ประเภทของโลหะ -...

17
1 ประเภทของโลหะ โลหะสามารถจําแนกไดเปนสองประเภทหลัก คือ Ferrous metals Non-ferrous metals Ferrous metals คือโลหะที่สวนผสมหลัก เปนเหล็กซึ่งไดแกเหล็กกลาและเหล็กหลอ Non-ferrous metals คือโลหะทีนอกเหนือไปจาก ferrous metals Metals Ferrous Non-Ferrous Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron Gray Cast iron Ductile Cast iron Malleable Cast iron Plain High Strength Low Alloy Low Carbon Medium Carbon High Carbon Plain Heat Treatable Plain Tool Stainless

Upload: nguyentruc

Post on 21-May-2018

236 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

1

ประเภทของโลหะ

• โลหะสามารถจําแนกไดเปนสองประเภทหลักคือ– Ferrous metals– Non-ferrous metals

• Ferrous metals คือโลหะท่ีสวนผสมหลกัเปนเหล็กซึ่งไดแกเหล็กกลาและเหล็กหลอ

• Non-ferrous metals คือโลหะท่ีนอกเหนือไปจาก ferrous metals

Metals

Ferrous Non-Ferrous

Steel Cast Iron

LowAlloys

HighAlloys White

Cast ironGray

Cast ironDuctile

Cast ironMalleableCast iron

Plain HighStrengthLow Alloy

LowCarbon

MediumCarbon

HighCarbon

Plain HeatTreatable

Plain Tool Stainless

Page 2: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

2

Ferrous Alloys

• เปนโลหะประเภทที่มีการผลิตและการใชงานมากที่สุด เนื่องจาก– เหล็กเปนทรัพยากรที่มีอยูมากในเปลือกโลก– เหล็กสามารถผลิตและขึ้นรูปดวยวธิีที่ประหยัดกวาโลหะชนิดอื่น– เหล็กมีสมบัติเชิงกลอยูในเกณฑดีเมื่อเทียบกบัราคา

• ขอดอยที่สําคัญของเหล็กคือมีความตานทานการกัดกรอนต่ําและเกิดสนิมไดงายมาก• Ferrous Alloys แบงออกเปน

– เหล็กกลา (<2%C)– เหล็กหลอ (>2%C)

เหล็กกลา

• เหล็กกลาถูกจําแนกตามปริมาณคารบอนออกเปน– เหล็กกลาคารบอนต่ํา (Low carbon steel) มี C นอยกวา 0.25%– เหล็กกลาคารบอนปานกลาง (Medium carbon steel มี C ระหวาง

0.25% – 0.6%– เหล็กกลาคารบอนสูง (High carbon steel) โดยท่ัวไปมี C ระหวาง

0.6% - 1.4%• Plain carbon steel หมายถึงเหล็กกลาท่ีมเีฉพาะเหลก็และคารบอนเปน

สวนผสมเทานั้น อาจมี Mn ปริมาณเล็กนอย นอกเหนือจากนี้คือสารมลทิน• Alloy steel คือเหล็กกลาท่ีมีการเติมธาตุผสมลงไปเพ่ือปรับปรุงสมบัติ

Page 3: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

3

เหล็กกลาคารบอนต่ํา• เปนเหล็กกลาที่มีการผลิตและการใชงานมากที่สุด

ในบรรดาเหล็กกลาดวยกัน โดยมีปริมาณคารบอนต่ํากวา 0.25% ซ่ึงทําใหไมสามารถอบชุบเพิ่มความแข็งแรงดวยวธิีทางความรอนได (ไมสามารถไดโครงสราง Martensiteไดโดยการ quenching)

• การเพิ่มความแข็งแรงใหกับเหลก็กลาคารบอนต่ําใชวิธี cold working

• โครงสรางจุลภาคของเหล็กกลาคารบอนต่ําประกอบไปดวย ferrite และ pearlite

• เหล็กกลาคารบอนต่ํามีความเหนยีวและออนมากทําใหสามารถขึ้นรูปดวยวธิีทางกลและการเชื่อมไดงายและตนทุนต่ํา

