เหล็กหล่อ

 เหล็กหล่อ (Cast Iron)

เหล็กหล่อเป็นเหล็กที่ผลิตจากเหล็กดิบสีเทา (Gray Pig Iron)ที่ได้จากเตาสูง (Blast Furnace) มาหลอมหรือถลุงใหม่ในเตาคิวโปลา เตาแอร์เฟอร์เนซ หรือเตาไฟฟ้า ถ้าพิจารณาดูจาก Iron-carbon Equilibrium Diagram แล้วจะเห็นว่าเหล็กหล่อมีปริมาณธาตุคาร์บอนผสมอยู่ประมาณ 2% - 6.67% ส่วนเหล็กกล้ามีปริมาณธาตุคาร์บอนผสมอยู่ประมาณ 0.008% - 2%เท่านั้น แต่ทางปฏิบัติแล้วเหล็กหล่อจะมีปริมาณธาตุคาร์บอนผสมอยู่ประมาณ 2.5% – 4% ถ้ามีมากกว่านั้นจะขาดคุณสมบัติความความเหนียว (Ductility) จะเปราะและแตกหักง่ายเมื่อถูกแรงกระแทกปกติ

ข้อเปรียบเทียบระหว่างเหล็กหล่อกับเหล็กกล้า

เหล็กหล่อ (Cast Iron)	เหล็กกล้า (Steel)
1.มีปริมาณคาร์บอน 2% - 6.67%	1.มีปริมาณคาร์บอน 0.008% - 2%
2.มีจุดหลอมเหลวประมาณ 1150 – 1250 °C	2.มีจุดหลอมเหลวประมาณ 1539 °C
3.อัตราการขยายตัวต่ำ	3.อัตราการขยายตัวสูง
4.รับแรงอัดดี รับแรงดึงได้น้อย	4.รับแรงอัดดี รับแรงดึงได้มาก
5.มีความแข็งแรงปานกลาง	5.มีความแข็งแรงปานกลาง - สูง
6.ราคาถูกประหยัดเชื้อเพลิงในการถลุง	6.ราคาแพงใช้เชื้อเพลิงในการถลุงมาก

การถลุงเหล็กหล่อ

ในการถลุงเหล็กหล่อจะมีวัตถุดิบที่สำคัญคือ

- เหล็กดิบสีเทา (Gray Pig Iron)

- ถ่านโค้ก (Coke)

- หินปูน (Limestone)

- เศษเหล็ก

- สารประสมเพิ่มอื่น ๆ

โดยทั่วไปจะนิยมถลุงในเตาคิวโปลา (Cupola) มากกว่าเตาชนิดอื่นเพราะสามารถประหยัดพลังงานและถลุงได้ปริมาณมากกว่า

ขั้นตอนการทำงานของเตาคิวโปลา

1. ติดเตาโดยใช้ถ่านฟืนหรือวัตถุเชื้อเพลิงในครั้งแรกเมื่อติดดีแล้วจึงเติมถ่านโค้กลงไปให้มีปริมาณสูงกว่ารูพ่นลมเล็กน้อยเพราะหากมีปริมาณน้อยเกินไปจะทำให้เหล็กหล่อขาดซิลิคอนและแมงกานีสหรือมีปริมาณมากเกินไปจะทำให้มีกำมะถันในน้ำเหล็กมาก

2. ค่อย ๆ พ่นลมเข้าไปในเตาจนกว่าถ่านโค้กจะติดไฟ แล้วจึงลดปริมาณลมลง

3. เติมหินปูนสลับกับเหล็กดิบและเศษเหล็กสลับกันไปเป็นชั้น ๆ จนเต็ม

4. เมื่อเติมวัตถุดิบจนเต็มแล้วให้ปิดรูน้ำเหล็ก , รูขี้ตะกรันให้หมด แล้วเพิ่มปริมาณกระแสลม ทำให้เกิดความร้อนจนกระทั่งเหล็กหลอมละลาย

5. เมื่อเหล็กหลอมละลายให้เติมวัตถุดิบลงมาเรื่อย ๆ โดยเติมสลับกันเป็น ชั้น ๆ

6. เมื่อเหล็กหลอมละลายจนกระทั่งได้ปริมาณที่ต้องการให้เปิดรูขี้ตะกรันออกก่อนแล้วจึงเปิดรูน้ำเหล็กออกนำเบ้ามารองรับน้ำเหล็ก เพื่อเทลงแบบหล่อที่เตรียมไว้

การแบ่งประเภทของเหล็กหล่อ

เหล็กหล่อสามารถแบ่งตามลักษณะของโครงสร้างการรวมตัวของคาร์บอนเป็นหลักได้ 6 ประเภทคือ

