ประเภทของเหล็กหล่อ

ประเภทของเหล็กหล่อ

บทนี้จะกล่าวถึงเหล็กหล่อประเภทต่างๆ

การหล่อเหล็กสีเทา

เหล็กหล่อเทามีคุณลักษณะเฉพาะคือโครงสร้างจุลภาคที่อาจทำให้วัสดุแตกร้าวและมีลักษณะเป็นสีเทา เหล็กหล่อเทาชนิดนี้เป็นเหล็กหล่อที่นิยมใช้กันมากที่สุดและยังนิยมใช้หล่อตามน้ำหนักอีกด้วย เหล็กหล่อเทาส่วนใหญ่มีการสลายตัวทางเคมีที่คาร์บอน 2.5 ถึง 4 เปอร์เซ็นต์ ซิลิโคน 1 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์ และส่วนที่เหลือเป็นองค์ประกอบของเหล็ก

เหล็กหล่อประเภทนี้มีความแข็งแรงในการดึงและทนต่อแรงกระแทกน้อยกว่าเหล็กทั่วไป ความแข็งแรงในการอัดเทียบได้กับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและปานกลาง

คุณสมบัติทางกลทั้งหมดนี้ถูกควบคุมโดยรูปร่างของเกล็ดกราไฟต์และขนาดของเกล็ดกราไฟต์ซึ่งมีอยู่ในโครงสร้างจุลภาคของเหล็กหล่อสีเทา

เหล็กหล่อขาว

เหล็กประเภทนี้มีพื้นผิวแตกเป็นสีขาวเนื่องจากมีตะกอนคาร์ไบด์เหล็กที่เรียกว่าซีเมนไทต์ คาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็กหล่อสีขาวจะตกตะกอนจากหลอมเหลวเป็นซีเมนไทต์ที่มีเฟสเสถียรแทนที่จะเป็นกราไฟต์ ซึ่งทำได้โดยใช้ซิลิกอนที่มีปริมาณน้อยกว่าเป็นตัวทำให้เป็นกราไฟต์และอัตราการระบายความร้อนที่เร็วขึ้น หลังจากการตกตะกอนนี้ ซีเมนไทต์จะก่อตัวเป็นอนุภาคขนาดใหญ่

ในระหว่างการตกตะกอนของคาร์ไบด์เหล็ก ตะกอนจะดึงคาร์บอนจากของเหลวที่หลอมละลายเดิม ทำให้ส่วนผสมเคลื่อนไปทางที่ใกล้เคียงกับยูเทกติกมากขึ้น เฟสที่เหลือคือการลดเหล็กให้เป็นคาร์บอนออสเทไนต์ ซึ่งจะเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์เมื่อเย็นลง

คาร์ไบด์ยูเทกติกเหล่านี้มีขนาดใหญ่เกินไปที่จะให้ประโยชน์ในการชุบแข็งแบบตกตะกอน ในเหล็กบางชนิดอาจมีตะกอนซีเมนไทต์ที่มีขนาดเล็กกว่ามากซึ่งอาจพาพลาสติกไปเสียรูปได้ด้วยการขัดขวางการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนที่เคลื่อนผ่านเมทริกซ์เฟอร์ไรต์เหล็กบริสุทธิ์ คาร์ไบด์เหล่านี้มีข้อได้เปรียบตรงที่ช่วยเพิ่มความแข็งของเหล็กหล่อเนื่องจากมีความแข็งและเศษส่วนปริมาตรในตัว ส่งผลให้ความแข็งของเหล็กหล่อสามารถประมาณได้โดยใช้กฎของส่วนผสม

ความแข็งนี้ต้องแลกมาด้วยความทนทานในทุกกรณี เหล็กหล่อขาวสามารถจัดอยู่ในประเภทซีเมนต์ได้ เนื่องจากคาร์ไบด์เป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของวัสดุ เหล็กขาวเปราะเกินไปที่จะใช้ในส่วนประกอบโครงสร้าง แต่เนื่องจากมีความแข็งที่ดี ทนต่อการสึกกร่อน และมีต้นทุนต่ำ จึงสามารถใช้เป็นพื้นผิวสึกหรอของปั๊มโคลนได้

