อิทธิพลของธาตุผสมในเหล็กหล่อ
(Effects of alloy addition in cast iron).
 

     การผสมธาตุต่าง ๆ ลงไปในเหล็กหล่อส่วนใหญ่เพื่อวัตถุประสงค์ในการเพิ่มคุณสมบัติทางด้านความต้านทานการสึกหรอ ความต้านทาน การกัดกร่อน และความต้านทานการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูงให้กับเหล็กหล่อ สำหรับคุณสมบัติทางด้านความเค้นแรงดึงนั้น เหล็กหล่อเทาสามารถเพิ่มได้จนถึงประมาณ 22 ton/in2 หรือ 340 N/mm2โดยเหล็กยังมีคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการกลึง-ไสดี สามารถกระทำได้โดยการ Inoculated ด้วย เฟอร์โรซิลิกอน หรือ แคลเซี่ยมซิลิไซด์ กับเหล็กที่มีค่า Carbon equivalent (C.E.) ต่ำ การทำอินนอคคูเลชั่นจะสามารถให้ค่าความแรงดึงโดยไม่ต้องอาศัยธาตุผสม (alloy elements) เพราะการใช้ธาตุผสมจะทำให้เหล็กมีราคาแพง และธาตุผสมบางธาตุโดยเฉพาะนิเกิล และโมลิบดินั่ม มีราคาแพงเพราะประเทศของเราไม่มีโรงงานผลิต ต้องสั่งซื้อจากต่างประเทศ
     การผสมธาตุต่าง ๆ ถ้าต้องการผสมเพียงเล็กน้อยจะผสมในเบ้า (Laddle) และธาตุผสมส่วนมาก จะอยู่ในรูปของ เฟอร์โร-อัลลอยด์ ถ้าต้องการปริมาณสูงจะต้องใส่ในเตาหลอม ซึ่งจะมีการสูญเสียจำนวนมาก ดังนั้นการหลอมเหล็กหล่อที่ต้องการผสมธาตุบางตัว ปริมาณสูงจะกระทำโดยเตาหลอมไฟฟ้า (Induction) ไม่นิยมใช้เตาพ่นลม (cupola) ในบางกรณีอาจต้องทำการหลอม เฟอร์โร-อัลลอยด์ แล้วนำมาผสมกับเหล็กหลอมเหลวเพื่อลดการสูญเสีย หรือบางครั้งอาจต้องใช้วัตถุดิบที่มีปริมาณของธาตุที่ต้องการอยู่ในเกณฑ์สูงมาทำการหลอมแล้วจึง เติมธาตุผสมลงไปอีกเล็กน้อยในภายหลังบทบาทของธาตุผสมที่น่าสนใจมีดังนี้
อลูมิเนียม (Aluminium)
     มีบทบาทที่สำคัญมากในการเพิ่มคุณสมบัติทางด้านความต้านทานที่อุณหภูมิสูง และให้ ความต้านทานไฟฟ้าสูง แต่อลูมีเนียมสามารถ ยอมให้แก๊สไฮโดรเจนละลายได้ดี ดังนั้นจะมีส่วนทำให้เหล็กเกิดโพลงอากาศเล็ก ๆ (pin hole) ในเนื้อเหล็ก ปริมาณอลูมิเนียมที่จะทำให้เกิดโพลงอากาศ เล็ก ๆ มีเพียงแค่ 0.01 - 0.2% เท่านั้น
      อลูมิเนียมทำให้อุณหภูมิเกิดยูเต็คตอยด์สูงขึ้นประมาณ 16 ๐C สำหรับเหล็กที่มี 2% Al และจะเพิ่มขึ้นเป็น 96๐C สำหรับเหล็กที่มี 6.2% Al และทำให้ freezing point สูงขึ้น 16๐C ทุก ๆ 1% Al จนถึงประมาณ 5.75% Al 
     ในเหล็กหล่อทั่ว ๆ ไป จะไม่ใส่อลูมิเนียม จะใส่เฉพาะเหล็กหล่อขาว เพื่อนำไปทำ annealing เพื่อเปลี่ยนเป็นเหล็กหล่ออบเหนียว ซึ่งจะ ใส่ประมาณ 0.001 - 0.03% Al
เหล็กหล่อผสมอลูมิเนียม ตามมาตรฐานมีอยู่ 4 กลุ่ม ที่จัดไว้เป็นเหล็กหล่อทนความร้อนสูงคือ เหล็กหล่อ
Pearlitic 9% Al
White 11 - 9% Al
Ferritic 21 - 26% Al
Ledeburetic 28 - 32% Al

บิสมัท (Busmuth)
     ปกติในเหล็กหล่อจะไม่ผสมบิสมัท ยกเว้นอาจจะติดมากับเศษเหล็ก ซึ่งจะมีบทบาทช่วยให้เกิด widmanstaten graphite มีส่วนทำให้ ความแค้นแรงดึงลดลง นอกจากนี้ยังไปทำลายบทบาทของแมกนีเซียมในเหล็กหล่อกร๊าฟไฟต์กลมคล้ายกับตะกั่ว, ไทเทเนียม และ แอนติโมมี ในการทำเหล็กหล่ออบเหนียวจะผสมบิสมัท ระหว่าง 0.002 - 0.01% เพื่อช่วยควบคุมผิวแข็ง (chill) และ annealability

