โครงสร้าง และส่วนผสมทางเคมีของเหล็กหล่อเทา (The structure and compositions of grey cast iron)

บทนำ

การหล่อเหล็กหล่อ มีปัจจัยที่ต้องพิจารณาอยู่หลายปัจจัย เพื่อให้ได้ชิ้นงานหล่อที่มีคุณภาพ ในบทความนี้จะกล่าวถึงเฉพาะ เทคนิคการหล่อโลหะโดยการควบคุมคุณภาพของน้ำโลหะในเตาหลอมโลหะเป็นหลัก ในส่วนที่เกี่ยวกับเทคนิคการทำแบบหล่อ การออกแบบระบบทางวิ่ง ระบบการป้อนเติมของน้ำโลหะ และการแก้ไขปัญหาเรื่องงานหล่อโลหะ จะกล่าวถึงในบทความอื่นต่อไปภายหลัง

ทำไมเหล็กหล่อถึงเป็นที่นิยมในการผลิตมากกว่าเหล็กกล้า (เหล็กเหนียว)?

เหล็กหล่อเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติที่พิเศษหลายประการ สามารถนำไปใช้งานได้หลากหลาย โดยมีกระบวนการผลิตที่ไม่ซับซ้อน ใช้อุณหภูมิในการหล่อต่ำกว่าเหล็กเหนียว และมีต้นทุนในการผลิตต่ำกว่าเหล็กเหนียว

เหล็กหล่อต่างจากเหล็กเหนียวอย่างไร?

ประเด็นหลักจะเกี่ยวกับปริมาณคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็กหล่อซึ่งมีปริมาณที่สูงกว่าเหล็กเหนียว ทำให้เหล็กหล่อมีคุณลักษณะเฉพาะตัวที่พิเศษ เช่น

• การหล่อ (Castability) เหล็กหล่อจะหล่อได้ง่ายกว่าเหล็กเหนียว น้ำโลหะไหลตัวได้ดีกว่า ไม่จำเป็นต้องใช้อุณหภูมิในการหล่อที่สูงมากเหมือนเหล็กเหนียว
• การกลึงไส (Machinability) เหล็กหล่อโดยทั่วไปจะกลึงได้ง่ายกว่า (ยกเว้นเหล็กหล่อขาวที่จะแข็งแต่เปราะ) เหล็กเหนียวมักจะมีการเติมอัลลอยด์เพื่อเพิ่มคุณสมบัติต้านทานการสึกหรอ
• การใช้ในงานที่ต้องรับแรงสั่นสะเทือน (Vibration damping) เหล็กหล่อจะรับแรงสั่นสะเทือนได้ดีกว่าเหล็กเหนียว และไม่มีเสียงดังมากเหมือนเหล็กเหนียว เช่นการนำเหล็กหล่อไปใช้ในเป็นเครื่องยนต์ดีเซล ระบบเบรคของรถยนต์ ฐานของเครื่องกลึง เป็นต้น
• ความต้านทานต่อการกัดกร่อน (Corrosion resistance) เหล็กหล่อจะมีความต้านทานการสึกหรอที่สูงกว่าเหล็กเหนียว แต่เหล็กทั้งสองตัวก็ยังคงต้องมีการใช้สีเคลือบ เพื่อป้องกันสนิมที่จะเกิดขึ้นถ้าต้องสัมผัสกับความชื้น
• ความต้านทานต่อการสึกหรอ (Wear resistance) ด้วยโครงสร้างของเหล็กหล่อจะมีกราไฟต์อยู่ในเนื้อของเหล็กหล่อ จะช่วยให้การสึกหรอน้อยกว่าเหล็กเหนียว

จากบทความข้างต้นคือเหตุผลที่ทำให้เหล็กหล่อเป็นที่นิยมนำไปใช้งาน เนื่องจากเหล็กหล่อที่นิยมมาผลิตในเชิงอุตสาหกรรม มากกว่า 70% จะมี 2 ประเภท คือเหล็กหล่อเทา (Grey iron) และเหล็กหล่อเหนียว (Spheroidal graphite iron, Ductile iron) ดังนั้นทางเราจะขออธิบายถึงเหล็กหล่อ 2 ประเภทนี้เป็นหลัก

เหล็กหล่อ คือ โลหะผสมเหล็กคาร์บอนที่มีคาร์บอนมากกว่าประมาณ 2 เปอร์เซ็นต์ เหล็กหล่อจะแตกต่างจากเหล็กกล้า หรือเหล็กเหนียว ในรูปแบบคาร์บอนที่มีอยู่ ในเหล็กกล้าคาร์บอนจะมีอยู่ในรูปของเหล็กคาร์ไบด์ในเนื้อเหล็ก ในขณะที่เหล็กหล่อคาร์บอนสามารถมีได้ทั้งเหล็กคาร์ไบด์ และคาร์บอนอิสระหรือกราไฟต์ นอกเหนือจากคาร์บอนแล้วเหล็กหล่อก็จะมีธาตุที่สำคัญอื่น ๆ เช่น ซิลิคอน แมงกานีส ซัลเฟอร์ และฟอสฟอรัส ซึ่งมีผลต่อโครงสร้าง และคุณสมบัติต่างๆของเหล็ก ส่วนธาตุอื่นๆ ที่มีในระดับไม่สูง เช่น นิกเกิล โครเมี่ยม โมลิบดีนัม ทองแดง ดีบุก ฯลฯ ถูกนำมาใช้เพื่อช่วยเพิ่มคุณสมบัติพิเศษ และมีธาตุอีกหลายธาตุที่อาจพบเจอโดยบังเอิญ หรือมีการเจือปนจากวัตถุดิบที่เลือกใช้ ซึ่งอาจมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญ เกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติต่างๆ เช่นก๊าซไนโตรเจน และก๊าซไฮโดรเจน ดังนั้นในบทความนี้เราจะมาทำความเข้าใจปัจจัยต่างๆที่ส่งผลต่อคุณภาพน้ำโลหะในเตาหลอมโลหะ

