เหล็กหล่อสีเทา (Gray cast iron).
 

     เหล็กหล่อสีเทาเป็นเหล็กหล่อที่มีส่วนผสมและโครงสร้างใกล้เคียงกับเหล็กดิบ (Pig iron) ที่ถลุงจากเตาสูง (Blast furnace) ในบางโอกาสจะผลิตเหล็กหล่อสีเทาจากเหล็กดิบโดยตรง โดยปราศจากการปรับปรุงส่วนผสมใด ๆ หรือไม่อาจจะนำเหล็กดิบมาหลอมใหม่ในเตาพ่นลม (cupola) หรือเตาไฟฟ้า แล้วปรับปรุงส่วนผสมบ้างเล็กน้อย เพื่อให้เหล็กหล่อมีคุภาพดีขึ้น ทำให้เหล็กหล่อสีเทามีราคาถูกเมื่อเทียบกับโลหะอื่น ๆ นอกจากนี้เหล็กหล่อสีเทายังมีคุณสมบัติอื่น ๆ ที่เหมาะสำหรับใช้งานอุตสหกรรมอีกหลายประการ เช่น
1. มีความแข็งไม่สูงสามารถกลึงหรือไส ตบแต่งให้ได้ขนาดตามต้องการได้ง่าย
2. มีอุณหภูมิหลอมเหลวต่ำ และมีความสามารถในการไหล (Fluidity) ดีสามารถหล่อหลอมให้ได้รูปร่างชนิดซับซ้อนได้ง่าย
3. มีอัตราการขยายตัวน้อย สามารถใช้ทำส่วนประกอบของเครื่องจักรกลที่ต้องการรูปร่างและขนาดที่แน่นอน
4. มีความต้านทานต่อแรงอัด และรับแรงสั่น (Damping Capacity) ได้ดีใช้ทำแท่นรอบรับอุปกรณ์เครื่องมือกลต่าง ๆ ได้ดี
5. สามารถที่จะปรับปรุงคุณสมบัติความต้านทานแรงดึงได้มากขึ้นอยู่กับการปรับปรุงส่วนผสมและการอบชุบ ทำให้ใช้งานได้กว้างขวาง
     ที่เรียกว่าเหล็กหล่อสีเทาก็เพราะเหล็กหล่อชนิดนี้เมื่อตีหักดูเนื้อเหล็กตรงรอยหักจะมีลักษณะเป็นสีเทา ซึ่งต่างกับเหล็กหล่อสีขาว ซึ่งความจริงเหล็กหล่อสีเทาก็เป็นเหล็กที่มีคาร์บอนเป็นส่วนผสมอยู่ในช่วงที่ใกล้เคียงกับเหล็กหล่อสีขาว ผิดกันตรงที่เหล็กหล่อสีเทาในขณะเปลี่ยนสภาวะจากของเหลวไปเป็นของแข็งจะเป็นระบบสเตเบิล (Stable) กล่าวคือปริมาณคาร์บอนส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของคาร์บอนบริสุทธิ์ แยกตัวออกมารวมเป็นแผ่น (flakes) ซึ่งเรียกว่ากร๊าฟไฟต์ และกระจัดกระจายอยู่ทั่วไปในเนื้อเหล็ก ทำให้มองดูรอยหักเป็นสีเทา จากแผ่นภาพ Equilibrium (ภาพที่ CAST-GRAY1) เส้นไข่ปลาจะเป็นระบบสเตเบิล ระหว่างเหล็กกับคาร์บอน ซึ่งจุดต่าง ๆ ของแผ่นภาพที่ปรากฏจะแตกต่างไปจากระบบเมตาสเตเบิลเล็กน้อย แต่การศึกษาโครงสร้างของเหล็กหล่อสีเทาจะไม่อาจศึกษาได้โดยตรงจากแผ่นภาพเพราะในทางปฏิบัติการเย็นตัวของเหล็กหล่อที่ จะเป็นตามภาพเป็นไปได้ยาก เพราะเหล็กจะต้องเย็นตัวช้ามาก ถึงแม้ว่าเหล็กจะถูกปล่อยให้เย็นตัวในแบบทราบ อัตราการเย็นตัวก็ยังจัดว่าเร็วกว่าอัตราการเย็นตัวในสภาวะสมดุลย์ (Equilibrium cooling rate) และอีกประการหนึ่งในเหล็กหล่อสีเทามีธาตุอื่น ๆ นอกเหนือจากคาร์บอนผสมอยู่ ซึ่งมีผลต่อคุณสมบัติของเหล็กหล่ออยู่มาก การศึกษาคุณสมบัติของเหล็กหล่อจึงต้องกระทำในลักษณะที่เน้นหนักไปทางด้านปฏิบัติมากกว่าทางด้านทฤษฎี

รูปที่ CAST-GRAY1
Phase equilibrium diagram.