โบรอน (Boron)
     เป็นธาตุที่ไม่ผสมในเหล็กหล่อสีเทา เพราะโบรอน เป็นธาตุที่เพิ่มเสถียรภาพให้กับคาร์ไบค์ (carbide stabiliser) แต่โอกาสที่จะมีอยู่ ในเหล็กหล่อได้ตั้งแต่ 0.002-0.006% โดยติดมากับพวกเศษเหล็ก ที่มีการเคลือบ (enamel) หรือจากวัสดุทนความร้อนที่ใช้โบรอนเป็นตัวประสาน ซึ่งจะไปมีผลต่อการควบคุมผิวแข็ง (chill control) ของเหล็กหล่อ ในเหล็กหล่ออบเหนียว จะผสมโบรอนประมาณ 0.002% ร่วมกับ บิสมัทประมาณ 0.008% ซึ่งจะช่วยควบคุมคุณสมบัติ annealability ให้กับเหล็ก ถ้าในเหล็กมีโครเมียม ซึ่งจะทำให้การแตกตัวเป็นกร๊าฟไฟต์ยาก แต่ถ้ามีโบรอน จะไปดึงเอาโครเมียมมารวมเป็นโครเมียมโบไรด์ ทำให้ไม่เกิดคาร์ไบค์ที่มีเสถียรภาพสูง การทำอบเหนียวจะไม่เกิดอุปสรรค

โครเมียม (Chromium)
     เป็นธาตุที่ช่วยให้เกิดคาร์ไบค์ค่อนข้างแรง ซึ่งจะไปทำให้เกิดกร๊าฟไฟต์เป็นไปได้ยาก ถ้ากำหนดใช้ซิลิกอนเป็น graphitiser มีค่าเท่ากับ 1 โครเมียมจะมีค่าตรงข้ามกับซิลิกอนและจะมีค่า -1.2 นอกจากนี้โครเมียมยังมีบทบาทลดปริมาณของคาร์บอนที่จุดยูเต็คติค ลงประมาณ 0.06 -0.5% ทุก ๆ 1% Cr ที่ผสมในเหล็ก และถ้าโครเมียมสูงถึง 3% โครงสร้างของเหล็กหล่อทุกส่วนผสมจะเป็นมีโครงสร้างเป็นเหล็กหล่อขาวโครเมียมทำให้จุดหลอมเหลว ของเหล็กสูงขึ้น 1 - 1.5 ๐Cทุก ๆ 1% Cr
     โครเมียมมีบทบาทอีกประการหนึ่งคือ จะลดอาณาเขตของ r ให้แคบลงและทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง a เป็น g สูงขึ้น อาณาเขตของ g จะหายไปเมื่อผสมโครเมียมถึง 20% แต่จะลดอัตราการเย็นตัววิกฤต (critical cooling rate) ซึ่งเท่ากับเป็นการช่วยให้เหล็กหล่อสามารถในการชุบแข็งดีขึ้น
     สำหรับเหล็กหล่อสีเทา, โครเมียมสามารถเพิ่มความเค้นแรงดึงได้ประมาณ 3% และเพิ่มความแข็งประมาณ 6-10 point brinell ทุก ๆ ปริมาณของโครเมียมที่เพิ่มขึ้น 0.1% ในการเพิ่มความเค้นแรงดึง และมีความแข็งของโครเมียม จากการศึกษาพบว่า โครเมียมจะทำให้โครงสร้างเป็นเพิรไลท์ โดยไม่เกิดเฟอร์ไรท์อิสสระ และโครเมียมยังมีบทบาททำให้เพิรไลท์ มีเสถียรภาพสูง เมื่อถูกความร้อนประมาณ 450 - 650 ๐C โดยผสมโครเมียมเพียง 1% เป็นการเพิ่มคุณสมบัติต้านทานการเกิด การพองตัว (growth) ได้ดีขึ้น
     คุณสมบัติทางการกลึง-ไส (Machinability) ของเหล็กหล่อผสมโครเมียมจะลดลงเพราะจะเกิดคาร์ไบค์เพิ่มขึ้น ทั้งนี้ขึ้นอยู่ กับความ หนาของชิ้นงานด้วย
     ในกรณีที่เหล็กมีฟอสฟอรัสอยู่ในเกณฑ์สูง โครเมียมจะสามารถฟอร์มคาร์ไบค์ร่วมกับ ฟอสฟอรัสให้ยูเต็คติค กับเหล็กฟอสไฟด์ ซึ่งทำ ให้เหล็กแข็งและเปราะ
     เหล็กทนการสึกหรอมักจะผสมโครเมียมประมาณ 0.5 -1.5% ร่วมกับนิเกิล 4-5% จะได้เหล็กที่มีความแข็งสูง มีโครงสร้าง เป็น มาร์เทนไซท์ เรียกชื่อเหล็กนี้ว่า Ni-hard
Head
ทองแดง (Copper)
    จัดเป็นธาตุอยู่ในกลุ่มช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์ (Graphitiser) มีค่าประมาณ 1/3 ของซิลิกอน ทองแดงสามารถละลายในเหล็กหล่อประมาณ 3-3.5% ถ้าผสมทองแดงลงไปมากกว่านี้ ทองแดงจะแยกตัวและจับกลุ่มเป็นทองแดงอิสสระ (free copper) ทองแดงเมื่อผสมในเหล็กหล่อจะมีผลช่วยทำให้เกิดกร๊าฟไฟต์และจะไม่มีส่วนทำให้เกิดคาร์ไบค์ ทองแดงมีบทบาทที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือ ช่วยทำให้เกิดเพิรไลท์ และไม่ให้เกิดเฟอร์ไรท์ ทำให้เหล็กมีคุณสมบัติสม่ำเสมอคือเป็นเพิรลิติค
     จากการศึกษาพบว่าในการหล่อเหล็กทั่ว ๆ ไป ปรากฏว่าจะเกิดคาร์ไบค์ ตามส่วนของงานหล่อ ที่บางและจะเกิดเฟอร์ไรท์ ตามส่วนที่หนา แต่ถ้าผสมทองแดงลงไปในเหล็กประมาณ 2% จะพบว่าโครงสร้างของเหล็กจะเป็นเพิรไลท์หมด และในส่วนที่บางจะได้เพิรไลท์ที่ละเอียด
     ทางด้านคุณสมบัติเชิงกลของเหล็กหล่อเทา จากการศึกษาเหล็กหล่อที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางระหว่าง 1/2 - 6 นิ้วในเหล็กหล่อ ที่มีส่วน ผสมยูเต็คติค พบว่าคุณสมบัติเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความหนา และปริมาณของทองแดง ซึ่งผลจากการทดลองจะเป็นดังนี้
- ที่ 1% Cu ความแข็งจะสูงขึ้นประมาณ 15 - 35 point Brinell และความเค้นแรงดึงจะสูงขึ้นประมาณ 2 - 4 kg/mm2
- ที่ 2% Cu ความแข็งเพิ่มขึ้นประมาณ 30 - 45 point Brinell และความเค้นแรงดึง จะเพิ่มขึ้นประมาณ 4.5 - 7 kg/mm2
     โดยสรุปจะพบว่าการผสมทองแดง ในเหล็กหล่อจะทำให้ไม่เกิดเฟอร์ไรท์ แต่กลับจะเพิ่มความแข็งและความเค้นแรงดึง โดยทองแดง จะทำให้เพิรไลท์ที่มีเกรนละเอียด แต่การเพิ่มทองแดง จะต้องไม่สูงเกิน 2.5% ถ้าสูงกว่านี้ค่าความแข็งและความแข็งและความเค้นแรงดึงที่ได้จะกลับลดลง
     ในการผสมทองแดง ปริมาณสูงมักจะผสมร่วมกับนิเกิล เพราะปรากฏว่านิเกิลจะช่วยเพิ่มอัตราการละลายให้กับทองแดง ถ้าผสมนิเกิล 1% ค่าอัตราการละลายของทองแดง จะเพิ่มขึ้น 0.4%
     ทองแดง ไม่มีส่วนในการเพิ่มเสถียรภาพให้กับเพิรไลท์ ที่อุณหภูมิสูงเกิน 450๐C จะทำให้เหล็กเกิดการพองตัวได้เมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูง กว่านี้
     ทางด้านความสามารถในการกลึง-ไส และการผสมทองแดง มีส่วนช่วยทำให้ดีขึ้น
     สิ่งที่ต้องระมัดระวังมากที่สุดก็คือ ไม่ควรใช้ทองแดง ที่ไม่ทราบแหล่งที่มาในการผสมเหล็กหล่อ เพราะอาจจะมีธาตุที่เป็นอันตราย เช่น ตะกั่ว และแอนติโมนี่ ติดมาด้วยควรใช้ทองแดงที่เป็นเศษมาจาก ทองแดงสายไฟหรือทองแดงอีเลคโทรไลท์