การจำแนกเหล็กหล่อโดยการพิจารณาจากโครงสร้างจุลภาค

การจำแนกเหล็กหล่อตามที่เห็นภายใต้กล้องจุลทรรศน์เป็นวิธีที่ง่ายที่สุด และเราจะสามารถจำแนกโครงสร้างทั่วไปหลังจากการหล่อได้ 4 ประเภท

1. โครงสร้างที่ไม่มีกราไฟต์ หรือโครงสร้างที่เป็นเหล็กคาร์ไบด์ (White cast iron)

2. โครงสร้างที่มีกราไฟต์เป็นเกล็ด หรือเป็นกราไฟต์ที่คล้ายแผ่นคอร์นเฟล็ก (Grey cast iron)

3. โครงสร้างที่มีกราไฟต์ที่มีรูปร่างคล้ายตัวหนอน (Compacted graphite cast iron)

4. โครงสร้างที่มีกราไฟต์เป็นทรงกลม (Spheroidal graphite cast iron)

เหล็กหล่อสีเทา (Grey cast iron)

ในกรณีของเหล็กหล่อสีเทา กราไฟต์รูปร่างจะเหมือนแผ่นคอร์นเฟล็ก ตัวกราไฟต์จะถูกฝังอยู่ในเนื้อโลหะ หรือโครงสร้างพื้น หรือโครงสร้างเมทริกซ์ (matrix)  ซึ่งอาจประกอบด้วยโครงสร้างจุลภาคทางโลหะหลายแบบ ได้แก่ เพิร์ลไลต์ (Pearlite), เฟอร์ไรท์ (Ferrite), ออสเทนไนต์ (Austenite), เหล็กคาร์ไบด์ (ซีเมนต์ไตต์, Cementite, Iron Carbide), ฟอสเฟดยูเทคติค (Phosphide eutectic),  ส่วนเบไนต์ (Bainite) และ มาร์เทนไซต์ (Martensite) จะได้จากการอบชุบทางความร้อน,  เนื่องจากโครงสร้างเมทริกซ์ เหล่านี้มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน ดังนั้นการควบคุมโครงสร้างเมทริกซ์ ก็มีความสำคัญ พอๆกับ การควบคุม รูปแบบ จำนวน และการกระจายตัวของกราไฟท์ ดังนั้นจึงต้องควบคุมทั้งโครงสร้างเมทริกซ์ และโครงสร้างของกราไฟต์ เพื่อให้สามารถผลิตเหล็กหล่อที่มีคุณสมบัติตามความต้องการในการใช้งาน

ค่าคาร์บอนสมมูล หรือค่าคาร์บอนเทียบเท่า (Carbon equivalent)

เป็นเวลาหลายปีที่นักโลหะวิทยาพยายามที่จะสร้างสูตรสมการ ที่จะเชื่อมโยงถึงซึ่งคุณสมบัติทางกลโดยเฉพาะอย่างยิ่งความต้านทานแรงดึง (Tensile strength) สามารถประเมินได้จากองค์ประกอบ (รูปที่ 1) หนึ่งที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางคือมูลค่าเทียบเท่าคาร์บอน

Carbon Equivalent Value (CEV) = %C + (%Si+%P)/3

สำหรับเหล็กหล่อเทา เราจะแบ่งได้ 3 เกรด ตามปริมาณคาร์บอนสมมูล ดังนี้

1. เหล็กหล่อไฮโปยูเทคติค (Hypoeutectic) (มีค่า CEV < 4.3)
2. เหล็กหล่อยูเทคติค (Eutectic) (มีค่า CEV = 4.3)
3. เหล็กหล่อไฮเปอร์ยูเทคติค (Hypereutectic) (มีค่า CEV > 4.3)

ทางยุโรป บางที่จะนิยมใช้ค่า Carbon saturation value (Sc) แทนค่า CEV. ซึ่งมีสูตรตามข้างล่างนี้

Carbon saturation value (Sc) = CEV/4.3

1. เหล็กหล่อยูเทคติค (CEV = 4.3) จะมีค่า Sc เท่ากับ 1.0
2. เหล็กหล่อไฮโปยูเทคติค (Hypoeutectic) (มีค่า CEV < 4.3) จะมีค่า Sc น้อยกว่า 1.0
3. เหล็กหล่อไฮเปอร์ยูเทคติค (Hypereutectic) (มีค่า CEV > 4.3) จะมีค่า Sc มากกว่า 1.0