• เหล็กกลาคารบอนต่ําอีกกลุมหนึ่งคือ HSLA (High Strength Low AlloySteel)

• มีการเติม Cu, V, Ni, Mo ในปริมาณเล็กนอยทําให HSLA มีความแข็งแรงมากกวา Plain low carbon steel

• ในบรรยากาศท่ัวไป HSLA มีความสามารถในการตานทานการกัดกรอนท่ีดีกวา Plain carbon steel

• HSLA ราคาแพงกวา Plain carbon steel มาก

เหล็กกลาคารบอนต่ํา

Page 4: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

4

• สมบัติเชิงกลทั่วไปของเหล็กกลาคารบอนต่ํา– Tensile Strength 415 – 550 MPa– Elongation 25%– Yield Strength 200 – 300 MPa

เหล็กกลาคารบอนต่ํา

เหล็กกลาคารบอนปานกลาง

• เหล็กกลาคารบอนปานกลางมีคารบอนระหวาง 0.25 – 0.6% เหล็กกลาประเภทนีส้ามารถอบชุบดวยกรรมวิธีทางความรอนเพ่ือเพ่ิมความแข็งแรงได(Quench and Tempering)

• Plain medium carbon steel มีความสามารถในการอบชุบนอยดังนั้นจึงมีการเตมิธาตุผสมเพ่ือเพ่ิมความสามารถในการอบชุบ เชน Cr, Ni, Mo

• Alloyed medium carbon steel มีความแข็งแรงสูงกวา plain lowcarbon steel แตมีความเหนยีวและข้ึนรูปยากกวาเชนกัน

Page 5: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

5

AISI Designation

XXxxAlloy content Carbon content

ตัวอยางเหล็กกลา 1020 หมายถึงเหล็กกลามีคารบอน 0.2% (ไมมีธาตุอ่ืนผสม)เหล็กกลา 1080 หมายถึงเหล็กกลามีคารบอน 0.8% (ไมมีธาตุอ่ืนผสม)

AISI = American Iron and Steel Institute

1.80-2.20Si92XX0.15-0.250.40-0.600.40-0.7086XX

0.10-0.15V0.50-1.1061XX0.70-1.1051XX

0.20-0.303.25-3.7548XX0.15-0.300.70-2.0046XX0.20-0.300.40-0.901.65-2.0043XX0.15-0.250.80-1.1041XX0.20-0.3040XX

1.60-1.90Mn13XX0.04-0.12P0.10-0.35S12XX0.08-0.33S11XX

10XXOtherMoCrNi

Composition RangeAISI Designation

Page 6: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

6

เหล็กกลาคารบอนสูง

• เหล็กกลาคารบอนสูงมีปริมาณคารบอนระหวาง0.6% - 1.4% มีความแข็งแรงและแข็งมากที่สุดแตมีความเหนียวนอยที่สุดในบรรดาเหล็กกลาคารบอนดวยกัน

• เกือบทั้งหมดถูกใชงานในสภาพที่ผานการอบชุบ• สามารถทนการสึกหรอไดดีใชทําเคร่ืองมือและ

แมพิมพ• ธาตุผสมทั่วไปไดแก Cr, Mo, V, W ธาตเุหลานี้

จะรวมตัวกับคารบอนใหสารประกอบ Carbideที่มีความแข็งและจุดหลอมตวัสูง (i.e. Cr23C6,V4C3, WC)

เหล็กกลาไรสนิม

• Stainless steel เปนเหล็กกลาท่ีความตานทานการกดักรอนสูงเปนพิเศษโดยไมเปนสนิมในบรรยากาศปกติ (เหล็กกลาท่ัวไปเปนสนิม)

