เนื่องจากเหล็กบริสุทธิ์มีกำลังต่ำเกินกว่าที่จะนำไปใช้งานวิศวกรรมได้ จึงมีการเติมธาตุผสม (alloying elements) เข้าไปในเนื้อเหล็ก เพื่อให้ได้คุณสมบัติตามที่ต้องการ ตามนิยามนั้น เราแบ่งเหล็กออกเป็นเหล็กกล้าเหล็กหล่อ โดยอาศัยปริมาณคาร์บอนที่ผสมอยู่ กล่าวคือ เหล็กกล้าคือ เหล็กที่มีคาร์บอนไม่เกิน 2.0% ถ้ามีคาร์บอนมากกว่านั้นจะเป็นเหล็กหล่อ สำหรับในหัวข้อนี้จะกล่าวถึงเหล็กกล้า
โดยทั่วไปแล้วเหล็กกล้าจะอยู่ในรูปของ เหล็ก + คาร์บอน + ธาตุผสม + สารมลทิน ปริมาณเปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนในเหล็กกล้านั้นจะมีตั้งแต่ 0.05 ถึง 1.40% โดยน้ำหนัก เมื่อเปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนสูงขึ้น กำลังวัสดุ (Strength) และความแข็ง (Hardness) ของเหล็กกล้าจะเพิ่มขึ้น แต่ความเหนียว (Ductility) ของเหล็กกล้านั้นจะลดลง
เราอาจจำแนกเหล็กกล้าออกไปเป็น 2 ประเภทใหญ่ ๆ คือ เหล็กกล้าคาร์บอน (Plain Carbon Steels) และเหล็กกล้าผสม (Alloy Steels)
1. เหล็กกล้าคาร์บอน (Plain carbon steels)
เหล็กกล้าคาร์บอน คือเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนเป็นธาตุผสมหลัก และมีปริมาณธาตุผสมอื่น ๆ อยู่ในปริมาณน้อย ตามนิยามของ AISI (American Iron and Steel Institute) จำกัดปริมาณธาตุผสมไว้ดังนี้: แมงกานีสไม่เกิน 1.65%, ซิลิคอนไม่เกิน 0.60%, ทองแดงไม่เกิน 0.60% และปริมาณของฟอสฟอรัสรวมกับกำมะถันไม่เกิน 0.05% เราถือได้ว่า เฉพาะธาตุคาร์บอนเท่านั้นที่มีอิทธิพลต่อคุณสมบัติของเหล็กกล้าชนิดนี้ ธาตุผสมในเหล็กกล้าประเภทนี้ นอกจากคาร์บอนแล้วจะมี ซิลิคอนและแมงกานีส ส่วนกำมะถันและฟอสฟอรัสจะอยู่ในรูปของสารมลทิน เราแบ่งชนิดของเหล็กกล้าคาร์บอนตามเปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนที่อยู่ในเนื้อเหล็กดังนี้คือ
1. เหล็กกล้าละมุนหรือเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (Mild Steel หรือ Low Carbon Steel) <0.25%>
รูปที่ 1 โครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนต่าง ๆ(a) เฟอร์ไรท์ 0.0%C, 500x (b) เฟอร์ไรท์ + เพิร์ลไลท์ 0.40%C, 500x
(c) เพิร์ลไลท์ 0.77%C, 1000x (d) เพิร์ลไลท์ + ซีเมนไตท์ที่ขอบเกรน 1.4%C, 500x
(e) ออสเตนไนท์, 500x (ที่มา: Bofor Handbook)
