เหล็กกล้าเครื่องมือ (Tool Steels)

เป็น เหล็กกล้าที่มีธาตุคาร์บอน (Carbon) และธาตุผสมอื่นๆ ในปริมาณสูง เพื่อให้มีความสามารถในการชุบแข็งสูง และเพื่อสร้างคาร์ไบด์ เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติแข็งแกร่งและทนทานการสึกหรอ เพื่อให้เหมาะสำหรับทำเครื่องมือขึ้นรูป เช่น แม่พิมพ์ (Moulds) ในกระบวนการอัด-ฉีด แม่พิมพ์สำหรับตีขึ้นรูป หรือเครื่องมือตัดวัสดุ (Dies) ต่างๆ ซึ่งรวมถึงเหล็ก โลหะนอกกลุ่มเหล็ก และพลาสติก เป็นต้น

คุณสมบัติที่สำคัญของเหล็กกล้าเครื่องมือ

• ความสามารถในการชุบแข็ง (Harden-Ability) โดยใช้โคบอลต์ (Cobalt) เป็นธาตุที่ควบคุมความแข็ง
• ความเหนียว (Toughness) คือ กลุ่มที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำ-ปานกลาง เหมาะกับงานที่ต้องรับแรงกระแทก
• ความทนต่อการเสียดสี (Wear Resistance) คือ การใช้คาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัวในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง
• การรักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง (Red-Hardness) สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า 480?C
• ความสามารถในการกลึงไส (Machine-ability) คือ สามารถตัดแต่งขึ้นรูปชิ้นงาน และมีผิวที่เรียบ
• ความต้านทานการสูญเสียคาร์บอน (Decarburization Resistance) จะมีธาตุคาร์บอนในปริมาณสูง
• การไม่เปลี่ยนรูปร่างหรือขนาด (Non Deformation Properties) โดยทั่วไป

o การชุบแข็งได้ด้วยลม (Air) จะมีการบิดตัวน้อยที่สุด
o การชุบแข็งด้วยน้ำมัน (Oil) ทำให้เกิดการบิดตัวปานกลาง
o การชุบแข็งด้วยน้ำ (Water) ทำให้เกิดการบิดตัวสูงที่สุด

อิทธิพลของธาตุผสมต่อคุณสมบัติของเหล็กกล้าเครื่องมือ

• คาร์บอน (C) ช่วยเพิ่มความแข็ง ความเค้น ทนแรงดึง ความสามารถในการชุบแข็ง แต่จะลดความเหนียว และการยืดตัวของเหล็ก การรวมตัวกับธาตุผสมตัวอื่น เช่น โครเมียม โมลิบดินั่ม ทังสเตน จะฟอร์มตัวเป็นคาร์ไบด์ ซึ่งช่วยเพิ่มคุณสมบัติเช่น ความสามารถในการชุบแข็ง ทนต่อการเสียดสี การรักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูงได้ดี เป็นต้น
• ซิลิกอน (Si) โดยปกติจะใช้เพื่อไล่แก๊สออกซิเจน และจะมีการใช้ในปริมาณ 0.2-0.3% เพื่อช่วยให้คาร์บอนรวมตัวเป็นกราไฟต์ ซึ่งทำให้เกิดความลื่นเมื่อใช้ทำแม่พิมพ์ ลดปัญหาการติดของโลหะในขณะทำการขึ้นรูป ธาตุนี้จะไม่ใช้ตามลำพัง แต่จะผสมร่วมกับโมลิบดินั่ม หรือวานาเดียม ในการลดการเกิดออกซิเดชั่นที่อุณหภูมิสูง ช่วยให้ชุบแข็งง่าย และช่วยให้คงความแข็งไว้ได้ดีในขณะอบคืนตัว (tempering)
• แมงกานีส (Mn) เป็นธาตุที่ใช้กำจัดแก๊ส และรวมตัวกับกำมะถัน (S) ช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง แต่จะเปราะหลังจากอบคืนตัวในช่วงอุณหภูมิ 400-600?C จึงมักผสมแมงกานีสจะผสมร่วมกับโครเมียม (Cr) และโมลิบดินั่ม (Mo) ซึ่งจะเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งได้มากขึ้น กว่าการผสมแมงกานีสเพียงธาตุเดียว
• โครเมียม (Cr) เป็นธาตุผสมเพื่อเพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง ทนต่อการเสียดสี เพิ่มความเหนียว หากใช้งานที่อุณหภูมิสูงคาร์ไบด์อาจละลาย แต่สามารถแก้ไขด้วยการผสมวานาเดียมเพื่อชะลอการขยายตัวของเกรน
• โมลิบดินั่ม (Mo) ส่วนใหญ่เหล็กกล้าเครื่องมืองานร้อน และงานความเร็วสูงจะผสมโมลิบดินั่มเพื่อผลในการชุบแข็ง และรักษาความแข็งของมาร์เทนไซต์ที่อุณหภูมิสูงถึง 500?C แต่จะเกิดออกไซด์ที่อุณหภูมิ 1000-1100?C และมีแนวโน้มทำให้สูญเสียคาร์บอนที่ผิวได้ง่าย จึงมักเติมซิลิกอนเพื่อปรับปรุงข้อบกพร่องนี้
• ทังสเตน (W) เป็นธาตุที่ควบคุมคาร์ไบด์ให้มีเสถียรภาพสูงที่อุณหภูมิสูง ทนทานต่อการสึกหรอ-การเสียดสี และทนความร้อน หากผสมทังสเตนสูงถึง 18% จะช่วยรักษาความแข็ง และความคมในการตัดที่อุณหภูมิสูง
• โคบอลท์ (Co) เป็นธาตุเดียวที่ลดความสามารถในการชุบแข็ง แต่จะมีบทบาทอย่างมากที่จะช่วยให้เหล็กมีความคม ตัดโลหะได้ดี (High cutting ability) และสามารถรักษาความแข็งได้จนถึงอุณหภูมิสูง จึงพบว่าเหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูง (high speed tool steel) จะผสมโคบอลท์อยู่ด้วย
• วานาเดียม (V) เป็นธาตุผสมทำให้คาร์ไบด์แข็ง เสถียร มีขนาดละเอียด และกระจัดกระจาย จึงมีผลทำให้ได้โครงสร้างเกรนที่ละเอียด สามารถใช้เพิ่มความแข็งแรง และความเหนียวให้กับชิ้นงานได้

