You cannot copy content of this page.
Thursday, 19 December 2019

ทำความรู้จักเหล็กหล่อ (Cast Iron Introduction)

เหล็กหล่อ (Cast Irons)

สำหรับผู้ที่ไม่มีความรู้เกี่ยวกับเรื่องงานหล่อมาก่อน  เรามาทำความรู้จักเหล็กหล่อกันก่อน จะได้ตอบคำถามที่หลายคนสงสัยได้ว่า

เหล็กหล่อ คือ ?

เหล็กหล่อ มีกี่ประเภท ?

เหล็กหล่อ มีอะไรบ้าง ?

เหล็กหล่อ (Cast irons)
เหล็กหล่อจัดเป็นเหล็กชนิดหนึ่งที่เป็นที่รู้จักกัน และใช้งานกันอย่างแพร่หลายมาเป็นระยะเวลานานแล้ว เหล็กหล่อคล้ายกับเหล็กกล้า (Steels) ก็ตรงที่เหล็กหล่อเป็นเหล็กที่มีธาตุคาร์บอนผสมอยู่เช่นเดียวกัน และสามารถศึกษาโครงสร้างได้จากแผนภาพ Phase equilibrium diagram ระหว่างเหล็กกับคาร์บอนได้เหมือนกัน แต่ต่างกันเพียงปริมาณของคาร์บอนในเหล็กหล่อจะมีมากกว่าในเหล็กกล้า คือมีปริมาณคาร์บอน (Carbon) ตั้งแต่ 2% ขึ้นไปจนถึง 6.67% แต่ในทางอุตสาหกรรมจะผลิตเหล็กหล่อที่มีคาร์บอนอยู่ระหว่าง 2.5 – 4.0%

เหล็กหล่อเป็นเหล็กที่นิยมในการผลิตในทางอุตสาหกรรมเป็นอย่างมาก นอกจากมีราคาที่ถูกกว่าเหล็กกล้าแล้ว ยังมีจุดหลอมตัวที่ต่ำ และหล่อขึ้นรูปได้ง่ายกว่าเหล็กกล้าด้วย แล้วยังสามารถปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆโดยการเติมธาตุผสมที่เหมาะสม และผ่านการอบชุบที่ดีก็จะทำให้ได้เหล็กหล่อที่สามารถนำไปใช้งานได้อย่างกว้างขวาง มีการปรับปรุงพัฒนาจนเหล็กหล่อบางชนิดมีคุณสมบัติใกล้เคียงเหล็กกล้า ทำให้ปัจจุบันมีปริมาณการผลิตเหล็กหล่อในปริมาณที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

เหล็กหล่อมีหลายชนิด สามารถจำแนกประเภทได้หลายลักษณะ มีทั้งการจำแนกโดยกำหนดส่วนผสม การอบชุบภายหลังการหล่อ ธาตุผสม ฯลฯ แต่ที่เป็นที่แพร่หลายคือการจำแนกเหล็กหล่อตามลักษณะโครงสร้างพื้นฐาน รูปร่าง และการกระจายตัวของคาร์บอน หรือ กราไฟต์ (Graphite) โดยทาง ifoundryman จะขอจำแนกประเภทได้ เป็น 6 กลุ่มใหญ่ ดังนี้
1.    เหล็กหล่อขาว (White cast iron)
2.    เหล็กหล่ออบเหนียว (Malleable cast iron)
3.    เหล็กหล่อเทา (Grey cast iron)
4.    เหล็กหล่อแกรไฟต์กลม หรือ เหล็กหล่อเหนียว (Spheroidal graphite cast iron, Ductile cast iron)
5.    เหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอน (Compacted graphite cast iron, CGI.)
6.    เหล็กหล่อผสมหรือเหล็กหล่อพิเศษ (Alloyed or Special cast Iron)

เหล็กหล่อทั้ง 6 กลุ่ม ยังแยกย่อยออกเป็นประเภทย่อย และหลายๆชั้นคุณภาพ ขึ้นอยู่กับความเค้นแรงดึง ซึ่งจะได้อธิบายในรายละเอียดต่อไปนี้

