shqxk
22-01-15, 07:49 PM
เหล็กงานเย็นที่นิยมนำมาทำมีดร้อยทั้งร้อยเป็น air hardening steel (ท่านใดเอา SK5 เป็นแผ่นมาเจียร์บอกว่ากูใช้เหล็กงานเย็นก็ไม่ว่ากันนะครับ)
ไม่ว่าจะเป็นแสตนเลส กลุ่ม alloy too steel หรือกลุ่มไฮสปีด จะเป็นตระกูล440 หรือเหล็ก CPM พวกนี้ล้วนแต่ตามสเปคอุตสาหกรรมคือชุบแข็งด้วยอากาศทั้งสิ้น
คำว่าชุบแข็งด้วยอากาศนั้นมีความหมายตรงตัวครับ คือหลังจาก pre-heat ---> austenitizing แล้วเพียงแค่เอาออกมาห้อยต่องแต่งในห้องมันก็เริ่มแข็งแล้ว จะแข็งมากแข็งน้อยยังไงก็ขึ้นกับอัลลอยด์ เหล็กชุบน้ำหรือชุบน้ำมันหากทำแบบเดียวกันก็คงอ่อนเปลี้ยประหนึ่งเป็นการนอลมอลไลซ์ไปซะงั้น
ด้วยเหตุผลนี้เหล็ก air hardening ทุกเบอร์จึงไม่เหมาะแก่การขึ้นรูปด้วยความร้อนด้วยมือ
แน่นอนว่าด้วยอัลลอยด์ที่สูงเหล็กงานเย็นก็จะมีคุณลักษณะหลายอย่างต่างจากเหล็กงานร้อน
1. อุณหภูมิ austenitizing สูง ส่วนใหญ่ขึ้นหลักพันองศาc ทั้งสิ้น
2. อัตราการเย็นตัววิกฤติลดลงหมายถงึ อัตราการเย็นตัวที่ austenite จะเปลี่ยนไปเป็น martensite(หรือ bainite)ได้ทัน ถ้าช้ากว่านี้จะไม่มีโอกาศและจะคืนตัวเป็น pearlite แทน
3. ด้วยสองข้อข้างบน เหล็กงานเย็นไม่เหมาะแก่การขึ้นรูปด้วยมือ
4. ในเมื่อไม่มีการ forge ก็ไม่มีการ normalize แต่จะมีการ pre-heat อบเตรียมเหล็กก่อนขึ้นไปยังจุด austenitizing
5. decarb บานตะไท ยิ่งอัลลอยด์สูงเท่าไหร่การดีคารบก็เยอะขึ้นเท่านั้น การปกป้องผิวเหล็กในขึ้นตอนชุบแข็งเป็นเรื่องจำเป็นอย่างมาก
ทีนี้มาเข้าสู่เนื้อหาการชุบ หลายท่านอาจเคยสงสัยว่าเหล็กสแตนเลสชุบอุตสาหกรรมมันทำกันยังไง
Commercial heat treat
ในอุตสาหกรรมชุบแข็งส่วนใหญ่ในเวลานี้เขาจะใช้เตาที่เรียกว่าเตาชุบแข็งสุญญากาศหรือ vacuum furnace
ไอ้เตาไฮเทคนี้สามารถทำขั้นตอนการชุบตั้งแต่ pre-heat > austenitizing > quench > temper จนจบกระบวนการ (การ cryo/subzero ต้องเอาออกมาทำข้างนอก)
กระบวนของมันก็คือหลังจากเอาชิ้นงานไปวางแล้วปิดเตา อากาศทั้งหมดจะถูกดูดออกไปกลายเป็นสภาวะสุญญากาศ หลังจากนั้นทำให้ชิ้นงานร้อนโดยการแผ่รังสีจากตัวสร้างความร้อนที่อยู่รอบๆตัว พอ pre-heat/austenitizing โช๊คเสร็จอะไรเสร็จก็จะ quench โดยการฉีด inert gas เช่นไนโตรเจน(ไม่ใช่ไนโตรเจนเหลวนะครับ) เข้าไปในเตา
เหล็กงานเย็นแต่ละตัวต้องการอัตราการเย็นตัวต่างกัน เตารุ่นใหม่สามารถปรับระดับความดันของแก็สได้เช่น 1-10 บาร์ (1 บาร์มีค่าเทียบเท่าความดันปกติของอากาศที่ระดับน้ำทะเล )
