เหล็กหล่อคือกลุ่มของโลหะผสมเหล็ก-คาร์บอนที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 2%ประโยชน์ของมันมาจากอุณหภูมิหลอมเหลวที่ค่อนข้างต่ำส่วนประกอบโลหะผสมจะส่งผลต่อสีเมื่อเกิดการแตกหัก: เหล็กหล่อสีขาวมีสิ่งเจือปนจากคาร์ไบด์ซึ่งทำให้รอยแตกร้าวทะลุผ่านได้โดยตรง เหล็กหล่อสีเทามีเกล็ดกราไฟต์ซึ่งเบี่ยงเบนรอยแตกร้าวที่ผ่านไปและทำให้เกิดรอยแตกใหม่จำนวนนับไม่ถ้วนเมื่อวัสดุแตกหัก และเหล็กหล่อเหนียวจะมีทรงกลม กราไฟท์ "ก้อน" ที่ช่วยหยุดรอยแตกไม่ให้ก้าวหน้าต่อไป

คาร์บอน (C) มีตั้งแต่ 1.8 ถึง 4 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก และซิลิคอน (Si) 1–3 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก เป็นองค์ประกอบผสมหลักของเหล็กหล่อโลหะผสมของเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่าเรียกว่าเหล็กกล้า

เหล็กหล่อมีแนวโน้มที่จะเปราะ ยกเว้นเหล็กหล่ออ่อนได้ด้วยจุดหลอมเหลวที่ค่อนข้างต่ำ ความลื่นไหลที่ดี ความสามารถในการหล่อ การขึ้นรูปได้ดีเยี่ยม ความต้านทานต่อการเสียรูปและความต้านทานการสึกหรอ เหล็กหล่อจึงกลายเป็นวัสดุทางวิศวกรรมที่มีการใช้งานที่หลากหลาย และใช้ในท่อ เครื่องจักร และชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมยานยนต์ เช่น กระบอกสูบ ฝาสูบ เสื้อสูบ และกล่องเกียร์ทนต่อความเสียหายจากการเกิดออกซิเดชัน

สิ่งประดิษฐ์เหล็กหล่อที่เก่าแก่ที่สุดมีอายุตั้งแต่ศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช และถูกค้นพบโดยนักโบราณคดีในบริเวณที่ปัจจุบันคือมณฑลเจียงซูในประเทศจีนเหล็กหล่อถูกใช้ในจีนโบราณเพื่อการสงคราม เกษตรกรรม และสถาปัตยกรรมในช่วงศตวรรษที่ 15 เหล็กหล่อถูกนำมาใช้สำหรับปืนใหญ่ในเบอร์กันดี ฝรั่งเศส และในอังกฤษระหว่างการปฏิรูปปริมาณเหล็กหล่อที่ใช้สำหรับปืนใหญ่จำเป็นต้องมีการผลิตจำนวนมาก สะพานเหล็กหล่อแห่งแรกสร้างขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1770 โดยอับราฮัม ดาร์บีที่ 3 และเป็นที่รู้จักในชื่อ The Iron Bridge ในเมืองชรอปเชียร์ ประเทศอังกฤษเหล็กหล่อยังใช้ในการก่อสร้างอาคารอีกด้วย