1.    เหล็กหล่อขาว (White cast iron)
เหล็กหล่อขาว คือเหล็กหล่อที่มีธาตุคาร์บอนผสมอยู่ประมาณ 1.8 – 3.6 การเปลี่ยนสภาวะของเหล็กหล่อชนิดนี้ จากสภาพหลอมเหลวไปสู่สภาวะของแข็ง จะเป็นระบบเมตาสเตเบิล (Metastable) กล่าวคือ คาร์บอนที่ผสมอยู่ในเหล็กทั้งหมดจะอยู่ในรูปของเหล็กคาร์ไบด์ หรือซีเมนไทต์ (Fe3C) ทำให้เหล็กหล่อขาวมีคุณสมบัติแข็ง และเปราะแตกหักได้ง่าย รอยแตกหักจะเป็นสีขาว จึงเรียกว่าเหล็กหล่อสีขาว เหมาะกับการนำไปใช้กับงานที่ต้องการความต้านทานการสึกหรอสูง ทนทานต่อการเสียดสี แต่ไม่สามารถรับแรงกระแทกได้  เช่น แบริ่ง  ล้อรถไฟ จานเจียระไนเพชรพลอย อุปกรณ์การผลิตซีเมนต์   เป็นต้น

white-cast-iron-microstructure
Microstructure of White iron
ball-bearing
รูปแสดง ตัวอย่างชิ้นงานเหล็กหล่อขาว (White iron casting)

2. เหล็กหล่ออบเหนียว (Malleable cast iron)
เหล็กหล่ออบเหนียว หรือเหล็กหล่อมัลลีเบิล (Malleable iron) นี้มีความเค้นแรงดึงสูงกว่าเหล็กหล่อเทา (Grey iron) และเหล็กหล่อขาว (White iron) แต่จะต่ำกว่าเหล็กหล่อเหนียว (Ductile iron) เล็กน้อย นอกจากนี้ยังมีความเหนียวทนต่อแรงกระแทกได้ดี (Ductility and shock resistance)

เหล็กหล่ออบเหนียว (Malleable cast irons) แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท ตามลักษณะของโครงสร้างพื้นฐาน (Matrix) คือ

  1. เหล็กหล่ออบเหนียวดำ (Ferritic หรือ Blackheart malleable cast iron) เป็นเหล็กหล่อที่ผลิตโดยการนำเหล็กหล่อขาวมาอบความร้อนภายในเตาที่มีบรรยากาศเป็นก๊าซเฉื่อย หรืออาจจะใช้ทรายมาปิดคลุมชิ้นงานไว้ในขณะทำการอบ เพื่อป้องกันการเกิดอ๊อกซิเดชั่นที่บริเวณผิว (non-decarburised) โดยนำไปอบที่อุณหภูมิ 900 – 1,000 °C เป็นเวลานานประมาณ 30 – 50 ชั่วโมง และอบที่อุณหภูมิ 720 – 740 °C ในช่วงที่สอง โดยเวลาในการอบช่วงที่สองนี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้างพื้นฐานที่ต้องการ อบในบรรยากาศปกคลุม จะทำให้เหล็กคาร์ไบด์ (Fe3C) แตกตัวเป็นออสเตนไนต์ (Austenite) และกราไฟต์ (Graphite) โดยกราไฟต์ที่เกิดขึ้นมีลักษณะเป็นกลุ่มก้อนคล้ายดอกไม้ กระจัดกระจายอยู่ทั่วไป และถูกล้อมรอบด้วยโครงสร้างพื้นฐานเป็นเฟอร์ไรต์ (Ferrite) หรือ เพิร์ลไลต์ (Pearlite) ขึ้นอยู่กับอัตราการเย็นตัว (Cooling rate) ในช่วงการอบครั้งที่สอง โดยทั่วไปจะมีที่นิยมใช้งานอยู่  2 เกรด คือเกรดแรกมีความเค้นแรงดึง (tensile strength) 300MPa (M/mm2) และมี elongation มากกว่า10% ส่วนเกรดที่สอง จะมีความเค้นแรงดึง 800MPa (M/mm2) และมี elongation ประมาณ 1%
  2. เหล็กหล่ออบเหนียวขาว (Pearlito-ferritic หรือ Whiteheart malleable cast iron)  เป็นเหล็กหล่อที่ผลิตโดยการนำเหล็กหล่อขาวมาอบความร้อนภายในเตาที่ไม่มีการควบคุมบรรยากาศเหมือน Blackheart malleable cast iron หรือ คือการอบความร้อนภายใต้บรรยากาศที่เป็น decarburising คือมีการลดปริมาณคาร์บอนในเนื้อเหล็กลงในขณะอบด้วยความร้อนแบบอบอ่อน (Annealing) โดยการใช้ผงเหล็กออกไซต์ (Iron oxide) มาปิดคลุมชิ้นงานเหล็กหล่อ โดยนำไปอบที่อุณหภูมิ 850 – 950 °C จะทำให้เหล็กคาร์ไบด์ (Fe3C) แตกตัวเป็นออสเตนไนต์ (Austenite) และกราไฟต์ (Graphite) โดยกราไฟต์ที่เกิดก็จับกลุ่มเช่นเดียวกันกับ Blackheart malleable cast iron แต่ต่างกันที่ผิวของเหล็กจะมีการลดปริมาณคาร์บอนลง โดยโครงสร้างพื้นฐานจะมีทั้งเฟอร์ไรต์ (Ferrite) หรือ เพิร์ลไลต์ (Pearlite) ขึ้นอยู่กับอัตราการเย็นตัว (Cooling rate) โดยทั่วไปจะมีความเค้นแรงดึง (tensile strength) 270 – 570 MPa และมี elongation 10 to 3%  (ทั้งนี้จะขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นงานหล่อด้วย)