พอชิ้นงานเย็นได้ที่เตาก็จะดูดแก็สออกแล้วทำการ tempering หรือเอาออกมา subzero หรือ cryo ยังไงตามแต่จะใคร่ เป็นอันจบสิ้นกระบวนการ
ทีนี้มาพูดถึงการชุบ Air hardening steel แบบตามภูมิปัญญาช่างกันบ้างว่าจะดีกว่าแย่กว่ายังไงเทียบกับแบบอุตสาหกรรม
___________________________________________
เพิ่มเติมอีกนึงครับ เรื่อง austenite to martensite transformation ของเหล็กแต่ละตัวนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและอัตราการเย็นตัววิกฤติ
ยกตัวอย่างในการชุบเหล็ก O1
หลัง austenitizing แล้ว quench ในน้ำมันพืชอุ่นที่ 815c โครงสร้าง austenite จะเริ่มเปลี่ยนเป็น martensite ที่ช่วงอุณหภูมิประมาณ 215c
จุดนี้เรียกว่าจุด ms หรือ martensite start(Ms)
การเปลี่ยนแปลงนี้จะไปเสร็จ โครงสร้างเป็น martensite เกิน 99% ที่อุณหภูมิประมาณ 37 องศาหรือราวๆอุณหภูมิห้อง จุดนี้เรียกว่า martensite finish(Mf)
% ของมารเทนไซต์จะสูงกว่านี้อีกในเหล็กกลุ่ม 1095 หรือตะไบ
ในเหล็กอัลลอยด์มีอัตราการเย็นตัววิกฤติที่ช้ากว่า แถมในเหล็กตระกูลนี้ทั้งหมดมีจุด martensite finish(Mf) ที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง
ดังนั้นไม่ว่าเราจะชุบด้วยอุณหภูมิและอัตราการเย็นตัวเลิศเลอยังไง austenite บางส่วนจะยังไม่ตกผลึกเป็น martensite
ตรงนี้เองที่เรียกว่า retained austenite (RA )หรือออสเทนไนต์ตกค้าง
(Ms) และ (Mf) นั้นแปรผันตามปริมาณคารบอนและอัลลอยด์ ยิ่งมากทั้งสองค่านี้ก็จะยิ่งต่ำลง
ภายหลัง quench เราจึงมีการใช้ subzero หรือ cryo ลดอุณหภูมิเหล็กให้ไปยังจุด (Mf) เพื่อช่วยให้ RA ตกผลึกเป็น martensite
___________________________________________
Custom heat treat
การชุบเหล็ก Air hardening นั้นต้องการอุณหภูมิที่แม่นยำมากกว่าเหล็กงานร้อน เตาพาราก้อนเลยเป็นพระเอกในงานนี้
การให้ความร้อนของตัวพาราก้อนนั้นไม่แตกต่างกับเตา vacuum furnace เพียงแต่ไม่สามารถห้ามอากาศเข้าไปได้ ซึ่งตรงนี้ก็เป็นทั้งผลดีและผลเสีย
การนำพาความร้อนผ่านรังสีในสภาวะสุญญากาศนั้นมีโอกาศเหลื่อมล้ำในหลายจุด เนื่องด้วยสภาวะสุญญากาศนั้นไม่มีอุณหภูมิ ความร้อนเกิดขึ้นที่ตัววัตถุอย่างเดียว
เทียบกับการให้ความร้อนไม่ว่าจะเป็นเตาแก็สหรือพาราก้อน แม้แต่บรรยากาศในเตาก็มีอุณหภูมิเท่ากับที่เราตั้งจึงทำหน้าที่เป็นพาหะนำความร้อน ดังนั้นโอกาสที่ชิ้นงานจะร้อนสม่ำเสมอย่อมมีมากกว่า
ทีนี้อย่างเคยกล่าวไป เหล็กงนเย็นมีปัญหา decarb โครตๆ ในการชุบด้วยเตาพาราก้อนช่างจึงต้องห่อมันด้วยฟอยสแตนเลสเพื่อไม่ให้ชิ้นงานที่ร้อนจัดสัมผัสกับอากาศ
