ประเภทของโลหะ -...
TRANSCRIPT
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
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
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
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
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
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
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
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
9
ประเภทของเหล็กหลอ
• Gray Cast Iron• Ductile Cast Iron• White Cast Iron• Malleable Cast Iron
Graycast iron
Whitecast iron
Ductile castiron
Malleablecast iron
10
White Cast Iron
• สําหรับเหล็กหลอที่มีปริมาณ Si ต่ํา (นอยกวา 1%) และ/หรือเย็นตัวอยางรวดเร็ว คารบอนจะอยูในรูปแบบของ Fe3C แทนgraphite
• เนื่องจากรอยแตกของเหล็กหลอชนิดนี้มีสีขาวจึงเรียก“เหล็กหลอขาว” หรือ White Cast Iron
• เหล็กหลอขาวมีสมบัติแข็งและเปราะมากทําใหสามารถใชไดเฉพาะงานที่ตองการความตานทานการสึกหรอสูงและไมสามารถรับแรงกระแทกได
ledeburite
pearlite
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
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
13
Gray Cast Iron
• เหล็กหลอสีเทามีสมบัติคอนขางแข็งและเปราะ รับแรงดึงไดนอยเนื่องจากบริเวณปลายของ flake graphite เปนบริเวณที่เกิดstress concentration เหลก็หลอสีเทาสามารถรับแรงอัดไดดี
• สมบัติเดนของเหล็กหลอสีเทาคือสามารถรับแสงสั่นสะเทือนไดดีมาก• เหล็กหลอสีเทามี Fluidity ที่ดีมากทําใหสามารถหลอข้ึนรูปชิ้นงาน
ซับซอนไดงายกวาเหล็กหลอประเภทอ่ืนและมีตนทุนต่ําที่สุดในบรรดาเหล็กหลอดวยกัน
Microstructure of Gray 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
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
16
Microstructure of Ductile Cast Iron
Microstructure of Ductile Cast Iron
17
Applications of Ductile Iron
• ช้ินสวนท่ี– รูปรางซับซอน– ขนาดใหญ– ตองการความแข็งแรง