คุณสมบัติของเหล็กหล่อสีเทา (Mechanical properties)
     เหล็กหล่อสีเทาเป็นเหล็กที่มีธาตุคาร์บอนผสมอยู่ และคาร์บอนส่วนใหญ่เกิดอยู่ในรูปของกร๊าฟไฟต์ ส่วนคาร์บอนที่เหลือจะเกิดอยู่ใน รูปของสารประกอบกับเหล็กที่เรียกว่าซีเมนไตต์ (Cementite) เพราะฉะนันมาตรฐานเหล็กหล่อสีเทาจึงมีหลายเกรด ขึ้นอยู่กับความแข็งแรงของเหล็กหล่อ ตัวอย่างที่จะนำมากล่าวต่อไปนี้เป็นมาตรฐานของประเทศต่าง ๆ ซึ่งแบ่งเกรดของเหล็กหล่อสีเทาออกเป็นหลายชั้นคุณภาพดังนี้

มาตรฐานอังกฤษ (BS 1452 : 1961)

ชั้นคุณภาพ
10
12
14
17
20
23
26
ความเค้นแรงดึง
(Ton/in2) (ต่ำสุด)
10
12
14
17
20
23
26
(Kg/mm2)
15.7
18.9
22
26.8
31.5
36.2
41

มาตรฐานเยอรมัน (DIN 1691)

ชั้นคุณภาพ (GGL)
10
15
20
25
30
35
40
ความเค้นแรงดึง
(Ton/in2) (ต่ำสุด)
6.4
9.6
12.7
15.9
19
22.2
25.4
(Kg/mm2)
10
15
20
25
30
35
40

มาตรฐานฝรั่งเศษ (AFNOR A 32 - 10)

ชั้นคุณภาพ (Ft)
14
18
22
26
30
ความเค้นแรงดึง
(Ton/in2) (ต่ำสุด)
8.9
11.4
14
16.5
19
(Kg/mm2)
14
18
22
26
30

มาตรฐานเอมริกา (ASTM A 48 - 60 T)

ชั้นคุณภาพ
20
25
30
35
40
45
50
60
ความเค้นแรงดึง
(1,000 lb/in2)
20
25
30
35
40
45
50
60
(Ton/in2) (ต่ำสุด)
8.9
11.1
13.4
15.6
17.9
20.1
22.3
26.8
(Kg/mm2)
14
17.5
21.1
24.6
28.2
31.7
35.1
42.2
Head

มาตรฐานรัสเซีย (GOST 1412)

ชั้นคุณภาพ (SCH)
12-28
15-32
18-36
21-40
24-44
28-48
32-52
35-56
38-60
ความเค้นแรงดึง
(Ton/in2) (ต่ำสุด)
7.6
9.5
11.4
13.3
15.2
17.8
20.3
22.2
24.1
(Kg/mm2)
12 15
15
18
21
24
28
32
35
38
(ตัวเลขที่ตามมาข้างหลังคือ ค่า bending stress เป็น Kg/mm2)

มาตรฐานญี่ปุ่น (JIS)

ชั้นคุณภาพ (Fc)
10
15
20
25
30
35
ความเค้นแรงดึง
(Kg/mm2) (ต่ำสุด)
10
15
20
25
30
35

มาตรฐานไทย

ชั้นคุณภาพ (GGL)
100
150
200
250
300
350
400
ความเค้นแรงดึง
(Mpa) (ต่ำสุด)
98
147
196
245
294
343
395
(Kg/mm2)
10
15
20
25
30
35
40

ความแข็งแรงและความแข็งแรงของเหล็กหล่อสีเทาขึ้นอยู่กับแฟคเตอร์ที่สำคัญ 3 ประการ คือ
   1. ส่วนผสมของเหล็กหล่อ
   2. อัตราการเย็นตัวของเหล็กหล่อภายในแบบหล่อ
   3. การตกผลึกหรือฟอร์มของกร๊าฟไฟต์

ส่วนผสมของเหล็กหล่อ (Chemical composition of the iron)
 
     จากที่เราทราบมาแล้วเหล็กหล่อสีเทาเป็นเหล็กที่มีคาร์บอนเป็นส่วนผสมทั่ว ๆ ไป จะมีคาร์บอนระหว่าง 2.5 - 4% ซึ่งคาร์บอนนี้จะตก ผลึกเกิดเป็นกร๊าฟไฟต์แทรกอยู่ในเนื้อเหล็ก ขณะที่เหล็กหล่อเย็นตัวลงจากสภาพหลอมเหลวจนแข็งตัว นอกจากธาตุคาร์บอนแล้ว ยังมีธาตุอื่น ๆ เช่น ซิลิกอน, ฟอสฟอรัส และอื่น ๆ ซึ่งธาตุต่าง ๆ นี้ มีบทบาทสำคัญมากเกี่ยวกับคุณสมบัติของเหล็กหล่อ เราแบ่งธาตุต่าง ๆ นอกเหนือไปจากคาร์บอนออกเป็น 2 ชนิด คือ
.  ประเภทช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์ (Graphite-forming elements)
     ได้แก่ ซิลิกอน, ฟอสฟอรัส, อลูมิเนียม, นิเกิล, ทองแดง, และอื่น ๆ ธาตุที่มีอิทธิพลในการช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์มากที่สุดก็คือ ซิลิกอน ถัดไปก็เป็นฟอสฟอรัส และอะลูมิเนียมตามลำดับ เหตุผลที่จะพอสรุปถึงอิทธิพลของธาตุต่าง ๆ เหล่านี้ได้ดังนี้ ปกติธาตุคาร์บอนกับเหล็กสามารถรวมกันให้ซีเมนไตต์ได้ (Fe3c) แต่ถ้ามีซิลิกอนจะรวมกับเหล็กก่อนและให้สารประกอบในขณะที่เหล็กยังอยู่ที่อุณหภูมิสูงหรืออยู่ในสภาพหลอมเหลว ดังนั้นธาตุคาร์บอนจึงหมดโอกาศที่จะรวมกับเหล็กเกิดซีเมนไตต์ เมื่อเป็นเช่นนี้อะตอมของธาตุคาร์บอนจึงจับรวมกันเข้าเป็นกลุ่มเป็นก้อนกลายเป็นกร๊าฟไฟต์ซึ่งฟอร์มของกร๊าฟไฟต์ปกติจะเกิดเป็นแผ่นบาง ๆ แต่จะมีการเปลี่ยนแปลงลักษณะไปบ้างขึ้นอยู่กับแฟคเตอร์บางอย่าง ซึ่งจะกล่าวในภายหลัง
     ฟอสฟอรัสและอลูมิเนียมก็เช่นเดียวกัน จะมีแรงดึงดูด (affinity) กับเหล็กสูงกว่าคาร์บอนเหมือนกันเมื่อเป็นเช่นนี้จึงรวม กับเหล็ก ให้สารประกอบที่อุณหภูมิสูง ทำให้ธาตุคาร์บอนต้องแยกตัวออกมารวมกันเป็น กร๊าฟไฟต์ จากตารางข้างล่างแสดงถึงอุณหภูมิต่าง ๆ ที่ซิลิกอน ฟอสฟอรัส และอลูมิเนียมจะรวมตัวกับเหล็กให้สารประกอบ

