วัสดุเหล็กและการเลือกใช้งานเบื้องต้น

วัสดุเหล็กและการเลือกใช้งานเบื้องต้น
โดย ... ไพบูลย์  ชูพึ่งอาตม์
1. โครงสร้างของเหล็กกล้า และโลหะวิทยาเบื้องต้น
        เหล็กกล้า คือ เหล็กที่สามารถทำให้แข็งและมีคุณสมบัติดีขึ้นภายหลังจากได้รับความร้อนอย่าง ถูกต้องตามวิธี โดยหากนำเอาเหล็กกล้ามาเจียระไนและขัดให้เรียบแล้วใช้น้ำกรดเจือจางทำความ สะอาดที่ผิวหน้า แล้วใช้กล้องขยายกำลังสูงส่องดูจะเห็นว่าพื้นที่นั้นมีเส้นและโครงสร้าง ต่างๆ ดังรูปที่ 1, 2 และ 3 รูปต่างๆ ที่เราเห็นเรียกว่า โครงสร้างทางโลหะ เหล็กแต่ละชนิดจะมีโครงสร้างแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับธาตุต่างๆ ที่ผสมอยู่ในโลหะนั้นๆ และลักษณะการกระจายตัวของธาตุภายในเนื้อเหล็กด้วย
        เหล็กกล้าจะมีธาตุต่างๆ ผสมอยู่เนื้อเหล็กมีสูตรเป็น Fe₃C ซึ่งนักโลหะวิทยาเรียกว่า CEMENTITE นักโลหะวิทยาได้เรียกชื่อเหล็กกล้าที่อยู่ในสภาพต่างๆ เช่น เหล็กกล้าที่มีธาตุคาร์บอนผสมอยู่ 0.85% ว่า PEARLITE โดยสามารถแยกออกเป็น 3 ลักษณะได้คือ
1. ถ้าหากมีธาตุคาร์บอนผสมอยู่ต่ำกว่า 0.85% เหล็กกล้านั้นจะมีโครงสร้างเป็นแบบ FERRITE (ดังรูปที่ 1)
2. ถ้าหากมีธาตุคาร์บอนผสมอยู่ 0.85% เหล็กกล้านั้นจะมีโครงสร้างเป็นแบบ PEARLITE (ดังรูปที่ 2)
3. ถ้าหากมีธาตุคาร์บอนผสมอยู่มากกว่า 0.85% เหล็กกล้านั้นจะมีโครงสร้างเป็นแบบ PEARLITE + CEMENTITE (ดังรูปที่ 3)
        โครงสร้างของเหล็กกล้าทั้ง 3 แบบนี้จะเห็นได้โดยการนำเอาเหล็กกล้าไปให้ความร้อน โดยให้มีอุณหภูมิต่ำกว่า 721 °C (หากให้ความร้อนเกินแล้วโครงสร้างของเหล็กก็จะเปลี่ยนไป) ถ้าหากเราให้ความร้อนแก่เหล็กขึ้นไปจนถึงจุดจุดหนึ่งแล้ว โครงสร้างก็จะเปลี่ยนไปเป็นแบบ AUSTENITE และเมื่อทำให้เหล็กนั้นเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว โครงสร้างแบบ AUSTENITE ก็จะแข็งตัวและเกิดเป็นโครงสร้างอีกแบบหนึ่ง ซึ่งมีชื่อว่า MARTENSITE เป็นโครงสร้างชนิดใหม่แตกต่างไปจาก FERRITE, PEARLITE และ CEMENTITE โครงสร้างแบบ MARTENSITE นี้มีความแข็งมาก โครงสร้างของเหล็กกล้าแบบต่างๆ มีความแข็งแตกต่างกันไปดังตัวอย่างดังนี้

FERRITE
มีความแข็งประมาณ
80
BRINELL

PEARLITE
มีความแข็งประมาณ
200 – 300
BRINELL

CEMENTITE
มีความแข็งประมาณ
700
BRINELL

AUSTENITE
มีความแข็งประมาณ
180 – 250
BRINELL

MARTENSITE
มีความแข็งประมาณ
650 – 700
BRINELL

            ** BRINELL เป็นหน่วยวัดความแข็งเหล็กชนิดหนึ่ง
รูปที่ 1

รูปที่ 2
เฟอร์ไรท์(Ferrite)

ภาพถ่ายจากชิ้นงานจริงเปรียบเทียบ

โครงสร้าง
ในส่วนที่เป็นสีขาว เนื้อ Ferrite เส้นสีดำคือ เส้นรอบกรอบของเนื้อ Ferrite ส่วนจุดดำๆ ที่เห็นเป็นสิ่งสกปรกที่ปะปนติดเข้าไปด้วย

กำลังขยาย
100 เท่า

น้ำยากัดผิวหน้าชิ้นงาน
3% Nital (คือ 3% กรดไนตริคในส่วนผสมแอลกอฮอล์ใช้เวลา 11 – 12 วินาที)

ส่วนประกอบทางเคมีของชิ้นงาน
C  0.02%,  Si  0.24%,  Mn  0.22%,  P  0.005%,  S  0.017%

การอบชุบด้วยความร้อน
950 °C Normalizing

ความแข็ง
HB 40 – 70

การทนแรงดึงขาด
22 – 32 กก./มม²

การยืดตัว
40 – 50 %

รูปที่ 3

รูปที่ 4
เพิรไลท์ (Pearlite)

