เหล็ก เริ่มปรากฏว่าถูกนำมาใช้ในชีวิตประจำวันราว 1,200 ปีก่อนคริสต์ศักราช โดยถูกนำมาใช้งานในหลากหลายด้าน ครอบคลุมตั้งแต่อุปกรณ์ทำฟาร์มไปจนถึงอาวุธสงคราม ในสมัยนั้นช่างตีเหล็กกลายเป็นอาชีพที่สำคัญ โดยเป็นผู้ที่ทำงานกับเหล็กเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติ และรูปร่างให้กลายเป็นเครื่องมือ ในทุกหมู่บ้านและทุกเมืองจะมีร้านสินค้าของช่างตีเหล็กซึ่งจะมีเคียว ใบมีดของคันไถ ตะปู ดาบ เชิงเทียน และอื่นๆ อีกมากมาย
การค้นพบคุณสมบัติ และคุณค่าของเหล็ก นำไปสู่สิ่งที่เรียกว่า ยุคเหล็ก เนื่องจากวัสดุนี้ถูกใช้ในงานทางสังคม และการทหารจำนวนมาก ซึ่งต่อมาได้มีการปฏิวัติอุตสาหกรรมเข้ามาเปลี่ยนวิธีการได้มาซึ่งวัสดุจากการถลุงสินแร่ต่าง ๆ และเปลี่ยนวิธีการที่จะใช้เพื่อนำมาสร้างเป็นเครื่องมือและผลิตภัณฑ์ วัสดุที่กล่าวข้างต้นนั้นรวมถึงเหล็กด้วย
ประเภทของเหล็ก
เหล็กมี 2 ประเภทหลัก ได้แก่ เหล็กดัดและเหล็กหล่อ โดยเหล็กหล่อจะรวมถึงวัสดุเหล็กอื่นๆ ที่มีลักษณะคล้ายกันด้วย
เหล็กดัด (เหล็กตี)
เหล็กดัด เป็นเหล็กชนิดแรกที่ผลิตโดยช่างตีเหล็ก โดยเป็นธาตุเหล็กบริสุทธิ์ (Fe) หรือเกือบบริสุทธิ์ที่ถูกทำให้ร้อนในเตาหลอมก่อนที่จะถูกขึ้นรูปด้วยค้อนบนทั่ง การตีเหล็กจะขับตะกรันส่วนใหญ่ออกมา และจะทำให้เนื้อเหล็กถูกเชื่อมและถูกทำให้เข้าด้วยกัน
ในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรม มีความต้องการความเร็วของกิจกรรมการก่อสร้าง พบว่ามีการใช้เหล็กดัดแบบใหม่ที่มีความต้านทานแรงดึงสูง (ทนต่อการแตกหักเมื่ออยู่ภายใต้แรงดึงหรือแรงกด) ทำให้เหมาะสำหรับใช้เป็นเสาคานในโครงการก่อสร้างขนาดใหญ่ เช่น สะพานและอาคารสูง อย่างไรก็ตามการใช้เหล็กดัดเพื่อจุดประสงค์นี้ส่วนใหญ่ถูกยกเลิกไปในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เมื่อผลิตภัณฑ์ที่ทำจากเหล็กได้รับการพัฒนาให้มีประสิทธิภาพเหนือกว่าวัสดุเดิม
ต่อมาเหล็กดัดมีชื่อเสียงในด้านการเป็นของประดับตกแต่ง โดยโบสถ์ในศตวรรษที่ 15 และ 16 มีชิ้นส่วนของประดับตกแต่งเป็นเหล็กดัดชั้นดีที่ผลิตโดยช่างฝีมือผู้ชำนาญ และสำหรับยุคสมัยใหม่ การทำราวบันได ประตู และม้านั่งยังคงสามารถทำมาจากเหล็กดัดสำหรับชิ้นงานที่ถูกสั่งให้ทำขึ้นมาเฉพาะ
เหล็กหล่อ
เหล็กหล่อ ถูกผลิตขึ้นจากการถลุง โลหะผสมเหล็ก + คาร์บอนที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 2% โดยหลังจากขั้นตอนการหลอม เหล็กหล่อจะถูกเทลงในแม่พิมพ์ ความแตกต่างในการผลิตระหว่างเหล็กดัดและเหล็กหล่อคือเหล็กหล่อจะต้องได้ใช้ค้อนและเครื่องมือในการผลิต นอกจากนั้นองค์ประกอบภายในยังมีความแตกต่างกัน โดยเหล็กหล่อจะประกอบด้วยคาร์บอน 2-4% และจะมีโลหะอื่นๆ ผสมรวมถึงซิลิคอนประมาณ 1–3% ซึ่งวัสดุเหล่านี้จะเข้ามาช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการหล่อของโลหะ บางครั้งอาจจะมีการผสมแร่แมงกานีสเล็กน้อย หรือแร่วัสดุอย่างอื่น เช่น กำมะถันและฟอสฟอรัส
