คาร์บอน มีคุณสมบัติ เด่น ทางกล อยู่ 2 ส่วน มี อะไร บาง

ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าและเหล็กหล่อต่างๆ เรียบเรียงโดย อภิชาติ พานิชกุล และ อุษณีย์ กิตกำธร เหล็กกล้าและเหล็กหล่อที่มีการผลิตใช้งานนั้นมีอยู่หลายชั้นคุณภาพ (เกรด) ด้วยกัน เพื่อให้มีความเหมาะสมกับลักษณะการนำไปใช้ในงานที่แตกต่างกัน โดยแต่ละชั้นคุณภาพจะขึ้นอยู่กับส่วนผสมทางเคมีและคุณสมบัติเชิงกลเป็นสำคัญ ซึ่งได้มีการรวบรวมไว้เพื่อให้เป็นมาตรฐานเดียวกัน เช่น AISI, SAE, JIS, DIN, TIS เป็นต้นส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้า 1. เหล็กกล้าคาร์บอน (Plain Carbon Steel)คือเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนเป็นธาตุผสมหลัก มีคุณสมบัติที่ดีในหลายด้าน ทั้งความแข็งแรง ความเหนียว ความแกร่ง และมีราคาถูก นอกจากนี้ยังสามารถทำการอบชุบเพื่อเพิ่มความแข็งและความแข็งแรงได้ ตัวอย่างส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าแสดงดังตารางที่ 1
http://www.thyssenkruppmaterials.co.thตารางที่ 1 ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าคาร์บอนเกรดเหล็กส่วนผสมหลัก (Wt.%)DINJISAISIชื่อเรียกทางการค้าCSiMnCrMoVGS-38S15C1015เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ0.13-0.180.10-0.600.30-0.60CK45S45C1045เหล็กเหนียว0.40-0.52<0.400.50-0.80CK50S50C1050เหล็กแข็งหัวแดง0.47-0.55<0.400.60-0.902. เหล็กกล้าผสมต่ำ (Low Alloy Steels)เป็นเหล็กกล้าที่มีธาตุประสมรวมกันน้อยกว่า 8% ธาตุที่ผสมอยู่คือ โครเมี่ยม นิกเกิล โมลิบดินั่ม และแมงกานีส ปริมาณของธาตุที่ใช้ผสมแต่ละตัวจะไม่มาก ประมาณ 1 – 2% ผลจากการผสมทำให้เหล็กสามารถชุบแข็งได้ มีความแข็งแรงสูง เหมาะสำหรับใช้ในการทำชิ้นส่วนเครื่องจักรกล เช่น เฟือง เพลาข้อเหวี่ยง จนบางครั้งมีชื่อว่าเหล็กกล้า เครื่องจักรกล (Machine Steels) เหล็กกล้ากลุ่มนี้จะต้องใช้งานในสภาพชุบแข็งและอบก่อนเสมอจึงจะมีค่าความแข็งแรงสูง ตัวอย่างส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าแสดงดังตารางที่ 2
http://www.thyssenkruppmaterials.co.thตารางที่ 2 ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าผสมต่ำเกรดเหล็กส่วนผสมหลัก (Wt.%)DINJISAISIชื่อเรียกทางการค้าCSiMnCrMoV34CrNiMo6SNCM4404340เหล็กน้ำมันเฟือง0.30-0.380.10-0.400.50-0.801.30-1.700.15-0.3042CrMo4SCM4404140เหล็กแข็งหัวฟ้า0.38-0.450.10-0.400.60-0.900.90-1.200.12-0.3040CrMnMo7P20P20เหล็กงานพลาสติก0.400.401.501.900.20100Cr6SUJ2E52100เหล็กเพลาลูกปืน0.90-1.050.15-0.350.25-0.451.35-1.6015CrNi6SCN 4153115เหล็กคาร์เบอร์ไรซ์ซิ่ง0.12-0.170.10-0.400.60-0.900.90-1.2042CrMo4SCM440H4140HMachinery steel0.38-0.450.10-0.400.60-0.900.90-1.200.15-0.303. เหล็กกล้าผสมสูง (High alloy steels)เหล็กกล้าประเภทนี้จะถูกปรับปรุงคุณสมบัติสำหรับการใช้งานเฉพาะอย่าง ซึ่งก็จะมีธาตุประสมรวมกันมากกว่า 8% เช่น เหล็กกล้าทนความร้อน เหล็กกล้าทนการเสียดสี และเหล็กกล้าทนการกัดกร่อน
http://www.thyssenkruppmaterials.co.thตารางที่ 3 ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าผสมสูงเกรดเหล็กส่วนผสมหลัก (Wt.%)DINJISAISIชื่อเรียกทางการค้าCSiMnCrMoV40CrMoV5-1SKD61H13เหล็กน้ำมันงานร้อน0.401.000.405.301.401.00100MnCrW4SKS93O1เหล็กทนกระแทก0.951.100.600.10155CrVMo12-1SKD11D2เหล็กน้ำมันงานเย็น1.550.300.3012.00.701.00HS 6-5-2SKH51M2เหล็กไฮสปีด0.904.105.01.9036CrMo17SUS431431เหล็กสตาร์แวค0.380.400.6516.00.60105CrMo17SUS440C440Cเหล็กไร้สนิม0.90-1.2016.0-18.00.40-0.80ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กหล่อส่วนผสมทางเคมีของเหล็กหล่อชนิดต่างๆ แสดงในตารางที่ 4 เหล็กหล่อโดยปกติจะไม่จำแนกเป็นชั้นคุณภาพต่างๆ ตามส่วนผสมทางเคมี แต่จะนิยมแบ่งชั้นคุณภาพด้วยคุณสมบัติเชิงกล เช่น ตามมาตรฐาน JIS จะแบ่งชั้นคุณภาพเหล็กหล่อเทาเป็น FC20 FC25 และ FC30 เป็นต้น โดย FC หมายถึงเหล็กหล่อเทา ส่วนตัวเลข 20 25 และ30 นั้นหมายถึงความต้านทางแรงดึงสูงสุดในหน่วย kg/mm2From ASM Specialty Handbook, Cast ironตารางที่ 4 ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กหล่อชนิดของเหล็กหล่อส่วนผสมทางเคมี (Wt %)CSiMnPSเหล็กหล่อเทา2.4-4.01.0-3.00.2-1.00.002-1.00.02-0.25เหล็กหล่อตัวหนอน2.5-4.01.0-3.00.2-1.00.01-0.10.01-0.03เหล็กหล่อเหนียว3.0-4.01.8-2.80.2-1.00.01-0.10.01-0.03เหล็กหล่อขาว1.8-3.60.5-1.90.25-0.80.06-0.20.06-0.2เหล็กหล่ออบเหนียว2.2-2.90.9-1.90.15-1.20.02-0.20.02-0.2