แมงกานีส (Manganese)
     จัดเป็นธาตุที่มีบทบาททางด้านเพิ่มเสถียรภาพให้กับออสเตนไนท์ และเป็นธาตุรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบดค์ ในหนังสือหลายเล่ม ไม่ได้ กล่าวถึงบทบาทของแมงกานีสในเหล็กหล่อไว้เลย อาจจะเป็นเพราะสาเหตุที่แมงกานีสแยกตัวได้ง่ายและอีกประการหนึ่งสามารถรวมกับกำมะถันในเหล็กได้เป็นอย่างดี แมงกานีส จึงกลายเป็นธาตุที่ใช้สำหรับลดกำมะถันในเหล็กหล่อ (โดยจะใช้ประมาณ 1.7 เท่าของกำมะถันและบวกอีก 0.3%) ซึ่งเมื่อรวมกับกำมะถันแล้ว จะได้แมงกานีสซัลไฟด์ และจะลอยขึ้นสู่ผิวรวมตัวกับเหล็ก เพราะแมงกานีสซัลไฟด์ มีความถ่วงจำเพราะน้อยกว่าเหล็กหลอมเหลว
     ในกรณีผสมแมงกานีสมากเกินปริมาณที่ได้ดึงกำมะถัน แมงกานีสมีบทบาทช่วยให้เกิดเพิรไลท์และเพิ่มความแข็ง เพราะแมงกานีสมีแนว โน้มทำให้เกิดคาร์ไบค์ (Free carbide) ทำให้เหล็กเปราะแตกง่าย แมงกานีสมีบทบาทลดอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง g เป็น a ลง 25 ๐C
ทุก ๆ 1% แมงกานีส
      แมงกานีสมีบทบาทอีกประการหนึ่งที่คล้ายนิเกิล คือช่วยเพิ่มเสถียรภาพให้กับออสเตนไนท์ ดังนั้นจึงผสมในเหล็กหล่อปริมาณสูงประมาณ 6 - 15% เพื่อต้องการคุณสมบัติแม่เหล็กไม่ดูดติด และความต้านทานไฟฟ้าสูง
      ปริมาณของแมงกานีสที่จะผสมในเหล็กหล่อสีเทา เพื่อความมุ่งหมายในการลดกำมะถัน และเพื่อควบคุมโครงสร้างพื้นฐาน คิดได้จากสูตร ดังนี้
1. ปริมาณเพื่อลดกำมะถันให้อยู่ในรูปแมงกานีสซัลไฟต์ % Mn = 1.7% S ในเหล็ก
2. ปริมาณของแมงกานีสที่หลังจากดึงกำมะถันแล้ว จะละลายได้ในเฟอร์ไรท์หมด % Mn = 1.7% S + 0.15
3. ปริมาณของแมงกานีสหลังจากดึงกำมะถันแล้ว จะช่วยทำให้ได้โครงสร้างเป็นเพิรไลท์ % Mn = 1.7% S + 0.30