ภาพถ่ายจากชิ้นงานจริงเปรียบเทียบ

โครงสร้าง
โครงสร้างเฟอร์ไรท์ และซีเมนไตด์ ชั้นสีขาวเรียงสลับ

พื้นสีขาวคือ เฟอร์ไรท์ และบางส่วนสีดำคือ ซ๊เมนไตด์

กำลังขยาย
500 เท่า

น้ำยากัดหน้าผิวชิ้นงาน
3% Nital (คือ 3% ของกรดไนตริคในส่วนผสมแอลกอฮอล์ใช้เวลา 6 – 9 วินาที)

ส่วนประกอบทางเคมีของชิ้นงาน
C  0.88%,  Si  0.28%,  Mn  0.36%,  P  0.020%,  S  0.013%

การอบชุบด้วยความร้อน
900 °C Annealing ใช้เวลา 5 ชั่วโมง

ความแข็ง
HB 180 – 200

รูปที่ 5
เพิรไลท์และเฟอร์ไรท์ (Pearlite and Ferrite)

รูปถ่ายจากชิ้นงานจริงเปรียบเทียบ

โครงสร้าง
เนื้อสีขาวๆ คือ Ferrite และส่วนที่เห็นสีดำและเทา คือ Pearlite

กำลังขยาย
500 เท่า

น้ำยากัดผิวหน้าชิ้นงาน
3% Nital (ใช้เวลา 9 -10 วินาที)

ส่วนประกอบทางเคมี
C  0.46%,  Si  0.24%,  Mn  0.69%,  P  0.020%,  S  0.022%

การอบชุบด้วยความร้อน
930 °C Annealing

ความแข็ง
HB 150 ~200

การทนแรงดึงขาด
60 กก. / มม.²

การยืดตัว
22%

รูปที่ 6

2. การเลือกชนิดของเหล็ก
        ความผิดพลาดของการทำงานหลายครั้งเกิดขึ้นจากการเลือกซื้อเหล็กโดยไม่ทราบ ชนิดและส่วนผสม จึงทำการอบชุบให้แข็งผิดพลาด โดยเหล็กที่มีขายในท้องตลาดมีชื่อและส่วนผสมแตกต่างกันไปมากมายหลายชนิด และมักทำให้สับสน เพราะประเทศผู้ผลิตเป็นผู้กำหนดมาตรฐานและชื่อเอง เหล็กที่ผลิตจากประเทศหนึ่งจึงมีชื่อแตกต่างไปจากเหล็กอีกประเทศหนึ่ง เช่นในสหรัฐอเมริกาจะมีมาตรฐานแบบ ASTM, AISI, SAE ญี่ปุ่นมีมาตรฐาน JIS เยอรมันมีมาตรฐาน DIN เป็นต้น ดังนั้นผู้ใช้งานควรจะศึกษาหาความรู้เกี่ยวกับชนิดและส่วนประกอบของเหล็ก เพื่อเลือกให้เหมาะสมกับชิ้นงาน เพราะเหล็กแต่ละชนิดมีคุณสมบัติแตกต่างกัน

ความรู้เบื้องต้นของเหล็กกล้า

        เหล็กกล้า (STEEL) คือเหล็กที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบไม่เกิน 2% เหมาะสมสำหรับการอบชุบโลหะด้วยความร้อน (HEAT TREATMENT) ให้มีคุณสมบัติแข็งแกร่งเหมาะสมกับการใช้งานมากขึ้น เหล็กกล้ามีมากมายหลายชนิด แต่ละชนิดมีคุณสมบัติแตกต่างกันไปมากบ้างน้อยบ้าง ซึ่งยังไม่มีเหล็กกล้าใดที่มีคุณสมบัติครอบคลุมการใช้งานได้ทุกชนิด คือให้มีทั้งความแข็งและเหนียว อ่อนพอจะกลึงไสหรือแปรรูปได้ง่าย มีความต้านทานต่อการเสียดสีดี ไม่เป็นสนิม ซึ่งเป็นไปไม่ได้ในเหล็กชนิดเดียวกัน ชิ้นเดียวกัน ถ้ามีความเหนียวก็จะไม่แข็ง ถ้าต้องการให้แข็งก็จะไม่เหนียว และความต้องการในการใช้งานก็แตกต่างกัน จึงเป็นสาเหตุให้มีเหล็กต่างชนิดกันมากมายจำหน่ายอยู่ตามท้องตลาด ในการเลือกใช้งานจึงต้องพิจารณาคุณสมบัติของเหล็กและส่วนผสม รวมทั้งกรรมวิธีการอบชุบเหล็กให้เหมาะสมด้วย
        เหล็กกล้าแบ่งออกเป็น 2 ชนิดใหญ่ๆ คือ
        - เหล็กกล้าคาร์บอน
        - เหล็กกล้าผสม
เหล็กกล้าคาร์บอนแบ่งออกได้เป็น
1. RIMMED STEELเป็นเหล็กโครงสร้างที่มีคาร์บอนต่ำประมาณ 0.07 – 0.15% มักใช้ทำลวด ท่อต่างๆ
2. KILLED STEEL คือเหล็กที่ถลุงแล้วไล่ก๊าซต่างๆ ที่ไม่พึงประสงค์แล้วรีดออกมาแล้วนำไปอบคืนให้เหนียว มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนต่ำ แบ่งออกเป็น
   2.1 DEAD MILD STEEL คาร์บอนประมาณ 0.07 – 0.15% ซิลิคอน 0.5% มักใช้กับงานที่ต้องรีดขึ้นรูปเย็น เช่น ท่อ เป็นต้น
   2.2 MILD STEEL คาร์บอน 0.15 – 0.25% แมงกานีส 0.6% ซิลิคอน 0.25% ใช้ทำพวกเหล็กฉาก LIGHT GAGE ท่อ
   2.3 เหล็กคาร์บอนปานกลาง (MEDIUM CARBON STEEL) จะมีคาร์บอนอยู่ระหว่าง 0.3 – 0.5%
   2.4 เหล็กคาร์บอนสูง (HIGH CARBON STEEL) จะมีคาร์บอนอยู่ตั้งแต่ 0.5% ขึ้นไป
เหล็กกล้าผสม (ALLOY STEEL)  จะมีคุณสมบัติพิเศษเพิ่มขึ้นไปจากเหล็กคาร์บอนธรรมดาตามคุณสมบัติของธาตุ และปริมาณ (เปอร์เซ็นต์) ที่ผสมรวมเข้าไปในเหล็กนอกเหนือไปจากคาร์บอน โดยสารซึ่งประกอบในเนื้อเหล็กปรกติ 5 ธาตุ เดิม คือ คาร์บอน ซิลิคอน แมงกานีส ฟอสฟอรัส และซัลเฟอร์ ธาตุที่ผสมเข้าไปเพิ่ม ได้แก่ โครเมียม นิกเกิล อลูมิเนียม ทังสะเตน วานาเดียม ไทเทเนียม โมลิบดินั่ม โคบอลท์ เป็นต้น โดยบริษัทผู้ผลิตเหล็กจะเป็นผู้กำหนดมาตรฐานและส่วนผสมต่างๆ ให้เหมาะสมกับการใช้งาน
หมายเหตุ :- เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ เปอร์เซ็นต์คาร์บอนไม่เกิน 0.3 ไม่สามารถชุบแข็งโดยการชุบปกติได้ ต้องผ่านกรรมวิธี CARBURIZING (หรือการเติมคาร์บอน) ที่ผิวแล้วนำไปชุบแข็ง ซึ่งเรียกว่า CASE HARDENING หรือการชุบแข็งที่ผิว
        - เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง 0.3 – 0.5 เปอร์เซ็นต์ สามารถชุบแข็งโดยวิธีปกติได้
        - เหล็กกล้าที่มีส่วนผสมคาร์บอนเกิน 0.5 เปอร์เซ็นต์ขึ้นไป สามารถชุบแข็งได้ดี

