การออกแบบชิ้นส่วนเครื่องจักรนั้น นอกจากจะต้องมีความละเอียดถูกต้องตามแบบกำหนดไว้เพื่อให้สามารถประกอบและใช้งานกันได้พอดีแล้ว จำเป็นต้องพิจารณาถึงความทนทานในการใช้งานด้วย โดยเฉพาะชิ้นส่วนที่ต้องมีการสัมผัสเสียดสีกันในขณะเคลื่อนที่ ที่มักจะต้องมีผิวที่แข็งทนทานต่อการสึกหรอ และยังต้องมีความทนทานต่อการใช้งานหนักต่างๆ ได้ดีด้วย เพื่อให้ได้ชิ้นงานที่มีคุณสมบัติต่างๆ ดังกล่าว จึงมีกรรมวิธีนำเหล็กที่มีคุณสมบัติทนทานต่อการใช้งานหนัก มาทำให้ผิวของเหล็กมีความแข็งเพิ่มขึ้น หรือที่เรียกว่า “การชุบแข็ง” นั้นเอง
“การชุบแข็ง” จะเมีทั้งวิธีที่ทำให้โครงสร้างทางเคมีของคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็กเกิดการเปลี่ยนแปลง (คาร์บอนเพิ่มขึ้น) และวิธีที่นำสารอื่นๆ ที่มีความแข็งกว่ามาทำการเคลือบทับชั้นผิวเหล็ก ซึ่งเราสามาถแบ่งวิธีการชุบแข็งทำได้ 4 วิธี คือ
- Case Hardening**
- Nitriding**
- Flame Hardening
- Induction Hardening
**เฉพาะเหล็กที่ผ่านการชุบแข็งผิวแบบ Case Hardening และ Nitriding เท่านั้น ที่ผิวเหล็กจะมีองค์ประกอบทางเคมีเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม
Case Hardening
การทำ Case Hardening จะนิยมทำในเหล็กประเภท Low – carbon โดยการนำเหล็กไปอบกับสารที่มีปริมาณคาร์บอนสูง ซึ่งอาจเป็นของแข็ง (Solid Carburising), ของเหลว (Liquid Carburising) หรือ ก๊าซ (GasCarburising) จนมีอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤตบน ผิวของชิ้นงานดังกล่าวจะมีปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นจนถึง 0.85% ต่อมาจึงนำไปทำ Heat Treatment อีกทีหนึ่งก็จะได้ชิ้นงานมีผิวแข็งทนทานต่อการ สึกหรอต่างๆ
Nitriding
การทำ Nitriding คือ การทำให้ผิวชิ้นงานเกิดเป็นโลหะไนไตร์น โดยการอบชิ้นงานที่ผ่านการทำHeat Treatment มาแล้วในภาชนะปิดที่มีก๊าซแอมโมเนียหมุนเวียน อบจนมีอุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส ต่อเนื่องนาน 2 – 4 วัน เพื่อให้แอมโมเนียจะสลายตัวและเกิดก๊าซไฮโดรเจนและไนโตรเจน ก๊าซไนโตรเจนที่เกิดใหม่ๆ นี้จะซึมเข้าไปในผิวชิ้นงานเกิดเป็นโลหะไนไตร์นขึ้น
โลหะที่สามารถทำ Nitriding ได้ดี จะเป็นโลหะผสมพวก Nitralloy (คาร์บอน 0.2 – 0.5% โครเมียม 1.5% อลูมิเนียม 1% และโมลิบดินัม 0.2%) ซึ่งผิวชิ้นงานจะเกิดเป็นโครเมียม และอลูมิเนียมไนไตรน์ทำให้ผิวแข็งขึ้น โดยมีขั้นตอนการทำดังนี้
- ทำ Hardening โดยอบที่อุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียส แล้วทำให้เย็นตัวโดยเร็วโดยจุ่มลงในน้ำทันที
- ทำ Tempering ที่อุณหภูมิ 650 องศาเซลเซียส
- ทำเป็นชิ้นงานหยาบ โดยการนำชิ้นงานมากัด หรือ กลึงหยาบที่ผิว
- ทำ Annealing ที่อุณหภูมิ 525 – 550 องศาเซลเซียส นาน 5 ชม. เพื่อลดความเครียดที่เกิดจากข้อ 3
- ทำงานตามแบบให้ได้รูปร่างสำเร็จตามการผลิตต่างๆ เช่น กัดงานตามแบบ กลึง EDM Wire Cut
- ทำ Nitridingที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส ให้ผิวแข็งประมาณ 1050 – 1100 HV ความลึกของผิวแข็งจะประมาณ 0.25 – 0.90 มม.
** ข้อดีของการชุบผิวแข็ง โดยวิธี Nitriding คือ ชิ้นงานได้ผ่านการทำ Heat – treatment มาก่อนทำ Nitriding จึงไม่มีโอกาสที่ชิ้นงานจะบิดงอหรือแตกร้าว และหลังจากผ่านการทำ Nitriding แล้วจะไม่มีความเครียดภายในเนื้อโลหะ ในขณะที่ผิวชิ้นงานมีลักษณะแข็งมาก คือประมาณ 1050 – 1100 HV และบริเวณที่อยู่ลึกลงไปประมาณ 0.03 – 0.08 มม. จะแข็งมากที่สุด และทนทานต่อการกัดกร่อนต่างๆ ได้ดีมาก
Flame Hardening
การทำ Flame Hardening เป็นการใช้เปลว Oxy – Acetylene เผาชิ้นงานจนมิอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤติบน แล้วพ่นละอองน้ำลงไปให้ชิ้นงานเย็นตัวทันที เหล็กกล้าที่จะนำมาทำ Flame Hardening ควรจะมีปริมาณคาร์บอน 0.4 – 0.6 % เพื่อให้ชิ้นงานมีผิวแข็งและมีความทนทานต่อการใช้งานหนัก เหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอน 0.45% หลังจากทำ Flame Hardening แล้วจะมีผิวแข็งประมาณ 600 – 650HV และความลึกของผิวแข็งนี้จะประมาณ 3.0 – 3.8 มม.
Induction Hardening
การทำ Induction Hardening เป็นการให้ความร้อนผิวชิ้นงานอย่างรวดเร็วโดยใช้กระแสไฟฟ้าความถี่สูงจ่ายเข้าชิ้นงาน ทำให้ชิ้นงานมีอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤติบนภายในเวลา 3 – 5 วินาที แล้วทำให้เย็นตัวทันทีโดยการพ่นละอองน้ำลงไป ความลึกของผิวชุบแข็งที่ได้มีค่าประมาณ 3.2 มม. เหล็กกล้าที่จะนำมาทำ Induction Hardening ควรมีปริมาณคาร์บอน 0.4 – 0.6% วิธีนี้ถ้าควบคุมเวลาที่ใช้ในการชุบแข็งให้ได้ตามกำหนดแล้ว การที่ผลึกจะขยายขนาดขึ้น หรือเกิดการบิดงอของชิ้นงานหรือเกิด Decarburisation จะไม่มีโอกาสเกิดขึ้น