การแบ่งกลุ่มเหล็กกล้าเครื่องมือ

1. เหล็กกล้าเครื่องมือชุบแข็งด้วยน้ำ เป็นเหล็กกล้าคาร์บอน ที่ผสมคาร์บอน ตั้งแต่ 0.60-1.40% อาจมีการผสมโครเมียม หรือวานาเดียมเพื่อเพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง และทนต่อการเสียดสี มีราคาถูก สามารถตัดแต่งชิ้นงานได้ง่าย สูญเสียคาร์บอนที่ผิวยาก แต่อาจทำให้ชิ้นงานบิดเบี้ยวได้ และไม่สามารถทนต่อความร้อน จึงไม่สามารถใช้สำหรับงานตัดที่รุนแรง หรือใช้งานซ้ำๆจนเกิดความร้อน จึงควรใช้งานสำหรับทำเครื่องมือตัดที่ใช้ความเร็วต่ำ ตัดด้วยแรงเบาๆ เช่น ไม้ อะลูมิเนียม แม่พิมพ์สำหรับทุบหัวขึ้นรูปเย็น

2. เหล็กกล้าเครื่องมืองานเย็น (Cold Work Tool Steels) เป็นกลุ่มที่ใช้ผลิตเครื่องมือสำหรับนำไปใช้ในงานแปรรูปโลหะที่ไม่ได้ให้ ความร้อนก่อนการแปรรูป เช่น แม่พิมพ์ตัดแผ่นโลหะเย็น ใบมีดตัดกระดาษ เฟืองกัดไม้ คัดเตอร์ เป็นต้น คุณสมบัติสำคัญที่ต้องการสำหรับเหล็กกล้าเครื่องมือกลุ่มนี้ คือ สามารถกลึงไสดี รักษาขนาดน้อยหลังการชุบแข็งในน้ำมัน หรือเย็นตัวในอากาศ ทนทานต่อการสึกหรอสูง มีความเหนียวทนแรงอัดกระแทกได้ดี เช่น

o เหล็กกล้าเครื่องมืองานเย็นประเภทชุบด้วยน้ำมัน มีปริมาณคาร์บอนสูงและคาร์ไบด์ขนาดเล็กที่มีอยู่อย่างกระจัดกระจาย ธาตุผสมของโครเมียม โมลิบดินั่ม และทังสเตน ทำให้สามารถชุบแข็งได้ด้วยน้ำมัน เป็นกลุ่มที่มีคุณสมบัติ ทนทานต่อการสึกหรอ มีความแข็งสูง ทำให้ชิ้นงานบิดตัว และแตกน้อย
o เหล็กกล้าเครื่องมืองานเย็นประเภทชุบด้วยลม มีปริมาณคาร์บอนสูงและธาตุผสมสูงปานกลาง ทำให้สามารถชุบแข็งได้ดี และมีโครงสร้างมาร์เทนไซต์ ชิ้นงานบิดเบี้ยวและแตกหักน้อย รักษารูปร่างและขนาดได้ดีเยี่ยม ในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อน ทนต่อการเสียดสีดี สามารถชุบแข็งได้

o เหล็กกล้าเครื่องมืองานเย็นประเภทคาร์บอนสูงและโครเมียมสูง มีธาตุผสมหลักคือ คาร์บอน โครเมียม และโมลิบดินั่ม มีความทนทานต่อการสึกหรอ ทนการเสียดสีดีเยี่ยม สามารถรักษาความคมจากการมีปริมาณคาร์ไบด์ในระดับสูงและโครงสร้างเท มเปอร์มาร์เทนไซต์หลังการชุบแข็งและอบคืนตัว

