เหล็กกล้า (Steel)

คือ เหล็กที่ผ่านการเพิ่มธาตุโลหะอื่นๆเข้าไปเพื่อปรับคุณสมบัติของเหล็กเป็นโลหะผสมมีปริมาณคาร์บอนประมาณ 0.2 - 2.04% คาร์บอนเป็นวัสดุผสมที่ลดต้นทุน แต่มีการใช้ธาตุอื่นๆผสมด้วย เช่น แมงกานีส โครเมียม วานาเดียม ทังสเตน คาร์บอน และอื่นๆ การเปลี่ยนปริมาณธาตุโลหะเป็นตัวกำหนดคุณภาพทั้งด้าน ความแข็ง การขึ้นรูป การรีด และความตึงของเหล็กกล้า

เหล็กกล้าที่มี โครงสร้างแกรไฟต์แบบกลมจะมีความอ่อนตัวสูง เหล็กกล้าที่มีการเพิ่มคาร์บอนจะแข็งแกร่ง และมีความแข็งมากกว่าเหล็ก แต่จะเปราะ ค่าสูงสุดในการละลายของคาร์บอนในเหล็กเป็น 2.14% เกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 1149?C ในการอบใช้อุณหภูมิประมาณ 950?C ความเข้มข้นที่สูง หรืออุณหภูมิต่ำ จะทำให้เหล็กเกิดลักษณะเป็นซีเมนต์ โลหะผสมที่มีคาร์บอนมาก จะเป็นเหล็กที่มีความแข็งมาก เพราะมีจุดหลอมเหลวต่ำ

เหล็กกล้าต่างจาก เหล็กบริสุทธิ์ตรงที่มีอะตอมของธาตุอื่นน้อยมาก แต่มีกากแร่ 1-3% โดยน้ำหนักในรูปของอนุภาคอยู่ในทิศทางหนึ่ง ซึ่งมีความทนทานกว่าเหล็กกล้า และโค้งงอง่ายกว่า

เหล็กกล้าแบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดหลัก คือ

1. เหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steel) คือ เหล็กกล้าที่เพิ่มธาตุคาร์บอนเข้าไป เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางกลให้กับเหล็ก

2. เหล็กกล้าประสม (Alloy Steel) มีชื่อเรียก ที่เกิดจากการผสมธาตุตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไปดังนี้
- 2 ชนิด เรียกว่า ไบนารี่อัลลอย (Binary Alloy)
- 3 ชนิด เรียกว่า เทอร์นารี่อัลลอย (Ternary Alloy)
- 4 ชนิด เรียกว่า ควอเทอร์นารี่อัลลอย (Quaternary Alloy)

ประเภทของเหล็กกล้า

1. เหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steel) มีส่วนผสมของคาร์บอนเป็นหลักที่ไม่เกิน 1.7% และมีธาตุอื่นผสม เช่น ซิลิคอน ฟอสฟอรัส กำมะถัน และแมงกานีส ในปริมาณน้อย จะติดมากับเนื้อเหล็กตั้งแต่เป็นสินแร่ เหล็กชนิดนี้เป็นวัสดุช่างชนิดเดียว ที่มีคุณสมบัติทางความแข็งแรง (Strength) และความอ่อนตัว (Ductility) ที่เปลี่ยนแปลงได้กว้างมากตามปริมาณของคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็ก ทำให้เหมาะที่จะเลือกใช้ได้ตามความเหมาะสมของลักษณะงานบางครั้งที่เรียกว่า "Mild Steel"

ประเภทของเหล็กกล้าคาร์บอนแบ่งได้เป็น 3 ชนิด คือ

1. เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (Low Carbon Steel) เป็นเหล็กเหนียวแต่ไม่แข็งแรงนัก สามารถนำไปกลึง กัด ไส เจาะได้ง่าย เนื่องจากเป็นเหล็กที่อ่อน สามารถรีดหรือตีเป็นแผ่นได้ง่าย เหมาะกับงานที่ไม่ต้องการความเค้นแรงดึงสูงนัก ไม่สามารถนำมาชุบแข็งได้ แต่ถ้าต้องการชุบแข็งต้องใช้วิธีเติมคาร์บอนที่ผิวก่อน เพราะมีคาร์บอนน้อย (ไม่เกิน 0.2%) ตัวอย่างการใช้งาน เช่น เหล็กแผ่นหม้อน้ำ ท่อน้ำประปา เหล็กเส้นในอุตสาหกรรมก่อสร้าง เหล็กเคลือบดีบุก เช่นกระป๋องบรรจุอาหาร เหล็กอาบสังกะสี เช่น แผ่นสังกะสีมุงหลังคา ทำตัวถังรถยนต์ ถังน้ำมัน งานย้ำหมุด ทำสกรู ลวด สลักเกลียว ชิ้นส่วนอะไหล่เครื่องจักร โซ่ บานพับประตู

2. เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (Medium Carbon Steel) เป็นเหล็กที่มีความแข็งแรงและความเค้นแรงดึงมากกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ แต่มีความเหนียวน้อยกว่า นอกจากนี้ยังให้คุณภาพในการแปรรูปที่ดีกว่าและยังสามารถนำไปชุบผิวแข็งได้ เหมาะกับงานที่ต้องการความเค้น ดึงปานกลาง ต้องการป้องกันการสึกหรอที่ผิวหน้า และต้องการความแข็งแรง แต่มีความแข็งบ้างพอสมควร เช่น ทำชิ้นส่วนเครื่องจักรกล ทำรางรถไฟ เพลาเครื่องกล เฟือง หัวค้อน ก้านสูบ สปริง ชิ้นส่วนรถไถนา ไขควง ท่อเหล็ก นอต สกรูที่ต้องแข็งแรง

3.เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (High Carbon Steel) เป็นเหล็กมีความแข็งแรง และทนความเค้นแรงดึงสูง มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอน 0.5-1.5% สามารถทำการชุบแข็งได้แต่จะเปราะ เหมาะสำหรับ งานที่ต้องการความต้านทานต่อการสึกหล่อ เช่น ดอกสว่าน สกัด กรรไกร มีดคลึง ใบเลื่อยตัดเหล็ก ดอกทำเกลียว (Tap) ใบมีดโกน ตะไบ แผ่นเกจ เหล็กกัด สปริงแหนบ ลูกบอล แบริ่งลูกปืน

2. เหล็กกล้าประสม (Alloy Steel) เป็นเหล็กกล้าผสมคาร์บอนไม่เกิน 1.7% และมีธาตุอื่นๆผสม เช่น แมงกานิส นิกเกิล โครเมียม วาเนเดียม โมลิบดินัม โคบอลต์ ทังสเตน การผสมธาตุต่างๆ ช่วยปรับคุณสมบัติให้เหมาะกับความต้องการ เช่น การทนต่อความร้อนเพื่อใช้ทำ เตากระทะ เตาไฟฟ้า และเตาอินดักชั่น

จุดมุ่งหมายของการผสมธาตุอื่นๆ คือ

- เพิ่มความแข็งแรง
- เพิ่มทนทานต่อการสึกหรอ และทนการเสียดสี
- เพิ่มความเหนียวทนต่อแรงกระแทก
- เพิ่มคุณสมบัติต้นทานการกัดกร่อน
- ปรับปรุงคุณสมบัติด้านแม่เหล็ก

เหล็กกล้าประสมสามารถแบ่งตามปริมาณของวัสดุที่ผสมได้ 2 ประเภทคือ

1. เหล็กกล้าประสมสูง (High Alloy Steel) เป็นเหล็กที่ผสมธาตุอื่นๆกว่า 10% เหล็กกล้าในกลุ่มนี้รวมถึง เหล็กเครื่องมือประสม (Alloy Tool Steel) มีคุณสมบัติในด้าน ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อการสึกหรอได้ดี จึงถูกใช้งานในการทำเหล็กงานเครื่องมือต่างๆ

2. เหล็กกล้าประสมต่ำ (Low Alloy Steel) เป็นเหล็กที่ผสมธาตุอื่นๆไม่เกิน 10% มีโครงสร้างคล้ายเหล็กคาร์บอนธรรมดา Plain Carbon Steel) และมีคุณสมบัติเหมือนเหล็กกล้าประสมสูง

3. เหล็กกล้าประสมพิเศษ (Special Alloy Steel) เหล็กกล้าประสมพิเศษ เป็นเหล็กกล้าประสมที่พัฒนาขึ้นมาเพื่อให้เหมาะกับงานเฉพาะเช่น