โมลิบดินัม (Molybdenum)
     เป็นธาตุที่มีบทบาทช่วยให้เกิดคาร์ไบด์ ซึ่งมีผลตรงกันข้ามกับซิลิกอนประมาณ -0.35 ในขณะเหล็กหล่อแข็งตัวโมลิบดินัม จะมีบทบาท ทำให้เกิดยูเต็คติค ระหว่าง ออสเตนไนท์กับคาร์ไบค์ และในขณะเดียวกันจะช่วยทำให้เกิดเพิรไลท์ ซึ่งจัดว่าโมลิบดินัม เป็นธาติที่ช่วยให้เพิรไลท์มีเสถียรภาพจนถึงอุณหภูมิระหว่าง 350 - 650 ๐C ทำให้เหล็กมีคุณสมบัติต้านทานการพองตัวที่อุณหภูมิสูง
     ผสมโมลิบดินัม ประมาณ 0.5% ในเหล็กหล่อ จะทำให้เฟอร์ไรท์อิสระถูกกำจัดหมด ทุก ๆ 0.1% Mo ที่เพิ่มความเค้นแรงดึง ประมาณ 3.5 - 4% และจะเพิ่มความความแข็งประมาณ 40 point Brinell ทุก ๆ 1% Mo ที่เพิ่ม
     เนื่องจากโมลิบดินัมมีบทบาทในการเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งให้กับเหล็ก ดังนั้น เหล็กหล่อที่ผสมโมลิบดินัมประมาณไม่เกิน 1% และปล่อยให้เย็นตัวในแบบทราย จะได้โครงสร้างที่เป็นเบนไนท์ ซึ่งมีชื่อเรียกว่า acicular cast iron
     สิ่งที่ต้องระมัดระวังมากก็คือ ในเหล็กหล่อที่ต้องการผสมโมลิบดินัม ควรจะมีฟอสฟอรัส ต่ำ ไม่เกิน 0.15% เพราะถ้ามีปริมาณฟอสฟอรัส สูง จะเกิด quaternary eutectic และจะเกิดคาร์ไบด์ที่เป็นกลุ่มก้อน (massive carbide) ซึ่งมีความแข็งสูง มีผลต่อคุณสมบัติการกลึง-ไส
     ในทางปฏิบัติจะผสมโมลิบดินัม ในเหล็กหล่อไม่เกิน 1% และจะผสมร่วมกับนิเกิล หรือทองแดง เพื่อต้องการให้โครงสร้างที่ได้เป็น อซิคูล่า เบนไนท์ (acicular bainite) เป็นเหล็กที่มีความเค้นแรงดึงสูง และความแข็งสูงประมาณ 320 HB.
Head

นิเกิล (Nickle)
     เป็นธาตุที่ช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์ เปรียบเทียบกับซิลิกอนจะมีค่าประมาณ + 0.3 นอกจากนี้นิเกิลยังเป็นธาตุที่ช่วยให้ออสเตนไนท์ มีเสถียรภาพ ดังนั้น จึงนิยมใช้นิเกิลผสมในเหล็กหล่อทั่วไป จะผสมตั้งแต่ประมาณ 1% สำหรับเหล็กหล่อผสมต่ำจนถึง 20% Ni สำหรับเหล็กหล่อผสมสูง ซึ่งโครงสร้างพื้นฐานจะเป็นออสเตนไนท์
     นอกจากนี้นิเกิลมีอิทธิพลทำให้อุณหภูมิยูเต็คติค เพิ่มขึ้นประมาณ 6 องศา ทุก ๆ 1% ของ Ni และปริมาณคาร์บอน ที่จุดยุเต็คติคจะ ลดลงประมาณ 0.41% ทุก ๆ 5% ของ Ni ที่ผสมให้เหล็ก ปริมาณของคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์จะลดลงประมาณ 0.04% ทุก ๆ 1% Ni และทำให้ปฏิกริยา ยูเต็คตอยด์ ต่ำลง ซึ่งผลอันนี้ทำให้เหล็กหล่อมีแนวโน้มที่จะได้โครงสร้าง เป็นเพิรไลท์ที่ละเอียดในเหล็กหล่อผสมต่ำและจะยิ่งละเอียดมากขึ้นเมื่อปริมาณของนิเกิลเพิ่มขึ้น และเมื่อผสมนิเกิล สูงประมาณ 6 - 8% การเกิดปฏิกริยายูเต็คตอยด์ จะเป็นไปได้ยาก และจะทำให้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ขึ้นมาแทน
      นิเกิลสามารถเพิ่มความเค้นแรงดึง 5 - 10% และจะเพิ่มคววามแข็งประมาณ 10 - 20 point Brenell ทุก ๆ 1% Ni ที่เพิ่ม ซึ่งผล ที่ได้นี้เมื่อเทียบกับทองแดงแล้วจะได้ผลน้อยกว่า
      นิเกิลไม่สามารถรักษาเสถียรภาพของเฟิลไรท์ ไว้ได้ที่อุณหภูมิเกินกว่า 450 ๐C