Fe3Si - 1250๐C
Fe5 Si - 1280๐C
FeSi - 1410๐C
FeSi2 - 1220๐C
FE3P - 1160๐C
Fe2P - 1365๐C
-
-
FeAl2 - 1165๐C
Fe2 Al5 - 1173๐C
Fe Al3 - 1160๐C
-

     สำหรับฟอสฟอรัส นอกจากจะเป็นธาตุที่ช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์แล้ว ฟอสฟอรัสยังมีส่วนช่วยให้น้ำเหล็กหล่อไสและไหลได้ดี เพราะ ฟอสฟอรัสช่วยลดอุณหภูมิยูเตคติคให้ต่ำลง โดยทำให้เกิดปฏิกิริยายูเตคติคสามเฟสหรือเรียกว่า Ternary eutectique ซึ่งได้แก่ Fe3C - Fe3P - ออสเตนไนท์ เกิดเป็นจุดเล็ก ๆ สลับกันเช่นเดียวกับโครงสร้างยูเตคติคซึ่งมีชื่อเรียกว่า Steadete เป็นโครงสร้างที่เปราะแตกง่าย ดังนั้นถ้ามีฟอสฟอรัสมาก จะทำให้เหล็กหล่อขาดคุณสมบัติอ่อนตัว (ductility) ในทางปฏิบัติจะผสมฟอสฟอรัสระหว่าง 0.7 - 1.2% และใช้เฉพาะในกรณีที่ต้องการหล่อสิ่งที่มีความบางมาก ๆ เพื่อช่วยให้เหล็กหล่อไหลได้ดี
     อลูมิเนียมนับว่าเป็นธาตุที่ช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์ได้ดี แต่ในทางปฏิบัติมักไม่ใช้อลูมิเนียม เนื่องจากอลูมิเนียมอ๊อกซิไดส์ได้ง่าย ทำให้กลายเป็นอ๊อกไซด์ เป็นเหตุให้เหล็กหล่อเสียคุณภาพทางการไหลง่าย (Fluidity)
     สำหรับนิเกิลและทองแดง จัดว่าเป็นธาตุที่ช่วยให้เกิดกร๊าฟไฟต์อยู่ในระดับปานกลาง จะใช้นิเกิลและทองแดงผสมในเหล็กหล่อ เฉพาะ ในกรณีที่ต้องการปรับปรุงคุณภาพของเหล็กหล่อเท่านั้น เพราะนิเกิลมีราคาแพง และทองแดงมีขอบเขตของการละลายในเหล็กจำกัด ซึ่งจะกล่าวถึงรายละเอียดในภายหลัง
         ประเภทรวมตัวกับคาร์บอน (Carbide-forming elements)
      ได้แก่ธาตุแมงกานีส, โครเมี่ยม, ตังสเตน, วาเนเดียม, โมลิบดินัม และอื่น ๆ ธาตุเหล่านี้จะไม่รวมกับเหล็ก เพื่อให้คาร์บอนแยกตัวไปรวม กันเกิด กร๊าฟไฟต์ แต่ธาตุเหล่านี้จะรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์และเป็นคาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพ เมื่อเป็นเช่นนี้ ถ้าในเหล็กหล่อมีธาตุเหล่านี้อยู่ เหล็กหล่อจะมีโอกาสเป็นเหล็กหล่อสีเทาได้ยาก ยกเว้นในกรณีที่ต้องการทำเหล็กหล่อสีขาว เพื่อต้องการให้เหล็กแข็ง ทนการสึกหรอจึงจะผสมธาตุเหล่านี้ลงไป ปกติคาร์ไบด์ที่เกิดจากธาตุเหล่านี้มักจะเปราะแตกง่าย ถึงจะมีความแข็งสูงก็ตาม

รูปที่ CAST-GRAY2
แสดงลักษณะโครงสร้างของ Steadite.

     โดยทั่วไปในเหล็กหล่อสีเทามักจะผสมแมงกานีสลงไประหว่าง 0.5 ถึง 0.8% ด้วยเหตุผลที่จะให้แมงกานีสไปดึงเอากำมะถัน ออกจากเหล็ก เพราะในเหล็กหล่อถ้ามีกำมะถันมาก กำมะถันจะไปรวมกับเหล็กกลายเป็นเหล็กซันไฟต์ (FeS) ซึ่งจะทำให้เหล็กเสียคุณสมบัติที่ดีไป กล่าวคือกำมะถันทำให้เหล็กเปราะที่อุณหภูมิสูง แมงกานีสนอกจากช่วยดึงกำมะถันแล้ว แมงกานีสยังช่วยให้เกิดเพิรไลท์ที่ละเอียด ตอนที่เหล็กหล่อเย็นลงถึงอุณหภูมิยูเตคตอยด์
     เนื่องจากอิทธิพลของธาตุต่าง ๆ ที่มีอยู่ในเหล็กหล่อ เป็นเหตุหนึ่งที่ทำให้จุดต่าง ๆ ของ Equilibrium Diagram ของเหล็กกับ คาร์บอนเปลี่ยนแปลงไป โดยเฉพาะจุดยูเตคติคจะเปลี่ยนแปลง ดังนั้นเปอร์เซนต์คาร์บอนของ diagram จะดูจากเปอร์เซนต์คาร์บอนของเหล็กหล่ออย่างเดียวไม่ได้ จะต้องหาเปอร์เซนต์ของคาร์บอนโดยบวกกับอิทธิพลของธาตุต่าง ๆ เข้าไปด้วย ซึ่งเราเรียกว่า Carbon equivalent เขียนย่อว่า C.E ซึ่งมีสูตรดังนี้

