   |
|
เหล็กกล้าผสม (Alloy steels). |
|
||||||
| คำนำ เหล็กกล้าผสมคือ เหล็กที่ผสมธาตุต่าง ๆ นอกเหนือไปจากธาตุคาร์บอนและธาตุบางตัวที่ติดมาเนื่องจากกรรมวิธีการถลุง (Mn, Si, S |
||
| และ P) การผสมธาตุต่าง ๆ ลงไปในเหล็กก็เพื่อเป็นการปรับปรุงคุณสมบัติหลาย ๆ ประการที่เหล็กคาร์บอนให้คุณสมบัติเหล่านั้นอยู่ในเกณฑ์ที่ต่ำ ไม่สามารถใช้งานได้ดี ถึงแม้ว่าการผสมธาตุต่าง ๆ ลงไปในเหล็กจะทำให้เหล็กมีราคาสูงขึ้นก็ตาม ความมุ่งหมายของการผสมธาตุดังกล่าวมีหลายประการคือ | ||
| 1. เพิ่มคุณสมบัติด้านชุบแข็ง
2. ปรับปรุงความแข็งแรงที่อุณหภูมิปกติ 3. เพิ่มคุณสมบัติต้านทานการสึกหรออันเนื่องมาจากการเสียดสีขณะใช้งาน 4. เพิ่มความเหนียวทนต่อการกระแทก 5. เพิ่มคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อน และ 6. ปรับปรุงคุณสมบัติต้านแม่เหล็ก |
||
| ธาตุที่ผสมในเหล็กมีมากมายหลายธาตุ ซึ่งแต่ละธาตุจะให้ผลต่อเหล็กแตกต่างกัน ในการศึกษาบทบาทของธาตุเหล่านี้ สามารถ แยก | ||
| ออกเป็นกลุ่มเพื่อความสะดวก ดังเช่น กลุ่มเพื่อเสถียรภาพของออสเตนไนท์, กลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์, กลุ่มรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ และกลุ่มรวมตัวกับไนโตรเจนให้ไนตรายด์ ธาตุบางอาจจะให้บทบาทอยู่ได้หลายกลุ่ม | ||
| กลุ่มเพิ่มเสถียรภาพออสเตนไนท์ ได้แก่ ธาตุนิเกิล, แมงกานีส และคาร์บอน จัดเป็นธาตุที่สำคัญในกลุ่มนี้ เมื่อผสมอยู่ในเหล็กจะมีบทบาท | ||
| ขยายอาณาเขตของออสเตนไนท์ (ดูจาก Phase equilibrium diagram) โดยลดอุณหภูมิของเส้น A3 ให้ต่ำลง และเพิ่มอุณหภูมิของเส้น A4 ให้สูงขึ้น เมื่อปริมาณของธาตุเหล่านี้เพิ่มมากขึ้น เหล็กผสมจะมีโครงสร้างออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิปกติ ถ้าปริมาณของธาตุที่ผสมมีมากพอธาตุในกลุ่มนี้จะมีระบบผลึกเป็น Face centered cubic ซึ่งละลายได้ดีในออสเตนไนท์ | ||
| กลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ ธาตุที่สำคัญได้แก่ โครเมียม, ซิลิกอน, โมลิบดินัม, ทังสเตน และอะลูมิเนียม บทบาทของธาตุในกลุ่ม นี้จะ | ||
| ลดอุณหภูมิของเส้น A4 แต่จะเพิ่มอุณหภูมิของเส้น A3 ให้สูงขึ้น ทำให้อาณาเขตของเฟอร์ไรท์กว้างขึ้นไปทางด้านอุณหภูมิสูง ธาตุในกลุ่มนี้จะมีระบบผลึกเป็น Body centered cubic ซึ่งละลายได้ดีในเฟอร์ไรท์ | ||
| กลุ่มรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ ได้แก่ ธาตุโครเมียม, ทังสเตน, โมลิบดินัม, วาเนเดียม และนิโอเบียม ซึ่งธาตุหลายธาตุที่อยู่ใน กลุ่ม | ||
| เพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ ธาตุดังกล่าวเมื่อผสมในเหล็กที่มีคาร์บอนจะเกิดการรวมตัวให้คาร์ไบด์ในลักษณะต่าง ๆ ซึ่งทำให้คุณสมบัติของเหล็กแตกต่างออกไป จะกล่าวถึงรายละเอียดภายหลัง | ||
| กลุ่มรวมตัวกับไนโตรเจนให้ไนตรอยด์ ธาตุที่สำคัญได้แก่ อลูมิเนียม, ไทเทเนียม และโครเมียม นอกจากธาตุทั้งสามแล้ว ธาตุทุกตัวที่อยู่ | ||
| ในกลุ่มรวมตัวกับคาร์บอน สามารถรวมตัวกับไนโตรเจนให้ไนตรายด์ได้ แต่ให้ผลทางด้านความแข็งไม่อยู่ในเกณฑ์สูง | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS1
แสดงบทบาทของธาตุผสมที่มีต่อโครงสร้างออสเตนไนท์และเฟอร์ไรท์. |
| สถานภาพในการผสมของธาตุต่าง ๆ ในเหล็ก (Distribution of alloying elements in steel) |
| ในเหล็กคาร์บอนทั่ว ๆ ไป เมื่อผสมธาตุต่าง ๆ ดังกล่าวมาแล้ว ธาตุเหล่านี้จะอยู่ในโครงสร้างของเหล็กได้ 5 ลักษณะด้วยกันคือ |
| 1. ละลายในลักษณะสารละลายสภาพของแข็ง
(Solid Solution) 2. รวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ 3. รวมตัวกับออกซิเจนหรือกำมะถันในเหล็ก ให้ออกไซต์และกระจัดกระจายอยู่ในรูปสารมลทิน (Inclusion) 4. รวมตัวกันระหว่างธาตุที่ผสมในเหล็กได้ Intermetallic compound 5. แยกตัวอยู่ในลักษณะโลหะบริสุทธิ์ เมื่อปริมาณเกินกว่าจุดละลายอิ่มตัว |
| ธาตุแต่ละตัวอาจจะให้ลักษณะของการผสมอยู่ร่วมในโครงสร้างได้หลายลักษณะ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะของธาตุแต่ละธาตุ ดังตัวอย่าง | ||
| เช่น แมงกานีส สามารถละลายได้ดีในเหล็กเฟอร์ไรท์ และส่วนที่เหลืออาจรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ และอาจจะรวมตัวกับออกซิเจน หรือกำมะถัน อยู่ในรูปของอินคลัสชั่น ดังปรากฏในตาราง STEEL-ALLOY-1 ข้างล่างนี้ | ||
|
ตาราง
STEEL-ALLOY-1
แสดงสถานภาพของธาตุผสมในเหล็กกล้า |
 |
| จากตารางจะสังเกตเห็นภาพแสดงธาตุขนาดของหัวลูกศรที่ต่างกัน เป็นการชี้บอกถึงปริมาณที่ธาตุต่าง ๆ ผสมอยู่ในเหล็กในลักษณะใดมาก | ||
| ดังเช่น ธาตุโคลัมเนียม จะปรากฏหัวลูกศรที่ชี้ไปทางช่องรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์มีขนาดโต แสดงว่าธาตุโคลัมเบียมเมื่อผสมในเหล็กจะอยู่ในลักษณะคาร์บอนได้มากกว่าละลายในเหล็กเฟอร์ไรท์ ตรงกันข้ามกับแมงกานีสจะละลายได้มากในเฟอร์ไรท์ แต่รวมตัวกับคาร์ไบด์น้อยกว่า นอกจากธาตุสองธาตุดังกล่าวแล้าธาตุอื่นจะละลายได้ในเฟอร์ไรท์และรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ได้ในปริมาณใกล้เคียงกัน | ||
| มีธาตุทองแดงกับตะกั่วที่สามารถแยกตัวอยู่ในลักษณะโลหะบริสุทธิ์เมื่อผสมในเหล็กเกินปริมาณที่จะละลายได้ในเฟอร์ไรท์ |
| ผลของธาตุที่มีต่อเหล็กเฟอร์ไรท์ (Influence of alloying elements on the properties of ferrite) |
| ธาตุผสมส่วนใหญ่ะละลายได้ในเหล็กเฟอร์ไรท์ โดยเฉพาะธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ยิ่งละลายได้ดีในเฟอร์ไรท์ ผล | ||
| จากการละลายของธาตุในเหล็กเฟอร์ไรท์จะทำให้มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงกลของเหล็ก เพราะในโครงสร้างของเหล็กส่วนมากจะประกอบด้วยเฟอร์ไรท์ ดังนั้นเมื่อเฟอร์ไรท์มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติ จะทำให้เหล็กโดยส่วนรวมเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติไปด้วย | ||
| การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางด้านความเค้นแรงดึงสูงสุด ปรากฏว่าธาตุทุกตัวมีบทบาทเพิ่มค่าความเค้นแรงดึงสูงสุด โดยเฉพาะ | ||
| แมงกานีส กับซิลิกอน จะเพิ่มค่าความเค้นแรงดึงสูงสุดได้มาก เมื่อเปรียบเทียบกับธาตุอื่น ๆ ดังเช่น นิเกิล, โมลิบดินัม และทังสเตน สำหรับโครเมียมนั้นมีอัตราการเปลี่ยนแปลงความเค้นแรงดึงน้อย ดังภาพแสดง เมื่อพิจารณาคุณสมบัติทางด้านความเหนียวปรากฏว่าค่า % elongation ลดลงน้อย ยกเว้นเฉพาะแมงกานีสกับซิลิกอนที่มีผลต่อค่า % elongation สูงกว่าธาตุอื่น ๆ | ||
| ในด้านความแข็งปรากฏว่าธาตุทุกตัวมีส่วนเพิ่มความแข็งให้กับเฟอร์ไรท์ โดยเฉพาะซิลิกอน และแมงกานีส มีบทบาทในด้าน ความ | ||
| แข็งในอัตราสูง และตามด้วยนิเกิล, โมลิบดินัม, วาเนเดียม, ทังสเตน โดยมีโครเมียมอยู่ในอันดับสุดท้าย เช่นเดียวกับบทบาทด้านความเค้นแรงดึงสูงสุด สิ่งที่น่าสนใจประการสุดท้ายก็คือ คุณสมบัติต่อแรงกระแทก (Impact strength) ปรากฏว่าธาตุส่วนใหญ่จะลดคุณสมบัติทนต่อแรงกระแทกเมื่อผสมเกินกว่า 1% ยกเว้นนิเกิลจะไม่ลดคุณสมบัตินี้จนถึงปริมาณที่ผสมสูงถึง 6% ในช่วงอัตราการผสมไม่เกิน 6% นิเกิลมีแนวโน้มเพิ่มคุณสมบัติทนแรงกระแทก | ||
