ยินดีต้อนรับสู่สื่อการเรียนการสอนอิเล็กทรอนิคส์ ในรายวิชา โลหะวิทยา InE221     
 
     
 
เลื่อนลง
บทเรียนที่1
 
บทเรียนที่2
 
บทเรียนที่3
 
บทเรียนที่4
 
บทเรียนที่5
 
คำถามท้ายวิชา

บทเรียนที่5 เหล็กหล่อ
 

 เหล็กหล่อเทา

      เหล็กหล่อเทาสัญลักษณ์ย่อนั้นคือGGความหนาแน่นเป็น7,3 kg/dm3 จุดหลอมเหลว 1250°C มี 2,5...5% Cและ0,8
...3% 
Si น้ำเหล็กจะเหลวมากต้องปล่อยเย็นตัวช้าๆ ซิลิคอนจะทำให้คาร์บอนแยกตัว   ออกจากเนื้อเหล็กจับตัวกันเป็นเกร็ด
แกรไฟต์ (flakegraphite) ส่วนผสมส่วนใหญ่จึงแข็งตัวแบบระบบเสถียร (stablesystem) 
       คุณสมบัติทางกลจะสัมพันธ์ กับความหนาของชิ้นงานหล่อเป็นอย่างมาก  ชิ้นงานที่บางจะทำให้ชิ้นเหล็กเย็นและแข็งตัว
เร็วมากซึ่งจะทำให้ เกิดเกล็ดแกรไฟต์น้อย ส่วนมากจะเกิดแกรไฟต์ กระจายละเอียดในเม็ดเกร็นส่วนชิ้นงานหนาๆน้ำเหล็ก
จะเย็นตัวช้าตามธรรมชาติ
       เหล็กหล่อเทาจะหลอมได้ จากเตาคิวโปลา เตาเหนี่ยวนำด้วยกระแสไฟฟ้า   หรือเตาไฟฟ้าโดยใช้เหล็กดิบเทาบางส่วน
และรวมกับชิ้นงานหล่อ ที่แตกหักเศษเหล็กกล้าและแอดดิชั่น (addition) เช่น เฟอร์โรซิลิคอน (ferrosilicon) ในการขับไล่
กำมะถันจะใส่โซดา (Na2CO3หินปูน (CaO) หรือแคลเซียมคาร์ไบด์ (CaC2) ≈ 0,4...0,5% ต่อ 0,02%S น้ำเหล็กจะ
หล่อเป็นรูปร่างและตามปกติแล้วจะ ไม่ผ่านกรรมวิธีอื่นหลังจากหล่อขึ้นรูป
      เหล็กหล่อเทา ซึ่งสามารถที่จะแบ่งได้ตามเกรดความต้านแรงดึงตั้งแต่ 100 N/mm2...400 N/mm2  ค่าความเค้นจะ
สูงขึ้น    ถ้าแกรไฟต์กระจายละเอียดมากขึ้น  เหล็กหล่อเทา จะมีความเค้นต่ำ เมื่อ โครงสร้างเม็ดเกร็น เป็นภาวะวิวิธพันธุ์ 
(heterogenepus) การจะเกิดเกล็ดแกรไฟต์หยาบขึ้นได้ก็ต่อเมื่อโครงสร้างพื้นฐาน (matrix) เป็นเฟอร์ไรต์ในเหล็กหล่อ
เทาที่เย็นตัวช้าหรือผ่านกรรมวิธีทางความร้อนระหว่าง 800° C ถึง 950°C แล้วให้เย็นตัวลงช้าๆส่วนการจะเกิดเกล็ดแกร
ไฟต์ละเอียดขึ้นได้ ก็ต่อเมื่อโครงสร้างพื้นฐานเป็นเฟอร์ไรต์-เพิร์ลไลต หรือเพร์ลไลต์ (pearlite) และเย็นตัวเร็ว



    

รูป เหล็กหล่อเทา



รูป เหล็กหล่อเทา 


       ในการเจือหรือผสมธาตุในเหล็กหล่อเทาจะมีผลให้เกิดการเลื่อนตำแหน่งยูเทกติก     (โดยจะขึ้นอยู่กับว่าเป็นชนิดและ
ปริมาณของธาตุที่เจือเข้าไป)ให้คาร์บอนมีปริมาณเพิ่มสูงขึ้นหรือลดลงซึ่งปริมาณคาร์บอนยูเทกติกของเหล็กหล่อจะคำนวณ
ได้ จากสูตร




