ข้ามไปเนื้อหา

เหล็กหล่อ

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
(ซ้าย)ตะแกรงตกแต่งเหล็กหล่อทาสี และ(ขวา)กระทะปรุงอาหารเหล็กหล่อ

เหล็กหล่อ (iron-carbon alloy) จัดเป็นโลหะผสมประเภทหนึ่ง ประกอบด้วยเหล็กและคาร์บอน โดยมีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 2% และซิลิคอนประมาณ 1–3%[1] จุดเด่นของเหล็กหล่อคือมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าเหล็กกล้า เหล็กหล่อแต่ละประเภทมีคุณสมบัติแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับรูปแบบของคาร์บอนที่ปรากฏในเนื้อโลหะ: เหล็กหล่อขาว (white cast iron) มีคาร์บอนในเหล็กรวมตัวกันเป็นเหล็กคาร์ไบด์ (iron carbide) หรือที่เรียกว่า ซีเมนต์ไทต์ (cementite) ทำให้เหล็กหล่อขาวมีความแข็ง แต่เปราะและแตกหักง่าย เพราะรอยร้าวสามารถแพร่กระจายผ่านเนื้อโลหะได้อย่างรวดเร็ว; เหล็กหล่อเทา (gray cast iron) คาร์บอนในเหล็กหล่อเทาปรากฏในรูปของแกรไฟต์เป็นแผ่น แกรไฟต์เหล่านี้ช่วยเบี่ยงเบนรอยร้าวที่เกิดขึ้น ทำให้เกิดรอยร้าวใหม่มากมายขณะที่วัสดุแตกหัก ส่งผลให้เหล็กหล่อเทามีความเหนียวกว่าเหล็กหล่อขาว แต่มีความแข็งน้อยกว่า และ เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม (ductile cast iron) มีแกรไฟต์เป็น "ปุ่ม" (nodules) แทนที่จะเป็นแผ่น แกรไฟต์รูปทรงนี้ช่วยหยุดการแพร่กระจายของรอยร้าว ทำให้เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลมมีความเหนียวและทนทานต่อแรงกระแทกได้ดีกว่าเหล็กหล่อขาวและเหล็กหล่อเทา

เหล็กหล่อเป็นโลหะผสมที่ประกอบด้วยเหล็ก (Fe) เป็นองค์ประกอบหลัก โดยมีปริมาณคาร์บอน (C) อยู่ระหว่าง 1.8 ถึง 4 ตามน้ำหนัก (wt%) และซิลิคอน (Si) อยู่ระหว่าง 1 ถึง 3% โลหะผสมเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่าจัดเป็นเหล็กกล้า

เหล็กหล่อโดยทั่วไปมีแนวโน้มที่จะ เปราะ ยกเว้นเหล็กอ่อน ด้วยจุดหลอมเหลวที่ค่อนข้างต่ำ ความลื่นไหลที่ดี, เหมาะสำหรับการขึ้นรูป, กลึงได้ง่าย, ทนทานต่อการเสียรูปและการสึกหรอ คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เหล็กหล่อเป็นวัสดุทางวิศวกรรมที่มีการใช้งานกว้างขวาง เช่น ท่อ เครื่องจักร ชิ้นส่วนยานยนต์ เช่น ฝาสูบ เสื้อสูบ และกล่องเกียร์ เหล็กหล่อบางชนิดทนทานต่อการออกซิเดชัน (oxidation) แต่โดยทั่วไป ยากต่อการเชื่อม

วัตถุเหล็กหล่อที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่ค้นพบโดยนักโบราณคดี มีอายุย้อนกลับไปถึงศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช (พ.ศ. 1000 - 1093) ในพื้นที่ที่ปัจจุบันคือ มณฑลเจียงซู ประเทศจีน เหล็กหล่อถูกนำไปใช้ในสมัยจีนโบราณ เพื่อการสงคราม เกษตรกรรม และสถาปัตยกรรม[2] ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 15 (พ.ศ. 2043 - 2143) เหล็กหล่อเริ่มถูกนำไปใช้ผลิตปืนใหญ่ในดินแดนเบอร์กันดี ประเทศฝรั่งเศส และในอังกฤษช่วงยุคการปฏิรูปศาสนา เนื่องจากปริมาณการผลิตปืนใหญ่ที่มากขึ้น ส่งผลให้มีความต้องการเหล็กหล่อในปริมาณมากเช่นกัน[3] สะพานเหล็กหล่อแห่งแรกสร้างขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1770 โดยอับราฮัม ดาร์บี ที่ 3 และเป็นที่รู้จักในชื่อ สะพานเหล็ก ใน เมืองชรอปเชอร์ ประเทศอังกฤษ เหล็กหล่อยังถูกนำมาใช้ในการก่อสร้างอาคารอีกด้วย

การผลิต

[แก้]

เหล็กหล่อผลิตจากเหล็กดิบ (pig iron) ซึ่งได้จากการหลอมแร่เหล็กในเตาถลุงเหล็ก เหล็กหล่อสามารถผลิตได้โดยตรงจากเหล็กดิบหลอมเหลว หรือโดยการนำเหล็กดิบมาหลอมใหม่[4] โดยทั่วไปแล้ว จะผสมกับเหล็ก เหล็กกล้า หินปูน (limestone) และถ่านโค้ก (coke) ในปริมาณมาก กระบวนการผลิตเหล็กหล่อ ประกอบด้วยหลายขั้นตอน ดังนี้

  1. การหลอมเหล็กดิบ: เหล็กดิบจะถูกหลอมในเตาเผาจนหลอมเหลว
  2. การกำจัดสิ่งปนเปื้อน: สิ่งปนเปื้อนที่ไม่ต้องการ เช่น ฟอสฟอรัสและกำมะถัน จะถูกเผาไหม้กำจัดออกจากเหล็กหลอมเหลว
  3. การปรับแต่งองค์ประกอบ: ปริมาณคาร์บอนและซิลิคอนจะถูกปรับแต่งตามการใช้งานที่ต้องการ โดยทั่วไปแล้ว คาร์บอนจะอยู่ระหว่าง 2-3.5% และซิลิคอนจะอยู่ระหว่าง 1-3%
  4. การเติมองค์ประกอบเพิ่มเติม: อาจมีการเติมองค์ประกอบอื่น ๆ เพิ่มเติมในระหว่างการหลอมเหลว เช่น แมกนีเซียม นิกเกิล โครเมียม ฯลฯ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่ต้องการของเหล็กหล่อ
  5. การขึ้นรูป: เหล็กหล่อหลอมเหลวจะถูกเทลงในแม่พิมพ์เพื่อขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

