Download
1 / 36
470 likes | 1.49k Views
CAST IRON. เหล็กหล่อ. อาจารย์อรอุมา กอสนาน วิชาวัสดุวิศวกรรม. บทนำ.
E N D
CAST IRON เหล็กหล่อ อาจารย์อรอุมา กอสนาน วิชาวัสดุวิศวกรรม
บทนำ Cast Iron ส่วนใหญ่จะได้จากการหลอม Pig Iron (เหล็กถลุง) แล้วหล่อแบบออกมา หรือ อาจเป็น Pig Iron ผสมกับพวกเศษเหล็กและเศษเหล็กกล้าต่างๆ อุณหภูมิหลอมเหลวจะประมาณ 1150 – 1250 องศาเซลเซียส ซึ่งจะต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของเหล็กกล้าทั่วๆ ไป การหลอมอาจทำโดยง่ายโดยใช้เตาแบบ Cupola โลหะที่ได้จะไหลตัวได้ดีจึงทำให้หล่อแบบได้อย่างดีด้วย
ส่วนประกอบโดยทั่วๆ ไปของ Cast Iron จะประกอบด้วย • คาร์บอน 2.8 – 3.6 % • ซิลิกอน 1.0 – 3.0 % • แมงกานีส 0.4 – 1.0 % • ซัลเฟอร์ 0.1 – 0.35 % • ฟอสฟอรัส 0.05 – 1.0 %
การแบ่งประเภทของ Cast Iron สามารถแบ่งออกได้เป็น 5 ประเภท คือ 1. White and Gray Cast Irons 2. Malleable Cast Iron 3. Inoculated High Duty Cast Iron 4. Spheroidal Graphite Cast Iron 5. Alloy Cast Irons
1. White and Gray Cast Irons (เหล็กหล่อสีขาวและเหล็กหล่อสีเทา) โดยทั่วๆ ไป คาร์บอนที่มีอยู่ใน Cast Iron จะมีอยู่ 2 ลักษณะคือ เป็นคาร์บอนที่จับตัวอยู่กับสารอื่นหรือก็คือ Cementite มีสูตร Fe3C หรือ เป็นคาร์บอนอิสระหรือก็คือ Graphite ซึ่งสลายมาจาก Cementite ดังสมการ Fe3C (Cementite) Fe (Ferrite) + C (Graphite) ในกรณีที่คาร์บอนที่มีอยู่จับตัวอยู่กับสารอื่น เช่น เป็น Cementite เหล็กที่ได้จะแข็งเปราะและนำมากัดกลึงไม่ได้ รอยหักจะมีลักษณะสีขาว ดังนั้นจึงเรียกว่าเป็นพวก White Cast Iron
1. White and Gray Cast Irons (ต่อ) ในกรณีที่คาร์บอนที่มีอยู่เป็นอิสระ เช่น เป็น Graphite เหล็กที่ได้จะมีลักษณะอ่อนกว่า สามารถนำมากัดหรือกลึงได้ รอยหักจะมีลักษณะสีเทา จึงเรียกว่าเป็นพวก Gray Cast iron ในกรณีที่ Cementite ที่มีอยู่ประมาณครึ่งหนึ่งเปลี่ยนมาเป็น Graphite รอยหักจะมีลักษณะเป็นลาย ดังนั้นจึงเรียกเป็น Mottled Iron
2. Malleable Cast Iron (เหล็กหล่อเหนียว) ผลิตได้จาก White Cast Iron โดยนำมาทำ Annealing แล้วจึงทำให้เย็นตัวโดยควบคุมอัตราการเย็นตัวให้เป็นไปตามต้องการ ระยะเวลาที่ใช้ในการทำ Annealing ประมาณ 40 – 100 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบและความหนาบางของชิ้นงานและขึ้นกับวิธีการ Annealing ที่ใช้ด้วย เหล็กหล่อเหนียวที่รู้จักกันดีมีอยู่ 2 ชนิด คือ Whiteheart และ Blackheart โดยทั่วๆ ไป ชนิด Blackheart จะมีลักษณะเนื้อโลหะเป็น Ferrite แต่อย่างไรก็ตามอาจจะควบคุมให้มีเนื้อโลหะเป็น Pearlite ได้
