การใช้ความร้อนกับตัวยึดสเตนเลสสตีล

ตัวยึดสแตนเลส รวมถึงโบลท์ น็อต สกรู และแหวนรอง ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ วิศวกรรมทางทะเล ปิโตรเคมี การแปรรูปอาหารและการก่อสร้าง เนื่องจากมีความต้านทานการกัดกร่อน คุณสมบัติทางกล และความทนทานที่ดีเยี่ยม อย่างไรก็ตาม เหล็กกล้าไร้สนิมแบบหล่อหรือขึ้นรูปมักไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพที่เข้มงวดของสภาพแวดล้อมการทำงานที่ซับซ้อน เช่น ความแข็งแรงสูง ความต้านทานการสึกหรอ ความคงตัวของขนาด และความต้านทานต่อการเชื่อมด้วยความเย็น (การครูด) การอบชุบด้วยความร้อนเป็นเทคโนโลยีการประมวลผลที่สำคัญ สามารถควบคุมโครงสร้างจุลภาคของตัวยึดสแตนเลสได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนรูปร่างอย่างมีนัยสำคัญ จึงช่วยปรับคุณสมบัติทางกลและอายุการใช้งานให้เหมาะสม บทความนี้อธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนทั่วไปสำหรับตัวยึดสเตนเลส หลักการใช้งาน การปรับเปลี่ยนเฉพาะวัสดุ และหลักปฏิบัติในการใช้งานทางอุตสาหกรรม

1. ภาพรวมของการอบชุบด้วยความร้อนสำหรับตัวยึดสแตนเลส

วัตถุประสงค์หลักของการอบชุบด้วยความร้อนสำหรับตัวยึดสแตนเลสคือการปรับโครงสร้างผลึกภายใน ขจัดความเครียดภายในที่เกิดขึ้นระหว่างการขึ้นรูป (เช่น การขึ้นรูปเย็นและการตัดเฉือน) และปรับสมดุลความสัมพันธ์ระหว่างความแข็งแรง ความแข็ง ความเหนียว ความเหนียว และความต้านทานการกัดกร่อน สแตนเลสมีองค์ประกอบโลหะผสม เช่น โครเมียม (Cr), นิกเกิล (Ni), โมลิบดีนัม (Mo) และไทเทเนียม (Ti) ซึ่งแตกต่างจากตัวยึดเหล็กคาร์บอน ซึ่งสร้างฟิล์มออกไซด์แบบพาสซีฟบนพื้นผิวเพื่อต้านทานการกัดกร่อน ดังนั้นการอบชุบด้วยความร้อนของตัวยึดสเตนเลสสตีลไม่เพียงแต่ต้องปรับปรุงคุณสมบัติทางกลเท่านั้น แต่ยังหลีกเลี่ยงความเสียหายของฟิล์มแบบพาสซีฟนี้หรือลดความต้านทานการกัดกร่อนอีกด้วย

การเลือกกระบวนการบำบัดความร้อนขึ้นอยู่กับประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิม (ออสเทนนิติก มาร์เทนซิติก เฟอร์ริติก ดูเพล็กซ์) ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของตัวยึด และสถานการณ์การใช้งาน กระบวนการทั่วไป ได้แก่ การบำบัดสารละลาย การหลอม การชุบแข็งและการอบคืนตัว การแข็งตัวด้วยการตกตะกอน การชุบแข็งพื้นผิว และการบรรเทาความเครียด โดยแต่ละกระบวนการมีลักษณะเฉพาะและขอบเขตการใช้งานที่แตกต่างกัน

2. กระบวนการบำบัดความร้อนทั่วไปและการประยุกต์

2.1 การบำบัดด้วยสารละลาย (การหลอมสารละลาย)

การบำบัดด้วยสารละลายเป็นกระบวนการบำบัดความร้อนขั้นพื้นฐานและใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับตัวยึดสเตนเลสออสเทนนิติก (เช่น เกรด 304, 316, 321) และตัวยึดสเตนเลสดูเพล็กซ์ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนตัวยึดที่อุณหภูมิสูงกว่าขีดจำกัดความสามารถในการละลายของคาร์ไบด์ (โดยทั่วไปคือ 1,000–1200°C สำหรับสเตนเลสออสเทนนิติก) โดยคงไว้ที่อุณหภูมินี้เป็นระยะเวลาหนึ่งเพื่อให้แน่ใจว่าคาร์ไบด์ (เช่น โครเมียม คาร์ไบด์) จะละลายอย่างสมบูรณ์ในเมทริกซ์ออสเทนไนต์ จากนั้นจึงทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว (ดับ) พวกมันในน้ำหรืออากาศเพื่อให้ได้โครงสร้างจุลภาคออสเทนนิติกที่สม่ำเสมอ