ในปัจจุบัน เหล็กหล่ออบเหนียว (Malleable cast irons) ไม่ค่อยเป็นที่นิยม หรือเป็นเหล็กหล่อที่ถูกลืม (the forgotten iron) เนื่องจากต้องใช้พลังงาน และเวลาในการอบชุบ

malleable-castings
ตัวอย่างเหล็กหล่ออบเหนียว (Malleable cast irons)

3. เหล็กหล่อเทา (Grey cast irons)
เหล็กหล่อเทาเป็นเหล็กหล่อที่เมื่อหักดูเนื้อเหล็กตรงรอยหักจะมีลักษณะสีเป็นสีเทา จึงเรียกว่าเหล็กหล่อเทา มีแกรไฟต์กระจัดกระจายอยู่ทั่วไปในเนื้อเหล็ก เหมือนแผ่น Corn flakes (Lamellar flakes)
คุณสมบัติเหล็กหล่อสีเทาที่เหมาะสมกับการใช้งานในทางอุตสาหกรรม คือ
3.1    มีอุณหภูมิในการหลอมเหลวต่ำ จึงใช้อุณหภูมิในการหลอมไม่สูงมาก และมีความสามารถในการไหลตัว (Fluidity) ได้ดี จึงสามารถหล่อชิ้นงานที่มีรูปร่างชนิดซับซ้อนได้ดี
3.2    มีอัตราการหดตัวต่ำ หรือมีอัตราการขยายตัวน้อย จึงนิยมใช้ทำส่วนประกอบของเครื่องจักร ที่ต้องการขนาด และรูปร่างคงที่
3.3    มีความแข็งไม่มากนัก จึงสามารถกลึง กัด เจาะ และไส ตกแต่งให้ได้ขนาดตามความต้องการได้ง่าย
3.4    รับแรงสั่นสะเทือน (Damping capacity) แรงอัด และดูดซับเสียงได้ดี จึงใช้ทำแท่นเครื่องจักร เครื่องมือกล และชิ้นส่วนต่างๆ
3.5    ทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีระดับนึง เนื่องจากมีฟิล์มคาร์บอนที่บริเวณผิว

เหล็กหล่อเกรดนี้ได้ถูกนำไปผลิตชิ้นส่วนต่างๆ เนื่องจากกรรมวิธีการผลิตที่ไม่ยุ่งยาก อุณหภูมิในการหลอมที่ต่ำ และมีต้นทุนในการผลิตที่ต่ำ จึงเป็นที่นิยมนำไปใช้งานทั่วไปดังที่กล่าวข้างต้น

microstructure-of-grey-cast-irons
รูปแสดง โครงสร้างของเหล็กหล่อเทา (Microstructure of Grey cast iron)
grey-iron-castings
รูปแสดงชิ้นงานเหล็กหล่อเทา (Grey cast iron casting)

4.    เหล็กหล่อแกรไฟต์กลม หรือ เหล็กหล่อเหนียว (Spheroidal graphite cast iron, Ductile cast iron)

เหล็กหล่อกราไฟต์กลม หรือที่มีชื่อเรียกกันหลายชื่อ เช่น Nodular cast iron, Spheroidal graphite cast iron, Ductile iron โดยเกรดเหล็กที่ผลิตกันทั่วไป จะขึ้นต้นด้วย GGG หรือ FCD โดยเหล็กหล่อเกรดนี้จะมีรูปร่างลักษณะของกราไฟต์ที่ตกผลึกอยู่ในเนื้อเหล็กเป็นลักษณะกลม (Nodule หรือ Speroid) ด้วยลักษณะดังกล่าวนี้เอง ทำให้เหล็กเกรดนี้มีคุณสมบัติเหนียวรับแรงกระแทกได้ดีกว่าเหล็กหล่อเทา (Grey cast irons)