ฟอสฟอรัส (phosphorus)
     จัดเป็นธาตุที่อยู่ในเหล็กหล่อทั่ว ๆ ไป ธาตุหนึ่ง (common element) ซึ่งไม่จัดเป็นธาตุผสม ความจริงฟอสฟอรัสเป็นธาตุอยู่ ในกลุ่ม ช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์ใกล้เคียงกับซิลิกอน คือมีค่าประมาณ + 1 แต่เนื่องจากฟอสฟอรัส เมื่อรวมกับเหล็กเป็นเหล็กฟอสไฟด์ล้วจะทำให้เกิด Ternary eutectic ระหว่างออสเตนไนท์ Fe3C และ Fe3 P ซึ่งจะเกิดอยู่ตามขอบเกรน เมื่อเหล็กเย็นตัวทำให้เหล็กมีความแข็งและเปราะ มีค่าความเค้นแรงต่ำ จะใช้ประโยชน์ได้ในขอบเขตจำกัด เช่น ใช้ทำเบรค (Brake shoes) ของรถไฟ
     ฟอสฟอรัสเป็นธาตุที่ช่วยเพิ่มความสามารถในกาไหล (Fluidity) ให้กับเหล็กหล่อมาก ดังเช่นในเหล็กส่วนผสมไฮเปอร์ (Hyper euctectic) ถ้าเพิ่มฟอสฟอรัสประมาณ 0.2% จะทำให้เหล็กหล่อหลอมเหลวมีความสามารถในการไหลเพิ่มขึ้น เท่ากับเหล็กหล่อที่หลอมละลายที่อุณหภูมิสูงขึ้นประมาณ 15 ๐C หรือเท่ากับเพิ่มปริมาณคาร์บอนขึ้น 0.1%
     คุณสมบัติที่ฟอสฟอรัส มีส่วนเพิ่มอีกประการหนึ่งก็คือ เพิ่มสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน และตัวนำไฟฟ้า (Electrical conducti vity) เมื่อผสมร่วมกับซิลิกอน
     ในเหล็กหล่อที่ใช้ทำกริดต้านทานไฟฟ้า (electric resistance grid) สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้าจะใช้เหล็กหล่อที่ผสมฟอสฟอรัส และ ซิลิกอน ปริมาณสูง
      นอกจากนี้ ฟอสฟอรัสทีบทบาทในการเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน ต่อกรดเกลือ กำมะถ้น และกรดอเซติค
     เหล็กหล่อที่ใช้ทำแบบหล่อ (Ingot mould) ของเหล็กกล้า มักจะผสมฟอสฟอรัสประมาณ 0.35 - 0.45% จะทำให้อายุ ใช้งานของ แบบหล่อเหล็กทนทานขึ้น

ซิลิกอน (Silicon)
     เป็นธาตุที่มีอยู่ในเหล็กหล่อเท่าทั่ว ๆ ไป อีกธาตุหนึ่ง (common element) ซึ่งไม่จัดเป็นธาตุผสม ถ้ามีอยู่ในเหล็กหล่อไม่เกิน 3% และจะผสมซิลิกอน 3% เฉพาะในกรณีที่ต้องการคุณสมบัติพิเศษโดยเฉพาะใช้งานที่อุณหภูมิสูง
     ซิลิกอนเป็นธาตุที่จัดอยู่ในกลุ่มช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์ อันดับแรก, ในเหล็กหล่อเทาจะต้องมีซิลิกอน, การศึกษาคุณสมบัติของเหล็กหล่อเทา จะพิจารณาร่วมกับคาร์บอน ซึ่งจะเปลี่ยนโครงสร้างขึ้นอยู่กับปริมาณของ Si กับ C และอัตราการเย็นตัวในแบบหล่อ (ขึ้นอยู่กับชนิดของวัสดุทำแบบหล่อขนาดความหนาของงานหล่อ)
      ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว ถ้าผสมซิลิกอนในเหล็กสูงกว่า 3% ในกรณีต้องการคุณสมบัติทนความร้อนของเหล็กหล่อ เช่นผสมซิลิกอน 5 -7% (matrix เป็น Freeitic) จะทนความร้อนได้สูงถึง 750 ๐C ในกรณีกร๊าฟไฟต์มีลักษณะเป็นเกล็ด (flake) และจะทนได้สูงถึง 850 ๐C เมื่อกร๊าฟไฟต์เป็นรูปกลม (Nodule) ซึ่งเรารู้จักเหล็กหล่อชนิดนี้ในนามของซิลาล (Silal) และถ้าผสมนิเกิล ประมาณ 18% โครเมี่ยมประมาณ 2 - 5% ซึ่งจะได้โครงสร้างพื้นฐานเป็นออสเตนไนท์ จะทนความร้อนได้สูงถึง 1000 ๐C ซึ่งเรารู้จักเหล็กหล่อชนิดนี้ในนามนิโคร-ซิลาล (Nicro-Silal)
      คุณสมบัติทางด้านความต้านทานต่อการกัดกร่อน ปรากฏว่าเหล็กหล่อที่ผสมซิลิกอนประมาณ ปรากฏว่าเหล็กหล่อที่ผสมซิลิกอนประมาณ 15 - 18% สามารถทนกรดกำมะถัน, กรดเกลือ และกรดไนตริค ที่มีความเข้มข้นไม่เกิน 10% ได้ เหล็กหล่อที่เรียก Duriron เป็นเหล็กที่มี Si 14% คาร์บอน 0.4 - 1% และแมงกานีส 0.3 - 0.5% สามารถทนกรดกำมะถัน และกรดไนตริคเจือจางได้ แต่ Duriron จะเปราะแตกง่ายมีโครงสร้างเป็นเหล็กหล่อขาว เพระามีคาร์บอนต่ำ