| สำหรับโครเมียมกับซิลิกอนจะเพิ่มคุณสมบัติทนแรงกระแทกเมื่อผสมไม่เกิน 1% หลังจากเมื่อปริมาณที่ผสมสูงกว่า 1% จะกลับลด | ||
| คุณสมบัตินี้อย่างมากโดยเฉพาะซิลิกอน ดูรูปที่ STEEL-AS2 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS2
แสดงบทบาทของธาตุผสมที่มีต่อโครงสร้างเฟอร์ไรท์. |
| ผลของธาตุผสมที่มีต่อออสเตนไนท์ (Influence of alloying elements in forming Austenite) |
| ออสเตนไนท์เป็นโครงสร้างที่มีความสำคัญในเรื่องการอบชุบ เพราะคุณสมบัติของเหล็กภายหลัง การอบชุบจะขึ้นอยู่กับคุณลักษณะ | ||
| ของออสเตนไนท์ ดังเช่น การผสมธาตุต่าง ๆ ในเหล็กจะพบว่ามีผลต่อออสเตนไนท์หลายประการดังเช่น ทำให้อาณาเขตของออสเตนไนท์แคบลง จุดยูเต็คตอยด์และอุณหภูมิของยูเต็คตอยด์เปลี่ยนแปลง เป็นต้น เหตุผลที่เห็นได้ชัดก็คือ เมื่อผสมธาตุต่าง ๆ ในเหล็ก อะตอมของธาตุจะไปละลายหรือไปแทรกตามที่ว่างที่มีอยู่ใน Space Lattice ของอะตอมของเหล็ก ทำให้ที่ว่างสำหรับคาร์บอนน้อยลง เป็นเหตุหนึ่งที่ไปจำกัดอาณาเขตของออสเตนไนท์ให้แคบลง จุดที่ให้อัตราการละลายของคาร์บอนสูงสุด (maximum solubility) จะลดลงโดยลำดับเมื่อปริมาณของธาตุที่ผสมในเหล็กเพิ่มมากขึ้น นอกจากนี้แล้วปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์จะเปลี่ยนแปลงตามปริมาณของธาตุที่เพิ่มขึ้นเช่นเดียวกัน | ||
| ผลของนิเกิลและแมงกานีสที่มีต่อออสเตนไนท์ |
| นิเกิลและแมงกานีสเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพออสเตนไนท์ แต่แมงกานีสแตกต่างกับนิเกิลตรงที่แมงกานีสสามารถรวม กับ | ||
| คาร์บอนให้แมงกานีสคาร์ไบด์ได้ แต่ทั้งนิเกิลและแมงกานีสมีผลต่อออสเตนไนท์คล้ายคลึงกัน กล่าวคือ ทั้งนิเกิลและแมงกานีสมีผลต่อออสเตนไนท์โดยลดอุณหภูมิของจุดยูเต็คตอยด์และลดปริมาณของคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ให้น้อยลง เมื่อปริมาณของนิเกิลและแมงกานีสเพิ่มขึ้น แต่ทั้งนิเกิลและแมงกานีสไม่เปลี่ยนแปลงอาณาเขตของออสเตนไนท์มากนัก ดูรูปที่ STEEL-AS3 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS3
แสดงผลของธาตุแมงกานิสที่มีต่อโครงสร้างออสเตนไนท์. |
| จากภาพแสดง จะพบว่าในเหล็กคาร์บอนจะมีแมงกานีสประมาณ 0.35% จุดยูเต็คตอยด์จะอยู่ที่อุณหภูมิ 723 ๐C และคาร์บอน | ||
| ประมาณ 0.8% เมื่อผสมแมงกานีสสูงถึง 9% จะปรากฏว่าอุณหภูมิยูเต็คตอยด์จะลดต่ำลงมาอยู่ที่อุณหภูมิ 650 ๐C และปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์จะเหลือเพียง 0.33% | ||
| ผลของโครเมียมที่มีต่อออสเตนไนท์ |
| โครเมียมเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ และรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ได้ดี เมื่อผสมโครเมียมในเหล็กจะมีผลต่อ | ||
| ออสเตนไนท์มาก จะทำให้อาณาเขตของออสเตนไนท์แคบลง โดยโครเมียมจะมีบทบาทลดอุณหภูมิของจุดยูเต็คตอยด์, ลดปริมาณของคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ และจุดที่คาร์บอนละลายสูงสุดในเหล็กจะลดลงด้วย ในขณะเดียวกันเส้นแบ่งอาณาเขตของออสเตนไนท์กับเหล็กหลอมเหลว (A4) ก็จะลดต่ำลง ดูรูปที่ STEEL-AS4 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS4
แสดงบทบาทของธาตุโครเมียมที่มีต่อโครงสร้างออสเตนไนท์. |
| จากภาพแสดง จะพบว่าเมื่อผสมโครเมียมในเหล็ก 12% อาณาเขตของออสเตนไนท์จะเกือบถูกปิดสนิท และเมื่อเพิ่มปริมาณ ของ | ||
| โครเมียมเป็น 19% อาณาเขตของออสเตนไนท์ก็จะเหลืออยู่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น | ||
| ผลของโมลิบดินัมที่มีผลต่อออสเตนไนท์
โมลิบดินัมเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ และรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ได้ดีเช่นเดียวกับโครเมียม ดังนั้น จึงให้ผล |
||
| ต่อออสเตนไนท์คล้ายคลึงกับโครเมียม คือมีบทบาทลดอาณาเขตของออสเตนไนท์ โดยเปลี่ยนแปลงจุดยูเต็คตอยด์ และเส้น A4 สามารถปิดอาณาเขตของออสเตนไนท์ที่ปริมาณโมลิดินัม 2% โดยลดปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ลงมาเหลือเพียง 0.2% และจุดละลายสูงสุดของคาร์บอนในออสเตนไนท์จะเหลือเพียง 1.2% อุณหภูมิยูเต็คตอยด์เพิ่มขึ้นเป็น 850๐C เมื่อปริมาณของโมลิบดินัมในเหล็กเป็น 7% อาณาเขตของออสเตนไนท์จะเหลืออยู่ในสภาพที่เกือบเป็นจุด ดูรูปที่ STEEL-AS5 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS5
แสดงบทบาทของธาตุโมลิบดินัมที่มีต่อโครงสร้างออสเตนไนท์. |
| ผลของไทเทเนียมและวาเนเดียมที่มีต่อออสเตนไนท์
ทั้งไทเทเนียมและวาเนเดียมเป็นธาตุที่สามารถรวมกับคาร์บอนได้ดี และให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพ ดังนั้น เมื่อผสมในเหล็กจะมีบทบาท |
||
| ต่อออสเตนไนท์รุนแรงมากกว่าโครเมียมและโมลิบดินัม กล่าวคือ ผสมเพียงปริมาณน้อยก็จะให้ผลเท่ากับโครเมียมและโมลิบดินัมเมื่อผสมปริมาณสูง ดังจะเห็นภาพแสดงผลของไทเทเนียมที่มีต่อออสเตนไนท์ เพียงปริมาณของไทเทเนียม 0.7% สามารถปิดอาณาเขตออสเตนไนท์ และเมื่อผสมไทเทเนียม 1% อาณาเขตของออสเตนไนท์จะเหลืออยู่ในลักษณะที่เป็นจุดแสดงว่าที่ 1% ไทเทเนียม คาร์บอนเกือบละลายไม่ได้เลยในออสเตนไนท์ แต่คาร์บอนจะอยู่ในรูปของไทเทเนียมคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัว (Non dissolved) ดูรูปที่ STEEL-AS6 ซึ่งจะมีผลต่อคุณสมบัติเหล็ก ในขณะชุบมาก | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS6
แสดงบทบาทของธาตุไทเทเนี่ยมที่มีต่อออสเตนไนท์. |
| บทบาทของซิลิกอนที่มีผลต่อออสเตนไนท์
ซิลิกอนเป็นธาตุในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพให้กับออสเตนไนท์เช่นเดียวกับโครเมียมและโมลิบดินัม แต่ซิลิกอนแตกต่างกับโครเมียมและ |
||
| โมลิบดินัมตรงที่ซิลิกอนไม่สามารถรวมกับคาร์ไบด์ได้
ดังนั้น ผลของซิลิกอนที่มีต่อออสเตนไนท์จึงอยู่ในเกณฑ์ปานกลาง ดังจะเห็นได้จาก รูปที่ STEEL-AS7 |
||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS7
แสดงบทบาทของธาตุซิลิกอนที่มีต่อออสเตนไนท์. |
| อาณาเขตของออสเตนไนท์จะถูกปิดเมื่อมีซิลิกอนผสมในเหล็ก 4% โดยมีจุดยูเต็คตอยด์ที่อุณหภูมิ 850๐C , 0.42% C จุดละลายสูงสุดของคาร์บอนอยู่ที่ 1.32% C เมื่อผสมซิลิกอนในเหล็กสูงถึง 8% อาณาเขตของออสเตนไนท์จะเหลืออยู่เพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซิลิกอนเป็นธาตุที่ไม่รวมกับคาร์บอน และยังแย่งที่ของคาร์บอนในเหล็ก ทำให้คาร์บอนที่เหลือจะจับตัวรวมกันเกิดกร๊าฟไฟ์ในเหล็ก อันเป็นส่วนทำให้คุณสมบัติของเหล็กเปลี่ยนแปลงได้มาก ดังนั้นในเหล็กที่มีซิลิกอนปริมาณสูงจะต้องลดคาร์บอนในเหล็กให้น้อยลง | ||
| ข้อสรุปบทบาทของธาตุที่มีผลต่อจุดยูเต็คตอยด์
ในกรณีนี้พิจารณาได้เป็น 2 ประการคือ อุณหภูมิยูเต็คตอยด์กับปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ จากผลการทดลองพบว่าธาตุ |
||
| ในกลุ่มเสถียรภาพออสเตนไนท์ซึ่งได้แก่ นิเกิลและแมงกานีส มีบทบาทลดอุณหภูมิของจุดยูเต็คตอยด์ในอัตราไล่เลี่ยกัน ส่วนธาตุที่อยู่ในกลุ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ซึ่งได้แก่ โครเมียม, โมลิบดินัม, ทังสเตน, ไทเทเนียม และซิลิกอน มีบทบาทเพิ่มอุณหภูมิของจุดยูเต็คตอยด์ โดยมีไทเทเนียมอยู่อันดับแรก รองลงไปเป็นโมลิบดินัม, ซิลิกอน ทังสเตน โดยมีโครเมียมอยู่อันดับสุดท้าย ดังรูปที่ STEEL-AS8 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS8
