37 เหล็กหล่อ

5.4 เหล็กหล่อ 

รูปตัวอย่างเหล็กหล่อ

แนะนำเพื่อให้อ่านได้ต่อเนื่องให้ คลิกขวาเลือก Open link in new window

วิดีโอกระบวนการผลิตเครื่องครัวที่ทำจากเหล็กหล่อ

      เหล็กหล่อ (Cast iron) เป็นเหล็กชนิดหนึ่งที่มีคาร์บอนผสมในเนื้อเหล็กอยู่มาก ที่ทำให้เหล็กมีความแข็ง แต่เปราะง่าย ส่วนผสมของ คาร์บอนมีอยู่ประมาณ 2%-6% และมีปริมาณซิลิกอนปนอยู่เล็กน้อย นอกจากนี้อาจจะมีธาตุอื่น ๆ ปนอยู่ด้วยเพื่อประโยชน์ต่อการนำไปใช้งาน

5.4.1 ความแตกต่างกันของเหล็กกล้า และเหล็กหล่อ

      ความแตกต่างกันของเหล็กทั้งสองชนิด ที่เห็นเด่นชัดที่สุด ก็คือ ปริมาณธาตุคาร์บอนที่เติมลงไป และคาร์บอนได้ละลายซึมซับเข้าในเนื้อเหล็ก เราจะยกตัวอย่างให้เห็นอย่างง่าย ๆ ก็คือ

รูปตัวอย่างน้ำผสมน้ำตาลที่มีน้ำตาลมากเกินจนตกตะกอน เพราะน้ำตาลไม่สามารถละลายในน้ำต่อไปได้

น้ำในภาชนะ กับน้ำตาล น้ำที่มีน้ำตาลใส่ลงไปเล็กน้อยมันก็จะละลายหายไปในน้ำ (เราไม่เห็น ทั้งที่น้ำตาลมันยังอยู่ น้ำนั้นก็เป็นสารละลายน้ำตาล หรือน้ำเชื่อมไป) เมื่อเราเติมน้ำตาลลงไปเรื่อย ๆ น้ำตาลก็จะละลายในน้ำเรื่อย ๆ จนกระทั่งมันถึงจุดอิ่มตัว น้ำตาลไม่สามารถละลายได้อีกแล้ว มันก็เกิดการตกตะกอนของน้ำตาลในน้ำที่ภาชนะนั้น  

      สถานการณ์ก็เช่นเดียวกันกับธาตุเหล็ก (เปรียบกับน้ำ) และคาร์บอน (เปรียบกับน้ำตาล) ที่ผสมกัน เมื่อคาร์บอนถูกเติมลงไปในธาตุเหล็กที่กำลังหลอมเหลว เพียงเล็กน้อยคาร์บอนก็จะละลายหายไป (รูปแบบโครงสร้างของมันก็คือเหล็กกล้า) แต่ถ้าเติมมันจนเกิดจุดอิ่มตัว คาร์บอนก็จะเกิดการตกตะกอน (รูปแบบโครงสร้างของมันก็คือเหล็กหล่อ)

รูปโครงสร้างเหล็กกล้า

รูปโครงสร้างเหล็กหล่อ อัตราขยาย 100 เท่า

      เหล็กกล้าคือธาตุเหล็กที่มีคาร์บอนผสมกันอยู่ระหว่าง 1.6-2% (เปอร์เซ็นต์นี้อาจจะเปลี่ยนแปลงได้ โดยขึ้นอยู่กับชนิดของเหล็กกล้านั้น ๆ) ส่วนเหล็กหล่อเป็นธาตุเหล็กที่มีส่วนผสมของคาร์บอนที่มากจนทำให้มีการตกตะกอนของคาร์บอน การตกตะกอนอาจมีทั้งเป็นเส้น เป็นแผ่นเล็ก ๆ เช่น ในเหล็กหล่อสีเทา หรือเป็นเม็ดตุ่มเล็ก ๆ เช่นในเหล็กหล่อเหนียว ดูได้จากรูป

รูปผลึกของเหล็กหล่อที่มีทั้งแบบผลึกคาร์บอนเป็นแผ่น (รูปซ้าย) และผลึกคาร์บอนเป็นเม็ด (รูปขวา)