กำมะถัน (Sulphur)
     จัดเป็นธาตุที่พบในเหล็กหล่อทั่ว ๆ ไป อีกธาตุหนึ่ง (Common element) .ในเหล็กหล่อสีเทาจะมีไม่เกิน 0.25% กำมะถันจัดเป็น ธาตุที่ช่วยทำให้เหล็กคาร์ไบด์ มีเสถียรภาพ แต่ไม่รวมกับคาร์บอนกำมะถันไม่ช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์มีผลตรงกับซิลิกอนในเหล็กหล่อสีเทาที่มีปริมาณกำมะถันสูง จะมีส่วนทำให้ได้โครงสร้างเพิรไลท์แต่ถ้ามีปริมาณสูงกว่า 0.25% จะมีส่วนทำให้เกิดคาร์ไบค์อิสระ ทำให้เหล็กมีความแข็งและเปราะ กลึงไสยากขึ้น ในเหล็กหล่อจำเป็นต้องผสมแมงกานีสเพื่อไปลดปริมาณของกำมะถัน ดังได้กล่าวมาแล้วในเรื่องบทบาทของแมงกานีส ถ้าไม่มีแมงกานีสในเหล็กหล่อ กำมะถันจะรวมตัวกับเหล็กซัลไฟต์ (FeS) ซึ่งมีแนวโน้มจะแยกตัวอยู่ตามขอบเกรนในช่วงสุดท้ายของการแข็งตัวของเหล็ก เพราะเหล็กซัลไฟต์มีจุดหลอมเหลวต่ำประมาณ 930 องศา ทำให้เหล็กเปราะแตกง่ายที่อุณหภูมิสูงเรียกว่า Red short นอกจากนี้ถ้าในเหล็กมีกำมะถันสูง จะทำให้เหล็กหลอมเหลวมีความสามารถในการไหล (Fluidity) ต่ำ ทำให้งานหล่อเกิดข้อเสียได้ง่าย สรุปแล้วผลในแง่ดีของกำมะถันมีน้อยควรจะต้องควบคุมปริมาณให้อยู่ในขอบเขตต่ำคือไม่ควรเกิน 0.25%
Head

ดีบุก (Tin)
     จัดเป็นธาตุที่มีอิทธิพลมากต่อเสถียรภาพเพิรไลท์ แม้ว่าเหล็กหล่อจะมีค่า carbon equivalent (C.E) สูงถึง 4.7% ซึ่งตามปกติมัก จะเกิดเฟอร์ไร์อยู่รอบ ๆ กร๊าฟไฟต์ แต่ถ้าผสมดีบุกประมาณ 0.15% จะได้เหล็กที่มีโครงสร้างพื้นฐานเป็นเพิรไลท์โดยสมบูรณ์
     ในเหล็กหล่อเทาโดยทั่ว ๆ ไป ถ้าผสมดีบุกประมาณ 0.1% และเหล็กมีความหนาน้อยกว่า 1 1/2 นิ้ว โครงสร้างที่ได้ก็จะยังเป็นเพิรไลท์ และจะได้ค่าความเค้นแรงดึงเพิ่มขึ้นประมาณ 7% และความแข็งประมาณ 30 point Brinell โดยจะลดค่าความเค้นแรงกระแทก (Impact strength) ประมาณ 0.15%
      โดยทั่ว ๆ ไป ดีบุกจะไม่ช่วยทำให้เกิดคาร์ไบด์อิสระ และไม่เกิดเฟอร์ไรท์จะช่วยให้เกิดเพิรไลท์ทั้งในเหล็กหล่อเทาธรรมดา และเหล็กหล่อ กร๊าฟไฟต์กลม แม้ว่าเหล็กหล่อจะมีส่วนผสมเป็นไฮเปอร์ก็ตาม
      ในเหล็กหล่อกร๊าฟไฟต์กลม ดีบุกจะไม่มีผลต่อการฟอร์มของกร๊าฟไฟต์ แต่จะช่วยเพิ่มความเค้นแรงดึงโดยสูญเสียความเหนียวเล็กน้อย ถ้าผสมดีบุกในเหล็กหล่อกร๊าฟไฟต์กลม ประมาณ 0.085% จะทำให้เกิดเพิรไลท์มีเสถียรภาพสูงจนถึงอุณหภูมิ 500 ๐C เป็นระยะเวลานาน ซึ่งจะทำให้ต่อต้านการเกิดการพองตัวได้ดี ในกรณีที่ต้องการทำเหล็กหล่อชนิดเฟอร์ริติค จะต้องไม่ผสมดีบุกในเหล็กเลย
      การผสมดีบุกในเหล็กหล่อจะกระทำในเบ้า จากการทดลองพบว่าเศษเหล็กหล่อที่ได้จากเหล็กผสมดีบุกเมื่อนำกลับ มาหลอมใหม่แม้ หลอม ด้วยเตา cupola จะปรากฏว่าไม่มีการสูญเสียดีบุกเลย

