับอัตราการเย็นตัวและธาตุผสมในเหล็ก

โลหะวิทยาทั�วไปของเหล็กกล้าคาร์บอน โลหะวิทยาทั�วไปของเหล็กกล้าคาร์บอน

อัตราการเยน็ตัว

ออสเทนไนต์เกิดการเปลี�ยนแปลงไปเป็นโครงสร้างจลุภาคได้หลากหลาย ขึ 0นกบัอตัราการเยน็ตวัและชนิดเหลก็กล้านั 0นๆ

เพริ์ลไลต์หยาบ เพริ์ลไลต์ละเอียด เบนไนต์ มาร์เทนไซต์

� มีความแข็งสูงแต่เปราะ ความแข็งของมาร์เทนไซต์ขึ 0นอยู่กับปริมาณคาร์บอนเท่านั 0น ส่วนธาตุผสมอื�นจะส่งผลต่อ ความสามารถในการชุบแข็ง อุณหภูมิเริ� มเกิดมาร์เทนไซต์ Ms และ อุณหภูมิสิ 0นสุดการเกิดมาร์เทนไซต์ M f

�0.2%C ∼ 50 HRC

�0.4%C ∼ 58 HRC

�0.8%C ∼ 63 HRC

�ออสเทนไนต์ที� มีคาร์บอนตั 0งแต่ 0.4%ขึ 0นไป หลังชุบแข็งมาที�อุณหภูมิห้องแล้ว จะไม่ได้มาร์เทนไซต์ทั 0งหมดและมีออสเทนไนต์เหลือค้างด้วย

มาร์เทนไซต์

� มีความแข็งสูงแต่น้อยกว่ามาร์เทนไซต์ นอกจากนี 0มีความเหนียวกับความแกร่งสูง

� เกิดขึ 0นเมื�ออัตราการเย็นตัวสูงแต่ช้ากว่าอัตราการเย็นตัววิกฤติ

� ลักษณะเบนไนต์ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์รูปร่างแหลมขนาดเล็กๆ และมีคาร์ไบด์ตกผลึกอยู่ภายใน(เบนไนต์เกิดที�อุณหภูมิตํ�า) หรืออยู่ระหว่างเข็มเฟอร์ไรต์(เบนไนต์เกิดที�อุณหภูมิสูง)

เบนไนต์

� ที� 100-200 °C เริ�มเกิดคาร์ไบด์กึ�งสมดุลขนาดเล็กตกผลึกออกมาความแข็งลดลงเล็กน้อยเพิ�มความแกร่ง(toughness)

� ที� 200-350°C ออสเทนไนต์เหลือค้างเปลี�ยนเป็นเบนไนต์ ความแข็งลดลง ความเหนียวเพิ�มขึ 0น

� ที� 250-700°C เกิดการตกผลึกซีเมนไทต์ม M3C

และมาร์เทนไซต์กลายเป็นเฟอร์ไรต์ ความแข็งลดลงชัดเจน

� ที� 700°C ขึ 0นไป ผลึกซีเมนไทต์โตขึ 0น และเกิดการตกผลึกของคาร์ไบด์ประเภทสมดุล ความแข็งลดลงมาก

การอบคืนไฟ

หากนํามาร์เทนไซต์จากการชบุเหลก็กล้าคาร์บอนไปอบคืนไฟที�อณุหภมูิสงู 200-600°C จะเกิดการเปลี�ยนแปลงขึ 0นกบัอณุหภมูิคือ

� ในกรณีเหล็กกล้าที� มีคาร์บอนปานกลางถึงสูงและมีธาตุผสมที�รวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ได้ดี หลังชุบแข็งจะมีออสเทนไนต์เหลือค้างมาก ความแข็งจึงอาจไม่สูงสุด

� เมื�ออบคืนไฟ คาร์บอนในออสเทนไนต์เหลือค้างจะจับตัวกับธาตุดังกล่าวเป็นคาร์ไบด์ และเมื�อปล่อยเย็นตัวออสเทนไนต์เหลือค้างจะกลายเป็นมาร์เทนไซต์ จึงปรากฎพฤติกรรมการมีค่าความแข็งเพิ�มขึ 0นหลังการอบคืนไฟ (secondary

hardening)

มาร์เทนไซต์

ประเภทของกระบวนการอบชุบทั 0งชิ 0นงาน หลักๆ คือ� อบอ่อน (Annealing)

� อบปกติ (Normalizing)

� ชุบแข็งและอบคืนไฟ (Quenching & Tempering)