C.E =
 C % + 0.31 Si % + 0.27 % P + {0.078 (1.85 - Mn %)} + 0.156 Al + 0.125 Ti + 0.109 Ni + 0.0935Cu
- 0.935Mo - 0.312Cr - 0.624 V.

แต่ในทางปฏิบัติเกี่ยวกับเหล็กหล่อสีเทา จะคิดเพียงแค่อิทธิพลของฟอสฟอรัส เพราะธาตุอื่น ๆ ถือว่ามีน้อยดังนี้
C.E = C % + 0.31 Si % + 0.27 P %
หรือ C.E = Total carbon % +{( Silicon % + Phosphorus %)/3}
ตัวอย่าง
เหล็กหล่อชนิดหนึ่มี C 3%, Mn 0.5%, Si 1.8% และ P 0.1%
C.E = {3 + ( 0.31 x 1.8) + (0.27 x0.1)} = 3.6 %
การพิจารณาค่า C.E ก็เหมือนกับค่าเปอร์เซนต์คาร์บอนปกติ ถ้าค่า C.E มีค่ามากกว่า 4.3% จะถือว่าเหล็กหล่อนั้นเป็นไฮเปอร์ยูเตคติค
ถ้าน้อยกว่า 4.3% เป็นไฮโปยูเตคติค
Head

อัตราการเย็นตัวของเหล็กหล่อ (Cooling rate)
     เราจะเห็นว่า จาก equilibrium diagram ของเหล็กกับคาร์บอน การเย็นตัวของเหล็กหล่อจะให้การเปลี่ยนแปลงทีอุณหภูมิยูเตคติค เป็น ออสเตนไนท์กับกร๊าฟไฟต์ ดังนั้นปฏิกิริยาจะเกิดได้จะต้องใช้เวลานานมาก เพื่อให้อะตอมของคาร์บอนมีเวลาพอที่จะรวมกลุ่มกันและมีการขยายตัวโดยอิสระ สำหรับเหล็กหล่อที่มีส่วนผสมแน่นอนชนิดหนึ่งนั้น ในขณะที่เย็นตัวและให้เกิดกร๊าฟไฟต์ยูเตคติคได้นั้น ขึ้นอยู่กับแฟคเตอร์ต่าง ๆ หลายประการหรือพูดง่าย ๆ อัตราการเย็นตัวของเหล็กหล่อในระบบเหล็ก-คาร์บอน ไม่ใช่เหล็ก -ซีเมนไตต์ นั้น ขึ้นอยู่กับ
1. อุณหภูมิของเหล็กหล่อตอนเทลงแบบหล่อ (Pouring temperature)
2. ความรอ้นแฝงของเหล็กหล่อ (Latent heat of solidification)
3. สภาพการนำหรือพาความร้อนของตัวแบบหล่อ (Heat conductivity of mold)
4. ขนาดหรือปริมาณของน้ำเหล็กหล่อที่เทลงแบบ (Size of casting)
แฟคเตอร์ทั้งสี่ประการดังกล่าวมาแล้วนี้จะเห็นว่าอุณหภูมิหลอมเหลวของเหล็กหล่อกับความร้อนแฝงของเหล็กหล่อ ขึ้นอยู่กับส่วน ผสม
     ของเหล็กหล่อโดยตรง แต่ตัวนำความร้อนของแบบหล่อ และขนาดของเหล็กหล่อเป็นแฟคเตอร์ที่เปลี่ยนแปลงได้กว้างขวางมาก ในการศึกษาเรื่องมีผู้พยายามสร้างแผนกร๊าฟที่สามารถแสดงความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้าง (Structure) ส่วนผสม (Composition) และขนาดของเหล็กหล่อ (Size of casting) ที่หล่อด้วยแบบทราย (Sand mold) ซึ่งจะแสดงแผนภาพไว้สองแบบ