โดยวิธีในการผลิตให้ได้โครงสร้างกราไฟต์เป็นลักษณะกลม ทาง ifoundryman จะได้นำเสนอในบทความต่อไป

เหล็กหล่อแกรไฟต์กลม หรือเหล็กหล่อเหนียวนี้ เป็นเหล็กหล่อที่เป็นที่นิยมในการผลิต เช่นเดียวกับเหล็กหล่อเทา ถึงแม้ว่าจะเพิ่มขั้นตอนในการทำให้แกรไฟต์กลมเพิ่มขึ้นมาก็ตาม เนื่องจากคุณสมบัติของเหล็กหล่อเกรดนี้มีความแข็งแรงสูง สามารถนำไปใช้กับชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงได้เป็นอย่างดี

camshaft
ตัวอย่างเหล็กหล่อเหนียว (Ductile cast iron)
cast-iron-pan
ตัวอย่าง กระทะเหล็กหล่อ (Cast iron pan)

5.    เหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอน (Compacted graphite cast iron, CGI., Vermicular graphite cast iron)

เหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอน (Compacted graphite) เป็นเหล็กหล่อที่มีคุณสมบัติอยู่ระหว่างเหล็กหล่อเทา (Grey iron) กับเหล็กหล่อเหนียว (Ductile iron) ปัจจุบันได้มีโรงหล่อหลายแห่งเริ่มหันมาให้ความสนใจกับเหล็กหล่อ Compacted graphite มากขึ้น โดยเฉพาะโรงหล่อโลหะที่ต้องผลิตชิ้นส่วนรถยนต์ (Automotive parts) เนื่องจากแนวโน้มการใช้งานรถยนต์เปลี่ยนแปลงไป รถยนต์รุ่นใหม่ๆต้องการลดน้ำหนักตัวรถลงเพื่อการประหยัดพลังงาน และวิ่งได้ไกลมากขึ้น ชิ้นส่วนหลายชิ้นมีแนวโน้มจะถูกปรับให้มีขนาดที่เล็กลง บางลง (Thin wall casting) รูปร่างซับซ้อนมากขึ้น แต่ยังคงความแข็งแรงเท่าเดิม หรือมากกว่าเดิม ดังนั้นเหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอน จะเป็นอีกหนึ่งทางเลือกที่จะถูกนำมาใช้มากขึ้นในอนาคต

โดยขั้นตอนในการผลิตเหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอน (เหล็กหล่อ CGI.) จะเหมือนกับขั้นตอนการผลิตเหล็กหล่อเหนียว แตกต่างกันเพียง ชนิด ปริมาณของแมกนีเซียมเฟอร์โรซิลิกอน (Magnesium Ferro Silicon) และส่วนผสมทางเคมีของเหล็กหล่อ CGI. เท่านั้น มีโรงหล่อหลายแห่งที่ทดลองผลิตเหล็ก CGI. แต่ไม่สามารถควบคุมคุณภาพ หรือโครงสร้างจุลภาคให้นิ่งได้ ดังนั้นถึงแม้จะมีปัจจัยในการผลิตต่างกับเหล็กหล่อเหนียวเพียงปัจจัยข้างต้น ประสบการณ์ในการหล่อก็เป็นส่วนที่สำคัญที่ช่วยให้ผลิตเหล็กหล่อ CGI. ให้มีคุณภาพ และมีโครงสร้างของแกรไฟต์ตัวหนอนกระจายสม่ำเสมอทั่วทั้งชิ้นงาน รวมถึงโครงสร้างพื้นฐานได้ตามที่ต้องการ

compacted-graphite
รูปแสดง รูปร่างของกราไฟต์รูปตัวหนอน (Compacted graphite cast iron)
graphite-morphology
รูปแสดง รูปร่างของกราไฟต์ในเหล็กหล่อ
engine-block
รูปแสดง ตัวอย่างชิ้นงานเหล็กหล่อกราไฟต์รูปตัวหนอน (Compacted graphite cast iron)

6.    เหล็กหล่อผสม หรือเหล็กหล่อชนิดพิเศษ (Alloyed or Special cast Iron)

