ประเภทของโลหะ -...

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