2. Malleable Cast Iron (ต่อ) เหล็กหล่อเหนียว ใช้ทำชิ้นส่วนโครงสร้างเล็กๆ ของรถยนต์ เช่น ทำดุมล้อรถบรรทุก ทำที่รัดแหนบ ทำกงห้ามล้อ ทำที่เหยียบคันเร่งและที่เหยียบเบรค ทำคันโยกรถยนต์ ทำบานพับประตูรถยนต์ นอกจากนี้ยังใช้ทำชิ้นส่วนเล็กๆ ในเครื่องจักรทางการเกษตร และเครื่องจักรในอุตสาหกรรมเส้นใย ทำหัวเผาทั้งแกส และน้ำมัน และเครื่องใช้อื่นๆ ในระบบประปา
3. Inoculated High Duty Cast Iron การหล่อให้ได้โลหะที่มี Graphite เป็นแผ่นบางกระจายทั่วไปในเนื้อโลหะ สามารถทำได้โดยการเติม Graphitising Inoculant จำนวนเล็กน้อยลงในโลหะเหลวก่อนเทเข้าแบบหล่อ Inoculant ที่ใช้ได้แก่ Calcium Silicide สำหรับขบวนการ Meehanite Process ได้แก่ เม็ดนิกเกิล และ Ferro – Silicon สำหรับขบวนการ Ni – Tensyl Process องค์ประกอบของโลหะเหลวที่ใช้ในขบวนการดังกล่าวข้างต้นจะเห็นว่าเป็นองค์ประกอบทั่วๆ ไปที่ใช้ผลิต White Iron ผลของ Inoculant ที่มีต่อเนื้อโลหะจะไม่เกิดขึ้นอีกถ้าเรานำโลหะนั้นมาหลอมเหลวใหม่ เนื้อโลหะชนิดนี้จะเป็น Pearlite ละเอียดๆ
4. Spheroidal Graphite Cast Iron การหล่อเหล็กเพื่อให้เนื้อโลหะมี Graphite อยู่ในลักษณะเม็ดกลมเล็กๆ อาจทำได้โดยเติมแมกนีเซียมลงเล็กน้อย แมกนีเซียมที่เติมลงนี้จะอยู่ในรูปโลหะผสมของนิกเกิลและแมกนีเซียมซึ่งจะเติมลงในโลหะเหลวก่อนเทลงแบบโดยเติมลงประมาณ 2% เนื้อเหล็กที่นำมาหลอมเหลวนี้ก็มีองค์ประกอบทั่วไป เช่นเดียวกับ White Cast Iron ซึ่ง Spheroidal Graphite Cast Iron อาจแยกออกได้เป็น 2 ชนิดใหญ่ๆ เป็น ชนิด Cast และชนิด Annealed
5. Alloy Cast Irons ธาตุที่สำคัญที่มีผสมอยู่ในโลหะชนิดนี้คือ นิกเกิล โครเมียม ทองแดง และโมลิปดินัม ธาตุที่สำคัญที่สุด คือ นิกเกิล ซึ่งมีผลต่อโลหะผสมหลายอย่าง คือ 1. ช่วยให้เกิดการจับตัวของ Graphite 2. ช่วยให้เนื้อโลหะมีเกรนที่ดีขึ้น 3. ช่วยให้อัตราการเย็นตัววิกฤตและช่วงวิกฤติมีค่าต่ำลง
HEAT - TREATMENT กรรมวิธี ทางความร้อน
ทำไมต้องมีการอบชุบโลหะทำไมต้องมีการอบชุบโลหะ สิ่งที่พึงปรารถนาที่สุดในการใช้ชิ้นส่วนต่างๆ ทางวิศวกรรมคือ การที่ชิ้นส่วนนั้นๆมีอายุการใช้งานได้นานที่สุด ฉะนั้น นอกจากการออกแบบรูปร่าง ลักษณะของชิ้นงานที่ถูกต้องแล้ว เนื้อโลหะหรือโครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานนั้น ก็ควรจะได้รับการพิจารณาอย่างรอบคอบด้วย โครงสร้างจุลภาคที่เหมาะสมกับการใช้งานจะช่วยเพิ่มคุณสมบัติทางกลของชิ้นงานและยังสามารถเพิ่มอายุการใช้งานให้ยาวนานขึ้นด้วย