แสดงผลของธาตุต่างๆ ที่มีอุณหภูมิและปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์. |
| เมื่อพิจารณาปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ ธาตุทุกตัวมีบทบาทลดปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ โดยมีไทเทเนียมให้ผลรุนแรง | ||
| เป็นอันดับแรก ตามด้วยโมลิบดินัม, ทังสเตน ซิลิกอน โดยมีนิเกิล, แมงกานีส และโครเมียมอยู่ในกลุ่มให้ผลต่อปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์เป็นอันดับสุดท้าย ดังปรากฏในรูปที่ STEEL-AS8 | ||
| หมายเหตุ
จากเอกสารอ้างอิงไม่กล่าวถึงวาเนเดียมในเรื่องนี้ ถ้าจะพิจารณากันตามหลักความเป็นจริงแล้ว วาเนเดียมน่าจะมีผลอยู่อันดับรองจาก |
||
| ไทเทเนียม สำหรับธาตุนิโอเบียมหรือโคลัมเบียม ก็เช่นกัน ไม่ปรากฏผลในเอกสารอ้างอิงเช่นเดียวกัน พิจารณาตามหลักความเป็นจริงนิโอเบียมน่าจะมีผลในเรื่องนี้ใกล้เคียงกับไทเทเนียม | ||
| บทบาทของธาตุผสมทีมีต่อการฟอร์มคาร์ไบด์ ตามที่ได้กล่าวมาแล้วธาตุผสมที่จัดอยู่ในกลุ่มรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์จะมีอยู่หลายธาตุ ซึ่งแต่ละธาตุจะสามารถรวมกับคาร์บอน | ||
| ได้ยากหรือง่ายขึ้นอยู่กับคุณสมบัติเฉพาะที่จะรวมกับคาร์บอน (Affinity) การจัดอันดับจะเป็นดังนี้ Mn, Cr, W Mo, V, Ti, Nb และ Ta สำหรับ Zr นั้นยังมีปัญหา เพราะจากเอกสารอ้างอิงบางฉบับไม่กล่าวถึง บางฉบับกล่าวถึงในลักษณะที่สามารถรวมกับคาร์บอนได้ดีมาก | ||
| ข้อสังเกตประการหนึ่งคือ ธาตุที่รวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ทุกตัวจะเป็นธาตุอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพให้กับเฟอร์ไรท์ ยกเว้นแมงกานีส | ||
| เป็นธาตุอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพให้ออสเตนไนท์ | ||
| วิธีการจัดกลุ่มของธาตุที่สัมพันธ์กับการฟอร์มคาร์ไบด์อีกวิธีหนึ่งโดยการเปรียบเทียบปริมาณของธาตุที่รวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ | ||
| กับปริมาณของธาตุที่ละลายในเฟอร์ไรท์ เรียกว่าสัมประสิทธิ์การแบ่งส่วน (Partition coefficient) | ||
| กลุ่มที่ 1 ได้แก่ ธาตุ Si, Ai, Ni, Cu และ Co ซึ่งเป็นกลุ่มที่ไม่สามารถรวมตัวกับคาร์บอนได้ กลุ่มนี้จะค่าสัมประสิทธิ์การแบ่งส่วน | ||
| มีค่าน้อยมาก หรืออาจกล่าวได้ว่าค่าสัมประสิทธิ์การแบ่งส่วนเป็นศูนย์ | ||
| กลุ่มที่ 2 ได้แก่ธาตุ Mn, Cr, W, Mo เป็นกลุ่มที่สามารถรวมกับคาร์บอนและละลายได้ในเฟอร์ไรท์ กลุ่มนี้มีค่าสัมประสิทธิ์การแบ่ง | ||
| ส่วน มีค่าประมาณ 1 | ||
| กลุ่มที่ 3 ได้แก่ธาตุ V, Ti, Nb และ Ta เป็นกลุ่มที่รวมตัวกับคาร์บอนได้มากกว่าละลายในเฟอร์ไรท์ ดังนั้นกลุ่มนี้ค่าสัมประสิทธิ์ | ||
| การแบ่งส่วนจะมีค่ามากกว่า 1 | ||
| มีข้อยกเว้นสำหรับแมงกานีส เฉพาะกับเหล็กที่มีแมงกานีสสูง 10% คาร์บอน 1% จะปรากฏว่าค่าสัมประสิทธิ์การแบ่งส่วน ของ | ||
| แมงกานีสจะสูงถึง 2 - 5 ซึ่งควรจะอยู่ในกลุ่มที่ 3 | ||
| การแบ่งประเภทของคาร์ไบด์
อาศัยลักษณะการฟอร์มคาร์ไบด์ และเสถียรภาพของคาร์ไบด์ เราสามารถแบ่งประเภทของคาร์ไบด์ได้เป็น 2 ประเภทคือ |
| 1. คาร์ไบด์ชนิด complex หรือ Double คือลักษณะของคาร์ไบด์ที่เกิดจาการแทรกตัวของธาตุผสมในซีเมนต์ไตต์ (Fe3 C) กล่าวคือ | ||
| จะมีธาตุผสมเข้าไปแทนที่เหล็กในซีเมนต์ไตต์มีสูตรเป็น (Fe, M)3 C ในที่นี้ M คือธาตุผสม ดังตัวอย่างเช่น (Fe, Mn)3 C, (Fe, Mo)3 C หรือ (Fe, Cr)3 C สำหรับ Ti และ Nb ไม่สามารถแทนที่เหล็กหรือละลายได้ในซีเมนต์ไตต์ | ||
| มีข้อยกเว้นสำหรับแมงกานีสในกรณีของแมงกานีสอาจจะแทนที่เหล็กในซีเมนต์ไตต์ได้หมด ให้สูตร Mn3C ถ้ามี Mn ปริมาณมาก |
| 2. คาร์ไบด์ชนิดพิเศษ (special) เมื่อปริมาณของธาตุผสมในเหล็กและคาร์บอนมีปริมาณมากพอหรือธาตุที่ผสมในเหล็กมี affinity | ||
| กับคาร์บอนสูง ดังเช่นธาตุ Ti และ Nb โอกาสธาตุจะรวมกับคาร์บอนโดยตรง และให้คาร์ไบด์ในฟอร์ม TiC, NbC หรือ Cr7C3 ในบางกรณีอาจจะมีเหล็กเข้ามาแทรกหรือละลายอยู่ด้วย ก็ได้ ดังตัวอย่างเช่น (Cr, Fe)7 C3 ,(Mo, Fe)6 C และ (W, Fe)6 C เป็นต้น | ||
| คาร์ไบด์ชนิดพิเศษนี้จะเกิดได้ยากกว่าชนิดแรก จะเกิดได้ก็ต่อเมื่อต้องมีธาตุผสมปริมาณสูง หรือไม่จะรวมกับคาร์ไบด์ให้คาร์ไบด์ | ||
| ให้คาร์ไบด์ชนิดพิเศษจะต้องเป็นธาตุที่มี affinity สูงกับคาร์บอน คาร์ไบด์ชนิดนี้จะมีเสถียรภาพสูง คือสลายตัวหรือละลายได้น้อยในออสเตนไนท์ การเกาะกลุ่มขยายตัวได้ช้า มีการกระจัดกระจายดี นับว่าเป็นส่วนหนึ่งที่จะช่วยป้องกันการขยายตัวของเกรนออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิสูง ผลของธาตุผสมที่มีต่อการรวมตัวกับคาร์บอน แต่ละธาตุมีผลดังต่อไปนี้ | ||
| โครเมียม สามารถรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ไดทั้งสองลักษณะขึ้นอยู่กับปริมาณของคาร์บอนและโครเมียม พบว่าถ้า มีโครเมียมไม่เกิน | ||
| 15% จะได้โครเมียมคาร์ไบด์ในแบบ complex ให้สูตร (Fe Cr)3 C มีระบบผลึกเป็นแบบ Orthorhombic | ||
| เมื่อปริมาณโครเมียมสูงถึง 36 จะได้โครเมียมคาร์ไบด์ชนิดพิเศษอีกแบบหนึ่งคือ (Cr Fe)7 C3 มีระบบผลึกเป็นระบบ Hexahonal |
| ถ้าโครเมียมมีปริมาณสูงกว่า 36% ถึง 70% จะให้โครเมียมคาร์ไบด์แบบพิเศษ ซึ่งมีสูตร (Cr Fe)4 C หรือ (Cr Fe)23 C6 ซึ่งเป็น | ||
| คาร์ไบด์ที่ความแข็งสูง และเปราะมาก มีระบบผลึกเป็นแบบ Cubic | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS9
แสดงลักษณะของแผนภูมิ Constitution สำหรับเหล็ก-คาร์บอน-โครเมี่ยม. |
| จากรูปที่ STEEL-AS9 แสดงเป็นแผนภาพที่ตัดมาจากภาพ Ternary system (Fe-Cr C) เพื่อแสดงให้เห็นการเกิด ลักษณะ | ||
| ของคาร์ไบด์ ตามปริมาณของคาร์บอนและโครเมียมในสภาพอบอ่อนตัว (annealed) | ||
| โมลิบดินั่ม จะให้คาร์บอนได้ทั้งแบบคอมเพล็กซ์และแบบพิเศษ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับปริมาณของโมลิบดินั่มและคาร์บอนในเหล็ก ถ้าปริมาณ | ||
| โมลิบดินั่มต่ำไม่เกิด 2% จะให้คาร์บอนชนิดคอมเพล็กซ์ในรูป (Fe Mo)3 C มีปริมาณโมลิบดินั่มสูงกว่า 2% จะให้คาร์ไบด์แบบพิเศษ 2 แบบคือ (Mo.Fe)6 C และ MoC และเมื่อปริมาณของโมลิบดินั่มสูงมากขึ้นและปริมาณคาร์บอนต่ำโมลิบดินั่มจะรวมกับเหล็กให้อินเตอร์เมตตัลลิคคอม ปานด์ ในสูตร Fe3 Mo2 ดังรูปที่ STEEL-AS10 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS10
แสดงแผนภูมิ Constitution สำหรับเหล็ก-คาร์บอน-โมลิบดินั่ม. |
| ทังสเตน มีบทบาทในการรวมตัวกับคาร์บอนคล้ายคลึงกับโมลิบดินั่ม ให้คาร์ไบด์ชนิดคอมเพล็กซ์ เมื่อมีปริมาณทังสเตนน้อย และจะ | ||
| ให้คาร์ไบด์พิเศษเมื่อมีปริมาณทังสเตนมาก คาร์ไบด์พิเศษจะอยู่ในรูป (Fe W) C หรือบางที่ให้สูตร Fe7 W5 C2 ซึ่งมักจะพบในเหล็กทำเครื่องมือตัดชนิดความเร็วสูง (High speed steel) จากแผนภาพจะแสดงให้เห็นถึงลักษณะการเกิดทังสเตนคาร์ไบด์ ซึ่งสัมพันธ์กันระหว่างคาร์บอนและทังสเตน และจะเห็นได้จากรูปที่ STEEL-AS11 เมื่อปริมาณทังสเตนมีมากและคาร์บอนมีน้อย เหล็กจะรวมกับทังสเตนให้ Fe3 W2 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS11
แสดงแผนภูมิ Constitution สำหรับเหล็ก-คาร์บอน-ทังสเตน. |
