ความสามารถในการทนต่อการขีดข่วนและต้านทานการเยื้องเป็นคุณลักษณะที่สำคัญมากสองประการของโลหะบางประเภท เมื่อเลือกประเภทของโลหะ ปัจจัยสำคัญประการหนึ่งที่ต้องคำนึงถึงคือความแข็ง ซึ่งเป็นการวัดคุณสมบัติเหล่านั้น พื้นผิวด้านนอกสุดของโลหะถือเป็นส่วนที่สำคัญที่สุดในการกำหนดความแข็งในอุดมคติ เนื่องจากเป็นพื้นผิวที่ถูกกระแทกและสึกกร่อนโดยตรงมากที่สุด โลหะบางชนิดผ่านกระบวนการที่เรียกว่าการชุบแข็งแบบเคสเพื่อเปลี่ยนความแข็งของพื้นผิวเพื่อรับประกันว่าความแข็งของพื้นผิวโลหะมีความเหมาะสม
การแข็งตัวของเคสคืออะไร?
การชุบแข็งเคสเป็นกระบวนการบำบัดความร้อนที่ทำให้พื้นผิวของพื้นผิวโลหะแข็งตัวในขณะที่ยังคงแกนกลางที่นิ่มกว่า ช่วยให้สามารถรวมคุณสมบัติที่ดีที่สุดของโลหะอ่อนและโลหะแข็งเข้าเป็นชิ้นเดียวได้
เมื่อเปรียบเทียบกับสารแข็ง วัสดุอ่อนสามารถทนต่อแรงกดกระแทกได้ดีกว่ามาก นอกจากนี้ยังมีความแข็งแกร่ง เหนียวกว่า และแข็งแกร่งกว่า แต่ความต้านทานต่อการสึกหรอยังไม่เพียงพอ เพื่อให้แน่ใจว่าวัสดุจะไม่สึกหรอจากการเสียดสีหรือการเสียดสี ความต้านทานการสึกหรอที่ดีจึงเป็นสิ่งสำคัญ เราสามารถลดการสึกหรอของวัสดุลงได้อย่างมากโดยไม่ต้องเสียสละคุณสมบัติอื่นๆ เพียงทำให้ภายนอกแข็งขึ้นเท่านั้น
สามารถรับพื้นผิวที่บางและแข็งได้หลายวิธี รวมถึงการเติมส่วนประกอบเพิ่มเติมลงบนพื้นผิวหรือโดยการเปลี่ยนโครงสร้างผลึก แต่การชุบแข็งเคสจำเป็นต้องใช้อุณหภูมิสูงเกือบทุกครั้ง ไม่ว่าจะด้วยวิธีใดก็ตาม
ทำไมต้องเคส ฮาร์เดน?
มีสาเหตุหลายประการที่ทำให้วัสดุแข็งตัวแทนที่จะพยายามทำให้วัตถุที่เป็นโลหะแข็งทั้งหมด เหตุผลหนึ่งคือประสิทธิภาพ ต้องใช้พลังงานน้อยลงและใช้เวลาน้อยลงในการให้ความร้อนแก่พื้นผิวด้านนอกสุดของโลหะ เมื่อเทียบกับหน้าตัดทั้งหมด ประสิทธิภาพเหล่านี้สามารถส่งผลให้ประหยัดต้นทุนได้มหาศาลในการดำเนินการผลิตขนาดใหญ่ อีกเหตุผลหนึ่งว่าทำไมการชุบแข็งเคสจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายก็เนื่องมาจากประสิทธิภาพ การมีโลหะที่มีเปลือกนอกแข็งและภายในมีความเหนียวมากกว่าจะเป็นประโยชน์มาก ตัวอย่างนี้อาจเป็นเมื่อจำเป็นต้องใช้โลหะเพื่อต้านทานการเสียดสี แต่ยังต้องสามารถดูดซับแรงกระแทกได้โดยไม่ทำให้เกิดการแตกหักง่ายโดยสมบูรณ์
Tประเภทของวิธีการชุบแข็งเคส
หลักการชุบแข็งเคสค่อนข้างตรงไปตรงมา เราต้องการให้พื้นผิวสร้างโครงสร้างแข็งที่เรียกว่ามาร์เทนไซต์ แต่โครงสร้างนี้จะเกิดขึ้นเฉพาะเมื่อส่วนประกอบเหล็กถูกดับที่อุณหภูมิสูงและมีเงื่อนไขว่าปริมาณคาร์บอนของโลหะผสมเหล็กสูงเพียงพอ
หากมีปริมาณคาร์บอนเพียงพอ เราก็เพียงแค่ให้ความร้อนและดับชิ้นส่วนเท่านั้น แต่หากปริมาณคาร์บอนต่ำหรือเราต้องการความแข็งมาก จำเป็นต้องเติมองค์ประกอบ เช่น คาร์บอนและไนโตรเจนลงบนพื้นผิวของวัสดุ ตอนนี้เรามาดูกระบวนการต่างๆ ที่ใช้ในการชุบแข็งเคสตามหลักการที่กล่าวมาข้างต้น
เครื่องทำความร้อนและการดับ
