เหล็กคืออะไร? ความรู้เรื่องเหล็ก และประเภทของเหล็ก

โดย saweang | มี.ค. 10, 2020 | บทความเกี่ยวกับเหล็ก

เหล็ก เป็นแร่ธาตุที่มีบทบาทกับการนำมาใช้งานในชีวิตประจำวันมากที่สุด และเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย โดยเหล็กจะแบ่งออกเป็น 2 ประเภทด้วยกัน คือเหล็ก (iron) และ เหล็กกล้า (steel) ซึ่งทั้งสองประเภทนี้ มีคุณสมบัติที่ต่างกันหลายประการ แต่ส่วนใหญ่ก็มักจะถูกเรียกอย่างเหมารวมกันว่า “เหล็ก” นั่นเอง

ลักษณะทั่วไปของเหล็กและเหล็กกล้า

เหล็ก จะมีสัญลักษณ์ทางวิทยาศาสตร์ คือ Fe มักพบได้มากในธรรมชาติ ซึ่งจะมีลักษณะเป็นสีแดงอมน้ำตาล เมื่อนำเข้าใกล้กับแม่เหล็ก จะดูดติดกัน ส่วนพื้นที่ที่ค้นพบเหล็กได้มากที่สุด ก็คือ ตามชั้นหินใต้ดินที่อยู่บริเวณที่ราบสูงและภูเขา โดยจะอยู่ในรูปของสินแร่เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งก็ต้องใช้วิธีถลุงออกมา เพื่อให้ได้เป็นแร่เหล็กบริสุทธิ์และสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้

เหล็กกล้า เป็นโลหะผสม ที่มีการผสมระหว่าง เหล็ก ซิลิคอน แมงกานีส คาร์บอนและธาตุอื่นๆ อีกเล็กน้อย ทำให้มีคุณสมบัติในการยืดหยุ่นสูง ทั้งมีความทนทาน แข็งแรง และสามารถต้านทานต่อแรงกระแทกและภาวะทางธรรมชาติได้อย่างดีเยี่ยม  ที่สำคัญคือเหล็กกล้าไม่สามารถค้นพบได้ตามธรรมชาติเหมือนกับเหล็ก เนื่องจากเป็นเหล็กที่สร้างขึ้นมาโดยการประยุกต์ของมนุษย์  แต่ในปัจจุบันก็มีการนำเหล็กกล้ามาใช้งานอย่างแพร่หลาย เพราะมีต้นทุนต่ำ จึงช่วยลดต้นทุนได้เป็นอย่างมาก และมีคุณสมบัติที่โดดเด่นไม่แพ้เหล็ก

ประเภทของเหล็กแบ่งได้อย่างไรบ้าง?

สำหรับประเภทของเหล็กนั้น สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ คือ

เหล็กหล่อ

เหล็กหล่อ เป็นเหล็กที่ใช้วิธีการขึ้นรูปด้วยการหล่อขึ้นมา ซึ่งจะมีปริมาณของธาตุคาร์บอนประมาณ 1.7-2% จึงทำให้เหล็กมีความแข็ง แต่ในขณะเดียวกันก็มีความเปราะ และด้วยเหตุนี้จึงทำให้เหล็กหล่อ สามารถขึ้นรูปได้แค่วิธีการหล่อวิธีเดียวเท่านั้น ไม่สามารถขึ้นรูปด้วยการรีดหรือวิธีการอื่นๆ ได้ นอกจากนี้เหล็กหล่อ ก็สามารถแบ่งย่อยๆ ได้ดังนี้

