ข้อเปรียบเทียบเหล็กหล่อกับเหล็กกล้า

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.มีความแข็งแรงอยู่ในเกณฑ์ปานกลาง	5.มีความแข็งแรงอยู่ในเกณฑ์ปานกลาง - สูง
6.ราคาถูกประหยัดเชื้อเพลิงในการถลุง	6.ราคาแพงใช้เชื้อเพลิงในการถลุงมาก

การหล่อโลหะ

การหล่อโลหะ (Casting) หมายถึง การขึ้นรูปโลหะโดยนำโลหะมาหลอมเหลว แล้วเทหรือฉีดเข้าสู่แบบหล่อ (Mould) หรือแม่พิมพ์ (Die) เมื่อโลหะแข็งตัวก็จะได้ชิ้นงานที่มีรูปร่างตามต้องการ ประกอบด้วยการเทน้ำโลหะลงในแบบที่ทำไว้เป็นรูปร่างต่างๆแล้วปล่อยให้น้ำโลหะแข็งตัว จากนั้นจึงเอาชิ้นงานมาตกแต่งหรือนำไปผ่านขบวนการทางความร้อนจึงจะได้ชิ้นงานสำเร็จที่จะนำไปใช้งานต่อไป

ขนาดของชิ้นงานจะมีขนาดตั้งแต่น้ำหนักน้อยๆไปจนถึงขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักเป็นหลายตัน คุณสมบัติของชิ้นงานหล่อจะเกี่ยวพันกับธรรมชาติของโลหะที่จะนำมาหล่อ ชนิดแบบหล่อ ขนาด และรูปร่างของชิ้นงานหล่อ และอัตราการเย็นตัวเป็นอย่างมาก กระบวนการของการหล่อโลหะจะมีขั้นตอนการทำงานมากไปกว่าการเพิ่มความร้อนจนโลหะหลอมละลายแล้วนำโลหะไปเทลงแบบ โดยทั่วไปจะมีการเติมโลหะชนิดอื่นลงไปผสมและยังมีวิธีการขจัดสารมลทินแปลกปลอมเข้ามาเกี่ยวข้องอีกด้วย

การหล่อโลหะทำได้หลายวิธี เช่น
- หล่อในแบบหล่อทราย
- หล่อในแบบหล่อเซรามิกส์
- หล่อแบบฉีดหรือไดคาสท์
- หล่อเหวี่ยง
- หล่อต่อเนื่อง

ข้อพิจารณาในการเลือกวิธีหล่อโลหะมีหลายอย่าง เช่น
- ขนาดหรือความหนา
- รูปร่างและความซับซ้อนของงาน
- ราคา
- จำนวนที่ต้องการผลิต
- ความเรียบผิว และชนิดของโลหะกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับกรรมวิธีการหล่อโลหะ

การอบชุบโลหะ (Heat Treatment)
การชุบเคลือบผิว (Surface Treatment)
การเชื่อม (Welding & Joining)


การทำงานหล่อมีขั้นตอนการทำที่แตกต่างกันไปตามชนิดของแบบหล่อ ในเบื้องต้นถ้าเป็นการทำโดยใช้หล่อทรายชื้นซึ่งเป็นที่นิยมใช้กันทั่วไปในประเทศ เริ่มต้นจาก การออกแบบงานหล่อ และ การสร้างกระสวน ให้ได้รูปร่างตามที่ได้ออกแบบไว้ (ในขั้นตอนนี้งานหล่อทุกชนิดจะต้องมีกระสวน) ก่อนนำมาใช้ในการขึ้นรูปเป็นแบบทรายหล่อ เพื่อให้ได้แบบหล่อที่พร้อมที่จะเทหล่อ หากลักษณะงานที่ต้องการให้มีโพรงจะต้องมีขั้นตอนการทำใส้แบบเพิ่มมาอีก และก่อนเทจะต้องประกอบไส้แบบเข้ากับแบบทรายหล่อให้เรียบร้อย ในขั้นตอนการเตรียมน้ำโลหะ จะต้องมีการควบคุมคุณภาพของน้ำโลหะให้ได้ส่วนผสมตามที่กำหนดเสียก่อน จึงนำไปเทลงในแบบหล่อที่เตรียมไว้ เมื่อเทหล่อแล้ว ปล่อยให้งานหล่อแข็งตัวสมบูรณ์และเย็นตัวลงดีเสียก่อนจึงทำการลื้อแบบหล่อในขั้นตอนต่อไป งานหล่อที่ได้จะต้องผ่านการตรวจสอบเบื้องต้นด้วยตา และนำมาทำความสะอาด ตัดรูล้น หัวป้อน และหากต้องการตัดแต่งด้วยเครื่องมือกลจะต้องทำให้เสร็จเรียบร้อยเสียก่อน ที่จะจัดส่งให้กับลูกค้าต่อไป