• ความตานทานการกดักรอนไดมาจากการเติมธาตุ Cr (อยางนอย 13%) เปนหลักทําใหเกิดฟลมออกไซดท่ีผิวปองกันเนื้อโลหะ

• อาจเติมธาตุอ่ืน ๆ ชวยเพ่ิมสมบัตบิางประการเชน Ni และ Mo

Page 7: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

7

• Stainless steel แบงตามลักษณะโครงสรางพ้ืนไดเปน 3 ประเภทไดแก– Ferritic Stainless Steel(โครงสรางพ้ืนเปน ferrite อบชุบใหเปน martensite ไมได)– Austenitic Stainless Steel(เติม Ni ทําให Austenite เสถียรท่ีอุณหภูมิหอง)– Martensitic Stainless Steel(โครงสรางพ้ืนเปน martensite)

• Austenitic stainless steel ไมเปนแมเหล็กในขณะท่ี martensitic และferritic เปนแมเหล็ก

เหล็กกลาไรสนิม

เหล็กหลอ

• มีปริมาณคารบอนมากกวา 2%• จุดหลอมตัวต่ํากวาเหล็กกลาและมีความเหนียวนอยทําใหข้ึนรูปดวยวิธีการ

หลอไดสะดวกกวาดวยแรงทางกล• Fe3C เปนสารประกอบกึ่งเสถียร (Metastable compound) ซึ่งสามารถ

แตกตัวให Fe และ Graphite ได

)(33 GraphiteCFeCFe

Page 8: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

8

• ดังนั้นแผนภมูิสมดุลระหวาง Fe-Fe3C จึงไมใชแผนภูมสิมดลุของ Fe-Cอยางแทจริง แผนภูมสิมดลุของ Fe-C จะแตกตางไปจาก Fe-Fe3Cเล็กนอย

• ปจจัยท่ีทําใหเกดิ Graphite คือสวนผสมทางเคมีและอัตราการเย็นตัว• ธาตุผสมบางชนิดเชน Si ชวยทําใหเกิด Graphite• อัตราการเย็นตัวเร็วทําให Graphite ไมสามารถเกิดไดทันเพราะตองอาศัย

กระบวนการแพร ดังนั้นอัตราการเย็นตัวชาจะสงเสรมิให Graphite เกิดมากข้ึน

เหล็กหลอ

Page 9: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

9

ประเภทของเหล็กหลอ

• Gray Cast Iron• Ductile Cast Iron• White Cast Iron• Malleable Cast Iron

Graycast iron

Whitecast iron

Ductile castiron

Malleablecast iron

Page 10: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

10

White Cast Iron

• สําหรับเหล็กหลอที่มีปริมาณ Si ต่ํา (นอยกวา 1%) และ/หรือเย็นตัวอยางรวดเร็ว คารบอนจะอยูในรูปแบบของ Fe3C แทนgraphite

• เนื่องจากรอยแตกของเหล็กหลอชนิดนี้มีสีขาวจึงเรียก“เหล็กหลอขาว” หรือ White Cast Iron

• เหล็กหลอขาวมีสมบัติแข็งและเปราะมากทําใหสามารถใชไดเฉพาะงานที่ตองการความตานทานการสึกหรอสูงและไมสามารถรับแรงกระแทกได

ledeburite

pearlite

Page 11: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

11

Malleable Cast Iron

• เมื่อนําเหล็กหลอขาวมาอบท่ีอุณหภูมิ 800 – 900 C เปนเวลานาน (มากกวา30 ช่ัวโมง) ในบรรยากาศปกคลุม (เพ่ือปองกัน oxidation) จะทําให Fe3Cแตกตัวเปน graphite มีลักษณะเปนกลุมเปนกอนคลายดอกไม

• โครงสรางจลุภาคประกอบไปดวยกลุม graphite ลอมรอบดวยโครงสรางพ้ืนเปน ferrite หรือ pearlite ข้ึนอยูกับอัตราการเย็นตัว