• เหล็กหล่อเทา เป็นเหล็กหล่อที่มีโครงสร้างคาร์บอนในรูปของกราฟไฟต์ เพราะมีคาร์บอนและซิลิคอนเป็นส่วนประกอบสูงมาก
• เหล็กหล่อขาว เป็นเหล็กที่มีความแข็งแรงทนทานสูง สามารถทนต่อการเสียดสีได้ดี แต่จะเปราะจึงแตกหักได้ง่าย โดยเหล็กหล่อประเภทนี้ จะมีปริมาณของซิลิคอนต่ำกว่าเหล็กหล่อเทา ทั้งมีคาร์บอนอยู่ในรูปของคาร์ไบด์ของเหล็กหรือที่เรียกกว่า ซีเมนไตต์
• เหล็กหล่อกราฟไฟต์กลม เป็นเหล็กที่มีโครงสร้างเป็นกราฟไฟต์ ซึ่งจะมีส่วนผสมของแมกนีเซียมหรือซีเรียมอยู่ในน้ำเหล็ก ทำให้เกิดรูปร่างกราฟไฟต์ทรงกลมขึ้นมา ทั้งยังได้คุณสมบัติทางกลในทางที่ดีและโดดเด่นยิ่งขึ้น เหล็กหล่อกราฟไฟต์จึงได้รับความนิยมในการนำมาใช้งานอย่างแพร่หลายและถูกนำมาใช้งานในอุตสาหกรรมมากขึ้น
• เหล็กหล่ออบเหนียว เป็นเหล็กที่ผ่านกระบวนการอบเพื่อให้ได้คาร์บอนในโครงสร้างคาร์ไบด์แตกตัวมารวมกับกราฟไฟต์เม็ดกลม และกลายเป็นเฟอร์ไรด์หรือเพิร์ลไลต์ ซึ่งก็จะมีคุณสมบัติที่เหนียวแน่นกว่าเหล็กหล่อขาวเป็นอย่างมาก ทั้งได้รับความนิยมในการนำมาใช้งานที่สุด
• เหล็กหล่อโลหะผสม เป็นประเภทของเหล็กที่มีการเติมธาตุผสมเข้าไปหลายอย่างด้วยกัน ซึ่งก็จะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของเหล็กให้ดีขึ้น โดยเฉพาะการทนต่อความร้อนและการต้านทานต่อแรงเสียดสีที่เกิดขึ้น เหล็กหล่อประเภทนี้จึงนิยมใช้ในงานที่ต้องสัมผัสกับความร้อน

เหล็กกล้า

เหล็กกล้า เป็นเหล็กที่มีความเหนียวแน่นมากกว่าเหล็กหล่อ ทั้งสามารถขึ้นรูปด้วยวิธีทางกลได้ จึงทำให้เหล็กชนิดนี้ นิยมถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายและกว้างขวางมากขึ้น  ตัวอย่างเหล็กกล้าที่มักจะพบได้บ่อยๆ ในชีวิตประจำวัน คือ เหล็กแผ่น เหล็กโครงรถยนต์หรือเหล็กเส้น เป็นต้น นอกจากนี้คาร์บอนก็สามารถแบ่งได้เป็นกลุ่มย่อยๆ ดังนี้

เหล็กกล้าคาร์บอน จะมีส่วนผสมหลักเป็นคาร์บอนและมีส่วนผสมอื่นๆ ปนอยู่บ้างเล็กน้อย ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับจะมีธาตุอะไรติดมาในขั้นตอนการถลุงบ้าง ดังนั้นเหล็กกล้าคาร์บอน จึงสามารถแบ่งเป็นย่อยๆ ได้อีก ตามปริมาณธาตุที่ผสมดังนี้

1. เหล็กคาร์บอนต่ำ มีคาร์บอนต่ำกว่า 0.2% และมีความแข็งแรงต่ำมาก จึงนำมารีดเป็นแผ่นได้ง่าย เช่น เหล็กเส้น เหล็กแผ่น เป็นต้น
2. เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง จะมีคาร์บอนอยู่ประมาณ 0.2-0.5% มีความแข็งแรงสูงขึ้นมาหน่อย สามารถนำมาใช้เป็นชิ้นส่วนของเครื่องจักรกลได้
3. เหล็กกล้าคาร์บอนสูง มีคาร์บอนสูงกว่า 0.5% มีความแข็งแรงสูงมาก นิยมนำมาอบชุบความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งมากขึ้น และสามารถต้านทานต่อการสึกหรอได้ดี จึงนิยมนำมาทำเครื่องมือเครื่องใช้ที่ต้องการผิวแข็ง