Lodge cast iron Manufacturing

การแบ่งประเภทของเหล็กหล่อ

             1 เหล็กหล่อสีขาว (White Cast Iron)

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

             2เหล็กหล่อสีเทาหรือสีดำ (Gray Cast Iron)

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

คุณสมบัติของเหล็กหล่อสีเทา

1.      มีความแข็งไม่มากนัก สามารถกลึงหรือไส ตบแต่งให้ได้ขนาดตามต้องการได้

2.      มีอุณหภูมิหลอมเหลวต่ำ และมีความสามารถในการไหล (Fluidity)ดี สามารถหล่อหลอมให้ได้รูปร่างชนิดซับซ้อนได้ง่าย

3.      มีอัตราการขยายตัวน้อย สามารถใช้ทำส่วนประกอบของเครื่องจักรกลที่ต้องการรูปร่างและขนาดที่แน่นอน

4.      มีความต้านทานต่อแรงอัด และรับแรงสั่น (Dam ping Capacity) ได้ดี ใช้ทำแท่นรองรับอุปกรณ์ เครื่องมือกลต่างๆ ได้ดี

5.    สามารถที่จะปรับปรุงคุณสมบัติความต้านทานแรงดึงได้มากขึ้นอยู่กับการปรับปรุงส่วนผสมและการอบชุบ ทำให้ใช้งานได้กว้างขวาง

การใช้งาน   ใช้ทำชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ เช่นก้านสูบ  ทำท่อน้ำ  ขนาดใหญ่ และแท่นฐานเครื่องจักรกลต่าง ๆ เช่น ฐานเครื่องกลึง , เครื่องกัด   ทำปากกาจับชิ้นงาน

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

เหล็กหล่อกราไฟต์กลมมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนอยู่ประมาณ 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 ๔%

3.      สามารถนำไปชุปแข็ง อบลดความเครียด หรือชุบผิวแข็งได้

4.      ความแข็งและความเปราะลดลง ทำให้กลึง , กัด , ไส , เจาะได้ง่าย

5.      ทนต่อการสึกหรอได้ดี

6.      ทนความร้อนได้ดี

7.      สามารถนำไปตีขึ้นรูปได้

8.      สามารถรับแรงกระแทกได้ดี
 4 เหล็กหล่อ CGI (Compacted graphite)

เหล็กหล่อCGIจะมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนประมาณ4.2%และมีธาตุที่ผสมอยู่เช่นโลหะแมกนีเซียม(Magnisium)แล นิกเกิล (Nichel) เหล็กหล่อชนิดนี้จะมีเนื้อเม็ดเกรนจะแตกต่างจากเหล็กหล่อกราไฟต์กลมคือ เหล็กหล่อชนิดนี้มีกราไฟต์เป็นลักษณะคดยาวคล้ายตัวหนอน (Vermicular graphite) และมีความต้านทานแรงดึงได้ดี และการหดตัวต่ำ เหล็กชนิดนี้จะมีคุณสมบัติอยู่ระหว่างเหล็กหล่อกราไฟต์กลมกับเหล็กหล่อสีเทา เหล็กหล่อชนิดนี้จะมีความต้านทานแรงดึงได้ดีกว่าเหล็กหล่อสีเทา จะอยู่ในเกณฑ์เดียวกับกราไฟต์ก้อนกลม แต่ความเหนียวจะด้อยกว่า

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

   5 เหล็กหล่ออบเหนียว (malleable Cast Irons) หรือเหล็กหล่อเหนียว (GT)

 เหล็กหล่อชนิดนี้สามารถทนต่อแรงดึงได้ดีกว่าเหล็กหล่อสีเทา 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

  6 เหล็กหล่อผสมหรือเหล็กหล่อพิเศษ (Alloy and Special Cast Iron)

เหล็กหล่อผสมหรือเหล็กหล่อพิเศษเป็นเหล็กหล่อที่ถูกสร้างขึ้นมา เพื่อให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ เหล็กหล่อชนิดนี้มีอยู่หลายประเภทขึ้นอยู่กับสารหรือโลหะที่ผสมในเนื้อเหล็กหล่อ เราพอจะแบ่งออกตามการใช้งานได้3 ประเภทคือ