ช่างบางคนถึงขนาดใส่เศษกระดาษเล็กๆลงไปในห่อฟอย เพื่อเผาไหม้ออกซิเจนที่อาจค้างอยู่ในห่อ
ในการ quench อย่างที่กล่าวไป บางคนอาจเล่นง่ายไม่ซับซ้อนก็คือเอาออกจากเตามาเย็นในห้องซะเลย เช่น Aaron Gough ที่ทำ A2 ดังๆก็ใช้แบบนี้
บางคนอาจเอาพัดลมแรงๆเป่าช่วยสองด้าน เช่นช่างหลายคนใน bladeforums (ต้องให้เท่ากันไม่งั้นคด)
ซีเรียสหน่อยก็จะใช้แผ่นอลูมิเนียมหนาๆกดลงไป ซึ่งการ plate quench นี้มีอัตราการเย็นตัวเร็วกกว่าการใช้ gas quench ความดันสูงสุดในเตา vacuum เสียอีก
(แผ่นต้องได้ระนาบกับชิ้นงานไม่งั้นก็คดอีก)
บางคนฉี่เหลืองก็อาจใช้การ interrupted quench คือเป็นการตั้งสารชุบเช่นน้ำมันหรือเกลือไว้ที่ความร้อนนึงเพื่อชุบชิ้นงาน การชุบแบบนี้มีอัตราการเย็นตัวเร็วที่สุดในช่วงแรก มีความสม่ำเสมอ แต่ก็มีราคาแพงที่สุดเช่นกัน
หากมีอุปกรณ์และความเข้าใจช่างสามารถควบคุม quench rate และลูกเล่นต่างๆได้มากมายในเหล็กงานเย็น
ไม่ยากเลยที่ช่างคัสต้อมเก่งๆจะชุบได้ดีกว่า paul bos หรือ peter heat treat
ในสเปคชุบอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ของเหล็กงานเย็นเป็นสเปคของ "tool" หรือ "เครื่องมือ" ซึ่งคุณสมบัติที่เขาต้องการบางอย่าง เราไม่ต้องการในการเป็น"มีด"
.
ไม่ว่าจะเป็นแสตนเลส กลุ่ม alloy too steel หรือกลุ่มไฮสปีด จะเป็นตระกูล440 หรือเหล็ก CPM พวกนี้ล้วนแต่ตามสเปคอุตสาหกรรมคือชุบแข็งด้วยอากาศทั้งสิ้น
คำว่าชุบแข็งด้วยอากาศนั้นมีความหมายตรงตัวครับ คือหลังจาก pre-heat ---> austenitizing แล้วเพียงแค่เอาออกมาห้อยต่องแต่งในห้องมันก็เริ่มแข็งแล้ว จะแข็งมากแข็งน้อยยังไงก็ขึ้นกับอัลลอยด์ เหล็กชุบน้ำหรือชุบน้ำมันหากทำแบบเดียวกันก็คงอ่อนเปลี้ยประหนึ่งเป็นการนอลมอลไลซ์ไปซะงั้น
ด้วยเหตุผลนี้เหล็ก air hardening ทุกเบอร์จึงไม่เหมาะแก่การขึ้นรูปด้วยความร้อนด้วยมือ
แน่นอนว่าด้วยอัลลอยด์ที่สูงเหล็กงานเย็นก็จะมีคุณลักษณะหลายอย่างต่างจากเหล็กงานร้อน
1. อุณหภูมิ austenitizing สูง ส่วนใหญ่ขึ้นหลักพันองศาc ทั้งสิ้น
2. อัตราการเย็นตัววิกฤติลดลงหมายถงึ อัตราการเย็นตัวที่ austenite จะเปลี่ยนไปเป็น martensite(หรือ bainite)ได้ทัน ถ้าช้ากว่านี้จะไม่มีโอกาศและจะคืนตัวเป็น pearlite แทน
3. ด้วยสองข้อข้างบน เหล็กงานเย็นไม่เหมาะแก่การขึ้นรูปด้วยมือ
4. ในเมื่อไม่มีการ forge ก็ไม่มีการ normalize แต่จะมีการ pre-heat อบเตรียมเหล็กก่อนขึ้นไปยังจุด austenitizing