เหล็กหล่อบางครั้งหลอมในเตาถลุงเหล็กชนิดพิเศษเรียกว่าเตาคูโปลา (cupola) แต่ปัจจุบันนิยมใช้เตาเหนี่ยวนำไฟฟ้า หรือเตาอาร์กไฟฟ้ามากกว่า[5] หลังจากหลอมเสร็จ เหล็กหล่อหลอมเหลวจะถูกเทลงในเตาพักหรือทัพพี

ประเภท

[แก้]

องค์ประกอบ

[แก้]
แผนภาพเมตาเสถียร ของเหล็ก-ซีเมนต์

คุณสมบัติของเหล็กหล่อสามารถปรับเปลี่ยนได้โดยการเติมธาตุผสมหรือสารเพิ่มประสิทธิภาพ ต่าง ๆ นอกเหนือจากคาร์บอนและซิลิคอน ซึ่งเป็นธาตุผสมหลักที่มีผลต่อคุณสมบัติของเหล็กหล่อ ปริมาณซิลิคอนต่ำจะทำให้คาร์บอนคงอยู่ในสารละลาย เกิดเป็นเหล็กคาร์ไบด์ (iron carbide) ส่งผลให้ได้เหล็กหล่อขาว (white cast iron) ปริมาณซิลิคอนสูงจะขับไล่คาร์บอนออกจากสารละลาย เกิดเป็นแกรไฟต์ (graphite) ส่งผลให้ได้เหล็กหล่อเทา (gray cast iron) ธาตุผสมอื่น ๆ เช่น แมงกานีส โครเมียม โมลิบดีนัม ไทเทเนียม และ วาเนเดียม จะส่งผลต่อซิลิคอน ส่งเสริมการคงอยู่ของคาร์บอนและการก่อตัวของเหล็กคาร์ไบด์ นิกเกิลและทองแดงช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความสามารถในการกลึง แต่ไม่ส่งผลต่อปริมาณแกรไฟต์ที่เกิดขึ้น คาร์บอนในรูปของแกรไฟต์ทำให้เหล็กมีความนุ่ม ลดการหดตัว ลดความแข็งแรง และลดความหนาแน่น กำมะถัน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสิ่งปนเปื้อน จะทำปฏิกิริยากับเหล็กกลายเป็นเหล็กซัลไฟด์ (iron sulfide) ซึ่งยับยั้งการก่อตัวของแกรไฟต์ ส่งผลให้มีความแข็งเพิ่มขึ้น กำมะถันทำให้เหล็กหลอมเหลวหนืด ส่งผลต่อการเกิดตำหนิ เพื่อลดผลกระทบของกำมะถัน จะมีการเติมแมงกานีส เนื่องจากทั้งสองธาตุจะรวมตัวกันเป็นแมงกานีสซัลไฟด์ (manganese sulfide) แทนที่จะเป็นเหล็กซัลไฟด์ แมงกานีสซัลไฟด์มีน้ำหนักเบากว่าเนื้อหลอม จึงมักลอยขึ้นมาบนผิวและกลายเป็นตะกรัน (slag) ปริมาณแมงกานีสที่จำเป็นในการยับยั้งกำมะถันคำนวณได้จากสูตร 1.7 × ปริมาณกำมะถัน + 0.3% หากเติมแมงกานีสเกินกว่าปริมาณที่คำนวณได้ จะเกิดแมงกานีสคาร์ไบด์ (manganese carbide) ส่งผลต่อการเพิ่มความแข็งและการแข็งตัว ยกเว้นในกรณีของเหล็กหล่อเทาที่แมงกานีสไม่เกิน 1% จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความหนาแน่น

นิกเกิลเป็นหนึ่งในธาตุผสมที่นิยมใช้มากที่สุด เนื่องจากช่วยปรับโครงสร้างเพอร์ไลต์ (pearlite) และแกรไฟต์ให้ละเอียดขึ้น เพิ่มความเหนียว และลดความต่างของความแข็งระหว่างชิ้นงานที่มีความหนาต่างกัน โครเมียมเติมในปริมาณน้อยเพื่อลดปริมาณแกรไฟต์อิสระ เพิ่มความแข็งผิว (chill) เนื่องจากเป็นตัวช่วยสำคัญในการคงตัวของคาร์ไบด์ นิยมเติมนิกเกิลร่วมกับโครเมียมด้วย สามารถเติมดีบุก จำนวนเล็กน้อยแทนโครเมียม 0.5% ทองแดง จะถูกเติมลงในทัพพีหรือในเตาเผาประมาณ 0.5–2.5% เพื่อลดความแข็งตัวของพื้นผิว ปรับโครงสร้างแกรไฟต์ให้ละเอียดขึ้น และเพิ่มความไหลลื่น โมลิบดีนัม เติมในปริมาณ 0.3–1% เพื่อเพิ่มความแข็งผิว ปรับโครงสร้างแกรไฟต์และเพอร์ไลต์ให้ละเอียดขึ้น นิยมเติมร่วมกับนิกเกิล ทองแดง และโครเมียมเพื่อผลิตเหล็กหล่อที่มีความแข็งแรงสูง ไทเทเนียม เติมเพื่อกำจัดก๊าซและออกซิเจน แต่ยังช่วยเพิ่มความไหลลื่น วานาเดียม ที่ 0.15–0.5% เติมเพื่อเพิ่มความคงตัวของซีเมนต์ไทต์ (cementite) เพิ่มความแข็ง และเพิ่มความต้านทานการสึกหรอและความร้อน เซอร์โคเนียม ที่ 0.1–0.3% ช่วยในการสร้างแกรไฟต์ กำจัดออกซิเจน และเพิ่มความไหลลื่น