เช่นเติมนิกเกิลเราสามารถแบ่งเหล็กออกเป็นกลุ่มกว้างๆได้ 2 กลุ่ม โดยพิจารณาจากปริมาณของธาตุคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็ก โดยแบ่งออกได้เป็น

เหล็กหล่อ คือเหล็กที่มีปริมาณธาตุคาร์บอนมากกว่า 1.7% หรือ 2% ซึ่งเหล็กชนิดนี้จะขึ้นรูปได้ด้วยวิธีหล่อเท่านั้นเพราะปริมาณคาร์บอนที่สูงทำให้โครงสร้างมีคุณสมบัติที่แข็งแต่เปราะจึงไม่สามารถขึ้นรูปด้วยวิธีการรีดหรือวิธีทางกลอื่นๆได้ เรายังสามารถแบ่งย่อยเหล็กหล่อออกได้อีกหลายประเภท โดยพิจารณาจากโครงสร้างทางจุลภาค กรรมวิธีทางความร้อน ชนิดและปริมาณของธาตุผสม ได้แก่

เหล็กหล่อเทา (grey cast iron) เป็นเหล็กหล่อที่มีปริมาณคาร์บอนและซิลิคอนสูง ทำให้มีโครงสร้างคาร์บอนอยู่ในรูปของกราฟไฟต์

เหล็กหล่อขาว (white cast iron) เป็นเหล็กหล่อที่มีปริมาณซิลิคอนต่ำกว่าเหล็กหล่อเทา ทำให้ไม่เกิดโครงสร้างคาร์บอนในรูปกราฟไฟต์ โดยคาร์บอนจะอยู่ในรูปคาร์ไบด์ของเหล็ก (Fe3C) ที่เรียกว่า ซีเมนไตต์ เป็นเหล็กที่มีความแข็งสูงทนการเสียดสี แต่จะเปราะ

เหล็กหล่อกราฟไฟต์กลมหรือเหล็กหล่อเหนียว (spheroidal graphite cast iron, ductile cast iron) เป็นเหล็กหล่อเทาที่ผสมธาตุแมกนีเซียมและหรือธาตุซีเรียมลงไปในน้ำเหล็ก ทำให้กราฟไฟต์ที่เกิดเป็นกลุ่มและมีรูปร่างกลม ซึ่งส่งผลถึงคุณสมบัติทางกลในทางที่ดีชึ้น