| วาเนเดียม จะให้คาร์ไบด์ชนิดคอมเพล็กซ์ (Fe V)3 C ที่ปริมาณวาเนเดียมต่ำไม่เกิน 0.5% เมื่อปริมาณวาเนเดียมสูงกว่านี้จะให้ | ||
| คาร์ไบด์ ชนิดพิเศษ (V.Fe)4 C3 ซึ่งเป็นคาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง และมีการกระจัดกระจาย จะมีผลในการป้องกันการขยายตัวของเกรนออสเตนไนท์ที่อุณหภูมิสูงในขณะทำการอบชุบเหล็กจากแผ่นภาพ เหล็ก - วาเนเดียม-คาร์บอน ที่แสดงยังไม่สมบูรณ์เพราะไม่ปรากฏ Fe V เนื่องจากภาพที่แสดงตัดเฉพาะส่วนที่วาเนเดียมมีปริมาณไม่เกิน 10% ดังรูปที่STEEL-AS12 | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS12
แสดงแผนภูมิ Constitution สำหรับเหล็ก-คาร์บอน-วาเนเดียม. |
| แมงกานีส เป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพออสเตนไนท์ และสามารถรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ ซึ่งต่างกับธาตุอื่น ๆ แมงกานีส | ||
| รวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ชนิดคอมเพล็กซ์ (Fe Mn)3 C เพียงชนิดเดียว และถ้าแมงกานีสมีปริมาณมากอาจจะแทนที่เหล็กในซีเมนต์ไตต์ได้หมด ให้คาร์ไบด์ที่มีสูตรเป็น Mn3C ซึ่งจะมีการรวมตัวและขยายตัวได้ที่อุณหภูมิสูง จึงไม่มีผลทางด้านการป้องกันการขยายตัวของเกรนออสเตนไนท์เลย ดังเช่นเหล็กออสเตนนิติค แมงกานีส หรือ ฮาดฟิลด์ | ||
| ข้อสังเกตบางประการเกี่ยวกับฟอร์มของคาร์ไบด์และการกระจัดกระจาย คาร์ไบด์ที่เกิดจากธาตุผสมจะให้ผลต่อคุณสมบัติของเหล็กเช่นเดียวกับซีเมตต์ไตต์นั่นคือปริมาณ รูปร่างความละเอียด และลักษณะ | ||
| กระจัดกระจายของคาร์ไบด์ภายในโครงสร้างพื้นฐาน (matrix) จะบทบาทในการแปรค่าทั้งความแข็งแรง, คุณสมบัติอ่อนตัว และความหนาทนทานต่อการเสียดสี ดังข้อสรุปต่อไปนี้ | ||
| 1. ผลึกคาร์ไบด์ที่มีขนาดโตจะมีผลต่อความแข็งแรงน้อยกว่าผลึกคาร์ได์ที่มีขนาดเล็ก |
| 2. ในกรณีที่ความละเอียดของคาร์ไบด์ใกล้เคียงกันลักษณะของผลึกคาร์ไบด์ที่เป็นแถบบาง ๆ (lamellar) จะมีผลต่อความแข็งแรง, แต่คุณสมบัติความอ่อนตัว (Ductility) จะลดลด ตรงกันข้ามผลึกคาร์ไบด์ที่มีลักษณะกลม (spheroidal) จะให้ผลดีต่อความแข็งแรงโดยไม่ทำให้ความอ่อนตัวลดลง |
| 3. ผลึกของคาร์ไบด์ที่เกิดอยู่ตามขอบของเกรน
(grain boundary) จะมีผลทำให้เหล็กเปราะแตกง่ายเมื่อถูกแรงกระแทก 4. ผลึกของคาร์ไบด์ไม่ว่าจะเป็นประเภทใดจะให้ผลทางด้านทนต่อการสึกหรอที่เกิดจากการเสียดสี (abrasion resistance) |
| บทบาทของธาตุที่มีผลต่อการชุบแข็ง
ในการชุบแข็งเหล็กผสมมีสิ่งสำคัญที่จะต้องพิจารณาสองประการดังนี้คือ 1. ความแข็งภายหลังการชุบแข็ง ผลจากการทดลองวัดความแข็งภายหลังการชุบแข็งเหล็ก 0.02% C 10% Cr ได้ความแข็ง 35 HRC |
||
| แต่เหล็ก 0.35% C ไม่ผสมโครเมียม ภายหลังการชุบแข็งได้ชุบแข็ง 50 HRC จะเห็นได้ชัดว่าธาตุที่ผสมในเหล็กไม่มีบทบาทมากนักในการเพิ่มความแข็งให้กับมาร์เทนไซต์ ธาตุคาร์บอนจะให้ผลต่อความแข็งของมาร์เทนไซต์เด่นชัดกว่าธาตุผสม ทั้งนี้เพราะคาร์บอนจะก่อให้เกิดการบิดเบี้ยวของกลุ่มอะตอม (Lattice deformation) ได้ดีกว่าธาตุผสม | ||
| ธาตุผสมที่อยู่ในประเภทรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ จะมีผลต่อความแข็งอยู่บ้างก็เฉพาะที่เกิดคาร์ไบด์และไม่สลายตัวในขณะที่เผา | ||
| ที่อุณหภูมิสูง (Non dissolved) เมื่อกระจัดกระจายอยู่ในโครงสร้างของมาร์เทนไซต์จะมีบทบาททางด้านความต้านทานต่อการเสียดสีในขณะใช้งาน (wear resistance) ทำให้การสึกหรอน้อยลง แต่คาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวนี้จะไปมีผลต่อความสามารถในการชุบแข็ง ซึ่งจะกล่าวถึงในตอนต่อไป ธาตุที่สำคัญได้แก่ ทังสเตน, วาเนเดียม และโมลิบดินั่ม ซึ่งคาร์ไบด์ของธาตุเหล่านี้มีเสถียรภาพสูงในการชุบแข็งเหล็กที่มีธาตุเหล่านี้ผสมจะตัองเผาที่อุณหภูมิสูงถึงประมาณ 1200 ๐C - 1300 ๐C จีงจะสลายตัว | ||
| 2. ความสามารถในการชุบแข็ง (Hardenability) จากที่เคยกล่าวมาแล้ว ความสามารถในการชุบแช็งของเหล็กขึ้นอยู่กับแฟคเตอร์ | ||
| ที่สำคัญคือ | ||
| 2.1 เกรนของออสเตนไนท์ เหล็กจะมีความสามารถในการชุบแข็งสูงควรจะมีออสเตนไนท์เกรนโต เพราะบริเวณรอบเกรนของ | ||
| ออสเตนไนท์จะเป็นบริเวณที่ช่วยให้เกิดการเปลี่ยนแปลงจากออสเตนไนท์ไปเป็นซีเมนต์ไตต์และเฟอร์ไรท์ได้ดี เพราะเป็นบริเวณที่มีเสถียรภาพต่ำ กล่าวคือกลุ่มอะตอมจะเรียงตัวกันอย่างไม่เป็นระเบียบ ดังนั้นถ้าออสเตนไนท์มีขนาดเกรนเล็กบริเวณรอบเกรนจะมีมาก ธาตุที่ให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง เช่น วาเนเดียมคาร์ไบด์หรือทังสเตนคาร์ไบด์ จะเป็นตัวป้องกันการขยายตัวของเกรนออสเตนไนท์จีงมีผลต่อความสามารถในการชุบแข็งโดยตรง | ||
| 2.2 พวกคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัว (Non dissolved carbide) เป็นอีกแฟคเตอร์หนึงที่มีผลต่อความสามารถในการชุบแข็ง เพราะพวก | ||
| คาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวนี้จะกระจัดกระจายอยู่ในออสเตนไนท์ และพร้อมจะทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสให้กับการเปลี่ยนแปลงจากออสเตนไนท์ไปเป็นซีเมนต์ไตต์ และเฟอร์ไรท์ ในขณะชุบเหล็กโอกาสที่จะให้มาร์เทนไซต์จะน้อยลงทำให้ความแข็งที่จะได้ภายหลังการชุบแข็งต่ำกว่าที่ควรจะได้ | ||
| นอกจากพวกคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวจะมีผลต่อความสามารถในการชุบแข็งแล้ว พวกสารมลทินที่อยู่ในรูปของซิลิกา (SlO2) และ | ||
| (Al2 O3) ซึ่งจะไม่สลายตัวเช่นเดียวกัน ในช่วงอุณหภูมิออสเตนไนท์จะมีผลต่อความสามารถในการชุบแข็งเช่นเดียวกับพวกคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัว | ||
| 2.3 ความสม่ำเสมอของออสเตนไนท์มีความสำคัญต่อความสามารถในการชุบแข็งเช่นเดียวกัน |
| ในการชุบแข็งเหล็กจะต้องถูกเผาให้ร้อนจนได้โครงสร้างออสเตนไนท์อย่างสม่ำเสมอ ถ้าออสเตนไนท์ขาดความสม่ำเสมอ เป็นต้นว่า | ||
| มีคาร์ไบด์ที้ไม่สลายตัวจับตัวกันอยู่เป็นกลุ่มเป็นก้อนจะทำให้บริเวณใกล้เคียงมีปริมาณของธาตุผสมแตกต่างไปจากบริเวณอื่น ๆ เพราะการเคลื่อนไหวของธาตุผสมโดยทั่วไปจะช้า ยิ่งบริเวณที่มีผลึกของคาร์ไบด์ขนาดโตการเคลื่อนที่ของอะตอมของธาตุจะต้องเคลื่อนเป็นระยะทางไกล ซึ่งจะต้องใช้เวลามากขึ้น ดังนั้น ธาตุผสมในโครงสร้างของออสเตนไนท์จะไม่สม่ำเสมอ และการขยายตัวของเกรนออสเตนไนท์จะไม่เท่ากันตลอด เพราะการขยายตัวของออสเตนไนท์จะเกิดขึ้นเมื่อคาร์ไบด์สลายตัวหมดแล้ว ดังนั้นบริเวณใดที่ไม่มีคาร์ไบด์ เกรนของออสเตนไนท์จะขยายตัวได้เร็วกว่าบริเวณที่มีคาร์ไบด์ จึงเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ขนาดของเกรนออสเตนไนท์ไม่สม่ำเสมอ ซึ่งทำให้มาร์เทนไซต์ที่ได้ภายหลังการชุบแข็งไม่สม่ำเสมอเช่นเดียวกัน ซึ่งจัดเป็นคุณสมบัติที่ไม่ดีของเหล็กชุบแข็ง | ||
| บทบาทของธาตุที่มีต่อการอบคืนตัว
(Tempering) การอบคืนตัวจะกระทำภายหลังการชุบแข็ง ความมุ่งหมายก็คือเพื่อลดความเครียดที่เกิดจากการทำให้เหล็กเย็นตัวอย่างรวดเร็ว |
||
