สรุปสั้นๆ

การบำบัดความร้อนสำหรับชิ้นส่วนรถยนต์ที่ขึ้นรูปทั่วไปแบ่งออกเป็นสองประเภทหลักตามช่วงเวลาที่ใช้ความร้อน: การขึ้นรูปแบบร้อน (Hot Stamping หรือ Press Hardening) และ การบำบัดความร้อนหลังขึ้นรูป .

การสตริปร้อน เกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนแผ่นเหล็กโบรอง (โดยทั่วไปคือ 22MnB5) ให้สูงกว่า 900°C ก่อนขึ้นรูปและทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วพร้อมกันในแม่พิมพ์ ซึ่งจะสร้างชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีความแข็งแรงสูงมาก เช่น เสา B และกันชน ที่มีความต้านทานแรงดึงสูงถึง 1,500 MPa การบำบัดความร้อนหลังขึ้นรูป ใช้กระบวนการรอง เช่น การคาร์บูไรซ์ การไนโตรคาร์บูไรซ์แบบเฟอร์ไรติก (FNC) หรือการเพิ่มความแข็งด้วยสนามแม่เหล็กไฟฟ้า กับชิ้นส่วนที่ได้รับการขึ้นรูปเย็นแล้ว เส้นทางนี้เหมาะกับกลไกการทำงาน เช่น ตัวปรับเอนเบาะนั่ง และกลไกเบรก ที่ต้องการความต้านทานการสึกหรอ โดยไม่เปลี่ยนแปลงรูปร่างของแกนกลาง

สองเส้นทางหลัก: การขึ้นรูปด้วยความร้อน เทียบกับ การบำบัดหลังขึ้นรูป

เมื่อวิศวกรออกแบบชิ้นส่วนยานยนต์ที่ผลิตด้วยการตัดขึ้นรูป ทางเลือกของการบำบัดความร้อนไม่ใช่เพียงขั้นตอนการตกแต่งสุดท้าย แต่มันกำหนดกลยุทธ์การผลิตทั้งหมด อุตสาหกรรมแบ่งกระบวนการเหล่านี้ออกเป็นสองรูปแบบการทำงานหลัก: การขึ้นรูปร้อน (Hot Stamping) และ การบำบัดความร้อนขั้นที่สอง (Cold Stamping + Post-Process) .

การเข้าใจความแตกต่างพื้นฐานระหว่างเส้นทางเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับผู้จัดการจัดซื้อและวิศวกรออกแบบ:

• การบูรณาการ เทียบกับ การแยกขั้นตอน การขึ้นรูปร้อนบูรณาการขั้นตอนการขึ้นรูปและการทำให้วัสดุแข็งแกร่งเป็นหนึ่งขั้นตอนเดียวในแม่พิมพ์ วัสดุเข้าไปในเครื่องกดในสภาพนิ่มและออกจากเครื่องกดในสภาพที่แข็งแกร่ง ในทางตรงกันข้าม การบำบัดความร้อนภายังการผลิตแยกขั้นตอนเหล่านี้ ชิ้นส่วนจะถูกขึ้นรูปในสภาวะเย็น (นิ่ม) จากนั้นจึงส่งไปเตาเพื่อทำให้วัสดุแข็งแกร่ง
• ความเฉพาะเจาะจงของวัสดุ การขึ้นรูปร้อนเกือบใช้เหล็กแมงกานีส-โบรอน (เช่น 22MnB5) ที่ออกแบบเพื่อเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคระหว่างการดับความร้อน ในขณะที่การบำบัดความร้อนภายังการผลิตสามารถใช้กับเหล็กคาร์บอนต่ำถึงปานกลางและโลหะผสมที่หลากหลายกว่า (เช่น 1020, 4140 หรือ 8620)
• เป้าหมายหลัก: เป้าหมายของการปั๊มร้อนมักจะเกี่ยวกับความแข็งแรงของโครงสร้างและความปลอดภัยในการชน (ป้องกันการแทรกซึม) ส่วนเป้าหมายของการบำบัดหลังกระบวนการมักจะเป็นความต้านทานการสึกหรอ ความทนทานต่อการเหนื่อยล้า หรือการป้องกันการกัดกร่อนสำหรับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

การปั๊มร้อน (Press Hardening): สำหรับโครงสร้างที่สำคัญต่อความปลอดภัย

การสตริปร้อน , หรือที่รู้จักกันในชื่อ Press Hardening, ได้ปฏิวัติความปลอดภัยในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยช่วยให้ผู้ผลิตสามารถผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างที่ซับซ้อนและเบามาก แต่สามารถรองรับแรงกระแทกจากการชนได้อย่างมหาศาลโดยไม่แตกหัก กระบวนการนี้ถือเป็นมาตรฐานสำหรับ "กรงนิรภัย" ของรถยนต์สมัยใหม่ รวมถึงเสา A เสา B รางหลังคา และคานป้องกันการโจรกรรมเข้าประตู