1. เหล็กหล่อสีขาว (White Cast Iron)

2. เหล็กหล่อสีเทาหรือสีดำ (Gray Cast Iron)

3. เหล็กหล่อกราไฟต์กลม (Spheroidal Graphite Cast Iron

   or Nodular Cast Iron )

4. เหล็กหล่อ CGI (Compacted graphite)

5. เหล็กหล่ออบเหนียว (malleable Cast Irons) หรือเหล็กหล่อเหนียว (GT)

6. เหล็กหล่อผสมหรือเหล็กหล่อพิเศษ (Alloy and Special Cast Iron)

เหล็กหล่อสีขาว (White Cast Iron)

เหล็กหล่อสีขาวจะมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนอยู่ปริมาณ 1.7% ขึ้นไปและยังมีธาตุที่ผสมอยู่เช่น กำมะถัน, ซิลิคอน , แมงกานิส และ ฟอสฟอรัส ผลิตได้จากเตาคิวโปล่า  เนื้อเหล็กมีเม็ดเกรนสีขาว โดยการเปลี่ยนแปลงสภาวะของเหล็กหล่อชนิดนี้จะเปลี่ยนสถานะหลอมเหลวไปเป็นสถานะของแข็ง จะทำให้คาร์บอนแทรกตัวเข้าไปอยู่ในเนื้อเหล็ก ไม่อยู่อย่างอิสระเหมือนเหล็กหล่อสีดำ แต่จะรวมกันเนื้อเหล็กในรูปของสารประกอบ ซึ่งมีชื่อทางเคมีว่า “เหล็กคาร์ไบด์” หรือทางโลหะวิทยาเรียกลักษณะโครงสร้างแบบนี้ว่า “ซีเมนไตต์” (Cementile) โครงสร้างแบบนี้จะทำให้เหล็กมีคุณสมบัติแข็ง , เปราะ, แตกหักง่าย รอยหักจะดูเป็นสีขาวเหมือนเนื้อเหล็กทั่ว ๆ ไป เราจึงเรียกเหล็กหล่อชนิดนี้ว่า “เหล็กหล่อสีขาว” ตามลักษณะที่ปรากฏบนเนื้อของเหล็กหล่อสีขาว

คุณสมบัติเด่นของเหล็กหล่อสีขาวคือ

1. มีความแข็งสูง นำมากลึง, กัด , เจาะ ,ไสได้จาก

2. มีความเปราะสูง

3. ทนแรงกระแทรกได้น้อย

4. ทนการเสียดสีได้ดี การสึกหรอระหว่างการใช้งานน้อย

การใช้งานจะใช้กับงานที่ทนต่อการเสียดสี แบริ่งลูกปืน , ล้อรถไฟ , ลูกโม่ย่อยหิน ,จานเจียระไนเพชรพลอย

เหล็กหล่อสีเทาหรือสีดำ (Gray Cast Iron)

         เหล็กหล่อชนิดนี้เป็นเหล็กหล่อที่มีส่วนผสม และโครงสร้างใกล้เคียงกับเหล็กดิบ (Pig iron) ที่ถลุงจากเตาสูง (Blast Furnace) เมื่อหักดูเนื้อเหล็กตรงรอยหักจะเห็นเม็ดเกรนเป็นสีเทา แตกต่างกับเหล็กหล่อสีขาวทั้ง มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนที่ใกล้เคียงกัน ประมาณ 3 – 3.5% แต่คาร์บอนจะเกิดขึ้นเนื่องจากเย็นตัวเป็นไปอย่างช้า ๆ ทำให้คาร์บอน ปริมาณส่วนใหญ่จะแยกตัวออกมารวมกันในรูปของคาร์บอนบริสุทธ์เป็นแผ่นหรือเกล็ด (Flakes) ซึ่งเรียกว่า “Graphite” ซึ่งทำให้ดูเป็นสีเทา (แต่ก็ยังมีคาร์บอนบางส่วนรวมตัวในลักษณะสารประกอบในเนื้อเหล็ก (Cementite) เหมือนเหล็กหล่อสีขาว) นอกจากนี้ยังมีธาตุที่ผสมอยู่เช่น ซิลิกอน, แมงกานีส , ฟอสฟอรัส และ กำมะถัน