| จากอุณหภูมิออสเตนไนท์จนถึงอุณหภูมิปกติ นอกจากนี้ยังมีส่วนช่วยให้เหล็กมีความเหนียวเพิ่มขึ้น เพราะภายหลังการชุบจะได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ซึ่งมีความแข็งสูงแต่จะเปราะแตกง่ายทำให้เป็นอันตรายในขณะนำไปใช้งาน แต่การอบคืนตัวจะทำให้ความแข็งลดลงมากน้อยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและระยะเวลาของการอบคืนตัว ดังได้กล่าวมาแล้วในเรื่องของการอบคืนตัวของเหล็กกล้าคาร์บอน บทบาทของธาตุผสมที่มีต่อการอบคืนตัวโดยทั่วไปจะมีผลในการต่อต้านการลดความแข็ง คือทำให้ความแข็งลดลงในอัตราที่ช้ากว่าเหล็กกล้าคาร์บอน ทั้งนี้ยกเว้นธาตุผสมที่มีอยู่ในกลุ่มไม่รวมตัวกับคาร์บอน เช่น นิเกิล, ซิลิกอน และรวมถึงแมงกานีสในขอบเขตอันหนึ่ง ซึ่งจะให้ผลในการต่อต้านการลดความแข็งในขณะทำการคืนตัวน้อยมาก | ||
| สำหรับธาตุผสมที่สามารถรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ในหลายรูแบบ เช่น โครเมียม, โมลิบดินั่ม, ทังสเตน และวาเนเดียม จะมีผล | ||
| ให้การต้านการลดความแข็งอย่างเด่นชัด
ยิ่งมีปริมาณธาตุผสมเหล่านี้สูงผลในด้านนี้ยิ่งชัดเจนมาก โดยเฉพาะในช่วงอุณหภูมิ
400 ๐C - 600 ๐C นอกจากจะไม่ลดความแข็งแล้วยังมีส่วนทำให้ความแข็งกลับเพิ่มสูงขึ้น ซึ่งเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า Secondary Hardening |
||
| Secondary Hardening จะเกิดขึ้นเฉพาะเหล็กผสมที่มีธาตุ โครเมียม, โมลิบดินั่ม , ทังสเตน และวาเนเดียมเป็นส่วนใหญ่ | ||
| จากการศึกษาเหล็ก 0.35% C ผสมโครเมียมปริมาณต่าง ๆ กัน เริ่มตั้งแต่ 0.5%, 0.2%, 4% และ 12% เมื่อนำมาอบคืนตัวภายหลังการชุบแข็งที่อุณหภูมิต่าง ๆ กัน วัดความแข็งสัมพันธ์กับอุณหภูมิที่ทำการอบคืนตัว เมื่อนำมาพล๊อตกร๊าฟปรากฏว่าเหล็กที่ผสมโครเมียม 0.5% เส้นกร๊าฟจะเริ่มแยกสูงขึ้นจากเส้น กร๊าฟเปรียบเทียบกับเหล็กที่ไม่ผสมโครเมียมเลย ยิ่งมีปริมาณโครเมียมสูงขึ้นจะสังเกตเห็นการเกิด Secondary Hardening ได้ชัดเจนขึ้น โดยเฉพาะเหล็กผสมโครเมียม 12% จะปรากฏผลของการเกิด Secondary Hardening ได้ชัดเจนในช่วงอุณหภูมิ 400 ๐C - 600๐C | ||
| จากการศึกษาด้วยกล้องขยายที่มีกำลังขยายสูง (Electron Microscope) พบว่าในขณะทำการอบคืนตัวในช่วงอุณหภูมินี้จะเกิด | ||
| การตกผลึก (Preciptation) ของคาร์ไบด์ระหว่างธาตุผสมกับคาร์บอนเกิดในลักษณะที่ละเอียดมาก (Embryo) และกระจัดกระจายอยู่ในโครงสร้างของมาร์เทนไซต์ ทำให้มีส่วนเกิดการบิดเบี้ยวของกลุ่มอะตอมใน Space Lattice ได้มากมายภายในโครงสร้าง ผลที่เกิดขึ้นก็คือเหล็กจะมีความแข็งสูงขึ้น ส่วนคุณสมบัติทนแรงกระแทกอาจจะมีส่วนลดลง (Temper Brittleness) | ||
| เหตุที่ปรากฏการณ์ Secondary Hardening เกิดเฉพาะในช่วงอุณหภูมิ 400 ๐C - 600 ๐C เพราะในช่วงอุณหภูมินี้อัตราการ | ||
| เคลื่อนไหวในลักษณะแพร่ซึม (Diffusion) ของอะตอมของธาตุผสมจะเป็นไปได้ดี ทำให้เกิดการรวมตัวกันระหว่างธาตุผสมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ แต่การเคลื่อนไหวของอะตอมธาตุผสมจะเป็นไปได้ในระยะสั้น ๆ ทำให้เกิดคาร์ไบด์ที่มีลักษณะละเอียดจนไม่สามารถจะมองเห็นได้ด้วยกล้องไมโครสโคปที่มีกำลังขยายต่ำ ๆ | ||
| เมื่อทำการอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 600 ๐C ความแข็งที่ด้จะค่อย ๆ ลดลง เนื่องจากจะเกิดการรวมตัวและขยายตัวเป็นเกรนโต | ||
| ของคาร์ไบด์ ลักษณะการบิดเบี้ยวของกลุ่มอะตอมจะค่อย ๆ หมดไป ความแข็งของเหล็กจึงลดลงโดยลำดับขึ้นอยู่กับอุณหภูมิยิ่งสูงความแข็งจะลดลงมาก | ||
 |
|
รูปที่ STEEL-AS13 |
| จากรูปที่ STEEL-AS13 แสดงให้เห็นการเกิด Secondary Hardening ได้ชัดเจนสำหรับเหล็ก 0.35% C เมื่อปริมาณ โครเมียม | ||
| เพิ่มขึ้นที่ 2% และจะเห็นชัดเจนเมื่อปริมาณโครเมียมเพิ่มเป็น 12% จะให้ความแข็งสูงเมื่ออุณหภูมิของการอบคืนตัวอยู่ระหว่าง 400 ๐C - 500 ๐C เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นความแข็งจะลดลง จากภาพมีสิ่งที่น่าสังเกตอยู่ 2 ประการคือ | ||
| ประการแรก จะสังเกตเห็นความแข็งของเหล็กภายหลังการชุบแข็งไม่สูงขึ้นมากนักเมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กที่ไม่ได้ผสมโครเมียม | ||
| ทั้งนี้เพราะความแข็งของเหล็กที่ได้ภายหลังการชุบส่วนใหญ่จะเป็นผลจากคาร์บอนที่ให้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ ไม่ใช่ผลจากธาตุผสม | ||
| ประการที่สอง จะสังเกตพบว่าเหล็กที่ผสมโครเมียมสูงถึง 12% ความแข็งที่ได้ภายหลังการชุบแข็งจะต่ำกว่าความแข็งที่ได้จาก | ||
| เหล็กที่ไม่ผสมโครเมียมเลย เหตุที่เป็นเช่นนี้เพราะปริมาณโครเมียมที่มีอยู่สูงทำให้โครเมียมสามารถรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง (Complex Carbide) เมื่อเผาที่อุณหภูมิสูงในช่วงที่เป็นออสเตนไนท์ก่อนการชุบแข็งคาร์ไบด์จำนวนหนึ่งจะไม่สลายตัวหมด ทำให้ปริมาณของคาร์บอนที่ละลายในออสเตนไนท์มีปริมาณน้อยลงกว่า 0.35% C เป็นเหตุให้เมื่อชุบแข็งจึงได้ความแข็งต่ำกว่า เพราะมาร์เทนไซท์ที่ได้มีคาร์บอนต่ำ ในกรณีเช่นนี้ถ้าต้องการให้ได้ความแข็งสูงภายหลังการชุบแข็งจะต้องเพิ่มปริมาณคาร์บอนในเหล็กให้สูงกว่า 0.35% C | ||
| สำหรับผลของธาตุอื่น ๆ ที่มีต่อปรากฏการณ์ Secondary Hardening เช่น โมลิบดินั่ม และวาเนเดียม จะให้ผลในลักษณะ | ||
| คล้ายคลึงกับโครเมียม เพียงแต่ปริมาณที่จะทำให้เกิด Secondary Hardening จะน้อยกว่าโครเมียมมาก ดังเช่น โมลิบดินั่มเพียง 0.5% แลวาเนเดียมเพียงปริมาณ 0.27% ก็ทำให้เกิดปรากฏการณ์ Secondary Hardening ดังรูปที่ STEEL-AS14 แสดงส่วนรายละเอียดมากกว่านี้จะต้องศึกษาเหล็กแต่ละชนิดจากคู่มือการชุบแข็งเหล็กกล้าผสม | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS14
แสดงผลของธาตุโมลิบดินั่มที่ให้คุณสมบัติ Secondary hardening. |
| สรุปบทบาทของธาตุผสมแต่ละตัวที่มีต่อคุณสมบัติของเหล็กกล้า |
| นิเกิล จัดเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพให้กับออสเตนไนท์ โดยไม่รวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์มีบทบาทที่สำคัญดังนี้ |
| - มีบทบาททำให้จุดยูเต็คตอยด์ทั้งปริมาณคาร์บอนและอุณหภูมิต่ำลง
ทำให้ปริมาณเพิรไลท์มากขึ้นและเฟอร์ไรท์น้อยลง - จากบทบาทของนิเกิลดังกล่าวทำให้เหล็กมีเกรนละเอียด เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของออสเตนไนท์เกิดที่อุณหภูมิต่ำลง - เพิ่มคุณสมบัติความสามารถในการชุบแข็งให้กับเหล็ก โดยทำให้ T.T.T Diagram เคลื่อนไปทางขวา และลดอุณหภูมิการ เปลี่ยน แปลงออสเตนไนท์เป็นมาร์เทนไซต์ (Ms) ให้ต่ำลง เหล็กที่ผสมนิเกิลมากกว่า 3% อาจจะได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์โดยการทำ Normalising - เพิ่มคุณสมบัติทางด้านเชื่อมให้กับเหล็ก (Weldability) - ปรับปรุงคุณสมบัติทางด้านทนต่อแรงกระแทกที่อุณหภูมิต่ำ โดยลดอุณหภูมิ Transition ให้ต่ำลงกว่า 0๐C (เหล็กคาร์บอนจะมีอุณหภูมิ Transition ประมาณ 0 ๐C) ดังตัวอย่างเช่น เหล็ก 0.12% C เมื่อผสมนิเกิล 9% จะทำให้อุณหภูมิ Transition ของเหล็กเป็น -200 ๐C - ปรับปรุงคุณสมบัติทางด้านผุกร่อนให้ดีขึ้น ดูรูปที่ STEEL-AS15 ประกอบ |
||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS15
แสดงบทบาทของวาเนเดียมที่มีต่อการอบคลาย |
| แมงกานีส เป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเดียวกับนิเกิล ต่างกับนิเกิลตรงที่ความสามารถรวมกับคาร์บอนให้แมงกานีสคาร์ไบด์ที่ทำให้ บทบาท | ||