สำหรับเหล็กหล่อเหนียว (Malleable iron melts) สามารถเติมบิสมัท (Bismuth) 0.002–0.01% ในเนื้อหลอมเพื่อเพิ่มปริมาณซิลิคอนที่สามารถผสมได้ ในเหล็กหล่อขาว เติมโบรอน (Boron) เพื่อช่วยการผลิตเหล็กหล่อเหนียว และลดผลกระทบของบิสมัทที่ทำให้เนื้อเหล็กหล่อมีเกรนขนาดใหญ่ขึ้น

เหล็กหล่อสีเทา

[แก้]
ขาตั้งเตาไฟคู่หนึ่ง และ แผ่นเหล็กหลังเตา ของอังกฤษ, พ.ศ. 2119. เป็นการใช้งานเหล็กหล่อในยุคแรก ๆ ที่พบเห็นได้ทั่วไป เนื่องจากไม่ต้องการความแข็งแรงของโลหะมากนัก

เหล็กหล่อเทาโดดเด่นด้วยโครงสร้างจุลภาคแบบแกรไฟต์ ทำให้รอยแตกของเนื้อวัสดุมีลักษณะสีเทา เหล็กหล่อเทาเป็นชนิดเหล็กหล่อที่ใช้กันมากที่สุด และเป็นวัสดุหล่อที่ใช้กันแพร่หลายที่สุดเมื่อเทียบกับน้ำหนัก เหล็กหล่อส่วนใหญ่มีองค์ประกอบทางเคมี ประกอบด้วย คาร์บอน 2.5–4.0% ซิลิคอน 1–3% และเหล็กที่เหลือ แม้ว่าเหล็กหล่อสีเทามีความต้านทาน แรงดึง และ แรงกระแทก น้อยกว่าเหล็กกล้า แต่แรงอัดของเหล็กหล่อเทานั้นเทียบเท่ากับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำถึงปานกลาง คุณสมบัติทางกลเหล่านี้ควบคุมโดยขนาดและรูปร่างของเกล็ดแกรไฟต์ในโครงสร้างจุลภาค และสามารถจำแนกประเภทตามมาตรฐาน ASTM[6]

เหล็กหล่อขาว

[แก้]

เหล็กหล่อขาวมีผิวแตกสีขาว เนื่องมาจากการมีตะกอนคาร์ไบด์เหล็กที่เรียกว่าซีเมนต์ไทต์ (cementite) อยู่ ด้วยเนื้อหาซิลิคอนที่ต่ำ (ตัวแทนการทำให้เกิดแกรไฟต์) และอัตราการเย็นตัวที่เร็ว คาร์บอนในเหล็กหล่อขาวจึงตกตะกอนออกมาจากส่วนผสมหลอมละลายในรูปของเฟสซีเมนต์ไทต์ (Fe3C) ซึ่งไม่เสถียร แทนที่จะเป็นแกรไฟต์ ซีเมนต์ไทต์ที่ตกตะกอนจากส่วนผสมหลอมละลายจะก่อตัวเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ เมื่อคาร์ไบด์เหล็กตกตะกอนออก คาร์บอนจะถูกดึงออกจากส่วนผสมหลอมละลายเดิม ทำให้ส่วนผสมนั้นใกล้เคียงกับจุดหลอมละลายแบบยูเทคติก (eutectic) มากขึ้น เฟสที่เหลืออยู่คือออสเทไนต์ (austenite) เหล็กคาร์บอนต่ำ (ซึ่งเมื่อเย็นตัวลงอาจเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ (martensite)) ซีเมนต์ไทต์แบบยูเทคติก เหล่านี้มีขนาดใหญ่เกินกว่าจะเสริมสร้างความแข็งแรงด้วยวิธีการที่เรียกว่าการชุบแข็งแบบตะกอน (precipitation hardening) (ซึ่งพบได้ในเหล็กกล้าบางชนิด ที่ซีเมนต์ไทต์ขนาดเล็กกว่ามากจะไปยับยั้ง การเปลี่ยนรูปพลาสติก โดยการขัดขวางการเคลื่อนที่ของเส้นเลื่อน (dislocations) ผ่านโครงสร้างผลึกเฟอร์ไรต์เหล็กบริสุทธิ์) แต่ทว่า ซีเมนต์ไทต์แบบยูเทคติกกลับเพิ่มความแข็งแกร่งโดยรวมของเหล็กหล่อเพียงแค่ด้วยความแข็งแกร่งของตัวมันเองที่สูงมากและปริมาณเนื้อที่มันครอบครอง ส่งผลให้ความแข็งแกร่งโดยรวมสามารถประมาณได้ด้วยกฎของส่วนผสม (rule of mixtures) ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด ซีเมนต์ไทต์เหล่านี้ก็เพิ่มความแข็งแกร่งแลกกับความเหนียว เนื่องจากคาร์ไบด์มีปริมาณมากในเนื้อวัสดุ เหล็กหล่อขาวจึงจัดเป็นเซอร์เมท (cermet) ได้อย่างสมเหตุสมผล แม้ว่า เหล็กหล่อขาว จะเปราะเกินกว่าที่จะใช้เป็นส่วนประกอบโครงสร้างในหลายกรณี แต่ด้วยความแข็งและความต้านทานการสึกหรอที่ดี รวมถึงมีราคาค่อนข้างถูก จึงนิยมนำไปใช้ประโยชน์ในงานที่ต้องการผิวสัมผัสที่มีความทนทานสูง เช่น ใบพัด และ ปั๊มก้นหอย ของ ปั๊มสำหรับสูบสารละลาย แผ่นบุผิว และ ลิฟเตอร์บาร์ ภายใน เครื่องบดแบบลูกกลิ้ง และ โรงบดอัตโนมัติ (autogenous grinding mills) ลูกบด และ แหวน ภายใน เครื่องบดถ่านหิน