หน้าที่หลักของการบำบัดสารละลายคือกำจัดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ตามขอบเกรน ซึ่งป้องกันการกัดกร่อนตามขอบเกรน ซึ่งเป็นโหมดความล้มเหลวทั่วไปของตัวยึดสเตนเลสสตีลในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น อุตสาหกรรมทางทะเลและแปรรูปทางเคมี นอกจากนี้ การบำบัดสารละลายยังช่วยเพิ่มความเหนียวและความเหนียวของตัวยึด อำนวยความสะดวกในกระบวนการขึ้นรูปในภายหลัง (เช่น การรีดเกลียว) และรับประกันความเสถียรของมิติระหว่างการบริการ ตัวอย่างเช่น ตัวยึดสแตนเลส 316L ที่ใช้ในอุปกรณ์ทางทะเลจะต้องผ่านการบำบัดสารละลายเพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนของคลอไรด์ และรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างในสภาพแวดล้อมที่มีรสเค็มและชื้น

2.2 การหลอม

การหลอมเป็นกระบวนการบำบัดความร้อนที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อทำให้ตัวยึดสเตนเลสสตีลอ่อนตัวลง บรรเทาความเครียดภายใน ปรับปรุงความสามารถในการขึ้นรูป และทำให้โครงสร้างจุลภาคเป็นเนื้อเดียวกัน กระบวนการจะแตกต่างกันไปเล็กน้อยตามประเภทของสเตนเลส: สำหรับสเตนเลสออสเทนนิติก การหลอมมักจะรวมกับการบำบัดด้วยสารละลาย (การหลอมด้วยสารละลาย) สำหรับเหล็กสเตนเลสเฟอร์ริติก การอบอ่อนจะดำเนินการที่อุณหภูมิ 700–900°C ตามด้วยการระบายความร้อนอย่างช้าๆ เพื่อขจัดความเค้นตกค้างและปรับปรุงความเหนียว สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก การอบอ่อนจะใช้เพื่อทำให้วัสดุนิ่มลงหลังการชุบแข็ง ลดการเปราะและอำนวยความสะดวกในการตัดเฉือน

ในการผลิตตัวยึดสแตนเลส การอบอ่อนมักถูกนำมาใช้ก่อนการขึ้นรูปเย็นหรือการกลึงเกลียว ตัวอย่างเช่น ก่อนที่จะใช้สลักเกลียวสเตนเลสสตีลมาร์เทนซิติก 17-4 PH สำหรับการเย็น การอบอ่อนที่อุณหภูมิ 800–850°C จะทำให้วัสดุนิ่มลง ลดความต้านทานระหว่างการขึ้นรูปเย็น และหลีกเลี่ยงการแตกร้าวของตัวยึดหรือการสึกหรอของแม่พิมพ์มากเกินไป ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนการผลิตได้ นอกจากนี้ การอบอ่อนแบบบรรเทาความเครียด (การอบอ่อนชนิดหนึ่ง) ยังใช้ในการบำบัดตัวยึดหลังการเชื่อมหรือการตัดเฉือน โดยให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 600–800°C และค่อยๆ เย็นลงเพื่อป้องกันการเสียรูปหรือการแตกร้าวที่เกิดจากความเค้นตกค้างระหว่างการให้บริการ

2.3 การชุบและแบ่งเบาบรรเทา

การชุบแข็งและการอบคืนสภาพส่วนใหญ่จะใช้กับตัวยึดสเตนเลสสตีลมาร์เทนซิติก (เช่น เกรด 410, 420) และตัวยึดสเตนเลสสตีลชุบแข็งบางชนิดที่ต้องการความแข็งแรงและความแข็งสูง เช่น ตัวยึดที่ใช้ในชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่มีความเครียดสูงและส่วนประกอบด้านการบินและอวกาศ กระบวนการประกอบด้วยสองขั้นตอน: การดับและการแบ่งเบาบรรเทา

การชุบแข็งเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแก่ตัวยึดจนถึงอุณหภูมิออสเทนไนซ์ (850–1,050°C สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก) โดยคงไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นทำให้ตัวยึดเย็นลงอย่างรวดเร็วในน้ำมันหรือน้ำเพื่อเปลี่ยนเมทริกซ์ออสเทนไนต์เป็นมาร์เทนไซต์ ซึ่งจะเป็นการเพิ่มความแข็งและความแข็งแรงของตัวยึดอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ตัวยึดสเตนเลสสตีลมาร์เทนซิติกที่ดับแล้วมีความเปราะสูงและมีความเค้นตกค้างสูง ดังนั้นจึงต้องทำการแบ่งเบาบรรเทาทันทีหลังจากการดับ

การแบ่งเบาบรรเทาเกี่ยวข้องกับการอุ่นตัวยึดที่ดับแล้วอีกครั้งให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า (150–650°C) โดยคงไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นจึงทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง กระบวนการนี้ช่วยลดความเปราะบาง บรรเทาความเค้นตกค้าง และปรับสมดุลระหว่างความแข็ง ความแข็งแรง และความเหนียวของตัวยึด ตัวอย่างเช่น สลักเกลียวสแตนเลส 410 ที่ใช้ในส่วนประกอบเครื่องยนต์ของยานยนต์ผ่านการชุบแข็งและการอบคืนตัวเพื่อให้ได้ความแข็ง HRC 35–45 ทำให้มั่นใจได้ว่าสามารถทนต่อการรับน้ำหนักสูงและการสั่นสะเทือนซ้ำๆ ได้โดยไม่เสียรูปหรือแตกหัก