คุณสมบัติของเหล็กหล่อสีเทา

1. มีความแข็งไม่มากนัก ขึ้นรูปได้ง่าย

2. มีอุณหภูมิหลอมเหลวต่ำ มีความสามารถในการไหลดี หล่อ

   หลอมให้ได้รูปร่างชนิดซับซ้อนได้ง่าย

3. มีอัตราการขยายตัวน้อย สามารถใช้ทำส่วนประกอบของ

    เครื่องจักรกลที่ต้องการรูปร่างและขนาดที่แน่นอน

4. มีความต้านทานต่อแรงอัด และรับแรงสั่น ได้ดี ใช้ทำแท่นรอง

   รับอุปกรณ์ เครื่องมือกลต่างๆ ได้ดี

5. สามารถที่จะปรับปรุงคุณสมบัติความต้านทานแรงดึงได้มากขึ้นอยู่กับการปรับปรุงส่วนผสมและการอบชุบ การใช้งาน ใช้ทำชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ เช่นก้านสูบ ทำท่อน้ำ ขนาดใหญ่ และแท่นฐานเครื่องจักรกลต่าง ๆ เช่น ฐานเครื่องกลึง , เครื่องกัด ทำปากกาจับชิ้นงาน ฯลฯ

เหล็กหล่อกราไฟต์กลม (Spheroidal Graphite Cast Iron) หรือเรียกว่า Nodular Cast Iron , Ductile Iron

          มี % คาร์บอนอยู่ประมาณ 3 – 3.5%และยังมีธาตุที่ผสมอยู่ เช่น แมกนีเซี่ยม และ นิกเกิล เหล็กหล่อชนิดนี้ได้มาจากเหล็กหล่อสีเทาอีกทีหนึ่งโดยผสมแมกนีเซียม – นิกเกิลลงในน้ำเหล็กก่อนเทลงแบบ ซึ่งจะทำให้กราไฟต์ (คาร์บอนบริสุทธิ์ที่รวมตัวอยู่ในเนื้อเหล็ก) มีลักษณะเป็นวงกลม (Spheroids) เหล็กหล่อกราไฟต์กลมต่างกับเหล็กหล่อสีเทาตรงที่คาร์บอนรวมตัวเป็นกราไฟต์ในลักษณะกลม (กราไฟต์ของเหล็กหล่อสีเทาอยู่ในลักษณะยาว ๆ ) คุณสมบัติที่ได้จึงเหนียวและรับแรงกระแทกได้ดีกว่าเหล็กหล่อสีเทา จึงเป็นที่นิยมใช้มาก โครงสร้างของเหล็กชนิดนี้ จะมีโครงสร้างพื้นเป็นเฟอร์ไรท์ (Ferrite) และเพิรไลท์ (Pearlite)

คุณสมบัติของเหล็กหล่อกราไฟต์กลม

1. ทนแรงดึงได้สูงประมาณ 540 – 700 นิวตัน /มม.²

2. มีอัตราการยึดตัวประมาณ 1 – 5 %

3. สามารถนำไปชุบแข็ง อบลดความเครียด หรือชุบผิวแข็งได้

4. ความแข็งและความเปราะลดลง ทำให้กลึง , กัด , ไส , เจาะได้ง่าย

5. ทนต่อการสึกหรอได้ดี

6. ทนความร้อนได้ดี

7. สามารถนำไปตีขึ้นรูปได้

8. สามารถรับแรงกระแทกได้ดี

การใช้งาน ใช้ทำชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ เช่นเพล้าข้อเหวี่ยง เครื่องมือการเกษตร ชิ้นส่วนเรือเดินทะเล โครงสร้างเครื่องจักรขนาดใหญ่ , ท่อส่งน้ำ , ท่อส่งแก๊ส

เหล็กหล่อ CGI (Compacted graphite)

        เหล็กหล่อCGIจะมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนประมาณ 4.2%และมีธาตุที่ผสมอยู่เช่นโลหะแมกนีเซียมและ นิกเกิล จะมีเนื้อเม็ดเกรนจะแตกต่างจากเหล็กหล่อกราไฟต์กลมคือ มีกราไฟต์เป็นลักษณะคดยาวคล้ายตัวหนอน (Vermicular graphite) และมีความต้านทานแรงดึงได้ดี และการหดตัวต่ำ เหล็กชนิดนี้จะมีคุณสมบัติอยู่ระหว่างเหล็กหล่อกราไฟต์กลมกับเหล็กหล่อสีเทา ซึ่งจะมีความต้านทานแรงดึงได้ดีกว่าเหล็กหล่อสีเทา จะอยู่ในเกณฑ์เดียวกับกราไฟต์ก้อนกลม แต่ความเหนียวจะด้อยกว่า

การใช้งาน ใช้ทำเฟือง (Gear) ล้อช่วยแรง (fly wheel) , เบรคดุม (Brake drum) และท่อไอเสีย (Exhaust Manifolds)