5 ธาตุหลักที่ผสมในเนื้อเหล็ก

1. คาร์บอน (C = CARBON)
        เป็นตัวสำคัญที่สุดที่จะต้องมีผสมอยู่ในเนื้อเหล็ก มีคุณสมบัติทำให้เหล็กแข็งหลังจากผ่านขบวนการอบชุบด้วยความร้อน (HEAT TREATMENT)
2. แมงกานีส (Mn = MANGANESE)
        แมงกานีสช่วยเพิ่มคววามแข็งแรงของเหล็ก เหล็กทั่วไปจะมีแมงกานีสผสมอยู่ประมาณ 0.6 – 0.9% แต่ถ้ามีมากกว่านี้เหล็กจะมีคุณสมบัติทนการเสียดสีสูง
3. ซิลิคอน (Si = SILICON)
        เหล็กโดยทั่วไปจะมีซิลิคอนอยู่ประมาณ 0.6% เมื่อผสมซิลิคอนมากกว่านี้จะทำให้เหล็กทนค่าแรงดึงที่จุดยืดได้ (YIELD POINT)หรือที่เราเรียกว่า เหล็กสปริง โดยเหล็กสปริงจะมีซิลิคอนผสมอยู่มากกว่า 0.6 ถึง 2.5%
4.ฟอสฟอรัส (P= PHOSPHORUS)
        มีอยู่ในสินแร่เหล็กและตกค้างในเนื้อเหล็ก ฟอสฟอรัสทำให้เหล็กเปราะ จึงต้องขจัดออกไปให้มากที่สุด โดยไม่ให้มีมากเกิน 0.05%
5.กำมะถัน (S = SULPHUR)
        มีคุณสมบัติคล้าย ฟอสฟอรัส คือทำให้เหล็กเปราะ มีผสมในเนื้อเหล็กตามธรรมชาติ ขจัดให้เหลือน้อยได้ยาก ไม่ควรเกิน 0.05%

