เหล็กกล้าผสม (Alloy steels).

คำนำ
เหล็กกล้าผสมคือ เหล็กที่ผสมธาตุต่าง ๆ นอกเหนือไปจากธาตุคาร์บอนและธาตุบางตัวที่ติดมาเนื่องจากกรรมวิธีการถลุง (Mn, Si, S
และ P) การผสมธาตุต่าง ๆ ลงไปในเหล็กก็เพื่อเป็นการปรับปรุงคุณสมบัติหลาย ๆ ประการที่เหล็กคาร์บอนให้คุณสมบัติเหล่านั้นอยู่ในเกณฑ์ที่ต่ำ ไม่สามารถใช้งานได้ดี ถึงแม้ว่าการผสมธาตุต่าง ๆ ลงไปในเหล็กจะทำให้เหล็กมีราคาสูงขึ้นก็ตาม ความมุ่งหมายของการผสมธาตุดังกล่าวมีหลายประการคือ
1. เพิ่มคุณสมบัติด้านชุบแข็ง
2. ปรับปรุงความแข็งแรงที่อุณหภูมิปกติ
3. เพิ่มคุณสมบัติต้านทานการสึกหรออันเนื่องมาจากการเสียดสีขณะใช้งาน
4. เพิ่มความเหนียวทนต่อการกระแทก
5. เพิ่มคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อน และ
6. ปรับปรุงคุณสมบัติต้านแม่เหล็ก
ธาตุที่ผสมในเหล็กมีมากมายหลายธาตุ ซึ่งแต่ละธาตุจะให้ผลต่อเหล็กแตกต่างกัน ในการศึกษาบทบาทของธาตุเหล่านี้ สามารถ แยก
ออกเป็นกลุ่มเพื่อความสะดวก ดังเช่น กลุ่มเพื่อเสถียรภาพของออสเตนไนท์, กลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์, กลุ่มรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ และกลุ่มรวมตัวกับไนโตรเจนให้ไนตรายด์ ธาตุบางอาจจะให้บทบาทอยู่ได้หลายกลุ่ม
กลุ่มเพิ่มเสถียรภาพออสเตนไนท์ ได้แก่ ธาตุนิเกิล, แมงกานีส และคาร์บอน จัดเป็นธาตุที่สำคัญในกลุ่มนี้ เมื่อผสมอยู่ในเหล็กจะมีบทบาท
ขยายอาณาเขตของออสเตนไนท์ (ดูจาก Phase equilibrium diagram) โดยลดอุณหภูมิของเส้น A3 ให้ต่ำลง และเพิ่มอุณหภูมิของเส้น A4 ให้สูงขึ้น เมื่อปริมาณของธาตุเหล่านี้เพิ่มมากขึ้น เหล็กผสมจะมีโครงสร้างออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิปกติ ถ้าปริมาณของธาตุที่ผสมมีมากพอธาตุในกลุ่มนี้จะมีระบบผลึกเป็น Face centered cubic ซึ่งละลายได้ดีในออสเตนไนท์
กลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ ธาตุที่สำคัญได้แก่ โครเมียม, ซิลิกอน, โมลิบดินัม, ทังสเตน และอะลูมิเนียม บทบาทของธาตุในกลุ่ม นี้จะ
ลดอุณหภูมิของเส้น A4 แต่จะเพิ่มอุณหภูมิของเส้น A3 ให้สูงขึ้น ทำให้อาณาเขตของเฟอร์ไรท์กว้างขึ้นไปทางด้านอุณหภูมิสูง ธาตุในกลุ่มนี้จะมีระบบผลึกเป็น Body centered cubic ซึ่งละลายได้ดีในเฟอร์ไรท์
กลุ่มรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ ได้แก่ ธาตุโครเมียม, ทังสเตน, โมลิบดินัม, วาเนเดียม และนิโอเบียม ซึ่งธาตุหลายธาตุที่อยู่ใน กลุ่ม
เพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ ธาตุดังกล่าวเมื่อผสมในเหล็กที่มีคาร์บอนจะเกิดการรวมตัวให้คาร์ไบด์ในลักษณะต่าง ๆ ซึ่งทำให้คุณสมบัติของเหล็กแตกต่างออกไป จะกล่าวถึงรายละเอียดภายหลัง
กลุ่มรวมตัวกับไนโตรเจนให้ไนตรอยด์ ธาตุที่สำคัญได้แก่ อลูมิเนียม, ไทเทเนียม และโครเมียม นอกจากธาตุทั้งสามแล้ว ธาตุทุกตัวที่อยู่
ในกลุ่มรวมตัวกับคาร์บอน สามารถรวมตัวกับไนโตรเจนให้ไนตรายด์ได้ แต่ให้ผลทางด้านความแข็งไม่อยู่ในเกณฑ์สูง

รูปที่ STEEL-AS1
แสดงบทบาทของธาตุผสมที่มีต่อโครงสร้างออสเตนไนท์และเฟอร์ไรท์.

สถานภาพในการผสมของธาตุต่าง ๆ ในเหล็ก (Distribution of alloying elements in steel)
ในเหล็กคาร์บอนทั่ว ๆ ไป เมื่อผสมธาตุต่าง ๆ ดังกล่าวมาแล้ว ธาตุเหล่านี้จะอยู่ในโครงสร้างของเหล็กได้ 5 ลักษณะด้วยกันคือ
1. ละลายในลักษณะสารละลายสภาพของแข็ง (Solid Solution)
2. รวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์
3. รวมตัวกับออกซิเจนหรือกำมะถันในเหล็ก ให้ออกไซต์และกระจัดกระจายอยู่ในรูปสารมลทิน (Inclusion)
4. รวมตัวกันระหว่างธาตุที่ผสมในเหล็กได้ Intermetallic compound
5. แยกตัวอยู่ในลักษณะโลหะบริสุทธิ์ เมื่อปริมาณเกินกว่าจุดละลายอิ่มตัว
ธาตุแต่ละตัวอาจจะให้ลักษณะของการผสมอยู่ร่วมในโครงสร้างได้หลายลักษณะ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะของธาตุแต่ละธาตุ ดังตัวอย่าง
เช่น แมงกานีส สามารถละลายได้ดีในเหล็กเฟอร์ไรท์ และส่วนที่เหลืออาจรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ และอาจจะรวมตัวกับออกซิเจน หรือกำมะถัน อยู่ในรูปของอินคลัสชั่น ดังปรากฏในตาราง STEEL-ALLOY-1 ข้างล่างนี้

ตาราง STEEL-ALLOY-1
แสดงสถานภาพของธาตุผสมในเหล็กกล้า

จากตารางจะสังเกตเห็นภาพแสดงธาตุขนาดของหัวลูกศรที่ต่างกัน เป็นการชี้บอกถึงปริมาณที่ธาตุต่าง ๆ ผสมอยู่ในเหล็กในลักษณะใดมาก
ดังเช่น ธาตุโคลัมเนียม จะปรากฏหัวลูกศรที่ชี้ไปทางช่องรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์มีขนาดโต แสดงว่าธาตุโคลัมเบียมเมื่อผสมในเหล็กจะอยู่ในลักษณะคาร์บอนได้มากกว่าละลายในเหล็กเฟอร์ไรท์ ตรงกันข้ามกับแมงกานีสจะละลายได้มากในเฟอร์ไรท์ แต่รวมตัวกับคาร์ไบด์น้อยกว่า นอกจากธาตุสองธาตุดังกล่าวแล้าธาตุอื่นจะละลายได้ในเฟอร์ไรท์และรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ได้ในปริมาณใกล้เคียงกัน
มีธาตุทองแดงกับตะกั่วที่สามารถแยกตัวอยู่ในลักษณะโลหะบริสุทธิ์เมื่อผสมในเหล็กเกินปริมาณที่จะละลายได้ในเฟอร์ไรท์

ผลของธาตุที่มีต่อเหล็กเฟอร์ไรท์ (Influence of alloying elements on the properties of ferrite)
ธาตุผสมส่วนใหญ่ะละลายได้ในเหล็กเฟอร์ไรท์ โดยเฉพาะธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ยิ่งละลายได้ดีในเฟอร์ไรท์ ผล
จากการละลายของธาตุในเหล็กเฟอร์ไรท์จะทำให้มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงกลของเหล็ก เพราะในโครงสร้างของเหล็กส่วนมากจะประกอบด้วยเฟอร์ไรท์ ดังนั้นเมื่อเฟอร์ไรท์มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติ จะทำให้เหล็กโดยส่วนรวมเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติไปด้วย
การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางด้านความเค้นแรงดึงสูงสุด ปรากฏว่าธาตุทุกตัวมีบทบาทเพิ่มค่าความเค้นแรงดึงสูงสุด โดยเฉพาะ
แมงกานีส กับซิลิกอน จะเพิ่มค่าความเค้นแรงดึงสูงสุดได้มาก เมื่อเปรียบเทียบกับธาตุอื่น ๆ ดังเช่น นิเกิล, โมลิบดินัม และทังสเตน สำหรับโครเมียมนั้นมีอัตราการเปลี่ยนแปลงความเค้นแรงดึงน้อย ดังภาพแสดง เมื่อพิจารณาคุณสมบัติทางด้านความเหนียวปรากฏว่าค่า % elongation ลดลงน้อย ยกเว้นเฉพาะแมงกานีสกับซิลิกอนที่มีผลต่อค่า % elongation สูงกว่าธาตุอื่น ๆ
ในด้านความแข็งปรากฏว่าธาตุทุกตัวมีส่วนเพิ่มความแข็งให้กับเฟอร์ไรท์ โดยเฉพาะซิลิกอน และแมงกานีส มีบทบาทในด้าน ความ
แข็งในอัตราสูง และตามด้วยนิเกิล, โมลิบดินัม, วาเนเดียม, ทังสเตน โดยมีโครเมียมอยู่ในอันดับสุดท้าย เช่นเดียวกับบทบาทด้านความเค้นแรงดึงสูงสุด สิ่งที่น่าสนใจประการสุดท้ายก็คือ คุณสมบัติต่อแรงกระแทก (Impact strength) ปรากฏว่าธาตุส่วนใหญ่จะลดคุณสมบัติทนต่อแรงกระแทกเมื่อผสมเกินกว่า 1% ยกเว้นนิเกิลจะไม่ลดคุณสมบัตินี้จนถึงปริมาณที่ผสมสูงถึง 6% ในช่วงอัตราการผสมไม่เกิน 6% นิเกิลมีแนวโน้มเพิ่มคุณสมบัติทนแรงกระแทก
สำหรับโครเมียมกับซิลิกอนจะเพิ่มคุณสมบัติทนแรงกระแทกเมื่อผสมไม่เกิน 1% หลังจากเมื่อปริมาณที่ผสมสูงกว่า 1% จะกลับลด
คุณสมบัตินี้อย่างมากโดยเฉพาะซิลิกอน ดูรูปที่ STEEL-AS2

รูปที่ STEEL-AS2
แสดงบทบาทของธาตุผสมที่มีต่อโครงสร้างเฟอร์ไรท์.