      จากสัดส่วนของปริมาณคาร์บอนที่มีอยู่จริง (Cรวม ) ของเหล็กหล่อต่อค่าปริมาณคาร์บอนยูเทกติกตามสูตร  คำนวณที่จะ
กล่าวถึง จะสามารถหาค่าดีกรีความอิ่มตัว (degree of saturation) Sc ได้ดังนี้คือ




                                


โดยปกติส่วนผสมไฮโปยูเทกติกจะมีค่าดีกรีความอิ่มตัว SC < 1
และส่วนผสมไฮโปยูเทกติกจะมีค่าดีกรีความอิ่มตัว SC > 1
จากค่าดีกรีความอิ่มตัวนี้สามารถนำไปคำนวณหาค่าความต้านแรงดึง Rm และความแข็งตามบริเนล HB ได้ดังสูตรต่อไปนี้
            
 
             

รูป อิทธิพลของธาตุเจือในเหล็กหล่อเทาต่อความต้านแรงดึงและความแข็งเมื่อใช้แท่งทดสอบเส้นผ่าศูนย์กลาง 30 mm

    

รูป อิทธิพลของธาตุเจือในเหล็กหล่อเทาต่อความต้านแรงดึงและความแข็งเมื่อใช้แท่งทดสอบเส้นผ่าศูนย์กลาง 30 mm




รูป                   อิทธิพลของธาตุเจือในเหล็กหล่อเทาต่อความต้านแรงดึงและความแข็งเมื่อใช้แท่งทดสอบเส้นผ่าศูนย์กลาง                   30 mm



          

รูป ขนาดการหล่อแท่งลิ้มทดสอบตามซิปป์-โรล์ (Sipp-Roll) สำหรับเหล็กหล่อ




รูป ขนาดการหล่อแท่งลิ้มทดสอบตามซิปป์-โรล์ (Sipp-Roll) สำหรับเหล็กหล่อ


         

รูป การประเมินแท่งลิ่มทดสอบตามซิปป์-โรล์ (Sipp-Roll)




รูป การประเมินแท่งลิ่มทดสอบตามซิปป์-โรล์ (Sipp-Roll)



                                       

รูป แท่งลิ่มทดสอบที่หักออกจากกัน


รูป แท่งลิ่มทดสอบที่หักออกจากกัน                   การแข็งตัวเป็นสีขาวอย่างสมบูรณ์ (ชิ้นทดสอบซ้ายมือ)และการแข็งตัวเป็นสีเทาที่มีปลายลิ่มเป็นสีขาวเล็กน้อย (ชิ้นทดสอบขวามือ)


       ผลการเย็นตัวต่อประเภทการแข็งตัวของเหล็กหล่อนั้นจะสามารถรู้ได้จากการหล่อแท่งลิ่มด้วยเหล็กหล่อเทา(GG)โดย
การสังเกตุผิวรอยหัก โซนที่มีการเย็นตัวช้า (โซน 1 ถึง 2 จะมีสีเทา)  จะมีเกล็ดแกร์ไฟต์   ในโครงสร้างพื้นฐาน  เฟอร์ไรต์ 
หยาบตลอดรอยหักบริเวณตำแหน่งนี้จะมีความต้านแรงดึง และความแข็งน้อยในทางตรงกันข้ามที่ตรงบริเวณปลายลิ่มความ
เร็วการเย็นตัวจะสูงกว่าคาร์บอนส่วนใหญ่จะแตกตัวเป็นซีเมนต์ไตต์ (ช่วงโซน 9 ถึง 10 ของลิ่ม)บริเวณผิวรอยหักจะมีสีขาว 
และ มีความแข็งมากที่สุด ส่วนช่วงโซน 6 ถึง 7  จะมี บริเวณผิวรอยหักที่มีเกล็ดแกรไฟต์อยู่ใน โครงสร้างพื้นฐานเพิร์ลไลต์
ซึ่งเป็นโครงสร้างเม็ดเกร็นที่ดีที่สุด (ดังรูป)



                  

รูป แท่งลิ่ม (ชิ้นทดสอบ)


รูป แท่งลิ่ม (ชิ้นทดสอบ)                   ได้จากการหล่อใช้การทดสอบหล่อโลหะเหลวโดยลูกค้าจะได้รับแท่งลิ่มที่หล่อขึ้นรูปสำหรับไปทดสอบคุณภาพเหล็กหล่อที่ได้รับ