ประเภทของกระบวนการอบชุบทั 0งชิ 0นงานแบบพิเศษ� ออสเทมเปอริง (Austempering)

� มาร์เทมเปอริง (Martempering)

กระบวนการอบชุบของกลุ่มเหล็กช่วงอุณหภูมิในการอบเหล็กกล้า

ของกระบวนการอบชุบต่างๆ

การอบอ่อนยังสามารถแบ่งประเภทย่อยๆ ได้อีก โดยแบ่งตามวัตถุประสงค์ของการอบอ่อน เช่น

�อบอ่อนคลายความเค้นตกค้าง (Stress relief annealing

or process annealing, sub-critical annealing)

� อบอ่อนเพื�อการตกผลึกใหม่ มีทั 0งแบบ recrystallization

annealing และ isothermal annealing

� อบอ่อนคาร์ไบด์กลม (spheroidize annealing)

� อบอ่อนสมบูรณ์ (Full annealing)

กระบวนการอบอ่อน

�อบอ่อนคลายความเค้นตกค้าง (Stress relief annealing

or process annealing, sub-critical annealing)

� ใช้กับชิ 0นงานที�ผ่านการขึ 0นรูปเย็นที�ไม่รุนแรงมากนัก เช่น ผ่านการกลึงไสมา

� โครงสร้างจุลภาคไม่เกิดการเปลี�ยนแปลง อบเพื�อคืนความเหนียวให้กับเหล็กกล้า

� ปกติอบที�อุณหภูมิตํ�ากว่า A1

กระบวนการอบอ่อน

� อบอ่อนเพื�อการตกผลึกใหม่ มีทั 0งแบบ recrystallization

annealing และ isothermal annealing

� ใช้กับชิ 0นงานที�ผ่านการขึ 0นรูปเย็นมาอย่างรุนแรง เช่น การดึงขึ 0นรูป อัดขึ 0นรูป รีดขึ 0นรูป เป็นต้น อบเพื�อปรับรูปร่างและขนาดเกรน

�recrystallization annealing อุณหภูมิที�อบอยู่เหนืออุณหภูมิการตกผลึกใหม่ และให้คงที�เป็นระยะเวลาหนึ�งๆ

�isothermal annealing อุณหภูมิที�อบเริ�มต้นอยู่ในช่วงที�เกิดเป็นออสเทนไนต์ได้บางส่วน (intercritical temperature) แล้วปล่อยเย็นตัวลงมาที�อุณหภูมิตํ�ากว่า A1 เพื�อให้เกิดเพิร์ลไลต์

กระบวนการอบอ่อน

� อบอ่อนคาร์ไบด์กลม (spheroidizing annealing หรือ soft

annealing)

�เพื�อปรับคาร์ไบด์ให้กลมมน และไม่มีความต่อเนื�องเพื�อที�จะนําไปกลึงไสได้ง่าย

�ใช้กับเหล็กกล้าที�มีคาร์บอนปานกลางถึงคาร์บอนสูง

�อบที�อุณหภูมิตํ�ากว่า A1 เล็กน้อยเป็นเวลานานๆ ประมาณ 24 ชม.

�หรืออบที�อุณหภูมิตํ�ากว่าและสูงกว่า A1 เล็กน้อยสลับกันไปมา�หรืออบที�อุณหภูมิสูงกว่า A1 จากนั 0นปล่อยเย็นตัวในเตาลงมาที�

อุณหภูมิตํ�ากว่า A1 เพียงเล็กน้อยแล้วคงไว้เป็นเวลานานๆ

กระบวนการอบอ่อน

�

กระบวนการอบอ่อน

เหล็กกล้าคาร์บอน 1.0% % % % สภาพหลังอบอ่อนให้คาร์ไบด์กลม

เหล็กกล้าเครื/องมือ DDDD2 2 2 2 (SKD(SKD(SKD(SKD11111111)))) สภาพหลังอบอ่อนให้คาร์ไบด์กลม

� อบอ่อนสมบูรณ์ (Full annealing)

�ใช้กับชิ 0นงานที�ผ่านการขึ 0นรูปเย็นมาอย่างรุนแรง หรือผ่านกระบวนการผลิตอื�นๆ มาแล้วต้องการปรับลักษณะโครงสร้างจุลภาคภายในเหล็กกล้าให้สมํ�าเสมอ

� กรณีไฮโปยูเท็กตอยด์อบเหนือ A3 ส่วนกรณีไฮเปอร์ยูเท็กตอยด์อบเหนือ หรือ A1

กระบวนการอบอ่อน

� เป็นการปรับปรุงโครงสร้างให้มีความสมํ�าเสมอ ช่วงการอบคล้ายกับการอบอ่อนสมบูรณ์ แต่อัตราการเย็นตัวเร็วกว่า โดยการให้เย็นในอากาศ