นอกจากนี้ยังมีการใช้อุณหภูมิหลอมเหลว (Liquidus temperature) เข้ามาร่วมในสูตรการคำนวณค่าคาร์บอนสมมูลด้วย

Carbon Equivalent Liquidus Value (CEL) = %C + %Si/4+%P/2

Tips: จุดยูเทคติคของเหล็กหล่อ จะไม่ใช่ค่าคงที่ ที่ 4.3 แต่จะผันแปรไปตามส่วนผสมทางเคมีของน้ำโลหะ ซึ่งจะแตกต่างกันไปในแต่ละโรงหล่อ เนื่องจากวัตถุดิบที่ใช้แตกต่างกัน

ค่าคาร์บอนสมมูล หรือค่าคาร์บอนเทียบเท่า (CEV) และสมบัติแรงดึง (Carbon equivalent value (CEV) and Tensile properties)

ความสำคัญของอัตราการเย็นตัวของน้ำโลหะ และความหนาของชิ้นงานหล่อ

อัตราการเย็นตัวของน้ำโลหะมีผลกระทบอย่างมากต่อโครงสร้าง และคุณสมบัติของเหล็กหล่อเทา โดยจะมีสองช่วงเวลาที่สำคัญ ช่วงแรก (ช่วงอุณหภูมิที่เกิดปฎิกิริยายูเทคติค, Eutectic reaction) คือให้ช่วงการแข็งตัวที่อุณหภูมิ 1250 – 1130 ° C เป็นช่วงที่เกิดกราไฟต์ และเริ่มฟอร์มออสเทนไนท์ รวมถึงการฟอร์มซีเมนต์ไตต์หรือชีล ช่วงที่สอง (ช่วงอุณหภูมิที่เกิดปฎิกิริยายูเทคตอยด์, Eutectoid reaction) คือช่วงระหว่าง 720 และ 650 ° C เมื่อโครงสร้างเมทริกซ์เปลี่ยนเป็นเพิร์ลไลต์และ / หรือเฟอร์ไรต์

อัตราการเย็นตัวของการหล่อขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ดังนี้

1. อุณหภูมิเทเริ่มต้น

2. อัตราส่วนของพื้นที่ผิวของการหล่อต่อปริมาตรหรือมวล

3. การนำความร้อน และความจุความร้อนของแม่พิมพ์ และไส้แบบ

ปัจจัยทั้งหมดเหล่านี้สัมพันธ์กัน และส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติ และโครงสร้างของเหล็กหล่อเทา การเย็นตัวอย่างรวดเร็ว เช่นในส่วนที่บางมาก หรือโดยการใช้ทุ่นเย็น (Chiller) ในแบบหล่อ ส่งเสริมให้เกิดกราไฟท์ที่เล็ก และละเอียด และอาจทำให้เกิดคาร์ไบด์หรือชีลได้ ส่วนการเย็นตัวในช่วงที่สองอย่างรวดเร็ว ผ่านช่วงอุณหภูมิที่ 720 – 650 ° C จะส่งเสริมโครงสร้างเมทริกซ์เป็นโครงสร้างเพิร์ลไลต์อย่างเต็มที่ อย่างไรก็ตามน้ำโลหะเดียวกัน แต่เทลงในแบบหล่อที่มีความหนาของชิ้นงานที่มาก น้ำโลหะจะใช้เวลาในการเย็นตัวค่อนข้างนาน จะทำให้เกิดกราไฟต์ที่ใหญ่ และยาว รวมถึงทำให้ได้โครงสร้างเพิร์ลไลต์ที่หยาบ และอาจเกิดโครงสร้างเฟอร์ไรต์ร่วมด้วย โดยเฉพาะงานที่หนามากๆ ปริมาณเฟอร์ไรต์จะมากขึ้นด้วย

สรุป : ความแข็งแรงดึง (Tensile strength) ของเหล็กหล่อเทาจะขึ้นอยู่กับรูปร่าง ปริมาณ รูปแบบของเกล็ดกราไฟต์ และโครงสร้างพื้นฐาน

ผลกระทบของธาตุผสม ต่อโครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติทางกลของเหล็กหล่อสีเทา

เหล็กหล่อเป็นส่วนประกอบของเหล็ก และคาร์บอน ซึ่งถูกดัดแปลงโดยธาตุอื่น ๆ ร่วมด้วย เช่น ซิลิคอน (Si), ฟอสฟอรัส (P), แมงกานีส (Mn) และกำมะถัน (S) เราจะเรียกธาตุทั้งห้านี้ ว่าเป็นส่วนผสมทางเคมีพื้นฐาน ส่วนธาตุอื่น ๆ จะถูกเรียกว่าเป็นธาตุผสม ซึ่งจะมีผลกระทบต่อคุณสมบัติต่างๆของเหล็กหล่อเทาดังต่อไปนี้