เหล็กกล้าผสม เป็นเหล็ก ที่มีการผสมธาตุอื่นๆ เข้าไปโดยเจาะจง เพื่อให้คุณสมบัติของเหล็ก เป็นไปตามที่ต้องการ โดยเหล็กประเภทนี้มักจะมีความสามารถในการต้านทานต่อการกัดกร่อนและสามารถนำไฟฟ้าได้ รวมถึงมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กอีกด้วย ซึ่งก็จะแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ เหล็กกล้าผสมต่ำและเหล็กกล้าผสมสูง นั่นเอง โดยเหล็กกล้าผสมต่ำ จะเป็นเหล็กกล้าที่มีการผสมด้วยธาตุอื่นๆ น้อยกว่า 10% และเหล็กกล้าผสมสูง จะเป็นเหล็กกล้าที่มีการผสมด้วยธาตุอื่นๆ มากกว่า 10%

เหล็ก เป็นแร่ธาตุที่ถูกนำมาใช้ในชีวิตประจำวันมากที่สุด และเป็นที่รู้จักอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีคุณสมบัติที่เหมาะกับการนำมาใช้งานในหลายๆ ด้าน แต่ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง คือมีน้ำหนักมาก ทำให้เคลื่อนย้ายได้ไม่ค่อยสะดวกมากนัก อย่างไรก็ตาม เหล็ก ก็ยังคงเป็นที่นิยมและมีการนำมาใช้งานในอุตสาหกรรมหรือการผลิตเครื่องจักรกลต่างๆ รวมทั้งใช้ในการสร้างบ้านด้วย เพราะเป็นโลหะที่มีความแข็งแรงและทนทานมาก

การเชื่อมเหล็กโครงสร้างรูปพรรณรีดร้อนที่ควรรู้

โดย saweang | มี.ค. 6, 2020 | บทความเกี่ยวกับเหล็ก

งานก่อสร้างอาคารโครงสร้างเหล็กรูปพรรณรีดร้อน ย่อมมาพร้อมกับวิธีการก่อสร้างที่จะขาดไปไม่ได้คือ “การเชื่อม” ในแง่หนึ่ง การเชื่อมเป็นเทคนิคด้านงานก่อสร้างที่ทำกันอยู่ทั่วไป เหมือนเป็นทักษะพื้นฐานที่ต้องติดตัวช่างก่อสร้าง การเชื่อมก็เป็นทักษะที่มีระดับความชำนาญหลายระดับ และต้องได้รับการฝึกฝนในระยะเวลาหนึ่ง เพราะในงานก่อสร้างอาคารโครงสร้างเหล็กใดๆ เรามักจะพบปัญหาจากการเชื่อมอยู่เสมอ ไม่มากก็น้อย

โดยหลักการทั่วไป คุณภาพการเชื่อมเหล็กที่ดี จะขึ้นอยู่กับปัจจัย 2 อย่างด้วยกัน คือการควบคุมความสมดุลระหว่างกำลังไฟ และความเร็วในการลากผ่านการเชื่อม โดยทั้งหมดจะต้องคำนึงถึงความหนาของเหล็กที่ใช้ และวัตถุประสงค์ของการใช้งานต่อไป

เมื่อเป็นฝีมือคน จึงเป็นเรื่องท้าทายในการควบคุมปัจจัยทั้งสองให้สอดคล้องกันเพื่อให้ได้งานเชื่อมที่มีคุณภาพในตอนท้าย เพราะหากไม่แล้ว งานเชื่อมที่ด้อยคุณภาพก็อาจนำมาซึ่งความไม่สม่ำเสมอของรอยต่อ มีส่วนเว้าแหว่งที่เชื่อมไม่ติด ความเปราะของรอยเชื่อม อันจะทำให้ความสามารถในการรับน้ำหนักของงานโครงสร้าง ไม่ตรงตามที่วิศวกรคำนวณ และอาจนำมาซึ่งการพังทลายของโครงสร้างได้