ถึงแม้ว่าเหล็กกล้าและเหล็กหล่อจะมีส่วนประกอบของคาร์บอนและมีลักษณะภายนอกที่คล้ายกัน แต่ทั้งสองก็มีความแตกต่างที่สำคัญคือ เหล็กกล้าจะประกอบไปด้วยธาตุคาร์บอนน้อยกว่า 2% ซึ่งช่วยให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้ในขั้นตอนสุดท้ายมีลักษณะที่แข็งตัวอยู่ในโครงสร้างไมโครคริสตัลไลน์แบบเดี่ยว ซึ่งการมีค่าของธาตุคาร์บอนที่สูงกว่าของเหล็กหล่อส่งผลให้ผลิตภัณฑ์จะแข็งตัวอยู่ในรูปของโลหะเนื้อผสมที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ดังนั้น ในลักษณะนี้จึงมีโครงสร้างของไมโครคริสตัลลีนมากกว่าหนึ่งโครงสร้างในหนึ่งผลิตภัณฑ์
เนื่องจากการมีปริมาณของธาตุคาร์บอนที่สูง และการมีซิลิคอนเป็นส่วนประกอบ ทำให้เหล็กหล่อมีความสามารถในการหล่อที่ดีเยี่ยม โดยเหล็กหล่อประเภทต่างๆ ผลิตขึ้นโดยใช้กระบวนการและระดับความร้อนที่แตกต่างกัน ในที่นี้รวมไปถึงเหล็กหล่อเทา เหล็กหล่อขาว เหล็กหล่ออบเหนียว เหล็กหล่อเหนียว และเหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอน
เหล็กหล่อเทา
เหล็กหล่อเทา มีลักษณะเป็นผลึก ของโมเลกุลแกรไฟต์ในโลหะ เมื่อโลหะร้าว การแตกจะเกิดขึ้นตามรอยแนวของผลึกโมเลกุลแกรไฟต์ ซึ่งทำให้เกิดเป็นสีเทาบนพื้นผิวของโลหะ โดยชื่อเหล็กหล่อเทามาจากลักษณะของพื้นผิวโลหะสีเทา
เหล็กประเภทนี้สามารถที่จะกำหนดขนาด และโครงสร้างของแผ่นแกรไฟต์ภายในระหว่างการผลิตได้ โดยการปรับอัตราการทำความเย็นและส่วนประกอบภายใน โดยเหล็กหล่อเทาจะไม่ยืดหยุ่นเหมือนกับเหล็กหล่อชนิดอื่นๆ และมีความต้านทานแรงดึงที่ต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม เหล็กหล่อเทาเป็นตัวนำความร้อนที่ดีกว่าและรับแรงสั่นสะเทือนได้สูงกว่า มีความสามารถในการรับแรงสั่นสะเทือนที่สูงกว่าเหล็กกล้า 20-25 เท่า และเหนือกว่าเหล็กหล่อชนิดอื่นๆ ทั้งหมด เหล็กหล่อเทายังสามารถถูกตัดขาดได้ง่ายกว่าเหล็กหล่ออื่นๆ และมีคุณสมบัติต้านทานการสึกหรอที่ทำให้เหล็กหล่อเทาเป็นหนึ่งในชนิดเหล็กหล่อที่มีความต้องการสูง
เหล็กหล่อขาว
เหล็กหล่อขาว มีปริมาณธาตุคาร์บอนที่พอดีและมีอัตราการเย็นตัวสูง ทำให้อะตอมของธาตุคาร์บอนรวมตัวกับเนื้อเหล็กเกิดเป็นเหล็กคาร์ไบด์ (iron carbide) ซึ่งหมายความว่าภายในเหล็กหล่อขาวจะมีโมเลกุลแกรไฟต์อิสระเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลยในเหล็กที่แข็งตัวแล้ว เมื่อเหล็กหล่อขาวถูกตัด ผิวหน้าเหล็กจะร้าวและปรากฏเป็นสีขาวเนื่องจากไม่มีแกรไฟต์ โดยโครงสร้างจะให้ความแข็งแต่เปราะ สามารถรับแรงอัดได้สูงและทนต่อการสึกหรอได้ดี ในการใช้งานเฉพาะทาง เหล็กหล่อควรมีรอยสีขาวบนพื้นผิวของผลิตภัณฑ์ซึ่งสามารถทำได้โดยใช้ตัวนำความร้อนที่ดีมาทำเป็นแม่พิมพ์ ซึ่งจะช่วยนำความร้อนออกจากโลหะ และช่วยให้การหลอมเหลวเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่การหล่อส่วนที่เหลือจะเย็นลงในอัตราที่ช้าลง