ธาตุอื่นๆ ที่จำเป็นต้อคุณสมบัติของเนื้อเหล็ก

1. โครเมียม (Cr)
        เพิ่มความแข็งให้เหล็กแต่ลดความทนต่อแรงกระแทก (IMPACT) Cr สามารถรวมตัวกับคาร์บอน ซึ่งแข็งมาก เหล็กจึงทนต่อการเสียดสี ทนการกัดกร่อนช่วยให้เหล็กทนทานการใช้งานที่อุณหภูมิสูงขึ้น โดยถ้าผสมในช่วง 0.5 – 3.0% จะเพิ่มความคงทนต่อการสึกหรอ และทนต่อการขึ้นสนิม
2. นิเกิล (Ni)
        เป็นตัวเพิ่มความทนทานต่อแรงกระแทก (IMPACT) ของเหล็กมีคุณสมบัติเหนียว ดังนั้นจึงใช้ผสมเหล็กที่จะนำไปชุบแข็งที่ผิว (CASE HARDENING) ทนการกัดกร่อนและความร้อนดีขึ้น นิเกิลไม่ทำให้คุณสมบัติในการเชื่อมของเหล็กลดลง
3. ทังเสตน (W)
        สามารถรวมตัวกับคาร์บอนเป็นคาร์ไบด์ที่แข็งมาก จึงทำให้เหล็กที่ผสมทังสเตนมีความแข็งมากหลังจากผ่านการอบชุบ ใช้ทำเครื่องมือตัด มีดกลึง (CUTTING TOOL)เหล็กจะมีเนื้อละเอียด เหนียว และทนการเสียดสี
4. โมลิบดินั่ม (Mo)
        ทำให้เหล็กมีเนื้อละเอียด ไม่เปราะ ทนแรงดึงมากขึ้น ทนการกัดกร่อนและเปลี่ยนขนาดน้อยเมื่อมีอุณหภูมิสูงขึ้น จึงมีผสมในกระบอกปืน กระบอกไฮดรอลิก
5. แวนนาเดียม (V)
        เพิ่มความแข็งแรงให้กับเหล็ก ทำให้เหล็กมีเนื้อละเอียด ทนต่อความร้อนได้ดี รวมตัวกับธาตุคาร์บอนเป็นคาร์ไบด์ได้ง่าย ทนต่อการกัดกร่อนมักจะผสมในเหล็กทนความร้อน เหล็กไฮสปิค
6. โคบอลท์ (Co)
        ช่วยทำให้เหล็กมีความแข็งแรงที่อุณภูมิสูง จึงใช้ผสมในเหล็กทนความร้อน (HOT WORK STEEL) และทำให้เหล็กเกิดโครงสร้างแบบคาร์ไบด์ เพิ่มความต้านทานในการรีดเหล็กร้อนๆ
7. อลูมิเนียม (Al)
        ผสมเล็กน้อยในเหล็กจะทำให้เนื้อละเอียดขึ้น ใช้ผสมลงในเหล็กที่จะนำไปชุบแข็งโดยวิธี NITRIDING (ชุบแข็งที่ผิว) เนื่องจากอลูมิเนียมสามารถรวมตัวกับไนโตรเจนเป็นสารที่แข็งมากใช้ผสมลงใน เหล็กทนความร้อน
ตารางที่ 1

ตารางที่ 1  เหล็ก SS หรือที่เราเรียกภาษาตลาดว่า เหล็กเพลาขาว ใช้งานพื้นฐานทั่วไป เช่น ใช้ทำสลักทั่วไป ลวด
ตารางที่ 2

ตารางที่ 2  เหล็ก SS กำหนดมาตรฐานส่วนผสมตาม JIS ไว้ 4 ธาตุ ดังตารางข้างบน
            คำว่า Max. ย่อมาจาก MAXIMUM หรือมีค่าไม่เกิน
ตารางที่ 3


ตารางที่ 3  เหล็กที่ใช้ทำโครงสร้างยานยนต์ทั่วไป
ตารางที่ 4


ตารางที่ 4  กำหนดส่วนผสมไว้เพียง 2 ธาตุ คือ ฟอสฟอรัส (P) และซัลเฟอร์ (S) โดยมีไม่เกิน 0.040 เพื่อไม่ให้โลหะเปราะ
ตารางที่ 5


ตารางที่ 5 เหล็กรีดเย็น ตามตารางข้างบน ใช้กับงานขึ้นรูปลึกทั่วไป รวมทั้งชิ้นส่วนยานยนต์ด้วย จะสังเกตุเห็นได้ว่าปริมาณคาร์บอนต่ำ เหล็กสามารถปั๊มขึ้นรูปได้ง่ายไม่แตกเนื่องจากไม่แข็งมาก
ตารางที่ 6

ตารางที่ 6  เหล็กกล้าคาร์บอนตามตารางข้างบน หรือที่เราเรียกตามภาษาตลาดว่า “เหล็กหัวแดง” จะควบคุม 5 ธาตุหลักไว้ โดยธาตุสำคัญคือคาร์บอน จะมีตั้งแต่คาร์บอนต่ำไปจนถึงคาร์บอนปานกลาง และเริ่มต้นของคาร์บอนสูง
โดยทั่วไปเรากำหนด        ค่าคาร์บอนต่ำไว้ที่ ไม่เกิน 0.3% (ชุบแข็งธรรมดาไม่ชื้น)
                                   คาร์บอนปานกลาง 0.3 – 0.5%
                                   ปริมาณคาร์บอนเกิน 0.5% ขึ้นไป เป็นคาร์บอนสูง
        จะสังเกตเห็นได้ว่า ปริมาณฟอสฟอรัส (P) ไม่เกิน 0.030% และซัลเฟอร์ (S) ไม่เกิน 0.035% เพื่อไม่ให้เหล็กเปราะ ใช้ทำเพลา ชิ้นส่วนเครื่องจักร จอบ เสียม มีดทั่วไป เฟืองรถไถขนาดเล็กรอบต่ำ ฯลฯ ในลักษณะของชิ้นงานบางชนิด จำเป็นต้องใช้เหล็กที่มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอน เกิน 0.3% จึงจะสามารถชุบให้แข็งได้ โดยทั่วไปจะใช้เปอร์เซ็นต์คาร์บอน 0.50 – 0.55%
ตารางที่ 7


ตารางที่ 7  แสดงถึงเหล็กกล้าคาร์บอน (CARBON STEEL) และเหล็กกล้าคาร์บอนทำเครื่องมือ (CARBON TOOL STEEL) ตามตารางข้างบน จะให้ตัวอย่างการใช้งานไว้แถวขวามือ โดยเริ่มต้นจากเหล็ก S30 CM มีคาร์บอนต่ำ แต่จะมีธาตุโครเมียมผสมนิกเกิลเข้ามาเล็กน้อย จนกระทั่งบางชนิดก็จะมีธาตุคาร์บอนสูงเกิน 1 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งใช้ทำใบเลื่อยงานไม้ ใบมีดโกน ชิ้นส่วนเครื่องจักร ฯลฯ
ตารางที่ 8