รูปที่ CAST-GRAY3

     แบบแรกใช้แกนตั้ง (Y - axis) แทนส่วนผสมโดยบอกเป็นผลรวมระหว่างเปอร์เซนต์ของคาร์บอนกับซีลิกอน (C + Si) % แกนนอน (X - Axis) แทนขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเป็นมิลลิเมตร แผนภาพจะแสดงลักษณะของโครงสร้างโดยแบ่งเป็นโซนต่าง ๆ เช่น
โซน I แสดงถึงโครงสร้าง เป็น เหล็กหล่อสีขาว (Ledeburite + pearlite)
โซน I + II แสดงถึงโครงสร้าง เป็น เหล็กหล่อ Mottled (Ledeburtie + pearlite +graphite
โซน II แสดงถึงโครงสร้าง เป็น เหล็กหล่อสีเทาประเภท pearlitic cast iron .
โซน II + III แสดงถึงโครงสร้าง เป็น เหล็กหล่อสีเทาประเภท Ferrito - pearlitic
โซน III แสดงถึงโครงสร้าง เป็น เหล็กหล่อสีเทาประเภท Ferritic (ดูรูปที่ 6 ประกอบ)
     จากภาพจะเห็นว่า ถ้าเหล็กหล่อมีคาร์บอน 3% และซิลิกอน 2% ซึ่งปกติเหล็กหล่อประเภทนี้ (ดูรูปที่ CAST-GRAY3 ประกอบ) จะเป็นเหล็กหล่อ สีเทาประเภทเพิรลิติค แต่ถ้าเส้นผ่าศูนย์กลางของเหล็กหล่อเล็กกว่า 10 ม.ม โครงสร้างอาจจะเป็นมอตเติล หรือเหล็กหล่อขาวก็ได้
     แบบที่สอง ใช้แกนตั้ง (Y -axis) แทนส่วนผสม (C + Si) % เหมือนกันกับแบบแรก แต่แกนนอน (X - axis) แทนความหนาของงาน หล่อเป็นมิลลิเมตร แผนภาพแสดงโครงสร้างแบ่งเป็นอาณาเขต คือจะมีอาณาเขตของเหล็กหล่อสีขาว (pearlite + cementite) อยู่ทางตอนล่าง เหนือขึ้นไปเป็นเหล็กหล่อมอตเติล (pearlite + cementite + graphite) อาณาเขตช่วงที่ 3 เป็นเหล็กหล่อสีเทาประเภทเพิรลิติค อาณาเขตช่วงที่ 4 เป็นเหล็กหล่อสีเทาประเภทเฟอร์ริโต - เพิรลิติค และช่วงสุดท้ายเป็นเหล็กหล่อสีเทาประเภทเฟอร์ริตคิ จากแผ่นภาพจะเห็นว่าเหล็กหล่อ 3% และ 2% Si ถ้าความหนาน้อยกว่า 5 ม.ม โครงสร้างจะเป็นมอตเติล (ดูรูปที่ CAST-GRAY4 ประกอบ)

รูปที่ CAST-GRAY4

     จากแผ่นภาพทั้งสองแบบนี้จะแสดงโครงสร้างอย่างคร่าว ๆ พอเป็นแนวทางให้ศึกษาได้เท่านั้น จะเอาค่าที่แน่นอนไม่ได้ เพราะใช้เปอร์เซนต์คาร์บอนรวมกับเปอร์เซนต์ซิลิกอน ทำให้ได้ค่าไม่แน่นอน ตัวอย่างเช่น เหล็กหล่อสองชนิด คือ C, 2% Si กับ 4% C, 1% Si ซึ่งรวมกันได้ 5 เท่ากัน แต่เหล็กหล่อทั้งสองนี้จะให้โครงสร้างแตกต่างกันได้
Head