การจะทำให้เหล็กหล่อหนาเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วนั้นทำได้ยาก ซึ่งก็เพียงพอที่จะทำให้เนื้อหลอมแข็งตัวเป็นเหล็กหล่อขาว อย่างไรก็ตาม การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วสามารถนำมาใช้เพื่อทำให้เหล็กหล่อขาวแข็งตัวได้มาก หลังจากนั้น ส่วนที่เหลือจะเย็นตัวลงอย่างช้าๆ ทำให้เกิดแกนกลางเป็นเหล็กหล่อสีเทา การหล่อที่ได้นี้เรียกว่าการหล่อแบบแช่เย็น ซึ่งมีข้อดีคือมีพื้นผิวที่แข็งแต่มีเนื้อในที่เหนียวกว่า

โลหะผสมเหล็กขาวที่มีโครเมียมสูงสามารถหล่อทรายใบพัดขนาด 10 ตันได้เป็นจำนวนมาก ซึ่งเป็นผลมาจากโครเมียมที่ช่วยลดอัตราการระบายความร้อนที่จำเป็นในการผลิตคาร์ไบด์โดยใช้วัสดุที่มีความหนามากขึ้น นอกจากนี้ ธาตุโครเมียมยังผลิตคาร์ไบด์ที่มีความต้านทานการสึกกร่อนได้ดีเยี่ยมอีกด้วย

เหล็กหล่อเหนียว

เหล็กหล่อเหนียวเริ่มต้นจากการหล่อเหล็กสีขาว จากนั้นจึงผ่านการอบด้วยความร้อนที่อุณหภูมิประมาณ 950°C เป็นเวลา 2 วันหรือ 1 วัน แล้วจึงทำการทำให้เย็นลงเป็นระยะเวลาเท่ากัน

คาร์บอนในคาร์ไบด์เหล็กจะเปลี่ยนเป็นกราไฟต์ เฟอร์ไรต์ และคาร์บอนเนื่องมาจากกระบวนการให้ความร้อนและทำความเย็นนี้ กระบวนการนี้ใช้ความร้อนต่ำ แต่ทำให้แรงตึงผิวเปลี่ยนกราไฟต์ให้เป็นอนุภาคทรงกลมแทนที่จะเป็นเกล็ด

ทรงกลมค่อนข้างสั้นและอยู่ห่างกันเนื่องจากมีอัตราส่วนความกว้างยาวต่ำ นอกจากนี้ ทรงกลมยังมีหน้าตัดที่ต่ำกว่า รอยแตกร้าวที่แพร่กระจาย และโฟตอน ซึ่งแตกต่างจากเกล็ด ทรงกลมมีขอบมนซึ่งช่วยบรรเทาปัญหาการรวมตัวของความเค้นที่พบในเหล็กหล่อสีเทา โดยรวมแล้ว คุณสมบัติของเหล็กหล่อเหนียวจะคล้ายกับเหล็กกล้าซึ่งมีธรรมชาติที่อ่อนกว่า

การหล่อเหล็กเหนียว

บางครั้งเรียกว่าเหล็กหล่อก้อนกลม เหล็กหล่อชนิดนี้มีกราไฟต์เป็นก้อนกลมเล็กๆ โดยกราไฟต์มีลักษณะเป็นชั้นๆ ที่มีศูนย์กลางร่วมกันและก่อตัวเป็นก้อนกลม เนื่องด้วยเหตุนี้ คุณสมบัติของเหล็กหล่อเหนียวเป็นเหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติเป็นรูพรุน ซึ่งไม่มีผลต่อความเข้มข้นของความเค้นที่เกิดจากเกล็ดของกราไฟต์