| ของแมงกานีสเปลี่ยนแปลงไปจากนิเกิล
บทบาทของแมงกานีสที่สำคัญมีดังนี้ - เปลี่ยนแปลงจุดยูเต็คตอยด์ทั้งปริมาณคาร์บอนและอุณหภูมิให้ต่ำลง ทำให้ปริมาณเพิรไลท์มากขึ้นและเฟอร์ไรท์น้อยลง และมีส่วนทำให้เหล็กมีเกรนละเอียดคล้ายคลึงกับนิเกิล - เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็งให้กับเหล็กและมีผลรุนแรงกว่านิเกิลถึง 2 เท่า - เพิ่มความแข็งแรงและความแข็ง แต่มีส่วนทำให้ความเหนียวลดลง โดยแมงกานีสมีแนวโน้มที่จะแยกตัวอยู่ตามขอบของเกรน (Grain Boundary) หมายเหตุ ในทางปฏิบัติไม่นิยมใช้แมงกานีสเป็นธาตุผสม ถึงแม้ว่าแมงกานีสจะมีราคาถูกกว่ามากก็ตามเพราะแมงกานีสมีข้อเสียที่จะต้องระมัดระวังอยู่หลายประการคื 1. แมงกานีสมีบทบาททำให้เกิด Temper Brittleness ในขณะทำการอบคืนตัวในช่วงอุณหภูมิ 400 ๐C - 600 ๐C แมงกานีสจะรวมกับคาร์บอนให้แมงกานีสคาร์ไบด์ และมักจะตกผลึกจับตัวอยู่ตามขอบเกรนของเหล็กในลักษณะต่อเนื่อง จากเกรนหนึ่งไปยังอีกเกรนหนึ่ง ซึ่งทำให้เหล็กมีคุณสมบัติเปราะไม่ทนต่อแรงกระแทก ซึ่งรู้จักคุณสมบัตินี้ในนามของ Sickness of Krupp หรือ Malady of Krupp 2. เมื่อเผาที่อุณหภูมิสูง เกรนของเหล็กที่ผสมแมงกานีสจะขยายตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้เหล็กมีเกรนโตเห็นได้ชัดในเหล็กฮาร์ดฟิลด์ 3. เนื่องจากแมงกานีสมีบทบาทเพิ่มเสถียรภาพให้กับออสเตนไนท์ ทำให้เกิดออสเตนไนท์เหลือค้างปริมาณมากภายหลังการชุบแข็ง ซึ่งจะไปเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ในขณะใช้งาน ทำให้เกิดการขยายตัวเล็กน้อย จะเกิดอันตรายจากการแตกร้าวได้ง่าย 4. แมงกานีสมีแนวโน้มที่จะเกิดการแยกตัว (segregation) ได้ง่าย ซึ่งอาจจะไปรวมอยู่ตามเกรนหรือบริเวณใจกลางของแท่งเหล็ก (Ingot) ทำให้เหล็กมีคุณสมบัติไม่สม่ำเสมอ 5. แมงกานีสรวมตัวกับกำมะถันทำให้เกิด Inclusion ในเหล็ก เป็นสาเหตุที่ทำให้เหล็ขาดคุณสมบัติทางด้านความเหนียว ปัจจุบันได้มีการค้นคว้าวิจัยในหลาย ๆ สถาบัน เพื่อจะใช้แมงกานีสเป็นธาตุผสมในเหล็กให้มากที่สุด ดังตัวอย่างเช่น การทดลองผสมแมงกานีสมากกว่า 3% ในเหล็กที่มีคาร์บอนต่ำ, การศึกษาวิจัยเหล็ก 4.5% แมงกานีส 0.15% คาร์บอน ในเหล็กที่มีวาเนเดียมและโมลิบดินั่ม, การศึกษาผลของแมงกานีสร่วมกับนิโอเบี่ยมและวาเนเดียมในเหล็กและอื่น ๆ ทั้งนี้มีสาเหตุ มาจากปัญหาการขาดแคลนแหล่งทรัพยากรของแร่โครเมียม, โมลิบดินั่มและวาเนเดียม ทำให้ธาตุต่าง ๆ ดังกล่าวมีราคาสูงขึ้นอย่างมากในตลาดโลก ส่วนแร่แมงกานีสนั้นยังมีเหลืออยู่อีกมากโดยเฉพาะในมหาสมุทรซึ่งเป็นแหล่งที่สำรวจพบว่าแร่แมงกานีส (nodules) เป็นจำนวนมาก |
||
| โครเมียม เป็นธาตุอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพของเฟอร์ไรท์ สามารถรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูงในเกณฑ์ มีบทบาทที่ | ||
| สำคัญเมื่อผสมในเหล็กกล้าคาร์บอนดังนี้
- มีบทบาททำให้จุดยูเต็คตอยด์ มีคาร์บอนต่ำลง แต่กลับทำให้อุณหภูมิสูงขึ้น - เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็งให้กับเหล็ก โดยมีส่วนทำให้ T.T.T diagram เคลื่อนไปทางขวา และแยก diagram ออกเป็นสองส่วน เมื่อมีปริมาณโครเมียมสูงเกินกว่า 3% ด้วยเหตุนี้ที่อุณหภูมิประมาณ 500 ๐C ซึ่งเป็นช่วงที่มีการแยก T.T.T. diagram ออสเตนไนท์จะมีเสถียรภาพมากที่สุด (ดังรูปที่ STEEL-AS16 ) - เมื่อโครเมียมรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพ ทำให้เหล็กมีคุณสมบัติรักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง - มีบทบาทช่วยให้เกิดคุณสมบัติ Secondary Hardening เมื่อผสมโครเมียมปริมาณสู - มีแนวโน้มที่จะเกิดอาการเปราะในขณะอบคืนตัว (Temper brittleness) แต่ไม่รุนแรงเท่าแมงกานีส - เมื่อผสมโครเมียมปริมาณสูง 30 - 60% จะให้เหล็กเฟอร์ไรท์ที่เปราะและแตกง่ายเมื่อถูกกระแทก - เพิ่มคุณสมบัติต้านทางการกัดกร่อน |
||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS16
แผนภูมิ T T T ของเหล็กกล้าผสมโครเมี่ยม 5 % . |
| โมลิบดินั่ม เป็นธาตุอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ และรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์คล้ายคลึงกับโครเมียม จึงมีบทบาทที่ | ||
| สำคัญเช่นเดียวกับโครเมียม
- ลดปริมาณของคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ แต่กลับเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น - เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อผสมปริมาณไม่เกิน 1% แต่ถ้าผสมปริมาณมากขึ้นจะทำให้ความสามารถในการชุบแข็งลดลง สามารถแยก T.T.T diagram ออกเป็น 2 ส่วน เมื่อผสมโมลิบดินั่มเพียง 0.5% - สามารถรวมกับคาร์บอนให้โมลิบดินั่มคาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง ทำให้เหล็กผสมโมลิบดินั่ม ทนความร้อนได้ดี โดยไม่สูญเสียความแข็งแรง - มีบทบาทช่วนให้เกิดคุณสมบัติ Secondary Hardening โดยไม่มีผลทางด้าน Temper brittleness - ให้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่มีเสถียรภาพสูงถึงอุณหภูมิประมาณ 600 ๐C ทำให้รักษาความแข็งไว้ได้ดีที่อุณหภูมิไม่เกิน 600 ๐C - เพิ่มคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อน |
||
| วาเนเดียม จัดอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ และสามารถรวมตัวกับคาร์บอนได้ดีกว่าโมลิบดินั่ม โดยให้วาเนเดียมคาร์ไบด์ทั้ง | ||
| ประเภทคอมเพล็กซ์
และชนิดพิเศษที่มีเสถียรภาพสูงมาก ไม่สลายได้ง่านแม้เผาที่อุณหภูมิสูง มีบทบาทที่สำคัญดังนี้ - ลดปริมาณคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ แต่กลับเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้นเช่นเดียวกับโครเมียมและโมลิบดินั่ม - เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อผสมวาเนเดียมไม่เกิน 0.04% เพราะปริมาณน้อยจะละลายได้ดีในเหล็กออสเตนไนท์ ลดคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อผสมวาเนเดียมเกินกว่า 0.04% เนื่องจากวาเนเดียมจะรวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ชนิดพิเศษ (V4 C3 ) ซึ่งไม่สลายตัวได้ง่าย ทำให้ออสเตนไนท์ขยายตัวได้ยากจึงมีเกรนเล็กละเอียดและตัวคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวจะทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสช่วยให้ ออสเตนไนท์เปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรท์และซีเมนไตต์ได้ง่าย - วาเนเดียมมีบทบาททำให้เหล็กมีเกรนละเอียดได้ดีมาก เนื่องจากวาเนเดียมคาร์ไบด์มีเสถียรภาพสูงไม่สลายตัวได้ง่าย จึงทำหน้าที่ป้องกันการขยายตัวของออสเตนไนท์ - รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง - ให้คุณสมบัติทางด้าน Secondary Hardening ทีอุณหภูมิประมาณ 400 - 700 ๐C โดยไม่มีผลด้าน Temper Brittleness - มีบทบาทป้องกันไม่ให้เกิด Ageing ในเหล็กที่มีไนโตรเจนปริมาณสูง |
||
| ทังสเตน จัดอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์และรวมกับคาร์บอนได้ดีอยู่ระหว่าง โมลิบดินั่มกับโครเมียมให้ ทังสเตนคาร์ไบด์ที่ | ||
| มีเสถียรภาพสูงและมีความแข็งแรงสูง