การตกผลึกหรือฟอร์มของกร๊าฟไฟต์ (Factor of graphitisation)
     จากทีเราได้ศึกษามาถึงเรื่องของส่วนผสม และการเย็นตัวของเหล็กหล่อ ซึ่งเป็นแฟคเตอร์ที่มีส่วนทำให้เหล็กหล่อมีคุณสมบัติแตก ต่าง กันมาแล้ว ยังมีแฟคเตอร์อีกอย่างหนึ่งที่มีส่วนทำให้เหล็กหล่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติไปได้ คือลักษณะการตกผลึกหรือฟอร์มของกร๊าฟไฟต์ ผลจากการทดลองที่ยืนยันในเรื่องนี้ คือการทดลองที่นำเอาเหล็กหล่อสองชนิดที่มีส่วนผสมเหมือนกัน และทำให้เย็นภายในแบบหล่อเหมือนกัน แต่คุณสมบัติของเหล็กภายหลังเมื่อเย็นจนถึงอุณหภูมิปกติแล้วไม่เหมือนกัน ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะการเกิดกร๊าฟไฟต์ หรือ power of graphitisation ไม่อยู่ในลักษณะเดียวกัน ซึ่งสิ่งเหล่านี้อาจจะเนื่องมาจากลักษณะของวัตถุดิบที่นำมาหล่อ (nature of raw material) วิธีการหล่อหลอม (Melting method) และอาจจะมีสิ่งอื่น ๆ อีกที่มากับเหล็กหล่อ การเกิดกร๊าฟไฟต์ของเหล็กหล่อขณะหลอมเหลวนั้น อาจจะให้ลักษณะของกร๊าฟไฟต์ ปริมาณของกร๊าฟไฟต์ ตลอดจนการกระจัดกระจายของกร๊าฟไฟต์ภายในเนื้อเหล็กหล่อที่ต่างกันได้ สิ่งเหล่านี้ยังเป็นเรื่องที่พิสูจน์หรือหาเหตุมาประกอบได้ยาก เพียงแต่มีการทดลองและตั้งสมมติฐานไว้ต่าง ๆ กัน ซึ่งก็ยังไม่มีการยอมรับกันเป็นเอกฉันท์
      มีการทดลองอันหนึ่งที่พอจะยกมาประกอบ เพื่อชี้ให้เห็นความสำคัญของการเกิดกร๊าฟไฟต์ที่ให้คุณสมบัติแตกต่างของเหล็กหล่อ   จากเหล็กหล่อที่กำลังหลอมเหลวสองเบ้า เบ้าแรกของปริมาณของซิลิกอน 1.6% อีกเบ้าหนึ่งมีซิลิกอน 1.4% ส่วนธาตุที่ผสมอยู่ ในเหล็ก หล่ออื่น ๆ เท่ากัน ก่อนที่จะเทลงแบบที่ทำด้วยวัสดุชนิดเดียวกัน เอาเฟอร์โรซิลิกอนที่เป็นผงละเอียดเทลงไปในเบ้าที่สอง เพื่อทำให้ปริมาณของซิลิกอนในเบ้าที่สองเท่ากับ 1.6 % คือเท่ากับเบ้าแรก เมื่อคนให้เฟอร์โร -ซิลิกอนละลายลงในน้ำเหล็กหล่อดีแล้ว จึงเทน้ำเหล็กหล่อทั้งสองเบ้าลงในแบบหล่อที่เตรียมไว้ทั้งสองแบบ ปรากฏว่าคุณสมบัติของเหล็กหล่อ จากเบ้าที่สองดีกว่าเบ้าแรก โดยให้ฟอร์มของ กร๊าฟไฟต์ที่ละเอียดและกระจัดกระจายอย่าสม่ำเสมอภายในเนื้อเหล็ก จากการทดลองนี้มีผู้ให้เหตุผลว่า การที่ใส่เฟอร์โร-ซิลิกอน ลงไปในน้ำเหล็กหล่อ ซิลิกอนอาจจะมีการอ๊อกซิไดซ์และกลายเป็นผงเล็ก ๆ ของ SiO2 ซึ่งมีจุดหลอมตัวสูงลอยอยู่ในน้ำเหล็ก และทำหน้าที่เป็นนิวเครียสเทียม ให้กำเนิดการตกผลึกและรวมตัวของคาร์บอน จนเป็นกร๊าฟไฟต์ได้ เพราะจากการทดลอง ถ้าใช้เฟอร์โร-ซิลิกอนที่มีความบริสุทธิ์มากกลับให้ผลในการให้กำเนิดนิวเครียสได้น้อยกว่าการใช้เฟอร์โร-ซิลิกอนที่ผลิตขึ้นจาก โรงงานอุตสาหกรรม ซึ่งจะมีธาตุหรือสารเจือปน (impurities) อื่น ๆ เช่น อลูมิเนียม, แมกซิเซียม หรือแคลเซียม ปนมาด้วย ทำให้เพิ่มปริมาณนิวเคลียสของกร๊าฟไฟต์ ข้อสมมติฐานอันนี้มีทางเป็นไปได้อีกกรณีหนึ่ง กล่าวคือ เมื่อปรากฏมีผงเล็ก ๆ ของซิลิกอนไดอ๊อกไซด์หรือื่น ๆ ที่ลอยอยู่ในเหล็กหลอมเหลว ก็อาจจะทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสได้เกิดผลึกของออสเตนไนท์จำนวนมากก็ได้ เพราะเมื่อเกิดผลึกของออสเตนไนท์จำนวนมากในน้ำเหล็กที่ยังไม่แข็งตัวหมดนี้ ตำแหน่งการเกิดนิวเคลียสของกร๊าฟไฟต์ก์จะอยู่ตามบริเวณเหล็กหลอมเหลวที่ล้อมรอบผลึกของออสเตนไนท์ เมื่อเกิดการขยายตัวของกร๊าฟไฟต์ก็จะเป็นไปได้ยาก เพราะอะตอมของคาร์บอนที่อยู่บริเวณเหล็กหลอมมีจำนวนจำกัด และเคลื่อนที่มาจากบริเวณอื่นได้ยากเช่นกัน เพราะจะติดผลึกของออสเตนไนท์ ซึ่งผิดกับเหล็กที่มีผลึกของออสเตนไนท์จำนวนน้อย แม้ว่าปริมาตรของเหล็กหลอมเหลวจะเท่ากันก็ตาม การขยายตัวของกร๊าฟไฟต์จะเป็นไปโดยสะดวกทำให้ได้กร๊าฟไฟต์ขนาดใหญ่ ดังภาพแสดงเปรียบเทียบ ในภาพ (a) มีผลึกออสเตนไนท์ 3 ผลึก การขยายตัวของกร๊าฟไฟต์จะเป็นไปได้ดีเกิดกร๊าฟไฟต์ขนาดโต แต่ในภาพ (b) เหล์กมีปริมาตรเท่ากัน แต่มีผลึกของออสเตนไนท์จำนวน 9 ผลึก การเกิดกร๊าฟไฟต์จะมีจำนวนมากกว่า แต่ขยายตัวได้น้อยทำ ให้กร๊าฟไฟต์ขนาดเล็ก และกระจัดกระจาย (ดูรูปที่ CAST-GRAY5 ประกอบ)

รูปที่ CAST-GRAY5
แสดงลักษณะการฟอร์มกร๊าฟไฟต์.