เหล็กหล่อผสมหรือเหล็กหล่อพิเศษเป็นเหล็กหล่อที่ถูกสร้างขึ้นมา เพื่อให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ เหล็กหล่อชนิดนี้มีอยู่หลายประเภทขึ้นอยู่กับสารหรือโลหะที่ผสมในเนื้อเหล็กหล่อ เราพอจะแบ่งออกตามการใช้งานได้ 3 ประเภทคือ
6.1. เหล็กหล่อทนการเสียดสี (Abrasion Resistance Cast Iron)
6.2. เหล็กหล่อทนความร้อนสูง (Heat Resistance Cast Iron)
6.3. เหล็กหล่อทนการกัดกร่อน (Corrosion Resistant Iron)

6.1. เหล็กหล่อทนการเสียดสี (Abrasion Resistance Cast Iron)

เหล็กหล่อทนการเสียดสี เป็นเหล็กหล่อที่มีความแข็งสูง โดยผสมโลหะโครเมียมนิกเกิล และโมลิบดินัม ส่วนใหญ่จะมีลักษณะของรอยแตกเป็นสีขาว คล้ายกับเหล็กหล่อสีขาว (White cast iron) ส่วนใหญ่เหล็กหล่อทนการเสียดสีจะถูกนำไปใช้กับงานที่มีการเสียดสีสูง เช่นการบดของแข็งต่างๆ ในอุตสาหกรรมปูนซีเมนต์ อุตสาหกรรมเซรามิค อุตสาหกรรมการทำสี และอุตสาหกรรมเหมืองแร่ เป็นต้น

เหล็กหล่อชนิดนี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ

6.1.1 เหล็กหล่อไนฮาร์ด (Ni-Hard cast iron)

เหล็กหล่อ Ni-Hard เป็นเหล็กหล่อขาวชนิดหนึ่งที่มีโลหะโครเมียม นิเกิล และโมลิบดินั่มผสม ทำให้มีคุณสมบัติต้านทานการสึกหรออยู่ในเกณฑ์ที่สูงกว่าเหล็กหล่อธรรมดา เหล็กหล่อ Ni-hard เป็นเหล็กที่ผลิตใช้ในอุตสาหกรรมปูนซีเมนต์ และอุตสาหกรรมเครื่องเคลือบมานานแล้ว โดยคำว่า “Ni-Hard” เป็นชื่อทางการค้าของผู้ผลิตเหล็กหล่อที่ผสมนิกเกิล

โดยทั่วไปเหล็กหล่อ Ni-Hard จะมีธาตุคาร์บอนอยู่ระหว่าง 2.5 – 3.6% ซึ่งจัดว่าเป็น Hypo-eutectic ดังนั้นจะได้โครงสร้าง Primary Dendrite และเมื่อเย็นตัวมาที่อุณหภูมิห้องจะเปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างเพิร์ลไลต์ และมียูเตคติคคาร์ไบด์อยู่โดยรอบ แต่เนื่องจากมีการผสมนิเกิล และโครเมียมลงไป นิเกิลจะละลายได้ดีในออสเตนไนต์ และทำให้ออสเตนไนต์มีเสถียรภาพสูง ดังนั้นเมื่อเย็นตัวลงมาที่อุณหภูมิห้อง ออสเตนไนต์จะเปลี่ยนไปเป็นมาร์เทนไซต์ (Martensite) แทนที่จะเป็นโครงสร้างเพิร์ลไลต์ ในขณะที่โครเมียมเป็นธาตุที่รวมกับคาร์บอนได้ดี จะรวมตัวกับคาร์บอนให้โครเมียมคาร์ไบด์ ดังนั้นทั้งมาร์เทนไซต์ และโครเมี่ยมคาร์ไบด์ทำให้เหล็กหล่อ Ni-Hard มีความแข็งสูงมาก โดยเฉพาะกับชิ้นงานที่หล่อในแม่พิมพ์โลหะจะได้โครงสร้างที่มีความละเอียด ทำให้ความแข็งเพิ่มขึ้นด้วย

ni-hard-as-cast
รูปแสดง โครงสร้าง As-cast ของเหล็กหล่อ Ni-Hard : Primary dendrites และ โครงสร้าง Eutectic
ni-hard-microstructure
รูปแสดง โครงสร้างยูเทคติคคาร์ไบด์ของเหล็กหล่อ Ni-Hard : Martensite (สีดำ) และ Austenite (สีขาว)
ni-hard-microstructure-1.3-silicon
รูปแสดง การตกผลึกของกราไฟต์ เนื่องจากมีปริมาณ Si 1.3%

6.1.2 เหล็กหล่อผสมโครเมียมสูง (High Chromium cast iron)