บทบาทที่สำคัญมีดังนี้ - ลดปริมาณของคาร์บอนที่จุดยูเต็คตอยด์ แต่กลับเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น - เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง แต่จะมีผลน้อยกว่าโมลิบดินั่มประมาณครึ่งหนึ่ง - รวมกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ชนิดพิเศษที่มีเสถียรภาพสูง ทำให้รักษาความแข็งไว้ได้จนถึงสภาพร้อนแดง (Red Hardness) - ให้ผลทางด้าน Secondary Hardening โดยไม่มีแนวโน้มทำให้เกิด Temper Brittleness ในอุตสาหกรรมเหล็กเครื่องมือจะผสมทังสเตนในเหล็กที่ต้องการความแข็งสูง โดยเฉพาะเหล็กที่ทนความร้อนสูง เช่น เหล็กทำมีดกลึงโลหะหรือเหล็กทำแบบแม่พิมพ์ร้อนทั่วไปจะใช้โมลิบดินั่มเพราะราคาถูกกว่ามาก |
||
| ไทเทเนียม เป็นธาตุอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ และรวมตัวกับคาร์บอนได้ดีมากให้คาร์ไบด์ชนิดพิเศษที่มีเสถียรภาพ อยู่ใน | ||
| เกณฑ์สูง นอกจากนี้ไทเทเนียมยังสามารถรวมตัวกับไนโตรเจนได้ดีอีกด้วยให้คุณสมบัติต่างออกไปจากธาตุผสมอื่น ๆ ไทเทเนียมละลายได้น้อยมาก (ประมาณ 0.75%) ในออสเตนไนท์ ดังนั้นถ้าผสมไทเทเนียมปริมาณสูงในเหล็กอาจจะทำให้การชุบแข็งเหล็กด้วยวิธีธรรมดาไม่ได้ผล ดังตัวอย่างเช่น เหล็ก 0.5% C ถ้าผสมไทเทเนียม 1.5 - 2.0% จะไม่สามารถชุบแข็งโดยวิธีธรรมดาได้เลย เพราะคาร์บอนจะถูกดึงไปรวมกับไทเทเนียมจนเกือบหมด ทำให้ปริมาณคาร์บอนในออสเตนไนท์มีน้อยมาก บทบาทของไทเทเนียมในเหล็กที่สำคัญมีดังนี้ | ||
| - เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง
เมื่อผสมในเหล็กปริมาณน้อยไม่เกิน 1% - ลดอุณหภูมิทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อผสมในเหล็กปริมาณสูงยกเว้นเมื่อเหล็กมีปริมาณคาร์บอนสูง - ให้ผลทางด้าน Secondary Hardening น้อยมากและไม่มีแนวโน้มที่จะเกิด Temper brittleness - รวมตัวกับไนโตรเจนให้ไทเทเนียมไนตรายที่มีความแข็งสูง - ให้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่มีเสถียรภาพสูง ดังเช่นเหล็ก 2% C เมื่อผสมไทเทเนียม 1% เมื่อชุบแข็งจะได้มาร์เทนไซต์ที่มีเสถียรภาพสูง จะไม่เปลี่ยนความแข็งเลยขณะทำการอบคืนตัวทีอุณหภูมิสูง |
| ซิลิกอน
เป็นธาตุที่ไม่รวมกับคาร์บอนเมื่อผสมในเหล็ก เพราะจะรวมกับเหล็กได้ดีกว่าคาร์บอน,
ซิลิกอนจัดอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพ เฟอร์ไรท์ มีบทบาทที่สำคัญดังนี้ |
||
| - ละลายได้ดีในเฟอร์ไรท์เพื่อความแข็งแรงให้กับเฟอร์ไรท์โดยเฉพาะเพิ่มคาจดอลากของเหล็กให้สูงขึ้น
- ไม่มีบทบาทเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งคือ ไม่มีผลทำให้ T.T.T Diagram เคลื่อนไปทางซ้ายหรือขวา - ไม่มีผลทั้ง Secondary Hardening และ Temper Brittleness - มีบทบาทเพิ่มเสถียรภาพให้กับมาร์เทนไซต์ถึงอุณหภูมิประมาณ 500 ๐C คุณสมบัติทางด้านเชื่อมของเหล็กไม่ดีเมื่อผสมซิลิกอนสูง เพราะซิลิกอนจะรวมกับออกซิเจนได้ง่ายมาก |
||
| อลูมิเนียม จัดอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ ไม่สามารถรวมกับคาร์บอนได้ แต่จะรวมกับไนโตรเจนได้ดี มีบทบาทที่สำคัญคือ | ||
| - ละลายได้ดีมากในเฟอร์ไรท์
และเพิ่มความแข็งให้กับเฟอร์ไรท์ - ละลายได้เล็กน้อยในซีเมนต์ไตต์ แต่จะทำให้ซีเมนต์ไตต์ไม่มีเสถียรภาพ แตกตัวได้ง่าย เมื่อถูกความร้อนทำให้เกิดกร๊าฟไฟต์ ละลายได้เล็กน้อยไม่เกิน 0.6% ในออสเตนไนท์ จึงมีบทบาทเพิ่มคุณสมบัติด้านความสามารถในการชุบแข็งเพียงเล็กน้อย - ไม่มีบทบาททางด้าน Secondary Hardening และ Temper Brittleness - เมื่อรวมตัวกับไนโตรเจนจะให้ในตรายด์ที่มีความแข็งสูง มีเสถียรภาพช่วยทำให้การขยายตัวของออสเตนไนท์ได้น้อยลง ในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่จะใช้อลูมิเนียมเป็นตัวกำจัดเกส (Deoxidiser) เพื่อหยุดการเดือดของเหล็กก่อนการเทลงแบบหล่อ จะใช้อลูมิเนียมเป็นธาตุผสมเฉพาะกรณีผลิตเหล็กเพื่อทำการชุบแข็งไนตรายดิง |
||
| โคบอลต์ ไม่รวมกับคาร์บอน และอยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพออสเตนไนท์ เช่นเดียวกับนิเกิล แต่มีบทบาทแตกต่างนิเกิลมาก | ||
| - ละลายได้ดีในเฟอร์ไรท์
มีบทบาทเพิ่มความแข็งให้กับเฟอร์ไรท์ - มีบทบาทลดความสามารถในการชุบแข็ง คือทำให้ T.T.T Diagram เลื่อนมาทางซ้าย และทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของออสเตนไนท์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ (เส้น MS) กลับสูงขึ้น - ไม่มีผลด้าน Secondary Hardening และ Temper Brittleness - มีคุณสมบัติรักษาความแข็งแรงไว้ได้ดีที่อุณหภูมิสูง (Red Hardness) เนื่องจากโคบอลต์มีราคาค่อนข้างสูง จึงไม่นิยมผสมโคบอลต์ ยกเว้นแต่ในกรณ๊ที่ต้องการเหล็กที่มีคุณสมบัติพิเศษ เช่นเหล็กทำอุปกรณ์ตัดโลหะ หรือทำแม่เหล็กถาวร |
||
| โบรอน รวมกับคาร์บอนได้ดีให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง เป็นธาตุในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพเฟอร์ไรท์ในอุตสาหกรรมโลหะใช้โบรอน | ||
| น้อยมาก จะใช้เฉพาะในกรณีพิเศษเพาะราคาสูง บทบาทที่สำคัญของโบรอนคือ เพิ่มคุณสมบัติทางด้านความสามารถในการชุบแข็ง เมื่อใช้ปริมาณไม่เกิน 0.003% ทำให้ T.T.T Diagram เคลื่อนไปทางขวาแต่ไม่ทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงของออสเตนไนท์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ลดต่ำลง คุณสมบัติทางด้านอื่น ๆ ของโบรอนยังไม่มีการศึกษาโดยละเอียด เนื่องจากยังไม่นิยมใช้โบรอนเป็นธาตุผสมเพราะราคาสูง | ||
| นิโอเบียม หรือ โคลัมเบียม จัดเป็นธาตุที่อยู่ในกลุ่มเพิ่มเสถียรภาพให้กับเฟอร์ไรท์ และสามารถรวมกับคาร์บอนได้ดีมากเช่นเดียวกับ | ||
| ไทเทเนียม บทบาทที่สำคัญของนิโอเบียมจึงคล้ายคลึงกับไทเทเนียมมาก ต่างกันตรงที่นิโอเบียมไม่รวมตัวกับไนโตรเจนให้นิโอเบียมไนตรายด์ | ||
| ชนิดของเหล็กกล้าผสม (Clasification of alloy steels) ในอุตสาหกรรมผลิตเหล็กกล้าผสมโดยทั่วไปจะไม่ผสมธาตุผสมเพียงธาตุใดธาตุหนึ่งโดยเฉพาะ มักจะผสมร่วมกันตั้งแต่สองธาตุขึ้นไป | ||
| ทั้งนี้เพื่อให้บทบาทของธาตุที่ผสมร่วมกันได้มีส่วนทำให้คุณภาพของเหล็กกล้าผสมอยู่ในเกณฑ์สูงและราคาไม่แพงจนเกินไป
ดังตัวอย่างเช่น เหล็กนิเกิล-โครเมียม เหล็กโครเมียม-โมลิบดินั่ม-วาเนเดียม
เป็นต้น ทำให้การจำแนกของเหล็กกล้าผสมเป็นไปอย่างกว้างขวาง และมาตรฐานจะแตกต่างกันไปแต่ละแหล่งที่ผลิต
มีทั้งการจำแนกโดยอาศัยลักษณะโครงสร้าง เช่น 1. เหล็กเฟอร์ริติค เป็นเหล็กที่มีคาร์บอนต่ำ และผสมธาตุส่วนใหญ๋ที่มีบทบาททำให้เฟอร์ไรท์มีเสถียรภาพเช่น โครเมียม, โมลิบดินั่ม และวาเนเดียม 2. เหล็กเพิรลิติค เป็นเหล็กที่มีคาร์บอนปานกลาง ถึงคาร์บอนสูง และมีธาตุต่าง ๆ ผสมอยู่ไม่เกิน 5 - 6% 3. เหล็กมาร์เทนซิติค เป็นเหล็กที่มีคาร์บอนปานกลางถึงคาร์บอนสูง มีธาตุโดยเฉพาะ แมงกานีส, นิเกิล และอื่น ๆ อยู่ในปริมาณที่จะทำให้เหล็กมีโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์ เพียงปล่อยให้เย็นในอากาศ 4. เหล็กออสเทนนิติค เป็นเหล็กที่ผสมธาตุนิเกิล และแมงกานีสในปริมาณสูง ตั้งแต่ 10% ขึ้นไปจนถึง 30% ซึ่งธาตุทั้งสองสามารถคงสภาพโครงสร้างเป็นออสเตนไนท์ได้ทีอุณหภูมิปกติ |
||
| นอกจากการแบ่งประเภทโดยอาศัยโครงสร้างแล้ว ยังมีการจำแนกประเภทโดยอาศัยลักษณะการใช้งานดังเช่น เหล็กสร้างเครื่องมือกล | ||