1. คุณสมบัติทางกล
2. การฟอร์มโครงสร้างเพิร์ลไลต์ (Pearlite)
3. การฟอร์มโครงสร้างยูเตคติคคาร์ไบด์ (Eutectic carbide)
4. รูปร่างของกราไฟต์
5. ความไม่สมบูรณ์ของงานหล่อ

นอกจากนี้อาจจะผลกระทบอื่นๆที่เกิดจากการรวมตัวกันของธาตุผสมด้วย เช่น ส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติทางกล

อิทธิพลของธาตุผสมในเหล็กหล่อเทา มีดังนี้

โครเมี่ยม (Chromium, Cr)

แหล่งที่พบมากที่สุดของโครเมี่ยม คือเศษเหล็กที่ใช้เป็นวัตถุดิบในการหลอม โรงหล่อที่ใช้สัดส่วนของเศษเหล็กเหนียวในการหลอมมาก จะมีโอกาสพบปริมาณของโครเมี่ยมสูงกว่าโรงหล่อที่นำเหล็กพิกมาใช้ โดยทั่วไปถ้าใช้เศษเหล็กเหนียวในปริมาณมาก อาจจะมีโครเมี่ยมสูงถึงประมาณ 0.2% ได้ ซึ่งโครเมี่ยมปริมาณขนาดนี้จะมีผลกระทบต่อเหล็กหล่อได้ จำเป็นต้องคอยสังเกตุดูผลกระทบ

โครเมี่ยม เป็นตัวส่งเสริมคาร์ไบด์ที่มีประสิทธิภาพ ทำเกิดยูเทคติคคาร์ไบด์ ยับยั้งการก่อตัวของเฟอร์ไรต์ และกระตุ้นการผลิตเพิร์ลไลต์ ผลกระทบเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นงาน โดยเฉพาะงานหล่อที่บาง ปริมาณ โครเมี่ยม 0.2% อาจทำมีปัญาได้  (โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าทำอินน็อคคูเลชั่นไม่ดี) สำหรับงานหล่อที่หนาสามารถเติมโครเมี่ยมได้ประมาณ 1% แต่จะมีโอกาสพบโครงสร้างยูเทคติคคาร์ไบด์ได้ ถึงแม้ว่าจะทำอินน็อคคูเลชั่นที่ดีก็ตาม

ผลของโครเมี่ยมในการส่งเสริมคาร์ไบด์ยังได้รับอิทธิพลจากค่า CEL. ด้วย ถ้าเหล็กหล่อมีค่า CEL. ต่ำ และมีปริมาณซิลิกอนต่ำ จะทำให้เกิดโครเมี่ยมคาร์ไบด์เพิ่มขึ้น คาร์ไบด์ที่มีโครเมี่ยมเป็นส่วนประกอบนั้นจะมีความเสถียร และทนต่อการสลายในระหว่างการอบชุบ

โดยทั่วไปการเพิ่มโครเมี่ยมจะทำให้มีปริมาณเพิร์ลไลต์มากขึ้น และลดการเกิดเฟอร์ไรต์ และส่งผลชิ้นงานหล่อมีความแข็ง และความต้านทานแรงดึงมากขึ้น

โมลิบดีนัม (Molybdenum, Mo)

โดยทั่วไปปริมาณโมลิบดีนัมที่ได้จากเศษเหล็กในเตาหลอม จะมีประมาณไม่เกิน 0.05%

การผสมโมลิบดีนัมที่ใช้โดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 0.2-1.0% ซึ่งเป็นระดับที่ใช้ร่วมกับนิกเกิล (โดยปริมาณนิกเกิลที่ใช้ จะขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นงาน) เพื่อสร้างโครงสร้างอะซิคูล่า ซึ่งจะนิยมใช้สำหรับงานที่ต้องการต้านทานการเสียดสี โมลิบดีนัมเป็นธาตุที่ใช้เพื่อเพิ่มความคงตัวของเพิร์ลไลต์ที่มีประสิทธิภาพ แต่เป็นคาร์ไบด์โปรโมเตอร์ที่ค่อนข้างอ่อน ถ้ามีในปริมาณที่ต่ำกว่า 0.6% ด้วยเหตุนี้การเติมธาตุผสมมักจะอยู่ระหว่าง 0.2 ถึง 0.6% และต้องควบคุมปริมาณฟอสฟอรัส ในน้อยกว่า 0.15%

โดยทั่วไปการเพิ่มโมลิบดีนัมจะทำให้เพิ่มความแข็ง ความต้านทานแรงดึง และคุณสมบัติการคืบที่อุณหภูมิสูง (450-650 °C) โดยทำโครงสร้างเพิร์ลไลต์เสถียร

วาเนเดียม (Vanadium, V)

การเติมวาเนเดียมเจือปนอยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 0.5% ถ้ามีปริมาณวาเนเดียมสูงกว่า 0.6% จะมีแนวโน้มที่จะเกิดโครงสร้างของคาร์ไบด์ตามขอบเกรน