เหล็กหล่อผสมโครเมียมสูงเป็นเหล็กหล่อที่มีเปอร์เซ็นต์ของโครเมียม 10 –30% มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอน 2.0-3.0% เนื่องจากโครเมียมจะรวมตัวกับคาร์บอนในเหล็กหล่อเกิดเป็นโครเมียมคาร์ไบด์ การกระจัดกระจายของโครเมียมคาร์ไบด์ทั้งชนิด Primary และ Eutectic ยิ่งกระจัดกระจายสม่ำเสมอ ความต้านทานต่อการสึกหรอของเหล็กจะยิ่งสูงขึ้น

การที่จะให้เหล็กหล่อโครเมียมสูงในสภาพหลังการหล่อ (as cast) ให้มีโครงสร้างพื้นฐานเป็นมาร์เทนไซต์ (Martensite) หรือ ออสเตนไนต์ (Austenite) จะเป็นไปได้ยาก ถ้าชิ้นงานมีความหนามากๆ ถึงแม้ว่าจะเพิ่มปริมาณโครเมียมให้สูงขึ้นก็ตาม ถ้างานหล่อมีความหนามาก การเย็นตัวจะช้าลง โอกาสที่จะได้โครงสร้างพื้นฐานเป็นเพิร์ลไลต์จะมีมาก

เหล็กหล่อโครเมียมสูงที่ผลิตกันทั่วๆไป และมีความหนาไม่เกิน 25 มม. ถ้าใช้อัตราส่วน 10 : 1 (28%  Cr : 2.8% C) จะให้โครงสร้างเป็นออสเตนไนต์โดยปราศจากเพิร์ลไลต์ในสภาพหล่อ (as cast)

กรณีชิ้นงานหล่อมีความหนามาก และต้องการให้ได้โครงสร้างเป็นออสเตนไนต์ หรือมาร์เทนไซต์ มีแนวทางแก้ไข 2 ทางคือ

  1. เติมธาตุผสมที่มีส่วนเพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง เช่น โมลิบดินั่ม
  2. นำชิ้นงานไปทำการอบชุบด้วยความร้อน (Heat treatment)

6.2. เหล็กหล่อทนความร้อนสูง (Heat Resistance Cast Iron)

เหล็กหล่อทนความร้อนสูง จะต้องมีคุณสมบัติที่สำคัญ 3 ประการ คือ

  1.  มีความแข็งแรง รับแรงได้ที่อุณหภูมิสูง โดยไม่เกิดการแตกหัก หรือเปลี่ยนรูปทรง
  2. มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชั่น แม้จะอยู่ในสภาพที่สัมผัสกับแก๊สร้อน
  3. มีความต้านทานต่อการเกิดการพองตัว และมีโครงสร้างที่คงสภาพไม่เปลี่ยนแปลงในช่วงของอุณหภูมิที่ใช้งาน ซึ่งจะสูงเกินกว่า 600 °C

เหล็กหล่อทนความร้อนสูง แยกออกเป็น 4 กลุ่ม ที่สำคัญดังนี้

6.2.1 เหล็กหล่อ Ni-resist

เหล็กหล่อ Ni-resist เป็นเหล็กหล่อที่มีธาตุผสมที่สำคัญ คือ นิเกิล โดยมีโครเมียม และโมลิบดีนั่ม เป็นธาตุผสมร่วม

นิเกิล (Nickel) มีบทบาททำให้โครงสร้างของเหล็กหล่อเป็นออสเตนไนต์ ซึ่งจะมีเสถียรภาพสูงในช่วงอุณหภูมิใช้งาน

โครเมียม (Chromium) มีบทบาทร่วมกับนิเกิล สร้างผิวบางๆที่เป็นอ็อกไซด์ และสามารถต้านทานการแทรกซึมของแก๊สอ๊อคซิเจน เรียกว่าเป็นเกราะป้องกันการเกิดอ๊อคซิเดชั่น (Oxidation resistance)

โมลิบดินั่ม (Molybdenum) จะมีส่วนช่วยทางด้านความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง เพิ่มคุณสมบัติต้านทานการยืดตัวที่อุณหภูมิสูง (Creep resistance)

เหล็กหล่อ Ni-resist จะมี 2 ประเภท แยกตามรูปร่างของกราไฟต์ คือ เหล็กหล่อเทา Ni-resist (Ni-resist Grey iron) และเหล็กหล่อเหนียว Ni-resist (Ni-resist Ductile iron)

