ตีดาบด้วยเตาถ่าน ตีดาบด้วยเตาแก๊ส MO Memoir : Friday 10 March 2560

"อ๋อ เกี่ยวอย่างนี้ครับ น้ำที่พระเศียรนี้จะละลายผงฝุ่นที่ทำเลขยันต์พุทธมนต์โดยพระอาจารย์ใหญ่ สวดเจ็ดวันเจ็ดคืนแล้วกวาดผงไว้ละลายน้ำที่ว่านั่นแล้วเขียนอักขระลงที่เล่มพระแสงดาบ เมื่อทิ้งให้แห้งดีแล้วเอาลงเข้าเตาเผาดาบจนแดง แล้วจึงลงชุบน้ำเหลืองผีที่ใส่รางยาวไว้ ดาบแดง ๆ นั่นเอานอนลงชุบในรางน้ำเหลืองผี จะดังฟ้อบ ส่งกลิ่นเหม็นตลบ พอทิ้งให้เย็นแล้วน่าประหลาดที่ตัวอักขระที่เขียนไว้ด้วยผงจากเกิดเป็นตัวนูนขึ้นได้ ครั้นแล้วจะเอาลงล้างให้สะอาดด้วยน้ำในพระเศียรพระอีกที"
 

บทความในย่อน้ำข้างบนมาจากเรื่อง "น้ำมันผีพราย" บทประพันธ์ของ เหม เวชกร ครับ เรื่องที่ผมเห็นว่าน่าสนใจก็คือ "การนำเหล็กที่ผ่านการเผาไฟร้อนแดงมานอนแช่ในรางที่บรรจุน้ำเหลืองผึเอาไว้" คำถามก็คือการทำเช่นนี้มีคำอธิบายทางวิทยาศาสตร์ไหม หรือเป็นความเชื่อทางไสยศาสตร์
  

บ่ายวานซืน มีสาวน้อยวิศวกรเคมีรายหนึ่งที่กำลังอยู่ระหว่างการหางานทำ มาเล่าให้ฟังถึงประสบการณ์ที่ไปเจอมาตอนสอบสัมภาษณ์เข้าทำงานเป็น process engineer ที่บริษัทที่ทำงานเกี่ยวกับปิโตรเคมีแห่งหนึ่งที่ระยอง คำถามหนึ่งที่เขาเจอมาและไม่แน่ใจในคำตอบก็คือ "ทำไมเวลาตีดาบจึงใช้เตาถ่าน ไม่ใช้เตาแก๊ส"
 

ดูเผิน ๆ คำถามนี้มันไม่น่าจะเกี่ยวกับงานวิศวกรรมเคมีนะครับ แต่ผมเห็นคำตอบของคำถามดังกล่าวมันอยู่ในวิชาพื้นฐานวิศวกรรมศาสตร์ที่ทุกคนน่าจะได้เรียนมานั่นคือวิชา "วัสดุทางวิศวกรรม" สมัยผมเรียนนั้นเรียนวิชานี้กันตอนปี ๑ เป็นวิชาบังคับ เนื้อหาวิชานี้มีอยู่ด้วยกันสามส่วน ส่วนที่หนึ่งเกี่ยวกับโลหะอันได้แก่เหล็กและพวกที่ไม่ใช่เหล็ก ส่วนที่สองเกี่ยวกับคอนกรีตและไม้ซึ่งเป็นวัสดุทางงานโยธา และส่วนที่สามคือพอลิเมอร์หรือพลาสติกต่าง ๆ ส่วนคำตอบของคำถามที่เขาเจอมานั้นมันอยู่ในเรื่องการนำเหล็กไปเข้ากระบวนการทางความร้อนหรือที่เรียกว่าทำ heat treatment
 

เหล็กเป็นโลหะที่มีการใช้งานทางวิศวกรรมมากที่สุด ไม่ว่าจะเป็นเหล็กกล้าคาร์บอน (carbon steel) ที่ประกอบด้วยเหล็กและคาร์บอนเป็นหลัก เหล็กกล้าประสมต่ำ (low alloy steel) ที่มีโลหะชนิดอื่นผสมอยู่ในปริมาณต่ำ หรือเหล็กกล้าประสมสูง (high alloy steel) ที่มีโลหะชนิดอื่นผสมอยู่ในปริมาณสูง เช่นเหล็กกล้าไร้สนิม (stainless steel)
 