วาเนเดียมเป็นตัวส่งเสริมเกิดคาร์ไบด์ค่อนข้างแรงโดยจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าโครเมี่ยมถึง 4 เท่า ถึงแม้ว่าจะใช้วาเนเดียม 0.1- 0.5% ก็ยังมีโอกาสพบคาร์ไบด์ในบริเวณที่บาง และตามขอบของชิ้นงาน ดังนั้นจำเป็นต้องทำอินน็อคคูเลชั่นให้มีประสิทธิภาพ เพื่อลดผลของวาเนเดียม และควรเพิ่มปริมาณซิลิคอนร่วมด้วย รวมถึงการใช้ทองแดงหรือนิกเกิล ให้ใช้เป็นตัวเพิ่มปริมาณกราไฟต์ และลดแนวโน้มการเกิดคาร์ไบด์ โดยควรใช้ในปริมาณ 2-3 เท่าของปริมาณวาเนเดียม

วาเนเดียมน่าจะเป็นโลหะผสมที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการเพิ่มความต้านทานแรงดึงพร้อมกับความแข็งเพิ่มขึ้น โดยทั่วไปที่ระดับ 0.5% วาเนเดียมจะเพิ่มความต้านทานแรงดึงประมาณ 12-15 N/mm² และเพิ่มความแข็งประมาณ 8-10 HB สำหรับการเติม 0.1% แต่ละครั้ง ผลเสริมที่น่าสนใจของวาเนเดียมคือมันเพิ่มจำนวนเซลล์ยูเทคติกของเหล็กหล่อสีเทาทำให้เกิดกราไฟท์ที่ละเอียดยิ่งขึ้น โครเมียมและโมลิบดีนัมไม่ส่งผลกระทบนี้ และเมื่อเปรียบเทียบกับธาตุทั้งสองแล้ว วาเนเดียมสามารถสร้างความต้านทานแรงดึงสูงผิดปกติในเหล็กหล่อที่มีองค์ประกอบของยูเทคติกหรือไฮเปอร์ยูเทคติก รูปข้างล่าง แสดงให้เห็นถึงความแตกต่างระหว่างโครงสร้างของกราไฟท์ของเหล็กที่มีวาเนเดียม และไม่มีวาเนเดียม

วาเนเดียมเป็นธาตุที่ไม่สามารถรักษาโครงสร้างเพิร์ลไลต์ให้เสถียรที่อุณหภูมิสูงได้ โดยเมื่อนำไปผ่านกระบวนการทางความร้อน เช่นการอบอ่อน (Annealing) จะพบปริมาณเฟอร์ไรต์ในปริมาณที่สูง แต่ยังสามารถรักษาความต้านทานแรงดึง ได้ดีในระดับหนึ่ง แต่ความแข็งแรงบริเวณที่มีปริมาณเฟอร์ไรต์อยู่สูงยังไม่สามารถคาดเดาได้ เนื่องจากจะยังมีการตกผลึกของวาเนเดียมคาร์ไบด์ที่ละเอียดร่วมด้วย

วาเนเดียมยังใช้ในเหล็กหล่อสีเทาที่ต้องการให้ทนต่อสึกหรอ เช่น กระบอกสูบเครื่องยนต์ดีเซล และแหวนลูกสูบ ซึ่งจะมีวาเนเดียมมากถึง 0.5% เมื่อรวมกับปริมาณฟอสฟอรัส 0.2-0.3% ทำให้เกิดการรวมตัวกันของวาเนเดียมคาร์ไบด์ / ฟอสฟอรัสซึ่งช่วยเพิ่มความต้านทานการสึกหรอ

วาเนเดียมสามารถเติมลงในเตาไฟฟ้า หรือในเบ้าได้โดยใช้เฟอร์โรวาเนเดียมที่มีองค์ประกอบ 50 หรือ 80 เปอร์เซ็นต์โดยมีการฟื้นตัว (recovery) ประมาณ 90% ไม่มีการสูญเพลิง แต่ถ้าไปใช้ในเตาคูโบล่าจะมีการสูญเพลิงค่อนข้างสูง

ทองแดง (Copper, Cu)

โดยทั่วไปปริมาณทองแดงที่ได้จากเศษเหล็กในเตาหลอม จะมีประมาณไม่เกิน 0.1%ขึ้นอยู่กับความบริสุทธิ์ของเศษเหล็ก และสารมลทินในเศษเหล็ก

ทองแดงเป็นโลหะผสมที่พบได้ทั่วไปมากในเหล็กหล่อเนื่องจากผลของการเพิ่มความต้านทานแรงดึงในขณะที่ยังคงความเหนียวได้ดี

ผลกระทบของทองแดงในเหล็กสีเทาคล้ายกับนิกเกิลมาก ทองแดงเป็นธาตุที่ส่งเสริมให้เกิดกราไฟต์ (graphitiser) ที่ให้ผลประมาณ 25% ของซิลิกอน และยังเป็นส่งเสริมให้เกิดโครงสร้างเพิร์ลไลต์ ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่านิกเกิลเล็กน้อย ด้วยเหตุนี้การเติมทองแดงจึงมีประโยชน์ในการหล่อชิ้นงานที่มีความหนาแตกต่างกันโดยเฉพาะกับเหล็กหล่อที่มีปริมาณซิลิคอนที่สูง เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาโครงสร้างคาร์ไบด์ในบริเวณที่บาง และโครงสร้างเฟอร์ไรต์ในบริเวณที่หนา