เหล็กหล่ออบเหนียว (malleable cast iron) เป็นเหล็กหล่อขาวที่นำไปอบในบรรยากาศพิเศษเพื่อทำให้คาร์บอนในโครงสร้างคาร์ไบด์แตกตัวออกมารวมกันเป็นกราฟไฟต์เม็ดกลม และทำให้เหล็กรอบๆที่มีปริมาณคาร์บอนลดลงปรับโครงสร้างกลายเป็นเฟอร์ไรต์และหรือเพิร์ลไลต์ เหล็กชนิดนี้จะมีความเหนียวดีกว่าเหล็กหล่อขาว แต่จะด้อยกว่าเหล็กหล่อกราฟไฟต์กลมเล็กน้อย

เหล็กหล่อโลหะผสม (alloy cast iron) เป็นเหล็กหล่อที่เติมธาตุผสมอื่นๆลงไปในปริมาณที่ค่อนข้างมาก เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติเฉพาะด้านให้ดียิ่งขึ้น เลและโครเมียมเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติด้านทนการเสียดสีและทนความร้อน เป็นต้น

การแบ่งประเภทของเหล็ก

เหล็กกล้า คือเหล็กที่มีปริมาณธาตุคาร์บอนน้อยกว่า 1.7% หรือ 2% เหล็กชนิดนี้มีความเหนียวมากกว่าเหล็กหล่อทำให้สามารถทำการขึ้นรูปโดยใช้กรรมวิธีทางกลได้ ทำให้เหล็กชนิดนี้ถูกนำไปใช้งานอย่างกว้างขวาง จึงพบเห็นได้ทั่วไปในชีวิตประจำวัน เช่น เหล็กเส้น เหล็กแผ่น เหล็กโครงรถยนต์ ท่อเหล็กต่างๆ ฯลฯ เหล็กกล้าสามารถแบ่งได้เป็นกลุ่มต่างๆได้คือ

เหล็กกล้าคาร์บอน (carbon steel) เป็นเหล็กที่มีคาร์บอนเป็นส่วนผสมหลัก โดยอาจมีธาตุอื่นผสมอยู่บ้างแต่ไม่ได้เจาะจงจะผสมลงไป มักติดมาจากกรรมวิธีการถลุงและการผลิต เราสามารถแบ่งย่อยกว้างๆออกได้ 3 ประเภทโดยพิจารณาตามปริมาณของธาตุคาร์บอนที่ผสม คือ

เหล็กคาร์บอนต่ำ (low carbon steel) เป็นเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่า 0.2% เหล็กชนิดนี้มีความแข็งแรงต่ำสามารถรีดหรือตีเป็นแผ่นได้ง่าย
ตัวอย่างเหล็กเช่น เหล็กเส้น เหล็กแผ่นที่ใช้กันทั่วไป
เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (medium carbon steel) เป็นเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนอยู่ระหว่าง 0.2-0.5% เป็นเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงกว่าเหล็กคาร์บอนต่ำ ใช้ทำชิ้นส่วนของเครื่องจักรกลทั่วไป เหล็กประเภทนี้สามารถทำการอบชุบความร้อนได้
เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (high carbon steel) เป็นเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนสูงกว่า 0.5% มีความแข็งแรงและความแข็งสูง สามารถทำการอบชุบความร้อนให้คุณสมบัติความแข็งเพิ่มขึ้นได้ ใช้ทำพวกเครื่องมือเครื่องใช้ต่างๆที่ต้องการผิวแข็งและความต้านทานการสึกหรอสูง
เหล็กกล้าผสม (alloy steel) เป็นเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีธาตุอื่นผสมอยู่อย่างเจาะจงเพื่อวัตถุประสงค์ในการปรับปรุงคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความสามารถในการชุบแข็ง (hardenability) ความต้านทานการกัดกร่อน คุณสมบัติการนำไฟฟ้าและคุณสมบัติทางแม่เหล็กเป็นต้น ธาตุผสมที่เติมลงไป เช่น โครเมียม นิกเกิล โมลิบดินัม วาเนเดียม โคบอลต์ แมงกานีสและซิลิคอน โดยแมงกานีสและซิลิคอนจะต้องมีปริมาณมากพอสมควรจึงจะจัดได้ว่าเป็นเหล็กกล้าผสม เพราะในเหล็กกล้าคาร์บอนก็มีปริมาณธาตุทั้งสองผสมอยู่พอสมควร เราสามารถแบ่งย่อยกว้างๆออกได้ 2 ประเภทโดยพิจารณาตามปริมาณของธาตุผสม คือ