เหล็กหล่อขาวเกรดที่ได้รับความนิยมมากที่สุดคือเหล็กหล่อ Ni-Hard ซึ่งเป็นการเพิ่มโครเมียมและโลหะผสมนิกเกิลทำให้ผลิตภัณฑ์นี้มีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานที่มีแรงกระแทกต่ำและมีการเสียดสีระหว่างการใช้งาน
เหล็กหล่อขาวและเหล็กหล่อ Ni-Hard จัดอยู่ในประเภทของโลหะผสมที่เรียกว่า ASTM A532; “ข้อกำหนดมาตรฐานสำหรับเหล็กหล่อที่ต้านทานต่อการสึกหรอเนื่องจากการสัมผัสและเสียดสีกัน”
เหล็กหล่ออบเหนียว
เหล็กหล่อขาวสามารถนำไปแปรรูปเป็น เหล็กหล่ออบเหนียว ได้โดยผ่านกระบวนการความร้อน จากการที่ได้รับความร้อนและความเย็นที่ยาวนานขึ้น ส่งผลให้เกิดการสลายตัวของโมเลกุลเหล็กคาร์ไบด์และทำให้โมเลกุลแกรไฟต์เป็นอิสระในเนื้อของผลิตภัณฑ์เหล็ก ด้วยความแตกต่างของอัตราการหล่อเย็น และเนื้อผสมของเหล็กที่เปลี่ยนไปทำให้เหล็กหล่ออบเหนียวมีโครงสร้างภายในเป็นแบบไมโครคริสตัลไลน์
เหล็กหล่อเหนียว หรือเหล็กหล่อแกรไฟต์กลม
เหล็กหล่อเหนียว หรือเหล็กหล่อแกรไฟต์กลม มีคุณสมบัติพิเศษจากการเติมแร่แมกนีเซียมลงในเนื้อผสมของโลหะ ทำให้ผลึกแกรไฟต์มีรูปร่างเป็นทรงกลมเมื่อเทียบกับผลึกของเหล็กหล่อเทา การควบคุมส่วนประกอบของเหล็กชนิดนี้มีความสำคัญมากในกระบวนการผลิต เนื่องจากแร่ธาตุหรือสารผสมเพียงเล็กน้อย เช่น กำมะถันและออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยากับแมกนีเซียมจะส่งผลต่อรูปร่างของผลึกแกรไฟต์ โดยเหล็กหล่อเหนียวแต่ละเกรดเกิดขึ้นจากการสร้างโครงสร้างไมโครคริสตัลไลน์ที่แตกต่างกันรอบโมเลกุลแกรไฟต์ทรงกลม ซึ่งสิ่งนี้ทำได้โดยกระบวนการหล่อหรือกระบวนการผ่านความร้อนซึ่งเป็นขั้นตอนกระบวนการแยกสสาร (Downstream process)
เนื่องจากเหล็กหล่อเหนียวรูปร่างจะเปลี่ยนไปเมื่อถูกกระแทก แทนที่จะแตกออกเป็นชิ้นเล็กๆ ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องใช้วัสดุนี้สำหรับการทำเสาเหล็กหล่อกั้นทนแรงชน จากความสามารถในการรับแรงกระแทกของเหล็กหล่อเหนียวทำให้เหมาะสมต่อการเป็นวัสดุของเสาที่ถูกใช้ในบริเวณที่มีการจราจรของยานพาหนะ
เหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอน
เหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอน มีโครงสร้างเป็นแกรไฟต์และมีคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกับเหล็กหล่อเทาและเหล็กหล่อขาว โดยโครงสร้างเกิดจากผลึกแกรไฟต์ที่รวมตัวกันเป็นกระจุกเชื่อมต่อกัน โดยสารที่ถูกผสมเข้าไป เช่น ไทเทเนียม จะถูกใช้เพื่อยับยั้งการเกิดแกรไฟต์ทรงกลม เหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอนมีคุณสมบัติต้านทานแรงดึงสูงและมีความยืดหยุ่นที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับเหล็กหล่อเทา โดยโครงสร้างและคุณสมบัติสามารถถูกปรับได้ผ่านกระบวนการทำความร้อนหรือการเพิ่มสารผสมอื่นๆ ลงไปในเนื้อโลหะ