� การอบปกติให้ขนาดเกรนเล็กละเอียดกว่า ให้ความแข็งแรงสูง กว่าการอบอ่อนสมบูรณ์

� ในเชิงพาณิชย์นิยมอบปกติมากกว่าอบอ่อนสมบูรณ์เนื�องจากไม่ต้องคุมการเย็นตัวในเตา ใช้เวลาในช่วงการเย็นตัวสั 0นกว่า กําลังการผลิตจึงสูงกว่า

� ในเหล็กกล้าเครื� องมือส่วนใหญ่ ไม่นิยมใช้การอบปกติ

การอบปกติ

� เป็นการปรับปรุงเหล็กกล้าให้มีความแข็งสูง เหมาะกับการใช้งานที� ต้องการการทนต่อการสึกหรอ หรือเสียดสีได้ดี

� โครงสร้างจุลภาคกลายเป็นเทมเปอร์มาร์เทนไซต์ หรือเบนไนท์ หรือผสมกันระหว่างเบนไนท์และเทมเปอร์มาร์เทนไซต์ ทั 0งนี 0ขึ 0นกับชนิดเหล็กกล้าและขั 0นตอนการชุบแข็ง

� ประกอบด้วย 3 ขั 0นตอนหลัก คือ การอบให้เป็นออสเทนไนต์ การชุบให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว และการอบคืนไฟ

การชุบแข็งและอบคืนไฟ

การชุบแข็งและอบคืนไฟ

อณุหภ

มูิ

เวลา

ออสเทนนิไทซิง

ชบุให้

เย็นต

วัอยา่

งรวด

เร็ว

อบคืนไฟ

TTT AND CCT DIAGRAMS

�กราฟแสดงความสัมพันธ์ของการเปลี�ยนเฟสจากออสเทนไนต์ไปเป็นเฟสอื�น ใช้ทํานายโครงสร้างที�จะได้จากการอบชุบ โดยกราฟมี 2 แบบคือ

�TTT Diagram (Time-Temperature Transformation)

ได้จากการวัดอัตราการเปลี�ยนเฟสที�อุณหภูมิคงที� อีกนัยหนึ�งก็คือการทําให้โลหะเย็นตัวอย่างรวดเร็วลงมายังอุณหภูมิที�สนใจจากนั 0นคงอุณหภูมิไว้แล้ววัดอัตราการเปลี�ยนเฟสเทียบกับเวลา

�CCT Diagram (Continuous Cooling Transformation)

ได้จากการวัดอัตราการเปลี�ยนเฟสเมื�อปล่อยให้เย็นตัวอย่างต่อเนื�อง อีก

นัยหนึ�งก็คือการทําให้โลหะเย็นตัวอย่างต่อเนื�องแล้ววัดอัตราการเปลี�ยน

เฟสเทียบกับเวลา ทําหลายๆ อัตราการเย็นตัว

�

CCT AND TTT DIAGRAMS

�

CCT AND TTT DIAGRAMS

TTT เทียบกับ CCT

ถา้จะชบุใหไ้ดม้าร์เทนไซต์เท่านั�นตอ้งเย็นตวัเร็วกว่า “อัตราการเยน็ตัววกิฤต””””

TTT เทียบกับ CCT

TTT และ CCT ของเหลก็กล้าผสมตํ�า AISI4140/SCM440/DIN 42CrMo4

TTT ของเหล็กกล้าไฮโปยูเท็กตอยด์

TTT ของเหล็กกล้าไฮเปอร์ยูเท็กตอยด์

TTT เทียบกับ CCT

ผิวชิ0น

งาน

ใจกล

างชิ0น

งาน

� เมื�อไรเราจะใช้แผนภาพ TTT

� การอบชุบเป็นแบบอุณหภูมิคงที� เช่น isothermal annealing

� การชุบแบบออสเทมเปอริง เพื�อให้ได้เบนไนต์� การชุบแบบมาร์เทมเปอริง เพื�อให้ได้มาร์เทนไซต์และลดการบิดเบี 0ยว

หรือแตกร้าว

� เมื�อไรเราจะใช้แผนภาพ CCT diagram

� การอบชุบเป็นแบบเย็นตัวต่อเนื�องทุกแบบ เช่น อบปกติ

การชุบในนํ 0ามัน การชุบในนํ 0า เป็นต้น

TTT AND CCT DIAGRAMS