6.2.2 เหล็กหล่อซิลิคอนสูง

เหล็กหล่อซิลิคอนสูง จะมีโครงสร้างพื้นฐานเป็นเฟอร์ไรต์ เนื่องจากอิทธิพลของซิลิคอน ซึ่งจะถูกผสมในเหล็ก 4 – 6% เพื่อให้มีคุณสมบัติทนต่อความร้อน เหล็กหล่อโดยทั่วไปเมื่อถูกเผาให้ร้อนจะเกิดออกซิเดชั่นที่ผิว แต่อ๊อกไซด์ที่เกิดขึ้นขาดคุณสมบัติที่จะต้านทานต่อการแทรกของแก๊สอ๊อคซิเจนได้ ทำให้การเกิดอ๊อคซิเดชั่นยังดำเนินต่อไป ในกรณีที่ผสมซิลิคอนสูงขึ้นการเกิดอ๊อกไซด์ที่ผิวจะเปลี่ยนเป็นเกิดเหล็กซิลิเกตแทน ซึ่งผิวของเหล็กซิลิเกตที่เกิดขึ้นจะมีความต้านทานการแทรกตัวของแก๊สอ๊อคซิเจนได้มากขึ้นตามปริมาณของซิลิคอน ทำให้อัตราการเกิดอ๊อกไซด์ช้าลง นอกจากนี้ยังป้องกันการแพร่ซึม (Diffusion) ของอะตอมโลหะที่จะเคลื่อนออกมายังผิวของเหล็กได้เป็นอย่างดี

ซิลิคอนเมื่อผสมในเหล็กจะละลายได้ดีในเฟอร์ไรต์ ทำให้เฟอร์ไรต์มีความแข็งแรง และความแข็งสูงขึ้น เป็นการเพิ่มความต้านทานต่อแรงดึงได้ดีขึ้น ซิลิคอนยังมีบทบาทเพิ่มอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของเฟอร์ไรต์ไปเป็นออสเตนไนต์ได้สูงขึ้น ทำให้การขยายตัวในขณะใช้งาน และการหดตัวในขณะเลิกใช้งานเมื่อปล่อยให้อุณหภูมิลดลง มีน้อย ซึ่งส่งผลให้ลดอัตราการแตกร้าวของเหล็กน้อยลงไปด้วย (ปกติ การเปลี่ยนเฟสจากเฟอร์ไรต์เป็นออสเตนไนต์ เหล็กจะเกิดการหดตัว)

เหล็กหล่อซิลิคอนสูง จะมี 2 ประเภท แยกตามรูปร่างของกราไฟต์ คือ เหล็กหล่อเทาซิลิคอนสูง (High Silicon Grey iron) และเหล็กหล่อเหนียวซิลิคอนสูง (High Silicon Ductile iron)

เหล็กหล่อเหนียวซิลิคอนสูง อาจจะผสมโมลิบดีนั่มประมาณ 0.6 – 2.0% เพื่อให้มีความต้านทานต่อการเกิดอ๊อคซิเดชั่น และการยืดตัว (Creep) ที่อุณหภูมิสูง

6.2.3 เหล็กหล่อทนความร้อนผสมโครเมียม

เหล็กหล่อทนความร้อนผสมโครเมียม มีปริมาณโครเมียมผสมอยู่สูงเพื่อป้องกันการเกิดอ๊อคซิเดชั่นที่อุณหภูมิสูง โดยโครเมียมจะรวมตัวกับอ๊อคซิเจน ร่วมกับเหล็กเกิดเป็นฟิล์มอ๊อกไซด์ (Chromium-rich iron oxide) ที่อุณหภูมิสูง ทำให้เหล็กหล่อทนความร้อนผสมโครเมียมมีคุณสมบัติต้านทานการเกิดสเกลได้เป็นอย่างดีจนถึงอุณหภูมิ 1,000 °C ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณของโครเมียม ส่วนใหญ่จะใช้เป็นส่วนประกอบของเตาอบ

เหล็กหล่อทนความร้อนผสมโครเมียม จะมีคุณสมบัติเหมือนเหล็กหล่อขาว เนื่องจากโครเมี่ยมรวมตัวกับคาร์บอน เกิดเป็นโครเมี่ยมคาร์ไบด์ชนิดยูเท็คติคได้ดี ซึ่งมีส่วนทำให้เหล็กมีความแข็งสูง แต่ขาดคุณสมบัติด้านความเหนียว โดยเฉพาะเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนเกิน 2% การกลึง หรือตัดเจาะจะทำได้ยาก ต้องใช้การเจียร วิธีเดียว

เหล็กหล่อผสมโครเมี่ยมที่ใช้กันอยู่ จะจำแนกได้ 3 ประเภท ขึ้นอยู่กับปริมาณโครเมียม และโครงสร้างพื้นฐาน คือ