กระบวนการ: จากออกเทนไนต์ไปยังมาร์เทนไซต์

หลักการทางวิทยาศาสตร์เบื้องหลังการปั๊มร้อนขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยาอย่างแม่นยำ กระบวนการเริ่มต้นด้วยการให้ความร้อนแผ่นเหล็กในเตาเผาจนถึงประมาณ 900°C–950°C ที่อุณหภูมินี้ โครงสร้างภายในของเหล็กจะเปลี่ยนจากเฟอร์ไรต์-เพิร์ไลต์ เป็น ออสเตไนต์ ทำให้วัสดุมีความเหนียวและขึ้นรูปได้ง่ายมาก

จากนั้นแผ่นงานสีแดงร้อนจะถูกส่งผ่านอย่างรวดเร็วไปยังแม่พิมพ์ที่ระบายความร้อนด้วยน้ำ เมื่อเครื่องอัดขึ้นรูปปิดเพื่อขึ้นรูปชิ้นงาน พื้นผิวของแม่พิมพ์เย็นจะทำให้เหล็กเกิดการดับตัว (quench) พร้อมกันทันที การทำความเย็นอย่างรวดเร็วนี้ (ด้วยอัตราที่มักเกิน 27°C ต่อวินาที) จะกักอะตอมคาร์บอนไว้ในตาข่ายผลึกที่บิดเบี้ยว ทำให้ออสเทนไนต์เปลี่ยนสภาพเป็น มาร์เทนไซต์ ผลลัพธ์คือชิ้นส่วนที่มีความต้านทานแรงดึง (yield strength) เพิ่มขึ้นจากราวๆ 400 MPa (ในสภาพเริ่มต้น) เป็นมากกว่า 1,500 MPa

ข้อดีและข้อจำกัด

ข้อได้เปรียบหลักของการขึ้นรูปแบบร้อนคือความสามารถในการขึ้นรูปร่างที่ซับซ้อนโดยไม่เกิดปรากฏการณ์ "สปริงแบ็ค" (springback) (แนวโน้มของโลหะที่จะคืนตัวสู่รูปร่างเดิม) ซึ่งช่วยให้มั่นใจในความแม่นยำทางมิติอย่างยิ่ง อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้จำเป็นต้องใช้การตัดแต่งด้วยเลเซอร์โดยเฉพาะ เนื่องจากเหล็กที่ผ่านการแกร่งแล้วมีความแข็งมากเกินไปสำหรับเครื่องมือตัดกลไกแบบดั้งเดิม

การแกร่งหลังขึ้นรูป: สำหรับชิ้นส่วนที่สึกหรอและชิ้นส่วนเคลื่อนไหว

ขณะที่การขึ้นรูปแบบร้อนสร้างโครงกระดูกของรถยนต์ การบำบัดความร้อนหลังขึ้นรูป ช่วยให้มั่นใจในความทนทานของอวัยวะกลไกที่เคลื่อนไหวได้ ส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวพับเบาะนั่ง แผ่นส่งกำลัง ฟันหยุดเบรกมือ และกลอนประตู มักผลิตโดยการตัดแตะเย็นจากเหล็กที่นิ่มกว่า จากนั้นจึงผ่านกระบวนการทำให้แข็งเพื่อป้องกันการสึกหรอ

สำหรับผู้ผลิตที่กำลังก้าวข้ามช่วงเปลี่ยนผ่านจากต้นแบบสู่การผลิตจำนวนมากของชิ้นส่วนหน้าที่ที่ซับซ้อนเหล่านี้ การร่วมมือกับผู้จัดจำหน่ายที่มีศักยภาพถือเป็นสิ่งจำเป็น เทคโนโลยีโลหะเส้าอี้ เชี่ยวชาญในการปิดช่องว่างนี้ โดยนำเสนอโซลูชันการขึ้นรูปโลหะครบวงจรที่สอดคล้องกับมาตรฐาน OEM ระดับโลกอย่างเข้มงวด ตั้งแต่ขั้นตอนวิศวกรรมเริ่มต้นจนถึงการจัดส่งสินค้าที่ผ่านการอบความร้อนแล้ว

การเสริมคาร์บอน (Case Hardening)

การคาร์บูไรซ์เป็นกระบวนการที่นิยมใช้กับชิ้นส่วนที่ต้องเผชิญกับแรงเสียดทานและแรงกดสูง เช่น ฟันเฟืองและฟันหยุด โดยในกระบวนการนี้ ชิ้นส่วนเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำจะถูกนำไปให้ร้อนในบรรยากาศที่อุดมด้วยคาร์บอน ทำให้คาร์บอนแพร่เข้าสู่ผิวของชิ้นงาน สร้างเป็นชั้นผิวที่แข็ง ในขณะที่แกนกลางยังคงนิ่มและเหนียวอยู่ ซึ่ง ผิวแข็ง/แกนเหนียว การรวมกันนี้ช่วยป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนหัก snapping จากแรงกระแทกทันที ขณะเดียวกันก็รับประกันว่าพื้นผิวสามารถต้านทานการสึกหรอจากการสัมผัสกับชิ้นส่วนอื่นๆ ได้

การเหนี่ยวนำให้เกิดความแข็ง

เมื่อต้องการให้ชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยแรงกดมีความแข็งเฉพาะบางบริเวณเท่านั้น เช่น ฟันของเกียร์ปรับเบาะ หรือปลายของกลไกหยุดล็อก จะใช้วิธีการเหนี่ยวนำความร้อน (induction hardening) ซึ่งเป็นวิธีที่เหมาะสมที่สุด โดยคอยล์แม่เหล็กไฟฟ้าจะให้ความร้อนเฉพาะบริเวณเป้าหมาย จากนั้นจึงทำการดับความร้อนทันที การรักษานี้ทำให้เกิดความแข็งเฉพาะจุด และลดการบิดงอของชิ้นส่วนในบริเวณอื่นๆ

การอบแข็งแบบผ่านทั้งชิ้น (Through Hardening)

สำหรับชิ้นส่วนโครงสร้าง เช่น ขาแขวน คลิป หรือหัวเข็มขัดนิรภัย ที่ต้องการความแข็งแรงสม่ำเสมอตลอดทั้งหน้าตัด จะใช้วิธีการอบแข็งแบบผ่านทั้งชิ้น กระบวนการนี้ประกอบด้วยการให้ความร้อนทั้งชิ้นส่วนจนถึงอุณหภูมิออสเทนไนต์ จากนั้นจึงดับความร้อนอย่างรวดเร็ว เพื่อให้ได้ความแข็งที่สม่ำเสมอตั้งแต่ผิวภายนอกไปจนถึงแกนกลาง โดยทั่วไปจะใช้กับเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนปานกลางถึงสูง

การกัดกร่อนและความเสถียร: FNC และการไนไตรด์

สำหรับชิ้นส่วนใต้ท้องรถหรือชิ้นส่วนเบรกที่สัมผัสกับเกลือถนนและมีความชื้น ความแข็งเพียงอย่างเดียวไม่เพียงพอ เฟอร์ไรติก ไนโทรคาร์บูไรซิง (Ferritic Nitrocarburizing - FNC) และ Nitriding ให้ประโยชน์สองประการคือ ความแข็งของผิวและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม

ต่างจากกระบวนการคาร์บูไรซิ่ง ซึ่งทำที่อุณหภูมิสูง (มักมากกว่า 850°C) และอาจทำให้ชิ้นส่วนบิดงอ FNC ทำที่อุณหภูมิต่ำกว่า (ประมาณ 575°C) อุณหภูมิ "ใต้จุดวิกฤต" นี้ป้องกันการเปลี่ยนเฟสในแกนเหล็ก ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงมิติน้อยมากจนแทบเป็นศูนย์ ทำให้ FNC เหมาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปด้วยความแม่นยำ เช่น ขาแขวนคาลิปเปอร์เบรก แผ่นคลัตช์เกียร์ และแหวนโลหะบางที่ต้องคงสภาพเรียบสมบูรณ์

การอบอ่อนและการลดแรงเครียด: กระบวนการช่วยเสริม

ไม่ใช่การบำบัดความร้อนทั้งหมดที่ออกแบบมาเพื่อทำให้โลหะแข็งขึ้น การปรับปรุง และ การผ่อนคลายแรงดัน เป็นกระบวนการ "ทำให้อ่อนลง" ที่จำเป็นต่อขั้นตอนการผลิตเอง

