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

        เมื่อเปรียบเทียบคุณสมบัติระหว่างเหล็กหล่อกับเหล็กกล้าแล้วถึงแม้ว่าจะด้อยกว่าในด้านคุณสมบัติแข็งแรง และความเหนียวต่ำกว่าเหล็กกล้า แต่เนื่องด้วยมีจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าเหล็กกล้าจึงทำให้เหล็กหล่อมีกรรมวิธีการผลิตที่ประหยัดเชื้อเพลิงกว่า และมีราคาถูกกว่า จึงมีการใช้การอย่างแพร่หลาย และในเทคโนโลยีการผลิตปัจจุบันเราสามารถผลิตเหล็กหล่อใช้มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับเหล็กกล้า อีกทั้งยังสามารถหล่อขึ้นรูปในชิ้นงานที่มีรูปร่างที่ซับซ้อนได้ดีอีกด้วย  จึงทำให้เหล็กหล่อเป็นที่นิยมใช้กันอย่างมาก

การแบ่งประเภทของเหล็กหล่อ
เหล็กหล่อสามารถแบ่งตามลักษณะของโครงสร้างการรวมตัวของคาร์บอนเป็นหลักได้ 6 ประเภทคือ

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
คุณสมบัติเด่นของเหล็กหล่อสีขาวคือ
 1.มีความแข็งสูง นำมากลึง, กัด , เจาะ ,ไสได้จาก
 2.มีความเปราะสูง
 3.ทนแรงกระแทรกได้น้อย
 4.ทนการเสียดสีได้ดี การสึกหรอระหว่างการใช้งานน้อย
การใช้งาน  จะใช้กับงานที่ทนต่อการเสียดสี เช่นทำลูกบอลกลมในแบริ่งลูกปืน , ทำล้อรถไฟ , ทำลูกโม่ย่อยหิน และ ทำจานเจียระไนเพชรพลอย

2. เหล็กหล่อสีเทาหรือสีดำ (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  ฯลฯ

3. เหล็กหล่อกราไฟต์กลม (Spheroidal Graphite Cast Iron  or Nodular Cast 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
การใช้งาน ใช้ทำชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ เช่นเพล้าข้อเหวี่ยง เครื่องมือการเกษตร ชิ้นส่วนเรือเดินทะเล โครงสร้างเครื่องจักรขนาดใหญ่ , ท่อส่งน้ำ , ท่อส่งแก๊ส

4. เหล็กหล่อ CGI (Compacted graphite) 
    เหล็กหล่อCGIจะมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนประมาณ 4.2%และมีธาตุที่ผสมอยู่เช่นโลหะแมกนีเซียม(Magnisium) และ 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
แบ่งออกตามการใช้งานได้ 3 ประเภทคือ
 1. เหล็กหล่อผสมทนการเสียดสี (Alloy and Special Cast Iron)เหล็กหล่อผสมทนการเสียดสีเป็นเหล็กหล่อที่มีความแข็งสูงโดยผสมโลหะโครเมียมนิกเกิลและโมลิบดินัม ส่วนใหญ่จะมีลักษณะของรอยแตกเป็นสีขาว คล้ายกับเหล็กหล่อสีขาว
 2. เหล็กหล่อผสมทนต่อความร้อน (Heat Resistance Cast Iron) มีคุณสมบัติเด่น คือมีความแข็งแรงได้ที่อุณหภูมิสูง โดยไม่เกิดการแตกหักหรือเปลี่ยนแปลงรูปทรง,มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชั่น แม้จะอยู่ในสภาพที่สัมผัสกับแก๊สร้อน,มีความต้านทานต่อการเกิดอาการพองตัว (Growth) และมีโครงสร้างที่คงสภาพไม่เปลี่ยนแปลงในช่วงของอุณหภูมิที่ใช้งานซึ่งจะสูงกว่า 600 C
 3. เหล็กหล่อผสมทนต่อการกัดกร่อน (Corrosion Resistant Iron) เหล็กหล่อทนการกัดกร่อนเป็นเหล็กหล่อที่มีธาตุผสมในอัตราสูงแบ่งออกเป็น 2ประเภทคือ
  1.เหล็กหล่อผสมนิกเกิลสูง เป็นเหล็กหล่อที่ทนการกัดกร่อนสูง มักใช้ในงานวิศวกรรมที่เกี่ยวกับน้ำทะเล งานอุตสหกรรมเคมี
    - เปอร์เซ็นต์คาร์บอน 2 –3.5%
    - ธาตุที่ผสมอยู่ นิกเกิล 13.5-36% ,ทองแดง 5.5 –7.5% , โครเมียม 1.8- 6%
    - การใช้งาน  ผลิตปั๊ม , ท่อ ข้อต่อต่าง ๆ
  2.เหล็กหล่อผสมซิลิคอนสูงมีคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนโดยเฉพาะกรดชนิดต่าง ๆ ได้ดี ทุก ๆ ความเข้มข้นที่อุณหภูมิห้อง
    - เปอร์เซ็นต์คาร์บอน 2-4%
    - ธาตุที่ผสมอยู่ ซิลิกอน 14-15% ,โมลิบดินัม, โครเมียม
    - การใช้งาน ทำปั๊ม และท่อส่งสารละลายที่มีอำนาจในการกัดกร่อนสูง (High corrosive fluid)