องค์ประกอบการผสม

คุณสมบัติของเหล็กหล่อมีการเปลี่ยนแปลงโดยการเติมธาตุอัลลอยด์หรืออัลลอยด์ต่างๆถัดจากคาร์บอน ซิลิคอนเป็นโลหะผสมที่สำคัญที่สุดเนื่องจากจะบังคับให้คาร์บอนออกจากสารละลายเปอร์เซ็นต์ซิลิคอนที่ต่ำช่วยให้คาร์บอนยังคงอยู่ในสารละลายที่ก่อตัวเป็นเหล็กคาร์ไบด์และการผลิตเหล็กหล่อสีขาวเปอร์เซ็นต์ซิลิคอนที่สูงจะบังคับให้คาร์บอนออกจากสารละลายที่ก่อตัวเป็นกราไฟท์และทำให้เกิดเหล็กหล่อสีเทาสารผสมอื่นๆ ได้แก่ แมงกานีส โครเมียม โมลิบดีนัม ไทเทเนียม และวานาเดียม จะต่อต้านซิลิคอน ส่งเสริมการกักเก็บคาร์บอน และการก่อตัวของคาร์ไบด์เหล่านั้นนิกเกิลและทองแดงจะเพิ่มความแข็งแรงและความสามารถในการแปรรูป แต่ปริมาณกราไฟท์ที่เกิดขึ้นจะไม่เปลี่ยนแปลงคาร์บอนในรูปของกราไฟท์ส่งผลให้เหล็กนิ่มขึ้น ลดการหดตัว ลดความแข็งแรง และลดความหนาแน่นซัลเฟอร์ซึ่งเป็นสารปนเปื้อนส่วนใหญ่ในปัจจุบันจะก่อตัวเป็นเหล็กซัลไฟด์ ซึ่งป้องกันการเกิดกราไฟท์และเพิ่มความแข็งปัญหาเกี่ยวกับกำมะถันคือทำให้เหล็กหล่อหลอมเหลวมีความหนืดซึ่งทำให้เกิดข้อบกพร่องเพื่อตอบโต้ผลกระทบของซัลเฟอร์ แมงกานีสจะถูกเติมเข้าไปเนื่องจากทั้งสองรูปแบบกลายเป็นแมงกานีสซัลไฟด์แทนที่จะเป็นเหล็กซัลไฟด์แมงกานีสซัลไฟด์มีน้ำหนักเบากว่าของที่ละลาย ดังนั้นจึงมีแนวโน้มที่จะลอยออกมาจากที่ละลายและเข้าไปในตะกรันปริมาณแมงกานีสที่ต้องใช้ในการทำให้กำมะถันเป็นกลางคือ 1.7 ×ปริมาณกำมะถัน + 0.3%หากเติมแมงกานีสมากกว่าปริมาณนี้ แมงกานีสคาร์ไบด์จะก่อตัวขึ้น ซึ่งจะเพิ่มความแข็งและความหนาวเย็น ยกเว้นในเหล็กสีเทา ซึ่งแมงกานีสมากถึง 1% จะเพิ่มความแข็งแรงและความหนาแน่น

นิกเกิลเป็นหนึ่งในองค์ประกอบโลหะผสมที่พบได้บ่อยที่สุด เนื่องจากช่วยปรับแต่งโครงสร้างเพิร์ลไลต์และกราไฟต์ ปรับปรุงความเหนียว และลดความแตกต่างของความแข็งระหว่างความหนาของส่วนต่างๆโครเมียมถูกเติมในปริมาณเล็กน้อยเพื่อลดกราไฟท์อิสระ ทำให้เกิดความเย็น และเนื่องจากเป็นสารเพิ่มความเสถียรของคาร์ไบด์อันทรงพลังมักเติมนิกเกิลเข้าด้วยกันสามารถเติมดีบุกจำนวนเล็กน้อยแทนโครเมียม 0.5%ทองแดงจะถูกเติมลงในทัพพีหรือในเตาเผาประมาณ 0.5–2.5% เพื่อลดอาการหนาว ปรับแต่งกราไฟท์ และเพิ่มความลื่นไหลมีการเติมโมลิบดีนัมประมาณ 0.3–1% เพื่อเพิ่มความเย็นและปรับแต่งโครงสร้างกราไฟต์และเพิร์ลไลต์มักเติมร่วมกับนิกเกิล ทองแดง และโครเมียมเพื่อสร้างเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงไทเทเนียมถูกเพิ่มเข้ามาเป็นตัวกำจัดแก๊สเซอร์และดีออกซิไดเซอร์ แต่ยังเพิ่มความลื่นไหลอีกด้วยเติมวาเนเดียม 0.15–0.5% ลงในเหล็กหล่อเพื่อรักษาเสถียรภาพของซีเมนต์ เพิ่มความแข็ง และเพิ่มความต้านทานต่อการสึกหรอและความร้อนเซอร์โคเนียม 0.1–0.3% ช่วยในการสร้างกราไฟท์ กำจัดออกซิไดซ์ และเพิ่มความลื่นไหล