รอยเชื่อมที่มีคุณภาพนั้น จะเป็นที่เข้าใจกันว่าตะเข็บต้องมีลักษณะสม่ำเสมอ ลากยาว และเป็นเนื้อเดียว (ภาษาช่างเรียกเหมือนเป็นเกล็ดปลา) แต่นอกจากนั้นก็จะขึ้นอยู่กับการใช้งาน และหน้าที่การรับน้ำหนักของแต่ละจุด ที่จะต้องผ่านการออกแบบการเชื่อม ที่สัมพันธ์กับการคำนวณจากวิศวกร

โดยจะมีจุดบกพร่องและปัญหาที่จะเกิดอยู่บ้างในระหว่างการเชื่อม ที่จะก่อให้เกิดงานที่ไม่ได้คุณภาพ ยกตัวอย่างเช่นอย่างแรกคือฟองอากาศ (Porosity)ที่อาจเกิดจากการเชื่อมที่ไม่ชำนาญ และความไม่สมดุลของกำลังไฟและกระบวนการเชื่อม ซึ่งอาจก่อให้เกิดปัญหาเรื่องความเปราะฟองอากาศเพียงเล็กน้อยอาจไม่ส่งผลกระทบต่อโครงสร้างมาก แต่นั่นย่อมขึ้นอยู่กับขนาดและลักษณะของฟองอากาศในแต่ละชิ้นงาน โดยป้องกันได้ด้วยหลายเทคนิควิธี คืออาจรักษาระยะอาร์คให้สั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อป้องกันเปลวดับ และรักษาโลหะไม่ให้เย็นตัว รวมถึงเป็นการรักษาอัตราความเร็วของแก๊สให้สม่ำเสมอที่สุด

ข้อบกพร่องที่อาจเป็นปัญหาต่อมาคือ Slag หรือโลหะแปลกปลอมที่ฝังในรอยเชื่อม ซึ่งอาจเกิดจากทั้งความสกปรกของชิ้นงาน ความไม่เรียบร้อย รวมไปถึงสนิมในบริเวณรอยต่อที่อาจจะเกิดขึ้นหลังการทาสีกันสนิม หาก Slag เปราะและหลุดจากรอยต่อนั้นๆ

วิธีการป้องกันปัญหาหรือข้อบกพร่องที่จะเกิดจากการเชื่อม รวมถึงการเพิ่มคุณภาพการเชื่อมเหล็กที่ได้ประสิทธิภาพที่สุด หนีไม่พ้นการทำความสะอาดชิ้นงานให้ปราศจากน้ำมัน และเศษสิ่งสกปรกก่อนทำงานเชื่อม ก็จะทำให้ได้คุณภาพงานเชื่อมเหล็กโครงสร้างรูปพรรณรีดร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

ขอขอบคุณข้อมูลจากhttps://www.hbeamconnect.com/th/community/blog/

กรรมวิธีการอบชุบความร้อนโลหะ

โดย saweang | มี.ค. 3, 2020 | บทความบ้านๆๆ, บทความเกี่ยวกับเหล็ก

  การอบชุบโลหะด้วยความร้อน มีกรรมวิธีอยู่มากมาย ไม่ว่าจะเป็น การอบอุ่น การชุบแข็ง การทำเทมเพอร์ การชุบแข็งผิว หรือการชุบแข็งโดยการตกตะกอน เป็นต้น แต่ละวิธีจะมีประโยชน์และการใช้งานที่แตกต่างกัน จะเลือกใช้วิธีใดขึ้นอยู่กับสมบัติสุดท้ายของโลหะที่เราต้องการ