ทำไมต้องมีการอบชุบโลหะ (ต่อ) โดยทั่วไปเหล็กที่มีความแข็งสูงมักจะมีความเปราะสูง และเหล็กที่มีความเหนียวสูงมักจะมีความนิ่มสูงเช่นกัน แต่ข้อพึงสังเกตคือ เรามักจะต้องการเหล็กที่มีทั้งความแข็งและความเหนียวในชิ้นงานเดียวกัน สิ่งที่จะมาช่วยแก้ปัญหานี้ได้ก็คือ การอบชุบโลหะนั่นเอง
วิธีการในการทำ Heat -Treatment แบ่งออกได้เป็น 4 วิธี คือ • การอบอ่อน (Annealing) • การอบปกติ (Normalizing) • การชุบแข็ง (Quenching หรือ Hardening) • การอบคลายความแข็ง (Tempering)
การอบอ่อน (Annealing) คือ การทำให้โลหะอ่อนตัวลง โดยการเผาเหล็กกล้าที่อุณหภูมิสูงจนกลายเป็นออสเตนไนท์ให้นานพอสมควรแล้วปล่อยให้เย็นตัวลงช้าๆ ในเตา การอบเช่นนี้จะทำให้เหล็กกล้าเหมาะที่จะนำไปแปรรูป รีด เจาะ กลึง ไส เป็นต้น ซึ่งสามารถแยกออกได้เป็น 3 แบบ คือ 1.Process Annealing 2. Full Annealing 3. Spheroidising Annealing
การอบอ่อน (Annealing) (ต่อ) 1.Process Annealing เป็นการลดความเครียดภายในแผ่นเหล็ก หรือลวดเหล็กประเภท Low Carbon Steel ซึ่งผ่านการทำ Cold Working มา และเป็นการทำให้โลหะดังกล่าวอ่อนตัวลงโดยนำมาอบให้มีอุณหภูมิประมาณ 550 – 650 องศาเซลเซียส ในกรณีที่อบนานเกินไปหรืออบอุณหภูมิสูงเกินไป Cementite ที่มีอยู่ใน Pearlite จะเกิดจับตัวกันเป็นก้อนกลม และขนาดเกรนของ Ferrite จะขยายใหญ่ขึ้น ซึ่งจะทำให้ค่าความเค้นแรงดึงและความแข็งลดต่ำลง ดังนั้นจึงต้องควบคุมทั้งอุณหภูมิและเวลาในการทำ Process Annealing อย่างใกล้ชิด
การอบอ่อน (Annealing) (ต่อ) 2. Full Annealing เป็นการทำให้เหล็กหล่อที่ผ่านการทำ Hot Working มาแล้วมีขนาดเกรนละเอียดและมีความเหนียว โลหะที่ผ่านการทำกระบวนการนี้จะมีลักษณะอ่อนกว่า และสามารถนำไปกลึงได้ดีกว่าโลหะที่ผ่านการทำ Normalizing
การอบอ่อน (Annealing) (ต่อ) 3. Spheroidising Annealing เหล็กกล้าประเภท High – Carbon เราอาจจะทำให้อ่อนตัวได้โดยนำไปอบที่อุณหภูมิ 650 – 700 องศาเซลเซียส จน Cementite ที่มีอยู่ใน Pearlite จับตัวเป็นก้อนกลม ลักษณะโครงสร้างจะเห็นเป็นจุดกลมๆ เล็กๆ ของ Cementite อยู่ในเนื้อ Ferrite เนื้อเหล็กกล้าที่มีลักษณะโครงสร้างดังกล่าวจะสามารถนำไปกัดกลึงต่างๆ ได้ดี อย่างไรก็ดี ถ้า Cementite มีขนาดเป็นจุดกลมใหญ่จะทำให้นำไปกัดกลึงได้ยาก และผิวไม่สวยงามถึงแม้จะมีลักษณะอ่อนตัวมากขึ้นก็ตาม