     ในการผลิตเหล็กหล่อเทาที่มีเกล็ดแกรไฟต์ และเหล็กหล่ออบเหนียวจะต้องมีการเจือแมงกานีส  ในปริมาณที่พอเหมาะ 
เพื่อให้ทำปฏิกิริยากับกำมะถันกลายเป็นแมงกานีสซัลไฟด์ (การขจัดสารมลทินโดยทำเป็นรูปสารฝังใน)โดยให้สัดส่วนMn : S ≈ 1,7 การวัดปริมาณการเจือ Mn ในเหล็กจะใช้สูตร Mn (%) = 1,7 S (%) + 0,2 ถึง 0,3



                

รูป แมงกานีสซัลไฟด์(สารฝังใน)


รูป                   แมงกานีสซัลไฟด์(สารฝังใน)ในเหล็กหล่อเทาที่มี 0,03%S                   ข้างซ้ายรูปเกล็ดแกรไฟด์ถ่ายภาพด้วยอิเล็คตรอนไมโครสโคป (ภาพขยาย                   3000 : 1)



                                   

รูป ก้อนสารฝังในแมงกานีสซัลไฟด์ในเหล็กหล่อเทา (โครงสร้างพื้นฐานเพิร์ลไลต์)




รูป                   ก้อนสารฝังในแมงกานีสซัลไฟด์ในเหล็กหล่อเทา (โครงสร้างพื้นฐานเพิร์ลไลต์)เจือกำมะถันสูง(0,2%S)ถ่ายภาพด้วยอิเล็คตรอนไมโครสโคป(ภาพขยาย 3000 : 1)


      ปริมาณฟอสฟอรัสที่เจือในเหล็กหล่อเทาจะอยู่ระหว่าง 0,1 ถึง 1,8%  ในกรณีที่เจือมากกว่านี้ จะทำให้น้ำเหล็กใสมาก
ยิ่งขึ้นซึ่งจะเหมาะกับชิ้นส่วนที่มีความหนาน้อยที่ 950°C จะเกิดเทอร์เทียรียูเทกติก (tertiary eutectic) จาก  Fe Fe3C
และ Fe3P และของเหลวหรือที่เรียกว่า “สตีไดต์” (Steadite) เรียกตามชื่อ นักโลหะวิทยาชาวอังกฤษ ชื่อ     J.E. Steed
โครงสร้างสตีไดต์จะพบในเหล็กที่มีปริมาณฟอสฟอรัสสูงหรือในปริมาณน้อยก็จะมีให้เห็นในเหล็กหล่อผลึกสตีไดต์จะมีความ
แข็งมากฟอสฟอรัสจะทำให้เหล็กหล่อไม่ทนต่อแรงทุบแต่จะทำให้ทนต่อการสึกหรอ



                            

รูป โครงสร้างจุลภาคเหล็กที่จุดฟอสไฟด์-ยูเทกติก หรือสตีไดต์ (Steatite)



รูป                   โครงสร้างจุลภาคเหล็กที่จุดฟอสไฟด์-ยูเทกติก หรือสตีไดต์                   (Steatite) (ภาคขยาย 200 : 1)



                                       

รูป แผนภาพเทอร์เทียรี (tertiary)





รูป                   แผนภาพเทอร์เทียรี (tertiary) ของ                   Fe-Fe3C-Fe3P ที่ 3% C ตาม R.Vogel และ                   K.Rohrig



                                       

รูป โครงสร้างจุลภาคของเพิร์ลไลต์และฟอสไฟต์-ยูเทกติก ที่ปริมาณ C และ Si สูง


รูป                   โครงสร้างจุลภาคของเพิร์ลไลต์และฟอสไฟต์-ยูเทกติก ที่ปริมาณ C                   และ Si สูง กัดด้วยกรดดินประสิว 3% เจือจางแอลกอฮอล์ (ภาคขยาย                   600 : 1)



                                   

รูป โครงสร้างมหภาคสตีไดต์รูปตาข่ายขาวในเหล็กหล่อเทา มีฟอสฟอรัสปานกลาง





รูป                   โครงสร้างมหภาคสตีไดต์รูปตาข่ายขาวในเหล็กหล่อเทา                   มีฟอสฟอรัสปานกลาง (≈0,5%P) กัดด้วยกรดดินประสิว 10%                   เจือจางแอลกอฮอล์ (ภาคขยาย 15 : 1)



                 

รูป แผนภาพลาแพลน (Laplan)


รูป แผนภาพลาแพลน (Laplan)                   แสดงอิทธิพลของคาร์บอนและซิลิคอนต่อการเกิดโครงสร้างจุลภาคของเหล็กหล่อ                   จากชิ้นทดสอบขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 30                   mm