เหล็กหล่ออบเหนียว (malleable Cast Irons) หรือเหล็กหล่อเหนียว (GT)ทนต่อแรงดึงได้ดีกว่าเหล็กหล่อสีเทา และเหล็กหล่อสีขาว แต่น้อยกว่าเหล็กกราไฟต์กลม นอกจากนี้ทนต่อแรงกระแทกได้ดี มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับเหล็กกล้า เหล็กหล่อชนิดนี้ทำจากเหล็กสีขาวไปผ่านกรรมวิธีอบอ่อน ควบคุมการเย็นตัว ซึ่งจะทำให้โครงสร้างเปลี่ยนแปลงไป แต่ข้อเสียของเหล็กหล่ออบเหนียวนี้ คือ ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการอบอ่อนสูงและ ทำกับชิ้นงานที่มีความหนาได้ไม่เกิน 50 มม.

คุณสมบัติของเหล็กหล่อเหนียว

1. ความเหนียวจะเพิ่มมากขึ้นกว่าเหล็กหล่อสีเทาและเหล็กหล่อสีขาว

2. ความแข็งจะเพิ่มมากกว่าเหล็กหล่อสีขาว แต่น้อยกว่าเหล็กหล่อสีเทา

3. อัตราการยืดตัวจะมากขึ้น

4. ทนต่อแรงกระแทกได้ดี

5. สามารถนำไปชุบผิวแข็งได้มาก

เหล็กหล่อเหนียวแบ่งตามลักษณะโครงสร้างได้ 3 ประเภท

1.เหล็กหล่ออบเหนียวสีดำ (GTS) (Black Heart Malleable)

2.เหล็กหล่ออบเหนียวสีขาว (GTW) (White Heart Malleable Cast Iron)

3.เหล็กหล่ออบเหนียวเพิรลิติค (Pearlitic Malleable)

เหล็กหล่อผสมหรือเหล็กหล่อพิเศษ (Alloy and Special Cast Iron)

       เหล็กหล่อผสมหรือเหล็กหล่อพิเศษเป็นเหล็กหล่อที่ถูกสร้างขึ้นมา เพื่อให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ เหล็กหล่อชนิดนี้มีอยู่หลายประเภทขึ้นอยู่กับสารหรือโลหะที่ผสมในเนื้อเหล็กหล่อ ซึ่งพอจะแบ่งออกตามการใช้งานได้ 3 ประเภทคือ

1. เหล็กหล่อผสมทนการเสียดสี

2. เหล็กหล่อผสมทนต่อความร้อน

3. เหล็กหล่อผสมทนต่อการกัดกร่อน

1. เหล็กหล่อผสมทนการเสียดสี (Alloy and Special Cast Iron)

       เป็นเหล็กหล่อที่มีความแข็งสูงโดยผสมโลหะโครเมียมนิกเกิลและโมลิบดินัม ส่วนใหญ่จะมีลักษณะของรอยแตกเป็นสีขาว คล้ายกับเหล็กหล่อสีขาว

เหล็กหล่อชนิดนี้แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ

1.1 เหล็กหล่อ Ni-Hard

เป็นเหล็กหล่อที่มีความแข็งสูง มี % คาร์บอนอยู่ประมาณ 2.8 – 3.6% และมีธาตุที่ผสมอยู่เช่น ซิลิคอน , แมงกานีส,กำมะถัน , ฟอสฟอรัส, นิกเกิล และ โครเมี่ยม

เหล็กหล่อชนิดนี้เมื่อผสมกับโลหะโครเมียม นิกเกิล และโมลิบดินัม จะมีรอยแตกมีลักษณะสีขาวคล้ายเหล็กหล่อสีขาว และถ้าเติมนิเกิลกับโครเมียมจะรวมตัวกันให้คาร์ไบด์ และไปแทนที่เหล็กในซีเมนไตต์ ทำให้มีความแข็งเพิ่มขึ้น และทนต่อการสึกหรอ

ลักษณะการใช้งานส่วนใหญ่ใช้ทำ ชิ้นส่วน Linear plate ใน เครื่องบด , ใบพัดปั๊มแร่ตามเหมืองแร่ , ใช้ในอุตสาหกรรมเครื่องเคลือบ , ปูนซีเมนต์