      เหล็กกล้าคาร์บอนมีสมบัติเด่นอย่างหนึ่งคือ สามารถเปลี่ยนแปลงระบบผลึกของตนเองได้เมื่อได้รับความร้อนหรือทำให้เย็นลง ซึ่งเราเรียกว่า สภาพอัญรูป (allotropy) จากสมบัติที่ดีในข้อนี้ทำให้เหล็กกล้าสามารถปรับปรุงสมบัติทางกลโดยกระบวนการทางความร้อน (heat treatment) ได้อย่างกว้างขวาง

Ø  กรรมวิธีการอบชุบเหล็กกล้าที่สำคัญๆ อาจจำแนกได้ดังต่อไปนี้

Ø  การอบอ่อน (annealing)

Ø  การอบปรกปกติ (normalizing)

Ø  การชุบแข็ง (hardening หรือ quenching)

Ø  การทำเทมเพอร์ (tempering)

Ø  การชุบแข็งออสเทมเพอริง (austempering)

Ø  การชุบแข็งมาร์เทมเพอริง (martempering)

Ø  การชุบแข็งที่ผิว (surface hardening หรือ case hardening)

Ø  การอบอ่อน (Annealing)

      กระบวนการการอบอ่อน (annealing) เป็นการให้ความร้อนกับเหล็กกล้าจนถึงอุณหภูมิออสเทไนไทซิงแล้วปล่อยให้เย็นตัวอัตราการเย็นที่ช้าๆ วัตถุประสงค์ของการอบอ่อนทำเพื่อปรับปรุงสมบัติของเหล็กกล้าที่ผ่านการขึ้นรูปต่างๆ เช่น ชิ้นงานหล่อ การขึ้นรูปเย็น การขึ้นรูปร้อน ฯลฯ

v การอบปรกติ (Normalizing)

      การอบปรกติ (normalizing) เป็นการให้ความร้อนกับเหล็กกล้าจนถึงอุณหภูมิออสเทไนไทซิงแล้วอบแช่ทิ้งไว้ จากนั้นปล่อยให้เย็นตัวในอากาศจนถึงอุณหภูมิห้อง ความแตกต่างระหว่างการอบปรกติกับการอบอ่อนจะอยู่ที่อุณหภูมิออสเทไนไทซิง และอัตราการเย็นตัว

      การทำการอบปรกติจึงเหมาะกับการปรับปรุงโครงสร้างและการกระจายตัวของเกรนก่อนการชุบแข็ง ปรกติแล้วกระบวนการนี้จะทำกับเหล็กกล้าที่ผ่านการหล่อขึ้นรูปมาและเหล็กที่ผ่านการขึ้นรูปร้อน ซึ่งเกรนที่ได้จะหยาบและไม่สม่ำเสมอ โครงสร้างไม่เป็นเนื้อเดียวกันสำหรับชิ้นงานหล่อ

v การอบชุบแข็ง (Quenching)

      การชุบแข็ง (quenching or hardening) เป็นการทำให้เหล็กล้าเย็นตัวอย่างรวดเร็ว (rapid cooling) เพื่อเปลี่ยนสภาพไปเป็นโครงสร้างที่เราต้องการ กระบวนการชุบแข็งนี้จะทำให้เหล็กมีความแข็งเพิ่มขึ้นขณะเดียวกันความเหนียวจะลดลง ดังนั้น ตัวแปรที่มีส่วนอย่างมากในการควบคุมอัตราการเย็นตัว คือ สารชุบ (quenching media) ซึ่งต้องเลือกให้เหมาะกับชนิดของเหล็ก

      สารชุบเป็นตัวกลางผ่านความร้อนจากชิ้นงานให้หมดไปอย่างรวดเร็ว ดังนั้น สมบัติของสารชุบต้องให้อัตราการเย็นตัวที่สูงกว่าอัตราการเย็นตัววิกฤต เพื่อป้องกันกันการเปลี่ยนเฟสจากออสเทไนต์ไปเป็นโครงสร้างอื่นที่ไม่ใช่มาร์เทนไซต์

v การทำเทมเพอร์ (Tempering)

      โครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่ได้จากชุบแข็งมานั้น จะมีสมบัติที่แข็งและเปราะ อีกทั้งอัตราเย็นตัวที่รวดเร็วจะทำให้เกิดความเครียดขึ้นภายใน ส่งผลให้เหล็กขาดความเหนียวไม่ทนต่อแรงกระแทก อาจแตกร้าวภายหลังการใช้งานได้ ดังนั้น จึงต้องมีการนำเหล็กที่ผ่านการชุบแข็งมาทำเทมเพอร์เพื่อคลายความเครียดให้หมดไป

      การเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกลขณะทำเทมเพอร์ จะสัมพันธ์กับอุณหภูมิและเวลา ความเค้นตกค้าง (residual stress) เกิดขึ้นจากการชุบแข็งเนื่องจากอัตราการเย็นตัวที่สูง เมื่อนำชิ้นงานมาทำเทมเพอร์ความเค้นดังกล่าวจะลดลงยิ่งอุณหภูมิในการทำเทมเพอร์สูงขึ้นเปอร์เซ็นความเค้นตกค้างก็จะลดลงมากขึ้นด้วย

v การชุบแข็งออสเทมเพอริง

      การชุบแข็งแบบออสเทมเพอริง (austempering) เป็นวิธีการหนึ่งในการชุบแข็งแบบเป็นชั้น (step quenching) ทั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อหลีกเลี่ยงการแตกร้าวหรือบิดงอของชิ้นงานที่มีความหนาบางแตกต่างกันมากๆ ดังนั้น จึงมีการหาวิธีที่ทำให้เหล็กเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์หรือเบไนต์ที่อุณหภูมิสูงโดยไม่ต้องเย็นตัวลงมาถึงอุณหภูมิห้องในทันที วิธีที่นิยมมี 2 วิธี คือออสเทมเพอริงและมาร์เทมเพอริง

v การชุบแข็งมาร์เทมเพอริง

      การชุบแข็งมาร์เทมเพอริง (martempering) เป็นการชุบแข็งแบบเป็นขั้นอีกวิธีหนึ่งที่มีวัตถุประสงค์เช่นเดียวกับออสเทมเพอริง คือ ป้องกันปัญหาการแตกร้าวและบิดงอจากอัตรการเย็นตัวอย่างรวดเร็วโครงสร้างที่ได้จากการทำมาร์เทมเพอริงจะป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์

v การชุบแข็งที่ผิว (surface hardening)

      การชุบแข็งที่ผิว มีวัตถุประสงค์เพื่อทำให้บริเวณของชิ้นงานเกิดความแข็งขึ้น ส่วนเนื้อเหล็กบริเวณภายในยังคงอ่อนและเหนียวดังเดิม การชุบแข็งที่ผิวทำเพื่อให้เหล็กทนการสึกหรอที่บริเวณผิวดีขึ้น ขณะเดียวกันแกนกลางยังคงอ่อนเหนียว ซึ่งจะช่วยให้เหล็กรับแรงบิดหรือแรงกระแทกได้ดีขึ้น งานที่เหมาะกับการชุบแข็งที่ผิวได้แก่ เพลาข้อเหวี่ยง เฟืองเกียร์ต่างๆ และชิ้นส่วนที่ต้องการความทนทานการเสียดสี

v การอบชุบแข็งโดยวิธีการบ่มแข็งหรือการตกตะกอน

      การชุบแข็งโดยการบ่มแข็งหรือการชุบโดยการตกตะกอน (age or precipitation hardening) เป็นกระบวนการที่อาศัยการเปลี่ยนแปลงเฟสที่เกิดขึ้นในสภาวะของแข็งโดยมีการเกิดเฟสของแข็งที่เป็นอนุภาคขนาดเล็กระดับนาโนเมตรที่เกิดขึ้นจากการตกตะกอนและมีแรงยึดเหนี่ยวกับเมทริกซ์ที่มีความอ่อนเหนียว ทำให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น

อ้างอิง
ณรงค์ศักดิ์ ธรรมโชติ.  (2556).  โลหวิทยา.   กรุงเทพมหานคร : จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.