1. เหล็กกล้าประสมทนแรงดึงสูง (High Tensile Strength Alloy Steel) เป็นเหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติต่างจากเหล็กกล้าประสมทั่วไป คือ มีคุณสมบัติทนแรงดึงได้สูงมาก และมีความเหนียวสูง นอกจากนี้วิธีการชุบแข็งยังแตกต่างไปจากเหล็กกล้าประสมทั่วไป มีเปอร์เซ็นต์ คาร์บอนอยู่ประมาณ 0.2% เหมาะกับงาน เพลาส่งกำลัง หรือ เฟืองเป็นต้น

2. เหล็กกล้าทนการเสียดสี และรับแรงกระแทก (Wear Resistant Steel) คือ เหล็กกล้าประสมแมงกานีส หรือ "เหล็กกล้าฮาดฟิลต์" โดยมีธาตุผสมเช่น ซิลิคอน 0.4-1% แมงกานีส 11-14% แต่เหล็กที่ผลิตออกมาในตอนแรกยังไม่สามารถนำไปใช้งานได้ เพราะมีความเปราะมาก ต้องนำไปชุบที่อุณหภูมิ 1000-1100?C และจุ่มน้ำอย่างรวดเร็ว จะทำให้เหล็กชนิดนี้มีคุณสมบัติเหนียว เหล็กชนิดนี้ไม่เหมาะสำหรับลักษณะ การ ใช้งานที่มีเพียงการเสียดสีแต่เพียงอย่างเดียว เพราะจะไม่คุ้มทุนการผลิต จะต้องได้รับแรงกระแทกพร้อมกันไปด้วย นอกจากนี้ไม่สามารถตัดเจาะ หรือกลึงได้ง่าย ต้องใช้มีดกลึงที่มีความแข็งสูง และใช้ความเร็วในการตัดต่ำมาก เช่น ตะแรงเหล็ก อุปกรณ์ขุดแร่ รางรถไฟ ฯลฯ

3. เหล็กกล้าความเร็วสูง (High Speed Steel หรือ HSS) เป็นเหล็กที่พัฒนาขึ้นสำหรับงานเครื่องมือตัด กลึง กัด เจาะ ไส ซึ่งเดิมนั้นใช้เหล็ก คาร์บอน สูง เหล็กชนิดนี้มีทังสเตนเป็นธาตุหลักประสม ก่อนนำไปใช้งานจะต้องชุบแข็งก่อนที่อุณหภูมิ ประมาณ 950 - 1300?C ขึ้นอยู่กับส่วนผสม

คุณสมบัติทั่วไป
- มีความแข็ง (หลังจากชุบแข็งแล้วจะเปราะ)
- รักษาความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง
- ชุบแข็งได้ดีทนต่อการสึกหรอได้ดี
- เปอร์เซ็นต์คาร์บอน 0.6 - 0.8%
- ธาตุที่ผสมอยู่ ทังสเตน 6% ไมลิบดินัม 6% โครเมียม 4% วาเนเดียม 1%
- การใช้งาน ดอกสว่าน ดอกทำเกลียว มีด กลึง มีดใส แม่พิมพ์ เครื่องมือวัดต่างๆ ฯลฯ

4. เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel) มีธาตุโครเมียมผสมอยู่เพื่อให้มีคุณสมบัติต้านทานสนิม และต้องผสมโครเมียมให้สูงพอสมควร

คุณสมบัติทั่วไป

- ป้องกันการเกิดสนิม การกัดกร่อนจากสารเคมีประเภทกรด
- ทนความร้อน (ขึ้นอยู่กับปริมาณโครเมียมต้องสูง)
- เปอร์เซ็นต์คาร์บอน ไม่เกิน 0.4%
- ธาตุที่ผสม เช่นโครเมียม 15 -18% นิกเกิล แมงกานีส อะลูมิเนียม ฯลฯ
- การใช้งานที่ยึดส่วนต่างๆ เช่น ที่ยึดเตาท่อ มีด ช้อนส้อม หรืออุปกรณ์ในงานเคมี หรืออ่างล้างในครัว (Sink)