ตามเนื้อผ้า การให้ความร้อนและการชุบแข็งถูกนำมาใช้เพื่อทำการชุบแข็งในโลหะหลายชนิด วิธีการหนึ่งในการชุบแข็งผิวโลหะคือการใช้เปลวไฟก๊าซออกซิเจนโดยตรงบนส่วนประกอบที่เป็นเหล็ก การใช้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำเกิดขึ้นเป็นครั้งคราว อุณหภูมิพื้นผิวของชิ้นส่วนเหล็กเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในทั้งสองสถานการณ์ เป็นผลให้โครงสร้างผลึกออสเทนไนต์มาแทนที่โครงสร้างผลึกเพิร์ลไลต์
เมื่อถึงอุณหภูมิที่ตั้งไว้ ชิ้นส่วนจะเย็นลงอย่างรวดเร็ว โดยมักจะจุ่มลงในน้ำ สิ่งนี้จะเปลี่ยนโครงสร้างผลึกอีกครั้ง คราวนี้จากออสเทนไนต์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ซึ่งมีโครงสร้างแข็งเป็นพิเศษ
เนื่องจากมีเพียงพื้นผิวเท่านั้นที่มีการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึก ชิ้นส่วนจึงแข็งตัวที่พื้นผิวเท่านั้น แต่เพื่อให้ชิ้นส่วนได้รับประโยชน์จากวิธีนี้ จะต้องมีคาร์บอนในวัสดุดั้งเดิมเพียงพอ ในกรณีที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำ (<0.3%) in the metal part, this method will not yield favourable results.
การเติมคาร์บอน
หากระดับคาร์บอนต่ำกว่า 0.3% เราต้องเพิ่มคาร์บอนให้กับชิ้นส่วนก่อนที่จะให้ความร้อน + การดับ การนำชิ้นส่วนผ่านกระบวนการเติมคาร์บอนเป็นวิธีหนึ่งในการทำเช่นนั้น
การทำคาร์บูไรซิ่งเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่ส่วนประกอบเหล็กตามระยะเวลาที่กำหนดไว้ล่วงหน้าในขณะที่ยังมีแหล่งคาร์บอนภายนอกอยู่ คาร์บอนจากสารคาร์บอนจะกระจายเข้าสู่โลหะที่อุณหภูมิสูง ความร้อนที่มากขึ้นและเวลาในการให้ความร้อนนานขึ้นทำให้คาร์บอนถูกดูดซึมเข้าสู่พื้นผิวโลหะได้ลึกยิ่งขึ้น
เมื่อการเติมคาร์บอนเพิ่มปริมาณคาร์บอนในชั้นผิวเหล็ก เราจะนำไปผ่านการชุบแข็งด้วยเปลวไฟหรือการชุบแข็งแบบเหนี่ยวนำเพื่อเพิ่มความแข็ง
ไนไตรดิ้ง
สำหรับโลหะผสมเหล็กที่มีองค์ประกอบต่างๆ เช่น อะลูมิเนียม โครเมียม และโมลิบดีนัม เราสามารถใช้ไนไตรด์ในการชุบแข็งตัวเรือนได้
ชิ้นส่วนถูกให้ความร้อนต่อหน้าก๊าซไนโตรเจนและแอมโมเนียที่แยกตัวออกมาเพื่อสร้างไนไตรด์ ไนไตรด์ยังเพิ่มความแข็งของวัสดุอีกด้วย
เนื่องจากรายการถูกให้ความร้อนถึง 620 องศา (1150 องศา F) ไนไตรด์จึงมักเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำกว่า การแพร่กระจายและความแข็งที่ตามมาจะลึกมากขึ้นเมื่อคงไว้ที่อุณหภูมินี้นานขึ้น
โลหะประเภทใดบ้างที่สามารถชุบแข็งกล่องได้?
โลหะที่สามารถชุบแข็งที่กล่องได้โดยทั่วไปจะจำกัดอยู่เพียงวัสดุที่เป็นเหล็ก แม้ว่าจะมีกรณีพิเศษ เช่น ไนไตรด์ของไทเทเนียมหรือโลหะผสมอะลูมิเนียมบางชนิดก็ตาม โลหะกลุ่มเหล็กที่มักผ่านการชุบแข็งคือ:
เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ
เหล็กกล้าคาร์บอนสูง
เหล็กหล่อ
เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำที่มีความแข็งแรงสูง
เหล็กเครื่องมือ
สแตนเลส
ส่วนประกอบทั่วไปบางส่วนที่ชุบแข็งด้วยเคส ได้แก่:
เกียร์
รัด
เพลาลูกเบี้ยว
แท่ง
หมุด