เนื่องจากทองแดงเป็นธาตุที่เพิ่มความคงตัวของเพิร์ลไลต์ที่มีประสิทธิภาพมากกว่านิกเกิลเล็กน้อย จึงส่งผลให้ความต้านทานแรงดึง และความแข็งเพิ่มขึ้นเล็กน้อย โดยทั่วไปแล้วทองแดง 2% จะเพิ่มความแข็งประมาณ 30 HB และค่าความต้านทานแรงดึงประมาณ 50 N/mm² ทองแดงไม่เพียงส่งเสริมการเกิดเพิร์ลไลต์ แต่ยังคงความคงตัวของเพิร์ลไลต์ และช่วยเพิ่มเพิร์ลไลต์ขึ้นอีกประมาณ 1-2% จะช่วยให้มั่นใจได้ว่าได้โครงสร้างพื้นฐานเป็นเพิร์ลไลต์อย่างเต็มที่ในส่วนที่หนาซึ่งเย็นตัวช้าในแบบหล่อ

ในขณะที่นิกเกิลมักถูกใช้ในการผลิตเหล็กออสเทนนิติกที่มีการเติมระหว่าง 15 – 30 เปอร์เซ็นต์ การเติมทองแดงในระดับเดียวกันไม่สามารถทำได้ เนื่องจากความสามารถในการละลายของทองแดงในเหล็กหล่อที่จำกัด ความสามารถในการละลายของทองแดงขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอน ในเหล็กหล่อสีเทา ปริมาณทองแดงสูงสุดที่สามารถใส่เพิ่มได้คือประมาณ 3.5% ถ้ามากกว่านี้ ทองแดงจะแยกตัวออกมาให้เห็น ตามรูปที่ xxx และมีผลกระทบต่อความต้านทานแรงดึง การเติมนิกเกิลพร้อมกันจะช่วยเพิ่มความสามารถในการละลายของทองแดง โดยการเติมนิกเกิล 1% สามารถช่วยให้เติมทองแดงเพิ่มขึ้นมาได้อีกประมาณ 0.5% อย่างไรก็ตามนี่เป็นเพียงการเติมทองแดงในเหล็กหล่อออสเตนิติคเท่านั้น เพื่อจุดประสงค์ในการลดต้นทุน แต่ในทางปฎิบัติจริงๆ ปริมาณทองแดงที่เติมได้สูงสุดสำหรับเหล็กหล่อเทาทั่วไป คือ 2%

การเติมทองแดงสามารถเติมในเตาไฟฟ้า หรือเติมในเบ้าหลอมก่อนเทน้ำโลหะลงเบ้าได้ ไม่มีการสูญเพลิงการหลอม

ทองแดงที่ใช้ ควรจะบริสุทธิ์ มีสารมลทินที่ต่ำ หรือไม่มีเลย แนะนำให้ใช้เศษลวดสายไฟทองแดง เนื่องจากจะมีความบริสุทธิ์ที่สูงจึงสามารถยืดเป็นเส้นลวดได้โดยไม่ขาด

ดีบุก (Tin, Sn)

ระดับของดีบุกในเหล็กหล่อจะต่ำมาก และมักจะต่ำกว่า 0.01% โดยปกติจะใช้ดีบุกในเหล็กหล่อไม่เกิน 0.10%

ดีบุกเป็นธาตุที่ส่งเสริมการเกิดโครงสร้างเพิร์ลไลต์ อันทรงพลัง มีประสิทธิภาพมากกว่าทองแดงถึงสิบเท่า ดังนั้นจึงเป็นโลหะผสมที่มีประโยชน์อย่างยิ่งกับเหล็กหล่อที่ไม่ต้องการให้มีโครงสร้างเฟอร์ไรต์ เนื่องจากดีบุกไม่มีผลต่อรูปร่างของกราไฟต์ และไม่ส่งเสริมคาร์ไบด์ เหมาะสำหรับงานหล่อที่มีความหนาสูง หรืองานที่ต้องการโครงสร้างเพิร์ลไลต์ 100%

ผลกระทบของดีบุกต่อคุณสมบัติทางกลแสดงในรูปข้างล่าง แสดงความต้านทานแรงดึงเพิ่มขึ้นเนื่องจากการกำจัดเฟอร์ไรต์จากโครงสร้าง และที่ระดับประมาณ 0.1% ของดีบุกแม้ส่วนที่หนามากก็จะเป็นโครงสร้างเพิร์ลไลต์อย่างเต็มที่ แต่ถ้าใช้ปริมาณดีบุกสูงกว่า 0.1% จะเกิดการแตกตัวของโครงสร้างพื้นฐาน ส่งผลให้ แรงดึงและความต้านทานแรงดึงลดลง เนื่องจากดีบุกเพิ่มความแข็งแรงโดยการเพิ่มเพิร์ลไลต์  เมื่อเติมดีบุกลงในเหล็กหล่อที่มีเพิร์ลไลต์อยู่เต็มแล้วจึงมีผลเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย ดังนั้น เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกหัก และไม่เพิ่มต้นทุน จึงแนะนำว่าไม่ควรเติมดีบุกเกิน 0.1%