ในที่นี้จะขอจำกัดอยู่ที่เหล็กกล้าคาร์บอน ปริมาณคาร์บอนในเนื้อเหล็กนั้นส่งผลต่อความแข็งและความง่ายในการหลอมเหล็ก เหล็กที่มีคาร์บอนในปริมาณมากจะมีความแข็งสูง แต่เปราะ หลอมตัวง่าย จึงเหมาะแก่การขึ้นรูปด้วยการหล่อขึ้นรูปในแม่แบบ ส่วนเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนในปริมาณต่ำกว่าจะมีความแข็งต่ำกว่า แต่เหนียว (คือถ้ามีแรงดึงจะไม่แตกหัก แต่จะยืดตัวออก) สามารถขึ้นรูปด้วยการทุบ ตี พับ ตอก รีด ให้เป็นรูปร่างต่าง ๆ
 

แต่ชิ้นงานที่ใช้ในงานทางวิศวกรรมจำนวนไม่น้อยต้องการคุณสมบัติพื้นผิวที่แข็งแต่ต้องไม่เปราะ เช่นเฟืองที่ต้องการให้พื้นผิวฟันเฟืองมีความแข็ง จะได้ไม่สึกหรอเวลาฟันเฟืองขบกัน แต่ลำตัวเฟืองเองนั้นต้องมีความเหนียว จะได้ไม่แตกหักในระหว่างการใช้งาน วิธีการผลิตเฟืองให้มีคุณสมบัติดังกล่าวทำได้ด้วยการเลือกใช้เหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนที่เหมาะสม (คือต้องไม่ทำให้เนื้อโลหะเปราะ) มาทำการขึ้นรูปฟันเฟืองให้ได้ขนาดและรูปร่างตามต้องการ จากนั้นจึงนำไปเผาหรือให้ความร้อนจนมีอุณหภูมิสูงพอ (ปรกติก็เผาจนเหล็กร้อนแดง และจะเผาในเตาไฟฟ้าก็ได้) จากนั้นก็ทำให้ชิ้นงานที่กำลังร้อนแดงนั้นเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งอาจทำได้ด้วยการใช้อากาศเป่า จุ่มลงในน้ำ น้ำมัน หรือน้ำเกลือ ตัวกลางระบายความร้อนที่แตกต่างกันนี้ส่งผลให้ชิ้นงานมีอัตราการเย็นตัวที่แตกต่างกัน ทำให้ได้พื้นผิวชิ้นงานที่มีความแข็งที่แตกต่างกันไปด้วย
 

วิธีการตามย่อหน้าข้างบนมันไม่ได้ไปเพิ่มจำนวนอะตอมคาร์บอนในเนื้อเหล็ก มันเพียงแต่ทำให้โครงสร้างอะตอมของเนื้อโลหะมีการจัดเรียงตัวกันใหม่ ทำให้โครงสร้างบริเวณพื้นผิวที่มีการเย็นตัวลงเร็วกว่าเนื้อโลหะที่อยู่ลึกเข้าไป เนื้อโลหะบริเวณพื้นผิวจึงกลายเป็นโครงสร้างใหม่ที่มีความแข็งขึ้น (แต่ความเหนียวจะลดลง)
 

ถ้าว่ากันตามวิธีการข้างบนก็จะเห็นว่าการเอาดาบที่ผ่านการเผาจนร้อนแดงนั้นไปจุ่มให้เย็นลงในน้ำเหลืองผี มันก็มีเหตุผลทางวิทยาศาสตร์รองรับอยู่ ก็คือเป็นการควบคุมอัตราการเย็นตัวของตัวดาบนั่นเอง แต่การทำเช่นนี้ไม่น่าจะทำเพียงครั้งเดียว น่าจะทำซ้ำหลายครั้ง คือหลังจากจุ่มครั้งแรกแล้วก็นำไปเผาไฟใหม่จนร้อนได้ที่ จากนั้นก็นำมาจุ่มใหม่ ทำเช่นนี้ไปเรื่อย ๆ จนกว่าช่างตีดาบจะเห็นว่าเพียงพอ