6.2.3.1 มาร์เทนซิติค (Martensitic) เป็นเหล็กที่มีคาร์บอน 2%  และมีโครเมียม 12 – 28% เป็นเหล็กที่มีโครงสร้างพื้นฐานเป็นมาร์เทนไซต์

6.2.3.2 เฟอร์ริติค (Ferritic) เป็นเหล็กที่มีคาร์บอน 1 – 2%  และมีโครเมียม 30 – 34% เป็นเหล็กที่มีโครงสร้างพื้นฐานเป็นเฟอร์ไรต์ สามารถกลึง เจาะได้ง่าย

6.2.3.3 ออสเตนนิติค (Austenitic) เป็นเหล็กที่มีคาร์บอน 1 – 2%  โครเมียม 15 – 30% และมีนิเกิล 10 – 15% เป็นเหล็กที่มีโครงสร้างพื้นฐานเป็นออสเตนไนต์ เหล็กเกรดนี้ถูกออกแบบมาเพื่อต้องการให้มีคุณสมบัติรับแรงกระแทกในขณะใช้งานได้ดีขึ้น มีอัตราการขยายตัวที่อุณหภูมิสูงต่ำกว่าเกรดอื่น เหมาะสำหรับงานหล่อที่มีลักษณะเป็นแผ่น และมีรูมาก

6.3. เหล็กหล่อทนการกัดกร่อน (Corrosion Resistant Iron)

เหล็กหล่อทนการกัดกร่อนส่วนมากจะเป็นเหล็กหล่อที่มีธาตุผสมในอัตราที่สูง เป็นเหล็กหล่อที่มีบทบาทสำคัญมากในงานวิศวกรรมที่เกี่ยวกับน้ำทะเล และบ่อน้ำมัน โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมผลิตน้ำกรด ทั้งกรดอินทรีย์ และกรดอนินทรีย์ และในอุตสาหกรรมเคมีอื่นๆ

เหล็กหล่อทนการกัดกร่อนแบ่งออกเป็น 2 ประเภท

6.3.1 เหล็กหล่อผสมนิเกิลสูง ซึ่งเป็นที่นิยม และรู้จักกันในชื่อทางการค้า คือ Ni-Resist ซึ่งจะผสมนิเกล 13.5 – 36% โดยมีคาร์บอน 2 – 3.5% แลพในบางกรณีที่ต้องการคุณสมบัติการกัดกร่อนกับกรดบางชนิดจะผสมโครเมียมระหว่าง 1.8 – 6% และทองแดง 5.5 – 7.5% แล้วแต่กรณี มี 2 ประเภท คือ

6.3.1.1 เหล็กหล่อเทา Ni-resist (Ni-resist Grey iron) เหล็กหล่อเทา Ni-resist ไม่สามารถชุบแข็งได้ ในทางปฎิบัติมักจะต้องทำการอบด้วยความร้อนก่อนการใช้งานเพื่อลดความเครียดที่เกิดขึ้นจากการเย็นตัวในแบบหล่อทราย ทั้งนี้เพื่อไม่ให้ขนาดของงานหล่อเกิดการเปลี่ยนแปลงขณะใช้งาน และไม่ทำให้โครงสร้างพื้นฐานเปลี่ยนแปลง

6.3.1.2 เหล็กหล่อเหนียว Ni-resist (Ni-resist Ductile iron)

6.3.2 เหล็กหล่อผสมซิลิคอนสูง  เป็นเหล็กหล่อที่ผสมซิลิคอนสูงประมาณ 14 – 15% เพื่อให้มีคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อน โดยเฉพาะกรดชนิดต่างๆ เช่น กรดกำมะถัน กรดไนตริค และกรดฟอสฟอริค เหล็กหล่อผสมซิลิคอนสูง เป็นเหล็กที่เหมาะกับอุตสาหกรรมเคมี โดยเฉพาะในการทำปั๊ม และท่อส่งสารละลายที่มีอำนาจในการกัดกร่อนสูง (High corrosive fluid) กรณีที่ต้องใช้กับกรดที่มีอำนาจการกัดกร่อนสูง เช่น กรดเกลือ (HCl) หรือกรดไฮโดรฟลูออริค (HF) อาจต้องเพิ่มซิลิคอน สูงถึง 16 – 18% หรือไม่ก็เพิ่มโครเมียม 3 – 5% และโมลิบดีนั่ม 3 – 4% จึงจะใช้กับกรดเกลือ (HCl) และกรดไฮโดรฟลูออริค (HF) ได้ดี