1.      เหล็กหล่อผสมทนการเสียดสี

2.      เหล็กหล่อผสมทนต่อความร้อน

3.      เหล็กหล่อผสมทนต่อการกัดกร่อน

การผลิตเหล็กหล่อด้วยเตาคิวโปล่า

           เหล็กหล่อที่มีคุณสมบัติต่างชนิดกันออกไปตามประเภทการใช้งานนั้น ผลิตขึ้นจากการหลอมเหล็กดิบจากเตาสูงเพื่อผลิตเป็นเหล็กหล่อชนิดต่างๆกันออกไปด้วยเตาคิวโปล่า การผลิตเหล็กหล่อในเตาคิวโปล่าผนังเตาจะบุด้วยอิฐทนไฟโดยรอบนอกจะเป็นแผ่นเหล็กกล้าหุ้มอยู่ในการถลุงจะใช้เหล็กดิบเป็นท่อนจากเตาสูง และเหล็กดิบเทาที่เป็นชิ้นหักเสีย เศษเหล็ก Coke per Charge ตัวผสมเพิ่มใส่เข้าทางด้านข้างของที่ลานลำเลียงบรรจุลมจะถูกเป่าผ่านท่อลมแบบวงแหวนจากส่วนล่างของเตาคิวโปล่า ทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นสูง 1200°C น้ำเหล็กหล่อเทาจะรวมตัวกันที่หน้าเตา (Pre - heat) เป็นที่ที่จะเจาะเอาขี้ตะกรันเหล็กออกจากรู ส่วนน้ำเหล็กจะให้ออกจากรู สำหรับน้ำเหล็กนำไปเทลงกระสวนหล่อนำไปใช้งานเป็นเหล็กหล่อเทา (Gray Cast Iron) และเหล็กหล่อแข็ง (Chilled Iron) เป็นต้น

เหล็กหล่อ

  

                              แผนภาพสมดุลเหล็กกับคาร์บอน

             เหล็กหล่อเป็นเหล็กที่รู้จักและใช้กันอย่างแพร่หลายมาเป็นระยะเวลานาน เหล็กหล่อคล้ายกับเหล็กกล้า (Steel) ตรงที่เหล็กหล่อนั้น เป็นเหล็กที่มีธาตุคาร์บอนผสมอยู่ เช่นเดียวกัน และสามารถศึกษาโครงสร้างจากแผนภาพสมดุล (Equilibrium Diagram) ในรูป เช่นเดียวกัน เพียงแต่ปริมาณของคาร์บอน ในเหล็กหล่อจะมีมากกว่าในเหล็กกล้า คือมีคาร์บอนตั้งแต่ร้อยละ 2-6.67  ในอุตสาหกรรมเหล็กหล่อโดยทั่วไปแล้วจะมีคาร์บอนอยู่ร้อยละ 2.5-4 ถ้าปริมาณคาร์บอนมากกว่านี้เหล็กจะสูญเสียคุณสมบัติทางด้านความเหนียว (Ductility) คือเปราะและแตกหักได้ง่ายเมื่อถูกแรงกระแทกปกติเหล็กหล่อส่วนมากจะขาดคุณสมบัติทางด้านความเหนียวเมื่อเทียบกับเหล็กกล้า จึงไม่สามารถขึ้นรูปด้วยการรีดหรือการดึงขึ้นรูป  ที่อุณหภูมิสูงได้การขึ้นรูปเหล็กหล่อที่อุณหภูมิสูงนั้นทำได้ยาก แต่วิธีที่ใช้ในการขึ้นรูปถึงแม้ว่ารูปร่างจะซับซ้อน ก็สามารถทำได้ โดยการหลอมเหล็กให้ละลายแล้วเทลงแบบหล่อที่ทำด้วยทรายหรือวัสดุทนความร้อน จึงได้ชื่อตามกรรมวิธีการขึ้นรูปว่า เหล็กหล่อ หลังจากหล่อรูปร่างได้ใกล้เคียงกับขนาดที่ต้องการแล้ว จึงนำมาทำการกลึง ไส ตัด และ เจาะ แม้ว่าเหล็กหล่อส่วนใหญ่จะให ้คุณสมบัติความเค้นแรงดึงสูงสุดต่ำและขาดคุณสมบัติทางด้านความเหนียว แต่เหล็กหล่อมีราคาถูกว่าที่มีจุดหลอมตัวต่ำ สามารถขึ้นรูปได้รูปร่างง่ายกว่าเหล็กกล้าและยังสามารถปรับคุณสมบัติต่างๆ โดยการเติมธาตุผสมที่เหมาะสมสม และการอบชุบที่ดีจะทำให้คุณสมบัติ ของเหล็กหล่อ เปลี่ยนแปลงได้ อย่างกว้างขวาง จนเหล็กหล่อบางชนิด มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับเหล็กกล้าทำให้การพัฒนาอุสาหกรรมเหล็กหล่อเป็นไปอย่างกว้างขวาง รวมทั้งปริมาณการผลิตเหล็กหล่อก็เพิ่มปริมาณขึ้นอย่างรวดเร็ว