| (Constructional alloy steels) ได้แก่ เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนปานกลาง และมีธาตุผสมอยู่ในปริมาณต่ำ มีความแข็งแรงไม่สูงมาก สามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติได้ด้วยการอบชุบ เหล็กที่กล่าวถึงนี้มีหลายชนิดขึ้นอยู่กับมาตรฐานการผลิตและปริมาณธาตุที่ผสม ที่ควรรู้จักเพราะใช้กันอย่างกว้างขวางได้แก่ เหล็กมาตรฐาน AISI 4140 หรือ 4150 (JIS ScM 440-445 หรือ DIN 42 CrMo 4) และ AISI 4340 (JIS SncM 439 DIN 26 Cr Ni Mo 4) | ||
| - เหล็กเครื่องมือ (Tool steels) หมายถึงเหล็กที่ใช้ทำอุปกรณ์การตัดโลหะหรือการขึ้นรูปโลหะและอื่น ๆ ซึ่งสามารถจำแนกออก ไป | ||
| ได้กว้างขวางตามลักษณะการใช้งาน เช่น เหล็กทำเครื่องมือร้อน (Hot working tool) หรือเหล็กทำเครื่องมือเย็น (Cold working tool) เหล็กทำเครื่องทนแรงกระแทก (Shock-re isting) และเหล็กทำเครื่องมือตัดความสูง (High speed steel) | ||
| - อาศัยปริมาณของธาตุผสมเป็นหลักในการจำแนก ได้แก่ เหล็กเครื่องมือคาร์บอน (Carbon tool steels) เหล็กเครื่องมือผสมตำ | ||
| (low-alloy tool steels) และเหล็กเครื่องมือผสมปานกลาง (Medium-alloy tool steels) | ||
| - อาศัยลักษณะการชุบแข็งเป็นเหล็กในการแบ่งชนิดได้แก่ เหล็กชุบแข็งด้วยน้ำใช้สัญลักษณ์ W เหล็กชุบแข็งด้วยน้ำมันใช้สัญลักษณ์ O | ||
| และ A แทนเหล็กชุบแข็งโดยการปล่อยให้เย็นในอากาศ | ||
| การชุบแข็งและการรอบคืนตัวเหล็กกล้าผสม เหล็กกล้าชุบแข็งและการอบคืนตัวเหล็กกล้าผสมโดยทั่วไปแล้วจะไม่แตกต่างกันไปจากการชุบแข็ง และการอบคืนตัวที่ กระทำกับเหล็กกล้า | ||
| คาร์บอน สิ่งที่แตกต่างออกไปก็คืออุณหภูมิที่เผาก่อนการชุบ ของเหลวที่ใช้ในการชุบและอุณหภูมิที่ใช้ในการอบคืนตัว ทั้งนี้เพราะอิทธิพลของธาตุผสมเป็นสำคัญ อุณหภูมิที่เผาในช่วงที่เป็นออสเตนไนท์ก่อนการชุบ จำเป็นจะต้องเผาที่อุณหภูมิสูงเพื่อต้องการให้คาร์ไบด์ของธาตุผสมมีโอกาสสลายตัวในออสเตนไนท์ได้มาก ยิ่งเป็นคาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูงอุณหภูมิที่ใช้จะต้องสูงขึ้นไปอีก หรือไม่ก็ใช้เวลาในการเผานานออกไป เพราะถ้าเกิดมีคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวอยู่มาก จะทำให้ความสามารถในการชุบแข็งลดลง อาจจะไม่ได้เหล็กที่มีความแข็งสูงตามต้องการ เมื่อต้องเผาที่อุณหภูมิสูงกว่าปกติการควบคุมบรรยากาศภายในเตาจำเป็นจะต้องควบคุมให้ได้ผล เพื่อป้องกันการลดปริมาณคาร์บอน (Decarbur zation) นอกจากนี้อัตราการเผาต้องให้เป็นไปโดยสม่ำเสมอ และช้ากว่าปกติ เพื่อป้องกันการบิดตัวของชิ้นงาน ยิ่งในกรณีนี้ชิ้นงานที่มีรูปซับซ้อน จำเป็นต้องระวังมากขึ้น สิ่งที่จะต้องพิจารณาอีกประการหนึ่งคือ ช่วงเวลา (Holing time) ที่เผาเหล็กก่อนการชุบ จะต้องไม่ยาวนานจนเกินไป เพราะจะทำให้ธาตุผสมบางตัวที่รวมตัวกับคาร์บอนสลายตัวมากเกินไปจะทำให้ออสเตนไนท์ (matrix) มีธาตุผสมละลายอยู่ในอัตราสูง อาจจะทำให้ออสเตนไนท์ไม่เปลี่ยนไปเป็นมาร์เทนไซต์ได้หมดในขณะทำการชุบจะได้ออสเตนไนท์เหลือค้าง (retained austenite) อยู่จำนวนมาก ทำให้ความแข็งที่ได้จะต่ำกว่าที่ควร เหตุผลที่สำคัญก็คือ ธาตุผสมเกือบทุกตัวมีส่วนช่วยให้อุณหภูมิการเปลี่ยนออสเตนไนท์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ต่ำลง ยิ่งเหล็กกล้าผสมเป็นชนิดที่มีธาตุผสมสูง จำเป็นจะต้องพิจารณากรณีที่จะเกิดขึ้นนี้ (ดังรูปที่ STEEL-AS17) | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS17
แสดงผลของการชุบแข็งที่อุณหภูมิและเวลาต่าง ๆ กัน. |
| ของเหลวที่ใช้ในการชุบจะใช้ได้หลายชนิดขึ้นอยู่กับธาตุที่ผสม เพราะธาตุที่ผสมส่วนมากจะมีบทบาททำให้อัตราการเย็นตัววิกฤต | ||
| (critical cooling rate) ช้าลง เหล็กกล้าผสมบางชนิดอาจจะทำให้เย็นในอากาศก็จะได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ ดังนั้นของเหลวที่ใช้สำหรับการชุบแข็งเหล็กกล้าผสมจะมีตั้งแต่ น้ำ น้ำมัน เกลือละลายจนถึงอากาศ (เรียกเหล็กที่ใช้โครงสร้างมาร์เทนไซต์โดยการปล่อยให้เย็นในอากาศว่าเหล็กชุบลม หรือ air hardening) | ||
| อุณหภูมิที่ใช้ในการอบคืนตัว (Tempering) เป็นเรื่องที่จะต้องพิจารณามาก เพราะการอบคืนตัวกระทำให้หลายช่วงของอุณหภูมิ | ||
| ดังเช่น การอบที่อุณหภูมิต่ำ (Low tempering temperature) และการอบที่อุณหภูมิสูง (high tempering temperature) นอกจากนี้จะต้องศึกษาถึงลักษณะของธาตุผสมที่มีอยู่ในเหล็ก เพราะธาตุผสมที่อยู่ในกลุ่มรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ จะมีผบต่อการรอบคืนตัวมาก เช่น จะให้คุณสมบัติ Secondary hardening และ temper brittleness | ||
| เพื่อศึกษาคุณสมบัติของเหล็กที่สัมพันธ์กับอุณหภูมิที่ใช้การคืนตัว จะขอยกตัวอย่างเหล็ก ASTM A2 (1% C,5% Cr, 1% Mo) | ||
| ซึ่งเป็นเหล็กที่มีโครเมียมและโมลิบดินั่มผสมภายหลังการชุบแข็งที่อุณหภูมิ 970 ๐C โดยการชุบน้ำมันจากนั้นจะนำมาทำการอบคืนตัวที่อุณหภูมิต่าง ๆ ผลจะปรากฏว่า ความแข็งจะลดลงทีละน้อยจนถึงอุณหภูมิประมาณ 420 ๐C ความแข็งจะกลับสูงขึ้นจนถึงอุณหภูมิ 500 ๐C ความแข็งจึงจะเริ่มลดลงเป็นการเกิด Secondary hardening คุณสมบัติทนแรงกระแทกจะลดลง คือเกิด Temper brittleness ( ดังรูปที่ STEEL-AS18 ) | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS18
แสดงผลของการเปลี่ยนแปลงของความแข็ง ( HRC ) และความต้านทานแรงกระแทก ( KCU ) เมื่อทำการอบคืนตัวที่อุณหภูมิต่าง ๆ. |
| การเกิด Temper Brittleness ของเหล็กภายหลังการอบคืนตัวเป็นเรื่องที่จะต้องพิจารณามาก โดยเฉพาะเหล็กประเภทเครื่องมือ | ||
| ที่ต้องรับแรงกระแทกมากเช่น ใบมีดตัด (shear blade) พวก die ต่าง ๆ (Punching, Forging และ Blanking dies) การอบคืนตัวจะต้องทำที่อุณหภูมิต่ำ เพื่อต้องการคุณสมบัติทนแรงกระแทกให้อยู่ในสภาพเกณฑ์ดี แต่ถ้าต้องการคุณสมบัติทนแรงกกระแทกสูงมากก็จะต้องอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงเลยช่วงที่จะเกิด Temper brittleness | ||
| อีกประการหนึ่งเกี่ยวกับ Temper brittleness ของเหล็กที่มีโครเมี่ยมและแมงกานีสเป็นส่วนผสมในปริมาณค่อนข้างสูง | ||
| ปรากฏว่าในขณะที่อบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงประมาณ 450 ๐C ขึ้นไป ถ้าปล่อยให้เหล็กเย็นช้า ๆ จะเกิดคุณสมบัติเปราะได้อีก คือค่า Impact strength จะกลับลดลง แต่ถ้าภายหลังการอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 450 ๐C แล้วปล่อยให้เย็นอย่างรวดเร็ว อาการเกิด Temper brittleness จะหายไป ( ดังรูปที่ STEEL-AS19 ) จากการศึกษาพบว่าอาการที่เกิดขึ้นมาจากสาเหตุการเกิดคาร์ไบด์ขนาดเล็กตามรอบ ๆ เกรนเช่นเดียวกัน | ||
 |
|
รูปที่
STEEL-AS19
แสดงผลเปรียบเทียบความต้านทานแรงกระแทก ที่อุณหภูมิการอบคืนตัวต่าง ๆที่มีต่ออัตราการเย็นตัวต่างกัน. |
| ข้อปลีกย่อยสำหรับการอบชุบเหล็กกล้าผสมแต่ละชนิดยังมีอีกมาก ซึ่งจะต้องศึกษารายละเอียดจากรายงานการอบชุบของเหล็ก แต่ละ | ||
| ชนิดโดยคำแนะนำของผู้ผลิต หรือจากหนังสือ Handbook เพราะเหล็กกล้าผสมที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมีมากมายหลายชนิด จึงไม่อาจจะกล่าวรายละเอียดได้ ณ ที่นี้ | ||
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 |