ปริมาณความเข้มข้นของคาร์บอนที่บรรจุอยู่นั้นอยู่ที่ประมาณ 3 ถึง 4 เปอร์เซ็นต์ และซิลิกอนอยู่ที่ประมาณ 1.8 ถึง 2.8 เปอร์เซ็นต์ แมกนีเซียมปริมาณเล็กน้อย 0.02 ถึง 0.1 เปอร์เซ็นต์ และซีเรียมเพียง 0.02 ถึง 0.04 เปอร์เซ็นต์เมื่อเติมลงในโลหะผสมเหล่านี้ จะทำให้การตกตะกอนของกราไฟต์ผ่านพันธะกับขอบของเลนกราไฟต์ช้าลง

คาร์บอนอาจมีโอกาสแยกตัวเป็นอนุภาคทรงกลมเมื่อวัสดุแข็งตัว เนื่องมาจากการควบคุมองค์ประกอบอื่นๆ อย่างระมัดระวังและกำหนดเวลาที่เหมาะสมในระหว่างกระบวนการ อนุภาคที่ได้จะคล้ายกับเหล็กหล่อเหนียว แต่สามารถหล่อชิ้นส่วนที่มีส่วนตัดที่ใหญ่กว่าได้

ธาตุโลหะผสม

คุณสมบัติของเหล็กหล่อเปลี่ยนแปลงและเติมลงในธาตุโลหะผสมหรือสารผสมต่างๆ ในเหล็กหล่อ ธาตุซิลิกอนสอดคล้องกับคาร์บอน เพราะมีคุณสมบัติในการผลักดันคาร์บอนออกจากสารละลาย ซิลิกอนที่มีเปอร์เซ็นต์น้อยกว่าไม่สามารถบรรลุผลดังกล่าวได้อย่างเต็มที่ เนื่องจากทำให้คาร์บอนยังคงอยู่ในสารละลาย จึงทำให้เกิดเหล็กคาร์ไบด์และผลิตเหล็กหล่อขาวได้

ซิลิกอนที่มีเปอร์เซ็นต์หรือความเข้มข้นที่มากขึ้นสามารถบังคับให้คาร์บอนออกจากสารละลายแล้วสร้างกราไฟต์และผลิตเหล็กหล่อสีเทาได้ ตัวแทนโลหะผสมอื่นๆ ที่ไม่ได้กล่าวถึง ได้แก่ แมงกานีส โครเมียม ไททาเนียม และวาเนเดียม ตัวแทนโลหะผสมเหล่านี้ต่อต้านซิลิกอน นอกจากนี้ยังส่งเสริมการกักเก็บคาร์บอนและการก่อตัวของคาร์ไบด์ด้วย นิกเกิลและทองแดงมีข้อได้เปรียบเนื่องจากเพิ่มความแข็งแรงและความสามารถในการตัดเฉือน แต่ไม่สามารถเปลี่ยนแปลงปริมาณคาร์บอนที่เกิดขึ้นได้

คาร์บอนที่อยู่ในรูปของกราไฟต์ทำให้เหล็กมีความอ่อนตัวลง ส่งผลให้การหดตัวลดลง ความแข็งแรงลดลง และความหนาแน่นที่กักเก็บลดลง กำมะถันเป็นสารปนเปื้อนส่วนใหญ่เมื่อถูกกักเก็บ และจะก่อให้เกิดเหล็กซัลไฟด์ซึ่งป้องกันไม่ให้เกิดกราไฟต์และยังเพิ่มความแข็งอีกด้วย

ข้อเสียของกำมะถันคือทำให้เหล็กหล่อหลอมเหลวมีความหนืด ซึ่งอาจทำให้เกิดข้อบกพร่องได้ เพื่อรองรับและขจัดผลกระทบของกำมะถัน จึงมีการเติมแมงกานีสลงในสารละลาย เนื่องจากเมื่อทั้งสองผสมกัน จะเกิดแมงกานีสซัลไฟด์แทนที่จะเป็นเหล็กซัลไฟด์ แมงกานีสซัลไฟด์ที่ได้จะมีน้ำหนักเบากว่าเหล็กหลอมเหลว และมีแนวโน้มที่จะลอยออกมาจากเหล็กหลอมเหลวและเข้าไปในตะกรัน