ไทเทเนียม (Titanium)
     เป็นธาตุที่แสดงบทบาทได้หลายประการในเหล็กหล่อเพระไทเทเนียมมี affinity สูงกับไนโตรเจน, อ๊อกซิเจน และคาร์บอน โดยเฉพาะ แก๊สทั้งสองมันจะมีผสมอยู่ในเหล็กหล่อ มีผู้ทำการศึกษาคุณสมบัติของเหล็กหล่อที่ผสมไทเทเนียมไว้หลายด้าน ซึ่งสามารถสรุปได้ว่า
      ถ้าผสมไทเทเนียมในเหล็กหล่อประมาณ 0.05 - 0.25% ไทเทเนียมจะมีผลทำให้เกิดกร๊าฟไฟต์ ตั้งแต่ลักษณะที่ละเอียดมาก จนถึง ขนาดที่ละเอียดปานกลาง โดยจะมีลักษณะตั้งแต่เป็นเกล็ดกร๊าฟไฟต์ละเอียด และเล็กลงจนถึงขนาดที่เกิดตามขอบเกรน หรือ undercoolded ประเภท D ผลที่ได้รับนี้อาจเกิดจากการที่ไทเทเนียมมีโลหะอลูมิเนียมซึ่งมีเสถียรภาพสูง และแคลเซียม ผสมอยู่ในเฟอร์โร- ไทเทเนียมหรืออาจจะเกิดจากกโลหะไทเทเนียม รวมตัวกับไนโตรเจน หรือกำมะถันในเหล็ก และทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสเทียม (Heterogeneous nucleus) บทบาทของไทเทเนียมในที่นี้จะมีส่วนลดความหนาของผิวแข็ง (chill depth)
     ถ้าผสมไทเทเนียมมากกว่า 0.25% จะมีผลทำให้เกิดไทเทเนียมคาร์ไบด์ ซึ่งเป็นคาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง ไม่แตกตัวได้ง่ายเมื่อทำ การ อบชุบด้วยความร้อน ดังนั้นในเหล็กหล่ออบเหนียวจะต้องไม่ผสมไทเทเนียม ปริมาณมากกว่า 0.25% ถ้าผสมปริมาณต่ำ ๆ ไทเทเนียม จะมีผลช่วยทำให้เกิดกร๊าฟไฟต์ขั้นแรก (first - stage graphitisation) ได้ง่าย และจะช่วยอาการแตกร้าวของเหล็กหล่อขาว
      ไทเทเนียม มีผลทำลายในการฟอร์มกร๊าฟไฟต์กลมของเหล็กหล่อเหนียวปริมาณที่ไม่มีผลต่อเหล็ก กร๊าฟไฟต์กลม จะต้องไม่มากเกิน 0.04%
      ในเหล็กหล่อเทาทั่ว ๆ ไปจะผสมไทเทเนียมมากไม่เกิน 0.25% เพื่อผลิตเหล็กหล่อที่มีกร๊าฟไฟต์ละเอียดชนิด undercooled graphite
      ไทเทเนียม มีส่วนทำให้อุณหภูมิยูเต็คติคสูงขึ้น แต่ทำให้ปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คติคกลับลดลง
 

ทังสเตน (Tungsten)
     เป็นธาตุที่มีบทบาทคล้ายคลึงกับ โมลิบดินัม ใช้ทังสเตนเป็นธาตุผสมในเหล็กหล่อ เพื่อต้องการผลิตเหล็กหล่อซิคูล่า แต่ผลของทังสเตนจะมีน้อยกว่าโมลิบดินัม ประมาณครึ่งหนึ่งและที่สำคัญก็คือต้องมีฟอสฟอรัสต่ำมากกว่าที่มีในเหล็กอซิคูล่า ที่ใช้โมลิบดินัม เป็นธาตุผสม คือต้องมีฟอสฟอรัส ไม่เกิน 0.1% และปริมาณของทังสเตน ที่ต้องใช้ผสมจะสูงประมาณ 2% และถ้าจะให้ได้เหล็กอซิคูล่าที่สม่ำเสมอเหล็กควรจะมีความหนาไม่เกิน 2.5 ซม.
      การผสมทังสเตน จะกระทำในเบ้า หรือบริเวณทางไหลจากเตาหลอม (Tapping spout) ในรูปของเฟอร์โรทังสเตน การ สูญเสียจะเกิดขึ้นประมาณไม่เกิน 20%

วาเนเดียม (Vanadium)
     เป็นธาตุอยู่ในกลุ่มสนับสนุนให้เกิดคาร์ไบด์และมีเสถียรภาพ มีค่าตรงข้ามกับซิลิกอน ประมาณ 1.75 ถ้าผสมปริมาณต่ำระหว่าง 0.15 - 0.35% จะช่วยทำหน้าที่รักษาเสถียรภาพของเพิรไลท์จนถึงอุณหภูมิระหว่าง 450 - 650 ๐C นอกจากนี้ยังมีบทบาทในการทำให้กร๊าฟไฟต์ที่เกิดมีขนาดเล็กสม่ำเสมอ แต่จะมีแนวโน้มให้เกิดกร๊าฟไฟต์ในลักษณะดอกไม้ (Rosettes) ประเภท B
      วาเนเดียม ที่ผสมลงในเหล็กหล่อ 0.1% จะเพิ่มความเค้นแรงดึงประมาณ 10 MN/m2 และความแข็งประมาณ 8 -10 point Brinell ในอุตสาหกรรมผลิตกระบอกสูบเครื่องยนต์ดีเซล นิยมใช้วาเนเดียม เป็นธาตุผสมบางครั้งจะใช้ปริมาณสูงถึง 1%
      การผสมวาเนเดียม จะใช้ในรูปเฟอร์โร-วาเนเดียม (35 - 40%) ผสมในเบ้า หรือบริเวณทางไหลในบางกรณีอาจจะ ใช้เหล็กดิบ ที่มี วาเนเดียมมาหลอมแต่ส่วนมากคาร์บอนจะสูง (Hypereutectic) ทำให้ควบคุมปริมาณคาร์บอนลำบาก