ผลของธาตุผสมที่มีต่อออสเตนไนท์ (Influence of alloying elements in forming Austenite)
ออสเตนไนท์เป็นโครงสร้างที่มีความสำคัญในเรื่องการอบชุบ เพราะคุณสมบัติของเหล็กภายหลัง การอบชุบจะขึ้นอยู่กับคุณลักษณะ
ของออสเตนไนท์ ดังเช่น การผสมธาตุต่าง ๆ ในเหล็กจะพบว่ามีผลต่อออสเตนไนท์หลายประการดังเช่น ทำให้อาณาเขตของออสเตนไนท์แคบลง จุดยูเต็คตอยด์และอุณหภูมิของยูเต็คตอยด์เปลี่ยนแปลง เป็นต้น เหตุผลที่เห็นได้ชัดก็คือ เมื่อผสมธาตุต่าง ๆ ในเหล็ก อะตอมของธาตุจะไปละลายหรือไปแทรกตามที่ว่างที่มีอยู่ใน Space Lattice ของอะตอมของเหล็ก ทำให้ที่ว่างสำหรับคาร์บอนน้อยลง เป็นเหตุหนึ่งที่ไปจำกัดอาณาเขตของออสเตนไนท์ให้แคบลง จุดที่ให้อัตราการละลายของคาร์บอนสูงสุด (maximum solubility) จะลดลงโดยลำดับเมื่อปริมาณของธาตุที่ผสมในเหล็กเพิ่มมากขึ้น นอกจากนี้แล้วปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์จะเปลี่ยนแปลงตามปริมาณของธาตุที่เพิ่มขึ้นเช่นเดียวกัน

ผลของนิเกิลและแมงกานีสที่มีต่อออสเตนไนท์
นิเกิลและแมงกานีสเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพออสเตนไนท์ แต่แมงกานีสแตกต่างกับนิเกิลตรงที่แมงกานีสสามารถรวม กับ
คาร์บอนให้แมงกานีสคาร์ไบด์ได้ แต่ทั้งนิเกิลและแมงกานีสมีผลต่อออสเตนไนท์คล้ายคลึงกัน กล่าวคือ ทั้งนิเกิลและแมงกานีสมีผลต่อออสเตนไนท์โดยลดอุณหภูมิของจุดยูเต็คตอยด์และลดปริมาณของคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ให้น้อยลง เมื่อปริมาณของนิเกิลและแมงกานีสเพิ่มขึ้น แต่ทั้งนิเกิลและแมงกานีสไม่เปลี่ยนแปลงอาณาเขตของออสเตนไนท์มากนัก ดูรูปที่ STEEL-AS3

รูปที่ STEEL-AS3
แสดงผลของธาตุแมงกานิสที่มีต่อโครงสร้างออสเตนไนท์.

จากภาพแสดง จะพบว่าในเหล็กคาร์บอนจะมีแมงกานีสประมาณ 0.35% จุดยูเต็คตอยด์จะอยู่ที่อุณหภูมิ 723 C และคาร์บอน
ประมาณ 0.8% เมื่อผสมแมงกานีสสูงถึง 9% จะปรากฏว่าอุณหภูมิยูเต็คตอยด์จะลดต่ำลงมาอยู่ที่อุณหภูมิ 650 C และปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์จะเหลือเพียง 0.33%


ผลของโครเมียมที่มีต่อออสเตนไนท์
โครเมียมเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ และรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ได้ดี เมื่อผสมโครเมียมในเหล็กจะมีผลต่อ
ออสเตนไนท์มาก จะทำให้อาณาเขตของออสเตนไนท์แคบลง โดยโครเมียมจะมีบทบาทลดอุณหภูมิของจุดยูเต็คตอยด์, ลดปริมาณของคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ และจุดที่คาร์บอนละลายสูงสุดในเหล็กจะลดลงด้วย ในขณะเดียวกันเส้นแบ่งอาณาเขตของออสเตนไนท์กับเหล็กหลอมเหลว (A4) ก็จะลดต่ำลง ดูรูปที่ STEEL-AS4

รูปที่ STEEL-AS4
แสดงบทบาทของธาตุโครเมียมที่มีต่อโครงสร้างออสเตนไนท์.

จากภาพแสดง จะพบว่าเมื่อผสมโครเมียมในเหล็ก 12% อาณาเขตของออสเตนไนท์จะเกือบถูกปิดสนิท และเมื่อเพิ่มปริมาณ ของ
โครเมียมเป็น 19% อาณาเขตของออสเตนไนท์ก็จะเหลืออยู่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น

ผลของโมลิบดินัมที่มีผลต่อออสเตนไนท์
โมลิบดินัมเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ และรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ได้ดีเช่นเดียวกับโครเมียม ดังนั้น จึงให้ผล
ต่อออสเตนไนท์คล้ายคลึงกับโครเมียม คือมีบทบาทลดอาณาเขตของออสเตนไนท์ โดยเปลี่ยนแปลงจุดยูเต็คตอยด์ และเส้น A4 สามารถปิดอาณาเขตของออสเตนไนท์ที่ปริมาณโมลิดินัม 2% โดยลดปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ลงมาเหลือเพียง 0.2% และจุดละลายสูงสุดของคาร์บอนในออสเตนไนท์จะเหลือเพียง 1.2% อุณหภูมิยูเต็คตอยด์เพิ่มขึ้นเป็น 850C เมื่อปริมาณของโมลิบดินัมในเหล็กเป็น 7% อาณาเขตของออสเตนไนท์จะเหลืออยู่ในสภาพที่เกือบเป็นจุด ดูรูปที่ STEEL-AS5

รูปที่ STEEL-AS5
แสดงบทบาทของธาตุโมลิบดินัมที่มีต่อโครงสร้างออสเตนไนท์.

ผลของไทเทเนียมและวาเนเดียมที่มีต่อออสเตนไนท์
ทั้งไทเทเนียมและวาเนเดียมเป็นธาตุที่สามารถรวมกับคาร์บอนได้ดี และให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพ ดังนั้น เมื่อผสมในเหล็กจะมีบทบาท
ต่อออสเตนไนท์รุนแรงมากกว่าโครเมียมและโมลิบดินัม กล่าวคือ ผสมเพียงปริมาณน้อยก็จะให้ผลเท่ากับโครเมียมและโมลิบดินัมเมื่อผสมปริมาณสูง ดังจะเห็นภาพแสดงผลของไทเทเนียมที่มีต่อออสเตนไนท์ เพียงปริมาณของไทเทเนียม 0.7% สามารถปิดอาณาเขตออสเตนไนท์ และเมื่อผสมไทเทเนียม 1% อาณาเขตของออสเตนไนท์จะเหลืออยู่ในลักษณะที่เป็นจุดแสดงว่าที่ 1% ไทเทเนียม คาร์บอนเกือบละลายไม่ได้เลยในออสเตนไนท์ แต่คาร์บอนจะอยู่ในรูปของไทเทเนียมคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัว (Non dissolved) ดูรูปที่ STEEL-AS6 ซึ่งจะมีผลต่อคุณสมบัติเหล็ก ในขณะชุบมาก

รูปที่ STEEL-AS6
แสดงบทบาทของธาตุไทเทเนี่ยมที่มีต่อออสเตนไนท์.

บทบาทของซิลิกอนที่มีผลต่อออสเตนไนท์
ซิลิกอนเป็นธาตุในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพให้กับออสเตนไนท์เช่นเดียวกับโครเมียมและโมลิบดินัม แต่ซิลิกอนแตกต่างกับโครเมียมและ
โมลิบดินัมตรงที่ซิลิกอนไม่สามารถรวมกับคาร์ไบด์ได้ ดังนั้น ผลของซิลิกอนที่มีต่อออสเตนไนท์จึงอยู่ในเกณฑ์ปานกลาง ดังจะเห็นได้จาก
รูปที่ STEEL-AS7

รูปที่ STEEL-AS7
แสดงบทบาทของธาตุซิลิกอนที่มีต่อออสเตนไนท์.

อาณาเขตของออสเตนไนท์จะถูกปิดเมื่อมีซิลิกอนผสมในเหล็ก 4% โดยมีจุดยูเต็คตอยด์ที่อุณหภูมิ 850C , 0.42% C จุดละลายสูงสุดของคาร์บอนอยู่ที่ 1.32% C เมื่อผสมซิลิกอนในเหล็กสูงถึง 8% อาณาเขตของออสเตนไนท์จะเหลืออยู่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซิลิกอนเป็นธาตุที่ไม่รวมกับคาร์บอน และยังแย่งที่ของคาร์บอนในเหล็ก ทำให้คาร์บอนที่เหลือจะจับตัวรวมกันเกิดกร๊าฟไฟ์ในเหล็ก อันเป็นส่วนทำให้คุณสมบัติของเหล็กเปลี่ยนแปลงได้มาก ดังนั้นในเหล็กที่มีซิลิกอนปริมาณสูงจะต้องลดคาร์บอนในเหล็กให้น้อยลง
Head
ข้อสรุปบทบาทของธาตุที่มีผลต่อจุดยูเต็คตอยด์
ในกรณีนี้พิจารณาได้เป็น 2 ประการคือ อุณหภูมิยูเต็คตอยด์กับปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ จากผลการทดลองพบว่าธาตุ
ในกลุ่มเสถียรภาพออสเตนไนท์ซึ่งได้แก่ นิเกิลและแมงกานีส มีบทบาทลดอุณหภูมิของจุดยูเต็คตอยด์ในอัตราไล่เลี่ยกัน ส่วนธาตุที่อยู่ในกลุ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ซึ่งได้แก่ โครเมียม, โมลิบดินัม, ทังสเตน, ไทเทเนียม และซิลิกอน มีบทบาทเพิ่มอุณหภูมิของจุดยูเต็คตอยด์ โดยมีไทเทเนียมอยู่อันดับแรก รองลงไปเป็นโมลิบดินัม, ซิลิกอน ทังสเตน โดยมีโครเมียมอยู่อันดับสุดท้าย ดังรูปที่ STEEL-AS8

รูปที่ STEEL-AS8
แสดงผลของธาตุต่างๆ ที่มีอุณหภูมิและปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์.