การอบปกติ (Normalizing) คือ การเผาเหล็กให้มีอุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิวิกฤตของเหล็กกล้านั้นประมาณ 30 – 50 องศาเซลเซียส และให้คงที่อุณหภูมินี้ไว้ระยะหนึ่ง แล้วจึงปล่อยให้เย็นตัวในอากาศ การอบปกติจะเพิ่มความเหนียวและความแข็งแรงให้กับเหล็กกล้า ทำให้เกรนสม่ำเสมอและมีขนาดละเอียดขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยลดความเค้นตกค้างภายในด้วย
ตัวอย่าง การอบอ่อน ที่ใช้ในอุตสาหกรรม
ตัวอย่าง การอบอ่อน ที่ใช้ในอุตสาหกรรม (ต่อ)
ตัวอย่าง การอบอ่อน ที่ใช้ในอุตสาหกรรม (ต่อ)
การชุบแข็ง (Quenching หรือ Hardening) คือ การเผาเหล็กกล้าจนกระทั่งโครงสร้างจุลภาคกลายเป็นออสเตนไนท์ทั้งหมด แล้วทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วจนถึงอุณหภูมิห้อง ด้วยอัตราเร็วที่สูงกว่าอัตราวิกฤตของเหล็กกล้านั้น ขณะที่เป็นเฟสออสเตนไนท์นั้น เหล็กคาร์ไบด์จะละลายได้อะตอมของเหล็กและคาร์บอน อะตอมคาร์บอนจะแพร่เข้าไปในเนื้อของออสเตนไนท์ ซึ่งออสเตนไนท์มีความสามารถในการละลายคาร์บอนได้มากกว่าเฟอร์ไรท์หลายเท่าตัว เมื่อทำให้เหล็กกล้าเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว คาร์บอนจะไม่มีเวลาพอที่จะแพร่ผ่านออกมาจากเนื้อพื้น(matrix) ซึ่งพยายามจะเปลี่ยนเป็นเฟสเฟอร์ไรท์ ผลที่ได้ก็คือ เกิดการบิดเบี้ยวของเนื้อพื้นขึ้น จนกลายเป็นโครงสร้างจุลภาคชนิดมาร์เทนไซด์ มีความแข็งและความแข็งแรงสูงมาก แต่ก็เปราะมากด้วย ดังนั้นก่อนนำไปใช้งานจึงต้องนำชิ้นงานไปอบคลายความแข็ง (Tempering) เสียก่อน
การอบคลายความเครียด (Tempering) คือ การเผาเหล็กกล้าซึ่งเป็นมาร์เทนไซต์ที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ ประมาณ 2 ชั่วโมงเพื่อให้มาร์เทนไซต์แตกตัว เหล็กกล้าจะมีความแข็งลดลง แต่มีความเหนียวเพิ่มมากขึ้น ถ้าอบที่อุณหภูมิระหว่าง 100 – 200 องศาเซลเซียส มาร์เทนไซต์จะคลายความเค้นภายใน ถ้าอบที่อุณหภูมิระหว่าง 200 – 450 องศาเซลเซียส มาร์เทนไซต์จะกลายเป็นซีเมนไตท์และเฟอร์ไรท์เกรนละเอียด แต่ถ้าเผาสูงกว่า 450 องศาเซลเซียส โครงสร้างจุลภาคที่ได้จะเป็น เฟอร์ไรท์และเพิร์ลไลท์ ซึ่งความแข็งสุดท้ายที่ได้จะลดลงมาก
การอบคลายความเครียด (Tempering) (ต่อ)
การอบคลายความเครียด (Tempering) (ต่อ)
ศัพท์เทคนิคเกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาคศัพท์เทคนิคเกี่ยวกับโครงสร้างจุลภาค