5. decarb บานตะไท ยิ่งอัลลอยด์สูงเท่าไหร่การดีคารบก็เยอะขึ้นเท่านั้น การปกป้องผิวเหล็กในขึ้นตอนชุบแข็งเป็นเรื่องจำเป็นอย่างมาก
ทีนี้มาเข้าสู่เนื้อหาการชุบ หลายท่านอาจเคยสงสัยว่าเหล็กสแตนเลสชุบอุตสาหกรรมมันทำกันยังไง
Commercial heat treat
ในอุตสาหกรรมชุบแข็งส่วนใหญ่ในเวลานี้เขาจะใช้เตาที่เรียกว่าเตาชุบแข็งสุญญากาศหรือ vacuum furnace
ไอ้เตาไฮเทคนี้สามารถทำขั้นตอนการชุบตั้งแต่ pre-heat > austenitizing > quench > temper จนจบกระบวนการ (การ cryo/subzero ต้องเอาออกมาทำข้างนอก)
กระบวนของมันก็คือหลังจากเอาชิ้นงานไปวางแล้วปิดเตา อากาศทั้งหมดจะถูกดูดออกไปกลายเป็นสภาวะสุญญากาศ หลังจากนั้นทำให้ชิ้นงานร้อนโดยการแผ่รังสีจากตัวสร้างความร้อนที่อยู่รอบๆตัว พอ pre-heat/austenitizing โช๊คเสร็จอะไรเสร็จก็จะ quench โดยการฉีด inert gas เช่นไนโตรเจน(ไม่ใช่ไนโตรเจนเหลวนะครับ) เข้าไปในเตา
เหล็กงานเย็นแต่ละตัวต้องการอัตราการเย็นตัวต่างกัน เตารุ่นใหม่สามารถปรับระดับความดันของแก็สได้เช่น 1-10 บาร์ (1 บาร์มีค่าเทียบเท่าความดันปกติของอากาศที่ระดับน้ำทะเล )
พอชิ้นงานเย็นได้ที่เตาก็จะดูดแก็สออกแล้วทำการ tempering หรือเอาออกมา subzero หรือ cryo ยังไงตามแต่จะใคร่ เป็นอันจบสิ้นกระบวนการ
ทีนี้มาพูดถึงการชุบ Air hardening steel แบบตามภูมิปัญญาช่างกันบ้างว่าจะดีกว่าแย่กว่ายังไงเทียบกับแบบอุตสาหกรรม
___________________________________________
เพิ่มเติมอีกนึงครับ เรื่อง austenite to martensite transformation ของเหล็กแต่ละตัวนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและอัตราการเย็นตัววิกฤติ
ยกตัวอย่างในการชุบเหล็ก O1
หลัง austenitizing แล้ว quench ในน้ำมันพืชอุ่นที่ 815c โครงสร้าง austenite จะเริ่มเปลี่ยนเป็น martensite ที่ช่วงอุณหภูมิประมาณ 215c
จุดนี้เรียกว่าจุด ms หรือ martensite start(Ms)
การเปลี่ยนแปลงนี้จะไปเสร็จ โครงสร้างเป็น martensite เกิน 99% ที่อุณหภูมิประมาณ 37 องศาหรือราวๆอุณหภูมิห้อง จุดนี้เรียกว่า martensite finish(Mf)
% ของมารเทนไซต์จะสูงกว่านี้อีกในเหล็กกลุ่ม 1095 หรือตะไบ
ในเหล็กอัลลอยด์มีอัตราการเย็นตัววิกฤติที่ช้ากว่า แถมในเหล็กตระกูลนี้ทั้งหมดมีจุด martensite finish(Mf) ที่ต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง
ดังนั้นไม่ว่าเราจะชุบด้วยอุณหภูมิและอัตราการเย็นตัวเลิศเลอยังไง austenite บางส่วนจะยังไม่ตกผลึกเป็น martensite