เราอาจแบ่งประเภทเหล็กกล้าคาร์บอนโดยอาศัยลักษณะโครงสร้างจุลภาคก็ได้ กล่าวคือ เหล็กกล้าที่มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอน 0.77% จะมีโครงสร้างจุลภาคเป็นเพิร์ลไลท์อย่างเดียว เราเรียกเหล็กประเภทนี้ว่า Eutectoid Steels สำหรับเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนต่ำกว่า 0.77% เราเรียกว่า Hypoeutectoid Steels (โครงสร้างจุลภาคจะประกอบด้วยโปรยูเทคตอยด์เฟอร์ไรท์กับเพิร์ลไลท์) และเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนสูงกว่า 0.77% เราเรียกว่า Hypereutectoid Steels (โครงสร้างจุลภาคจะประกอบด้วยโปรยูเทคตอยด์ซีเมนไตท์กับเพิร์ลไลท์)
คุณสมบัติเชิงกลของเหล็กกล้าคาร์บอนจะขึ้นตรงกับประเภทและปริมาณของโครงสร้างจุลภาคภายในเนื้อเหล็กนั้น ๆ เฟอร์ไรท์มีกำลังวัสดุและความแข็งไม่สูงนักแต่มีความเหนียว ซีเมนไตท์มีความแข็งสูงแต่เปราะ เพิร์ลไลท์มีกำลังวัสดุสูงและสามารถยืดตัวได้ดีภายใต้แรงดึง และท้ายสุดออสเตนไนท์มีกำลังวัสดุต่ำ นิ่ม สามารถรีดให้เข้ารูปได้ง่าย เป็นต้น ส่วนประเภทและปริมาณของโครงสร้างจุลภาคจะขึ้นกับส่วนประกอบทางเคมีของเหล็กกล้านั้น ๆ อีกทีหนึ่ง รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างการใช้งานโลหะประเภทเหล็ก โดยระบุเปอร์เซนต์คาร์บอนของเหล็กที่นำไปทำชิ้นส่วนหรือผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ ส่วนรูปที่ 3 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างเปอร์เซนต์คาร์บอนกับปริมาณของโครงสร้างจุลภาคแต่ละชนิด (เฟอร์ไรท์, เพิร์ลไลท์, ซีเมนไตท์) ในเหล็กและสมบัติเชิงกลของมัน
รูปที่ 2 แสดงตัวอย่างชิ้นส่วนและผลิตภัณฑ์ที่ทำจากโลหะในกลุ่มเหล็ก โดยตัวเลขระบุถึง
เปอร์เซนต์คาร์บอนของเหล็กนั้น ๆ
รูปที่ 3 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างเปอร์เซนต์คาร์บอนในเหล็กกับปริมาณโครงสร้างจุลภาค (เฟอร์ไรท์, เพิร์ลไลท์ และซีเมนไตท์) ที่จะปรากฏในเหล็กนั้น รวมทั้งสมบัติเชิงกล และตัวอย่างผลิตภัณฑ์ที่ผลิตจากเหล็กที่มีเปอร์เซนต์คาร์บอนนั้น ๆ
(ที่มา : Engineering Metallurgy Part 1, R. A. Higgins)
2. เหล็กกล้าผสม (Alloy Steels)
เหล็กกล้าที่ไม่จัดเป็นเหล็กกล้าคาร์บอน จะจัดเป็นเหล็กกล้าผสมทั้งหมด ซึ่งนอกจากซิลิคอนและแมงกานีสแล้ว ธาตุผสมในเหล็กกล้าประเภทนี้ยังมีทองแดง นิกเกิล โครเมียมและโมลิบดีนั่ม เป็นต้น อีกด้วย คุณสมบัติเชิงกลของเหล็กกล้าผสมนอกจากจะขึ้นกับปริมาณของคาร์บอนเหมือนดังเหล็กกล้าคาร์บอนแล้ว ยังขึ้นอยู่กับชนิดและปริมาณของธาตุผสมที่อยู่ในเนื้อเหล็กกล้า ตลอดจนกระบวนการอบชุบ (Heat-Treatment) ที่ให้กับเหล็กกล้านั้น ๆ เราจะใช้เหล็กกล้าผสมแทนที่เหล็กกล้าคาร์บอน เมื่อเราต้องการชิ้นงานที่มีสมบัติเชิงกลหรือคุณสมบัติด้านอื่น ๆ เช่น คุณสมบัติด้านการทนทานต่อความร้อน, ความทนทานต่อการกัดกร่อน ฯลฯ ซึ่งเหล็กกล้าคาร์บอนไม่สามารถให้คุณสมบัติที่เราต้องการนั้นได้