ภาพตัดขวางของม้วนเหล็กหล่อแช่เย็น

การหล่อชิ้นงานขนาดหนาให้เย็นตัวเร็วเพียงพอเพื่อให้เนื้อหล่อแข็งตัวเป็นเหล็กหล่อขาวตลอดทั้งชิ้นนั้น เป็นเรื่องที่ทำได้ยาก อย่างไรก็ตาม การทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วสามารถใช้เพื่อสร้าง เปลือก ของเหล็กหล่อขาวไว้ด้านนอก จากนั้นส่วนที่เหลือจะเย็นตัวลงช้ากว่า กลายเป็นเนื้อในของเหล็กหล่อเทา ชิ้นงานหล่อที่ได้นี้เรียกว่า เหล็กหล่อผิวแข็ง (chilled casting) ซึ่งมีข้อดีตรงที่ผิวด้านนอกมีความแข็ง ในขณะที่เนื้อด้านในมีความเหนียวกว่าเล็กน้อย

โลหะผสมเหล็กหล่อขาวโครมียมสูง ช่วยให้สามารถหล่อชิ้นงานขนาดใหญ่ (ตัวอย่างเช่น ใบพัดน้ำหนัก 10 ตัน) ด้วยการหล่อแบบแม่พิมพ์ทราย เนื่องจาก โครเมียม ช่วยลดอัตราการเย็นตัวที่จำเป็นสำหรับการสร้างคาร์ไบด์ แม้ในเนื้อวัสดุที่มีความหนา นอกจากนี้ โครเมียม ยังช่วยสร้างคาร์ไบด์ที่มีความต้านทานการสึกหรอได้อย่างยอดเยี่ยม[7] โลหะผสมเหล็กหล่อขาวโครมียมสูงเหล่านี้ มีความแข็งแกร่งที่เหนือกว่า เนื่องมาจากการมี คาร์ไบด์โครเมียม โดยรูปแบบหลักของคาร์ไบด์เหล่านี้คือ คาร์ไบด์ M 7C3 ในขั้นแรก ซึ่ง "M" แทนธาตุเหล็กหรือโครเมียม ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของโลหะผสมนั้น ๆ คาร์ไบด์เหล่านี้ จะรวมตัวกันเป็นแท่งกลวงรูปหกเหลี่ยม และเจริญเติบตั้งฉากกับระนาบคานฐานรูปหกเหลี่ยม ความแข็งของคาร์ไบด์เหล่านี้อยู่ในช่วง 1500-1800HV[8]

เหล็กหล่อเหนียว

[แก้]

เหล็กหล่อเหนียว (Malleable cast iron) เริ่มต้นจากการเป็นชิ้นงานหล่อเหล็กหล่อขาว จากนั้นจึงนำไปอบชุบ (heat treated) เป็นเวลาประมาณหนึ่งหรือสองวัน ที่อุณหภูมิประมาณ 950 °C (1,740 °F) แล้วจึงปล่อยให้เย็นตัวลงอีกประมาณหนึ่งหรือสองวัน ส่งผลให้คาร์บอนในเหล็กคาร์ไบด์เปลี่ยนรูปเป็นแกรไฟต์และเฟอร์ไรต์ ผสมกับคาร์บอน กระบวนการช้า ๆ นี้ ช่วยให้แรงตึงผิวของเหล็กหล่อสามารถดึงดูดให้แกรไฟต์รวมตัวกันเป็น ทรงคล้ายทรงกลม (Spheroids) แทนที่จะเป็นแผ่นแบน เนื่องจาก อัตราส่วนที่ต่ำกว่า ทรงกลมเหล่านี้จึงมีขนาดค่อนข้างสั้นและอยู่ห่างไกลกัน อีกทั้งยังมี หน้าตัด (cross section) ที่น้อยกว่า เมื่อเทียบกับรอยร้าวหรือ คลื่นเสียงความถี่ต่ำในโครงสร้างผลึก (phonon) ที่ขยายตัว ทรงกลมเหล่านี้ยังมีขอบมุมที่ทู่ ต่างจากแผ่นแบน ซึ่งช่วยลดปัญหาการกระจุกตัวของ ความเค้น (stress) ที่พบได้ในเหล็กหล่อเทา โดยทั่วไป คุณสมบัติของเหล็กหล่อเหนียว มีความคล้ายคลึงกับเหล็กเหนียว (mild steel) มีข้อจำกัดเกี่ยวกับขนาดสูงสุดของชิ้นงานที่สามารถหล่อด้วยเหล็กหล่อเหนียวได้ เนื่องจากผลิตมาจากเหล็กหล่อขาว

เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม

[แก้]

เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม (Ductile cast iron) หรือที่เรียกว่า เหล็กหล่อแบบมีปม (nodular cast iron) ถูกคิดค้นขึ้นในปี 1948 โดยมีแกรไฟต์อยู่ในรูปของปมกลมขนาดเล็กมาก ๆ ลักษณะเป็นชั้น ๆ โดยชั้นของแกรไฟต์เหล่านี้จะรวมตัวกันเป็นปมกลม ส่งผลให้คุณสมบัติของเหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม นั้นคล้ายกับเหล็กกล้าที่มีลักษณะเป็นรูพรุน โดยไม่มีผลกระทบจากการกระจุกตัวของความเค้น ซึ่งมักเกิดขึ้นกับเหล็กหล่อที่มีแกรไฟต์เป็นแผ่น เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม (Ductile cast iron) ประกอบด้วยคาร์บอน 3-4% และซิลิคอน 1.8-2.8% นอกจากนี้ ยังมี แมกนีเซียมประมาณ 0.02-0.1% และ ซีเรียม เพียง 0.02-0.04% โดยองค์นประกอบเหล่านี้ จะไปยับยั้งการเติบโตของตะกอนแกรไฟต์ ด้วยการไปจับกับขอบของชั้นผลึกแกรไฟต์ (graphite planes) ควบคู่ไปกับการควบคุมองค์ประกอบอื่น ๆ อย่างระมัดระวัง รวมถึงควบคุมเวลา ทำให้คาร์บอนแยกตัวออกมาเป็นอนุภาคทรงกลม ขณะที่วัสดุแข็งตัว ส่งผลให้เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับเหล็กหล่อเหนียว (malleable iron) แต่สามารถหล่อชิ้นงานที่มีขนาดใหญ่กว่าได้