เซอร์โคเนียม (Zirconium)
     เป็นธาตุที่รวมตัวกับอ๊อกซิเจนได้ง่าย จึงมักจะใช้เป็นตัวไล่แก๊ส (Deoxidezer) โดยกระทำในเบ้า และเซอร์โคเนียมที่ใช้ จะอยู่ใน รูปซิลิโก-เซอร์โคเนียม (37% - Zr, 50% Si) ผสมในเหล็กหล่อประมาณ 0.25% จะมีบทบาทลดความหนาของผิวแข็ง มีลักษณะคล้าย ๆ เป็นตัวช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์แตะจะมีแนวโน้วทำให้ได้โครงสร้างพื้นฐานเป็นเฟอร์ไรท์ นอกจากนี้เซอร์โคเนียมรวมกับกำมะถันได้ดีจึงมีบทบาทคล้ายคลึงกับแมงกานีส
Head

ธาตุที่ไม่ควรให้มีในเหล็กหล่อ
พลวง (antumony)
     เป็นธาตุที่มีส่วนช่วยทำให้เพิลไรท์ มีเสถียรภาพแต่จะทำให้ความเค้นแรงดึง และความเค้นแรงกระแทก ลดลง แต่จะเพิ่มความแข็ง ถ้า ในเหล็กมีพลวงประมาณ 0.1% อาจจะทำให้ค่าความเค้นแรงกระแทกลดลงถึง 30 - 50% และนอกจากนี้ยังจะมีส่วนทำให้เหล็กหล่อบาง ๆ เกิดรอยแตกได้ง่าย
      ปกติพลวงมักจะติดมากับเหล็กดิบประมาณ 0.02% และประมาณ 0.3 - 0.5% จากเศษเหล็กประเภทเคลือบ

อาร์เซนิค
     มักจะติดมากับเหล็กดิบประมาณ 0.1% ซึ่งจะไม่มีผลอย่างไรกับเหล็กหล่อเทา แต่สำหรับเหล็กหล่อกร๊าฟไฟต์กลมแล้ว อาร์เซนิค จะมี ผลไปทำลายผลของแมกนิเซียมในการฟอร์มกร๊าฟไฟต์กลม แต่อาจจะไม่มีผลในกรณีนี้ ถ้าในเหล็กมีซีเรียม จากการศึกษาพบว่าอาร์เซนิค มีส่วนช่วยเพิ่มเสถียรภาพให้แก่เพิลไลท์และรักษาความเค้นแรงดึง ที่อุณหภูมิสูง

ตะกั่ว (Lead)
     เป็นธาตุที่ไม่ควรจะให้มีอยู่ในเหล็กหล่อเลย เพระมีบทบาทในการทำให้เกิดกร๊าฟไฟต์ชนิด Widmanstattem แม้มีปริมาณเพียง 0.007% และยิ่งในกรณีที่มีอลูมิเนียม และไฮโดรเจน อยู่ด้วยปริมาณของตะกั่วเพียง 0.001% ก็จะทำให้เกิดกร๊าฟไฟต์ชนิด Widmanstatten ซึ่งมีผลอย่างรุนแรงต่อการสูญเสียความแข็งแรง ซึ่งการเกิดกร๊าฟไฟต์ชนิดนี้ และมักจะเกิดกับเหล็กหล่อที่มีความหนาตั้งแต่ 13 - 25 มม.
      นอกจากนี้ถ้าในเหล็กหล่อมีอลูมิเนียม และเทลลูเรียมผสมอยู่ ตะกั่วจะมีส่วนทำให้ได้กร๊าฟไฟต์ขนาดโต ซึ่งก็มีส่วนลดความ แข็ง แรง ลงถึงค่าต่ำกว่า 93 N/mm2
ปกติตะกั่วมักจะติดมากับเหล็กดิบ หรือเศษเหล็ก หรือเศษทองแดง ที่จะนำมาผสมในเหล็กหล่อ ในเหล็กดิบจะมีตะกั่วประมาณ 0.003%

เทลลูเนียม (Tellurium)
     เป็นธาตุที่ช่วยให้เกิดผิวแข็ง (chell) อย่างรุนแรง ส่วนใหญ่จะผสมในเหล็กหล่อขาว เพื่อนำไปอบเหนียว เป็นหลักหล่ออบเหนียว สำหรับเหล็กหล่อเทา จะไม่ผสมเลย ยกเว้นในกรณีที่ต้องการให้เหล็กมีผิวแข็งสำหรับการใช้งานเฉพาะเท่านั้น
      ปริมาณของเทลลูเนียม ประมาณ 0.0007% จะทำให้เกิดกร๊าฟไฟต์ชนิด widmanstatten ในงานหล่อที่มีความหนามากกว่า 13 มม.ซึ่งจะมีส่วนทำให้สูญเสียความแข็งแรง

Head


G. PRECISION ENGINEERING LTD.,PART.
26/27 MOO.9 BYPASS ROAD , TUMBOL NAPA
AMPHUR MUANG ,CHONBURI 20000 THAILAND.
TEL :038-441-348 , 087-9182311 , 081-6446767
FAX : 038-441-349
Website : http://www.Gprecision.net
E-mail : info@gprecision.net