4. เหล็กกล้าหล่อ (Cast Steel) คือ เหล็กกล้าที่นำมาขึ้นรูปโดยวิธีการหล่อ มีลักษณะรูปร่างซับซ้อนเกินกว่าที่จะทำการตีขึ้นรูป การอัด หรือการรีด ซึ่ง วิธีการหล่อนี้จะได้งานที่ขนาดใกล้เคียงกับขนาดที่ต้องการ เหล็กกล้าหล่อนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยการตี หรือการวัด จะมีส่วนที่แตกต่างกันคือ ชิ้นส่วนเครื่องจักรกลที่ผ่านการหล่อจะปรากฏมีรูพรุนเล็กๆ

เหล็กกล้าหล่อแบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่มๆ คือ

1. เหล็กกล้าคาร์บอนหล่อ (Carbon Casting Steel) เป็นเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนเป็นหลักเพียงอย่างเดียวโดยมีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนไม่เกิน 0.6% ธาตุโลหะอื่นที่ผสมอยู่เช่น แมงกานีส 0.5 ?1% ซิลิคอน 0.2 ? 0.75 % กำมะถัน <0.5% ฟอสฟอรัส < 0.5% ซึ่งเป็นสารมลทิน ยกเว้นเฉพาะ แมงกานีส ซิลิคอน อะลูมิเนียม เพราะมีหน้าที่เป็นตัวกำจัดแก๊ส (Deoxidizer) ส่วนใหญ่การใช้งานจะใช้ทำ กังหันเทอร์ไบต์

เหล็กกล้าคาร์บอนหล่อแบ่งเป็น 3 ประเภท

- เหล็กกล้าหล่อคาร์บอนต่ำ (มีคาร์บอนไม่เกิน 0.2%)

- เหล็กกล้าหล่อคาร์บอนปานกลาง (มีคาร์บอน 0.2 ?0.5%)

- เหล็กกล้าหล่อคาร์บอนสูง (มีคาร์บอน 0.5-0.6%)

2. เหล็กกล้าประสมหล่อ (Alloy Casting Steel)เป็นเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนไม่เกิน 1.7% และธาตุอื่นผสม เช่น แมงกานีส ซิลิคอน โครเมียม นิกเกิล วาเนเดียม โมลิบดินัม โมลิบดินัม ทังสเตน ทองแดง หรือโคบอลต์ การที่มีธาตุต่างๆ ประสมลงในเหล็กกล้าคาร์บอนเพื่อปรับปรุง คุณสมบัติ เช่น การชุบแข็ง การต้านทานการกัดกร่อนทั้งที่อุณหภูมิปกติและสูง การนำไฟฟ้า และคุณสมบัติเกี่ยวกับแม่เหล็ก กรรมวิธีการผลิตจะผลิตใน เตากระทะ เตาไฟฟ้า และ เตาอินดักชั่น ส่วนใหญ่จะนำไปใช้งานทำชิ้นส่วนอุปกรณ์ในงานอุตสาหกรรมเคมี

เหล็กกล้าประสมหล่อ สามารถแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มคือ

- เหล็กกล้าประสมต่ำ (ธาตุผสมเช่น แมงกานีส โครเมียม นิกเกิล ทังสเตน ไม่เกิน10%)
- เหล็กกล้าประสมสูง (มีธาตุผสมที่สำคัญเกินกว่า 10%)

5. เหล็กอ่อน (Wrought Iron) เป็นเหล็กที่ผลิตจากเตาพุดเดิ้ล (Pudding Process) มีเปอร์เซ็นต์คาร์บอนไม่เกิน 0.1% นอกจากนี้ยังมีธาตุอื่นผสม เช่น ซิลิคอน กำมะถัน ฟอสฟอรัส แมงกานีส ฯลฯ ผลผลิตจากเตาพุดเดิ้ลจะได้เหล็กที่มีความบริสุทธิ์สูงถึง 99.9% เมื่อเผาให้ร้อนเหล็กอ่อนนี้จะไม่หลอมละลาย แต่จะอ่อนเปียกตีขึ้นรูปได้ง่ายมาก สามารถตีชิ้นเหล็กให้ประสานกันได้ ตัวอย่างการใช้งาน เช่น ท่อ หรือผลิตภัณฑ์ที่ต้องพบกับการเสื่อมสภาพโดยสนิม ข้อต่อรถไฟ โซ่ ขอเกี่ยว หรือ อุปกรณ์ที่ขึ้นรูปอย่างง่าย