2.2 เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steels)
เหล็กกล้าประเภทนี้จัดได้ว่าอยู่ในขอบเขตของเหล็กกล้าผสม ธาตุตัวสำคัญคือ โครเมียม ซึ่งจะผสมตั้งแต่ 13% ขึ้นไป
โครเมียมที่อยู่ในเนื้อเหล็กกล้าจะก่อให้เกิดฟิล์มโครเมียมออกไซด์ (Cr2O3) ซึ่งมีเสถียรภาพสูงอยู่ที่ผิวของเหล็กกล้า ฟิล์มอันนี้จะมีความเงางาม และป้องกันไม่ให้เกิดออกซิเดชัน กับเหล็กซึ่งอยู่ภายใน เป็นผลให้เหล็กกล้าไร้สนิมมีคุณสมบัติทนทานต่อการกัดกร่อนและมีความเงา
ประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิม
1. เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ริติค (เช่น เหล็กที่มีส่วนผสม 0.05 %C, 13 %Cr, 0.5 %Mn) โดยทั่วไปแล้วจะมีคุณสมบัตินิ่ม มีความแข็งแรง ทำให้แข็งโดยการอบชุบไม่ได้ แต่จะทำให้แข็งได้โดยการรีดเย็น ส่วนใหญ่จะใช้กับงานทางวิศวกรรมเคมี เครื่องใช้ในบ้านและภาชนะใส่อาหาร
2. เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติค (เช่น ส่วนผสม 0.3 %C, 13 %Cr, 0.5 % Mn) เหล็กกล้าประเภทนี้ชุบแข็งได้โดยการเผาให้ถึงอุณหภูมิ 950 - 1000°C แล้วทำให้เย็นโดยเร็วจนได้โครงสร้างมาร์เตนไซท์ (martensite) ข้อพึงระวังก็คือ อย่าปล่อยให้เย็นช้า ๆ จนเกิดโครเมียมคาร์ไบด์ขึ้น ซึ่งการเกิดโครเมียมคาร์ไบด์เท่ากับเป็นการดึงเอาโครเมียมที่ละลายอยู่ในเนื้อเหล็กออกมา ทำให้คุณสมบัติทางด้านต่อต้านการกัดกร่อนลดลงไป โดยทั่วไปแล้ว เราจะใช้เหล็กกล้านี้ทำมีดไร้สนิมและอุปกรณ์ตัด (sharp-edged tools)
3. เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติค (เช่น 0.5 %C, 0.8 %Mn, 18 %Cr, 8 %Ni หรือเหล็ก 18-8) มีความเงางามและความต้านทานต่อการกัดกร่อนดีกว่าของทั้งเฟอร์ริติคและมาร์เทนซิติค จุดอ่อนของเหล็กกล้าประเภทนี้ก็คือ weld decay หมายถึง การที่โครเมียมคาร์ไบด์ตกผลึกออกมาขณะที่ชิ้นงานเย็นตัวอย่างช้า ๆ ภายหลังจากที่ทำการเชื่อมชิ้นงานเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติคนั้น ทำให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดน้อยลง วิธีแก้ weld decay อาจทำได้โดย หลังการเชื่อมให้นำชิ้นงานไปเผาที่ 1050°C แล้วชุบน้ำมัน แต่วิธีนี้ใช้ได้กับชิ้นงานขนาดเล็กเท่านั้น หรืออาจจะป้องกันได้โดยเลือกใช้เหล็กกล้า 18/8 ที่ผสม 0.6 %Ti หรือ 1.0 %Nb
กำลังขยาย 250 เท่า
(ที่มา: ASM Handbook Vol.9: Metallography and Microstructures,
ASM International, Ohio, USA, 1985)
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น