เมื่อพิจารณาปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ ธาตุทุกตัวมีบทบาทลดปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ โดยมีไทเทเนียมให้ผลรุนแรง
เป็นอันดับแรก ตามด้วยโมลิบดินัม, ทังสเตน ซิลิกอน โดยมีนิเกิล, แมงกานีส และโครเมียมอยู่ในกลุ่มให้ผลต่อปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์เป็นอันดับสุดท้าย ดังปรากฏในรูปที่ STEEL-AS8

หมายเหตุ
จากเอกสารอ้างอิงไม่กล่าวถึงวาเนเดียมในเรื่องนี้ ถ้าจะพิจารณากันตามหลักความเป็นจริงแล้ว วาเนเดียมน่าจะมีผลอยู่อันดับรองจาก
ไทเทเนียม สำหรับธาตุนิโอเบียมหรือโคลัมเบียม ก็เช่นกัน ไม่ปรากฏผลในเอกสารอ้างอิงเช่นเดียวกัน พิจารณาตามหลักความเป็นจริงนิโอเบียมน่าจะมีผลในเรื่องนี้ใกล้เคียงกับไทเทเนียม

บทบาทของธาตุผสมทีมีต่อการฟอร์มคาร์ไบด์ ตามที่ได้กล่าวมาแล้วธาตุผสมที่จัดอยู่ในกลุ่มรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์จะมีอยู่หลายธาตุ ซึ่งแต่ละธาตุจะสามารถรวมกับคาร์บอน
ได้ยากหรือง่ายขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะที่จะรวมกับคาร์บอน (Affinity) การจัดอันดับจะเป็นดังนี้ Mn, Cr, W Mo, V, Ti, Nb และ Ta สำหรับ Zr นั้นยังมีปัญหา เพราะจากเอกสารอ้างอิงบางฉบับไม่กล่าวถึง บางฉบับกล่าวถึงในลักษณะที่สามารถรวมกับคาร์บอนได้ดีมาก
ข้อสังเกตประการหนึ่งคือ ธาตุที่รวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ทุกตัวจะเป็นธาตุอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพให้กับเฟอร์ไรท์ ยกเว้นแมงกานีส
เป็นธาตุอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพให้ออสเตนไนท์
วิธีการจัดกลุ่มของธาตุที่สัมพันธ์กับการฟอร์มคาร์ไบด์อีกวิธีหนึ่งโดยการเปรียบเทียบปริมาณของธาตุที่รวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์
กับปริมาณของธาตุที่ละลายในเฟอร์ไรท์ เรียกว่าสัมประสิทธิ์การแบ่งส่วน (Partition coefficient)
กลุ่มที่ 1 ได้แก่ ธาตุ Si, Ai, Ni, Cu และ Co ซึ่งเป็นกลุ่มที่ไม่สามารถรวมตัวกับคาร์บอนได้ กลุ่มนี้จะค่าสัมประสิทธิ์การแบ่งส่วน
มีค่าน้อยมาก หรืออาจกล่าวได้ว่าค่าสัมประสิทธิ์การแบ่งส่วนเป็นศูนย์
กลุ่มที่ 2 ได้แก่ธาตุ Mn, Cr, W, Mo เป็นกลุ่มที่สามารถรวมกับคาร์บอนและละลายได้ในเฟอร์ไรท์ กลุ่มนี้มีค่าสัมประสิทธิ์การแบ่ง
ส่วน มีค่าประมาณ 1
กลุ่มที่ 3 ได้แก่ธาตุ V, Ti, Nb และ Ta เป็นกลุ่มที่รวมตัวกับคาร์บอนได้มากกว่าละลายในเฟอร์ไรท์ ดังนั้นกลุ่มนี้ค่าสัมประสิทธิ์
การแบ่งส่วนจะมีค่ามากกว่า 1
มีข้อยกเว้นสำหรับแมงกานีส เฉพาะกับเหล็กที่มีแมงกานีสสูง 10% คาร์บอน 1% จะปรากฏว่าค่าสัมประสิทธิ์การแบ่งส่วน ของ
แมงกานีสจะสูงถึง 2 - 5 ซึ่งควรจะอยู่ในกลุ่มที่ 3

การแบ่งประเภทของคาร์ไบด์
อาศัยลักษณะการฟอร์มคาร์ไบด์ และเสถียรภาพของคาร์ไบด์ เราสามารถแบ่งประเภทของคาร์ไบด์ได้เป็น 2 ประเภทคือ
1. คาร์ไบด์ชนิด complex หรือ Double คือลักษณะของคาร์ไบด์ที่เกิดจาการแทรกตัวของธาตุผสมในซีเมนต์ไตต์ (Fe3 C) กล่าวคือ
จะมีธาตุผสมเข้าไปแทนที่เหล็กในซีเมนต์ไตต์มีสูตรเป็น (Fe, M)3 C ในที่นี้ M คือธาตุผสม ดังตัวอย่างเช่น (Fe, Mn)3 C, (Fe, Mo)3 C หรือ (Fe, Cr)3 C สำหรับ Ti และ Nb ไม่สามารถแทนที่เหล็กหรือละลายได้ในซีเมนต์ไตต์
มีข้อยกเว้นสำหรับแมงกานีสในกรณีของแมงกานีสอาจจะแทนที่เหล็กในซีเมนต์ไตต์ได้หมด ให้สูตร Mn3C ถ้ามี Mn ปริมาณมาก
2. คาร์ไบด์ชนิดพิเศษ (special) เมื่อปริมาณของธาตุผสมในเหล็กและคาร์บอนมีปริมาณมากพอหรือธาตุที่ผสมในเหล็กมี affinity
กับคาร์บอนสูง ดังเช่นธาตุ Ti และ Nb โอกาสธาตุจะรวมกับคาร์บอนโดยตรง และให้คาร์ไบด์ในฟอร์ม TiC, NbC หรือ Cr7C3 ในบางกรณีอาจจะมีเหล็กเข้ามาแทรกหรือละลายอยู่ด้วย ก็ได้ ดังตัวอย่างเช่น (Cr, Fe)7 C3 ,(Mo, Fe)6 C และ (W, Fe)6 C เป็นต้น
คาร์ไบด์ชนิดพิเศษนี้จะเกิดได้ยากกว่าชนิดแรก จะเกิดได้ก็ต่อเมื่อต้องมีธาตุผสมปริมาณสูง หรือไม่จะรวมกับคาร์ไบด์ให้คาร์ไบด์
ให้คาร์ไบด์ชนิดพิเศษจะต้องเป็นธาตุที่มี affinity สูงกับคาร์บอน คาร์ไบด์ชนิดนี้จะมีเสถียรภาพสูง คือสลายตัวหรือละลายได้น้อยในออสเตนไนท์ การเกาะกลุ่มขยายตัวได้ช้า มีการกระจัดกระจายดี นับว่าเป็นส่วนหนึ่งที่จะช่วยป้องกันการขยายตัวของเกรนออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิสูง ผลของธาตุผสมที่มีต่อการรวมตัวกับคาร์บอน แต่ละธาตุมีผลดังต่อไปนี้

โครเมียม สามารถรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ไดทั้งสองลักษณะขึ้นอยู่กับปริมาณของคาร์บอนและโครเมียม พบว่าถ้า มีโครเมียมไม่เกิน
15% จะได้โครเมียมคาร์ไบด์ในแบบ complex ให้สูตร (Fe Cr)3 C มีระบบผลึกเป็นแบบ Orthorhombic
เมื่อปริมาณโครเมียมสูงถึง 36 จะได้โครเมียมคาร์ไบด์ชนิดพิเศษอีกแบบหนึ่งคือ (Cr Fe)7 C3 มีระบบผลึกเป็นระบบ Hexahonal
ถ้าโครเมียมมีปริมาณสูงกว่า 36% ถึง 70% จะให้โครเมียมคาร์ไบด์แบบพิเศษ ซึ่งมีสูตร (Cr Fe)4 C หรือ (Cr Fe)23 C6 ซึ่งเป็น
คาร์ไบด์ที่ความแข็งสูง และเปราะมาก มีระบบผลึกเป็นแบบ Cubic

รูปที่ STEEL-AS9
แสดงลักษณะของแผนภูมิ Constitution สำหรับเหล็ก-คาร์บอน-โครเมี่ยม.

จากรูปที่ STEEL-AS9 แสดงเป็นแผนภาพที่ตัดมาจากภาพ Ternary system (Fe-Cr C) เพื่อแสดงให้เห็นการเกิด ลักษณะ
ของคาร์ไบด์ ตามปริมาณของคาร์บอนและโครเมียมในสภาพอบอ่อนตัว (annealed)

โมลิบดินั่ม จะให้คาร์บอนได้ทั้งแบบคอมเพล็กซ์และแบบพิเศษ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณของโมลิบดินั่มและคาร์บอนในเหล็ก ถ้าปริมาณ
โมลิบดินั่มต่ำไม่เกิด 2% จะให้คาร์บอนชนิดคอมเพล็กซ์ในรูป (Fe Mo)3 C มีปริมาณโมลิบดินั่มสูงกว่า 2% จะให้คาร์ไบด์แบบพิเศษ 2 แบบคือ (Mo.Fe)6 C และ MoC และเมื่อปริมาณของโมลิบดินั่มสูงมากขึ้นและปริมาณคาร์บอนต่ำโมลิบดินั่มจะรวมกับเหล็กให้อินเตอร์เมตตัลลิคคอม ปานด์ ในสูตร Fe3 Mo2 ดังรูปที่ STEEL-AS10

รูปที่ STEEL-AS10
แสดงแผนภูมิ Constitution สำหรับเหล็ก-คาร์บอน-โมลิบดินั่ม.

ทังสเตน มีบทบาทในการรวมตัวกับคาร์บอนคล้ายคลึงกับโมลิบดินั่ม ให้คาร์ไบด์ชนิดคอมเพล็กซ์ เมื่อมีปริมาณทังสเตนน้อย และจะ
ให้คาร์ไบด์พิเศษเมื่อมีปริมาณทังสเตนมาก คาร์ไบด์พิเศษจะอยู่ในรูป (Fe W) C หรือบางที่ให้สูตร Fe7 W5 C2 ซึ่งมักจะพบในเหล็กทำเครื่องมือตัดชนิดความเร็วสูง (High speed steel) จากแผนภาพจะแสดงให้เห็นถึงลักษณะการเกิดทังสเตนคาร์ไบด์ ซึ่งสัมพันธ์กันระหว่างคาร์บอนและทังสเตน และจะเห็นได้จากรูปที่ STEEL-AS11 เมื่อปริมาณทังสเตนมีมากและคาร์บอนมีน้อย เหล็กจะรวมกับทังสเตนให้ Fe3 W2

รูปที่ STEEL-AS11
แสดงแผนภูมิ Constitution สำหรับเหล็ก-คาร์บอน-ทังสเตน.