2.4 การตกตะกอนแข็งตัว

การชุบแข็งด้วยการตกตะกอน (หรือที่เรียกว่าการชุบแข็งตามอายุ) เป็นกระบวนการอบชุบด้วยความร้อนเฉพาะสำหรับตัวยึดสเตนเลสสตีลที่มีการตกตะกอน เช่น เกรด 17-4 PH, 17-7 PH ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ปิโตรเคมี และการผลิตไฟฟ้า เนื่องจากมีความแข็งแรงสูงและทนต่อการกัดกร่อนได้ดี กระบวนการประกอบด้วยสามขั้นตอน: การบำบัดสารละลาย การทำความเย็น (เพื่อให้ได้สารละลายของแข็งที่มีความอิ่มตัวสูง) และอายุ (การตกตะกอนของขั้นตอนการเสริมกำลัง)

ขั้นแรก ตัวยึดจะต้องผ่านการบำบัดสารละลายที่อุณหภูมิ 1,020–1,060°C เพื่อละลายธาตุอัลลอยด์ (เช่น ทองแดง ไนโอเบียม) ลงในเมทริกซ์ออสเทนไนต์ จากนั้นจึงทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วจนถึงอุณหภูมิห้องเพื่อให้ได้มาร์เทนไซต์อิ่มตัวยวดยิ่งหรือสารละลายของแข็งออสเทนไนต์ ต่อจากนั้น การบำบัดความชราจะดำเนินการที่อุณหภูมิ 480–620°C ในระหว่างนั้นขั้นตอนการเสริมกำลังที่ละเอียดและสม่ำเสมอ (เช่น การตกตะกอนที่อุดมด้วยทองแดง) จะถูกตกตะกอนจากสารละลายของแข็งที่มีความอิ่มตัวยวดยิ่ง ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของตัวยึดได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยไม่ทำให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดลง ตัวอย่างเช่น ตัวยึดสเตนเลสสตีล 17-4 PH หลังจากการชุบแข็งด้วยการตกตะกอนสามารถทนแรงดึงได้สูงถึง 1170 MPa และมีความแข็ง Rockwell C38 ทำให้เหมาะสำหรับส่วนประกอบเครื่องบินและอุปกรณ์ปิโตรเคมีแรงดันสูง

2.5 การแข็งตัวของพื้นผิว

ตัวยึดสเตนเลสสตีลมักประสบปัญหาการครูด (การเชื่อมเย็น) ในระหว่างการประกอบและการแยกชิ้นส่วน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสถานการณ์การสัมผัสระหว่างโลหะกับโลหะซึ่งมีแรงบิดในการขันสูง การครูดมีสาเหตุหลักมาจากความแข็งของพื้นผิวต่ำ ความหยาบของพื้นผิวมากเกินไป หรือการขาดการหล่อลื่น และอาจนำไปสู่การติดขัดของตัวยึด ทำให้การถอดออกทำได้ยากมากโดยไม่ทำให้ส่วนประกอบเสียหาย การชุบแข็งพื้นผิวเป็นวิธีแก้ปัญหาที่มีประสิทธิภาพสำหรับปัญหานี้ เนื่องจากมีความแข็งเพียงชั้นผิว (ไม่กี่สิบไมครอน) ของตัวยึด จึงเพิ่มความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานต่อการครูด ในขณะที่ยังคงรักษาความต้านทานการกัดกร่อนและความเหนียวของวัสดุฐานไว้

กระบวนการชุบแข็งพื้นผิวทั่วไปสำหรับตัวยึดสแตนเลส ได้แก่ กระบวนการไนไตรด์ คาร์บูไรซิ่ง และกระบวนการแพร่กระจายที่เป็นกรรมสิทธิ์ เช่น Kolsterising® และ Super Expanite® Kolsterising® เป็นกระบวนการแพร่กระจายที่อุณหภูมิต่ำ เพิ่มความแข็งพื้นผิวของตัวยึดได้อย่างมาก (โดยทั่วไปจะสูงกว่า 1000 HV) โดยไม่ต้องเปลี่ยนขนาดหรือผิวสำเร็จ ทำให้เหมาะสำหรับตัวยึดสเตนเลสสตีลออสเทนนิติกและดูเพล็กซ์ที่ใช้ในอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำ Super Expanite® แก้ปัญหาข้อบกพร่องของกระบวนการชุบแข็งพื้นผิวแบบดั้งเดิม (เช่น ความต้านทานการกัดกร่อนที่ลดลงและความลึกของการชุบแข็งแบบตื้น) โดยการชุบแข็งทั้งชั้นนอกสุดและวัสดุที่อยู่ด้านล่าง ปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนและความต้านทานการสึกหรอให้ดียิ่งขึ้น กระบวนการชุบแข็งพื้นผิวเหล่านี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในตัวยึดสำหรับอุปกรณ์ทางการแพทย์ เครื่องจักรที่มีความแม่นยำ และการแปรรูปทางเคมี ซึ่งความต้านทานการครูดและความต้านทานการกัดกร่อนเป็นสิ่งสำคัญ