ตรงนี้เองที่เรียกว่า retained austenite (RA )หรือออสเทนไนต์ตกค้าง
(Ms) และ (Mf) นั้นแปรผันตามปริมาณคารบอนและอัลลอยด์ ยิ่งมากทั้งสองค่านี้ก็จะยิ่งต่ำลง
ภายหลัง quench เราจึงมีการใช้ subzero หรือ cryo ลดอุณหภูมิเหล็กให้ไปยังจุด (Mf) เพื่อช่วยให้ RA ตกผลึกเป็น martensite
___________________________________________
Custom heat treat
การชุบเหล็ก Air hardening นั้นต้องการอุณหภูมิที่แม่นยำมากกว่าเหล็กงานร้อน เตาพาราก้อนเลยเป็นพระเอกในงานนี้
การให้ความร้อนของตัวพาราก้อนนั้นไม่แตกต่างกับเตา vacuum furnace เพียงแต่ไม่สามารถห้ามอากาศเข้าไปได้ ซึ่งตรงนี้ก็เป็นทั้งผลดีและผลเสีย
การนำพาความร้อนผ่านรังสีในสภาวะสุญญากาศนั้นมีโอกาศเหลื่อมล้ำในหลายจุด เนื่องด้วยสภาวะสุญญากาศนั้นไม่มีอุณหภูมิ ความร้อนเกิดขึ้นที่ตัววัตถุอย่างเดียว
เทียบกับการให้ความร้อนไม่ว่าจะเป็นเตาแก็สหรือพาราก้อน แม้แต่บรรยากาศในเตาก็มีอุณหภูมิเท่ากับที่เราตั้งจึงทำหน้าที่เป็นพาหะนำความร้อน ดังนั้นโอกาสที่ชิ้นงานจะร้อนสม่ำเสมอย่อมมีมากกว่า
ทีนี้อย่างเคยกล่าวไป เหล็กงนเย็นมีปัญหา decarb โครตๆ ในการชุบด้วยเตาพาราก้อนช่างจึงต้องห่อมันด้วยฟอยสแตนเลสเพื่อไม่ให้ชิ้นงานที่ร้อนจัดสัมผัสกับอากาศ
ช่างบางคนถึงขนาดใส่เศษกระดาษเล็กๆลงไปในห่อฟอย เพื่อเผาไหม้ออกซิเจนที่อาจค้างอยู่ในห่อ
ในการ quench อย่างที่กล่าวไป บางคนอาจเล่นง่ายไม่ซับซ้อนก็คือเอาออกจากเตามาเย็นในห้องซะเลย เช่น Aaron Gough ที่ทำ A2 ดังๆก็ใช้แบบนี้
บางคนอาจเอาพัดลมแรงๆเป่าช่วยสองด้าน เช่นช่างหลายคนใน bladeforums (ต้องให้เท่ากันไม่งั้นคด)
ซีเรียสหน่อยก็จะใช้แผ่นอลูมิเนียมหนาๆกดลงไป ซึ่งการ plate quench นี้มีอัตราการเย็นตัวเร็วกกว่าการใช้ gas quench ความดันสูงสุดในเตา vacuum เสียอีก
(แผ่นต้องได้ระนาบกับชิ้นงานไม่งั้นก็คดอีก)
บางคนฉี่เหลืองก็อาจใช้การ interrupted quench คือเป็นการตั้งสารชุบเช่นน้ำมันหรือเกลือไว้ที่ความร้อนนึงเพื่อชุบชิ้นงาน การชุบแบบนี้มีอัตราการเย็นตัวเร็วที่สุดในช่วงแรก มีความสม่ำเสมอ แต่ก็มีราคาแพงที่สุดเช่นกัน
หากมีอุปกรณ์และความเข้าใจช่างสามารถควบคุม quench rate และลูกเล่นต่างๆได้มากมายในเหล็กงานเย็น
ไม่ยากเลยที่ช่างคัสต้อมเก่งๆจะชุบได้ดีกว่า paul bos หรือ peter heat treat
ในสเปคชุบอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ของเหล็กงานเย็นเป็นสเปคของ "tool" หรือ "เครื่องมือ" ซึ่งคุณสมบัติที่เขาต้องการบางอย่าง เราไม่ต้องการในการเป็น"มีด"
.