ในการหลอมเหล็กอ่อนได้ จะมีการเติมบิสมัทในระดับ 0.002–0.01% เพื่อเพิ่มปริมาณซิลิคอนที่เติมได้ในเหล็กสีขาว มีการเติมโบรอนเพื่อช่วยในการผลิตเหล็กอ่อนมันยังช่วยลดผลกระทบที่หยาบของบิสมัทอีกด้วย

เหล็กหล่อสีเทา

เหล็กหล่อสีเทามีลักษณะเฉพาะด้วยโครงสร้างจุลภาคแบบกราไฟต์ ซึ่งทำให้วัสดุแตกหักมีลักษณะเป็นสีเทาเป็นเหล็กหล่อที่ใช้กันมากที่สุดและเป็นวัสดุเหล็กหล่อที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดโดยพิจารณาจากน้ำหนักเหล็กหล่อส่วนใหญ่มีองค์ประกอบทางเคมีคือคาร์บอน 2.5–4.0% ซิลิคอน 1–3% และเหล็กส่วนที่เหลือเหล็กหล่อสีเทามีความต้านทานแรงดึงและแรงกระแทกน้อยกว่าเหล็กกล้า แต่มีกำลังอัดเทียบได้กับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและปานกลางคุณสมบัติทางกลเหล่านี้ถูกควบคุมโดยขนาดและรูปร่างของเกล็ดกราไฟท์ที่มีอยู่ในโครงสร้างจุลภาค และสามารถกำหนดคุณลักษณะตามแนวทางที่กำหนดโดย ASTM

เหล็กหล่อขาว

เหล็กหล่อสีขาวจะแสดงพื้นผิวที่แตกเป็นสีขาวเนื่องจากมีตะกอนเหล็กคาร์ไบด์ที่เรียกว่าซีเมนไทต์ด้วยปริมาณซิลิกอนที่ต่ำกว่า (สารทำกราไฟท์) และอัตราการเย็นตัวที่เร็วขึ้น คาร์บอนในเหล็กหล่อสีขาวจะตกตะกอนจากการหลอมเหลวเป็นซีเมนต์เฟสที่แพร่กระจายได้ Fe₃C แทนที่จะเป็นกราไฟท์ซีเมนไทต์ที่ตกตะกอนจากการหลอมเหลวจะก่อตัวเป็นอนุภาคขนาดค่อนข้างใหญ่เมื่อไอรอนคาร์ไบด์ตกตะกอน มันจะดึงคาร์บอนออกจากการหลอมดั้งเดิม และเคลื่อนส่วนผสมไปยังส่วนที่ใกล้กับยูเทคติกมากขึ้น และระยะที่เหลือคือออสเทนไนต์ของเหล็ก-คาร์บอนที่ต่ำกว่า (ซึ่งเมื่อเย็นตัวลงอาจเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์)ยูเทคติกคาร์ไบด์เหล่านี้มีขนาดใหญ่เกินกว่าจะให้ประโยชน์ของสิ่งที่เรียกว่าการแข็งตัวด้วยการตกตะกอน (เช่นในเหล็กบางชนิด ซึ่งการตกตะกอนของซีเมนต์ที่มีขนาดเล็กกว่ามากอาจยับยั้ง [การเสียรูปพลาสติก] โดยการขัดขวางการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ผ่านเมทริกซ์เฟอร์ไรต์เหล็กบริสุทธิ์)แต่พวกเขาเพิ่มความแข็งรวมของเหล็กหล่อเพียงโดยอาศัยความแข็งที่สูงมากของตัวเองและเศษส่วนปริมาตรจำนวนมาก เพื่อให้สามารถประมาณความแข็งรวมตามกฎของส่วนผสมได้ไม่ว่าในกรณีใด พวกมันจะให้ความแข็งแต่แลกกับความเหนียวเนื่องจากคาร์ไบด์ประกอบขึ้นเป็นวัสดุส่วนใหญ่ เหล็กหล่อสีขาวจึงสามารถจัดประเภทเป็นเซอร์เมตได้อย่างสมเหตุสมผลเหล็กสีขาวเปราะเกินไปสำหรับใช้ในส่วนประกอบโครงสร้างหลายชนิด แต่มีความแข็งและทนต่อการเสียดสีที่ดีและมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ จึงพบการใช้งานในการใช้งานเช่นพื้นผิวการสึกหรอ (ใบพัดและก้นหอย) ของปั๊มสารละลาย เปลือกเปลือก และแท่งยกในลูกบอล โรงสีและโรงบดอัตโนมัติ ลูกกลิ้งและวงแหวนในเครื่องบดถ่านหิน และฟันของถังขุดของรถแบ็คโฮ (แม้ว่าเหล็กกล้ามาร์เทนซิติกแบบหล่อคาร์บอนปานกลางจะพบได้ทั่วไปสำหรับการใช้งานนี้)