       ในการเจือ Ce (เซอเรียม) และกระบวนการหลอม ที่เหมาะสมสามารถจะทำให้เกิดเหล็กหล่อเทา   ที่มีแกรไฟต์ แบบ
เวอร์มิคิวลาร์ (vermicular) ได ้เช่นกัน เนื่องจากการเกิดแกรไฟต์ในโตรงสร้างเหล็กหล่อ      จึงทำให้ค่าโมดูลัสยืดหยุ่น E
(modulus of elasticity)
น้อยกว่าเหล็กกล้า โดยเหล็กหล่อ โครงสร้างพื้นฐานเฟอร์ไรต์จะมีค่า    E  ≈  90000 N/mm2
ส่วนเหล็กหล่อโครงสร้างพื้นฐานเฟอร์ไรต์ (มีคุณภาพสูง) จะมีค่า  E150000 N/mm2  เหล็กหล่อ  จะทนแรงอัดได้มาก
กว่าแรงดึงถึงประมาณเกือบ 4 เท่า  (ทั้งนี้เนื่องจากมี เกล็ดแกรไฟต์แทรกอยู่ทำให้มีสภาพคล้ายรอยบากอยู่ในเหล็กหล่อจึง
ทนแรงดึงได้น้อย)
 เหล็กหล่อเทามีคุณสมบัติดูดกลืนแรงได้ดี และแกรไฟต์เป็นสารหล่อลื่น ทำให้ผิวที่ได้จากการปาดผิวลื่น
เศษงานสั้นใช้ ทำรองเพลาและรับการหมุนไปได้โดยไม่ต้องหล่อลื่นชั่วขณะหนึ่งใช้ทำรางรองเลื่อนของเครื่องจักรกลบู๊ชรอง
ฝาสูบเครื่องยนต์จุดระเบิดสันดาปภายใน ชิ้นส่วนที่รับแรงอัดภายใน จะต้องตรวจสอบการรั่วด้วยความดันก่อน (เพราะอาจจะ
เกิดรั่วจากเกล็ดแกรไฟต์ หรือรูอากาศได้)

      เหล็กหล่อสามารถนำไปผ่านกรรมวิธีทางความร้อน   (เช่นชุบแข็งในกรณีที่มีโครงสร้างเพิร์ลไลต์มากพอและอบชุบได้)
และเจือธาตุที่จะให้คุณสมบัติการใช้งานตามต้องการได้โดยธาตุที่ทำให้ความเค้นสูงขึ้นจะได้แก่ Cr Ni MoและCuในเหล็ก
หล่อเจือต่ำ (ธาตุที่เจือจะให้คุณสมบัติเหมือนกับที่เจือในเหล็กกล้า ความแข็งของเม็ดเกร็นจะทำให้อายุคมมีดสั้นลง)
 

      หล่อขึ้นรูปได้ดี มีอุณหภูมิหล่อต่ำที่ 1200°C …1400°C มีการหดตัวต่ำเพียง 1% ชิ้นงานซับซ้อนก็ทำการหล่อลื่นได้ดี
การหล่อขึ้นรูปตามปกติจะหล่อในกระสวนทราย

       ทนการกัดกร่อน ผิวเหล็กหล่อที่ยังไม่ปาดผิวจะทนการกัดกร่อน ได้ดีผิวงาน ที่หล่อจากกระสวนที่ทำด้วยทรายซิลิคอน 
จะทำให้ผิวเหล็กหล่อมีซิลิคอนสูงที่ให้คุณสมบัติทนกรดและบรรยายได้ดี
      เหล็กหล่อที่ได้รับความร้อนจะทำให้ปริมาตรโตขึ้นซีเมนต์ไตต์ที่อยู่ในเพิร์ลไลต์จะสลายตัวเป็นเฟอร์ไรต์ 
และแกรไฟต์ที่อุณหภูมิ >400°C ดังสมการเคม : Fe3C - - > 3Fe + C ธาตุ Cr Al และ Mn จะทำให้ ซีเมนต์ไตต์ เสถียร
หมายถึง ทำให้ไม่เกิดการขยายตัวและทนความร้อนได้ดีถึง 1000°C ที่อุณหภูมิเกินกว่า 550°C เม็ดเกร็นจะหลวมคลายตัว
ทำให้ออกซิเจนซึมเข้าไป ตามแนวยาวของผิวที่มี เกล็ดแกรไฟต์อยู่ ทำให้เกิดผิวสะเก็ด     ส่วนเหล็กหล่อโครงสร้างพื้นฐาน
เพิร์ลไลต์จะไม่เกิดปฏิกิริยาการขยายตัวเหมือนกับเหล็กหล่อเทาที่มีแกรไฟต์หยาบ

