โลหะวิทยาเบื้องต้นสำหรับช่างมีด

Manganese

เช่นเดียวกับคารบอน แมงกานีสเป็นธาตุอัลลอยด์สำคัญที่เหล็กทุกเบอร์จะต้องมี สาเหตุสำคัญที่ต้องใส่แมงกานีสลงไปในเหล็กกล้าเพราะ


1. แมงกานีสเป็นธาตที่มีผลมากที่สุดในการเพิ่ม hardenability

คำว่า hardenability หมายถึงความเอื้อต่อการชุบแข็งให้สมบรูณ์ทั้งชิ้นงาน

ยกตัวอย่าง ในเหล็กกล้าบางประเภทที่ hardenability ต่ำ (เรียกว่า shallow hardener ส่วนพวกที่ hardenability สูงๆเรียก deep hardener )

เวลาเรา austenitizing แล้ว quench พื้นผิวชิ้นงานจะมีอัตราการเย็นตัวสูงกว่าเนื้อด้านใน

ถ้าเหล็กเบอร์นั้นต้องการอัตราการเย็นตัวที่เร็วมาก เนื้อด้านในที่คายความร้อนช้ากว่าอาจไม่แข็ง(ไม่เกิด martensite เพราะคารบอนแยกตัวออกมาจากโมเลกุลของเหล็กเนื่องจากอัตราการเย็นตัวไม่เรวพอ กลับเป็น pearlite)

ทำให้งานชิ้นนั้นๆมีความแข็งที่ไม่สม่ำเสมอ ตัวอย่างเช่นเหล็กแผ่นหนา 1cm อาจจะแข็งลึกลงไปแค่ 0.25 cm เท่านั้น ส่วนแกนอีก 0.5cm ไม่แข็งสมบรูณ์ (ในงานบางชนิดอาจต้องการการชุบแข็งลักษณะนี้)

ยิ่งเหล็กเบอร์ไหนมี hardenability ต่ำเท่าไหร่ ก็ยิ่งต้องการสารชุบที่เร็วขึ้นเท่านั้น แถมความแข็งที่เกิดขึ้นก็จะไม่ลึก การใช้สารชุบที่เร็วเกินไปจะเพิ่มโอกาสเสี่ยงต่อการแตกบิดเบี้ยวของชิ้นงาน

ข้อดีของเหล็กที่ hardenability ต่ำก็คือจะจัดการในขั้นตอนตีขึ้นรูปได้ง่าย มีโอกาสน้อยกว่าที่เหล็กจะเสียโครงสร้างเพราะเหล็กกลุ่มนี้ต้องการการเย็นตัวอย่างรวดเร็วเพื่อแข็ง ทิ้งไว้ในอากาศก็ไม่แข็ง มีระยะ forging เยอะ ในขณะที่เหล็กที่มี hardenability สูง จะตียากและโอกาสเีสียหายสูงเพราะการปล่อยไว้ในอากาศจะทำให้มันแข็งตัวมาก ระยะ forging ก็จะน้อย ออกมาจากเตาก็ต้องรีบตี


การเรียงความเร็วของสารชุบจากเร็วไปช้าแบบคร่าวๆนะครับ (อาจมีปัจจัยซึ่งทำให้เปลี่ยนแปลงเช่นถ้า nitrogen gas ในเตา vacuum ใช้ความดันสูงมากๆก็สามารถให้อัตราการเย็นตัวเหนือกว่า plate quench)

น้ำเกลือ > น้ำ > น้ำมันเร็ว > น้ำมันช้า > plate quench > แก๊ส (ในเตา vacuum )> อากาศ


ในงานบางอย่างที่ต้องการความแข็งเท่ากัน ธาตุอัลลอยด์ที่ช่วยเรื่อง hardenability เป็นสิ่งจำเป็นมาก

ง่ายๆคือแมงกานีสทำให้เหล็กชุบแข็งได้ลึกมากขึ้น สมบรูณ์มากขึ้น ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความแข็งแรง และความเหนียวทนทานของโครงสร้างเหล็ก