สรุปส่วนประกอบของเหล็กหล่อ
ตารางสร้างด้านล่างแสดงค่าความแตกต่างของส่วนประกอบเหล็กหล่อในแต่ละประเภท:
คุณสมบัติเชิงกลของเหล็กหล่อ
คุณสมบัติเชิงกลจะเป็นตัวแสดงลักษณะการตอบสนองของวัสดุภายใต้แรงดึงจำเพาะ ซึ่งจะช่วยในการพิจารณาความเหมาะสมในการนำไปใช้งานที่แตกต่างกัน ข้อมูลจำเพาะถูกกำหนดโดยองค์กรต่างๆ เช่น American Society for Testing and Materials (ASTM) เพื่อให้ผู้ใช้สามารถซื้อวัสดุได้อย่างถูกต้องและมั่นใจว่าตรงตามข้อกำหนดสำหรับการใช้งาน โดยข้อกำหนดบังคับการใช้งานเหล็กหล่อเทาที่ถูกใช้กันมากที่สุดคือ ASTM A48
การทำให้ผลิตภัณฑ์หล่อมีคุณสมบัติตามข้อกำหนด แนวปฏิบัติมาตรฐานที่ควรทำคือการหล่อแท่งเหล็กเพื่อใช้ทดสอบขึ้นมา โดยใช้เทคนิคการหล่อเชิงวิศวกรรม จากนั้นทดสอบด้วย ASTM ที่เหมาะสม ซึ่งผลลัพธ์ที่ได้จะถูกนำมาใช้เพื่อคัดเลือกสำหรับงานหล่อทั้งชุด
ข้อมูลเฉพาะก็มีความสำคัญเช่นกัน เมื่อต้องการเชื่อมเหล็กหล่อเข้าด้วยกัน โดยการเชื่อมจะต้องตรงตามหรือเกินกว่าคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุที่กำหนดไว้ ไม่เช่นนั้นอาจทำให้เกิดการแตกหักหรือเสียหายได้
ตัวอย่างคุณสมบัติเชิงกลทั่วไปของเหล็กหล่อ ได้แก่:
- ความแข็ง – ความทนทานของวัสดุต่อการเสียดสีและการกระทบ
- ความเหนียว – ความสามารถของวัสดุในการดูดซับพลังงาน
- ความอ่อน – ความสามารถของวัสดุในการถูกทำให้เสียรูปโดยไม่แตกหัก
- ความยืดหยุ่น – ความสามารถของวัสดุในการกลับคืนสู่รูปร่างเดิมหลังจากเปลี่ยนรูปแล้ว
- ความอ่อนตัว – ความสามารถของวัสดุในการถูกทำให้เสียรูปภายใต้แรงกดโดยไม่แตกร้าว
- ความต้านทานแรงดึง – ค่าแรงดึงสูงสุดตามแนวยาวที่วัสดุสามารถรับได้โดยไม่ฉีกขาด
- ความแข็งแกร่งต่อการล้าตัว – ค่าแรงดึงสูงสุดที่วัสดุสามารถทนต่อจำนวนรอบที่กำหนดโดยไม่ถูกทำให้หัก
ตารางสรุปคุณสมบัติเชิงกลที่สำคัญสำหรับเหล็กหล่อเกรดต่างๆ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม สามารถดูได้ที่ด้านล่าง ซึ่งเป็นเอกสารอ้างอิงที่ดีจาก American Foundry Society
การใช้งานทั่วไปของเหล็กหล่อ
เหล็กหล่อแต่ละประเภทมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน ส่งผลให้แต่ละประเภทมีความเหมาะสมในการใช้งานที่แตกต่างกันไป
การใช้งานเหล็กหล่อเทา
ลักษณะสำคัญอย่างหนึ่งของเหล็กสีเทาคือมีความสามารถในการต้านทานการสึกหรอแม้อยู่ในสภาวะของระบบการหล่อลื่นแบบจำกัดปริมาณสารหล่อลื่น (เช่น ผนังกระบอกสูบส่วนบนในบล็อกเครื่องยนต์) เหล็กหล่อเทาใช้ทำบล็อกเครื่องยนต์และฝาสูบ ท่อร่วม หัวเตาแก๊ส ช่องเกียร์ กล่องหุ้ม และวาวล์