ตารางเปรียบเทียบคุณภาพเหล็กหล่อ

[แก้]
คุณสมบัติเปรียบเทียบของเหล็กหล่อ
ชื่อ องค์ประกอบสำคัญ [% ต่อน้ำหนัก] รูปร่างและสภาพ ความแข็งแรง [ksi (ออฟเซ็ท 0.2%)] ความต้านทานแรงดึง [ksi] การยืดตัว ความแข็ง [การวัดความแข็งบริเนลล์] การใช้งาน
เหล็กหล่อสีเทา (ASTM A48) C 3.4, Si 1.8, Mn 0.5 หล่อ 50 0.5% 260 เสื้อสูบเครื่องยนต์, ล้อตุนกำลัง, กล่องเกียร์, ฐานรองเครื่องจักร
เหล็กหล่อสีขาว C 3.4, Si 0.7, Mn 0.6 หล่อ 25 0% 450 หน้าตลับลูกปืน
เหล็กหล่อเหนียว (ASTM A47) C 2.5, Si 1.0, Mn 0.55 หล่อ (อบอ่อน) 33 52 12% 130 ลูกปืนเพลา, รางลูกล้อลำเลียง, เพลาข้อเหวี่ยงยานยนต์
เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม C 3.4, P 0.1, Mn 0.4, Ni 1.0, Mg 0.06 หล่อ 53 70 18% 170 เกียร์, เพลาลูกเบี้ยว, เพลาข้อเหวี่ยง
เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม (ASTM A339) หล่อ (อบปรับโครงสร้าง) 108 135 5% 310
Ni-hard ประเภท 2 C 2.7, Si 0.6, Mn 0.5, Ni 4.5, Cr 2.0 หล่อทราย 55 550 การใช้งานที่มีต้องการความแข็งสูง
Ni-resist ประเภท 2 C 3.0, Si 2.0, Mn 1.0, Ni 20.0, Cr 2.5 หล่อ 27 2% 140 ทนความร้อนและการกัดกร่อน

ประวัติศาสตร์

[แก้]
แบบจำลองมิติทัศน์พัดลมเบ้าหลอมสมัยราชวงศ์ฮั่น
สิงโตเหล็กแห่งฉางโจว ชิ้นงานศิลปะเหล็กหล่อขนาดใหญ่ที่สุดที่ยังคงอยู่จากประเทศจีน สร้างขึ้นเมื่อปี 953 ราชวงศ์โจวยุคหลัง
ท่อเหล็กหล่อแบบไม่มีปลอก สำหรับระบายน้ำ ของเสีย และอากาศ
"ฮาร์ป" เหล็กหล่อของแกรนด์เปียโน

เครื่องมือเหล็กหล่อชิ้นแรกสุด มีอายุย้อนกลับไปถึงศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช ซึ่งนักโบราณคดีค้นพบในพื้นที่ที่ปัจจุบันคือ อำเภอลั่วเหอ มณฑลเจียงซู (Jiangsu ) ประเทศจีน ในช่วงยุครณรัฐ (Warring States period) โดยอาศัยการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานเป็นหลักฐานอ้างอิง[2]

แม้ว่าเหล็กหล่อจะมีความแข็งแรง แต่ก็ค่อนข้างเปราะ จึงไม่เหมาะกับการใช้งานที่ต้องการคมตัดหรือความยืดหยุ่น เหล็กหล่อมีความแข็งแรงในการรับแรงอัด แต่ไม่แข็งแรงภายใต้แรงดึง เหล็กหล่อถูกคิดค้นขึ้นในประเทศจีน เมื่อศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช (BC) โดยนำไปเทลงในแม่พิมพ์ เพื่อผลิตแบบหล่อ หม้อ รวมไปถึง อาวุธ และ เจดีย์[9]

แม้ว่าเหล็กกล้า (steel) จะเป็นที่ต้องการมากกว่า แต่เหล็กหล่อ (cast iron) กลับมีราคาถูกกว่า จึงนิยมนำมาใช้ผลิตเครื่องมือต่าง ๆ ในจีนโบราณ ในขณะที่เหล็กอ่อน (wrought iron) หรือเหล็กกล้า มักถูกนำไปใช้ทำอาวุธ[2] ชาวจีนได้พัฒนาวิธีการอบชุบ (annealing) เหล็กหล่อ โดยการเก็บชิ้นงานหล่อร้อนไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเดชั่นเป็นเวลานาน ประมาณหนึ่งสัปดาห์หรือมากกว่านั้น เพื่อเผาไหม้คาร์บอนบางส่วนบริเวณผิว ป้องกันไม่ให้ชั้นผิวมีความเปราะมากเกินไป[10] : 43 

ลึกเข้าไปในภูมิภาคคองโกของป่ากลางแอฟริกา เหล่าช่างตีเหล็กได้ประดิษฐ์เตาเผาอันซับซ้อน ซึ่งสามารถสร้างอุณหภูมิสูงเกินกว่า 1,000 องศาเซลเซียส เมื่อกว่า 1,000 ปีที่แล้ว มีตัวอย่างมากมายของเทคนิคการเชื่อม การบัดกรี (soldering) และ การหล่อเหล็ก ที่สร้างขึ้นจากเบ้าหลอม และเทลงใน แม่พิมพ์ เทคนิคเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในการสร้างเครื่องมือและอาวุธแบบผสม โดยมีใบมีดเป็น เหล็กหล่อ หรือ เหล็กกล้า ส่วนแกนด้านในเป็น เหล็กอ่อน ซึ่งมีความนุ่มและยืดหยุ่น เหล็กเส้น (iron wire) ถูกผลิตขึ้น มีการกล่าวอ้างมากมายจากมิชชันนารียุโรปยุคแรก ๆ เกี่ยวกับชาวลูบาที่เทเหล็กหล่อลงในแม่พิมพ์เพื่อทำจอบ การคิดค้นทางเทคโนโลยีเหล่านี้ประสบความสำเร็จโดยไม่ต้องประดิษฐ์เตาเผาแบบยุโรป ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการนำนวัตกรรมดังกล่าวไปใช้ในยุโรปและเอเชีย[11]