      การตกตะกอนของคาร์บอน ผลของมันมีทั้งดี และไม่ดี ที่กล่าวเช่นนี้ ก็เพราะว่าเมื่อมีคาร์บอนตกตะกอนแทรกอยู่ในเนื้อเหล็กทำให้ภายในเนื้อเหล็กเกิดช่องว่างขึ้น เมื่อเหล็กนั้นถูกกระแทกด้วยแรงที่หนักพอ อาจทำให้เหล็กหล่อเกิดความเสียหายได้ ดูที่รูป

รูปแผ่นคาร์บอนสีดำ ทำให้เกิดช่องว่างเล็กน้อยในเนื้อเหล็ก

      จากที่กล่าวมาแล้วในตอนต้นว่า เหล็กหล่อเป็นวัสดุเปราะ และมีความทนทานต่อการยืดตัวต่ำ การกระแทกหนัก ๆ ทำให้ตัวตะกอนคาร์บอนจะไวต่อการแตกร้าว อาจทำให้ตัวเหล็กพังเสียหายได้

แต่ข้อดีของเหล็กหล่อจะทนทานต่อแรงกดอัด และการสั่นสะเทือน ซึ่งอาจทนได้มากกว่าเหล็กกล้าถึง 4 เท่า จุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าเหล็กกล้าทำให้ง่ายต่อการหล่อ ซึ่งเป็นผลโดยตรงของคาร์บอนที่มีมากในเนื้อเหล็กหล่อ ในการหล่อเหล็กจะควบคุมได้ง่ายกว่า การผลิตเหล็กกล้า จึงนิยมนำเหล็กหล่อนำไปทำโครง หรือฐานเครื่องจักรกล

รูปเครื่องกลึงที่โครงฐานมักทำมาจากเหล็กหล่อ เพราะทนทานต่อแรงสั่นสะเทือน

      ตัวอย่างเหล็กหล่อสีเทาเกิดความเปราะได้ง่ายกว่าเหล็กกล้า และในสภาพการดึงยืดจะมีน้อยกว่าเหล็กกล้าซึ่งมีความเสี่ยงที่จะทำให้แผ่นตะกอนคาร์บอนทำให้เกิด รอยร้าว และแตกในที่สุด

รูปการดึงยืดเหล็กหล่อทำได้น้อยเพราะเหล็กหล่อจะแตกก่อน เนื่องจากเหล็กหล่อมีความเปราะมาก (แต่ความแข็งสูง)

5.4.2 ประโยชน์ของเหล็กหล่อ 

      เหล็กหล่อ ใช้กันอย่างกว้างขวางในงานโครงสร้างอุปกรณ์ขนาดใหญ่ และเครื่องมือกล

รูปเสื้อสูบเครื่องยนต์บนเครื่องกัดทำมาจากเหล็กหล่อสีเทา

มันมีความสามารถต่อการรับแรง, ทนต่อแรงอัดเป็นพิเศษ, ทนทานต่อการสึกหรอ มันจึงเหมาะที่จะนำไปใช้ทำ เสื้อสูบ (Engine block), แหวนลูกสูบ (Piston rings), ดรัมเบรก (Brake drums) ของรถยนต์, เครื่องม้วน (Rolls), เครื่องบีบอัด (Crushers) ฯลฯ

รูปเครื่องบดหิน ตัวบดทำมาจากเหล็กหล่อสีขาว

รูปภายในเครื่องบดหิน

      ในทางสถาปัตยกรรม และงานโครงสร้าง เหล็กหล่อใช้สำหรับทำหัวบันได และเสาไฟถนน ทำฝาท่อระบายน้ำ (Manhole cover), ผนังเตา ฯลฯ ซึ่งมันมีความสามารถในการหลอม (Castability), สามารถนำไปกลึงไส (Machinability)

รูปฝาท่อน้ำ ทำมาจากเหล็กหล่อสีเทา

5.4.3 ประเภทของเหล็กหล่อ 

ประเภทของเหล็กหล่อ ขั้นพื้นฐานมีอยู่ 5 ประเภท ดังนี้

Ø เหล็กหล่อสีเทา (Gray cast iron) มีใช้กันมากที่สุด

รูปตัวอย่างล้อเหล็กที่ทำมาจากเหล็กหล่อสีเทา

Ø เหล็กหล่อสีขาว (White cast iron)) มีความเปราะมากที่สุด

รูปตัวอย่างท่อเหล็กหล่อสีขาว

Ø เหล็กหล่อมัลลีเบิล (Malleable cast iron) มีคุณภาพสูง

รูปตัวอย่างท่อ และข้อต่อท่อทำมาจากเหล็กหล่อมัลลีเบิล

Ø เหล็กหล่อเหนียว (Ductile cast iron) มีคุณภาพสูง

รูปตัวอย่างโครงเสื้อ และใบพัดของปั๊มแบบแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่ทำมาจากเหล็กหล่อเหนียว