แต่ตรงนี้ผมเห็นว่ามันมีอีกประเด็นเข้ามาร่วมวงคือ การที่น้ำเหลืองผีนั้นเป็นสารอินทรีย์ ดังนั้นมันจะมีอะตอมคาร์บอนเป็นองค์ประกอบ การทำเช่นนี้ซ้ำไปเรื่อย ๆ จะเป็นการเพิ่มอะตอมคาร์บอนบริเวณพื้นผิวของตัวดาบ ทำให้พื้นผิวตัวดาบมีความแข็ง ลับให้คมได้ ในขณะที่ส่วนแกนกลางนั้นยังคงรักษาความเหนียวเอาไว้ได้ ทำให้สามารถรับแรงกระแทกได้ ไม่ต้องกลัวว่าดาบจะหัก
 

เหล็กที่จะนำมาตีขึ้นรูปดาบจะมีคาร์บอนมากก็คงจะไม่เหมาะ เพราะจะทำให้ไม่สามารถตีขึ้นรูปให้มันแบนแผ่ออกไปเป็นรูปร่างตามต้องการได้ และตัวดาบเองก็ต้องมีความเหนียว เพื่อให้ทนต่อแรงกระแทกที่เกิดจากการฟันโดยไม่แตกหัก แต่พื้นผิวดาบนั้นต้องการความแข็งเพื่อไม่ให้ดาบสึกและรักษาความคมเอาไว้ได้ ดังนั้นจึงต้องหาทางเพิ่มคาร์บอนเข้าไปในเนื้อเหล็กที่อยู่บริเวณพื้นผิว วิธีการหนึ่งที่ทำได้คือการเผาในเตาถ่าน (อันที่จริงการตีเหล็กซ้ำไปมา ก็ทำให้เหล็กแข็งขึ้นได้ในระดับหนึ่งเหมือนกัน อันเป็นผลจากการเปลี่ยนโครงสร้าง (work hardening) เขาถึงบอกว่า เหล็ก ยิ่งโดนไฟ ยิ่งตี ยิ่งแข็ง)
 

ความร้อนจากการเผาจะทำให้อะตอมเหล็กแยกตัวออกห่างจากกัน อะตอมคาร์บอนจากตัวถ่านที่สัมผัสอยู่กับเนื้อโลหะจะสามารถแพร่ซึมเข้าไปในเนื้อเหล็กได้ และเมื่อเหล็กเย็นตัวลง อะตอมคาร์บอนก็จะถูกขังเอาไว้ระหว่างอะตอมเหล็กในโครงร่างผลึก เป็นตัวขวางไม่ให้โครงสร้างผลึกเกิดการขยับตัวเมื่อมีแรงมากระทำ 
  

คาร์บอนที่จะแพร่เข้าไปในเนื้อเหล็กอาจเป็นคาร์บอนที่เป็นของแข็ง (เช่นถ่าน) ที่สัมผัสกับเนื้อเหล็กโดยตรง (อันนี้เป็นวิธีการดั้งเดิมที่มีมาแต่อดีต) หรือเป็นสารประกอบที่เป็นแก๊สที่สามารถสลายตัวบนผิวเหล็กแล้วกลายเป็นคาร์บอนได้ เช่น คาร์บอนมอนออกไซด์ (CO) และไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ (เช่น มีเทน โพรเพน) การใช้แก๊สเป็นตัวให้คาร์บอนนี้เป็นวิธีการที่มีการพัฒนาขึ้นภายหลัง ลองใช้คำค้นหา carburizing หรือ gas carburizing process จาก google ดูเพิ่มเติมก็ได้
 

ในเตาถ่านมีทั้ง C จากตัวถ่านเองและ CO ที่เกิดจากการเผาไหม้ถ่าน แต่ในเตาแก๊สที่ใช้เปลวไฟให้ความร้อนแก่ชิ้นงานโดยตรงเหมือนกันนั้น แก๊สเชื้อเพลิงจะเผาไหม้สมบูรณ์ ไม่มี CO เกิดขึ้น ก็เลยใช้เพิ่ม C ในเนื้อเหล็กไม่ได้
 

และอย่าไปคาดหวังว่า CO₂ ที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงจะไปเพิ่มคาร์บอนให้กับเนื้อเหล็กได้เหมือนกับการสัมผัสกับคาร์บอนโดยตรงนะครับ CO₂ เป็นโมเลกุลที่มีเสถียรภาพสูง มันไม่สลายตัวเป็น C ง่าย ๆ เขาถึงใช้ CO₂ เป็น shielding gas ในกระบวนการเชื่อมเหล็กแบบ gas shield arc welding

คำตอบของผมสำหรับคำถามสอบสัมภาษณ์งานดังกล่าวก็มีดังที่กล่าวมาข้างต้นนั่นแหละครับ