____________________________________________________________________________________________



2. แมงกานีสทำหน้าที่เป็น austenite stabilizer หรืออัลลอยด์ที่ช่วยเพิ่มเสถียรภาพของสถานะ austenite

ในทางทฤษฎีการ austenite เกิดขึ้นที่อุณหภมิเริ่มต้นที่ 723c ก็จริง (ในเหล็ก eutectoid )แต่ในความเป็นจริง มลทิน หรือธาตุอัลลอยด์บางอย่างอาจไปขัดขวางให้การ austenitizing ไม่สมบรูณ์

ในทางปฏิบัีติเราจึงต้อง austenitizing ที่อุณหภูมิมากกว่านั้นเสมอ

แมงกานีสทำหน้าที่เป็นตัวช่วยให้การ austenitizing มีความสมบรูณ์สม่ำเสมอมากขึ้น ซึ่งจะส่งผลโดยตรงต่อโครงสร้าง martensite หลังการชุบ

____________________________________________________________________________________________


3. แมงกานีสช่วยขจัดมลทินตกค้างบางตัวในเหล็กเช่น sulfur หรือ oxide บางอย่าง

ในอุตสาหกรรมผลิตเหล็ก ต้องมีการใส่สารบางตัวเพื่อให้เหล็กจัดการง่ายในขั้นตอนผลิตแต่ธาตุบางตัวจะกลายเป็นมลทินซึ่งจะลดคุณภาพของเหล็กลงอาจไม่มีการขจัดก่อนขึ้นรูป

____________________________________________________________________________________________

ตัวอย่างนึงที่ชัดเจนมากในเรื่องอัลลอยด์ที่เพิ่ม hardenability ก็คือการทำ"ฮามอน" หรือ Japanese traditional differential hardening line ที่ต้องใช้คำยาวแบบนี้เพราะมันไม่เหมือนกับ hardening ไลน์ธรรมดา มันมีอะไรที่มากกว่า สวยงามซับซ้อน ที่สำคัญคือวิธีการให้ได้มาต้องมาจากการพอกโคลนชุบเท่าานั้นถึงจะนับว่าเป็นฮามอนแท้ hardening line ที่เกิดจากการ edge quench ไม่นับเป็นฮามอน


ช่างบางคนเรียกฮามอนเป็นภาษาอังกฤษว่า temper line ซึ่งเป็นการใช้คำที่ผิด เพราะไลน์ตรงนี้เกิดขึ้นที่ขั้นตอน hardening ไม่ใช่ tempering

การที่ช่างจะทำฮามอนได้สวยงามพิศดาร สิ่งที่จำเป็นนอกจากฝีมือช่า่งและอุปกรณ์ที่ครบถ้วนก็คือการเลือกเหล็กให้ถูกต้อง


ฮามอนนั้นเกิดจากการที่เรานำใบมีดไปพอกโคลนหรือสารบางอย่างซึ่งทำหน้าที่คล้ายฉนวนความร้อน (จำเป็นต้องเป็นเหล็ก high carbon ที่มีอัลลอยด์ต่ำมาก)

เมื่อเรานำมีดไปอบ austenitizing แล้วเคว้นช์ ส่วนที่ถูกพอกโคลนไว้จะมีการคลายความร้อนช้ากว่าส่วนที่ไม่ได้พอกโคลน

ส่วนที่พอกโคลนจะมีสภาพเป็น martensite ในขณะที่ส่วนที่โคลนพอก ความคลายความร้อนไม่เร็วพอที่ austenite จะฟอร์มเป็น martensite, carbon จะแพร่ออกเป็น cementite ทำให้เนื้อเหล็กกลับสู่ pearlite

เนื้อเหล็กบางส่วนที่เป็นแนวระหว่าง pearlite กับ martensite จะมีการดึง cementite แย่งกันระหว่างสองฝั่งทำให้พื้นที่ตรงนั้นมีสภาพส่วนใหญ่เป็น ferlite อิสระ