     จากการทดลองที่ปรากฏผลแตกต่างของการเกิดกร๊าฟไฟต์ตามที่กล่าวมานี้ ทำให้เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปถึงกรรมวิธีการผลิตเหล็ก หล่อ คุณภาพสูง โดยการใช้ผงเฟอร์โรซิลิกอนผสมในเหล็กหล่อหลอมเหลวก่อนเทลงแบบหล่อ เรียกกรรมวิธีปรับปรุงคุณภาพเหล็กหล่อนี้ว่า Inoculation ซึ่งภายหลังได้พัฒนาวิธีการแตกต่างออกไปจากวิธีเดิม กล่าวคือนอกจากจะใช้โลหะผงเฟอร์โรซิลิกอนแล้วยังใช้โลหะผสมชนิดอื่น ๆ อีก เช่น แคลเซียมซิลิไซด์, ซิลิโกแมงกานีส ซิลิโกเซอร์โคเมียม เป็นต้น นอกจากวิธีผสมลงไปในเบ้าเหล็กหล่อหลอมเหลวโดยวิธีธรรมดาแล้วยังพัฒนาวิธีการผสมเพื่อให้สารอินนอคคูแลนด์ (Inoculant) ผสมกับเหล็กหล่อหลอมเหลวอย่างทั่วถึง เป็นการเพิ่มประสิทธิภาพการผสม โดยเฉพาะน้ำเหล็กหล่อจากเตาคิวโปล่า ใช้วิธีผสมตรงบริเวณทางไหล (Tapping Spout) ขณะเจาะน้ำเหล็กหล่อออกจากเตา โดยมีถังบรรจุสารอินนอคคูแลนท์อยู่เหนือทางไหลของน้ำเหล็ก ตรงกับถังบรรจุจะมีรูและอุปกรณ์ควบคุมปริมาณการไหลของสารอินนอคคูแลนท์ เพื่อให้การไหลของอินนอคคูแลนท์เป็นไปอย่างสม่ำเสมอ บางครั้งอาจจะมีเครื่องสั่นมาติดไว้ที่ถังบรรจุเพื่อช่วยให้สารอินนอคคูแลนท์ไหลออกทางรูได้สม่ำเสมอ (ดูรูปที่ CAST-GRAY6 ประกอบ) ภายหลังการผสมสารอินนอคคูแลนท์แล้วจะต้องรีบเทเหล็กหล่อลงแบบภายในเวลา 15 - 30 นาที เพราะถ้าทิ้งไว้นานกว่านี้การทำอินนอคคูเลชั่นจะไม่ได้ผลดีเท่าที่ควร อาจเนื่องมาจากผงที่เป็นของแข็งที่เกิดจากสารอินนอคคูแลนท์ซึ่งเบากว่าน้ำเหล็กจะลอยตัว ทำให้การเกิดกร๊าฟไฟต์ไม่อยู่ในลักษณะที่ดี

รูปที่ CAST-GRAY6
แสดงอุปกรณ์ที่ช่วยทำให้การอินน๊อคคูเลทได้ผลสม่ำเสมอ.

การควบคุมคุณภาพของเหล็กหล่อสีเทา
           เพื่อให้เหล็กหล่อสีเทาผลิตมีคุณภาพสูง จำเป็นจะต้องควบคุมส่วนผสมของเหล็กซึ่งจะเกี่ยวโยงไปถึงโครงสร้างพื้นฐาน และลักษณะของ กร๊าฟไฟต์ที่เกิด เพื่อความเข้าใจจะขอกล่าวถึงลักษณะของโครงสร้างพื้นฐานและลักษณะของกร๊าฟไฟต์ดังนี้
 
          โครงสร้างพื้นฐาน (matrix) ของเหล็กหล่อสีเทามีสามประเภทคือ เฟอร์ริติค, เพิรลิติค และเฟอร์ริโต - เพิรลิติคโดยหลักทางโลหวิทยาจะถือว่าโครงสร้างเพิรลิติคเป็นโครงสร้างที่ให้คุณสมบัติทนแรงดึงได้สูงที่สุดส่วนเฟอร์ริโต-เพิรลิติค และเฟอร์ริติค ก็จะให้คุณสมบัติทนแรงดึงลดหลั่นลงไปตามปริมาณของเพิรไลท์ เพราะฉะนั้นถ้าจะให้ได้เหล็กหล่อคุณภาพดีจะต้องควบคุมส่วนผสมโดยเฉพาะปริมาณของคาร์บอนและซิลิกอน ซึ่งจะสัมพันธ์กับความหนาหรือเส้นผ่าศูนย์กลางของชิ้นงาน จากภาพที่ 6,7 แสดงไว้พอเข้าใจ เช่นเหล็กมีคาร์บอน 3.0% ซิลิกอน 1.5% ถ้าจะให้ได้โครงสร้างเพิรไลท์จะต้องมีความหนาไม่เกิน 25 ม.ม (ใช้ทรายเป็นวัสดุทำแบบหล่อ)
ลักษณะของกร๊าฟไฟต์โดยทั่วไปแบ่งออกเป็น 6 ชนิด ขึ้นอยู่กับขนาดและรูปร่างดังแสดงในรูปที่ CAST-GRAY7
ประเภท A
     เป็นลักษณะของกร๊าฟไฟต์เฟลกขนาดเล็กและกระจัดกระจายอย่างสม่ำเสมอ มีลักษณะเป็นยูเตคติคกร๊าฟไฟต์ จากภาพจะเห็น กร๊าฟไฟต์เป็นเส้น แต่ความจริงแล้วจะเป็นแล้วจะเป็นแผ่นมีลักษณะโค้งไปมา ทั้งนี้เป็นเพราะในขณะที่เกิดเมื่อเริ่มครั้งแรกเป็นนิวเคลียสจะลอยอยู่ในเหล็กหลอมเหลว การขยายตัวในตอนแรกจะอิสระ และจะมีทิศทางไปตามแกน C ตามระบบผลึก Hexagonal ซึ่งเป็นทิศทางที่เหมาะในการขยายตัว (Preferential direction) พอขยายตัวได้ระยะหนึ่งจะเข้าใกล้ผลึกของกร๊าฟไฟต์อันอื่น ๆ ที่เกิดพร้อม ๆ กัน ทำให้เกิดการแย่งอะตอมของคาร์บอนซึ่งกันและกัน เมื่อเป็นเช่นนี้กร๊าฟไฟต์แต่ละตัวจะพยายามเปลี่ยนทิศทางไปยังบริเวณที่ยังมีอะตอมคาร์บอนมากกว่า เพื่อการขยายตัวทำให้แผ่นของกร๊าฟไฟต์เกิดลักษณะโค้ง โอกาสที่กร๊าฟไฟต์จะชนกันดูจะยาก
ประเภท B
     เป็นลักษณะของกร๊าฟไฟต์เฟลคขนาดเล็กเช่นเดียวกับประเภท A แต่การเกิดจะอยู่เป็นกลุ่ม ๆ โดยเฟลคกร๊าฟไฟต์แต่ละตัวจะพุ่ง ไปรวมกันตรงกลาง คล้ายกลีบดอกไม้ (Rosette) จัดเป็นยูเตคติค กร๊าฟไฟต์เช่นเดียวกัน แต่การกระจัดกระจายไม่สม่ำเสมอมักจะพบกร๊าฟไฟต์ประเภทนี้ตรงบริเวณใจกลางของชิ้นงานหล่อที่บางหรือเหล็กหล่อทีทำให้ผิวเย็นเร็ว (chilled cast iron) ซึ่งเป็นลักษณะของเหล็กที่เรียกว่ามอตเติลคือมีทั้งโครงสร้างที่เป็นเหล็กหล่อสีเทา และเหล็กหล่อสีขาว
ประเภท C
     เป็นลักษณะของกร๊าฟไฟต์ที่มีทั้งขนาดใหญ่ (Primary or Kish graphite) และขนาดเล็ก (Eutectic) เกิดสลับกันเป็นลักษณะ ของกร๊าฟไฟต์ที่เกิดในเหล็กหล่อที่มีคาร์บอนและซิลิกอนสูง คือคือ Carbon Equivalent เกินกว่า 4.3% คือเป็นเหล็กส่วนผสมไฮเปอร์ยูเตคติค อัตราการเย็นตัวของเหล็กหล่ออยู่ในเกณฑ์ช้าลักษณะเช่นนี้จะทำให้เหล็กมีความต้านทานแรงดึงต่ำ แต่เหล็กจะอ่อนนิ่ม กลึงไสได้ง่าย