• เหล็กหลอ Malleable จะมีความเหนียวและสามารถตแีผได (malleableแปลกวา สามารถตีแผได) มี tensile strength คอนขางสูง (ใกลเคยีงกับnodular cast iron)

Microstructure of Malleable Cast Iron

Page 12: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

12

Malleable Cast Iron

Gray Cast Iron

• ไดจากการเติม Si ลงไปประมาณ 1.0-3.0% มีคารบอนอยูในชวง2.5-4.0%

• Si ทําใหคารบอนในเหล็กรวมตัวเปน Graphite ในลักษณะ Flakeโครงสรางจุลภาคประกอบไปดวย Flake Graphite ลอมรอบดวยโครงสรางพ้ืนเปน ferrite หรอื pearlite

• เนื่องจาก flake graphite ทําใหรอยแตกของเหล็กหลอชนิดนี้มีสีเทาจึงเปนที่มาของชื่อ Gray cast iron

Page 13: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

13

Gray Cast Iron

• เหล็กหลอสีเทามีสมบัติคอนขางแข็งและเปราะ รับแรงดึงไดนอยเนื่องจากบริเวณปลายของ flake graphite เปนบริเวณที่เกิดstress concentration เหลก็หลอสีเทาสามารถรับแรงอัดไดดี

• สมบัติเดนของเหล็กหลอสีเทาคือสามารถรับแสงสั่นสะเทือนไดดีมาก• เหล็กหลอสีเทามี Fluidity ที่ดีมากทําใหสามารถหลอข้ึนรูปชิ้นงาน

ซับซอนไดงายกวาเหล็กหลอประเภทอ่ืนและมีตนทุนต่ําที่สุดในบรรดาเหล็กหลอดวยกัน

Microstructure of Gray Cast Iron

Page 14: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

14

SteelSteel

Gray Cast IronGray Cast Iron

Applications of Gray Iron

• เหล็กหลอเทาใชในงานทั่วไปที่ความแข็งแรงไมวิกฤต เชน ฝาทอ เสาไฟ ปาย

• เม่ือตองการ Thermal conductivity สูงอัตราการถายเทความรอนสําคัญ เชนbrake caliper, engine block

• เม่ือตองการ high damping capacity• เม่ือตองการ heat retention เชน กะทะ

จานเสริฟสเต็ก

Page 15: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

15

Ductile Cast Iron

• เหล็กหลอเหนียวไดจากการเติม Mg และ/หรือ Ce ลงใน gray castiron ขณะหลอมเหลวทําให graphite เปลี่ยนรูปแบบเปนทรงกลมจึงมีอีกชื่อหนึ่งคือ “Nodular Cast Iron”

• โครงสรางจุลภาคประกอบไปดวย nodular graphite และโครงสรางพ้ืนเปน ferrite หรือ pearlite ข้ึนอยูกับการอบชุบ โดยยิ่งใหเวลาที่อุณหภูมินานโครงสรางพ้ืนจะเปลี่ยนไปเปน ferrite เนื่องจากคารบอนแพรเขาสูบริเวณที่เปน graphite

• เหล็กหลอเหนียวมี tentile strength อยูในชวง 380-480 MPaซึ่งมากกวา gray cast iron เพราะมี graphite ที่อยูในรูปทรงกลมจึงไมมี stress concentration zone

• เหล็กหลอเหนียวมี elongation อยูในชวง 10-20%• การใชงานไดแก ทําเฟอง, วาลว, ตัวปมและชิ้นสวนยานยนต

Ductile Cast Iron

Page 16: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

16

Microstructure of Ductile Cast Iron

Microstructure of Ductile Cast Iron

Page 17: ประเภทของโลหะ - eng.sut.ac.theng.sut.ac.th/metal/images/stories/07_Classification_of_Metal.pdf · Steel Cast Iron Low Alloys High Alloys White Cast iron

17

Applications of Ductile Iron

• ช้ินสวนท่ี– รูปรางซับซอน– ขนาดใหญ– ตองการความแข็งแรง