แนว ferlite ตรงนี้นั่นเองคือ hardening line


เหล็กที่จะทำฮามอนได้สวย จะต้องเป็นเหล็กที่มี hardenability ต่ำ ซึ่งหมายถึงแทบไม่มีอัลลอยด์ตัวอื่นอยู่เลยนอกจากคารบอน และที่สำคัญต้องมีแมงกานีสน้อย

เพราะแมงกานีสหรืออัลลอยด์หากมีจำนวนมากมันจะเพิ่ม hardenability ทำให้ใบมีดส่วนที่อยู่ใต้โคลนซึ่งแม้คลายความร้อนได้ช้า แต่ก็จะกลายสภาพเป็น martensite บางส่วนอยู่ดี

เหล็กอย่าง O1 หรือ 1084 ซึ่งมีแมงกานีสอยู่มากจึงทำฮามอนได้ไม่สวยเท่า 1095 หรือตระกูล SK

ไหนๆก็พูดเรื่องชุบแล้วขอต่อเรื่องสารชุบยอดนิยมของช่างงานร้อนเมืองไทยนะครับ

ชุบด้วยน้ำ

อย่างที่กล่าวไป น้ำเป็นสารชุบที่ดึงความร้อนได้เร็วกว่าน้ำมันแต่ทำไมถึงไม่เป็นที่นิยมในหมู่ช่างระดับคุณภาพเพราะ

1. น้ำดึงความร้อนเร็วจัด ชิ้นงานที่บางอาจจะเกิดการ แตกร้าวหรือเบี้ยวเปลี่ยนรูปได้

2. เวลาที่เราจุ่มเหล็กร้อนจัดลงในน้ำ จะมีเหตุการณ์เกิดขึ้นอบบนี้

1. เกิดฟิล์มบางๆ ของก๊าซปกคลุมรอบผิวชิ้นเหล็ก เพราะความร้อนจากเหล็กทำให้ของเหลวบริเวณรอบๆ กลายเป็นไออย่างรวดเร็ว ขั้นตอนนี้จะขัดขวางการถ่ายเทความร้อนเพราะตัวฟิล์มก๊าซเอง มีสัมประสิทธิ์การนำความร้อนที่ต่ำแต่ฟิล์มนี้จะอยู่ไม่นานก็จะแตกออก แล้วเข้าสู่เหตุการณ์ในขั้นที่ 2

2. ขั้นการเป็นไอ เมื่อฟิล์มก๊าซในข้อ 1 แตกแล้วจะทำให้ของเหลวส่วนที่อยู่ถัดไปสัมผัสกับเหล็กร้อนได้โดยตรง และเดือดกลายเป็นไออยู่ตลอดเวลา ฟองของไอที่เกิดจะลอยขึ้นมาผิวบน

ทำให้ของเหลวส่วนใหม่เข้าไปสัมผัสกับเหล็กอีกอย่างต่อเนื่องและเกิดการเดือดไปเรื่อยๆ ของเหลวมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาคล้ายๆ กับถูกกวน ด้วยการเคลื่อนที่ของฟองก๊าซที่เกิดนั่นเอง

ขั้นตอนนี้ เป็นขั้นตอนที่การลดอุณหภูมิของเหล็กจะเกิดขึ้นเร็วที่สุด เพราะเป็นการดึงเอาความร้อนไปใช้ในการกลายเป็นไอ(ดังนั้นสมบัติสำคัญคือ ความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของของเหลวที่ใช้)

3. เมื่ออุณหภูมิเหล็กลดต่ำลงมาระดับหนึ่ง ความร้อนจะไม่มากพอที่จะทำให้ของเหลวเดือดได้อีก ก็จะมาถึงขั้นนี้ซึ่งการลดอุณหภูมิเกิดจากการถ่ายเทความร้อนผ่านของเหลว

ด้วยปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การพาความร้อน(convection) อย่างเดียว ในขั้นนี้ตัวกำหนดว่าจะถ่ายเทความร้อนได้เร็วเท่าไร ก็อยู่ที่สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวม(Total Heat Transfer Coefficient)