รูปที่ CAST-GRAY7
แสดงชนิดของกร๊าฟไฟต์.

ประเภท D และ E
      พบลักษณะของกร๊าฟไฟต์ลักษณะนี้ในเหล็กที่มีอัตราการเย็นตัวสูง และเกิดกับเหล็กหล่อที่มีส่วนผสมเป็นไฮโปยูเตคติค คือมีค่า C.E ต่ำ ลักษณะของกร๊าฟไฟต์ประเภท D และ E ก็คือ ถ้าเป็นประเภท D จะเกิดในลักษณะที่ไม่มีทิศทาง (random) แต่ประเภท E จะเกิดลักษณะมีทิศทาง (orientation) แต่ทั้งสองประเภทจะเกิดตามขอบของเกรน (interdendritic) ถ้าปล่อยให้เหล็กเย็นช้าลงจะไม่เกิดกร๊าฟไฟต์ลักษณะนี้ ลักษณะของกร๊าฟไฟต์ประเภท D และ E เป็นลักษณะที่ไม่ควรจะให้เกิดในเหล็กหล่อเพราะมักจะทำให้เหล็กเปราะและแตกหักได้ง่าย
ประเภท N
      เป็นลักษณะของกร๊าฟไฟต์อยู่ในรูปกลม จะเกิดได้เฉพาะในเหล็กหล่อที่มีกรรมวิธีการผลิตแตกต่างไปจากเหล็กหล่อสีเทาทั่ว ๆ ไป ซึ่งสามารถดูรายละเอียดได้ในเรื่องของเหล็กหล่อกร๊าฟไฟต์กลม ลักษณะของกร๊าฟไฟต์กลมนี้จะมีผลต่อคุณสมบัติเชิงกลของเหล็กหล่อมาก โดยเฉพาะทางด้านความเหนียว และความต้านทานแรงดึงทำให้เหล็กหล่อกร๊าฟไฟต์กลมนี้มีชื่อเรียกว่า Semi Steel

       ข้อสรุปที่เป็นแนวทางเพื่อผลิตเหล็กหล่อให้ได้คุณภาพสูงก์คือ จะต้องควบคุมส่วนผสมของเหล็กหล่อร่วมกับความหนา ให้ได้โครงสร้าง พื้นฐานเป็นเพิรไลท์ และจะต้องทำการอินนอคคูเลทเพื่อให้ได้กร๊าฟไฟต์เป็นประเภท A และเป็นขนาดเล็กเท่าที่จะทำได้
      มีเหล็กหล่อสีเทาที่จัดอยู่ในประเภทคุณภาพสูงที่รู้จักกันโดยชื่อทางการค้าว่า Meehanite เป็นเหล็กที่มีความต้านทานแรงดึงสูงกว่า เหล็กหล่อสีเทาทั่วไป จัดเป็นเหล็กที่มีโครงสร้างพื้นฐานเป็นเพิรไลท์ และมีกร๊าฟไฟต์ชนิด A ที่ละเอียดมาก เหล็กชนิดนี้จะมีส่วนผสมและความหนาเมื่อเย็นตัวจะได้โครงสร้างที่เป็นเหล็กหล่อสีขาว หรือ Mottled จะหลอมที่อุณหภูมิประมาณ 1400 องศา - 1500 องศา จากนี้จะทำอินนอคคูเลทด้วยแคลเซียมซิลิไลด์ก่อนเทลงแบบหล่อ เหล็กจะเย็นตัวค่อนข้างเร็วภายในแบบหล่อ ทำให้ได้กร๊าฟไฟต์ที่ละเอียดและมีการกระจัดกระจายที่สม่ำเสมอ

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