เนื่องจากการเพิ่มของดีบุกจะกำจัดเฟอร์ไรต์ ความแข็งจะเพิ่มขึ้นดังแสดงในรูป ความแข็งยังคงเพิ่มขึ้นเมื่อระดับเกิน 0.1% แม้ว่าอัตราการความต้านทานแรงดึงจะลดลงเมื่อระดับเพิ่มขึ้น

การเติมดีบุกสามารถเติมในเตาไฟฟ้า หรือเติมในเบ้าหลอมก่อนเทน้ำโลหะลงเบ้าได้ ไม่มีการสูญเพลิงการหลอม

ควรใช้ดีบุกบริสุทธิ์เท่านั้น ไม่มีตะกั่วเจือปน

พลวง (Antimony, Sb)

พลวงเป็นธาตุที่มีอยู่ในเหล็กหล่อต่ำมาก โดยจะต่ำกว่า 0.01% โดยทั่วไปอาจมีการเจือปนมาจากเหล็กพิกที่คุณภาพต่ำ หรือเศษเหล็กเหนียวที่ปนเปื้อนมา โดยเฉพาะเหล็กชุบสังกะสีบางชนิด และเหล็กเคลือบ

อิทธิพลหลักของพลวงในเหล็กหล่อสีเทาคือ ส่งเสริมการเกิดโครงสร้างเพิร์ลไลต์ และมีความเสถียรที่อุณภูมิสูง (700 ° C) สำหรับงานที่มีความหนา 100 มิลลิเมตร ปริมาณแนะนำที่ใช้ในเหล็กหล่อเทาจะอยู่ที่ 0.05% ซึ่งสามารถทำให้ได้โครงสร้างเพิร์ลไลต์ได้เต็มที่ ถ้าใช้พลวงมากเกินไปจะลดความแข็งแรง และลดความต้านทานแรงกระแทก ควบคู่กับการเกิดอันเดอร์คูลกราไฟต์ (Undercooled graphite) และยูเทคติคคาร์ไบด์ (Eutectic carbide) ซึ่งจะทำให้ชิ้นงานหล่อเกิดการแตกร้าวได้ง่าย ในทางปฏิบัติไม่ควรใช้พลวงเกินกว่า 0.1%

เนื่องจากจุดเดือดของพลวงคือ 1,380 ° C ดังนั้นเมื่อต้องเติมพลวง ควรใส่ในน้ำโลหะที่มีอุณหภูมิน้ำโลหะต่ำกว่า 1,380 ° C จะไม่เกิดการสูญเพลิง

อลูมิเนียม (Aluminium, Al)

สำหรับเหล็กหล่อสีเทา ปริมาณอลูมิเนียมในน้ำโลหะ ไม่ควรเกิน 0.005% โดยทั่วไปอลูมิเนียมที่เกิดขึ้นจะมาจากวัตถุดิบที่ใช้ในการหล่อ เช่นเฟอร์โรอัลลอยด์ โดยเฉพาะเฟอร์โรซิลิคอน, เศษเหล็กเหนียวที่มีการเจือปนเศษอลูมิเนียม, เศษเหล็กเคลือบสี ฯลฯ

ถ้าปริมาณอลูมิเนียมมากเกิน 0.005% จะเกิดการทำปฏิกิริยาระหว่างอลูมิเนียมกับน้ำ (ซึ่งน้ำจะมาจากความชื้นของแบบหล่อทราย และวัสดุทนไฟที่สัมผัสกับน้ำโลหะ) จะทำให้เกิดการก่อตัวของไฮโดรเจนขึ้น ทำให้เกิดปัญหารูพรุน หรือปัญหาแก๊สที่ชิ้นงานหล่อ ซึ่งจะมีลักษณะเป็นรูทรงกลม ขนาดเล็ก ดังนั้นควรมีการตรวจสอบวัตถุดิบที่ใช้ในการหลอม รวมถึงการเลือกใช้เฟอร์โรซิลิคอนที่มีปริมาณอลูมิเนียมต่ำ

มีตัวอย่างการผลิตเหล็กหล่อผสมกับอลูมิเนียม 7% เพื่อทำให้เหล็กหล่อที่สามารถทนความร้อนได้ดีในช่วงอุณหภูมิการทำงานสูงถึง 900 ° อย่างไรก็ตามเหล็กหล่อดังกล่าวไม่ได้ถูกผลิตขึ้นบ่อยครั้งเนื่องจากความยากลำบากอย่างมากในการผลิตให้ได้ชิ้นงานที่ไม่มีคราบดรอส หรือสแล็กเกิดขึ้น

ตะกั่ว (Lead, Pb)

โดยทั่วไปมักจะมีตะกั่วอยู่ในเหล็กหล่อสีเทาในระดับต่ำมาก ต่ำกว่า 0.0004% และถ้ามีปริมาณมากกว่า 0.001% นั้นเป็นอันตรายอย่างยิ่ง จะส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติทางกลอย่างมาก เพราะตะกั่วส่งผลต่อรูปร่างของกราไฟท์ และโครงสร้างพื้นฐาน