ของของเหลวนั้นแล้ว ค่าสปส.นี้เป็นผลรวมจากสมบัติต่างๆ ได้แก่ ความจุความร้อนจำเพาะ ความหนาแน่น สัมประสิทธิ์การนำความร้อน สัมประสิทธิ์ความหนืด

ถ้าเป็นน้ำ กับ น้ำเกลือ จะมีครบทั้งสามขั้นตอน น้ำเกลือจะให้อัตราการเย็นตัวที่สูงกว่าน้ำ เพราะว่าเกิดขั้นตอนแรกสั้นกว่ารวมทั้งการที่น้ำเกลือมีจุดเดือดที่สูงกว่าน้ำด้วย

3. น้ำมันไม่มีการเดือด ดังนั้นจึงอาศัยการพาความร้อนแต่อย่างเดียว จึงให้อัตราการเย็นตัวที่ต่ำ สมบัติสำคัญของน้ำมันที่จะใช้เป็นสารชุบคือ ความหนืดครับ ซึ่งก็เป็นธรรมดา ถ้าหนืดมาก

จะพาความร้อนได้ไม่ดี แต่ถ้าน้ำมันใส หนืดน้อย ก็พาความร้อนได้ดีขึ้น เช่น การอุ่นน้ำมัน จะทำให้เพิ่มอัตราการเย็นตัวของเหล็กที่ชุบได้


credit. Iron & Steel Heat-treatment Engineering ศาตราจารย์มนัส สถิรจินดา

:2TU: :2TU: เจ๋งๆๆ ผมยังต้องมานั่งอ่านใหม่อีกหลายรอบ :love:

:2TU:

มารอคุณไบรท์ต่อครับ :bullseye:

อ่านๆดูที่ตัวองเขียนยังเข้าใจยากอยู่เหมือนกัน ขอสรุปสั้นๆเรื่องคารบอนและอัลลอยด์นิดนึงครับ


1. คาร์บอนธาตุที่สำคัญที่สุด มีอิทธิพลมากที่สุดในเหล็กกล้า

2. คาร์บอนยิ่งมากเท่าไหร่ก็ยิ่งชุบแข็งได้มากเท่านั้น

4. โครงสร้างเหล็กเปล่าๆเรียกว่า ferrite

5. คาร์บอนในเหล็กจะอยู่ในรูป cementite

6. ferrite กับ cementite หากอยู่กันหนาแน่นจะอัดกันเป็นชั้นๆละเอียดมากเรียกว่า pearlite

หน้าตาแบบนี้
http://upload.wikimedia.org/wikipedi...x-Pearlite.jpg


7. ส่วนไอ้พื้นที่สีเข้มๆคือ ferrite ซึ่งแสดงว่าเหล็กตัวนี้มีคาร์บอนไม่มากพอให้โครงสร้างเป็น pearlite 100%

8. เหล็ก eutectoid หมายถึงเหล็กที่มีโครงสร้างเป็น pearlite 100% ซึ่งในที่นี้คือเหล็กที่มีคาร์บอนประมาณ 0.8%

9. เหล็กที่อุณหภูมิต่ำกว่า 723c จะอยู่ในรูป beta iron

10. ที่อุณหภูมิมากกว่า 723c เหล็กจะเริ่มเปลี่ยนโครงสร้างจาก beta เป็น gamma ซึ่งจะมีที่ว่างให้คาร์บอนที่กำลังเดือดพล่านเข้าไปแทรกที่กลางโมเลกุล

11. การทำให้โมเลกุลเหล็กของชิ้นงานทั้งหมดกลายเป็น gamma iron เรียกว่า austenitizing

11(1). ในสภาวะนี้เหล็กจะมีโครงสร้างเป็น austenite แม่เหล็กจะดูดไม่ติด

11(2). สามารถเช็คแบบพื้นบ้านได้ว่าเหล็กตัวไหน austenitizing ที่อุณหภูมิเท่าไหร่ด้วยการเอาแม่เหล็กไปดูดดู

12. การ austenitizing ต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่า 723c เสมอ สูงแค่ไหนขึ้นอยู่กับปริมาณคารบอนและอัลลอยด์