วาเนเดียม จะให้คาร์ไบด์ชนิดคอมเพล็กซ์ (Fe V)3 C ที่ปริมาณวาเนเดียมต่ำไม่เกิน 0.5% เมื่อปริมาณวาเนเดียมสูงกว่านี้จะให้
คาร์ไบด์ ชนิดพิเศษ (V.Fe)4 C3 ซึ่งเป็นคาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง และมีการกระจัดกระจาย จะมีผลในการป้องกันการขยายตัวของเกรนออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิสูงในขณะทำการอบชุบเหล็กจากแผ่นภาพ เหล็ก - วาเนเดียม-คาร์บอน ที่แสดงยังไม่สมบูรณ์เพราะไม่ปรากฏ Fe V เนื่องจากภาพที่แสดงตัดเฉพาะส่วนที่วาเนเดียมมีปริมาณไม่เกิน 10% ดังรูปที่STEEL-AS12

รูปที่ STEEL-AS12
แสดงแผนภูมิ Constitution สำหรับเหล็ก-คาร์บอน-วาเนเดียม.

แมงกานีส เป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพออสเตนไนท์ และสามารถรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ ซึ่งต่างกับธาตุอื่น ๆ แมงกานีส
รวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ชนิดคอมเพล็กซ์ (Fe Mn)3 C เพียงชนิดเดียว และถ้าแมงกานีสมีปริมาณมากอาจจะแทนที่เหล็กในซีเมนต์ไตต์ได้หมด ให้คาร์ไบด์ที่มีสูตรเป็น Mn3C ซึ่งจะมีการรวมตัวและขยายตัวได้ที่อุณหภูมิสูง จึงไม่มีผลทางด้านการป้องกันการขยายตัวของเกรนออสเตนไนท์เลย ดังเช่นเหล็กออสเตนนิติค แมงกานีส หรือ ฮาดฟิลด์

ข้อสังเกตบางประการเกี่ยวกับฟอร์มของคาร์ไบด์และการกระจัดกระจาย คาร์ไบด์ที่เกิดจากธาตุผสมจะให้ผลต่อคุณสมบัติของเหล็กเช่นเดียวกับซีเมตต์ไตต์นั่นคือปริมาณ รูปร่างความละเอียด และลักษณะ
กระจัดกระจายของคาร์ไบด์ภายในโครงสร้างพื้นฐาน (matrix) จะบทบาทในการแปรค่าทั้งความแข็งแรง, คุณสมบัติอ่อนตัว และความหนาทนทานต่อการเสียดสี ดังข้อสรุปต่อไปนี้
1. ผลึกคาร์ไบด์ที่มีขนาดโตจะมีผลต่อความแข็งแรงน้อยกว่าผลึกคาร์ได์ที่มีขนาดเล็ก
2. ในกรณีที่ความละเอียดของคาร์ไบด์ใกล้เคียงกันลักษณะของผลึกคาร์ไบด์ที่เป็นแถบบาง ๆ (lamellar) จะมีผลต่อความแข็งแรง, แต่คุณสมบัติความอ่อนตัว (Ductility) จะลดลด ตรงกันข้ามผลึกคาร์ไบด์ที่มีลักษณะกลม (spheroidal) จะให้ผลดีต่อความแข็งแรงโดยไม่ทำให้ความอ่อนตัวลดลง
3. ผลึกของคาร์ไบด์ที่เกิดอยู่ตามขอบของเกรน (grain boundary) จะมีผลทำให้เหล็กเปราะแตกง่ายเมื่อถูกแรงกระแทก
4. ผลึกของคาร์ไบด์ไม่ว่าจะเป็นประเภทใดจะให้ผลทางด้านทนต่อการสึกหรอที่เกิดจากการเสียดสี (abrasion resistance)

บทบาทของธาตุที่มีผลต่อการชุบแข็ง
ในการชุบแข็งเหล็กผสมมีสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาสองประการดังนี้คือ
1. ความแข็งภายหลังการชุบแข็ง ผลจากการทดลองวัดความแข็งภายหลังการชุบแข็งเหล็ก 0.02% C 10% Cr ได้ความแข็ง 35 HRC
แต่เหล็ก 0.35% C ไม่ผสมโครเมียม ภายหลังการชุบแข็งได้ชุบแข็ง 50 HRC จะเห็นได้ชัดว่าธาตุที่ผสมในเหล็กไม่มีบทบาทมากนักในการเพิ่มความแข็งให้กับมาร์เทนไซต์ ธาตุคาร์บอนจะให้ผลต่อความแข็งของมาร์เทนไซต์เด่นชัดกว่าธาตุผสม ทั้งนี้เพราะคาร์บอนจะก่อให้เกิดการบิดเบี้ยวของกลุ่มอะตอม (Lattice deformation) ได้ดีกว่าธาตุผสม
ธาตุผสมที่อยู่ในประเภทรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ จะมีผลต่อความแข็งอยู่บ้างก็เฉพาะที่เกิดคาร์ไบด์และไม่สลายตัวในขณะที่เผา
ที่อุณหภูมิสูง (Non dissolved) เมื่อกระจัดกระจายอยู่ในโครงสร้างของมาร์เทนไซต์จะมีบทบาททางด้านความต้านทานต่อการเสียดสีในขณะใช้งาน (wear resistance) ทำให้การสึกหรอน้อยลง แต่คาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวนี้จะไปมีผลต่อความสามารถในการชุบแข็ง ซึ่งจะกล่าวถึงในตอนต่อไป ธาตุที่สำคัญได้แก่ ทังสเตน, วาเนเดียม และโมลิบดินั่ม ซึ่งคาร์ไบด์ของธาตุเหล่านี้มีเสถียรภาพสูงในการชุบแข็งเหล็กที่มีธาตุเหล่านี้ผสมจะตัองเผาที่อุณหภูมิสูงถึงประมาณ 1200 C - 1300 C จีงจะสลายตัว
2. ความสามารถในการชุบแข็ง (Hardenability) จากที่เคยกล่าวมาแล้ว ความสามารถในการชุบแช็งของเหล็กขึ้นอยู่กับแฟคเตอร์
ที่สำคัญคือ
2.1 เกรนของออสเตนไนท์ เหล็กจะมีความสามารถในการชุบแข็งสูงควรจะมีออสเตนไนท์เกรนโต เพราะบริเวณรอบเกรนของ
ออสเตนไนท์จะเป็นบริเวณที่ช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากออสเตนไนท์ไปเป็นซีเมนต์ไตต์และเฟอร์ไรท์ได้ดี เพราะเป็นบริเวณที่มีเสถียรภาพต่ำ กล่าวคือกลุ่มอะตอมจะเรียงตัวกันอย่างไม่เป็นระเบียบ ดังนั้นถ้าออสเตนไนท์มีขนาดเกรนเล็กบริเวณรอบเกรนจะมีมาก ธาตุที่ให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง เช่น วาเนเดียมคาร์ไบด์หรือทังสเตนคาร์ไบด์ จะเป็นตัวป้องกันการขยายตัวของเกรนออสเตนไนท์จีงมีผลต่อความสามารถในการชุบแข็งโดยตรง
2.2 พวกคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัว (Non dissolved carbide) เป็นอีกแฟคเตอร์หนึงที่มีผลต่อความสามารถในการชุบแข็ง เพราะพวก
คาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวนี้จะกระจัดกระจายอยู่ในออสเตนไนท์ และพร้อมจะทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสให้กับการเปลี่ยนแปลงจากออสเตนไนท์ไปเป็นซีเมนต์ไตต์ และเฟอร์ไรท์ ในขณะชุบเหล็กโอกาสที่จะให้มาร์เทนไซต์จะน้อยลงทำให้ความแข็งที่จะได้ภายหลังการชุบแข็งต่ำกว่าที่ควรจะได้
นอกจากพวกคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวจะมีผลต่อความสามารถในการชุบแข็งแล้ว พวกสารมลทินที่อยู่ในรูปของซิลิกา (SlO2) และ
(Al2 O3) ซึ่งจะไม่สลายตัวเช่นเดียวกัน ในช่วงอุณหภูมิออสเตนไนท์จะมีผลต่อความสามารถในการชุบแข็งเช่นเดียวกับพวกคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัว
2.3 ความสม่ำเสมอของออสเตนไนท์มีความสำคัญต่อความสามารถในการชุบแข็งเช่นเดียวกัน
ในการชุบแข็งเหล็กจะต้องถูกเผาให้ร้อนจนได้โครงสร้างออสเตนไนท์อย่างสม่ำเสมอ ถ้าออสเตนไนท์ขาดความสม่ำเสมอ เป็นต้นว่า
มีคาร์ไบด์ที้ไม่สลายตัวจับตัวกันอยู่เป็นกลุ่มเป็นก้อนจะทำให้บริเวณใกล้เคียงมีปริมาณของธาตุผสมแตกต่างไปจากบริเวณอื่น ๆ เพราะการเคลื่อนไหวของธาตุผสมโดยทั่วไปจะช้า ยิ่งบริเวณที่มีผลึกของคาร์ไบด์ขนาดโตการเคลื่อนที่ของอะตอมของธาตุจะต้องเคลื่อนเป็นระยะทางไกล ซึ่งจะต้องใช้เวลามากขึ้น ดังนั้น ธาตุผสมในโครงสร้างของออสเตนไนท์จะไม่สม่ำเสมอ และการขยายตัวของเกรนออสเตนไนท์จะไม่เท่ากันตลอด เพราะการขยายตัวของออสเตนไนท์จะเกิดขึ้นเมื่อคาร์ไบด์สลายตัวหมดแล้ว ดังนั้นบริเวณใดที่ไม่มีคาร์ไบด์ เกรนของออสเตนไนท์จะขยายตัวได้เร็วกว่าบริเวณที่มีคาร์ไบด์ จึงเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ขนาดของเกรนออสเตนไนท์ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทำให้มาร์เทนไซต์ที่ได้ภายหลังการชุบแข็งไม่สม่ำเสมอเช่นเดียวกัน ซึ่งจัดเป็นคุณสมบัติที่ไม่ดีของเหล็กชุบแข็ง