ผลของตะกั่วคือการส่งเสริมรูปแบบกราไฟท์ Spiky และ Widmanstatten ดังแสดงในรูปข้างล่าง และบางครั้งก็ส่งเสริมให้เกิดเพิร์ลไลต์ คาร์ไบด์ หรือทำให้ชิ้นงานไม่สมบูรณ์ ส่งผลต่อคุณสมบัติแรงดึง และแรงกระแทก ที่จะลดลงอย่างรุนแรง

การปรากฏตัวของตะกั่วเป็นผลมาจากการปนเปื้อนของวัตถุดิบที่ใช้ในการหลอมโลหะ เช่นเศษเหล็กที่ปนเปื้อนตะกั่ว เศษเหล็กที่มีการใช้ตะกั่วในการอุดรู เป็นต้น

โบรอน (Boron, B)

โบรอนเป็นธาตุที่มักไม่พบในเหล็กหล่อเทา แต่บางครั้งก็อาจจะปนมากับเศษเหล็กที่เป็นเศษเหล็กของเหล็กกล้าที่ใช้กับงานความเร็วสูง (high speed steel) เป็นธาตุที่ส่งเสริมให้เกิดคาร์ไบด์ได้อย่างมาก โบรอนยังทำให้เกิดคาร์ไบด์ในใจกลางของชิ้นงานที่มีความหนาด้วย และคาร์ไบด์ที่เกิดจากโบรอนยังไม่สามารถเปลี่ยนแปลงได้จากกระบวนการอบชุบด้วย ดังนั้นจึงไม่ค่อยมีใครใช้ และโดยทั่วไปถือว่าเป็นสารปนเปื้อน

ที่ระดับต่ำกว่า 0.01% มีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดชีล หรือคาร์ไบด์ และโดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริเวณที่บาง ปริมาณที่แนะนำให้ควบคุมคือ ควรมีน้อยกว่า 0.005%

แหล่งที่มาของการปนเปื้อนที่เป็นไปได้มากที่สุดคือเศษเหล็กที่มีการเคลือบ ถ้าจำเป็นต้องใช้พวกเศษเหล็กที่มีการเคลือบสีมา ควรจำกัดปริมาณการใช้ ไม่ควรเกิน 5% ของน้ำหนักเศษเหล็ก และวัสดุที่นำลงเตาหลอม โบรอนมีการสูญเพลิงน้อยมาก ถ้าในหัวน้ำที่เราใช้อยู่มีปริมาณโบรอนสูง แนะนำให้หาทางกำจัด อย่านำมาใช้งานจะดีที่สุด

ไนโตรเจน และไทเทเนียม (Nitrogen (N) and Titanium (Ti))

ไทเทเนียมเป็นธาตุที่พบได้ทั่วไป โดยปกติจะพบไม่เกิน 0.05% ในเหล็กหล่อเทา จะพบในเหล็กพิก และเศษเหล็ก โดยเฉพาะเศษเหล็กที่มีการเคลือบสีขาว

ไทเทเนียมเป็นธาตุที่ส่งเสริมให้เกิดโครงสร้างอันเดอร์คูลกราไฟต์ หรือกราไฟต์ “Type D” และมีปริมาณเฟอร์ไรต์ที่เพิ่มขึ้น

มีการนำไทเทเนียมมาเติมในเหล็กหล่อเทาเพื่อช่วยในการควบคุมก๊าซไนโตรเจน เนื่องจากก๊าซไนโตรเจนสามารถละลายเข้าไปในน้ำโลหะได้ ก๊าซไนโตรเจนทำให้เกิดปัญหา Fissure defect ซึ่งจะเป็นรูคล้ายโพรงหดตัวกระจายอยู่ทั่วไป โดยเฉพาะบริเวณที่มีความหนา ถึงแม้ว่าจะส่งผลต่อคุณภาพของชิ้นงาน แต่การที่มีไนโตรเจนในเหล็กหล่อเทา ก็ส่งผลให้เพิร์ลไลต์เสถียรมากขึ้น และยังส่งผลถึงรูปร่างของกราไฟต์ โดยจะทำให้กราไฟต์เป็นรูปร่างตัวหนอน (Compacted graphite) โดยเฉพาะในงานหล่อที่มีขนาดความหนาของชิ้นงานมาก ซึ่งจะทำให้ค่าความแข็งแรงดึงเพิ่มขึ้นมา ควรควบคุมปริมาณไนโตรเจนไม่ให้เกิน 0.008%

โดยปกติแหล่งของไนโตรเจนจะมาจากตัวคาร์บอนที่เติมเข้าไปในเตาหลอม และจากพวกน้ำยาเรซิ่นที่ใช้ในการทำแบบ เช่นน้ำยาฟูราน และก็มาจากซีโคล หรือผงถ่านที่เติมเข้าไปในแบบหล่อทรายชื้น

เราสามารถลดปัญหา Fissure defect ได้โดยการเลือกใช้วัตถุดิบที่มีคุณภาพ  การเติมไทเทเนียมเพื่อไปลดปริมาณไนโตรเจนก็ยังเป็นวิธีที่ไม่ค่อยนิยมทำ เนื่องจากมีค่าใช้จ่ายค่อนข้างสูง

• Facebook
• Line