คุณสมบัติโดยทั่วไป

1. ความต้านทานแรงดึง

2. ความต้านทานแรงกระแทก

            1.2 เหล็กหล่อโครเมียมสูง

     เป็นเหล็กหล่อที่มี % ของโครเมียม 10 –30% มี % คาร์บอน 2.0-3.0% ธาตุที่ผสมอยู่คือ ซิลิกอน , แมงกานีส , โมลิบดินัม เนื่องจากโครเมียมจะรวมตัวกับคาร์บอนในเหล็กหล่อเกิดเป็นโครเมียมจะรวมตัวกับคาร์บอนในเหล็กหล่อเกิดเป็นโครเมียมคาร์ไบด์ ซึ่งมีคุณสมบัติทนต่อการเสียดสีได้สูง มีอายุการใช้งานยาวนาน มีโครงสร้างเป็นแบบเฟอร์ไรท์

 

กรรมวิธีการผลิต เตาคิวโปล่า , เตาหลอมไฟฟ้า

ใช้งานใน อุตสาหกรรมทำสี , เหมืองแร่ปูนซีเมนต์ เช่น ลูกบด

 

2. เหล็กหล่อทนความร้อนสูง (Heat Resistance Cast Iron)

มีคุณสมบัติเด่นอยู่ 3 ประการคือ

1. มีความแข็งแรงได้ที่อุณหภูมิสูง โดยไม่เกิดการแตกหักหรือเปลี่ยนแปลงรูปทรง

2. มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชั่น แม้จะอยู่ในสภาพที่สัมผัสกับแก๊สร้อน

3. มีความต้านทานต่อการเกิดอาการพองตัว (Growth) และมีโครงสร้างที่คงสภาพไม่เปลี่ยนแปลงในช่วงของอุณหภูมิที่ใช้งานซึ่งจะสูงกว่า 600 C

2.1 เหล็กหล่อ Ni-resist เป็นเหล็กหล่อชนิดที่มีออกไซด์ และจะมีความต้านทานออกซิเจนแทรกตัว (Oxidation-resistance scale)มีธาตุที่ผสมอยู่เช่น โครเมียม , โมลิบดินัม และนิกเกิลประมาณ 20 – 30 %

2.2 เหล็กหล่อซิลิคอนสูง เป็นเหล็กหล่อชนิดทนความร้อน และมีโครงสร้างเป็นเฟอร์ไรท์มีธาตุที่ผสมอยู่เช่น แมกนีเวียม ,โมลิบดินัม, ซิลิคอน 4- 6% ส่วนมากใช้งานในการ ทำหัวเผาของเตาอบ และ ทำท่อไอเสียเครื่องยนต์

2.3 เหล็กหล่อผสมอะลูมิเนียม เหล็กหล่อชนิดนี้มีต้านทานการแพร่ของออกซิเจนได้ดี  มีธาตุที่ผสมอยู่เช่น โมลิบดินัม และ อะลูมิเนียม ใช้ในงานที่ต้องการความต้านการพองตัว (Growth)

2.4เหล็กหล่อผสมโครเมียม โครงสร้างโดยทั่วไปเหมือนกับเหล็กหล่อขาว แต่ความเหนียวจะน้อยกว่า และมีความต้านทานต่อการแทรกตัวของออกซิเจนได้ดี ส่วนมากใช้งานในการ อุปกรณ์ในงานเตาอบ เช่น หัวเผา , เตาไฟ , Recuperator tube

 3. เหล็กหล่อทนการกัดกร่อน (Corrosion Resistant Iron)

เป็นเหล็กหล่อที่มีธาตุผสมในอัตราสูง  แบ่งออกเป็น2ประเภทคือ

3.1เหล็กหล่อผสมนิกเกิลสูง เป็นเหล็กหล่อที่ทนการกัด

กร่อนสูง มักใช้ในงานวิศวกรรมที่เกี่ยวกับน้ำทะเล งานอุตสห-กรรมเคมี

- เปอร์เซ็นต์คาร์บอน 2 –3.5%

- ธาตุที่ผสมอยู่ นิกเกิล 13.5-36% ,ทองแดง 5.5 –7.5% , โครเมียม 1.8- 6%

- การใช้งาน ผลิตปั๊ม , ท่อ ข้อต่อต่าง ๆ

3.2เหล็กหล่อผสมซิลิคอนสูง มีคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนโดยเฉพาะกรดชนิดต่าง ๆ ได้ดี ทุก ๆ ความเข้มข้นที่อุณหภูมิห้อง

- เปอร์เซ็นต์คาร์บอน 2-4%

- ธาตุที่ผสมอยู่ ซิลิกอน 14-15% ,โมลิบดินัม, โครเมียม

- การใช้งาน ทำปั๊ม และท่อส่งสารละลายที่มีอำนาจในการกัดกร่อนสูง (High corrosive fluid)