Ø เหล็กหล่อผสมชนิดพิเศษ (Special alloy cast iron) มีคุณสมบัติพิเศษ

รูปตัวอย่างวาล์วเปิดปิดท่อน้ำทำจากเหล็กหล่อผสมพิเศษ

5.4.3.1 เหล็กหล่อสีเทา

      เหล็กหล่อสีเทา นี้มีการใช้งานกันอย่างกว้างขวาง เพราะงานทั่วไปส่วนมากแล้วมักจะเป็นเหล็กหล่อประเภทนี้เสมอ ที่เรียกว่าเหล็กหล่อสีเทา เพราะเมื่อนำเหล็กหล่อสีเทามาหักเนื้อเหล็กตรงรอยหักจะมีสีเทา ที่เป็นสีเทาเกิดจากที่ขณะหลอมเหล็ก และให้แข็งตัวตามธรรมชาติ อย่างช้า ๆ ทำให้คาร์บอนเกิดการแยกตัวออกมาในรูปของแกรไฟต์ และกระจัดกระจายทั่วเนื้อเหล็ก

รูปตัวอย่างโครงสร้างทางจุลภาคของเหล็กหล่อสีเทามีเส้นแกรไฟต์ปะปนอยู่ด้วย

รูปตัวอย่างโครงสร้างทางจุลภาคของเหล็กหล่อสีเทามีเส้นแกรไฟต์ปะปนอยู่ด้วย อีกหนึ่งรูป

รูปตัวอย่างชิ้นส่วนเครื่องกลที่ทำมาจากเหล็กหล่อสีเทา

      ถึงแม้ว่าเหล็กหล่อสีเทาคุณสมบัติในด้านการยืดตัว, ตีเป็นรูปร่าง (Malleable) ไม่ได้ดีกว่าเหล็กหล่อประเภทอื่น ๆ แต่มันมีราคาถูกกว่าเมื่อเปรียบเทียบกัน

      ในการเลือกใช้งาน เราจะพิจารณาเปรียบเทียบกันระหว่างราคา และคุณภาพ งานทั่วไปที่ไม่ได้ใช้คุณสมบัติด้านพิเศษอื่น ๆ เหล็กหล่อสีเทาถือว่าสามารถนำไปใช้งานดีในระดับหนึ่ง

       เหล็กหล่อสีเทามีความแข็งและเปราะมาก ทนต่อแรงดึงไม่ดี เพราะว่ามันมีเส้นแกรไฟต์ (Graphite: เป็นรูปแบบหนึ่งของธาตุคาร์บอน) อยู่ในโครงสร้างเหล็ก อย่างไรก็ดี ข้อดีของมันก็คือความสามารถต่อการรับแรงอัด และแรงหน่วง (Damping) ได้ อีกทั้งมันสามารถหล่อได้ง่าย

คุณสมบัติของเหล็กหล่อสีเทา

·       อุณหภูมิหลอมเหลวต่ำ ทำให้สามารถหลอมได้ดี ไหลไปตามบ่อหลอมที่ซับซ้อนในแม่พิมพ์ได้ดี

·       อัตราการขยายตัวทางความร้อนต่ำ จึงเหมาะกับชิ้นส่วนทางกลที่ต้องการรูปร่างคงที่

·       เนื้อเหล็กแข็งไม่มาก สามารถนำไปทำผ่านเครื่องมือกล เช่น กลึง กัด ไส ฯลฯ

·       ทนทานต่อแรงสั่นสะเทือน และแรงอัดได้ดีพอควร จึงนิยมมาทำแท่นฐานเครื่องจักรกล  

วิดีโอตัวอย่างการหล่อเหล็กหล่อสีเทา

ข้อคิดดี ๆ ที่นำมาฝาก

“มีเวลาเพียงนิดอาจซื้อทองได้มากมาย

แต่มีทองมากแค่ไหนก็ไม่สามารถซื้อเวลาได้เลย”