บทบาทของธาตุที่มีต่อการอบคืนตัว (Tempering)
การอบคืนตัวจะกระทำภายหลังการชุบแข็ง ความมุ่งหมายก็คือเพื่อลดความเครียดที่เกิดจากการทำให้เหล็กเย็นตัวอย่างรวดเร็ว
จากอุณหภูมิออสเตนไนท์จนถึงอุณหภูมิปกติ นอกจากนี้ยังมีส่วนช่วยให้เหล็กมีความเหนียวเพิ่มขึ้น เพราะภายหลังการชุบจะได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ซึ่งมีความแข็งสูงแต่จะเปราะแตกง่ายทำให้เป็นอันตรายในขณะนำไปใช้งาน แต่การอบคืนตัวจะทำให้ความแข็งลดลงมากน้อยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและระยะเวลาของการอบคืนตัว ดังได้กล่าวมาแล้วในเรื่องของการอบคืนตัวของเหล็กกล้าคาร์บอน บทบาทของธาตุผสมที่มีต่อการอบคืนตัวโดยทั่วไปจะมีผลในการต่อต้านการลดความแข็ง คือทำให้ความแข็งลดลงในอัตราที่ช้ากว่าเหล็กกล้าคาร์บอน ทั้งนี้ยกเว้นธาตุผสมที่มีอยู่ในกลุ่มไม่รวมตัวกับคาร์บอน เช่น นิเกิล, ซิลิกอน และรวมถึงแมงกานีสในขอบเขตอันหนึ่ง ซึ่งจะให้ผลในการต่อต้านการลดความแข็งในขณะทำการคืนตัวน้อยมาก
สำหรับธาตุผสมที่สามารถรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ในหลายรูแบบ เช่น โครเมียม, โมลิบดินั่ม, ทังสเตน และวาเนเดียม จะมีผล
ให้การต้านการลดความแข็งอย่างเด่นชัด ยิ่งมีปริมาณธาตุผสมเหล่านี้สูงผลในด้านนี้ยิ่งชัดเจนมาก โดยเฉพาะในช่วงอุณหภูมิ
400 C - 600 C นอกจากจะไม่ลดความแข็งแล้วยังมีส่วนทำให้ความแข็งกลับเพิ่มสูงขึ้น ซึ่งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า Secondary Hardening
Secondary Hardening จะเกิดขึ้นเฉพาะเหล็กผสมที่มีธาตุ โครเมียม, โมลิบดินั่ม , ทังสเตน และวาเนเดียมเป็นส่วนใหญ่
จากการศึกษาเหล็ก 0.35% C ผสมโครเมียมปริมาณต่าง ๆ กัน เริ่มตั้งแต่ 0.5%, 0.2%, 4% และ 12% เมื่อนำมาอบคืนตัวภายหลังการชุบแข็งที่อุณหภูมิต่าง ๆ กัน วัดความแข็งสัมพันธ์กับอุณหภูมิที่ทำการอบคืนตัว เมื่อนำมาพล๊อตกร๊าฟปรากฏว่าเหล็กที่ผสมโครเมียม 0.5% เส้นกร๊าฟจะเริ่มแยกสูงขึ้นจากเส้น กร๊าฟเปรียบเทียบกับเหล็กที่ไม่ผสมโครเมียมเลย ยิ่งมีปริมาณโครเมียมสูงขึ้นจะสังเกตเห็นการเกิด Secondary Hardening ได้ชัดเจนขึ้น โดยเฉพาะเหล็กผสมโครเมียม 12% จะปรากฏผลของการเกิด Secondary Hardening ได้ชัดเจนในช่วงอุณหภูมิ 400 C - 600C
จากการศึกษาด้วยกล้องขยายที่มีกำลังขยายสูง (Electron Microscope) พบว่าในขณะทำการอบคืนตัวในช่วงอุณหภูมินี้จะเกิด
การตกผลึก (Preciptation) ของคาร์ไบด์ระหว่างธาตุผสมกับคาร์บอนเกิดในลักษณะที่ละเอียดมาก (Embryo) และกระจัดกระจายอยู่ในโครงสร้างของมาร์เทนไซต์ ทำให้มีส่วนเกิดการบิดเบี้ยวของกลุ่มอะตอมใน Space Lattice ได้มากมายภายในโครงสร้าง ผลที่เกิดขึ้นก็คือเหล็กจะมีความแข็งสูงขึ้น ส่วนคุณสมบัติทนแรงกระแทกอาจจะมีส่วนลดลง (Temper Brittleness)
เหตุที่ปรากฏการณ์ Secondary Hardening เกิดเฉพาะในช่วงอุณหภูมิ 400 C - 600 C เพราะในช่วงอุณหภูมินี้อัตราการ
เคลื่อนไหวในลักษณะแพร่ซึม (Diffusion) ของอะตอมของธาตุผสมจะเป็นไปได้ดี ทำให้เกิดการรวมตัวกันระหว่างธาตุผสมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ แต่การเคลื่อนไหวของอะตอมธาตุผสมจะเป็นไปได้ในระยะสั้น ๆ ทำให้เกิดคาร์ไบด์ที่มีลักษณะละเอียดจนไม่สามารถจะมองเห็นได้ด้วยกล้องไมโครสโคปที่มีกำลังขยายต่ำ ๆ
เมื่อทำการอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 600 C ความแข็งที่ด้จะค่อย ๆ ลดลง เนื่องจากจะเกิดการรวมตัวและขยายตัวเป็นเกรนโต
ของคาร์ไบด์ ลักษณะการบิดเบี้ยวของกลุ่มอะตอมจะค่อย ๆ หมดไป ความแข็งของเหล็กจึงลดลงโดยลำดับขึ้นอยู่กับอุณหภูมิยิ่งสูงความแข็งจะลดลงมาก

รูปที่ STEEL-AS13
แสดงผลของธาตุโครเมี่ยมที่มีต่อการอบคลายซึ่งให้คุณสมบัติ Secondary hardening.


จากรูปที่ STEEL-AS13 แสดงให้เห็นการเกิด Secondary Hardening ได้ชัดเจนสำหรับเหล็ก 0.35% C เมื่อปริมาณ โครเมียม
เพิ่มขึ้นที่ 2% และจะเห็นชัดเจนเมื่อปริมาณโครเมียมเพิ่มเป็น 12% จะให้ความแข็งสูงเมื่ออุณหภูมิของการอบคืนตัวอยู่ระหว่าง 400 C - 500 C เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นความแข็งจะลดลง จากภาพมีสิ่งที่น่าสังเกตอยู่ 2 ประการคือ
ประการแรก จะสังเกตเห็นความแข็งของเหล็กภายหลังการชุบแข็งไม่สูงขึ้นมากนักเมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กที่ไม่ได้ผสมโครเมียม
ทั้งนี้เพราะความแข็งของเหล็กที่ได้ภายหลังการชุบส่วนใหญ่จะเป็นผลจากคาร์บอนที่ให้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ ไม่ใช่ผลจากธาตุผสม
ประการที่สอง จะสังเกตพบว่าเหล็กที่ผสมโครเมียมสูงถึง 12% ความแข็งที่ได้ภายหลังการชุบแข็งจะต่ำกว่าความแข็งที่ได้จาก
เหล็กที่ไม่ผสมโครเมียมเลย เหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะปริมาณโครเมียมที่มีอยู่สูงทำให้โครเมียมสามารถรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง (Complex Carbide) เมื่อเผาที่อุณหภูมิสูงในช่วงที่เป็นออสเตนไนท์ก่อนการชุบแข็งคาร์ไบด์จำนวนหนึ่งจะไม่สลายตัวหมด ทำให้ปริมาณของคาร์บอนที่ละลายในออสเตนไนท์มีปริมาณน้อยลงกว่า 0.35% C เป็นเหตุให้เมื่อชุบแข็งจึงได้ความแข็งต่ำกว่า เพราะมาร์เทนไซท์ที่ได้มีคาร์บอนต่ำ ในกรณีเช่นนี้ถ้าต้องการให้ได้ความแข็งสูงภายหลังการชุบแข็งจะต้องเพิ่มปริมาณคาร์บอนในเหล็กให้สูงกว่า 0.35% C
สำหรับผลของธาตุอื่น ๆ ที่มีต่อปรากฏการณ์ Secondary Hardening เช่น โมลิบดินั่ม และวาเนเดียม จะให้ผลในลักษณะ
คล้ายคลึงกับโครเมียม เพียงแต่ปริมาณที่จะทำให้เกิด Secondary Hardening จะน้อยกว่าโครเมียมมาก ดังเช่น โมลิบดินั่มเพียง 0.5% แลวาเนเดียมเพียงปริมาณ 0.27% ก็ทำให้เกิดปรากฏการณ์ Secondary Hardening ดังรูปที่ STEEL-AS14 แสดงส่วนรายละเอียดมากกว่านี้จะต้องศึกษาเหล็กแต่ละชนิดจากคู่มือการชุบแข็งเหล็กกล้าผสม

รูปที่ STEEL-AS14
แสดงผลของธาตุโมลิบดินั่มที่ให้คุณสมบัติ Secondary hardening.