เทคโนโลยีการผลิตเหล็กหล่อมีการถ่ายทอดมาทางตะวันตกจากจีน[12] อัล-กัซวีนี (Al-Qazvini) ในศตวรรษที่ 13 และนักเดินทางคนอื่น ๆ ต่อมาได้บันทึกเกี่ยวกับอุตสาหกรรมเหล็กในเทือกเขาแอลโบร์ซ ทางใต้ของทะเลแคสเปียน ซึ่งอยู่ใกล้กับเส้นทางสายไหม ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่เทคโนโลยีนี้มีต้นกำเนิดมาจากจีน[12] เมื่อมีการนำเข้ามาสู่อีกฟากหนึ่งของโลกตะวันตกในศตวรรษที่ 15 ก็ถูกนำไปใช้ในการผลิตปืนใหญ่และลูกกระสุน พระเจ้าเฮนรีที่ 8 (ครองราชย์ระหว่าง ค.ศ. 1509-1547) ทรงริเริ่มการหล่อปืนใหญ่ในอังกฤษ ไม่นานนัก ช่างเหล็กชาวอังกฤษที่ใช้เตาเผาแบบยุโรปก็ได้พัฒนาวิธีการผลิตปืนใหญ่จากเหล็กหล่อ ซึ่งแม้จะมีน้ำหนักมากกว่าปืนใหญ่สำริดที่นิยมใช้ในขณะนั้น แต่ก็มีราคาถูกกว่ามาก ทำให้อังกฤษสามารถติดอาวุธให้กับกองทัพเรือได้ดียิ่งขึ้น

ในช่วงเวลานั้น เตาเผาแบบยุโรปหลายแห่งในอังกฤษผลิตหม้อเหล็กหล่อขึ้น ในปี 1707 อับราฮัม ดาร์บี้ ได้รับสิทธิบัตรวิธีการผลิตหม้อ (และกาต้มน้ำ) แบบใหม่ให้บางเบาลง ส่งผลให้ราคาถูกลงกว่าวิธีการแบบเดิม ด้วยเหตุนี้ เตาเผาของเขาที่ โคลบรูคเดล จึงกลายเป็นผู้ผลิตหม้อรายใหญ่ และในช่วงปี 1720 ถึง 1730 เตาเผาแบบยุโรปที่ใช้ถ่านโค้กอีกจำนวนน้อยได้เข้ามาร่วมผลิตหม้อด้วย

การนำเครื่องจักรไอน้ำมาใช้ในการเป่าลมเตาเผา (โดยอ้อมผ่านการสูบน้ำไปยังกังหันน้ำ) ในบริเตน เริ่มตั้งแต่ปี 1743 และเพิ่มมากขึ้นในช่วงทศวรรษ 1750 เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้การผลิตเหล็กหล่อเพิ่มขึ้น ซึ่งเพิ่มขึ้นอย่างมากในอีกหลายทศวรรษต่อมา นอกเหนือจากการเอาชนะข้อจำกัดของพลังน้ำแล้ว ลมเป่าที่ได้จากการสูบน้ำด้วยไอน้ำยังทำให้ได้ความร้อนของเตาเผาที่สูงขึ้น ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ปูนขาวในอัตราส่วนที่สูงขึ้น ทำให้สามารถเปลี่ยนจากถ่าน (ซึ่งไม้สำหรับผลิตถ่านนั้นไม่เพียงพอ) มาเป็นถ่านโค้กได้[13]: 122 

ผู้ประกอบการผลิตเหล็กในพื้นที่วีลด์ (Weald) ยังคงผลิตเหล็กหล่อต่อไปจนถึงช่วงทศวรรษ 1760 และอาวุธยุทธภัณฑ์เป็นหนึ่งในการใช้งานเหล็กหล่อที่สำคัญหลังการฟื้นฟูราชวงศ์

สะพานเหล็กหล่อ

[แก้]

การใช้เหล็กหล่อเพื่อวัตถุประสงค์ด้านโครงสร้าง เริ่มต้นขึ้นในปลายทศวรรษ 1770 เมื่อ อับราฮัม ดาร์บีที่ 3 สร้าง "สะพานเหล็ก" ถึงแม้จะมีการใช้คานเหล็กขนาดสั้นมาก่อนหน้านี้แล้ว เช่น ในเตาเผาแบบยุโรปที่โคลบรูคเดล สิ่งประดิษฐ์อื่น ๆ ก็ตามมา รวมถึงสิ่งประดิษฐ์ที่ได้รับสิทธิบัตรโดยทอมัส เพน สะพานเหล็กหล่อกลายเป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปในช่วงที่การปฏิวัติอุตสาหกรรมทวีความรุนแรง โทมัส เทลฟอร์ด นำวัสดุนี้ไปใช้กับสะพานของเขาที่ด้านเหนือน้ำที่บิลด์วอส (Buildwas) และจากนั้นก็ใช้กับสะพานส่งน้ำลองดอนออนเทิร์น (Longdon-on-Tern Aqueduct) ซึ่งเป็นท่อลำเลียงน้ำบนคลองที่ลองดอนออนเทิร์น บนคลองชรูส์บรี ตามมาด้วยท่อระบายน้ำเชิร์ค (Chirk Aqueduct) และสะพานส่งน้ำพนต์เคอซัดเต (Pontcysyllte Aqueduct) ซึ่งทั้งสองแห่งยังคงใช้งานอยู่หลังจากการบูรณะครั้งล่าสุด

วิธีที่ดีที่สุดในการใช้เหล็กหล่อสำหรับการสร้างสะพานคือการใช้[[โครงสร้างแบบโค้ง เพื่อให้วัสดุทั้งหมดอยู่ภายแรงกด เหล็กหล่อ เช่นเดียวกับหินก่อ มีความแข็งแรงมากภายแรงกด ในทางกลับกัน เหล็กเหนียวมีความแข็งแรงภายแรงดึงและเหนียว ทนต่อการแตกหัก ความสัมพันธ์ระหว่างเหล็กเหนียวและเหล็กหล่อ สำหรับวัตถุประสงค์ด้านโครงสร้าง อาจพิจารณาเปรียบเทียบได้กับความสัมพันธ์ระหว่างไม้กับหิน หินมีความแข็งแรงภายแรงกด แต่เปราะง่ายภายแรงดึง เช่นเดียวกับเหล็กหล่อ ในขณะที่ไม้มีความแข็งแรงภายแรงดึง แต่ไม่แข็งแรงภายแรงกด คล้ายกับเหล็กเหนียว

สะพานรางรถไฟที่ทำจากเหล็กหล่อเคยถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในยุคแรกของการรถไฟ เช่น สะพานวอเตอร์สตรีท ที่สถานีปลายทางแมนเชสเตอร์ของทางรถไฟลิเวอร์พูลและแมนเชสเตอร์ สร้างขึ้นในปี 1830 แต่ปัญหาในการใช้สะพานประเภทนี้ปรากฏชัดเจนขึ้น เมื่อสะพานใหม่ที่ใช้สำหรับทางรถไฟเชสเตอร์และโฮลีเฮด ข้ามแม่น้ำดี ในเมืองเชสเตอร์ พังถล่ม ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต 5 คน ในเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 1847 ซึ่งห่างจากวันเปิดใช้งานไม่ถึงปี ภัยพิบัติสะพานดีเกิดจากน้ำหนักที่มากเกินไปบริเวณกึ่งกลางของคานสะพาน โดยเกิดจากรถไฟที่วิ่งผ่าน ส่งผลให้สะพานเหล็กหล่อหลายแห่งที่มีลักษณะคล้ายกันต้องถูกรื้อถอนและสร้างใหม่ บ่อยครั้งมักจะเปลี่ยนเป็นใช้เหล็กอ่อน สาเหตุหลักเกิดจากการออกแบบสะพานที่ผิดพลาด โครงสร้างใช้สายรัดเหล็กอ่อนยึดตรึง ซึ่งเข้าใจผิดว่าจะช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับตัวสะพาน แรงกดที่บริเวณกึ่งกลางของคานสะพานส่งผลให้เกิดแรงดึงที่ขอบด้านล่างของคาน ซึ่งเป็นจุดที่เหล็กหล่อ (เช่นเดียวกับวัสดุก่อ) มีความอ่อนแอมาก

แม้กระนั้น เหล็กหล่อยังคงถูกนำไปใช้ในงานโครงสร้างที่ไม่เหมาะสม จนกระทั่งภัยพิบัติสะพานรางรถไฟเทย์ ในปี 1879 ทำให้เกิดข้อสงสัยอย่างมากเกี่ยวกับการใช้เหล็กหล่อเป็นวัสดุ ชิ้นส่วนสำคัญที่ยึดทับเหล็กยึดและค้ำยันในสะพานเทย์ ถูกหล่อติดตายกับเสาหลัก ส่งผลให้เกิดความเสียหายในช่วงแรกของเหตุการณ์ นอกจากนี้ รูสำหรับสลักเกลียวก็ถูกหล่อขึ้นรูป ไม่ได้เจาะทีหลัง ดังนั้น ด้วยองศาเอียงของการหล่อ ทำให้แรงดึงจากเหล็กยึด ตกกระทบที่ขอบของรู แทนที่จะกระจายไปตามแนวยาวของรู สะพานทดแทนที่สร้างขึ้นใหม่นั้น ใช้เหล็กอ่อนและเหล็กกล้า

แม้จะมีการแก้ไขปัญหาสะพานพังถล่มไปบ้างแล้ว แต่ก็ยังคงเกิดเหตุการณ์สะพานร่วงอีกครั้ง จุดสูงสุดคืออุบัติเหตุทางรถไฟที่นอร์วูดจังก์ชั่น (Norwood Junction) ในปี 1891 ความกังวลอย่างแพร่หลายเกี่ยวกับการใช้เหล็กหล่อใต้สะพานรถไฟในเครือข่ายรถไฟของบริเตน ทำให้สะพานข้ามทางรถไฟใต้สะพานเหล็กหล่อหลายพันแห่ง ถูกแทนที่ด้วยสะพานเหล็กกล้าภายในปี 1900

อาคาร

[แก้]

เสาเหล็กหล่อ ซึ่งริเริ่มใช้ในโรงสี ช่วยให้สถาปนิกสามารถสร้างอาคารหลายชั้นได้โดยไม่ต้องใช้ผนังหนาขนาดมหึมาเหมือนกับอาคารก่ออิฐไม่ว่าจะสูงแค่ไหน เสาเหล็กหล่อเหล่านี้ยังช่วยเปิดพื้นที่โล่งภายในโรงงานและทัศนวิสัยภายในโบสถ์และหอประชุม อีกด้วย ภายในกลางศตวรรษที่ 19 เสาเหล็กหล่อกลายเป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปในคลังสินค้าและอาคารอุตสาหกรรม โดยใช้ร่วมกับเหล็กค้ำยัน (Beam) ที่ทำจากเหล็กอ่อนหรือเหล็กหล่อ ซึ่งในที่สุดก็นำไปสู่การพัฒนาตึกระฟ้าโครงเหล็ก (Steel-framed skyscraper) เหล็กหล่อยังถูกนำไปใช้สำหรับผนังตกแต่งด้านนอกอาคารในบางครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสหรัฐอเมริกา ตัวอย่างเช่น ย่านโซโห (Soho) ในนิวยอร์คมีตัวอย่างมากมาย นอกจากนี้ ยังมีการนำไปใช้สำหรับอาคารสำเร็จรูปที่ผลิตขึ้นล่วงหน้าทั้งหลังเป็นบางกรณี เช่น อาคารประวัติศาสตร์ อาคารเหล็ก ในเมืองวอเตอร์ฟลีต รัฐนิวยอร์ก