เป็นเรื่องยากที่จะทำให้การหล่อแบบหนาเย็นลงเร็วพอที่จะทำให้วัสดุหลอมแข็งตัวเหมือนเหล็กหล่อสีขาวตลอดทางอย่างไรก็ตาม การระบายความร้อนอย่างรวดเร็วสามารถใช้เพื่อทำให้เปลือกเหล็กหล่อสีขาวแข็งตัวได้ หลังจากนั้นส่วนที่เหลือจะเย็นลงช้ากว่าจนกลายเป็นแกนเหล็กหล่อสีเทาผลการหล่อที่เรียกว่ากการหล่อเย็นมีข้อดีคือมีพื้นผิวแข็งแต่ภายในค่อนข้างแข็งกว่า

โลหะผสมเหล็กสีขาวโครเมียมสูงช่วยให้การหล่อขนาดใหญ่ (เช่น ใบพัด 10 ตัน) สามารถหล่อทรายได้ เนื่องจากโครเมียมจะลดอัตราการระบายความร้อนที่จำเป็นในการผลิตคาร์ไบด์ผ่านวัสดุที่มีความหนามากขึ้นโครเมียมยังผลิตคาร์ไบด์ที่มีความทนทานต่อการเสียดสีที่น่าประทับใจโลหะผสมโครเมียมสูงเหล่านี้มีความแข็งที่เหนือกว่าเนื่องจากมีโครเมียมคาร์ไบด์รูปแบบหลักของคาร์ไบด์เหล่านี้คือยูเทคติกหรือเอ็มปฐมภูมิ₇C₃คาร์ไบด์ โดยที่ "M" หมายถึงเหล็กหรือโครเมียม และอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของโลหะผสมยูเทคติกคาร์ไบด์ก่อตัวเป็นมัดของแท่งกลวงหกเหลี่ยมและเติบโตในแนวตั้งฉากกับระนาบฐานหกเหลี่ยมความแข็งของคาร์ไบด์เหล่านี้อยู่ในช่วง 1500-1800HV

เหล็กหล่ออ่อนได้

เหล็กอ่อนเริ่มต้นจากการหล่อเหล็กสีขาว จากนั้นนำไปอบด้วยความร้อนประมาณ 950 °C (1,740 °F) เป็นเวลาหนึ่งหรือสองวัน จากนั้นจึงทำให้เย็นลงภายในหนึ่งหรือสองวันเป็นผลให้คาร์บอนในเหล็กคาร์ไบด์เปลี่ยนเป็นกราไฟท์และเฟอร์ไรต์บวกกับคาร์บอน (ออสเทนไนต์)กระบวนการที่ช้าช่วยให้แรงตึงผิวสร้างกราไฟต์เป็นอนุภาคทรงกลมแทนที่จะเป็นสะเก็ดเนื่องจากอัตราส่วนที่ต่ำกว่า รูปร่างทรงกลมจึงค่อนข้างสั้นและอยู่ห่างจากกัน และมีส่วนตัดขวางที่ต่ำกว่าของรอยแตกหรือโฟนอนที่แพร่กระจายนอกจากนี้ยังมีขอบเขตทู่ เมื่อเทียบกับสะเก็ด ซึ่งช่วยลดปัญหาความเข้มข้นของความเครียดที่พบในเหล็กหล่อสีเทาโดยทั่วไป คุณสมบัติของเหล็กหล่ออบเหนียวจะเหมือนกับเหล็กเหนียวมากกว่ามีการจำกัดขนาดชิ้นส่วนที่สามารถหล่อในเหล็กอ่อนได้ เนื่องจากทำจากเหล็กหล่อสีขาว

เหล็กหล่อเหนียว