สรุปบทบาทของธาตุผสมแต่ละตัวที่มีต่อคุณสมบัติของเหล็กกล้า
นิเกิล จัดเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพให้กับออสเตนไนท์ โดยไม่รวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์มีบทบาทที่สำคัญดังนี้
- มีบทบาททำให้จุดยูเต็คตอยด์ทั้งปริมาณคาร์บอนและอุณหภูมิต่ำลง ทำให้ปริมาณเพิรไลท์มากขึ้นและเฟอร์ไรท์น้อยลง
- จากบทบาทของนิเกิลดังกล่าวทำให้เหล็กมีเกรนละเอียด เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของออสเตนไนท์เกิดที่อุณหภูมิต่ำลง
- เพิ่มคุณสมบัติความสามารถในการชุบแข็งให้กับเหล็ก โดยทำให้ T.T.T Diagram เคลื่อนไปทางขวา และลดอุณหภูมิการ เปลี่ยน
แปลงออสเตนไนท์เป็นมาร์เทนไซต์ (Ms) ให้ต่ำลง เหล็กที่ผสมนิเกิลมากกว่า 3% อาจจะได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์โดยการทำ Normalising
- เพิ่มคุณสมบัติทางด้านเชื่อมให้กับเหล็ก (Weldability)
- ปรับปรุงคุณสมบัติทางด้านทนต่อแรงกระแทกที่อุณหภูมิต่ำ โดยลดอุณหภูมิ Transition ให้ต่ำลงกว่า 0C (เหล็กคาร์บอนจะมีอุณหภูมิ Transition ประมาณ 0C) ดังตัวอย่างเช่น เหล็ก 0.12% C เมื่อผสมนิเกิล 9% จะทำให้อุณหภูมิ Transition ของเหล็กเป็น -200C
- ปรับปรุงคุณสมบัติทางด้านผุกร่อนให้ดีขึ้น ดูรูปที่ STEEL-AS15 ประกอบ

รูปที่ STEEL-AS15
แสดงบทบาทของวาเนเดียมที่มีต่อการอบคลาย

แมงกานีส เป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเดียวกับนิเกิล ต่างกับนิเกิลตรงที่ความสามารถรวมกับคาร์บอนให้แมงกานีสคาร์ไบด์ที่ทำให้ บทบาท
ของแมงกานีสเปลี่ยนแปลงไปจากนิเกิล บทบาทของแมงกานีสที่สำคัญมีดังนี้
- เปลี่ยนแปลงจุดยูเต็คตอยด์ทั้งปริมาณคาร์บอนและอุณหภูมิให้ต่ำลง ทำให้ปริมาณเพิรไลท์มากขึ้นและเฟอร์ไรท์น้อยลง และมีส่วนทำให้เหล็กมีเกรนละเอียดคล้ายคลึงกับนิเกิล
- เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็งให้กับเหล็กและมีผลรุนแรงกว่านิเกิลถึง 2 เท่า - เพิ่มความแข็งแรงและความแข็ง แต่มีส่วนทำให้ความเหนียวลดลง โดยแมงกานีสมีแนวโน้มที่จะแยกตัวอยู่ตามขอบของเกรน (Grain Boundary) หมายเหตุ ในทางปฏิบัติไม่นิยมใช้แมงกานีสเป็นธาตุผสม ถึงแม้ว่าแมงกานีสจะมีราคาถูกกว่ามากก็ตามเพราะแมงกานีสมีข้อเสียที่จะต้องระมัดระวังอยู่หลายประการคื
1. แมงกานีสมีบทบาททำให้เกิด Temper Brittleness ในขณะทำการอบคืนตัวในช่วงอุณหภูมิ 400 C - 600 C แมงกานีสจะรวมกับคาร์บอนให้แมงกานีสคาร์ไบด์ และมักจะตกผลึกจับตัวอยู่ตามขอบเกรนของเหล็กในลักษณะต่อเนื่อง จากเกรนหนึ่งไปยังอีกเกรนหนึ่ง ซึ่งทำให้เหล็กมีคุณสมบัติเปราะไม่ทนต่อแรงกระแทก ซึ่งรู้จักคุณสมบัตินี้ในนามของ Sickness of Krupp หรือ Malady of Krupp
2. เมื่อเผาที่อุณหภูมิสูง เกรนของเหล็กที่ผสมแมงกานีสจะขยายตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้เหล็กมีเกรนโตเห็นได้ชัดในเหล็กฮาร์ดฟิลด์
3. เนื่องจากแมงกานีสมีบทบาทเพิ่มเสถียรภาพให้กับออสเตนไนท์ ทำให้เกิดออสเตนไนท์เหลือค้างปริมาณมากภายหลังการชุบแข็ง ซึ่งจะไปเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ในขณะใช้งาน ทำให้เกิดการขยายตัวเล็กน้อย จะเกิดอันตรายจากการแตกร้าวได้ง่าย
4. แมงกานีสมีแนวโน้มที่จะเกิดการแยกตัว (segregation) ได้ง่าย ซึ่งอาจจะไปรวมอยู่ตามเกรนหรือบริเวณใจกลางของแท่งเหล็ก (Ingot) ทำให้เหล็กมีคุณสมบัติไม่สม่ำเสมอ
5. แมงกานีสรวมตัวกับกำมะถันทำให้เกิด Inclusion ในเหล็ก เป็นสาเหตุที่ทำให้เหล็ขาดคุณสมบัติทางด้านความเหนียว

ปัจจุบันได้มีการค้นคว้าวิจัยในหลาย ๆ สถาบัน เพื่อจะใช้แมงกานีสเป็นธาตุผสมในเหล็กให้มากที่สุด ดังตัวอย่างเช่น การทดลองผสมแมงกานีสมากกว่า 3% ในเหล็กที่มีคาร์บอนต่ำ, การศึกษาวิจัยเหล็ก 4.5% แมงกานีส 0.15% คาร์บอน ในเหล็กที่มีวาเนเดียมและโมลิบดินั่ม, การศึกษาผลของแมงกานีสร่วมกับนิโอเบี่ยมและวาเนเดียมในเหล็กและอื่น ๆ ทั้งนี้มีสาเหตุ มาจากปัญหาการขาดแคลนแหล่งทรัพยากรของแร่โครเมียม, โมลิบดินั่มและวาเนเดียม ทำให้ธาตุต่าง ๆ ดังกล่าวมีราคาสูงขึ้นอย่างมากในตลาดโลก ส่วนแร่แมงกานีสนั้นยังมีเหลืออยู่อีกมากโดยเฉพาะในมหาสมุทรซึ่งเป็นแหล่งที่สำรวจพบว่าแร่แมงกานีส (nodules) เป็นจำนวนมาก

โครเมียม เป็นธาตุอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพของเฟอร์ไรท์ สามารถรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูงในเกณฑ์ มีบทบาทที่
สำคัญเมื่อผสมในเหล็กกล้าคาร์บอนดังนี้
- มีบทบาททำให้จุดยูเต็คตอยด์ มีคาร์บอนต่ำลง แต่กลับทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น
- เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็งให้กับเหล็ก โดยมีส่วนทำให้ T.T.T diagram เคลื่อนไปทางขวา และแยก diagram ออกเป็นสองส่วน เมื่อมีปริมาณโครเมียมสูงเกินกว่า 3% ด้วยเหตุนี้ที่อุณหภูมิประมาณ 500 C ซึ่งเป็นช่วงที่มีการแยก T.T.T. diagram ออสเตนไนท์จะมีเสถียรภาพมากที่สุด (ดังรูปที่ STEEL-AS16 )
- เมื่อโครเมียมรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพ ทำให้เหล็กมีคุณสมบัติรักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง
- มีบทบาทช่วยให้เกิดคุณสมบัติ Secondary Hardening เมื่อผสมโครเมียมปริมาณสู
- มีแนวโน้มที่จะเกิดอาการเปราะในขณะอบคืนตัว (Temper brittleness) แต่ไม่รุนแรงเท่าแมงกานีส
- เมื่อผสมโครเมียมปริมาณสูง 30 - 60% จะให้เหล็กเฟอร์ไรท์ที่เปราะและแตกง่ายเมื่อถูกกระแทก
- เพิ่มคุณสมบัติต้านทางการกัดกร่อน

รูปที่ STEEL-AS16
แผนภูมิ T T T ของเหล็กกล้าผสมโครเมี่ยม 5 % .

โมลิบดินั่ม เป็นธาตุอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ และรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์คล้ายคลึงกับโครเมียม จึงมีบทบาทที่
สำคัญเช่นเดียวกับโครเมียม
- ลดปริมาณของคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ แต่กลับเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น
- เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อผสมปริมาณไม่เกิน 1% แต่ถ้าผสมปริมาณมากขึ้นจะทำให้ความสามารถในการชุบแข็งลดลง สามารถแยก T.T.T diagram ออกเป็น 2 ส่วน เมื่อผสมโมลิบดินั่มเพียง 0.5%
- สามารถรวมกับคาร์บอนให้โมลิบดินั่มคาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง ทำให้เหล็กผสมโมลิบดินั่ม ทนความร้อนได้ดี โดยไม่สูญเสียความแข็งแรง - มีบทบาทช่วนให้เกิดคุณสมบัติ Secondary Hardening โดยไม่มีผลทางด้าน Temper brittleness
- ให้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่มีเสถียรภาพสูงถึงอุณหภูมิประมาณ 600 C ทำให้รักษาความแข็งไว้ได้ดีที่อุณหภูมิไม่เกิน 600 C
- เพิ่มคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อน

วาเนเดียม จัดอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ และสามารถรวมตัวกับคาร์บอนได้ดีกว่าโมลิบดินั่ม โดยให้วาเนเดียมคาร์ไบด์ทั้ง
ประเภทคอมเพล็กซ์ และชนิดพิเศษที่มีเสถียรภาพสูงมาก ไม่สลายได้ง่านแม้เผาที่อุณหภูมิสูง มีบทบาทที่สำคัญดังนี้
- ลดปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ แต่กลับเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นเช่นเดียวกับโครเมียมและโมลิบดินั่ม
- เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อผสมวาเนเดียมไม่เกิน 0.04% เพราะปริมาณน้อยจะละลายได้ดีในเหล็กออสเตนไนท์ ลดคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อผสมวาเนเดียมเกินกว่า 0.04% เนื่องจากวาเนเดียมจะรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ชนิดพิเศษ (V4 C3 ) ซึ่งไม่สลายตัวได้ง่าย ทำให้ออสเตนไนท์ขยายตัวได้ยากจึงมีเกรนเล็กละเอียดและตัวคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวจะทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสช่วยให้ ออสเตนไนท์เปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรท์และซีเมนไตต์ได้ง่าย
- วาเนเดียมมีบทบาททำให้เหล็กมีเกรนละเอียดได้ดีมาก เนื่องจากวาเนเดียมคาร์ไบด์มีเสถียรภาพสูงไม่สลายตัวได้ง่าย จึงทำหน้าที่ป้องกันการขยายตัวของออสเตนไนท์
- รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง
- ให้คุณสมบัติทางด้าน Secondary Hardening ทีอุณหภูมิประมาณ 400 - 700 C โดยไม่มีผลด้าน Temper Brittleness
- มีบทบาทป้องกันไม่ให้เกิด Ageing ในเหล็กที่มีไนโตรเจนปริมาณสูง

ทังสเตน จัดอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์และรวมกับคาร์บอนได้ดีอยู่ระหว่าง โมลิบดินั่มกับโครเมียมให้ ทังสเตนคาร์ไบด์ที่
มีเสถียรภาพสูงและมีความแข็งแรงสูง บทบาทที่สำคัญมีดังนี้
- ลดปริมาณของคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ แต่กลับเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น
- เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง แต่จะมีผลน้อยกว่าโมลิบดินั่มประมาณครึ่งหนึ่ง
- รวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ชนิดพิเศษที่มีเสถียรภาพสูง ทำให้รักษาความแข็งไว้ได้จนถึงสภาพร้อนแดง (Red Hardness)
- ให้ผลทางด้าน Secondary Hardening โดยไม่มีแนวโน้มทำให้เกิด Temper Brittleness