13. ยกตัวอย่างเหล็ก 1080 ซึ่งเป็น eutectoid steel (คารบอน 0.8% แมงกานีส 0.5%) ใช้อุณหภูมิ austenitizing เริ่มต้นที่ 775c

14. ภายหลังจาก austenitizing แล้ว ถ้าเราค่อยๆให้เหล็กเย็นลงช้าๆ คาร์บอนที่โดนกักในโมเลกุลเหล็กจะหนีออกมา

15. โครงสร้างเหล็กจากที่กำลังเป็น gamma ก็จะกลับสู่ beta กลายเป็น ferrite ตามเดิม

16. ส่วนคาร์บอนก็จะกลับคืนเป็น cementite กลับไปอัดกับ ferrite ใกล้ตัว กลายเป็นโครงสร้าง pearlite

17. แต่ถ้าเราทำให้เหล็กเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว คาร์บอนจะหนีออกไปไม่ทัน โดนกักไว้ที่กลางโมเลกุลของเหล็ก

18. เหล็กจะคืนเป็น beta iron ที่มีแกนเป็นคาร์บอน

19. โครงสร้างนี้แข็งแกร่งมากเรียกว่า martensite

________________________________________________



20. hardenability หรือความเอื้อต่อการชุบแข็งให้สมบรูณ์ มีความหมายว่าเหล็กชนิดนั้นๆชุบแข็งได้ลึกแค่ไหน

21. ส่วนชุบได้แข็งแค่ไหนจะเรียกว่า attainable hardness

22. hardenability แปรผันกับอัลลอยด์ ส่วน attainable hardness แปรผันกับปริมาณ carbon

23. hamon มีสภาพเหมือนขอบน้ำมันที่รอยอยู่ในน้ำ หรือขอบที่น้ำมันตัดกับน้ำเป็นริ้วๆ

24. ในช่วงวินาทีที่ส่วนใบมีดนอกโคลนกลายเป็น martensite ส่วนในโคลนจะค่อยๆคืนเป็น pearlite

25. ตรงที่เป็นจุดตัดระหว่างสองโครงสร้างจะมีการแย่ง cementite กัน ส่งผลให้ตรงนั้นจะมี ferrite อิสระเกิดขึ้นเต็มไปหมด

26.ในบริเวณเกิดการแย่งคาร์บอน จะมีทั้ง ferrite ทั้ง pearlite ทั้ง martensite มะรุมมะตุ้มมั่วกันอยู่ตรงนั้น นั่นแหละคือ hamon

26(1). จริงต้องเรียกว่า differential hardening line ขัดออกมาเมื่อไหร่ถึงจะเรียกว่า hamon

26(2). ฮาม่อนจะฮาไม่ฮาขึ้นอยู่กับเหล็ก+ฝีมือการพอกโคลน+การชุบ+การขัด ฝีมือกากเพื่อนก็ฮา แต่ลูกค้าอาจไม่ค่อยฮา ขำๆนะครับ อิอิ

27. เหล็กที่จะทำ hamon ได้สวยจะต้องเป็นเหล็กที่เมื่อพอกโคลนชุบแข็งแล้วมีความแตกต่างระหว่างส่วนในโคลนกับส่วนนอก ยิ่งต่างมากเท่าไหร่ก็ยิ่งชัด

28. ดังนั้นเหล็กชนิดนี้จำเป็นต้องมี hardenability ต่ำ

29. ธาตุที่เพิ่ม hardenability มีหลายตัว จะกล่าวถึงในตอนต่อไป

2. คาร์บอนยิ่งมากเท่าไหร่ก็ยิ่งชุบแข็งได้มากเท่านั้น

:D ฮ่าๆๆ เขียนแบบนี้เดี๋ยวก็เจอ "โอ๊ยย ผมใช้เหล็กมีคาร์บอนตั้ง 40%" :D

กราบจานไบร์ทเลย เขียนได้เนียนมาก :2TU::2TU::2TU::2TU::2TU::2TU::2TU:

:2TU:

ช่างเหล็กที่มีคาร์บอนผสมอยู่เยอะควรอ่าน

:2TU: