บทที่ 2 โลหะกลุ่มเหล็ก และโลหะนอกกลุ่มเหล็ก
บทที่ 2 โลหะกลุ่มเหล็ก และโลหะนอกกลุ่มเหล็ก
โลหะกลุ่มเหล็ก
โลหะเหล็ก
การผลิตเหล็ก
แร่เหล็ก
แหล่งกำเนินแร่ที่สำคัญ
เหล็กกล้า
โลหะนอกกลุ่มเหล็ก
โลหะหนัก
โลหะเบา
โลหะคืออะไร
วัสดุประเภทโลหะ(Metals) คือวัสดุที่ได้จากการถลุงสินแร่ต่าง ๆ อันได้แก่ เหล็ก ทองแดงอลูมิเนียม นิเกิล ดีบุก สังกะสี ทองคำ ตะกั่ว เป็นต้น โลหะเมื่อถลุงได้จากสินแร่ในตอนแรกนั้น ส่วนใหญ่จะเป็นโลหะเนื้อค่อนข้างบริสุทธิ์ โลหะเหล่านี้มักจะมีเนื้ออ่อนไม่แข็งแรงเพียงพอที่จะนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรมโดยตรง ส่วนมากจะนำไปปรับปรุงคุณสมบัติก่อน การใช้งาน
1.เป็นตัวนำความร้อนได้ดี
2.เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี
3.มีความคงทนถาวรตามสภาพ
4.ไม่เสื่อมสลายหรือเปลี่ยนแปลงสถานะภาพง่าย
5.เป็นของแข็งที่อุณหภูมิปกติ ยกเว้นโลหะปรอท
6.มีความแข็งและความเหนียวสูง ยกเว้นโลหะปรอท
7. ผิวมันขาว
8. มีการขยายตัวที่อุณหภูมิสูง
2. ประเภทวัสดุโลหะ วัสดุโลหะแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทคือ
2.1 โลหะกลุ่มเหล็ก (Ferous Metals)
หมายถึง โลหะที่มีพื้นฐานเป็นเหล็กประกอบอยู่ ได้แก่ เหล็กเหนียว เหล็กหล่อ เหล็กกล้า ฯลฯ เป็นวัสดุโลหะที่ใช้กันมากที่สุดในวงการอุตสาหกรรม เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงสูง สามารถปรับปรุงคุณภาพและเปลี่ยนแปลงรูปทรงได้หลายวิธี เช่น การหล่อ การกลึง การอัดรีดขึ้นรูป เป็นต้น
2.2 โลหะนอกกลุ่มเหล็ก (Non-Ferous Metals)
หมายถึง โลหะที่ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับเหล็กเลยในขณะที่เป็นโลหะบริสุทธิ์ ได้แก่ ดีบุก อลูมิเนียม สังกะสี ตะกั่ว ทองแดง ทองคำ เงิน ทองคำขาว แมกนีเซียม พลวง เป็นต้น วัสดุโลหะประเภทที่ไม่ใช่เหล็กนี้ บางชนิดราคาสูงกว่าเหล็กมาก จึงต้องกำหนดใช้กับงานทางอุตสาหกรรมบางประเภทที่เหมาะสมเท่านั้น เช่น ทองแดงใช้กับงานไฟฟ้า ดีบุกใช้กับงานที่ต้องการทนต่อการกัดกร่อนเป็นสนิม อลูมิเนียมใช้กับงานที่ต้องการน้ำหนักเบา เป็นต้น
แร่โลหะ หมายถึง แร่ที่มีธาตุโลหะเป็นส่วนประกอบสำคัญ สามารถนำไปถลุงหรือแยกเอาโลหะมาใช้ประโยชน์ ซึ่งอาจจำแนกเป็น แร่โลหะพื้นฐาน แร่โลหะหนัก แร่โลหะหายาก แร่โลหะมีค่า แร่ที่ใช้ในอุตสาหกรรมเหล็ก
สินแร่โลหะสำคัญในประเทศไทย ได้แก่ ดีบุก ทังสเตน พลวง แมงกานีส ตะกั่ว สังกะสี ทองแดง ทองคำ เงิน และโครมเมียม
โลหะกลุ่มเหล็ก (Ferous Metals)
เป็นวัสดุที่มีกำลังรับการรับแรงสูง มีความคงทนตลอดอายุการใช้งานหากมีการบำรุงรักษาที่ดี และมีรูปทรงมาตราฐานที่เม่นยำไม่เปลี่ยนแปลงง่าย จึงถูกนำมาใช้งานในด้านต่าง ๆ เช่น ทำเป็นเครื่องมือกสิกรรม เครื่องมือช่าง ใช้ในงานก่อสร้าง หรือใช้ในงานอุตสาหกรรมเป็นต้น จึงจัดได้ว่าโลหะเหล็กมีความสำคัญต่อมนุษย์มากเพราะนอกจากจะสร้าง ความเจริญให้กับโลกแล้วยังเป็นส่วนประกอบของอาวุธยุโทปกรณ์ที่มนุษย์นำมาฆ่า ฟันกันอีกด้วย
ประวัติการผลิตเหล็ก
ในอดีตกรรมวิธีการผลิตเหล็กได้ใช้เตาเผาแบบง่าย ๆ โดยผลิตจากสินแร่เหล็กผสมโดยตรงกับถ่าน เตาเผาที่ใช้ก็จะมีการระบายอากาศตามธรรมชาติหรือการระบายอากาศเทียม (Artificial draft) ในแบบง่าย ๆ ผลิตผลที่ได้เป็นเหล็กร้อนแดง ซึ่งมีปริมาณเหล็กน้อยแต่สามารถตีขึ้นรูปได้ จากนั้นกรรมวิธีการผลิตเหล็กได้มีการพัฒนาเตาเผาเหล็กแบบคาตาลาน (Catalan Forge) ขึ้นที่เมืองคาตาโลเนีย ประเทศสเปนผลิตเหล็กอ่อนเตาจะประกอบด้วยตัวเตา (Furnace) สูง 60 cm. เบ้า (Crucible) ลึกประมาณ 30 cm. เพื่อบรรจุเหล็กร้อน กระแสอากาศที่ใช้กับเตาได้จากพลังงานน้ำซึ่งเข้าสู่เตาโดยผ่านท่ออากาศ (Tuyers) ที่ก้น เชื้อเพลิงที่ใช้เป็นถ่านไม้เผาปนกับโลหะ
ในคริสศตวรรษที่ 14 วิธีการผลิตเหล็กอ่อนโดยตรงจากสินแต่เหล็กเริ่มเปลี่ยนเป็นกระบวนการสองขั้น (two-stage process) ความยุ่งยากที่สำคัญของกระบวนการขั้นเดียวข้างต้นคือการลดประมาณคาร์บอนในเหล็ก ถ่านไม้เป็นตัวเติมคาร์บอน (recarburing-agent) ที่ดีมาก ต้องใช้ความระมัดระวังมิให้เหล็กอ่อนมีคาร์บอนมากจนทำให้ไม่อ่อนและเหนียว (ductile) การเผาครั้งแรกกระทำในเตาเผาแบบปล่อง (shaft-type forge furnace) การเผาครั้งที่สองกระทำในเตาเผาแบบคาตาลานเป็นการลดวัสดุที่ได้รับปริมาณคาร์บอนมากเกินไป เหล็กอ่อนที่ผลิตด้วยวิธีนี้มีสมบัติกายภาพสม่ำเสมอและดีกว่ากระบวนการขั้นเดียว
ในระหว่างคริสศตวรรษที่ 15 เตาเผาแบบปล่องขนาดใหญ่ขึ้น และการให้กระแสอากาศได้รับการปรับปรุงจนเตามีอุณหภูมิสูงขึ้นเหล็กจะได้รับความร้อนจนถึงจุดที่จะดูดคาร์บอนจากเชื้อเพลิง ดังนั้นอุณหภูมิจึงลดต่ำลงจาก 1500 °C (2732 °F) เป็นระหว่าง 1130 - 1200 ° C (2066 – 2192 ° F) เนื่องจากอุณหภูมินี้ต่ำกว่าอุณหภูมิการทำงานของเตาเผา ผลิตผลที่ได้จะเป็นโลหะหลอมเหลวซึ่งแข็ง เปราะ ค่อนข้างอ่อนแอและเป็นการเริ่มต้นของการผลิตเหล็กดิบในเตาเผาถลุงเหล็กหรือเตาเผาสูง (Blast furnace)
ใน พ.ศ. 2162 (ค.ศ.1619) ในประเทศอังกฤษได้มีการใช้ถ่านหินในการทำให้สินแร่เหล็กหลอมเหลว แต่ยังไม่มีการใช้ถ่านโค๊กจนกระทั่ง พ.ศ. 2278 (ค.ศ. 1735) ได้มีการใช้เครื่งอจักรไอน้ำสำหรับเป่ากระแสอากาศเขาไปใจเตาเผาสูงในระหว่างคริสตศวรรษที่ 18 นีลสัน (Neison) ได้ประดิษฐ์การเป่ากระแสอากาศร้อนใน พ.ศ. 2371 (ค.ศ. 1828) โดยกระแสอากาศได้รับความร้อนก่อนถูกเป่าเข้าไปในเตาเผาสูง ซึ่งเป็นการเพิ่มผลผลิตเหล็กดิบอย่างมากและลดเชื้อเพลิง ใน พ.ศ. 2400 (ค.ศ. 1857) คาวเพอร์ (Cowper) ได้พัฒนาเตากระแสอากาศร้อน (hot-blast stove) โดยอาศัยหลักการนำความร้อนที่ออกจากเตามาใช้อีก (regenerative principle)
วิลเลียม เคลลี (William Kelly) ใน พ.ศ. 2390 ณ มลรัฐเคทัคกี้ สหรัฐอเมริกาได้พัฒนากระบวนการถลุงเหล็กดิบในเตาเผาแบบคอนเวอร์เตอร์ (Converter)โดยการเป่ากระแสอากาศให้ผ่านเหล็กที่หลอมเป็นการเริ่มต้นของการผลิตเหล็กกล้าโดยวิธีสมัยใหม่ อีกสองสามปีต่อมาเซอร์เฮนรี่ เบสเซเมอร์ (Sir Henry Bessemer) ได้พัฒนากระบวนการเดียวกันโดยอิสระและจดทะเบียนในประเทศอังกฤษเมื่อ พ.ศ. 2398(ค.ศ.1855) เคลลี่ได้จดทะเบียนในสหรัฐ แต่ต่อมาได้ขายสิทธิให้แก่เบสเซเมอร์ กระบวนการนี้เรียกกันทั่วไปว่ากระบวนการเบสเซเมอร์ (Bessemer process) กระบวนการสมัยใหม่นี้ประกอบด้วยการพ่นกระแสอากาศผ่านเหล็กดิบที่หลอมเหลวเพื่อกำจัดคาร์บอน ซิลิกอนและแมงกานีสโดยการรวมออกซิเจนเป็นวิธีการใช้ในการผลิตเหล็กกล้าคุณภาพต่ำ
ในค.ศ. 2399 (พ.ศ.1856) กระบวนการเตาเปิด (Open-hearth process) ได้พัฒนาโดยพี่น้องสกุลซีเมนต์ (Siemens) ในอังกฤษและพี่น้องสกุลมาร์ติน (Martin) ในฝรั่งเศส กระบวนการนี้ใช้กันทั่วไปในปัจจุบันสำหรับการผลิตเหล็กกล้าธรรมดาคุณภาพดีในปริมาณมาก กระบวนการนี้ประกอบด้วยการกำจัดสารเจือปนโดยการรวมออกซิเจนในเตาเผาแบบสะท้อนความร้อน และนำเอาความร้อนที่ออกจากเตามาใช้อีก (reverberatory regenerative type)
เซอร์วิลเลี่ยม ซีเมนส์ (Sir william Siemens) ได้ทำการทดลองด้วยเตาเผาหลอมไฟฟ้าใน พ.ศ. 2421 (ค.ศ.1878) เตาเผาไฟฟ้าสำหรับถลุงสินแร่เหล็กและหลอมเหล็กกล้าได้รับการพัฒนาสำหรับปฏิบัติการทางอุตสาหกรรมใน พ.ศ. 2441 (ค.ศ. 1898) ปัจจุบันนี้ใช้ในการผลิตโลหะเหล็กกล้าผสมพิเศษและเหล็กกล้าใช้สำหรับความมุ่งหมายพิเศษ
แร่เหล็ก
เหล็กเป็นธาตุโลหะที่มีประมาณ 4.5% ในเปลือกโลกโดยส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของออกไซด์ (Oxide) คาร์บอนเนต, ซิลิเกตและซัลไฟด์ แร่เหล็กที่มีความสำคัญต่อเศรษฐกิจและอุตสาหกรรมการผลิตเหล็กมีอยู่ 4 ชนิด คือ
1. แร่เหล็กเฮมาไทท์ (Hematite) บางครั้งเรียกว่า เฮมาไทท์แดง (red-hematite) เป็นเฟอร์ริคออกไซด์ (Ferric Oxide) ของเหล็กที่ไม่ได้รวมกับน้ำ (Fe2O3) ถ้าบริสุทธิ์จะมีเหล็กประมาณ 70% และออกซิเจน 30% ลักษณะแร่จะมีสีแดงเป็นแร่เหล็กที่มีปริมาณมากและมีความสำคัญมากที่สุดในการใช้เป็นวัตถุดิบสำหรับอุตสาหกรรมเหล็ก
2. แร่เหล็กแมกเนไทท์ (Magnetite) เป็นออกไซด์แม่เหล็กของเหล็ก (Fe3O4) ถ้าบริสุทธิ์จะมีเนื้อเหล็กมากที่สุดถึง 72.4% ลักษณะของแร่จะมีสีดำขาวมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กและเป็นแร่เหล็กที่บริสุทธิ์โดยมากจะปราศจากฟอสฟอรัสและกำมะถัน
3. แร่ลิโมไนท์ (Limonite) หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าแร่เหล็กน้ำตาล (brown iron ore) เป็นเฟอร์ริคออกไซด์ที่มีน้ำรวมอยู่ด้วย (2FeO3+3H2O) ซึ่งประกอบด้วยเหล็ก 40-50% และน้ำประมาณ 10-20%
4. แร่ซิเดอไรท์ (Siderite) เป็นเหล็กคาร์บอเนต (Iron Carbonate) (FeCo3) เมื่อบริสุทธิ์จะมีเหล็ก 48% มีสีน้ำตาลปนดำ
แหล่งกำเนิดแร่ที่สำคัญ
บริเวณทะเลสาปซุพีเรีย (Lake Superior) ในอเมริกาเป็นภูมิภาคที่ผลิตแร่เหล็กที่ใหญ่ที่สุดของโลก แร่ที่พบเป็นแร่เฮมาไทท์แดงอ่อน ชนิดคุณภาพดี (High-grade) ซึ่งมีเหล็กประกอบอยู่ประมาณ 30-50%
เหมืองแร่เมืองครีวอยรอค (Kriuoi Roy) ในยูเครน (ซึ่งแยกตัวออกมาจากสหภาพโซเวียต) เป็นเหมืองแร่ที่มีความสำคัญมากและมีแหล่งแร่ยาวประมาณ 50 กิโลเมตร แร่ที่พบส่วนใหญ่เป็นแร่เฮมาไทท์และแมกเนไทท์มีประมาณเนื้อเหล็กต่ำ
ภูเขาคิรุนาวาร่า (Kirunavara) ทางตอนเหนือของประเทศสวีเดน ดินแดนแห่งพระอาทิตย์เที่ยงคืนจัดได้ว่าเป็นประเทศที่มีแหล่งแร่ที่มีคุณภาพดีที่สุดแห่งหนึ่ง แร่ที่พบส่วนใหญ่จะเป็นแร่แมกเนไทท์ซึ่งจะมีเหล็กประกอบอยู่ประมาณ 60-68% มีปริมาณฟอสฟอรัสและกำมะถันต่ำ
นอกจากนี้ยังมีอีกหลายประเทศที่มีแหล่งแร่เหล็กที่สำคัญ เช่น อังกฤษ ฝรั่งเศส เยอรมันนี ออสเตรียและสเปน เป็นต้น
แหล่งแร่ที่พบในประเทศไทยก็มีเช่นที่เขาเหล็ก อ.ท่าศาลา จ.นครศรีธรรมราช เขาทับควาย อ.โคกสำโรง จ.ลพบุรี, เขาอึมครึม จ.กาญจนบุรี, อ.เชียงคาน อ.เมือง จ.เลย และยังมีโรงถลุงเหล็กที่ท่าหลวง จ.สระบุรี ที่ได้รับแหล่งวัตถุดิบจาก จ.เลย มาอีกด้วย
การผลิตเหล็ก (The Production of Iron and Steel)
เหล็กเป็นแร่ธาตุที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ซึ่งไม่ค่อยพบในรูปของเหล็กบริสุทธิ์มากนัก ส่วนใหญ่จะพบในรูปของสารประกอบรวมตัวอยู่กับแร่ธาตุอื่น เราสามารถพบเห็นเหล็กบริสุทธิ์ได้จากสะเก็ดของดาวตกหรือลูกอุกาบาตในเวลากลางคืน โดยปกติเหล็กบริสุทธิ์จะไม่เป็นสนิม แต่เราก็ไม่สามารถนำเหล็กบริสุทธิ์ไปใช้ในงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ ได้เพราะคุณสมบัติอ่อนเกินไปและมีคุณสมบัติทางเชิงกลแย่มาก ดังนั้น เหล็กที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมส่วนใหญ่จึงเป็นเหล็กผสมโดยจะมีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักและจะมีส่วนผสม อื่น ๆ ที่ทำให้คุณสมบัติของเหล็กเป็นไปตามที่ต้องการเป็นองค์ประกอบย่อย เช่น
คาร์บอน ( C ) ความหนาแน่น 1.9 kg/dm3 จุดหลอมเหลว 3540° C เป็นอโลหะ เป็นธาตุที่ได้มาจากถ่านหิน ถ่านโค้ก คาร์บอนนี้ผสมอยู่ในเนื้อเหล็ก 2 ลักษณะ คือ ในสภาวะเหล็กคาร์ไบด์ (Fe3C) และในสภาวะแกรไฟต์ คาร์บอนที่เจืออยู่ในเหล็กจะช่วยทำให้จุดหลอมเหลวต่ำลง หากมีมากจะทำให้เหล็กแข็งและเปราะ
ซิลิคอน (Si) ความหนาแน่น 2.33 kg/dm3 จุดหลอมเหลว 1420° C เป็นอโลหะทำปฏิกิริยากับออกซิเจนจะกลายเป็นซิลิกา (Silica = SiO2) ซึ่งได้แก่ หิน ควอตซ์ ทราย เมื่อทำปฏิกิริยากับคาร์บอนในเนื้อเหล็กจะกลายเป็นซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ซึ่งทำให้เหล็กแข็ง ถ้ามีมากจะทำให้เปราะหักง่ายเป็นตัวทำให้เกิดการแยกตัวของแกรไฟต์ได้
แมงกานีส (Mn) ความหนาแน่น 7.47 kg/dm3 จุดหลอมเหลว 1260 °C ทำจากหินสีน้ำตาล แมงกานีสไดออกไซด์ มีสีแดงเป็นวาว แข็ง และเปราะ ใช้เป็นสารดูดออกซิเจนออกจากน้ำเหล็ก (Deoxidixer) เป็นธาตุที่หน่วงเหนี่ยวไม่ให้เกิดการแยกตัวเป็นแกรไฟต์ แต่จะรวมตัวกับกำมะถันและช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกลให้กับเหล็กหล่อ
ฟอสฟอรัส (P) ความหนาแน่น 1.83 kg/dm3 จุดหลอมเหลว 44° C เป็นอโลหะอยู่ในแร่หินฟอสเฟต เป็นสารที่ไม่พึงประสงค์ในเนื้อเหล็ก ถ้ามีมากเกินพิกัดจะทำให้เหล็กหักเปราะได้ง่ายที่อุณหภูมิเย็น และมีคุณสมบัติทางกลเลวลงแต่จะทำให้น้ำเหล็กเทลงแบบหล่อได้ง่าย
กำมะถัน (S) ความหนาแน่น 2.06 kg/dm3 จุดหลอมเหลว 113° C เป็นอโลหะก้อนสีเหลืองเกิดในธรรมชาติ ถ้ามีมากเกินพิกัดในเนื้อเหล็กจะทำให้หักเปราะง่าย ใช้งานไม่ได้ที่อุณหภูมิสูง ๆ ทำให้เทหล่อลงแบบได้ยาก มีคุณสมบัติทางกลเลวลงและทำให้ชิ้นงานหล่อเกิดความเครียดและรอยร้าวได้ง่าย
เหล็กกล้า (Steel)
เหล็กกล้าเป็นเหล็กที่ผลิตได้จากการหลอมละลายเหล็กดิบสีขาว (Gray Pig Iron) ที่ได้จากเตาสูงให้บริสุทธิ์ขึ้น โดยทั่วไปเหล็กกล้าจะมีปริมาณธาตุคาร์บอน ( C ) ผสมอยู่ประมาณ 0.008% ถึง 2% โดยน้ำหนักนอกจากนี้ยังมีธาตุอื่นปนอยู่ในรูปของสารมลทิน (Impurities) อีกเช่น ซิลิกอน (Si) แมงกานีส (Mn) ฟอสฟอรัส (P) และกำมะถัน (S) ซึ่งสารมลทินเหล่านี้จะถูกำจัดออกให้หมดหรือให้เหลือในปริมาณตามที่ต้องการโดยให้สารมลทินเหล่านี้รวมตัวกับ ฟลักซ์ (Flux) กลายเป็นขี้ตะกรัน (Slag) ออกมา
การแบ่งประเภทของเหล็กกล้า
เหล็กกล้าได้มีการคิดค้นเพื่อให้เหมาะสมกับการใช้งานในหลายรูปแบบดังนั้นจึงมีการ ผลิตเหล็กกล้าออกมาหลายประเภทตามลักษณะโครงสร้างพื้นฐาน อัตราส่วนผสม และปริมาณคาร์บอนโดยน้ำหนัก ถ้าพิจารณาดูจาก Iron-carbon Equilibrium Diagram แล้วจะเห็นว่าเหล็กกล้ามีปริมาณธาตุคาร์บอนผสมอยู่ประมาณ 0.008% - 2% โดยน้ำหนักแต่ในทางปฏิบัติแล้วเหล็กกล้าจะมีได้ไม่เกิน 1.7% ถ้ามีมากกว่านั้นจะขาดคุณสมบัติความแข็งแรงและความเหนียวไป หากยึดหลักตามอัตราส่วนปริมาณคาร์บอนและการใช้งานแล้วจะสามารถแบ่งประเภทเหล็กกล้าออกได้เป็น 5 ประเภทใหญ่ ๆ ดังนี้
1. เหล็กกล้าคาร์บอน (Cabon Steel)
เหล็กกล้าคาร์บอนเป็นเหล็กกล้าที่มีส่วนผสมของคาร์บอนเป็นหลักโดยจะมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอน ไม่เกิน 1.7%จะมีธาตุอื่นผสมอยู่ด้วยเช่น ซิลิคอน , ฟอสฟอรัส , กำมะถัน และ แมงกานีสซึ่งธาตุเหล่านี้มีปริมาณน้อยมาก จะติดมากับเนื้อเหล็กตั้งแต่เริ่มการผลิตเหล็กจากสินแร่โดยกรรมวิธีการผลิตของเหล็กกล้าคาร์บอลได้แก่ กรรมวิธี LD , กรรมวิธีโธมัส , กรรมวิธีเตากระทะ และ กรรมวิธีเบสเซเมอร์ เหล็กชนิดนี้เป็นวัสดุช่างชนิดเดียวที่มีคุณสมบัติทางความแข็งแรง (Strength) และความอ่อนตัว (Ductility) ที่เปลี่ยนแปลงได้กว้างมากตามปริมาณของคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็ก ทำให้เหมาะที่จะเลือกใช้ได้ตามความเหมาะสมของลักษณะงานบางครั้งที่เรียกว่า “Mild Steel” นอกจากนี้ยังแยกอออกตามปริมาณคาร์บอนที่อยู่ได้ 3 ชนิดคือ
เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (Low Carbon Steel)
เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำเป็นเหล็กที่มีคุณสมบัติเหนียว แต่ไม่แข็งแรงนักสามารถนำไปกลึง กัด ไส เจาะได้ง่าย นอกจากนี้จังเป็นเหล็กที่อ่อน สามารถรีดหรือตีเป็นแผ่นได้ง่ายเหล็กชนิดนี้เหมาะกันงานที่ไม่ต้องการความเค้นแรงดึงสูงนัก นอกจากนี้เหล็กชนิดนี้ไม่สามารถนำมาชุบแข็งหรือชุบผิวแข็งได้ แต่ถ้าต้องการชุบแข็งต้องใช้วิธีเติมคาร์บอนที่ผิวก่อน เพราะมีคาร์บอนน้อย เปอร์เซ็นต์คาร์บอน ไม่เกิน 0.2% กรรมวิธีการผลิต กรรมวิธีเบสเซเมอร์
การใช้งาน เหล็กแผ่นหม้อน้ำ ท่อน้ำประปา , เหล็กเส้นในงานก่อสร้าง , เหล็กเคลือบดีบุก เช่นกระป๋องบรรจุอาหาร , เหล็กอาบสังกะสี เช่น แผ่นสังกะสีมุงหลังคา , ทำตัว,ถังรถยนต์ ถังน้ำมัน , งานย้ำหมุด , ทำสกรู ลวด สลักเกลียว ชิ้นส่วนเครื่องจักร โซ่ , บานพับประตู
เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (Medium Carbon Steel)
เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางเป็นเหล็กกล้าชนิดนี้มีความแข็งแรงและความเค้นแรงดึงมากกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ แต่จะมีความเหนียวน้อยกว่า นอกจากนี้ยังให้คุณภาพในการแปรรูปที่ดี กว่าและยังสามารถนำไปชุบผิวแข็งได้ เหมาะกับงานที่ต้องการความเค้นดึงปานกลาง ต้องการป้องกันการสึกหรอที่ผิวหน้า และต้องการความแข็งแรง แต่มีความแข็งบ้างพอสมควร เปอร์เซ็นต์คาร์บอน 0.2-0.5% กรรมวิธีการผลิต เบสเซเมอร์ , โธมัส , เตากระทะ , LD การใช้งาน ทำชิ้นส่วนเครื่องจักรกล , ทำรางรถไฟ เพลาเครื่องกล เฟือง หัวค้อน ก้านสูบ สปริง , ชิ้นส่วนรถไถนา ไขควง ท่อเหล็ก , นอต สกรูที่ต้องแข็งแรง
เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (High Carbon steel)
เหล็กกล้าคาร์บอนสูงเป็นเหล็กกล้าชนิดนี้เป็นเหล็กที่มีความแข็งแรง ความแข็งและความเค้นแรงดึงสูงเนื่องจากมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอน 0.5 –1.5% สามารถทำการชุบแข็งให้มีคุณสมบัติเปลี่ยนแปลงได้ แต่เมื่อชุบแข็งให้มีคุณสมบัติเปลี่ยนแปลงได้ แต่เมื่อชุบแข็งแล้วจะเปราะเหมาะสำหรับงานที่ต้องการความต้านทานต่อการสึกหล่อ การใช้งาน ทำเครื่องมือต่าง ๆ เช่น ดอกสว่าน สกัด กรรไกร มีดคลึงใบเลื่อยตัดเหล็ก ดอก
ทำเกลียว (tap) ใบมีดโกน ตะไบ แผ่นเกจ เหล็กกัด สปริงแหนบ ลูกบอล ในแบริ่งลูกปืน
2. เหล็กกล้าประสม (Alloy Steel)
เหล็กกล้าประสมเป็นเหล็กกล้าที่มีส่วนผสมของคาร์บอนอยู่ไม่เกิน 1.7% และยังมีธาตุอื่นๆ ผสมอยู่ในเนื้อเหล็กด้วยเช่น แมงกานิส , นิกเกิล , โครเมียม , วาเนเดียม , โมลิบดินัม , โคบอลต์ , ทังสเตน ฯลฯ การที่ผสมธาตุต่าง ๆ ลงไปในเหล็กนั้นก็เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติหลาย ๆ ประการที่เหล็กคาร์บอนให้คุณสมบัติเหล่านั้นอยู่ในเกณฑ์ที่ต่ำไม่สามารถใช้งานได้ดี กรรมวิธีการผลิตเหล็กกล้าประสมสามารถผลิตได้จาก เตากระทะ , เตาไฟฟ้า และ เตาอินดักชั่น
จุดมุ่งหมายของการผสมธาตุอื่นๆ ลงไปนั้น คือ
1.เพิ่มคุณสมบัติด้านชุบแข็ง
2.ปรับปรุงความแข็งแรงที่อุณหภูมิปกติ
3.เพิ่มคุณสมบัติต้านทานการสึกหรืออันเนื่องมาจากการเสียดสีขณะใช้งาน
4.เพิ่มความเหนียวทนต่อแรงกระแทก
5.เพิ่มคุณสมบัติต้นทานการกัดกร่อน
6.ปรับปรุงคุณสมบัติด้านแม่เหล็ก
เหล็กกล้าผสมอยู่สามารถแบ่งตามปริมาณของวัสดุที่ผสมได้ 2 ประเภทคือ
เหล็กกล้าประสมสูง (High Alloy Steel) เหล็กกล้าประสมสูงเป็นเหล็กกล้าที่มีธาตุอื่นๆ ผสมอยู่รวมแล้วมากกว่า 10% เหล็กกล้าใน
กลุ่มนี้จะรวมถึงเหล็กเครื่องมือประสม (Alloy Tool Steel) ด้วย ซึ่งเหล็กกล้าชนิดนี้จะมีคุณสมบัติในด้านทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อการสึกหรอได้ดีจึงถูกใช้งานในการทำ เหล็กเครื่องมือต่าง ๆ (เหล็กเครื่องมือประสม (Alloy Tool Steel) หมายถึงเหล็กที่ใช้ทำอุปกรณ์การตัดโลหะหรือการขึ้นรูปโลหะและอื่น ๆ )
เหล็กกล้าประสมต่ำ (Low Alloy Steel)
เหล็กกล้าประสมต่ำเป็นเหล็กกล้าที่มีธาตุอื่น ๆ ผสมรวมอยู่แล้วไม่เกิน 10% เหล็กชนิดนี้จะมีโครงสร้างคล้ายคลึงกับเหล็กคาร์บอนธรรมดา (Plain Carbon Steel)และมีคุณสมบัติอื่นเหมือนเหล็กกล้าประสมสูง
3. เหล็กกล้าประสมพิเศษ (Special Alloy Steel)
เหล็กกล้าประสมพิเศษเป็นเหล็กกล้าประสมที่พัฒนาขึ้นมาเพื่อให้เหมาะกับงานที่จะใช้เฉพาะอย่างมหลายประเภท เช่น
เหล็กกล้าประสมทนแรงดึงสูง (High tensile strength alloy Steels) เหล็กกล้าประสมทนแรงดึงสูงเป็นเหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเหล็กกล้าประสมทั่ว ๆ ไปคือเป็นเหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติทนแรงดึงได้สูงมาก และมีความเหนียวสูง นอกจากนี้วิธีการชุบแข็งยังแตกต่างไปจากเหล็กกล้าประสมทั่วไป มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนอยู่ประมาณ 0.2%โดยส่วนใหญ่ใช้กับงาน เพลาส่งกำลัง หรือ เฟืองเป็นต้น
3.1 เหล็กกล้าทนการเสียดสีและรับแรงกระแทก (Wear Resistant Steel)
เหล็กกล้าทนการเสียดสีและรับแรงกระแทกลักษณะ เหล็กที่มีคุณสมบัติทนการเสียดสีสูง และรับแรงกระแทกได้เป็นอย่างดี ที่นำมาใช้งานมาก คือ เหล็กกล้าประสมแมงกานีส หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “เหล็กกล้าฮาดฟิลต์” โดยจะมีธาตุที่ผสมอยู่ ซิลิคอน 0.4-1% , แมงกานีส 11-14%แต่เหล็กที่ผ่านการผลิตออกมาในตอนแรกนั้นยังไม่สามารถนำไปใช้งานได้ เพราะมีความเปราะมาก ต้องนำไปชุบที่อุณหภูมิ 1000-1100 C และจุ่มน้ำอย่างรวดเร็ว จะทำให้เหล็กชนิดนี้มีคุณสมบัติเหนียว เหล็กชนิดนี้ไม่เหมาะสำหรับงานที่มีเฉพาะงานเสียดสีแต่เพียงอย่างเดียวเพราะจะไม่คุมทุนการผลิตจะต้องได้รับแรงกระแทกพร้อมกันไปด้วย นอกจากนี้ไม่สามารถคัดเจาะหรือกลึงได้ง่ายต้องใช้มีดกลึงที่มีความแข็งสูง และใช้ความเร็วในการตัดต่ำมาก การใช้งานส่วนใหญ่ใช้ทำ ตะแรงเหล็ก , อุปกรณ์ขุดแร่ , รางรถไฟ , ฯลฯ
3.2 เหล็กกล้าความเร็วสูง (High – Speed Steel) (HSS) หรือ เหล็กกล้ารอบสูง
เหล็กกล้าความเร็วสูงเป็นเหล็กกล้าที่พัฒนาขึ้นเพื่อความมุ่งหมายสำหรับงานเครื่องมือตัด กลึง กัด เจาะ ไส (Maching) ซึ่งเดิมนั้นใช้เหล็กกล้าคาร์บอนสูง เหล็กกล้าชนิดนี้มีธาตุหลักประสมในเหล็กกล้า คือ ทังสเตน เมื่อขึ้นรูปแล้วก่อนนำไปใช้งานจะต้องชุบแข็งก่อน ที่อุณหภูมิประมาณ 950 – 1300 C แล้วแต่ส่วนผสม
3.3 เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel)
เหล็กกล้าไร้สนิมจะมีธาตุที่ผสมอยู่เพื่อให้เหล็กมีคุณสมบัติต้านทานการเป็นสนิม คือ โครเมียม และจะต้องผสมโครเมียมให้สูงพอสมควร ดังนั้นเหล็กกล้าไร้สนิมนี้ก็คือ เหล็กประสมสูงชนิดหนึ่ง
4. เหล็กกล้าหล่อ (Cast Steel)
เหล็กกล้าหล่อ คือ เหล็กกล้าที่นำมาขึ้นรูปโดยวิธีการหล่อ ตามงานที่ต้องการ ซึ่งมีลักษณะรูปร่างซับซ้อนเกินกว่าที่จะทำการตีขึ้นรูป การอัด หรือ การรีด ซึ่งวิธีการหล่อนี้จะได้งานที่ขนาดใกล้เคียงกับขนาดที่ต้องการ เหล็กกล้าหล่อนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยการตี หรือการวัด จะมีส่วนที่แตกต่างกันคือ ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่ผ่านการหล่อจะปรากฏมีรูพรุนเล็ก ๆ ระหว่างเกรน เหล็กกล้าหล่อแบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่ม ๆ คือ
เหล็กกล้าคาร์บอนหล่อ (Carbon Steel Castings)
เหล็กกล้าคาร์บอนหล่อเป็นเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนเป็นหลักเพียงอย่างเดียวโดยมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอน ไม่เกิน 0.6% ธาตุอื่นที่ผสมอยู่เช่น แมงกานีส 0.5 –1% , ซิลิคอน 0.2 – 0.75 % , กำมะถัน <0.5%,>เหล็กกล้าหล่อคาร์บอนต่ำ มีคาร์บอนไม่เกิน 0.2%
เหล็กกล้าหล่อคาร์บอนปานกลาง มีคาร์บอน 0.2 –0.5%
เหล็กกล้าหล่อคาร์บอนสูง มีคาร์บอน 0.5-0.6%
เหล็กกล้าประสมหล่อ (Alloy Steel Castings)
เหล็กกล้าประสมหล่อ เป็นเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอน ไม่เกิน 1.7% และธาตุอื่นผสมอยู่ด้วยเช่นแมงกานีส ,ซิลิคอน , โครเมียม , นิกเกิล, วาเนเดียม , โมลิบดินัม, โมลิบดินัม , ทังสเตน, ทองแดง หรือโคบอลต์ การที่มีธาตุต่าง ๆ ประสมลงในเหล็กกล้าคาร์บอนนั้นเพื่อที่จะปรับปรุงคุณสมบัติบางอย่าง เช่นคุณสมบัติ ชุบแข็ง คุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนทั้งที่อุณหภูมิปกติและสูง คุณสมบัติตัวนำไฟฟ้า และคุณสมบัติเกี่ยวกับแม่เหล็ก กรรมวิธีการผลิตจะผลิตใน เตากระทะ , เตาไฟฟ้า และ เตาอินดักชั่น ส่วนใหญ่จะนำไปใช้งาน ทำชิ้นส่วนอุปกรณ์ในงานอุตสาหกรรมเคมี
เหล็กกล้าประสมหล่อ สามารถแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มคือ
เหล็กกล้าหล่อประสมต่ำ มีธาตุผสมที่สำคัญ เช่น แมงกานีส โครเมียม นิกเกิล ทังสเตน ไม่เกิน 10%
เหล็กกล้าหล่อประสมสูง มีธาตุผสมที่สำคัญเกินกว่า 10%
5. เหล็กอ่อน (Wrought Iron)
เหล็กอ่อนนี้เป็นเหล็กที่ผลิตจากเตาพุดเดิ้ล (Pudding Process) มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนไม่เกิน 0.1% นอกจากนี้ยังมีธาตุอื่นผสมอยู่เช่น ซิลิคอน , กำมะถัน , ฟอสฟอรัส , แมงกานีส ฯลฯ ผลผลิตจากเตาพุดเดิ้ลจะได้เหล็กที่มีความบริสุทธิ์สูงถึง 99.9% เมื่อเผาให้ร้อนเหล็กอ่อนนี้จะไม่หลอมละลาย แต่จะอ่อนเปียกตีขึ้นรูปได้ง่ายมาก นอกจากนี้ยังสามารถตีชิ้นเหล็กให้ประสานกันได้อีกด้วย ส่วนมากการใช้งาน ท่อ ผลิตภัณฑ์ที่ต้องพบกับการเสื่อมสภาพโดยสนิม ข้อต่อรถไฟ โซ่ ขอเกี่ยว หรือ อุปกรณ์ที่มากขึ้นรูปอย่างง่าย
เหล็กหล่อ (Cast Iron)
เหล็กหล่อเป็นเหล็กที่ผลิตจากเหล็กดิบสีเทา (Gray Pig Iron)ที่ได้จากเตาสูง (Blast Furnace) มาหลอมหรือถลุงใหม่ในเตาคิวโปลา เตาแอร์เฟอร์เนซ หรือเตาไฟฟ้า ถ้าพิจารณาดูจาก Iron-carbon Equilibrium Diagram แล้วจะเห็นว่าเหล็กหล่อมีปริมาณธาตุคาร์บอนผสมอยู่ประมาณ 2% - 6.67% ส่วนเหล็กกล้ามีปริมาณธาตุคาร์บอนผสมอยู่ประมาณ 0.008% - 2%เท่านั้น แต่ทางปฏิบัติแล้วเหล็กหล่อจะมีปริมาณธาตุคาร์บอนผสมอยู่ประมาณ 2.5% – 4% ถ้ามีมากกว่านั้นจะขาดคุณสมบัติความความเหนียว (Ductility) จะเปราะและแตกหักง่ายเมื่อถูกแรงกระแทกปกติ
เมื่อเปรียบเทียบคุณสมบัติระหว่างเหล็กหล่อกับเหล็กกล้าแล้วถึงแม้ว่าจะด้อยกว่าในด้านคุณสมบัติแข็งแรง และความเหนียวต่ำกว่าเหล็กกล้า แต่เนื่องด้วยมีจุดหลอมเหลวที่ต่ำกว่าเหล็กกล้าจึงทำให้เหล็กหล่อมีกรรมวิธีการผลิตที่ประหยัดเชื้อเพลิงกว่า และมีราคาถูกกว่า จึงมีการใช้การอย่างแพร่หลาย และในเทคโนโลยีการผลิตปัจจุบันเราสามารถผลิตเหล็กหล่อใช้มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับเหล็กกล้า อีกทั้งยังสามารถหล่อขึ้นรูปในชิ้นงานที่มีรูปร่างที่ซับซ้อนได้ดีอีกด้วย จึงทำให้เหล็กหล่อเป็นที่นิยมใช้กันอย่างมาก
การแบ่งประเภทของเหล็กหล่อ
เหล็กหล่อสามารถแบ่งตามลักษณะของโครงสร้างการรวมตัวของคาร์บอนเป็นหลักได้ 6 ประเภทคือ
1. เหล็กหล่อสีขาว (White Cast Iron)
เหล็กหล่อสีขาวจะมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนอยู่ปริมาณ 1.7% ขึ้นไปและยังมีธาตุที่ผสมอยู่เช่น กำมะถัน, ซิลิคอน , แมงกานิส และ ฟอสฟอรัส ผลิตได้จากเตาคิวโปล่า หากเรานำรอยแตกหักดูจะเห็นเนื้อเหล็กมีเม็ดเกรนสีขาว โดยการเปลี่ยนแปลงสภาวะของเหล็กหล่อชนิดนี้จะเปลี่ยนสถานะหลอมเหลวไปเป็นสถานะของแข็ง จะทำให้คาร์บอนแทรกตัวเข้าไปอยู่ในเนื้อเหล็ก ไม่อยู่อย่าอิสระเหมือนเหล็กหล่อสีดำ แต่จะรวมกันเนื้อเหล็กในรูปของสารประกอบ ซึ่งมีชื่อทางเคมีว่า “เหล็กคาร์ไบด์” หรือทางโลหะวิทยาเรียกลักษณโครงสร้างแบบนี้ว่า “ซีเมนไตต์” (Cementile) โครงสร้างแบบนี้จะทำให้เหล็กมีคุณสมบัติแข็ง , เปราะ, แตกหักง่าย รอยหักจะดูเป็นสีขาวเหมือนเนื้อเหล็กทั่ว ๆ ไป เราจึงเรียกเหล็กหล่อชนิดนี้ว่า “เหล็กหล่อสีขาว” ตามลักษณะที่ปรากฏบนเนื้อของเหล็กหล่อสีขาว
คุณสมบัติเด่นของเหล็กหล่อสีขาวคือ
1.มีความแข็งสูง นำมากลึง, กัด , เจาะ ,ไสได้จาก
2.มีความเปราะสูง
3.ทนแรงกระแทรกได้น้อย
4.ทนการเสียดสีได้ดี การสึกหรอระหว่างการใช้งานน้อย
การใช้งานจะใช้กับงานที่ทนต่อการเสียดสี เช่นทำลูกบอลกลมในแบริ่งลูกปืน , ทำล้อรถไฟ , ทำลูกโม่ย่อยหิน และ ทำจานเจียระไนเพชรพลอย
2. เหล็กหล่อสีเทาหรือสีดำ (Gray Cast Iron)
เหล็กหล่อชนิดนี้เป็นเหล็กหล่อที่มีส่วนผสม และโครงสร้างใกล้เคียงกับเหล็กดิบ (Pig iron) ที่ถลุงจากเตาสูง (Blast Purnace) เหล็กหล่อชนิดนี้เมื่อหักดูเนื้อเหล็กตรงรอยหักจะเห็นเม็ดเกรนเป็นสีเทา แตกต่างกับเหล็กหล่อสีขาวทั้ง มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนที่ใกล้เคียงกัน ประมาณ 3 – 3.5% แต่คาร์บอนในเหล็กหล่อสีเทานี้จะเกิดขึ้นเนื่องจากเย็นตัวเป็นไปอย่างช้า ๆ ทำให้คาร์บอน ปริมาณส่วนใหญ่จะแยกตัวออกมารวมกันในรูปของคาร์บอนบริสุทธ์เป็นแผ่นหรือเกล็ด (Flakes) ซึ่งเรียกว่า “Graphite” ซึ่งทำให้ดูเป็นสีเทา (แต่ก็ยังมีคาร์บอนบางส่วนรวมตัวในลักษณะสารประกอบในเนื้อเหล็ก (Cementite) เหมือนเหล็กหล่อสีขาว) นอกจากนี้ยังมีธาตุที่ผสมอยู่เช่น ซิลิกอน , แมงกานีส , ฟอสฟอรัส และ กำมะถัน
คุณสมบัติของเหล็กหล่อสีเทา
1.มีความแข็งไม่มากนัก สามารถกลึงหรือไส ตบแต่งให้ได้ขนาดตามต้องการได้
2.มีอุณหภูมิหลอมเหลวต่ำ และมีความสามารถในการไหล (Fluidity)ดี สามารถหล่อหลอมให้ได้รูปร่างชนิดซับซ้อนได้ง่าย
3.มีอัตราการขยายตัวน้อย สามารถใช้ทำส่วนประกอบของเครื่องจักรกลที่ต้องการรูปร่างและขนาดที่แน่นอน
4.มีความต้านทานต่อแรงอัด และรับแรงสั่น (Dam ping Capacity) ได้ดี ใช้ทำแท่นรองรับอุปกรณ์ เครื่องมือกลต่างๆ ได้ดี
5.สามารถที่จะปรับปรุงคุณสมบัติความต้านทานแรงดึงได้มากขึ้นอยู่กับการปรับปรุงส่วนผสมและการอบชุบ ทำให้ใช้งานได้กว้างขวาง
การใช้งานใช้ทำชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ เช่นก้านสูบ ทำท่อน้ำ ขนาดใหญ่ และแท่นฐานเครื่องจักรกลต่าง ๆ เช่น ฐานเครื่องกลึง , เครื่องกัด ทำปากกาจับชิ้นงาน ฯลฯ
3. เหล็กหล่อกราไฟต์กลม (Spheroidal Graphite Cast Iron) หรือเรียกว่า Nodular Cast Iron , Ductile Iron
เหล็กหล่อกราไฟต์กลมมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนอยู่ประมาณ 3 – 3.5%และยังมีธาตุที่ผสมอยู่ เช่น แมกนีเซี่ยม และ นิกเกิล เหล็กหล่อชนิดนี้ได้มาจากเหล็กหล่อสีเทาอีกทีหนึ่งโดยผสมแมกนีเซียม – นิกเกิลลงในน้ำเหล็กก่อนเทลงแบบ ซึ่งจะทำให้กราไฟต์ (คาร์บอนบริสุทธิ์ที่รวมตัวอยู่ในเนื้อเหล็ก) มีลักษณะเป็นวงกลม (Spheroids) เหล็กหล่อกราไฟต์กลมต่างกับเหล็กหล่อสีเทาตรงที่คาร์บอนรวมตัวเป็นกราไฟต์ในลักษณะกลม (กราไฟต์ของเหล็กหล่อสีเทาอยู่ในลักษณะยาว ๆ ) คุณสมบัติที่ได้จึงเหนียวและรับแรงกระแทกได้ดีกว่าเหล็กหล่อสีเทา จึงเป็นที่นิยมใช้มาก โครงสร้างของเหล็กชนิดนี้ จะมีโครงสร้างพื้นเป็นเฟอร์ไรท์ (Ferrite) และเพิรไลท์ (Pearlite)
คุณสมบัติของเหล็กหล่อกราไฟต์กลม
1.ทนแรงดึงได้สูงประมาณ 540 – 700 นิวตัน /มม.2
2.มีอัตราการยึดตัวประมาณ 1 – 5 ๔%
3.สามารถนำไปชุปแข็ง อบลดความเครียด หรือชุบผิวแข็งได้
4 ความแข็งและความเปราะลดลง ทำให้กลึง , กัด , ไส , เจาะได้ง่าย
5.ทนต่อการสึกหรอได้ดี
6.ทนความร้อนได้ดี
7.สามารถนำไปตีขึ้นรูปได้
8.สามารถรับแรงกระแทกได้ดี
การใช้งาน ใช้ทำชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ เช่นเพล้าข้อเหวี่ยง เครื่องมือการเกษตร ชิ้นส่วนเรือเดินทะเล โครงสร้างเครื่องจักรขนาดใหญ่ , ท่อส่งน้ำ , ท่อส่งแก๊ส
4. เหล็กหล่อ CGI (Compacted graphite)
เหล็กหล่อCGIจะมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนประมาณ 4.2%และมีธาตุที่ผสมอยู่เช่นโลหะแมกนีเซียม(Magnisium) และ นิกเกิล (Nichel) เหล็กหล่อชนิดนี้จะมีเนื้อเม็ดเกรนจะแตกต่างจากเหล็กหล่อกราไฟต์กลมคือ เหล็กหล่อชนิดนี้มีกราไฟต์เป็นลักษณะคดยาวคล้ายตัวหนอน (Vermicular graphite) และมีความต้านทานแรงดึงได้ดี และการหดตัวต่ำ เหล็กชนิดนี้จะมีคุณสมบัติอยู่ระหว่างเหล็กหล่อกราไฟต์กลมกับเหล็กหล่อสีเทา เหล็กหล่อชนิดนี้จะมีความต้านทานแรงดึงได้ดีกว่าเหล็กหล่อสีเทา จะอยู่ในเกณฑ์เดียวกับกราไฟต์ก้อนกลม แต่ความเหนียวจะด้อยกว่า
การใช้งาน ใช้ทำเฟือง (Gear) ล้อช่วยแรง (fly wheel) , เบรคดุม (Brake drum) และท่อไอเสีย (Exhaust Manifolds)
5. เหล็กหล่ออบเหนียว (malleable Cast Irons) หรือเหล็กหล่อเหนียว (GT)
เหล็กหล่อชนิดนี้สามารถทนต่อแรงดึงได้ดีกว่าเหล็กหล่อสีเทา และเหล็กหล่อสีขาว แต่น้อยกว่าเหล็กกราไฟต์กลม นอกจากนี้ทนต่อแรงกระแทกได้ดี มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับเหล็กกล้า เหล็กหล่อชนิดนี้ทำจากเหล็กสีขาวไปผ่านกรรมวิธีอบอ่อน ควบคุมการเย็นตัว ซึ่งจะทำให้โครงสร้างเปลี่ยนแปลงไป แต่ข้อเสียของเหล็กหล่ออบเหนียวนี้ คือ ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการอบอ่อนสูงและ ทำกับชิ้นงานที่มีความหนาได้ไม่เกิน 50 มม.
คุณสมบัติของเหล็กหล่อเหนียว
1.ความเหนียวจะเพิ่มมากขึ้นกว่าเหล็กหล่อสีเทาและเหล็กหล่อสีขาว
2.ความแข็งจะเพิ่มมากกว่าเหล็กหล่อสีขาว แต่น้อยกว่าเหล็กหล่อสีเทา
3.อัตราการยืดตัวจะมากขึ้น
4.ทนต่อแรงกระแทกได้ดี
5.สามารถนำไปชุบผิวแข็งได้มาก
6. เหล็กหล่อผสมหรือเหล็กหล่อพิเศษ (Alloy and Special Cast Iron)
เหล็กหล่อผสมหรือเหล็กหล่อพิเศษเป็นเหล็กหล่อที่ถูกสร้างขึ้นมา เพื่อให้มีคุณสมบัติตามที่ต้องการ เหล็กหล่อชนิดนี้มีอยู่หลายประเภทขึ้นอยู่กับสารหรือโลหะที่ผสมในเนื้อเหล็กหล่อ เราพอจะแบ่งออกตามการใช้งานได้ 3 ประเภทคือ
1.เหล็กหล่อผสมทนการเสียดสี
2.เหล็กหล่อผสมทนต่อความร้อน
3.เหล็กหล่อผสมทนต่อการกัดกร่อน
โลหะนอกกลุ่มเหล็ก (Non-Ferous Metals)
โลหะนอกกลุ่มเหล็ก หมายถึง โลหะที่ไม่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลัก เช่นทองแดง อลูมิเนียม แมกนีเซียม สังกะสี และอื่นๆ ฯลฯ ในทางวิศวกรรมและในงานอุตสาหกรรมจะใช้โลหะนอกกลุ่มเหล็ก ใน ปริมาณที่น้อยกว่าโลหะในกลุ่มเหล็ก เนื่องจากโลหะนอกกลุ่มเหล็กมีราคาสูงกว่าโลหะกลุ่มเหล็ก ดังนั้น จึงมัก ใช้งานโลหะนอกกลุ่มเหล็กในกรณีที่จำเป็น เช่น สมบัติที่ต้องการในงานนั้นๆ ไม่สามารถใช้โลหะในกลุ่มเหล็ก ได้โลหะนอกกลุ่มเหล็กสามารถแบ่งออกได้เป็นหลายชนิด ในที่นี้จะกล่าวถึงโลหะนอกกลุ่มเหล็กที่มีความสำคัญ ในทางวิศวกรรม ซึ่งประกอบไปด้วยอลูมิเนียมและอลูมิเนียมผสม ทองแดงและทองแดงผสม ไทเทเนียมและ ไทเทเนียมผสม นิกเกิลและนิกเกิลผสม ในการศึกษาเกี่ยวกับโลหะนอกกลุ่มเหล็ก อาจแบ่งออกได้เป็นสองกลุ่ม ใหญ่ๆ ตามลักษณะการผลิตให้เป็นรูปร่างที่ต้องการ คือ
1) โลหะผสมสำหรับขึ้นรูป (Wrought Alloys) เป็นโลหะผสมที่มีความเหนียวพอเพียงที่จะนำไปขึ้น รูปด้วยวิธีการทางกล ให้เป็นผลิตภัณฑ์ตามที่ต้องการได้ โดยไม่เกิดการแตกหักขณะขึ้นรูป
2.) โลหะผสมสำหรับหล่อ (Cast Alloys) เป็นโลหะผสมที่มีสมบัติด้านการหล่อหลอมสูง มีการไหลตัวใน สภาพหลอมเหลวได้ดี สามารถผลิตให้เป็นรูปร่างตามที่ต้องการได้ด้วยกรรมวิธีการหล่อ
นอกจากนี้ การศึกษาเกี่ยวกับโลหะนอกกลุ่มเหล็ก ยังมีการศึกษาความสามารถในการอบชุบด้วย กรรมวิธีทางความร้อน (Heat Treatment) เพื่อปรับปรุงสมบัติทางกล โลหะนอกกลุ่มเหล็กที่สามารถทำการ อบชุบด้วยกรรมวิธีทางความร้อนได้ เรียกว่า Heat Treatable Alloys ส่วนโลหะนอกกลุ่มเหล็กที่ไม่ปรับปรุง สมบัติทางกลด้วยกรรมวิธีอบชุบทางความร้อนได้ จะเรียกว่า Unheat Treatable Alloys ซึ่งโลหะที่ไม่สามารถ ปรับปรุงสมบัติทางกลได้ด้วยกรรมวิธีทางความร้อน จะได้ความแข็งแรงจากการขึ้นรูปเย็น (Cold Work) เป็น หลัก
อลูมิเนียม
อลูมิเนียม
อลูมิเนียมได้ถูกนำมาใช้งานอย่างกว้างขวางทั้งในลักษณะของเครื่องใช้ภายในบ้านหรือชิ้นส่วนต่างๆ ใน อุตสาหกรรม เช่น การทำชิ้นส่วนเครื่องบิน เนื่องจากอลูมิเนียมมีสมบัติที่เหมาะสมหลายประการ คือ น้ำหนัก เบา ค่าความแข็งแรงต่อหนึ่งหน่วยน้ำหนักสูง มีความเหนียวสูง สามารถขึ้นรูปด้วยกรรมวิธีต่างๆ ได้ง่าย สามารถต้านทานการเกิดสนิม แต่ไม่ทนต่อการกัดกร่อนของกรดและด่างบางชนิด มีจุดหลอมเหลวต่ำประมาณ 660 ๐C ซึ่งทำให้ง่ายต่อการหลอม เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี มีค่าการนำความร้อนสูง ไม่เป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์ นิยมใช้ทำเป็นภาชนะบรรจุอาหารต่างๆ ผิวของอลูมิเนียมบริสุทธิ์มีดัชนีการสะท้อนแสงสูง ราคาถูก หาซื้อได้ง่าย ปัจจุบันอลูมิเนียมได้ถูกนำมาใช้งานอย่างกว้างขวางทั้งในลักษณะของเครื่องใช้ภายในบ้านหรือชิ้นส่วน ต่างๆ ในอุตสาหกรรม เช่น การทำชิ้นส่วนเครื่องบิน เนื่องจากอลูมิเนียมมีสมบัติที่เหมาะสมหลายประการ คือ
1) น้ำหนักเบา เมื่อเปรียบเทียบกับเหล็ก อลูมิเนียมจะหนักเพียง 1/3 เท่าของน้ำหนักเหล็กเท่านั้น
2) ค่าความแข็งแรงต่อหนึ่งหน่วยน้ำหนักสูง เหมาะสำหรับทำชิ้นส่วนเครื่องบิน ซึ่งต้องการน้ำหนักเบา และต้องการความแข็งแรงสูงในเวลาเดียวกัน
3) มีความเหนียวสูง สามารถขึ้นรูปด้วยกรรมวิธีต่างๆ ได้ง่าย
4) ต้านทานการเกิดสนิม เนื่องจากเมื่อถูกทิ้งไว้ในบรรยากาศจะเกิดฟิล์มบางๆ ของ Al2O3 ที่ผิว ซึ่งฟิล์ม ดังกล่าวจะทำหน้าที่ป้องกันเนื้อโลหะที่อยู่ลึกลงไปใต้ผิวไม่ให้เกิดปฏิกิริยากับออกซิเจน อีกต่อไป
5) ทนต่อการกัดกร่อนในบรรยากาศที่ใช้งานโดยทั่วไป แต่ไม่ทนต่อการกัดกร่อนของกรดและด่างบาง ชนิด
6) มีจุดหลอมเหลวต่ำประมาณ 660 ๐C ซึ่งทำให้ง่ายต่อการหลอม
7) เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี แต่เนื่องจากมีน้ำหนักเบา จึงมักใช้เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ต้องคำนึงถึงเรื่องน้ำหนักเบา เป็นสำคัญ
8) มีค่าการนำความร้อนสูง เหมาะสำหรับใช้ทำเป็นภาชนะหุงต้มบางชนิด
9) ไม่เป็นพิษต่อร่างกายมนุษย์ จึงนิยมใช้ทำเป็นภาชนะบรรจุอาหารต่างๆ
10) ผิวของอลูมิเนียมบริสุทธิ์มีดัชนีการสะท้อนแสงสูง มักมีการนำไปใช้ทำแผ่นสะท้อนแสงในแฟลช ถ่ายรูป จานสะท้อนแสงในโคมไฟฟ้า จานสะท้านแสงในไฟหน้ารถยนต์ และอื่นๆ ฯลฯ
11) ราคาถูก หาซื้อได้ง่าย
ลักษณะของผลิตภัณฑ์อลูมิเนียม แบ่งได้เป็น 2 ลักษณะ คือ
1) Mill Product ได้แก่ ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการแปรรูปเบื้องต้นจากโรงหล่อ ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่ จะมีรูปร่างและขนาดเป็นมาตรฐาน อาจมีลักษณะเป็นแผ่น เช่น Sheet, Plate และ Foil หรือ ในลักษณะเป็น แท่ง เช่น Rod และ Bar เป็นต้น
2) Engineering Product ได้แก่ ผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบเป็นพิเศษ เพื่อให้เหมาะสมกับงานที่ใช้ ดังนั้น ขั้นตอนการผลิตจึงต้องอาศัยกระบวนการผลิตที่พิเศษออกไปจากแบบแรก เช่น อาจได้จากกระบวนการ ผลิตแบบ Casting, Forging, Impact หรือ Powder Metallurgy เป็นต้น
อลูมิเนียมบริสุทธิ์ทางการค้า
อลูมิเนียมบริสุทธิ์ทางการค้า หมายถึง โลหะที่มีปริมาณอลูมิเนียมไม่น้อยกว่า 99.0% โดยน้ำหนัก และมีสิ่งเจือปนต่างๆ อยู่เล็กน้อย สิ่งเจือปนที่สำคัญได้แก่ ทองแดง, ซิลิกอน, เหล็กและแมกนีเซียม อลูมิเนียมบริสุทธิ์มีความแข็งแรงต่ำ แต่มีความเหนียวสูง เป็นอลูมิเนียมที่เหมาะสำหรับใช้ทำ ภาชนะ เครื่องใช้ต่างๆ ที่ไม่ต้องการความแข็งแรงมากนัก เช่น ทำภาชนะบรรจุอาหาร หม้อ กาน้ำ และแผ่น อลูมิเนียมห่ออาหาร เป็นต้น ค่าการนำไฟฟ้าและการนำความร้อนของอลูมิเนียมบริสุทธิ์จะลดลง เมื่อมีการ ผสมธาตุอื่นๆ เข้าไป
อลูมิเนียมผสม (Aluminium Alloys)
เนื่องจากอลูมิเนียมบริสุทธิ์มีความแข็งแรงต่ำ ไม่เหมาะสำหรับการนำไปงานทางด้านวิศวกรรมที่ ต้องการความแข็งแรงสูง เช่น ชิ้นส่วนยานยนต์ และชิ้นส่วนอากาศยานเป็นต้น จึงได้มีการพัฒนาอลูมิเนียม ผสมขึ้นมาเพื่อให้มีความแข็งแรงสูง ซึ่งชนิดของอลูมิเนียมผสมที่สำคัญๆ มีดังต่อไปนี้
1) อลูมิเนียมผสมทองแดง (Aluminium-Copper Alloys)
ประกอบด้วยอลูมิเนียมและทองแดงเป็นอลูมิเนียมผสมที่มีความสำคัญในอุตสาหกรรมการบิน ใช้ ทำชิ้นส่วนต่างๆ ของเครื่องบิน จากแผนภาพสมดุลในรูปที่ 5.1 และ 5.2 จะเห็นว่าความสามารถในการละลาย ของทองแดงในอลูมิเนียมมีค่าสูงสุดที่อุณหภูมิสูง และลดลงอย่างรวดเร็วเมื่ออุณหภูมิลดลง อันเป็นลักษณะที่ สามารถทำการเพิ่มความแข็งแรงได้โดยการแยกตะกอนของทองแดงในสภาวะของแข็ง (Age Hardening หรือ Precipitation Hardening) สำหรับในด้านการหล่อขึ้นรูป ทองแดงที่ผสมอยู่ในอลูมิเนียมช่วยให้สมบัติการไหล ของอลูมิเนียมผสมดีขึ้น นอกจากนี้ในโลหะผสมอลูมิเนียม-ทองแดง อาจมีการผสมธาตุอื่นๆ ลงไปด้วย เช่น แมกนีเซียม เพื่อช่วยเพิ่มความแข็งแรง เช่น อลูมิเนียมผสมที่มี 2.5%Cu 1.5%Mg ที่นิยมใช้ทำเป็นกะทะล้อ รถยนต์ (ดังแสดงในรูปที่ 5.3) แต่ถ้าหากมีการผสมนิกเกิลลงไปเล็กน้อย จะช่วยเพิ่มสมบัติในการใช้งานที่ อุณหภูมิสูง เช่น โลหะผสมอลูมิเนียมที่มี 4%Cu 1.5%Mg 2%Ni ที่ใช้ทำหัวลูกสูบและกระบอกสูบ เป็นต้น ซิลิกอนมักผสมในโลหะผสมอลูมิเนียม-ทองแดง เพื่อช่วยเพิ่มสมบัติการไหลตัวของอลูมิเนียมขณะหลอมเหลว ให้ดีขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยเพิ่มความแข็งแรงอีกด้วย เช่น โลหะผสมอลูมิเนียม-ทองแดงที่มี 4.5%Cu และ 0.8%Si เป็นต้น
2) อลูมิเนียมผสมซิลิกอน (Aluminium-Silicon Alloys)
ซิลิกอนช่วยให้อลูมิเนียมผสมมีน้ำหนักเบาขึ้น สมบัติการไหลของอลูมิเนียมขณะหล่อหลอมดีขึ้น หล่อชิ้นส่วนที่ซับซ้อนได้คมชัด การหดตัวของอลูมิเนียมหลังจากแข็งตัวเกิดขึ้นน้อย ความแข็งแรงเพิ่มขึ้นและ ต้านทานการผุกร่อนได้ดี และเหมาะสำหรับการผลิตชิ้นงานรูปพรรณต่างๆ (คือเป็น Cast Alloy นั่นเอง) ถ้า อลูมิเนียมผสมกับซิลิกอนเพียงอย่างเดียว มักจะมีปริมาณซิลิกอนประมาณ 12% โดยน้ำหนัก ซึ่งเหมาะสำหรับ ทำเป็นหัวลูกสูบรถยนต์ต่างๆ จากแผนภาพสมดุลในรูปที่ 5.4 จุดยูเทคติกของ Al-Si Alloy เท่ากับ 11.8% ที่ 577๐C ดังนั้น ในกรณีที่มีปริมาณซิลิกอนสูงจะปรากฏเฟส ขนาดใหญ่ (ดังแสดงในภาพถ่ายโครงสร้าง จุลภาคของโลหะผสม Al-20%Si และ Al-50%Si ในรูปที่ 5.4) เนื่องจากเฟส เป็น Diamond Cubic ของ ซิลิกอน และเกือบจะเป็นซิลิกอนบริสุทธิ์ ที่ค่อนข้างแข็งและเปราะ ทนการขูดขีด จึงต้องมีการปรับปรุงเพื่อให้ เฟส กระจายอยู่ทั่วไปและสม่ำเสมอ ภายหลังการหล่อขึ้นรูป โดยการเติมธาตุในกลุ่ม Alkaline Earth เช่น การเติมโซเดียมลงไปในน้ำโลหะก่อนที่จะทำการเทหล่อ ทั้งนี้ ต้องควบคุมอัตราการเย็นตัวของชิ้นงานหล่อ แต่ ถ้ามีธาตุอื่นผสมอยู่ด้วยเช่น ทองแดง ปริมาณซิลิกอนที่ใช้จะลดน้อยลง เช่น อลูมิเนียมที่มี5%Si 4%Cu การ ผสมทองแดงเข้าไปในอลูมิเนียมผสมช่วยให้สมบัติด้านการกลึงไสของอลูมิเนียมดีขึ้น แต่มีผลทำให้ความ แข็งแรงและความต้านทานการผุกร่อนลดลงเล็กน้อย
3) อลูมิเนียมผสมแมกนีเซียม (Aluminium-Magnesium Alloys)
อลูมิเนียมผสมชนิดนี้มีน้ำหนักเบา มีความแข็งแรงสูงปานกลาง และต้านทานการผุกร่อนภายใต้ บรรยากาศทั่วไปได้ดีเมื่อปริมาณแมกนีเซียมเพิ่มขึ้นมีผลให้ความแข็งแรงสูงขึ้นด้วย จนถึงประมาณ 15%Mg แต่ ปกติมักมีแมกนีเซียมไม่เกิน 10% เพราะถ้ามีมากกว่านี้จะทำให้อลูมิเนียมแข็งและเปราะมาก จากรูปที่ 5.5 แผนภาพสมดุล Al-Mg จะเห็นว่าความสามารถในการละลายของแมกนีเซียมในอลูมิเนียมค่อนข้างต่ำที่ อุณหภูมิห้องและเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เป็นลักษณะที่สามารถเพิ่มความแข็งแรงของอลูมิเนียมได้ด้วยการ ทำ Age Hardening แต่อลูมิเนียมผสมชนิดนี้ที่ใช้เป็น Wrought Alloys โดยทั่วไปมีปริมาณแมกนีเซียมไม่เกิน 5% ทำให้ปริมาณของเฟสที่สองที่จะแยกตัวจากเฟสที่หนึ่งมีปริมาณน้อย เป็นผลให้ได้ความแข็งเพิ่มขึ้นจาก การทำ Age Hardening น้อย จึงไม่นิยมทำ Age Hardening ในอลูมิเนียมผสมชนิดนี้ แต่ในอลูมิเนียมผสม สำหรับหล่อบางชั้นคุณภาพ มีแมกนีเซียมอยู่ 10% สามารถทำ Age Hardening ได้เนื่องจากแมกนีเซียมเป็น ธาตุที่ถูกออกซิไดซ์ได้ง่ายมาก โดยเฉพาะในขั้นตอนการหล่อหลอม ดังนั้น การผสมแมกนีเซียมเข้าไปในอลูมิเนียม หลอมเหลวควรระมัดระวังพิเศษ และยิ่งในกรณีที่ต้องใช้แมกนีเซียมในปริมาณมาก ถ้าผสมซิลิกอนเข้าไปใน อลูมิเนียมผสมแมกนีเซียมด้วยจำนวนพอเหมาะ สามารถลดปริมาณแมกนีเซียมในอลูมิเนียมผสมได้มากโดย ยังให้ความแข็งแรงที่ไม่ต่างกัน โลหะอลูมิเนียมผสมแมกนีเซียมบางชนิดจะมีสังกะสีและซิลิกอน เพราะสังกะสี ช่วยเพิ่มสมบัติด้านการหล่อหลอมได้ดีขึ้น
ทองแดง
ทองแดงบริสุทธิ์
มนุษย์ รู้จักใช้ประโยชน์จากทองแดงทำเป็นข้าวของเครื่องใช้และอาวุธต่างๆ มาตั้งแต่สมัยดึก ดำบรรพ์ หรือที่เรียกว่า ยุคสัมฤทธิ์ มาจนถึงปัจจุบันนี้ ทองแดง ยังเป็นโลหะที่ใช้งานอย่างแพร่หลายและถือ เป็นโลหะที่สำคัญ ที่สุดในกลุ่มโลหะนอกกลุ่มเหล็ก ทองแดงและทองแดงผสมมีสมบัติเด่นหลายประการ เช่น
1) ความต้านแรงดึงสูง และมีช่วงพิกัด (ขึ้นกับชนิดทองแดงและกรรมวิธีผลิต)
2)ความเหนียวสูง สามารถขึ้นรูปโดยไม่เสี่ยงต่อการแตกหัก
3) เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี
4) เป็นตัวนำความร้อนที่ดี
5) กลึงไสเข้ารูปได้ง่าย เมื่อผสมธาตุบางตัวเข้าไป
6)ต้านทานความล้าได้ดี
7) ไม่เป็นสารแม่เหล็ก
8) ต้านทานการกัดกร่อน โดยเฉพาะเมื่อใช้กับกรดและน้ำทะเล
9) ทนทานต่อการสึกหรอ
10) มีสีสวยน่าใช้
โดยทั่วไป ทองแดงเกือบบริสุทธิ์มีสิ่งเจือปนอื่นๆ ผสมอยู่ไม่เกิน 0.5% โดยน้ำหนัก สำหรับ ทองแดงผสม นั้นมีจะมีทองแดงเป็นธาตุที่ผสมอยู่มากที่สุด แต่ไม่น้อยกว่า 40% และไม่มากกว่า 99% โดย น้ำหนัก
การแบ่งชนิดของทองแดง ตามมาตรฐาน ASTM B224 แบ่งกลุ่มของทองแดงออกเป็น 3 กลุ่มใหญ่ๆ คือ
1) ทองแดงทัฟพิชซ์ (Tough-Pitch Copper) ได้แก่ ทองแดงที่มีปริมาณออกซิเจนผสมอยู่ประมาณ 0.02-0.05% โดยน้ำหนัก ออกซิเจนเหล่านี้เป็นออกซิเจนที่ตกค้างจากกรรมวิธีการหล่อหลอมทองแดง และอยู่ ในสภาพของทองแดงออกไซด์ (Cu2O) เป็นส่วนใหญ่ ทองแดงทัฟพิทช์ แบ่งออกเป็น 2 ชนิดตามวัตถุดิบที่ใช้ คือ
• Electrolytic Tough-Pitch Copper ได้แก่ ทองแดงทัฟพิทช์ที่ทำจากทองแดง ที่ผ่านการทำ ให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีทางไฟฟ้า
• Fired Refined Tough-Pitch Copper ได้แก่ ทองแดงทัฟพิทช์ ที่ทำจากทองแดงที่ผ่านการ ทำให้บริสุทธิ์ด้วยวิธีทางความร้อน (Fired Refined)
2) ทองแดงที่ปราศจากออกซิเจน (Oxygen Free Copper) ได้แก่ ทองแดงที่ผ่านการกำจัด ออกซิเจนในระหว่างการหล่อหลอมทองแดง ไม่มีออกไซด์และสารที่ใช้ในการกำจัดออกซิเจนตกค้างอยู่ในเนื้อ ทองแดง
3) ทองแดงดีออกซิไดซ์ (Deoxidize Copper) หมายถึง ทองแดงที่ผ่านการเติมธาตุบางชนิด เพื่อกำจัดออกซิเจนที่เจือปนในเนื้อทองแดงระหว่างทำการหลอมทองแดง และธาตุที่ผสมเข้าไปนี้ ถ้ามีปริมาณ มากเกินไป จะทำให้หลงเหลืออยู่ในเนื้อทองแดงบางส่วน กลุ่มของทองแดงดีออกซิไดซ์ เหล่านี้ยังแบ่งออกเป็น ชนิดย่อยๆ ได้อีกหลายชนิด ดังจะได้กล่าวถึงในหัวข้อถัดไป
ชนิดของทองแดงดีออกซิไดซ์
1) ทองแดงที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูง (Electric Copper) หมายถึง ทองแดงค่อนข้างบริสุทธิ์ มีสิ่งเจือปน ละลายอยู่น้อย และมีค่าการนำไฟฟ้าไม่น้อยกว่า 100% IACS ที่ 20๐C เมื่อทดสอบตามมาตรฐาน ASTM B193 หรือตามมาตรฐาน JIS C3002 IACS (International Annealed Copper Standard) เป็นมาตรฐานที่ใช้เปรียบเทียบสมบัติ การนำไฟฟ้าของโลหะชนิดต่างๆ ตั้งขึ้นโดย International Electrotechnical Commission เมื่อปี 1913 มาตรฐานนี้กำหนดว่า ทองแดงมาตรฐานที่ผ่านการอบอ่อนจะมีค่าการนำไฟฟ้าคิดเป็น 100%IACS ทองแดง พื้นที่หน้าตัด 1 มม.2 ยาว 1 เมตร จะมีความต้านทานเท่ากับ 1/58 หรือ 0.017241 โอห์ม
2) ทองแดงฟอสฟอรัส (Phosphorus Copper) หมายถึง ทองแดงในกลุ่มทองแดงดีออกซิไดซ์ ที่ใช้ธาตุฟอสฟอรัสในการไล่ออกซิเจน แล้วมีฟอสฟอรัสตกค้างอยู่ แบ่งออกเป็น 2 ชนิดคือ
• ชนิดที่มีฟอสฟอรัสตกค้างต่ำ (Low Residual Phosphorus) หมายถึงทองแดงดีออกไซด์ที่ ปริมาณฟอสฟอรัสตกค้างอยู่ไม่เกิน 0.011% โดยน้ำหนัก ฟอสฟอรัสปริมาณเท่านี้ถือว่าต่ำและไม่มากพอที่จะ ทำลายค่าการนำไฟฟ้าของทองแดง
• ชนิดที่มีฟอสฟอรัสตกค้างสูง (High Residual Phosphorus) หมายถึงทองแดงดีออกซิไดซ์ที่มี ปริมาณฟอสฟอรัสตกค้างอยู่สูงกว่าใน (ก) แต่ไม่เกิน 0.040% โดยน้ำหนัก ค่าการนำไฟฟ้าของทองแดงจะถูก ทำลาย เนื่องจากการละลายของฟอสฟอรัสในทองแดงเป็นจำนวนมากจนไม่เหมาะที่จะใช้งานเป็นตัวนำไฟฟ้า
3) ทองแดงที่มีเงิน (Silver-Bearing Copper) หมายถึง ทองแดงที่ผ่านการผสมเงินลงไปใน ปริมาณ 10-12 ออนซ์ต่อตันของทองแดง เพื่อช่วยเพิ่มอุณหภูมิคืนรูปผลึกของทองแดง เพิ่มความต้านทานต่อ การเกิดความคืบ (Creep) โดยไม่ทำให้สมบัติการนำไฟฟ้าของทองแดงลดลง เนื่องจากเงินไม่ทำลายสมบัติการ นำไฟฟ้าของทองแดง ดังนั้น ในงานไฟฟ้าจึงนิยมคิดปริมาณของเงินรวมกับปริมาณของทองแดง เช่นทองแดง เงิน 99.92% เป็นต้น
4) ทองแดงอาร์เซนิค (Arsenical Copper) ได้แก่ ทองแดงที่ผ่านการผสมธาตุอาร์เซนิค (As) ลงไปประมาณ 0.25-0.50% โดยน้ำหนัก เพื่อช่วยเพิ่มสมบัติความต้านแรงดึง ความทนทานต่อการล้าและเพิ่ม อุณหภูมิคืนรูปผลึก ช่วยให้ง่ายต่อการขึ้นรูป เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน แต่ทองแดงชนิดนี้ไม่เหมาะ สำหรับใช้กับงานด้านไฟฟ้า เพราะค่าการนำไฟฟ้าของทองแดงจะลดลงเหลือประมาณ 40% IACS เมื่อมีธาตุ อาร์เซนิคผสมอยู่ 0.5%
5) ทองแดงเทลลูเรียม (Tellurium Copper) และทองแดงซีเลเนียม (Selenium Copper) หมายถึง ทองแดงที่ผสมธาตุเทลลูเรียม (Te) หรือซีเลเนียม (Se) ตามลำดับลงไปประมาณ 0.5% เพื่อปรับปรุง สมบัติการกลึงไสของทองแดงให้ดีขึ้น โดยไม่ทำให้ค่าการนำไฟฟ้าของทองแดงลดลงมาก
ทองแดงผสม (Copper-base Alloys)
ทองแดงผสมแยกเป็นกลุ่มใหญ่ๆ ตามชื่อที่นิยมเรียกกันเป็น 3 กลุ่ม คือ
ทองเหลือง (Brass)
บรอนซ์ (Bronze)
และทองแดงผสมอื่นๆ
ดังจะได้กล่าวโดยละเอียดดังหัวข้อต่อไป 1) ทองเหลือง (Brass) ทองเหลือง คือโลหะผสมของทองแดง ที่มีสังกะสีเป็นธาตุผสมหลัก และมีธาตุอื่นผสมอยู่อีก เล็กน้อย เพื่อช่วยปรับปรุงสมบัติต่างๆ ให้ดีขึ้น แต่ปริมาณของธาตุผสมอื่นๆ ต้องมีไม่มากเกินไปจนมีผลต่อ สมบัติทางกายภาพ และทางกลของทองเหลืองมากกว่าสังกะสีที่ ปริมาณสังกะสีในทองเหลืองมีตั้งแต่ปริมาณ น้อยๆ ไปจนถึงปริมาณมากกว่า 40% โดยน้ำหนัก ความแข็งแรงของทองเหลืองจะสูงกว่าทองแดงและมีค่า เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามปริมาณสังกะสีที่เพิ่มขึ้น ทองแดงที่มีปริมาณสังกะสีน้อยๆ จะมีสีแดงชมพู แต่ถ้าปริมาณ สังกะสีมากขึ้นจะเปลี่ยนเป็นสีเหลืองและเหลืองซีดลงตามลำดับ สังกะสีในทองเหลืองมีผลทำให้ทองเหลืองมีสมบัติความต้านแรงดึงและความเหนียวสูงขึ้น ความ แข็งสูงกว่าทองแดง และมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ตามปริมาณสังกะสีที่เพิ่มขึ้น แต่ถ้าปริมาณสังกะสีมีมากเกินไป โดยเฉพาะเมื่อมีปริมาณมากกว่า 40% จะมีผลทำให้ความเหนียวของทองเหลืองลดลงอย่างมากจนไม่เหมาะ สำหรับใช้งาน ดังนั้น ทองเหลืองในงานวิศวกรรมจึงมีพิกัดขั้นสูงของปริมาณสังกะสีไม่เกิน 40% ทองเหลืองที่มีปริมาณสังกะสีประมาณ 30% โดยน้ำหนักเป็นทองเหลืองที่มีความแข็งแรงและ ความเหนียวสูงที่สุด จึงเป็นส่วนผสมของทองเหลืองที่ได้รับความนิยมใช้งานมากที่สุด จุดอ่อนของทองเหลือง คือ ทองเหลืองมีความต้านทานการผุกร่อนต่ำ และเมื่อปริมาณสังกะสีเพิ่มมากขึ้น โอกาสที่จะเกิดการกัดกร่อน ก็มีมากยิ่งขึ้น ทองเหลืองจะผุกร่อนได้เร็วมากเมื่อสัมผัสกับน้ำทะเล ดังนั้นจึงมีการผสมธาตุอื่นๆ เข้าไปใน ทองเหลือง เพื่อเพิ่มความสามารถต้านทานการผุกร่อนให้กับทองเหลือง และเพื่อผลประโยชน์ด้านอื่นๆ อีก หลายอย่าง ธาตุเจือที่นิยมใช้ผสมเข้ากับทองเหลืองได้แก่ ตะกั่ว ดีบุก นิกเกิล อลูมิเนียม แมงกานีส ซิลิกอน และเหล็ก เป็นต้น
ผลของธาตุต่างๆ ใน
1. ทองเหลือง
• ตะกั่ว อาจเจือปนเข้าไปในทองเหลือง เนื่องจากติดเข้ามากับสังกะสีที่ใช้ผสมกับทองแดง โดย ปกติปริมาณตะกั่วควรมีไม่เกิน 0.5% โดยน้ำหนัก และเรียกทองเหลืองชนิดนี้ว่าเป็นทองเหลืองที่ไม่มีตะกั่ว (Non-laded Brass) แต่ถ้ามีปริมาณตะกั่วมากกว่า 0.5% จะเรียกว่าทองเหลืองที่มีตะกั่ว (Leaded Brass) ตะกั่วช่วยให้สมบัติการไหลของทองเหลืองดีขึ้น และง่ายต่อการหล่อขึ้นรูป ดังนั้นในชิ้นงานหล่อ (Cast Alloys) ทองเหลืองทั่วไปจึงมีตะกั่วผสมอยู่ นอกจากนี้ตะกั่วยังเพิ่มสมบัติการกลึงไสให้สามารถทำการกลึงไสได้ง่าย หรือที่เรียกว่า Free-Cutting Brass (58%Cu- 39%Zn- 3%Pb) อย่างไรก็ตามสมบัติความต้านแรงดึงและ ความเหนียวของทองเหลืองจะลดลง เมื่อปริมาณตะกั่วเพิ่มมากขึ้น ด้วยเหตุนี้ ชิ้นงานทองเหลืองขึ้นรูปจึงมักมี ตะกั่วผสมอยู่ไม่มากเหมือนชิ้นงานหล่อ
• ดีบุก ในทองเหลืองมีได้เพียงเล็กน้อย ไม่เกิน 6% โดยน้ำหนัก เพราะถ้ามีมากกว่านี้ดีบุกจะมี ผลต่อสมบัติด้านต่างๆ ของทองเหลืองมากว่าสังกะสี ซึ่งถ้าเป็นเช่นนี้ เราจะไม่เรียกว่าเป็นทองเหลืองแต่จะ เรียกว่าบรอนซ์แทน ซึ่งอัตราการผสมและสมบัติต่างๆ ของบรอนซ์จะได้กล่าวถึงในหัวข้อถัดไป ดีบุกช่วยเพิ่ม สมบัติความต้านแรงดึง พิกัดการคืนรูป (Elastic Limit) รีไซเลียน (Resilience) เพิ่มสมบัติความทนทานต่อ การล้าให้กับทองเหลือง นอกจากนี้ดีบุกยังช่วยเพิ่มสมบัติการไหลของทองเหลืองทำให้ไหลตัวดีขึ้น หล่อขึ้นรูป ได้ง่าย และยังช่วยเพิ่มความต้านทานการผุกร่อน สามารถใช้ทำชิ้นส่วนต่างๆ ที่ต้องสัมผัสน้ำทะเลได้ เช่น Naval Brass (60%Cu- 39.25%Zn- 0.75%Sn) และ Admiral Brass (71%Cu- 28%Zn- 1%Sn)
• นิกเกิล ปริมาณนิกเกิลในทองเหลืองเพียงเล็กน้อย ส่งผลให้ความแข็งแรง และความต้านทาน การผุกร่อนของทองเหลืองเพิ่มขึ้น เช่น ทองเหลืองนิกเกิล (Nickel Brass, 65%Cu- 18%Ni- 17%Zn) แต่ถ้า ปริมาณนิกเกิลได้อัตราส่วนที่พอเหมาะกับปริมาณของสังกะสี จะมีผลทำให้ทองเหลืองเปลี่ยนเป็นสีขาวคล้าย เงิน ที่เรียกว่า นิกเกิลเงิน (Silver Nickel) หรือเรียกว่า เงินเยอรมัน (German Silver)
• อลูมิเนียม แมงกานีส ซิลิกอนและเหล็ก ธาตุเหล่านี้มักจะถูกผสมเข้าไปในทองเหลือง (อาจไม่ ครบทั้ง 4 ธาตุ) เพื่อเพิ่มความแข็งแรง ซึ่งมีผลทำให้ความแข็งแรงของทองเหลืองเพิ่มสูงขึ้นอย่างมาก จนมีชื่อ เรียกว่าทองเหลืองความต้านแรงดึงสูง (High-tensile Brass) นอกจากนี้ธาตุเหล่านี้ยังทำให้เกรนของ ทองเหลืองละเอียดขึ้น และเพิ่มความต้านทานการผุกร่อน และสามารถเชื่อมประสานได้ง่าย ปกติปริมาณของ ธาตุเหล่านี้ในทองเหลือง มีรวมกันอยู่ประมาณ 2-7% ซึ่งอัตราส่วนผสมของแต่ละธาตุมักจะใกล้เคียงกัน ยกเว้นแมงกานีส ซึ่งแมงกานีสปริมาณเพียงเล็กน้อยมีผลให้ความแข็งแรงของทองเหลืองเพิ่มขึ้นได้เป็นอย่าง มาก จนถึงกับเรียกทองเหลืองที่มีแมงกานีสผสมอยู่นี้ว่าบรอนซ์แมงกานีส (Manganese Bronze)
2. บรอนซ์ (Bronze)
บรอนซ์ หมายถึง โลหะผสมระหว่างทองแดงกับธาตุอื่นๆ ธาตุที่ผสมอาจมีสังกะสีรวมอยู่ด้วย แต่ ปริมาณสังกะสีต้องไม่มากพอที่จะทำให้มีผลต่อสมบัติทางกายภาพและทางกลของโลหะผสมมากกว่าธาตุผสม อื่นๆ ที่ผสม บางครั้งอาจใช้คำว่าบรอนซ์สำหรับเรียกชื่อทองเหลืองบางชนิด ในกรณีที่ผู้เรียกคำนึงถึงผล ทางด้านความสวยงาม และใช้ทองเหลืองนั้นสำหรับอุปกรณ์เครื่องตกแต่ง เช่น Commercial Bronze (90%Cu- 10%Zn) และ Jewelry Bronze (87.5%Cu- 12.5%Zn) เป็นต้น จะเห็นว่าโลหะเหล่านี้ก็คือ ทองเหลืองนั่นเอง คำว่าบรอนซ์ในที่นี้จึงมีความหมายด้านความรู้สึกสวยงาม แต่ไม่มีความหมายทางด้าน วิชาการ บรอนซ์สามารถแบ่งออกเป็นชนิดต่างๆ ขึ้นกับธาตุที่เป็นธาตุผสมหลัก และใช้ชื่อธาตุนั้นๆ เป็น คำขยายบรอนซ์ชนิดต่างๆ บรอนซ์ที่มีสำคัญในงานวิศวกรรมได้แก่ บรอนซ์ดีบุก บรอนซ์อลูมิเนียม บรอนซ์ ซิลิกอนและบรอนซ์เบริลเลียม
2.1) บรอนซ์ดีบุก (Tin Bronze)
2.2) บรอนซ์อลูมิเนียม (Aluminium Bronze)
2.3) บรอนซ์ซิลิกอน (Silicon Bronze)
2.4) บรอนซ์เบริลเลียม (Beryllium Bronze)
2.5) บรอนซ์โครเมียม (Chromium Bronze)
3. ทองแดงผสมอื่น ๆ
ทองแดงผสมอื่น ๆ ได้แก่ ทองแดงผสมธาตุอื่นๆ นอกเหนือจากกลุ่มที่ใช้ชื่อว่าทองเหลืองและ บรอนซ์ ทองแดงผสมอื่นๆ ที่สำคัญได้แก่ ทองแดงนิกเกิลและนิกเกิลเงิน (Nickel Silver)
1) ทองแดงนิกเกิล (Copper-Nickel Alloys) โดยปกติมีนิกเกิลผสมอยู่ประมาณ 4-30% โดยน้ำหนัก มีความแข็งแรงสูง ต้านทานการผุกร่อน ได้ดีที่สุด เหมาะสำหรับทำท่อกลั่น (Condenser Tube) ปลอกกระสุนปืน ดอกกุญแจ และเนื่องจากทองแดง ผสมนี้ มีคุณค่าพอสมควร จึงนิยมใช้ทำเหรียญกษาปณ์ เช่น เหรียญบาท และเหรียญห้าบาท
2) นิกเกิลเงิน (Nickel Silver) เป็นโลหะผสมระหว่างทองแดง สังกะสีและนิกเกิล ไม่มีส่วนผสมของเงินอยู่เลย ที่เรียกชื่อนี้เพราะ โลหะชนิดนี้มีสีขาวคล้ายเงิน การใช้งานในช่วงแรกๆ ของการค้นพบ ส่วนใหญ่ใช้ทำเป็นภาชนะที่ทำด้วยเงิน ทำให้ได้โลหะที่มีราคาถูกลง แต่ยังมีสีสันที่น่านิยมใช้และดูมีคุณค่า ในปัจจุบันเราพบว่าสีของนิกเกิลเงินอาจไม่ เป็นสีขาว แต่จะมีสีออกชมพูเรื่อๆ หรือฟ้าเรื่อๆ หรือ เหลืองเรื่อๆ ก็ได้ ขึ้นอยู่กับส่วนผสมของนิกเกิล สังกะสี และทองแดงที่ผสมอยู่ในโลหะนั้น โลหะผสมชนิดนี้เหมาะสำหรับทำเป็นเครื่องประดับ ซิบ ถาด จาน ช้อน ส้อม อุปกรณ์ในกล้องถ่ายรูปและแผ่นป้าย
การปรับปรุงสมบัติของทองแดงและทองแดงผสม
ทองแดงและทองแดงผสมสามารถปรับปรุงสมบัติบางอย่างของโลหะให้มีสมบัติทางกายภาพและทาง กล เฉพาะค่าหนึ่งๆได้ตามที่ต้องการ โดยผ่านกรรมวิธีการต่างๆ สำหรับทองแดงและทองแดงผสมส่วนใหญ่ไม่ สามารถปรับปรุงความแข็งแรงได้ด้วยกรรมวิธีทางความร้อน ดังนั้นการปรับปรุงความแข็งแรง จึงทำได้โดยการ ผสมธาตุต่างๆ ด้วยอัตราส่วนผสมที่เหมาะสมเพื่อให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นในลักษณะสารละลายของแข็ง และ ปรับปรุงความแข็งแรงโดยการขึ้นรูปเย็น (Cold Working) ซึ่งความแข็งแรงจะเพิ่มมากขึ้นตามอัตราการขึ้นรูป ที่เพิ่มขึ้น สำหรับสมบัติของทองแดงและทองแดงผสมนี้ อาจพิจารณาจากขนาดเกรนก็ได้ โดยทองแดงที่มี ขนาดเกรนละเอียด จะให้ความแข็งแรงและความเหนียวสูงกว่าทองแดงที่มีขนาดเกรนหยาบ ดังนั้นจะเห็นว่า ขนาดเกรนเป็นสิ่งที่สำคัญในการพิจารณาสมบัติของทองแดงและทองแดงผสมด้วยเช่นกัน
นิกเกิล
นิกเกิลบริสุทธิ์
นิกเกิลเป็นโลหะที่มีสีเขียวแกมเหลือง หนัก มีราคาแพง จุดหลอมตัวสูงใกล้เคียงกับเหล็ก มี ความเหนียวสูง สามารถขึ้นรูปต่างๆ ได้ง่าย คงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงได้ดี เหมาะสำหรับทำชิ้นส่วนหรือ โครงสร้างที่ใช้งานที่อุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อนด้วยกรดอ่อน ด่างอ่อนและกรดแก่ ด่างแก่ที่เจือจางได้ดี ใช้ ทำภาชนะต่างๆ ในอุสาหกรรมเคมีที่เกี่ยวกับกรดและด่าง นิกเกิลใช้อาบเคลือบบนผิวโลหะอื่น เช่น อาบเหล็กเพื่อป้องกันสนิมที่จะเกิดขึ้นกับเหล็กที่เป็น พื้นผิวด้านล่างให้ผิวที่ทนต่อการสึกกร่อนและให้ผิวที่สวยงาม นิกเกิลในงานวิศวกรรมทั่วไปเป็นนิกเกิลผสมกับ ธาตุอื่นๆ เพื่อให้มีราคาโลหะถูกลง และให้ความแข็งแรงสูงกว่าเดิม ใช้งานได้กว้างขวางขึ้น นอกจากนี้ยังได้ โลหะที่มีสมบัติพิเศษอื่นๆ อีกมากมาย เช่น ทำลวดความต้านทาน เป็นต้น
สมบัติของนิกเกิล
ลักษณะสมบัติของนิกเกิล แสดงดังตาราคางที่ 5.8 และสมบัติทางเคมีของนิเกิลมีลักษณะดังนี้
1) ไม่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันที่อุณหภูมิห้อง เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันได้เล็กน้อยที่อุณหภูมิสูง
2) ละลายได้เล็กน้อยในกรดเกลือและกรดกำมะถัน
3) ละลายได้รวดเร็วในกรดดินประสิว (HNO3)
นิกเกิลในทางการค้า
นิกเกิลในทางการค้าเป็นโลหะที่มีนิกเกิลอยู่ไม่น้อยกว่า 93% โดยน้ำหนัก แบ่งออกเป็นชั้น คุณภาพต่างๆ ตามปริมาณนิกเกิลและธาตุที่ผสม และมีชื่อซึ่งรู้จักดีกันในทางการค้าว่า A นิกเกิล D นิกเกิล E นิกเกิล เพอร์มานิกเกิล และดิวรานิกเกิล เนื่องจากธาตุโคบอลต์ในนิกเกิล แสดงสมบัติทางกายภาพและทาง กลคล้ายกับนิกเกิลมาก ดังนั้น เราจึงไม่พิถีพิถันปริมาณโคบอลต์ในนิกเกิล และมักจะคิดรวมเข้าในหมวด เดียวกับนิกเกิล เช่น Ni + Co = 96% เป็นต้น
1) A นิกเกิล (A Nickel) เป็นนิกเกิลบริสุทธิ์ทางการค้าที่มีปริมาณนิกเกิลรวมกับโคบอลท์ไม่ น้อยกว่า 99% โดยน้ำหนัก สิ่งเจือปนที่สำคัญได้แก่ แมงกานีส คาร์บอนและเหล็ก โลหะนี้เหมาะสำหรับใช้ใน งานที่ต้องการความแข็งแรงปานกลางและมีความต้านทานการกัดกร่อนดี
2) D นิกเกิล (D Nickel) และ E นิกเกิล (E Nickel) ธาตุผสมที่สำคัญในนิกเกิลชนิดนี้คือ แมงกานีส โดยใน D นิกเกิลมี 4.5%Mn และใน E นิกเกิลมี 2.0%Mn โดยน้ำหนัก นิกเกิลชนิดนี้มีความแข็งแรงสูงกว่า A นิกเกิล แมงกานีสช่วยให้นิกเกิลสามารถใช้งานภายใต้บรรยากาศของกำมะถันได้ เช่น ใช้ในห้องสันดาปของ เครื่องยนต์สันดาปภายใน เช่นใช้ทำเขี้ยวหัวเทียน นิกเกิลทั่วๆ ไปไม่เหมาะสำหรับใช้งานในบรรยากาศที่มี กำมะถัน เพราะจะทำให้โลหะละลายและแตกเมื่อร้อน (Hot Shot)
3) เพอร์มานิกเกิล (Permanickel) นิกเกิลชนิดนี้มีความแข็งแรงสูงกว่านิกเกิลชนิดอื่นๆ ที่กล่าว มา เพราะปริมาณของแมงกานีสและไทเทเนียมเพียงเล็กน้อยในนิกเกิล มีผลทำให้นิกเกิลมีความแข็งแรงสูงขึ้น และยังสามารถปรับปรุงความแข็งแรงได้ด้วยกรรมวิธีทางความร้อน เพื่อให้เกิดการตกตะกอนแข็ง สมบัติการ นำไฟฟ้าดีพอสมควร ดังนั้นนิกเกิลชนิดนี้จึงเหมาะสำหรับใช้งานที่ต้องการทั้งความแข็งแรงและการนำไฟฟ้า เช่น ทำสปริงที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน
4) ดิวรานิกเกิล (Duranickel) ธาตุผสมที่สำคัญในนิกเกิลชนิดนี้ คือ อลูมิเนียม โดยปกติมีปริมาณ 4.5% โดยน้ำหนัก ธาตุผสมอื่นๆ ที่สำคัญได้แก่ ไทเทเนียมและซิลิกอน ธาตุเหล่านี้ช่วยให้นิกเกิลมีความ แข็งแรงสูงขึ้น และสามารถปรับปรุงความแข็งแรงให้สูงขึ้นด้วยกรรมวิธีทางความร้อนเพื่อให้เกิดการตกตะกอน แข็ง นิกเกิลชนิดนี้จัดเป็นชนิดที่มีความแข็งแรงสูงที่สุดในบรรดานิเกิลที่กล่าวมาทั้งหมด ต้านทานการผุกร่อน และการเกิดสนิมได้ดีที่สุด แต่สมบัติการนำไฟฟ้าและสมบัติทางแม่เหล็กของนิกเกิลชนิดนี้จะลดลงน้อยกว่า นิกเกิลชนิดอื่นๆ
นิกเกิลผสม (Nickel Alloys)
นิกเกิลผสม หมายถึง โลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นองค์ประกอบหลัก และมีธาตุอื่นๆ ผสมอยู่ด้วย โดยปกติปริมาณของธาตุผสมเหล่านี้รวมกันไม่ต่ำกว่า 10% โดยน้ำหนัก ธาตุเหล่านี้ ผสมเข้ากับนิกเกิลเพื่อลด ราคาของนิกเกิลให้ถูกลง โดยอาจมีสมบัติทางกายภาพและทางกลดีกว่าเดิม นอกจากนี้ธาตุบางตัวผสมเข้ากับ นิกเกิลเพื่อให้นิกเกิลมีสมบัติบางอย่างดีขึ้น เช่น เป็นลวดความต้านทานไฟฟ้า เป็นต้น นิกเกิลผสมที่สำคัญที่รู้จัก กันดี และมีชื่อสามัญเรียกกันอยู่ทั่วไปได้แก่ โมเนล อินโคเนล ไนโครม แฮสเทลลอยและอิลเลียม
1) โมเนล (Monels)
เป็นโลหะผสมระหว่างนิกเกิลกับทองแดง โดยมีปริมาณนิกเกิลต่อทองแดงประมาณ 2 : 1 โดย น้ำหนัก ธาตุผสมอื่นๆ ที่สำคัญได้แก่ เหล็ก แมงกานีส ซิลิกอน และอลูมิเนียม ทองแดงนอกจากจะผสมเข้ากับ นิกเกิลเพื่อทำให้ราคาของนิกเกิลลดลงแล้ว ยังช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับนิกเกิลอีกด้วย การผสมทองแดงใน นิกเกิลยังทำให้ความต้านทานไฟฟ้าของนิกเกิลสูงขึ้น และพบว่าที่ปริมาณ 45%Ni – 55%Cu ความต้านทานทาง ไฟฟ้าของนิกเกิลผสมชนิดนี้สูงที่สุด ในขณะเดียวกันสัมประสิทธิ์การเปลี่ยนแปลงค่าความต้านทานไฟฟ้าเทียบ กับอุณหภูมิจะน้อยที่สุด นิยมใช้ทำลวดความต้านทานไฟฟ้าและทำสายไฟวัดอุณหภูมินิกเกิลผสมชนิดนี้มีชื่อ ทางการค้าว่า คอนสแตนแทนโมเนล(Constantan Monels) และแบ่งออกเป็นชนิดย่อยๆ ได้ดังนี้
• โมเนลขึ้นรูป (Wrought Monel) ได้แก่ โมเนลพื้นฐานทั่วๆ ไป
• R โนเมล ได้แก่ โนเมลที่มีปริมาณกำมะถันสูงประมาณ 0.06 – 0.25% โดยน้ำหนัก เพื่อช่วย ให้โมเนลมีสมบัติกลึงไสดีขึ้น
• K โนเมล ได้แก่ โมเนลที่ผสมซิลิกอนประมาณ 3% และ 4%โดยน้ำหนักตามลำดับ เพื่อช่วย ให้สมบัติการไหลตัวของน้ำโลหะไหลได้ดี โมเนลชนิดนี้นิยมใช้ทำชิ้นส่วนรูปพรรณต่างๆ H โมเนลให้สมบัติ ทางด้านการกลึงไสดีกว่า S โมเนลเพราะว่ามีปริมาณซิลิกอนน้อยกว่า
2) อินโคเนล (Inconel)
อินโคเนล เป็นโลหะผสมระหว่างนิกเกิลโครเมียมกับเหล็ก สมบัติทางกายภาพและทางกลของ อินโคเนลคล้ายกับของโมเนล ผลิตขึ้นเพื่อใช้ทดแทนโมเนล เพราะราคาถูกกว่า อินโคเนลสามารถต้านทานการ กัดกร่อนของสารอินทรีย์ได้ดี นิยมใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ทำเครื่องมือสำหรับทำอาหาร เครื่องอบ เครื่อง พาสเจอร์ไรซ์ ถังเก็บน้ำนม และท่อไอเสียของเครื่องบิน เป็นต้น นอกจากนี้สมบัติทางกลของอินโคเนล สามารถคงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงได้ดีการผสมไทเทเนียม อลูมิเนียมและไนโอเบียม ปริมาณเพียงเล็กน้อย ในอินโคเนลจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับอินโคเนลด้วยวิธีการตกตะกอนแข็งได้ ซึ่งโลหะผสมชนิดใหม่นี้มีชื่อ ว่าอินโคเนล X (Inconel X) มีส่วนผสม 2.25-2.75%Ti 0.4-1.0%Al และ 1.0%Cd ใช้แทนอินโคเนลธรรมดา ในงานที่ต้องการความแข็งแรงสูงกว่า
3) แฮสเทลลอย (Hastelloy)
แฮสเทลลอยเป็นโลหะผสมของนิกเกิล ที่นิยมใช้ในที่มีอุณหภูมิสูง โลหะผสมชนิดนี้ที่สำคัญในกลุ่มนี้ได้แก่
• แฮสเทลลอย A (57%Ni - 20%Mo - 20%Fe) และแฮลเทลลอย B
• แฮสเทลลอย C (54%Ni - 17%Mo - 15%Cr - 5%Fe - 4%W)
• แฮสเทลลอย X (47%Ni - 9%Mo - 22%Cr -18%Fe)
• แฮสเทลลอย D (85%Ni- 10%Si- 3%Cr- 1%Mn -1%Al)
4) ไนโครม (Nichrome) เป็นโลหะผสมระหว่างนิกเกิลกับโครเมียม ซึ่งให้สมบัติที่ดีคือ มีความ ต้านทานไฟฟ้าสูงและคงความแข็งแรงที่อุณหภูมิได้ดีจนถึง 110๐C สามารถใช้เป็นลวดความต้านทานทางไฟฟ้า ได้ดี ทนต่อการผุกร่อน และการเกิดสนิมในบรรยากาศทั่วๆ ไประหว่างการใช้งานต่อมา ได้มีการค้นพบว่า การ ผสมเหล็กเข้าไปในไนโครมเดิม จะได้โลหะผสมที่มีสมบัติใกล้เคียงกับไนโครมเดิม แต่ราคาถูกว่า และมีค่าความ ต้านทานไฟฟ้าสูงใกล้เคียงกัน โลหะผสมชนิดใหม่นี้ยังคงมีชื่อเรียกว่าไนโครม
5) อิลเลียม (lllium) เป็นโลหะผสมที่ประกอบด้วยธาตุที่สำคัญ คือ นิกเกิล-โครเมียม– โมลิบดีนัม–ทองแดง โลหะผสมชนิดนี้มีความต้านทานการกัดกร่อนด้วยกรดกำมะถันและกรดดินประสิวเข้มข้น ได้ดี และยังให้ความแข็งแรงสูงมากอีกด้วย อิลเลี่ยมที่สำคัญได้แก่ อิลเลี่ยม B (5%Ni - 28%Cr - 8.5%Mo - 5.5%Cu) อิลเลี่ยม C (56%Ni - 22.5%Cr - 6.5%Cu) และอิลเลี่ยม R (68%Ni - 21%Cr - 5%Mo - 3%Cu)
ไทเทเนียม (Titanium)
ไทเทเนียมบริสุทธิ
การนำโลหะไทเทเนียมมาใช้งานเริ่มต้นในปี ค.ศ. 1952 สาเหตุเนื่องจากเป็นการนำมาใช้เพื่อ ทดแทนโลหะนิกเกิลและโคบอลต์ ซึ่งคาดว่าจะมีปริมาณลดลงในไม่ช้า ดังนั้น โลหะไทเทเนียมยังนับว่าเป็น โลหะค่อนข้างใหม่ เมื่อเทียบกับโลหะอื่นๆ ปัจจุบันโลหะไทเทเนียมถือว่าเป็นโลหะเศรษฐกิจที่สำคัญมากตัวหนึ่ง เนื่องจากได้เข้าไปมีบทบาทในงานอุตสาหกรรมต่างๆ โดยเฉพาะในโครงการอวกาศ นอกจากนี้ยังนำมาใช้ ในการทำอวัยวะเทียมในทางการแพทย์ (Biomaterial) เนื่องจากโลหะไทเทเนียมมีสมบัติที่เหมาะหลาย ประการคือ 1) มีน้ำหนักเบา โลหะไทเทเนียมนี้มีค่าความหนาแน่นเพียง 4.5 g/cm3 หรือมีค่าประมาณ ครึ่งหนึ่งของเหล็ก 2) มีความแข็งแรงค่อนข้างสูง ดังนั้น ค่าความแข็งแรงต่อเนื่องหน่วยน้ำหนักจึงมีค่าสูง 3) มีจุดหลอมเหลวสูงคือ 1670๐C จัดได้ว่าเป็นโลหะที่ทนความร้อนสูงชนิดหนึ่ง ดังนั้นจึงมี ประโยชน์มากในงานด้านอวกาศ 4) ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีทั้งในบรรยากาศโดยทั่วไปและในสารเคมีบางชนิด 5) สามารถคงสภาพของค่าความแข็งแรงสูงอยู่ได้ที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง จึงเหมาะสำหรับ ใช้ทำภาชนะสำหรับบรรจุเชื้อเพลิงเหลว
สภาพอันยรูปของไทเทเนียม (Polymorphism or Allotropy)
โครงผลึกของโลหะไทเทเนียมมี 2 ลักษณะขึ้นกับอุณหภูมิ โครงผลึกของโลหะไทเทเนียมที่ อุณหภูมิห้องจะเป็น hcp (Hexagonal Closed Pack) เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นจนถึง 882๐C โครงผลึกของโลหะ ไทเทเนียมจะเปลี่ยนเป็น bcc (Body Centered Cubic) ซึ่งจากการศึกษาค้นคว้า พบว่าการเปลี่ยนแปลงโครง ผลึกดังกล่าวจะเป็นแบบไม่อาศัยการแพร่ (Diffusion less Phase Transformation)
ไทเทเนียมผสม
โลหะไทเทเนียมบริสุทธิ์สามารถรวมตัวกับธาตุต่างๆ และเกิดเป็นโลหะผสมที่มีคุณสมบัติดีเยี่ยม มากมาย อาทิเช่น Ti - 6%Al - 4%V ซึ่งใช้ในจรวด Atlas เป็นต้น ไทเทเนียมผสม อาจแบ่งออกได้เป็น 3 ชนิด คือ
1) ไทเทเนียมผสมชนิดอัลฟา (Alpha Titanium Alloys)
เป็นโลหะผสมระหว่างไทเทเนียมกับ ธาตุต่างๆ ที่ทำให้อัลฟาเสถียรมากขึ้น เช่น Al, C, O, N, Sn, Ni และ Cu โครงสร้างของโลหะผสมดังกล่าว ประกอบด้วยอัลฟาเป็นส่วนใหญ่ สมบัติของโลหะผสมชนิดนี้อาจกล่าวรวมๆ ได้ว่า มีความแข็งแรงสูง มีความ ต้านทานการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นและมีสมบัติในการเชื่อมดี แต่การขึ้นรูปไม่ดี ตัวอย่างโลหะผสมนี้ได้แก่ Ti - 5%Al - 2.5%Sn เป็นต้น
2) ไทเทเนียมผสมชนิดเบต้า (Beta Titanium Alloys)
เป็นโลหะผสมระหว่างไทเทเนียมกับ ธาตุต่างๆ ที่ทำให้เบต้าเสถียรมากขึ้น เช่น Mn, Fe, Cr, H, Mo, V, Nb และ Ta โครงสร้างของโลหะผสม ดังกล่าวประกอบด้วยเบต้าเป็นส่วนใหญ่ สมบัติโดยทั่วไป คือ มีความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิปกติและอุณหภูมิสูง ปานกลาง ความแข็งแรงจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนได้ง่าย ความสามารถในการขึ้น รูปดี มีความเหนียวสูงในสรูปที่ไม่ได้ทำการรอบชุบด้วยความร้อน โลหะผสมในชนิดนี้ได้แก่ Ti - 2%Fe - 2%Cr - 2%Mo, Ti - 13%V - 11%Cr - 3%Al เป็นต้น
3) ไทเทเนียมผสมชนิดอัลฟา - เบต้า (Alpha - Beta Titanium Alloys)
ได้แก่ โลหะผสมระหว่าง ไทเทเนียมกับธาตุต่างๆ ทั้งสองชนิด ดังที่ได้กล่าวแล้ว ซึ่งจะทำให้โครงสร้างของโลหะผสมดังกล่าว ประกอบด้วยอัลฟาและเบต้าในเวลาเดียวกัน ดังนั้นสมบัติของโลหะผสมชนิดนี้จึงประกอบด้วยลักษณะของทั้ง สองชนิดรวมกัน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับส่วนผสม ปริมาณของอัลฟาและเบต้าที่มีอยู่ ตัวอย่างของโลหะผสมชนิดนี้ ได้แก่ Ti - 6%Sl - 4%V ซึ่งเป็นไทเทเนียมผสมที่มีการใช้งานมากที่สุด Ti - 4%Al - 4%Mn
โลหะทนไฟ และโลหะมีค่า (Refractory and Precious Metals)
โลหะทนไฟ ได้แก่ ทังสเตน, โมลิบดินัม, แทนทาลัม และนิโอเบียม (หรือโคลัมเบียม) เป็นโลหะที่มีจุด หลอมเหลวสูงมากกว่า 1925oC และคงรูปได้ดีที่อุณหภูมิสูง มักนำไปใช้งานเป็นไส้หลอดไฟฟ้า ด้านปลายของ หัวปล่อยพลังงานของจรวด เครื่องกำเนิดพลังงานนิวเคลียร์ แทนทาลัมและนิโอเบียมใช้ทำเป็นตัวเก็บประจุ และอุปกรณ์ต่างๆ ในกระบวนการทางเคมีที่มีความร้อนสูง โลหะเหล่านี้มีความหนาแน่นสูง ทำให้ค่าความ แข็งแรงจำเพาะต่ำ
ปฏิกิริยาออกซิเดชัน (Oxidation) ของโลหะทนไฟ เริ่มเกิดขึ้นที่อุณหภูมิระหว่าง 200 ถึง 425oC ซึ่งจะเริ่มเกิดการปนเปื้อนอย่างรวดเร็วและเกิด การเปราะ ดังนั้นต้องมีความระมัดระวังเป็นพิเศษในขั้นตอนของการหล่อ, งานขึ้นรูปร้อน, การเชื่อม และ กระบวนการขึ้นรูปโลหะผง การใช้งานที่อุณหภูมิสูงต้องป้องกันการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันเช่นกัน ตัวอย่างเช่น การใช้ทังสเตนเป็นไส้หลอดไฟในสุญญากาศ เป็นต้น การใช้งานโลหะทนไฟกลุ่มนี้ต้องมีการ เคลือบผิวด้วยซิลิไซด์หรืออลูมิไนด์ โดยผิวเคลือบจะต้องมีสมบัติ คือ จุดหลอมเหลวสูง, เข้ากันได้ดีกับโลหะทน ไฟ, ต้านทานการแพร่เพื่อป้องกันการเข้าปนเปื้อนที่ผิวของโลหะทนไฟ, มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจาก ความร้อนเท่ากับโลหะทนไฟ และผิวเคลือบนี้สามารถป้องกันผิวของโลหะทนไฟได้ที่อุณหภูมิสูงถึง 1650 oC
ลักษณะการขึ้นรูป (Forming characteristics) ของโลหะทนไฟ
โดยทั่วไปวัสดุกลุ่มนี้จะมีโครงสร้างผลึกแบบ BCC มีช่วงอุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงสมบัติ ความเหนียวและเปราะ นิโอเบียมและแทนทาลัมมีช่วงอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงนี้ต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง อย่างไร ก็ตามโมลิบดินัมและทังสเตนที่ผ่านการอบอ่อนจะมีช่วงอุณหภูมินี้สูงกว่าอุณหภูมิห้องทำให้โลหะทั้งสองชนิดมี ความเปราะ แต่ท้ายที่สุดหากโลหะทนไฟกลุ่มนี้ถูกนำไปขึ้นรูปร้อนให้มีโครงสร้างเป็นแนวยาวหรือโครงสร้างไฟ เบอร์ (Fibrous structure) จะทำให้ช่วงอุณหภูมิของการเปลี่ยนแปลงนี้ลดต่ำลง และทำให้เกิดการปรับปรุง สมบัติการขึ้นรูปให้ดีขึ้น
โลหะผสม (Alloys) ของโลหะทนไฟ
การเพิ่มสมบัติทางกลที่อุณหภูมิห้องและที่อุณหภูมิสูงทำได้โดยการเติมโลหะผสมลงไปในโลหะ หลัก เมื่อทังสเตนถูกผสมด้วยฮาฟเนียม, เรเนียม และคาร์บอนทำให้สามารถเพิ่มอุณหภูมิการใช้งานได้สูงถึง 2100oC โลหะผสมกลุ่มนี้สามารถปรับปรุงสมบัติให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้นด้วยสารละลายของแข็ง ทังสเตน และโมลิบดินัมสามารถรวมเข้าได้กันดีในสารละลายของแข็งเหมือนกับทองแดงและนิกเกิล โลหะผสมบางชนิด เช่น โลหะผสมของ W-2% ThO2 เพิ่มความแข็งแรงได้ด้วยการกระจายตัวของอนุภาคออกไซด์ในขั้นตอนการ ขึ้นรูปโลหะผง วัสดุผสม เช่น นิโอเบียมที่เสริมแรงด้วยเส้นใยทังสเตนอาจทำให้เกิดการปรับปรุงอุณหภูมิการใช้ งานให้สูงขึ้นได
โลหะมีค่า (Precious metals)
ได้แก่ ทองคำ เงิน แพลเลเดียม แพลตทินัม และโรเดียม เป็นโลหะที่มีราคาแพง ทางด้าน วิศวกรรมจัดว่าวัสดุเหล่านี้ต้านทานการกัดกร่อนและนำไฟฟ้าได้อย่างดีมาก ส่งผลให้มีการนำไปใช้งานเป็นขั้ว อิเลคโทรด ซึ่งอาจใช้งานวัสดุเหล่านี้ในรูปแบบของฟิล์มบาง การสกรีน และอนุภาคขนาดนาโนเมตรของ Pt/Rh/Pd ถูกใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับยานยนต์ ซึ่งโลหะเหล่านี้ง่ายต่อการเกิดออกซิเดชัน CO ให้เป็น CO2 และ NOx ให้เป็น N และ O2 นอกจากนี้ยังใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการกลั่นปริโตรเลียม