ในระหว่างกระบวนการดัดขึ้นรูปลึก (เช่น การขึ้นรูปชุดเก็บน้ำมันเครื่องหรือฝาครอบเครื่องยนต์) การเย็นตัวของวัสดุจะทำให้เกิดความเค้นภายในที่อาจทำให้โลหะแตกร้าวหรือฉีกขาดได้ การอบอ่อนกลางทางจะใช้ความร้อนเพื่อทำให้โครงสร้างผลึกของโลหะเกิดการตกผลึกใหม่ ซึ่งจะช่วยคืนความเหนียวและทำให้สามารถดำเนินขั้นตอนการขึ้นรูปต่อไปได้ ในทำนองเดียวกัน มักจะมีการนำการผ่อนแรงมาใช้หลังจากการตัดด้วยแรงกดหนักหรือการเชื่อม เพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนบิดงอตามกาลเวลาเนื่องจากแรงดึงคงเหลือ

สรุป

การเลือกการรักษาความร้อนที่ถูกต้อง สําหรับชิ้นส่วนรถยนต์ที่ติดสแตมป์ เป็นการสมดุลของฟังก์ชัน, กณิตศาสตร์, และวิทยาศาสตร์วัสดุ การตีพิมพ์ร้อนยังคงเป็นแชมป์ที่ไม่ถูกคัดเลือกสําหรับกรงความปลอดภัย ในทางกลับกัน การรักษาหลังการตีพิมพ์ เช่น การคาร์บิวาริซ และ FNC เป็นสิ่งจําเป็นสําหรับกลไกการเคลื่อนที่ที่ซับซ้อน ที่คนขับรถต้องปฏิสัมพันธ์กับมันทุกวัน โดยการสอดคล้องความต้องการผลงานของส่วนประกอบ ไม่ว่าจะเป็นความทนต่อการชน, อายุการใช้งาน, หรือการป้องกันการกัดกร่อน

คำถามที่พบบ่อย

1. การประชุม ความแตกต่างระหว่างการปรับปรุงความร้อนและการปรับปรุงความเย็น

การตีพิมพ์ร้อนทําให้โลหะร้อน ก่อนหน้านี้ และ ในระหว่าง กระบวนการขึ้นรูป ซึ่งเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของเหล็กเพื่อสร้างชิ้นส่วนที่มีความแข็งแรงสูงมากในขั้นตอนเดียว การขึ้นรูปแบบเย็นจะขึ้นรูปโลหะที่อุณหภูมิห้อง และการอบความร้อน (เช่น การเติมคาร์บอนหรือการอบอ่อน) จะถูกนำไปใช้เป็นกระบวนการทำงานรองหลังจากนั้น เพื่อปรับความแข็งหรือลดแรงดึงเครียด

2. เหตุใดเหล็กโบโรนจึงถูกใช้สำหรับชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปแบบร้อน

เหล็กโบโรน โดยเฉพาะเกรดอย่าง 22MnB5 ถูกใช้เพราะการเติมโบโรนช่วยเพิ่มความสามารถในการทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์ได้อย่างสมบูรณ์ในช่วงการระบายความร้อนอย่างรวดเร็วภายในแม่พิมพ์ที่มีระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ จนสามารถบรรลุความต้านทานแรงดึงได้สูงถึง 1,500 เมกกะพาสกาล

3. คุณสามารถทำการอบความร้อนกับชิ้นส่วนที่ขึ้นรูปแล้วหลังจากการเชื่อมได้หรือไม่

ใช่ แต่ต้องดำเนินการด้วยความระมัดระวัง การเชื่อมจะสร้างความร้อนซึ่งอาจเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของบริเวณที่ผ่านการอบความร้อนมาก่อน การทำให้คลายความเครียด (Stress relief) มักทำหลังจากการเชื่อมเพื่อลดแรงดันจากความร้อน อย่างไรก็ตาม หากชิ้นส่วนต้องการความแข็งสูง มักจะทำการเชื่อมก่อน แล้วจึงทำการอบความร้อนเป็นขั้นตอนสุดท้ายในรูปแบบของการประกอบชิ้นส่วนรวม เว้นแต่การออกแบบจะอนุญาตให้ทำได้

4. การบำบัดความร้อนแบบใดดีที่สุดสำหรับความต้านทานการกัดกร่อนในชิ้นส่วนรถยนต์?

Ferritic Nitrocarburizing (FNC) ถือว่าเป็นกระบวนการบำบัดความร้อนที่ดีที่สุดในการรวมคุณสมบัติความแข็งเข้ากับความต้านทานการกัดกร่อน โดยกระบวนการนี้จะสร้างชั้นผิวที่แข็งและทนต่อการสึกหรอ ("compound zone") ซึ่งยังช่วยป้องกันการเกิดออกซิเดชัน ทำให้เหมาะสำหรับชิ้นส่วนเบรกและตัวยึดใต้ท้องรถ