ในอุตสาหกรรมเหล็กเครื่องมือจะผสมทังสเตนในเหล็กที่ต้องการความแข็งสูง โดยเฉพาะเหล็กที่ทนความร้อนสูง เช่น เหล็กทำมีดกลึงโลหะหรือเหล็กทำแบบแม่พิมพ์ร้อนทั่วไปจะใช้โมลิบดินั่มเพราะราคาถูกกว่ามาก

ไทเทเนียม เป็นธาตุอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ และรวมตัวกับคาร์บอนได้ดีมากให้คาร์ไบด์ชนิดพิเศษที่มีเสถียรภาพ อยู่ใน
เกณฑ์สูง นอกจากนี้ไทเทเนียมยังสามารถรวมตัวกับไนโตรเจนได้ดีอีกด้วยให้คุณสมบัติต่างออกไปจากธาตุผสมอื่น ๆ ไทเทเนียมละลายได้น้อยมาก (ประมาณ 0.75%) ในออสเตนไนท์ ดังนั้นถ้าผสมไทเทเนียมปริมาณสูงในเหล็กอาจจะทำให้การชุบแข็งเหล็กด้วยวิธีธรรมดาไม่ได้ผล ดังตัวอย่างเช่น เหล็ก 0.5% C ถ้าผสมไทเทเนียม 1.5 - 2.0% จะไม่สามารถชุบแข็งโดยวิธีธรรมดาได้เลย เพราะคาร์บอนจะถูกดึงไปรวมกับไทเทเนียมจนเกือบหมด ทำให้ปริมาณคาร์บอนในออสเตนไนท์มีน้อยมาก บทบาทของไทเทเนียมในเหล็กที่สำคัญมีดังนี้
- เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อผสมในเหล็กปริมาณน้อยไม่เกิน 1%
- ลดอุณหภูมิทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อผสมในเหล็กปริมาณสูงยกเว้นเมื่อเหล็กมีปริมาณคาร์บอนสูง
- ให้ผลทางด้าน Secondary Hardening น้อยมากและไม่มีแนวโน้มที่จะเกิด Temper brittleness
- รวมตัวกับไนโตรเจนให้ไทเทเนียมไนตรายที่มีความแข็งสูง
- ให้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่มีเสถียรภาพสูง ดังเช่นเหล็ก 2% C เมื่อผสมไทเทเนียม 1% เมื่อชุบแข็งจะได้มาร์เทนไซต์ที่มีเสถียรภาพสูง จะไม่เปลี่ยนความแข็งเลยขณะทำการอบคืนตัวทีอุณหภูมิสูง

ซิลิกอน เป็นธาตุที่ไม่รวมกับคาร์บอนเมื่อผสมในเหล็ก เพราะจะรวมกับเหล็กได้ดีกว่าคาร์บอน, ซิลิกอนจัดอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพ
เฟอร์ไรท์ มีบทบาทที่สำคัญดังนี้
- ละลายได้ดีในเฟอร์ไรท์เพื่อความแข็งแรงให้กับเฟอร์ไรท์โดยเฉพาะเพิ่มคาจดอลากของเหล็กให้สูงขึ้น
- ไม่มีบทบาทเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งคือ ไม่มีผลทำให้ T.T.T Diagram เคลื่อนไปทางซ้ายหรือขวา
- ไม่มีผลทั้ง Secondary Hardening และ Temper Brittleness
- มีบทบาทเพิ่มเสถียรภาพให้กับมาร์เทนไซต์ถึงอุณหภูมิประมาณ 500 C คุณสมบัติทางด้านเชื่อมของเหล็กไม่ดีเมื่อผสมซิลิกอนสูง เพราะซิลิกอนจะรวมกับออกซิเจนได้ง่ายมาก

อลูมิเนียม จัดอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ ไม่สามารถรวมกับคาร์บอนได้ แต่จะรวมกับไนโตรเจนได้ดี มีบทบาทที่สำคัญคือ
- ละลายได้ดีมากในเฟอร์ไรท์ และเพิ่มความแข็งให้กับเฟอร์ไรท์
- ละลายได้เล็กน้อยในซีเมนต์ไตต์ แต่จะทำให้ซีเมนต์ไตต์ไม่มีเสถียรภาพ แตกตัวได้ง่าย เมื่อถูกความร้อนทำให้เกิดกร๊าฟไฟต์ ละลายได้เล็กน้อยไม่เกิน 0.6% ในออสเตนไนท์ จึงมีบทบาทเพิ่มคุณสมบัติด้านความสามารถในการชุบแข็งเพียงเล็กน้อย
- ไม่มีบทบาททางด้าน Secondary Hardening และ Temper Brittleness
- เมื่อรวมตัวกับไนโตรเจนจะให้ในตรายด์ที่มีความแข็งสูง มีเสถียรภาพช่วยทำให้การขยายตัวของออสเตนไนท์ได้น้อยลง ในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่จะใช้อลูมิเนียมเป็นตัวกำจัดเกส (Deoxidiser) เพื่อหยุดการเดือดของเหล็กก่อนการเทลงแบบหล่อ จะใช้อลูมิเนียมเป็นธาตุผสมเฉพาะกรณีผลิตเหล็กเพื่อทำการชุบแข็งไนตรายดิง

โคบอลต์ ไม่รวมกับคาร์บอน และอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพออสเตนไนท์ เช่นเดียวกับนิเกิล แต่มีบทบาทแตกต่างนิเกิลมาก
- ละลายได้ดีในเฟอร์ไรท์ มีบทบาทเพิ่มความแข็งให้กับเฟอร์ไรท์
- มีบทบาทลดความสามารถในการชุบแข็ง คือทำให้ T.T.T Diagram เลื่อนมาทางซ้าย และทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของออสเตนไนท์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ (เส้น MS) กลับสูงขึ้น
- ไม่มีผลด้าน Secondary Hardening และ Temper Brittleness
- มีคุณสมบัติรักษาความแข็งแรงไว้ได้ดีที่อุณหภูมิสูง (Red Hardness) เนื่องจากโคบอลต์มีราคาค่อนข้างสูง จึงไม่นิยมผสมโคบอลต์ ยกเว้นแต่ในกรณ๊ที่ต้องการเหล็กที่มีคุณสมบัติพิเศษ เช่นเหล็กทำอุปกรณ์ตัดโลหะ หรือทำแม่เหล็กถาวร

โบรอน รวมกับคาร์บอนได้ดีให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง เป็นธาตุในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ในอุตสาหกรรมโลหะใช้โบรอน
น้อยมาก จะใช้เฉพาะในกรณีพิเศษเพาะราคาสูง บทบาทที่สำคัญของโบรอนคือ เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อใช้ปริมาณไม่เกิน 0.003% ทำให้ T.T.T Diagram เคลื่อนไปทางขวาแต่ไม่ทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของออสเตนไนท์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ลดต่ำลง คุณสมบัติทางด้านอื่น ๆ ของโบรอนยังไม่มีการศึกษาโดยละเอียด เนื่องจากยังไม่นิยมใช้โบรอนเป็นธาตุผสมเพราะราคาสูง

นิโอเบียม หรือ โคลัมเบียม จัดเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพให้กับเฟอร์ไรท์ และสามารถรวมกับคาร์บอนได้ดีมากเช่นเดียวกับ
ไทเทเนียม บทบาทที่สำคัญของนิโอเบียมจึงคล้ายคลึงกับไทเทเนียมมาก ต่างกันตรงที่นิโอเบียมไม่รวมตัวกับไนโตรเจนให้นิโอเบียมไนตรายด์

ชนิดของเหล็กกล้าผสม (Clasification of alloy steels) ในอุตสาหกรรมผลิตเหล็กกล้าผสมโดยทั่วไปจะไม่ผสมธาตุผสมเพียงธาตุใดธาตุหนึ่งโดยเฉพาะ มักจะผสมร่วมกันตั้งแต่สองธาตุขึ้นไป
ทั้งนี้เพื่อให้บทบาทของธาตุที่ผสมร่วมกันได้มีส่วนทำให้คุณภาพของเหล็กกล้าผสมอยู่ในเกณฑ์สูงและราคาไม่แพงจนเกินไป ดังตัวอย่างเช่น เหล็กนิเกิล-โครเมียม เหล็กโครเมียม-โมลิบดินั่ม-วาเนเดียม เป็นต้น ทำให้การจำแนกของเหล็กกล้าผสมเป็นไปอย่างกว้างขวาง และมาตรฐานจะแตกต่างกันไปแต่ละแหล่งที่ผลิต มีทั้งการจำแนกโดยอาศัยลักษณะโครงสร้าง เช่น
1. เหล็กเฟอร์ริติค เป็นเหล็กที่มีคาร์บอนต่ำ และผสมธาตุส่วนใหญ๋ที่มีบทบาททำให้เฟอร์ไรท์มีเสถียรภาพเช่น โครเมียม, โมลิบดินั่ม และวาเนเดียม
2. เหล็กเพิรลิติค เป็นเหล็กที่มีคาร์บอนปานกลาง ถึงคาร์บอนสูง และมีธาตุต่าง ๆ ผสมอยู่ไม่เกิน 5 - 6%
3. เหล็กมาร์เทนซิติค เป็นเหล็กที่มีคาร์บอนปานกลางถึงคาร์บอนสูง มีธาตุโดยเฉพาะ แมงกานีส, นิเกิล และอื่น ๆ อยู่ในปริมาณที่จะทำให้เหล็กมีโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์ เพียงปล่อยให้เย็นในอากาศ
4. เหล็กออสเทนนิติค เป็นเหล็กที่ผสมธาตุนิเกิล และแมงกานีสในปริมาณสูง ตั้งแต่ 10% ขึ้นไปจนถึง 30% ซึ่งธาตุทั้งสองสามารถคงสภาพโครงสร้างเป็นออสเตนไนท์ได้ทีอุณหภูมิปกติ
นอกจากการแบ่งประเภทโดยอาศัยโครงสร้างแล้ว ยังมีการจำแนกประเภทโดยอาศัยลักษณะการใช้งานดังเช่น เหล็กสร้างเครื่องมือกล
(Constructional alloy steels) ได้แก่ เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนปานกลาง และมีธาตุผสมอยู่ในปริมาณต่ำ มีความแข็งแรงไม่สูงมาก สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติได้ด้วยการอบชุบ เหล็กที่กล่าวถึงนี้มีหลายชนิดขึ้นอยู่กับมาตรฐานการผลิตและปริมาณธาตุที่ผสม ที่ควรรู้จักเพราะใช้กันอย่างกว้างขวางได้แก่ เหล็กมาตรฐาน AISI 4140 หรือ 4150 (JIS ScM 440-445 หรือ DIN 42 CrMo 4) และ AISI 4340 (JIS SncM 439 DIN 26 Cr Ni Mo 4)
- เหล็กเครื่องมือ (Tool steels) หมายถึงเหล็กที่ใช้ทำอุปกรณ์การตัดโลหะหรือการขึ้นรูปโลหะและอื่น ๆ ซึ่งสามารถจำแนกออก ไป
ได้กว้างขวางตามลักษณะการใช้งาน เช่น เหล็กทำเครื่องมือร้อน (Hot working tool) หรือเหล็กทำเครื่องมือเย็น (Cold working tool) เหล็กทำเครื่องทนแรงกระแทก (Shock-re isting) และเหล็กทำเครื่องมือตัดความสูง (High speed steel)
- อาศัยปริมาณของธาตุผสมเป็นหลักในการจำแนก ได้แก่ เหล็กเครื่องมือคาร์บอน (Carbon tool steels) เหล็กเครื่องมือผสมตำ
(low-alloy tool steels) และเหล็กเครื่องมือผสมปานกลาง (Medium-alloy tool steels)
- อาศัยลักษณะการชุบแข็งเป็นเหล็กในการแบ่งชนิดได้แก่ เหล็กชุบแข็งด้วยน้ำใช้สัญลักษณ์ W เหล็กชุบแข็งด้วยน้ำมันใช้สัญลักษณ์ O
และ A แทนเหล็กชุบแข็งโดยการปล่อยให้เย็นในอากาศ