การใช้งานเหล็กหล่อขาว
กระบวนการแช่เย็นที่ใช้ทำเหล็กหล่อขาวส่งผลให้วัสดุมีความเปราะแต่ทนทานต่อการสึกหรอและการเสียดสีสูง ด้วยเหตุนี้ จึงนิยมใช้ทำเป็นวัสดุบุผิวในโรงสี ใช้เป็นวัสดุของหัวฉีดแบบ shot-blasting, ตัวเท้าเบรกล้อรางรถไฟ, วาวล์ปั๊มสารละลาย เครื่องบดแบบลูกกลิ้งและเครื่องบดทำลาย
เหล็กหล่อ Ni-Hard ถูกใช้เฉพาะเป็นวัสดุใบพัดในเครื่องผสม, สว่านและประแจ, แผ่นซับในเครื่องบดแบบลูกบอล, รางถ่านหิน และตัวนำลวดสำหรับดึงสายไฟ
การใช้งานเหล็กหล่อเหนียว
เหล็กหล่ออบเหนียวถูกแบ่งออกเป็นเกรดต่างๆ โดยแต่ละเกรดมีคุณสมบัติเฉพาะและการใช้งานที่เหมาะสมแตกต่างกัน เหล็กประเภทนี้มีคุณสมบัตินำไปกลึงง่าย มีความแข็งแกร่งต่อการล้า ทนทานต่อการสึกหรอ คุณลักษณะที่รู้จักกันดีของเหล็กประเภทนี้คือความเหนียว เหล็กหล่ออบเหนียวสามารถใช้ทำเป็นสนับมือพวงมาลัย คันไถ เพลาข้อเหวี่ยง เกียร์สำหรับงานหนัก ส่วนประกอบในระบบกันสะเทือนของรถยนต์และรถบรรทุก ส่วนประกอบไฮดรอลิก และบานพับประตูรถยนต์
การใช้งานเหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอน
เหล็กหล่อแกรไฟต์ตัวหนอนเริ่มเป็นที่รู้จักในการใช้งานเชิงพาณิชย์ โดยเป็นการรวมกันของคุณสมบัติของเหล็กหล่อเทาและเหล็กหล่อขาวที่ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ที่มีความแข็งแรงสูงและมีค่าการนำความร้อนสูง เหมาะสำหรับการทำเป็นบล็อกและเฟรมของเครื่องยนต์ดีเซล, กระบอกสูบ, แผ่นเบรกสำหรับรถไฟ, ท่อร่วมไอเสีย และแผ่นเกียร์ในปั๊มแรงดันสูง
กระบวนการผลิตและการปิดผิวชิ้นงาน
จากคุณสมบัติของเหล็กหล่อที่มีความแข็ง ทำให้การเลือกเครื่องมือที่จะนำมาใช้ในกระบวนการผลิตต้องถูกเลือกอย่างระมัดระวัง การเคลือบผิวโลหะด้วยคาร์ไบด์ส่งผลให้กระบวนการผลิตเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ โดยในปัจจุบันได้มีการพัฒนาและนำวัสดุอื่นจากเทคโนโลยีที่ดีกว่ามาใช้ในการเคลือบ สำหรับการปิดผิวชิ้นงานจะมีความแตกต่างกันไปตามจุดประสงค์ของการนำผลิตภัณฑ์นั้นไปใช้ ตัวอย่างการนำไปใช้งานในบางส่วน:
- การชุบด้วยไฟฟ้า
- การจุ่มร้อน
- การฉีดพ่นด้วยความร้อน
- การเคลือบแบบ Diffusion
- การเคลือบแบบ Conversion
- เคลือบพอร์ซเลน
- การเคลือบด้วยสารเคลือบอินทรีย์เหลว
- การเคลือบผงเคลือบอินทรีย์แห้ง
จากการใช้งานครั้งแรกเมื่อ 3,000 ปีที่แล้ว เหล็กยังคงเป็นสิ่งสำคัญในสังคมมนุษย์ การผลิตเหล็กมีมานานนับศตวรรษตั้งแต่สิ่งประดิษฐ์จากเหล็กของช่างตีเหล็กจนถึงการผลิตเหล็กหล่อในยุคอุตสาหกรรม โดยตั้งแต่ตอนนั้นเหล็กดัดก็ได้ถูกยกเลิกใช้ไปนาน เว้นแต่การใช้เพื่อตกแต่ง ในทางตรงกันข้าม เหล็กหล่อยังคงมีความก้าวหน้าในแง่ของส่วนประกอบภายใน โครงสร้างโมเลกุลภายใน และคุณสมบัติเชิงกลที่ยังคงสามารถเป็นวัสดุที่สำคัญในโลกปัจจุบัน
