วิธีการรักษาความร้อนสำหรับแท่งกลมเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ

การอบนุ่ม: การทำให้วัสดุนุ่มลงเพื่อเพิ่มความสามารถในการขึ้นรูป

การอบอ่อน (Annealing) คือกระบวนการรักษาความร้อนที่ออกแบบมาเพื่อทำให้แท่งกลมมีความนุ่มลง ลดแรงเครียดภายใน และปรับโครงสร้างเม็ดผลึกให้ละเอียดขึ้น ซึ่งส่งผลให้ความสามารถในการกลึงและการขึ้นรูปของวัสดุดีขึ้น แท่งกลมจะถูกให้ความร้อนถึงอุณหภูมิเฉพาะ (โดยทั่วไปอยู่ที่ 800–900°C สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอน) แล้วคงอุณหภูมินั้นไว้เป็นระยะเวลาเพียงพอเพื่อให้เกิดการเปลี่ยนเฟสเป็นออสเทนไนต์อย่างสมบูรณ์ จากนั้นจึงลดอุณหภูมิลงอย่างช้าๆ ภายในเตา กระบวนการลดอุณหภูมิอย่างช้าๆ นี้จะก่อให้เกิดโครงสร้างจุลภาคแบบเพอร์ไลต์หยาบ หรือแบบเฟอร์ไรต์-เพอร์ไลต์ ซึ่งส่งผลให้ความแข็งลดลงและดัชนีความเหนียวเพิ่มขึ้น แท่งกลมที่ผ่านการอบอ่อนจะตัด ข drill และขึ้นรูปได้ง่ายขึ้น จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานกลึงที่ซับซ้อนหรือการขึ้นรูปเย็น ซึ่งหากวัสดุมีความแข็งมากเกินไปอาจทำให้เครื่องมือสึกหรอหรือวัสดุแตกร้าวได้ นอกจากนี้ การรักษาความร้อนแบบนี้ยังใช้เพื่อกำจัดผลกระทบจากการขึ้นรูปเย็นก่อนหน้า และเพื่อทำให้โครงสร้างจุลภาคของวัสดุมีความสม่ำเสมอ ก่อนเข้าสู่กระบวนการรักษาความร้อนขั้นตอนต่อไป

การอบปรับโครงสร้าง (Normalizing): การปรับโครงสร้างเม็ดผลึกเพื่อให้ได้สมบัติที่สม่ำเสมอ

กระบวนการปรับโครงสร้าง (Normalizing) ประกอบด้วยการให้ความร้อนกับแท่งกลมจนถึงอุณหภูมิสูงกว่าจุดวิกฤตสูงสุด (โดยทั่วไปอยู่ที่ 850–950°C) แล้วคงอุณหภูมินั้นไว้เป็นระยะเวลาเพียงพอ ก่อนปล่อยให้เย็นลงในอากาศนิ่ง กระบวนการนี้จะทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคแบบเพอร์ไลต์ (pearlitic) ที่สม่ำเสมอและมีเม็ดเกรนละเอียด ซึ่งให้สมดุลที่ดีขึ้นระหว่างความแข็งแรงและความเหนียว เมื่อเทียบกับสภาพหลังการรีด (as-rolled condition) การปรับโครงสร้างช่วยกำจัดโครงสร้างเกรนหยาบและแรงเครียดภายในที่อาจเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการตีขึ้นรูป (forging) หรือรีด (rolling) จึงส่งผลให้ความต้านทานการกระแทก (impact toughness) ดีขึ้น และทำให้คุณสมบัติเชิงกลมีความสม่ำเสมอมากยิ่งขึ้นทั่วทั้งหน้าตัดของแท่งกลม แท่งกลมที่ผ่านการปรับโครงสร้างมักใช้ในการผลิตชิ้นส่วนโครงสร้าง ฟันเฟือง และเพลา ซึ่งต้องการความแข็งแรงระดับปานกลางและสามารถขึ้นรูปได้ดี (good machinability) สำหรับเหล็กคาร์บอนและเหล็กโลหะผสมต่ำหลายชนิด การปรับโครงสร้างทำหน้าที่เป็นกระบวนการอบร้อนขั้นสุดท้าย (final heat treatment process) ที่สามารถตอบสนองข้อกำหนดด้านคุณสมบัติเชิงกลที่ระบุไว้ โดยไม่จำเป็นต้องผ่านกระบวนการดับน้ำ (quenching) และอบคืนตัว (tempering)

การดับความร้อน: การบรรลุความแข็งสูงสุด

การดับความร้อน หมายถึง การทำให้แท่งกลมเย็นลงอย่างรวดเร็วจากอุณหภูมิออสเทนไนต์ เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคให้กลายเป็นมาร์เทนไซต์ที่มีความแข็งสูง ขึ้นอยู่กับเกรดของเหล็ก แท่งกลมจะถูกทำให้ร้อนถึงอุณหภูมิ 800–950°C แล้วจึงทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วในสารดับความร้อน เช่น น้ำ น้ำมัน หรือสารละลายพอลิเมอร์ การดับความร้อนด้วยน้ำให้อัตราการเย็นเร็วที่สุดและให้ค่าความแข็งสูงสุด แต่เพิ่มความเสี่ยงต่อการบิดเบี้ยวและการแตกร้าว โดยเฉพาะสำหรับแท่งกลมที่มีหน้าตัดซับซ้อน

การอบอ่อน: การสมดุลระหว่างความแข็งและความเหนียว

การอบอ่อน (Tempering) เป็นกระบวนการที่จำเป็นหลังจากการดับความร้อน (quenching) โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อลดความเปราะบาง ผ่อนคลายแรงเครียดภายใน และให้ได้สมดุลที่ต้องการระหว่างความแข็งและความเหนียว แท่งกลมที่ผ่านการดับความร้อนจะถูกทำให้ร้อนขึ้นอีกครั้งที่อุณหภูมิระหว่าง 150°C ถึง 650°C คงที่ไว้เป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นจึงปล่อยให้เย็นลงในอากาศนิ่ง การอบอ่อนที่อุณหภูมิต่ำ (150–300°C) จะลดความแข็งลงเล็กน้อยแต่ยังคงความต้านทานการสึกหรอสูงไว้ พร้อมก่อให้เกิดโครงสร้างจุลภาคแบบมาร์เทนไซต์ที่ผ่านการอบอ่อน (tempered martensitic microstructure) ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องมือตัดและแม่พิมพ์ การอบอ่อนที่อุณหภูมิปานกลาง (350–500°C) จะให้สมดุลระหว่างความแข็งแรง ความเหนียว และความยืดหยุ่น จึงเหมาะสมสำหรับสปริงและเพลาที่ใช้งานหนัก การอบอ่อนที่อุณหภูมิสูง (500–650°C) จะก่อให้เกิดโครงสร้างจุลภาคแบบโซร์ไบต์ (sorbite microstructure) ที่มีความเหนียวและความสามารถในการดัดโค้ง (ductility) สูง ควบคู่ไปกับความต้านทานแรงดึงที่ดีและความต้านทานแรงดึงสูงสุดที่ดี จึงเป็นทางเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเพลาข้อเหวี่ยง แครงค์โรด และชิ้นส่วนโครงสร้างที่ต้องรับแรงกระแทก ภาวะที่ผ่านการดับความร้อนและอบอ่อน (Q&T) นี้ คือกระบวนการบำบัดความร้อนที่พบได้บ่อยที่สุดสำหรับแท่งกลมเหล็กกล้าผสมที่ต้องการคุณสมบัติเชิงกลที่ดีขึ้น