การชุบแข็งและการรอบคืนตัวเหล็กกล้าผสม เหล็กกล้าชุบแข็งและการอบคืนตัวเหล็กกล้าผสมโดยทั่วไปแล้วจะไม่แตกต่างกันไปจากการชุบแข็ง และการอบคืนตัวที่ กระทำกับเหล็กกล้า
คาร์บอน สิ่งที่แตกต่างออกไปก็คืออุณหภูมิที่เผาก่อนการชุบ ของเหลวที่ใช้ในการชุบและอุณหภูมิที่ใช้ในการอบคืนตัว ทั้งนี้เพราะอิทธิพลของธาตุผสมเป็นสำคัญ อุณหภูมิที่เผาในช่วงที่เป็นออสเตนไนท์ก่อนการชุบ จำเป็นจะต้องเผาที่อุณหภูมิสูงเพื่อต้องการให้คาร์ไบด์ของธาตุผสมมีโอกาสสลายตัวในออสเตนไนท์ได้มาก ยิ่งเป็นคาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูงอุณหภูมิที่ใช้จะต้องสูงขึ้นไปอีก หรือไม่ก็ใช้เวลาในการเผานานออกไป เพราะถ้าเกิดมีคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวอยู่มาก จะทำให้ความสามารถในการชุบแข็งลดลง อาจจะไม่ได้เหล็กที่มีความแข็งสูงตามต้องการ เมื่อต้องเผาที่อุณหภูมิสูงกว่าปกติการควบคุมบรรยากาศภายในเตาจำเป็นจะต้องควบคุมให้ได้ผล เพื่อป้องกันการลดปริมาณคาร์บอน (Decarbur zation) นอกจากนี้อัตราการเผาต้องให้เป็นไปโดยสม่ำเสมอ และช้ากว่าปกติ เพื่อป้องกันการบิดตัวของชิ้นงาน ยิ่งในกรณีนี้ชิ้นงานที่มีรูปซับซ้อน จำเป็นต้องระวังมากขึ้น สิ่งที่จะต้องพิจารณาอีกประการหนึ่งคือ ช่วงเวลา (Holing time) ที่เผาเหล็กก่อนการชุบ จะต้องไม่ยาวนานจนเกินไป เพราะจะทำให้ธาตุผสมบางตัวที่รวมตัวกับคาร์บอนสลายตัวมากเกินไปจะทำให้ออสเตนไนท์ (matrix) มีธาตุผสมละลายอยู่ในอัตราสูง อาจจะทำให้ออสเตนไนท์ไม่เปลี่ยนไปเป็นมาร์เทนไซต์ได้หมดในขณะทำการชุบจะได้ออสเตนไนท์เหลือค้าง (retained austenite) อยู่จำนวนมาก ทำให้ความแข็งที่ได้จะต่ำกว่าที่ควร เหตุผลที่สำคัญก็คือ ธาตุผสมเกือบทุกตัวมีส่วนช่วยให้อุณหภูมิการเปลี่ยนออสเตนไนท์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ต่ำลง ยิ่งเหล็กกล้าผสมเป็นชนิดที่มีธาตุผสมสูง จำเป็นจะต้องพิจารณากรณีที่จะเกิดขึ้นนี้ (ดังรูปที่ STEEL-AS17)

รูปที่ STEEL-AS17
แสดงผลของการชุบแข็งที่อุณหภูมิและเวลาต่าง ๆ กัน.

ของเหลวที่ใช้ในการชุบจะใช้ได้หลายชนิดขึ้นอยู่กับธาตุที่ผสม เพราะธาตุที่ผสมส่วนมากจะมีบทบาททำให้อัตราการเย็นตัววิกฤต
(critical cooling rate) ช้าลง เหล็กกล้าผสมบางชนิดอาจจะทำให้เย็นในอากาศก็จะได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ ดังนั้นของเหลวที่ใช้สำหรับการชุบแข็งเหล็กกล้าผสมจะมีตั้งแต่ น้ำ น้ำมัน เกลือละลายจนถึงอากาศ (เรียกเหล็กที่ใช้โครงสร้างมาร์เทนไซต์โดยการปล่อยให้เย็นในอากาศว่าเหล็กชุบลม หรือ air hardening)
อุณหภูมิที่ใช้ในการอบคืนตัว (Tempering) เป็นเรื่องที่จะต้องพิจารณามาก เพราะการอบคืนตัวกระทำให้หลายช่วงของอุณหภูมิ
ดังเช่น การอบที่อุณหภูมิต่ำ (Low tempering temperature) และการอบที่อุณหภูมิสูง (high tempering temperature) นอกจากนี้จะต้องศึกษาถึงลักษณะของธาตุผสมที่มีอยู่ในเหล็ก เพราะธาตุผสมที่อยู่ในกลุ่มรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ จะมีผบต่อการรอบคืนตัวมาก เช่น จะให้คุณสมบัติ Secondary hardening และ temper brittleness
เพื่อศึกษาคุณสมบัติของเหล็กที่สัมพันธ์กับอุณหภูมิที่ใช้การคืนตัว จะขอยกตัวอย่างเหล็ก ASTM A2 (1% C,5% Cr, 1% Mo)
ซึ่งเป็นเหล็กที่มีโครเมียมและโมลิบดินั่มผสมภายหลังการชุบแข็งที่อุณหภูมิ 970 C โดยการชุบน้ำมันจากนั้นจะนำมาทำการอบคืนตัวที่อุณหภูมิต่าง ๆ ผลจะปรากฏว่า ความแข็งจะลดลงทีละน้อยจนถึงอุณหภูมิประมาณ 420 C ความแข็งจะกลับสูงขึ้นจนถึงอุณหภูมิ 500 C ความแข็งจึงจะเริ่มลดลงเป็นการเกิด Secondary hardening คุณสมบัติทนแรงกระแทกจะลดลง คือเกิด Temper brittleness ( ดังรูปที่ STEEL-AS18 )

รูปที่ STEEL-AS18
แสดงผลของการเปลี่ยนแปลงของความแข็ง ( HRC )
และความต้านทานแรงกระแทก ( KCU )
เมื่อทำการอบคืนตัวที่อุณหภูมิต่าง ๆ.

การเกิด Temper Brittleness ของเหล็กภายหลังการอบคืนตัวเป็นเรื่องที่จะต้องพิจารณามาก โดยเฉพาะเหล็กประเภทเครื่องมือ
ที่ต้องรับแรงกระแทกมากเช่น ใบมีดตัด (shear blade) พวก die ต่าง ๆ (Punching, Forging และ Blanking dies) การอบคืนตัวจะต้องทำที่อุณหภูมิต่ำ เพื่อต้องการคุณสมบัติทนแรงกระแทกให้อยู่ในสภาพเกณฑ์ดี แต่ถ้าต้องการคุณสมบัติทนแรงกกระแทกสูงมากก็จะต้องอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงเลยช่วงที่จะเกิด Temper brittleness
อีกประการหนึ่งเกี่ยวกับ Temper brittleness ของเหล็กที่มีโครเมี่ยมและแมงกานีสเป็นส่วนผสมในปริมาณค่อนข้างสูง
ปรากฏว่าในขณะที่อบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงประมาณ 450 C ขึ้นไป ถ้าปล่อยให้เหล็กเย็นช้า ๆ จะเกิดคุณสมบัติเปราะได้อีก คือค่า Impact strength จะกลับลดลง แต่ถ้าภายหลังการอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 450 C แล้วปล่อยให้เย็นอย่างรวดเร็ว อาการเกิด Temper brittleness จะหายไป ( ดังรูปที่ STEEL-AS19 ) จากการศึกษาพบว่าอาการที่เกิดขึ้นมาจากสาเหตุการเกิดคาร์ไบด์ขนาดเล็กตามรอบ ๆ เกรนเช่นเดียวกัน

รูปที่ STEEL-AS19
แสดงผลเปรียบเทียบความต้านทานแรงกระแทก
ที่อุณหภูมิการอบคืนตัวต่าง ๆที่มีต่ออัตราการเย็นตัวต่างกัน.

ข้อปลีกย่อยสำหรับการอบชุบเหล็กกล้าผสมแต่ละชนิดยังมีอีกมาก ซึ่งจะต้องศึกษารายละเอียดจากรายงานการอบชุบของเหล็ก แต่ละ
ชนิดโดยคำแนะนำของผู้ผลิต หรือจากหนังสือ Handbook เพราะเหล็กกล้าผสมที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมีมากมายหลายชนิด จึงไม่อาจจะกล่าวรายละเอียดได้ ณ ที่นี้
Comments