ตารางที่ 8   แสดงถึงเหล็กแมงกานีส โดย SMn 420 ใช้สำหรับชุบแข็งที่ผิวเนื่องจากเปอร์เซ็นต์ธาตุคาร์บอนต่ำ ชุบปกติไม่แข็ง จะต้องชุบด้วยวิธีเติมคาร์บอนที่ผิวซึ่งเรียกว่า CASE HARDENING
ตารางที่ 9

ตารางที่ 9  จะสังเกตเห็นได้ว่า ทุกเบอร์มีเปอร์เซ็นต์ธาตุแมงกานิสสูงกว่าปกติที่มีเพียงไม่เกิน 0.90 เปอร์เซ็นต์ ในหล้ก SMn จะมีค่าสูง 1.65 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งจะส่งผลให้เหล็กใช้งานสำหรับทนการเสียดสีสูง โดย SMn 420 จะใช้ชุบแข็งโดยวิธี CASE HARDENING (โดยการเติมคาร์บอนที่ผิวแล้วชุบให้แข็งที่ผิว)
ตารางที่ 10

ตารางที่ 10  เป็นเหล็กโครเมียม โดยมี SCr 415 และ 420 ซึ่งมีเปอร์เซ็นต์ต่ำ ต้องชุบด้วยวิธี CASE HARDENING
ตารางที่ 11

ตารางที่ 11  เหล็กโครเมียม จะสังเกตุเห็นได้ว่านอกจากเปอร์เซ็นต์ของ 5 ธาตุหลักแล้ว มีธาตุโครเมียมเพิ่มเข้าไป เพื่อทนต่อการใช้งานและการสึกหรอ ทำให้เหล็กแข็งแรงขึ้น
ตารางที่ 12

ตารางที่ 12  แสดงถึงเหล็กที่มีทั้งโครเมียมและโมลิบดินั่ม จึงมีชื่อว่า SCM โดยในตลาดบ้านเราจะเรียกเหล็กนี้ว่า “เหล็กหัวสีฟ้า” โดยร้านขายเหล็กนี้ที่เป็นเพลากลม เหลี่ยม จะทาสีที่หัวเป็นสีฟ้า เพื่อให้สังเกตเห็นได้ง่าย
        เหล็กนี้ใช้กันมากในการทำชิ้นส่วนยานยนต์ที่ต้องการความแข็ง – เหนียว เช่น ลูกหมาก เพลา เฟืองรถยนต์ กระบอกปืน กระบอกไฮดรอลิค
        เบอร์ที่บ้านเรารู้จักกันดีมากคือ SCM4 (ชื่อเดิม) ชื่อใหม่คือ SCM 440
        เราอาจเคยได้ยินหรือเห็นเครื่องมือประแจปากตายที่โฆษณาว่าเป็นเหล็ก โคร-โม ซึ่งหมายถึง เหล็กโครเมียม โมลิบดินั่ม เป็นประแจที่ขึ้นรูปโดยวิธี DROP FORGED ก็คือเทียบแล้วคือเหล็กตัวนี้ของมาตรฐาน JIS
ตารางที่ 13




ตารางที่ 13   เหล็กไร้สนิม (เหล็กแสตนเลส) ที่บ้านเราคุ้นเคยกันกับคำว่า แสตนเลสเบอร์ 18-8 หมายถึงเปอร์เซ็นต์โครเมียมมีอย่างน้อย 18 เปอร์เซ็นต์ และนิกเกิลมีอย่างน้อย 8 เปอร์เซ็นต์ หรือตามมาตรฐาน JIS นี้คือเบอร์ SUS 304 ที่เราคุ้นเคยกันว่า เป็นเบอร์ที่ไม่ขึ้นสนิม แต่ในบ้านเราอาจมีการใช้เบอร์ 403 มาทำเป็นผลิตภัณฑ์แทน โดยเบอร์ 403 นี้ สามารถขึ้นสนิมได้ การทดสอบส่วนผสมโลหะสามารถทำได้
3. การอบชุบเหล็กให้แข็งด้วยความร้อน (HEAT TREATMENT)
        การอบชุบเหล็กให้แข็งด้วยความร้อน คือการให้ความร้อนแก่โลหะที่ต้องการให้แข็งไปถึงจุดๆ หนึ่ง ที่โครงสร้างภายในเนื้อโลหะนั้นเปลี่ยนแปลงจากแบบหนึ่งไปเป็นอีกแบบหนึ่ง แล้วทำให้โลหะนั้นเย็นลง อาจโดยการจุ่มน้ำ หรือน้ำมัน โลหะนั้นจะมีคุณสมบัติแข็งขึ้นกว่าเดิม
        การอบชุบเหล็กมีวัตถุประสงค์เพื่อที่จะเปลี่ยนแปลงให้คุณสมบัติของโลหะนั้น ดีขึ้น เหมาะสมกับสภาพการใช้งาน เช่น ต้องการให้แข็ง ต้องการให้เหนียว หรือทนเสียดสีที่ผิวนอกและเหนียว
ขั้นตอนการดำเนินการอบชุบโดยสังเขป คือ
1. การให้ความร้อน ความร้อนจะทำให้โครงสร้างของเหล็กเปลี่ยนไป และต้องมีการเผาแช่ เนื่องจากความหนาของชิ้นงาน เพื่อให้ความร้อนกระจายตัวไปถึงภายในชิ้นงานแล้วจึงนำไปจุ่มชุบในน้ำ หรือ น้ำมัน หรือสารชุบ
2. เวลาในการเผาแช่ (SOAKING TIME)โดยเมื่อเราเผาชิ้นงานถึงอุณหภูมิชุบแข็ง เราต้องเผาชิ้นงานที่อุณหภูมินี้เป็นระยะเวลาหนึ่ง เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างภายในแกนกลางของชิ้นงาน เราเรียกเวลาช่วงนี้ว่า เวลาการเผาแช่ ชิ้นงานที่มีความหนามากยิ่งต้องการเวลาในการเผาแช่มากยิ่งขึ้น
3. สารชุบ (QUENCHING MEDIA)หมายถึงตัวที่ทำให้เหล็กเย็นลงหลังจากการเผา อาจเป็นสาร หรือน้ำมัน หรือน้ำเป็นต้น โดยนำโลหะไปจุ่มชุบ (QUENCHING)ลงในสาร หรือน้ำมัน หรือน้ำ ให้เหล็กเย็นตัวลง เพื่อให้โครงสร้างเหล็กเหมาะสมกับการใช้งาน
4. การอบคืน (TEMPERING) ภายหลังจากการจุ่มชุบแล้ว เราต้องนำชิ้นงานไปอบคืน เพื่อลดแรงเครียด และความเปราะในชิ้นงาน ความแข็งจะลดลงบ้าง พร้อมทั้งเพิ่มควสามเหนียวในชิ้นงาน การอบคืนสำหรับเหล็กกล้าโดยทั่วไปมีอุณหภูมิระหว่าง 150 ºC – 300 ºC ถ้าเราปฏิบัติได้ถูกต้องในกรรมวิธีตามขั้นตอนแล้ว การอบคืนตัวก็เป็นกรรมวิธีสุดท้ายของการชุบแข็ง ซึ่งชิ้นงานก็พร้อมที่จะนำไปเจียระไนหากจำเป็น หรือใช้งานต่อไป
        ในการอบชุบเหล็กเพื่อการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ ของเครื่องจักร เครื่องมือ ขึ้นอยู่กับความประสงค์ของการใช้งาน เพื่อให้ได้คุณสมบัติของเหล็กตามความต้องการนั้น แบ่งการชุบออกได้เป็น 2 วิธี หรือ 2จุดประสงค์ คือ การอบชุบแข็งทั้งชิ้นงาน และการอบชุบแข็งเฉพาะผิว (CASE HARDENING)
การอบชุบทั้งชิ้นงาน  มีวัตถุประสงค์หลายอย่างด้วยกันคือ
1. การอบเพื่อลดแรงเครียดในชิ้นงาน (STRESS RELIEVING) ทำเพื่อที่จะลดแรงเครียดในชิ้นงานที่เกิดขึ้นภายหลังการรีด การเผาตีเหล็ก การเชื่อม เป็นต้น สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนเราต้องนำชิ้นงานนี้ไปเผาที่อุณหภูมิ 550 – 600 ºC และทิ้งให้อยู่ในอุณหภูมินี้ 1 – 2 ชั่วโมง แล้วค่อยๆ ปล่อยให้เย็นตัวช้าๆ ในเตา ก็จะได้ชิ้นงานที่นำไปใช้แล้วจะไม่เกิดการบิดงอภายหลัง
2. การอบเพื่อให้อ่อน (ANNEALING OR SOFT ANNEALING)เป็นกรรมวิธีที่ใช้ทำกับเหล็กชิ้นส่วนเครื่องจักร เครื่องมือ จากโครงสร้างแข็งให้เหนียวเพิ่มมากขึ้นทนต่อการรับแรงกระแทก ไม่แตกหักง่าย โดยการให้ความร้อนแก่เหล็ก อุณหภูมิที่ถูกต้องแน่นอน จำเป็นต้องศึกษาจากแผนภูมิของเหล็กแต่ละชนิดไป
    การอบจะต้องอบให้ร้อนจนทั่วทั้งชิ้นงาน และปล่อยให้เย็นตัวช้าๆ ภายในเตาแล้วจึงนำออกมา วัตถุประสงค์ของการอบให้อ่อนนี้เพื่อทำให้ชิ้นส่วนต่างๆ ที่ผลิต เกิดความเหนียวมากขึ้น เพื่อนำไปกลึง เจาะ หรือแต่งขนาดได้ง่ายขึ้น เช่น ชิ้นส่วนที่ผ่านการทุบขึ้นรูป เช่นเพลาข้อเหวี่ยง
3. วิธีการเผาและปล่อยให้เย็นในอากาศ (NORMALIZING)วิธีการนี้เป็นวิธีการอบเผาเหล็กให้ร้อนขึ้นอย่างช้าๆ จนถึงอุณหภูมิตามที่ต้องการแล้วปล่อยให้เย็นตัวในอากาศ โดยนำชิ้นส่วนเหล่านั้นออกจากเตา ปล่อยให้เย็นตัว
4. การอบชุบแข็งทั้งชิ้นงาน (OVERALL HARDENING) ใช้สำหรับการอบชุบเหล็กให้แข็งทั้งชิ้นงาน เพื่อวัตถุประสงค์ของการใช้งาน เช่น ดอกสว่าน ตะไบ เป็นต้น
-  การอบชุบแข็งเฉพาะที่ผิว (CASE HARDENING)
   มีชิ้นงานหลายชนิดที่จำเป็นต้องแข็งเฉพาะผิวหน้า เพื่อทนการเสียดสี แต่ต้องเหนียวภายในเพื่อรับแรงกระแทก เช่น ฟันเฟือง เพลาลูกเบี้ยว สลักก้านสูบ เป็นต้น
   วัตถุประสงค์ของการชุบโดยวิธีนี้คือ ให้ผิวมีความแข็งประมาณ 50 – 60 HRC ทนการเสียดสี ส่วนภายในไม่เกิน 40 HRCโดยใช้เหล็กคาร์บอนปานกลาง หรือใช้ MILD STEEL (คาร์บอนต่ำ) และใช้วิธีเติมคาร์บอนที่ผิว แล้วจึงนำมาอบชุบให้แข็งที่ผิวอีกครั้ง
กรรมวิธีการอบชุบแข็งที่ผิวทำได้โดย
1. การเติมคาร์บอนที่ผิวเหล็ก (CARBURIZING PROCESS)ใช้กับเหล็กเหนียวธรรมดา มีคาร์บอนไม่เกิน 0.30% ชุบไม่แข็งเพราะไม่มีคาร์บอนพอในการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง จึงต้องนำเหล็กพวกนี้มาทำให้มีคาร์บอนมากขึ้นตามกรรมวิธี CARBURIZING เสียก่อน โดยทำได้คือ
1.1 โดยกรรมวิธี PACK CARBURIZING กรรมวิธีนี้เป็นวิธีเก่าแก่ทำกันมานาน เพราะเป็นวิธีที่ลงทุนน้อย ได้ความลึกในการชุบแข็งมาก เหล็กซึ่งเหมาะกับงานชนิดนี้ ได้แก่ เหล็กคาร์บอนต่ำ คือมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนไม่เกิน 0.3% และเหล็กผสมเปอร์เซ็นต์ต่ำ (LOW ALLOY STEEL)
      สารที่ใช้เผาเป็นส่วนผสมของถ่านไม้ ถ่านหิน ซึ่งมีคาร์บอนมาก และสารที่เป็นตัวในการเกิดปฏิกริยาได้แก่ แบเรียมคาร์บอเนต หรือโซเดียมคาร์บอเนต ตามส่วนประกอบที่พอเหมาะ ซึ่งสารเหล่านี้เมื่อได้รับความร้อนถึงประมาณ 900 ºC จะกลายเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ และคาร์บอนมอนนอกไซด์ แก๊สที่เกิดขึ้นนี้จะทำปฏิกริยากับผิวเหล็ก ทำให้เหล็กถูกคาร์บอนในแก๊สรับเข้าไปที่ผิวและซึมลึกลงไปในเนื้อเหล็กได้ ประมาณ 1 – 3 มม. ในเวลา 3 – 4 ชม. โดยสามารถเติมคาร์บอนที่ผิวได้ในเปอร์เซ็นต์ที่สูง 0.8 – 1.1 เปอร์เซ็นต์
      เหล็กเหล่านี้หลังจากเติมคาร์บอนที่ผิวแล้ว นำมาชุบแข็งด้วยน้ำหรือน้ำมันเหมือนกับเหล็กที่มีคาร์บอนสูง จะทำให้บริเวณผิวที่มีคาร์บอนผสมอยู่แข็งมากเหมือนชุบเหล็กคาร์บอนสูง ส่วนภายในเนื้อเหล็กที่คาร์บอนเข้าไม่ถึง จะยังคงเป็นเหล็กธรรมดามีความเหนียว
1.2 วิธีการเติมคาร์บอนโดยจุ่มในสารหลอมไซยาไนด์ (CYANIDING SALT BATH)ในกรณีนี้ปฏิกริยาในการเกิดแก๊สคล้ายกันกับข้อ 1.1 ต่างกันแต่ว่าสารที่ให้คาร์บอนเป็นของเหลือ เช่น โซเดียมไซยาไนด์ หรือโปแตสเซียมไซยาไนด์ ประมาณ 28 – 30 % ในงานผิวแข็งลึกปานกลาง และ 30 – 40% ในงานผิวแข็งลึกมาก อุณหภูมิในการให้ความร้อนเผาไซยาไนด์ประมาณ 850 – 950 ºC
      วิธีทำคือ หลอมละลายสารโซเดียมไซยาไนด์ หรือโปแตสเซียมไซยาไนด์ ด้วยหม้อเหล็กโดยเตาน้ำมัน หรือเตาไฟฟ้า หรืออื่นๆ
      โดยแช่เหล็กที่เป็นชิ้นส่วนงานลงในไซยาไนด์หลอมละลายและให้ความร้อนจนถึง ประมาณ 900ºC แล้วแช่ไว้ที่อุณหภูมินี้ประมาณ 2 – 3 ชั่วโมง แล้วแต่ความลึกของความแข็งที่ต้องการ หลังจากนั้นจึงนำชิ้นส่วนเหล่านั้นไปชุบน้ำหรือน้ำมัน หลังจากนั้นจึงนำมาอบคืนไฟเพื่อลดแรงเครียดต่อไป
2. การใช้แก๊สไนโตรเจนอบชุบผิวให้แข็ง (กรรมวิธี NITRIDING)
    เป็นวิธีการชุบผิวแข็งโดยใช้แก๊สไนโตรเจนเป็นตัวทำให้แข็งแทนคาร์บอนใน เนื้อเหล็กและใช้กันมากในปัจจุบัน ใช้สำหรับงานที่ต้องการผิวแข็งมาก ความแข็งที่ได้รับจากการอบชุบด้วยวิธีนี้จะแข็งเฉพาะผิวบางๆ และไม่อ่อนตัวเมื่อถูกความร้อน ไม่เป็นสนิม ไม่ผุกร่อนง่าย ใช้กันมากในการอบชุบชิ้นส่วนของเครื่องบิน วิธีทำคือ อบเผาชิ้นงานในเตาซึ่งปิดมิดชิดอุณหภูมิประมาณ 450 – 540 ºC แล้วอัดแก๊สแอมโมเนียเข้าไปทำปฏิกริยากับเหล็ก แก๊สแอมโมเนียเมื่อถูกความร้อนจะแตกตัวเป็นแก๊สไนโตรเจนและไฮโดรเจน ทำปฏิกริยากับธาตุที่ผสมอยู่ในเหล็ก คือ โครเมียม อลูมิเนียม โมลิบดินั่ม และแวนาเดียม และเกิดเป็นสารผสมชนิดใหม่เกาะอยู่รอบๆ บริเวณผิวเหล็ก โดยเกิดปฏิกริยาขึ้นอย่างช้าๆ ได้ความลึกผิวแข็ง บางมาก และใช้เวลานาน โดยความลึกผิวแข็งที่ได้ส่วนใหญ่จะได้ไม่มากเกิน 0.3 มม. ถ้าต้องการผิวลึกกว่านี้อาจจะต้องใช้เวลานานมาก
    เหล็กที่จะชุบด้วยวิธีนี้ต้องใช้เหล็กที่มีธาตุโครเมียม อลูมิเนียม โมลิบดินั่ม และแวนาเดียม เหล็กคาร์บอนธรรมดาชุบด้วยวิธีนี้ไม่ได้ การอบชุบด้วยวิธีนี้จึงมีราคาแพงมาก
3. การชุบผิวแข็งด้วยเปลวไฟ (FLAME – HARDENING) มีงานหลายชนิดที่ต้องการผิวแข็งเพียงส่วนใดส่วนหนึ่ง งานประเภทนี้โดยมากเป็นงานชิ้นใหญ่ๆ ไม่สามารถนำเข้าเตาหรืออบชุบด้วยวิธีอื่นได้ เช่น เฟืองใหญ่ๆ ที่ต้องการชุบแข็งที่ขอบของเฟืองเท่านั้น
    งานเหล่านี้จะต้องชุบแข็งแต่ละส่วนด้วยการเผาด้วยเปลวไฟจากแก๊สอะแซทีลีนและ ออกซิเจน เช่นเดียวกับการเชื่อมเหล็ก โดยออกแบบหัวเผาให้เหมาะสมกับรูปร่างของงานและมีน้ำฉีดออกมาตามรอยเผาในเวลา ไล่เลี่ยกัน คือ หลังจากเผาจนร้อนแดงแล้ว หัวเผาควรออกแบบให้เดินได้โดยอัตโนมัติ วิธีนี้ต้องอาศัยความชำนาญในการปรับแก๊สเปลวไฟและปรับความเร็วเดินเครื่อง
4. การชุบแข็งด้วยเครื่องไฟฟ้าเหนี่ยวนำความถี่สูง (INDUCTION HARDENING) การชุบวิธีนี้คล้ายกับการชุบด้วยเปลวไฟ ต่างกันอยู่ที่ตัวให้ความร้อนใช้ไฟฟ้า โดยใช้ขดท่อทองแดงซึ่งเป็นขดท่อเหนี่ยวนำโดยมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำความถี่ สูง ขดท่อทองแดงจะต้องออกแบบให้เหมาะสมกับผิวหน้าของรูปร่างกับงานที่ต้องการชุบ แข็ง โดยขดท่อทองแดงให้ขนานไปกับผิวหน้าของชิ้นงาน ให้มีระยะห่างเล็กน้อย แต่ไม่ติดกับเหล็กและมีท่อน้ำมีแรงดันฉีดพ่นออกมาขนานไปกับขดท่อเหนี่ยวนำ
    ความร้อนที่เกิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำจะร้อนรวดเร็วมากเหมือนกับการเผาและชุบในเวลาเพียง 20 – 60 นาทีเท่านั้น
โครงสร้างการทำผิวแข็งโดยใช้กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ
(Induction Hardned Structure)

ภาพถ่ายจากชิ้นงานจริง

โครงสร้าง
โครงบริเวณผิวของชิ้นงาน (จากซ้ายไปขวา) บริเวณผิวจะเกิดมาเทนไซด์เกรนละเอียด

กำลังขยาย
500 เท่า

น้ำยากัดผิวหน้าชิ้นงาน
3% Nital (ใช้เวลา 9 – 11 วินาที)

ส่วนประกอบทางเคมีของชิ้นงาน
C 0.46%, Si 0.24%, Mn 0.69%, P 0.020%, S 0.022%

การอบชุบด้วยความร้อน
-

ความแข็ง
HRC 60

การทนแรงดึง
จะขึ้นอยู่กับเส้นผ่าศูนย์กลาง และความลึกที่ทำการเหนี่ยวนำด้วย

        การชุบแข็งด้วยวิธีใช้กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ จะช่วยเพิ่มความแข็งและคุณสมบัติการล้าตัวของเหล็กกล้า เมื่อเปรียบเทียบกับกรรมวิธีจุ่มชุบแข็งด้วยวิธีธรรมดา เพราะเกิดโครงสร้างละเอียด และเกิดความเค้นแรงอัดค้างอยู่ในเนื้อโลหะเนื่องจากการให้ความร้อน การเย็นตัวของชิ้นงานเป็นไปอย่างรวดเร็ว แต่คุณสมบัติเหล่านี้จะหมดไปถ้าทำการ tempering

ภาพถ่ายจากชิ้นงานจริง
โครงสร้างคาร์บูไรด์
(Carburized Structure)

ภาพถ่ายจากชิ้นงานจร

ที่มา : http://www.tsnc.in.th