โรงงานทอผ้า

[แก้]

อีกหนึ่งการใช้เหล็กหล่อที่สำคัญคือในโรงสีฝ้าย เนื่องจากฝุ่นละอองจากเส้นใยที่ติดไฟง่าย ไม่ว่าจะเป็นฝ้าย ป่าน หรือ ขนสัตว์ ที่ฟุ้งกระจายภายในโรงงาน ทำให้โรงปั่นทอมีแนวโน้มที่จะเกิดเพลิงไหม้ได้ง่าย ทางแก้ปัญหาคือการสร้างโรงงานทั้งหมดด้วยวัสดุทนไฟ โดยการใช้โครงเหล็กเป็นหลัก ซึ่งส่วนใหญ่ทำจากเหล็กหล่อแทนที่จะใช้ไม้ที่ติดไฟง่าย อาคารลักษณะนี้แห่งแรกสร้างขึ้นที่ ดิเธอริงตัน ในเมืองชรูส์บรี มณฑลชรอปเชอร์[14] คลังสินค้าอีกหลายแห่งก็ถูกสร้างด้วยเสาและคานเหล็กหล่อเช่นกัน แม้ว่าบางครั้งการออกแบบที่ผิดพลาด เหล็กค้ำยัน (Beam) ที่มีรอยตำหนิ หรือการรับน้ำหนักเกินพิกัด ก็อาจก่อให้เกิดการพังถล่มของอาคารและความล้มเหลวของโครงสร้างได้

ในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรม เหล็กหล่อยังถูกนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงสร้างและส่วนคงที่อื่น ๆ ของเครื่องจักร รวมถึงเครื่องปั่นด้ายและต่อมาก็เป็นเครื่องทอผ้าในโรงปั่นทอ การใช้เหล็กหล่อแพร่หลายมากขึ้น จนหลายเมืองมีโรงหล่อเหล็กที่ผลิตเครื่องจักรสำหรับอุตสาหกรรมและการเกษตรกรรม

ดูเพิ่ม

[แก้]
เตารีดวาฟเฟิลเหล็กหล่อ ตัวอย่างเครื่องครัวเหล็กหล่อ

อ้างอิง

[แก้]
  1. Campbell, F.C. (2008). Elements of Metallurgy and Engineering Alloys. Materials Park, Ohio: ASM International. p. 453. ISBN 978-0-87170-867-0.
  2. 2.0 2.1 2.2 Wagner, Donald B. (1993). Iron and Steel in Ancient China. BRILL. pp. 335–340. ISBN 978-90-04-09632-5.
  3. Krause, Keith (August 1995). Arms and the State: Patterns of Military Production and Trade. Cambridge University Press. p. 40. ISBN 978-0-521-55866-2.
  4. Electrical Record and Buyer's Reference (ภาษาอังกฤษ). Buyers' Reference Company. 1917.
  5. Harry Chandler (1998). Metallurgy for the Non-Metallurgist (illustrated ed.). ASM International. p. 54. ISBN 978-0-87170-652-2. Extract of page 54
  6. Committee, A04. "Test Method for Evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Castings". doi:10.1520/a0247-10.
  7. Kobernik; Pankratov (11 March 2021). ""Chromium Carbides in Abrasion-Resistant Coatings"". Russian Engineering Research. 40 (12): 1013–1016. doi:10.3103/S1068798X20120084. สืบค้นเมื่อ 29 September 2022.
  8. Zeytin, Havva (2011). "Effect of Boron and Heat Treatment on Mechanical Properties of White Cast Iron for Mining Application". Journal of Iron and Steel Research, International. 18 (11): 31–39. doi:10.1016/S1006-706X(11)60114-3.
  9. Wagner, Donald B. (May 2008). Science and Civilisation in China: Volume 5, Chemistry and Chemical Technology, Part 11, Ferrous Metallurgy. Cambridge University Press. pp. 159–169. ISBN 978-0-521-87566-0.
  10. Temple, Robert (1986). The Genius of China: 3000 years of science, discovery and invention. New York: Simon and Schuster. Based on the works of Joseph Needham>
  11. Bocoum, Hamady, บ.ก. (2004), The Origins of Iron Metallurgy in Africa, Paris: UNESCO Publishing, pp. 130–131, ISBN 92-3-103807-9
  12. 12.0 12.1 Wagner, Donald B. (2008). Science and Civilisation in China: 5. Chemistry and Chemical Technology: part 11 Ferrous Metallurgy. Cambridge University Press, pp. 349–51.
  13. Tylecote, R. F. (1992). A History of Metallurgy, Second Edition. London: Maney Publishing, for the Institute of Materials. ISBN 978-0901462886.
  14. "Ditherington Flax Mill: Spinning Mill, Shrewsbury – 1270576". Historic England. สืบค้นเมื่อ 2020-06-29.

อ่านเพิ่มเติม

[แก้]
  • T. Angus, Harold (1976). Cast Iron: Physical and Engineering Properties. Butterworths, London. ISBN 0408706880.
  • Gloag, John (1948). A History of Cast Iron in Architecture (ภาษาEnglish). George Allen & Unwin Ltd. (ตีพิมพ์ 1 January 1948). ASIN B000XDLYLS.{{cite book}}: CS1 maint: unrecognized language (ลิงก์)
  • Rhys Lewis, Peter (2004). Beautiful Railway Bridge of the Silvery Tay: reinvestgating the Tay Bridge disaster of 1879. Tempus Publishing/NMI Limited. ISBN 978-0752431604.
  • Rhys Lewis, Peter (2007). Disaster on the Dee: Robert Stephenson's Nemesis of 1847. Tempus. ISBN 978-0-7524-4266-2.
  • Laird, George; Gundlach, Richard; Röhrig, Klaus (2000). Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook. ASM International. ISBN 0-87433-224-9.

แหล่งข้อมูลอื่น

[แก้]