      การเชื่อมประสาน  เหล็กหล่อที่มีคาร์บอนมากจะเชื่อมได้ลำบาก ธาตุ S และ P ที่เจือในเหล็กหล่อจะทำให้คุณสมบัติ
ด้อยลงมาก เหมือนกับที่เจือในเหล็กกล้า หรือ เหล็กกล้าหล่อ เหล็กหล่อเทาที่  ทนความร้อนได้สูงถึง  1000°C  จะเจือด้วย
โครเมียม (ทำให้เกิดคาร์ไบด์) และอะลูมิเนียม (ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน) ทำให้มีคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนต่อด่าง กรด
เจือจาง น้ำทะเล และสารละลายเกลือได้อีกด้วย

      เหล็กหล่อออสเตไนต์เจือสูง
เหล็กหล่อออสเตไนต์เจือสูงที่มีธาตุเจือหลักเป็นนิกเกิล(ถึง 36% Ni)และเจือแอดดิชั่น
สูงสุดถึง 7,5% ซึ่งได้แก่ Si Mn Cr และ Cu ส่วน C จะอยู่ระหว่าง 2,2 ถึง 3%  ทำให้ทนความร้อนได้สูง   ใช้ทำเป็นปั๊มลิ้น
ท่อระบายก๊าซเสีย ชิ้นส่วนเตาเผา ส่วนประเภทที่ทนการกัดกร่อน  จะใช้งานในอุปกรณ์ทำอาหารโรงงานพลาสติก    โรงงาน
ไหมเทียมในส่วนที่เป็นท่อและหม้อไอน้ำเหล็กหล่อออสเตไนต์ที่เจือ 35% Ni จะมีค่า ส.ป.ส. การขยายตัวตามความร้อนราว
1,5 10- 6K - 1 (ในช่วง 20° C ถึง 200° C)
  เหมาะใช้งานเป็นชิ้นส่วนเครื่องจักรกล    อุปกรณ์วิทยาศาสตร์หรือแม่พิมพ์
อัด (Compression mould) ที่ใช้ในการผลิตแก้วและพลาสติก

      เหล็กหล่อมีฮาไนต์ (Meehanite)
 เหล็กหล่อมีฮาไนต์เป็นเหล็กหล่อเทา หรือเหล็กหล่อเหนียวใน 24 ชนิดที่ ไม่เจือ
และเจือต่ำในกลุ่มเหล็กหล่อ4กลุ่มด้วยกรรมวิธีแบบอเมริกันจะมีโครงสร้างเป็นซอร์ไบต์ + เพิร์ลไลต์ (Sorbite + Pearlite)
ที่มีแกรไฟต์แผ่กระจายอยู่ เหล็กนี้มีความหนาแน่นสูง ไม่มีรูอากาศ เหนียว ทนต่อการสึกหรอ ทนต่อการกระแทก  ปาดผิวได้
บางชนิด  ชุบแข็งในน้ำมันหรือน้ำได้ มีความต้านแรงดึงถึง  430 N/mm2  ความเค้นดัดถึง 780 N/mm2   ความเค้นอัดถึง
1400 N/mm2
  เหล็กหล่อนี้ใช้ทำเรือนเครื่องยนต์ เสื้อสูบ แท่นเครื่อง เรือนเฟือง ร่องเลื่อนได





 


 



 

 

 




 

 

 

การเรียนการสอนโลหะวิทยาฟิสิกส์ผ่านทางอินเตอร์เน็ต

 

1.ความหมายของวัสดุศาสตร์  2. คุณสมบัติทางกายภาพของโลหะ      3. คุณสมบัติเชิงกลของโลหะ  

4. การค้นพบอิเล็กตรอน  5. พันธะเคมี    6. ระบบผลึก   7. การเติบโตของผลึก 

 8. เครื่องตรวจหาโลหะ  9. รังสีเอกซ์    10.  การเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ 

11. เฟสไดอะแกรม  12. การกัดกร่อน  13. แบบฝึกหัดโลหะวิทยา

14. เรียนโลหะกับมหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ  15. เรือไททานิค อัปปางเพราะความผิดพลาดทางโลหะวิทยาจริงหรือ

16. หนังสือโลหะวิทยาฟิสิกส์

กลับหน้าสารบัญโลหะวิทยาฟิสิกส์

กลับหน้าแรกโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

โลหะวิทยา