การเย็นตัวของเหล็กชุบแข็งในของเหลว

เมื่อจุ่มชิ้นเหล็กที่มีอุณหภูมิสูงเกินอุณหภูมิวิกฤติของเหล็กลงในอ่างของเหลว ชิ้นเหล็กนี้จะเย็นลงเรื่อย ๆ อุณหภูมิที่ผิวและแกนกลางของชิ้นเหล็กจะเย็นลงไม่เท่ากัน ลักษณะการระบายความร้อนหรือการเย็นตัวของชิ้นเหล็ก ณ ที่ผิวและแกนกลางในขณะที่ยังจุ่มอยู่ในของเหลวพอที่จะจำแนกออกได้เป็น 3 ขั้นตอนได้แก่ Vapour Blanket Stage , Boiling หรือ Vapour Transport Stage และ Liquid Cooling Stage Vapour Blanket Stage เมื่อจุ่มเหล็กที่ร้อนลงในของเหลวทันที สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือความร้อนในเนื้อเหล็กจะทำให้ของเหลวรอบ ๆ เนื้อเหล็กกลายเป็นไอทันทีทันใด ไอนี้จะห่อหุ้มชิ้นเหล็กไว้ การถ่ายเทความร้อนระหว่างชิ้นงานและของเหลวจะไม่ดีเลย เนื่องจากมีไอห่อหุ้มเป็นฉนวนอยู่ ไอนี้เป็นตัวนำความร้อนที่ต่ำมาก ในงานชุบแข็งเหล็กเราต้องการให้การถ่ายเทความร้อนในขั้นตอนนี้เป็นไปอย่าง เร็วที่สุดและสั้นที่สุด Vapour Transport Stage ขณะที่อุณหภูมิของชิ้นงานค่อยๆ เย็นลง เนื่องจากการระบายความร้อน ใน Vapour Blanket Stage อุณหภูมินี้จะเย็นลงถึงจุดๆหนึ่งที่ไอห่อหุ้มชิ้นเหล็กไม่อาจคงสภาพอยู่ได้ ของเหลวรอบๆ ชิ้นงานก็เข้าไปสัมผัสกับผิวนอกของเนื้อเหล็กเกิดการเดือดอย่างรุนแรง ความร้อนจำนวนมากจากเนื้อเหล็กจะถูกดึงออกไปเพื่อใช้ในการเดือดในรูปของความ ร้อนแฝง ฟองที่เกิดจากการเดือดจะช่วยปั่นกวนของเหลวทาให้การถ่ายเทความร้อนดีขึ้น อัตราการเย็นตัวของเนื้อเหล็กในขั้นตอนนี้จะมากและอย่างน้อยจะต้องเท่ากับ อัตราการเย็นตัววิกฤตของเหล็กนั้นๆ เพื่อให้แน่ใจว่าเนื้อเหล็กผิวนอกทั้งหมดจะถูกแปรสภาพให้อยู่ในโครงสร้างของ Martensite Liquid Cooling Stage หลังจากผ่าน Vapour Transport Stage แล้ว อุณหภูมิของเนื้อเหล็กจะลดลงจนเท่ากับอุณหภูมิจุดเดือดของของเหลว การเดือดจะหยุด การถ่ายเทความร้อนในช่วงนี้อาศัยวิธีการพาและการนาความร้อน อุณหภูมิของของเหลวในขณะนี้จะอยู่ในราว 300 – 350 ๐C ซึ่งเป็นอุณหภูมิของเนื้อเหล็กที่เริ่มจะเปลี่ยนโครงสร้างไปเป็น Martensite การระบายความร้อนใน Stage นี้ต้องเป็นไปอย่างช้าๆ เพื่อให้อุณหภูมิผิวนอกและแกนในใกล้เคียงกันมากที่สุดเพื่อป้องกันการแตก ร้าวหรือบิดเบี้ยวของชิ้นงาน ขณะที่เนื้อเหล็กจะเริ่มเปลี่ยนโครงสร้างจาก Austenite เป็น Martensite จากการระบายความร้อน 3 ขั้นตอนที่ได้กล่าวมาแล้วพอสรุปได้ว่า สาหรับงานชุบแข็งเหล็กที่ดี Vapour Blanket Stage ควรจะเกิดขึ้นเร็วที่สุดและสั้นที่สุด อัตราการเย็นตัวของเนื้อเหล็กใน Vapour Transport Stage จะต้องสูงอย่างน้อยต้องเท่ากับอัตราการเย็นตัววิกฤตของเหล็กนั้นๆ ยิ่งอัตราการเย็นตัวมากกว่าเท่าใดเหล็กที่ชุบก็จะชุบได้แข็งกว่าและลึกกว่า และสุดท้ายในขั้นตอนของ Liquid Cooling Stage การระบายความร้อนต้องไม่เร็วเกินไป เหตุผลคือป้องกันไม่ให้อุณหภูมิที่ผิวและแกนในต่างกันมากเพื่อป้องกันการแตก ร้าวหรือบิดเบี้ยวของชิ้นงาน นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่คนนิยมใช้น้ามันสาหรับชุบแข็งเหล็กแทนน้า เพราะน้าสามารถระบายความร้อนได้ค่อนข้างเร็วใน Liquid Cooling Stage ทาให้ชิ้นงานมีโอกาสบิดเบี้ยวและร้าวได้ง่าย