ปริมาณโดยประมาณของแมงกานีสที่จำเป็นในการยกเลิกผลของกำมะถันคือ 1.7 หน่วยของปริมาณกำมะถันและเพิ่มอีก 0.3 เปอร์เซ็นต์ที่เติมไว้ด้านบน การเติมแมงกานีสมากกว่าจำนวนนี้ส่งผลให้เกิดคาร์ไบด์แมงกานีส ซึ่งจะเพิ่มความแข็งและการเย็นตัว ยกเว้นในเหล็กสีเทาซึ่งแมงกานีสมากถึง 1 เปอร์เซ็นต์สามารถเพิ่มความแข็งแรงและความหนาแน่นที่มีอยู่ได้ นิกเกิลเป็นธาตุโลหะผสมทั่วไปชนิดหนึ่งเนื่องจากมีแนวโน้มที่จะปรับปรุงเพิร์ลไลต์และโครงสร้างของกราไฟต์ จึงปรับปรุงความเหนียวและปรับความแข็งระหว่างความหนาของส่วนต่างๆ ให้เท่ากัน

โครเมียมจะถูกเติมในปริมาณเล็กน้อยเพื่อลดกราไฟต์อิสระและทำให้เกิดความเย็น เนื่องจากโครเมียมเป็นสารทำให้เสถียรของคาร์ไบด์ที่มีประสิทธิภาพ และในบางกรณี โครเมียมสามารถทำงานร่วมกับนิกเกิลได้ สำหรับโครเมียม สามารถเติมดีบุกทดแทนในปริมาณเล็กน้อยได้เช่นกัน ทองแดงจะถูกเติมลงในทัพพีหรือเตาเผาในปริมาณประมาณ 0.5 ถึง 2.5 เปอร์เซ็นต์ เพื่อลดความเย็น กลั่นกราไฟต์ และเพิ่มการไหลลื่นของของเหลว นอกจากนี้ยังสามารถเติมโมลิบดีนัมในปริมาณ 0.3 ถึง 1 เปอร์เซ็นต์ เพื่อเพิ่มความเย็น กลั่นกราไฟต์ และกลั่นโครงสร้างของเพิร์ลไลต์ได้อีกด้วย

โดยปกติจะเติมไททาเนียมลงไปร่วมกับนิกเกิล ทองแดง และโครเมียม เพื่อผลิตเหล็กที่มีความแข็งแรงสูง ธาตุไททาเนียมจะถูกเติมลงไปเพื่อใช้เป็นตัวแยกแก๊สและตัวดีออกซิไดเซอร์ และเพิ่มความลื่นไหล ธาตุวาเนเดียมในสัดส่วน 0.15 ถึง 0.5 เปอร์เซ็นต์จะถูกเติมลงในเหล็กหล่อเพื่อช่วยรักษาเสถียรภาพของซีเมนไทต์ เพื่อเพิ่มความแข็งและทนต่อการสึกหรอและผลกระทบจากความร้อน

เซอร์โคเนียมช่วยในการสร้างกราไฟต์ โดยจะเติมลงในอัตราส่วนประมาณ 0.1 ถึง 0.3 เปอร์เซ็นต์ ธาตุนี้ยังช่วยในการดีออกซิไดซ์และเพิ่มการไหลลื่นอีกด้วย ในหลอมเหล็กเหนียว เพื่อเพิ่มปริมาณซิลิกอนที่สามารถเติมได้ บิสมัทจะถูกเทลงในอัตราส่วน 0.002 ถึง 0.01 เปอร์เซ็นต์ ในเหล็กขาว จะมีการเติมธาตุโบรอนเข้าไป ซึ่งจะช่วยในการผลิตเหล็กเหนียว และช่วยลดผลกระทบจากการหยาบของธาตุบิสมัท