3. เหล็กกล้าเครื่องมือทนต่อแรงกระแทก (Shock Resisting Tool Steels) ได้รับการพัฒนาให้มีความเหนียว ความแข็งแรง และทนทานต่อการสึกหรอสูง เพื่อรองรับแรงกระแทกซ้ำๆ โดยมีปริมาณคาร์บอนในระดับปานกลาง และทำให้ภายหลังการอุบความร้อนที่เป็นโครงสร้างมาร์เทนไซต์ และมีคาร์ไบด์ละเอียดที่กระจัดกระจาย ธาตุแมงกานีส โครเมียม โมลิบดินั่ม ช่วยให้สามารถชุบแข็ง และรักษาความแข็งได้ดี

4. เหล็กกล้าเครื่องมืองานร้อน (Hot Work Tool Steels) ในงานบางประเภทที่ต้องใช้อาศัยอุณหภูมิสูงในการแปรรูป สามารถรักษาความแข็งที่อุณหภูมิสูงได้ดี ทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (Thermal Shock), ทนทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูงและมีความเหนียวที่ดี ธาตุผสมสำคัญ ได้แก่ โครเมียม โมลิบดินั่ม และทังสเตน ซึ่งผลรวมของธาตุเหล่านี้จะต้องมีปริมาณอย่างน้อย 5% เหล็กกล้าเครื่องมืองานร้อนที่มีการใช้งาน ได้แก่

o เหล็กกล้าเครื่องมืองานร้อนที่มีโครเมียมเป็นส่วนผสมหลัก จะมีโครเมียม 3.25% ขึ้นไป และธาตุผสมอื่น เช่น วานาเดียม ทังสเตน โมลิบดินั่ม มีปริมาณคาร์บอนปานกลางช่วยเพิ่มความเหนียว คาร์ไบด์ ทำให้คงความแข็งที่อุณหภูมิสูง จึงเหมาะกับงานขึ้นรูปร้อน และงานหล่อแบบฉีด สามารถชุบแข็งได้
o เหล็กกล้าเครื่องมืองานร้อนที่มีทังสเตนเป็นส่วนผสมหลัก มีความทนทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง มีความเหนียว แต่มีราคาสูงเนื่องจากทังสเตนที่เป็นส่วนผสม
o เหล็กกล้าเครื่องมืองานร้อนที่มีโมลิบดินั่มเป็นส่วนผสมหลัก มีทังสเตนเป็นส่วนผสมหลัก ทำให้ราคาถูก และทนทานต่อการแตกร้าว (Heat Cracking) ในขณะใช้งานลักษณะร้อนเย็นสลับกัน

5. เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูง (High Speed Tool Steels) เป็นเหล็กกล้าเครื่องมือที่ใช้เป็นวัสดุในการตัดโลหะด้วยความเร็วสูง สามารถรักษาความแข็งของคมตัดที่อุณหภูมิสูง สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่ม คือ

o เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูงที่มีทังสเตนเป็นส่วนผสมหลัก มีปริมาณทังสเตนสูง สามารถรักษาความแข็งได้ที่อุณหภูมิสูง สามารถชุบแข็งได้ดี และมีคาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพสูง ทำให้ทนทานต่อการสึกหรอดีเยี่ยม
o เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูงที่มีโมลิบดินั่มเป็นส่วนผสมหลัก สามารถรักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง ทนต่อการเสียดสี มีความเหนียว นอกจากนี้ได้มีการพัฒนาเติมธาตุโคบอลต์กว่า 10% ทำให้ได้ Super High-Speed Tool Steels แต่ควรหลีกเลี่ยงการสั่นและกระแทกแรงๆ เนื่องจากเปราะมาก

6. เหล็กกล้าเครื่องมือสำหรับทำแม่พิมพ์พลาสติก (Plastic Mold Steels) สามารถกลึงไส ทนทานต่อแรงอัด มีความแข็งที่ผิวและที่แกนสูง สามารถขัดผิวให้เรียบ ทนทานต่อการกัดกร่อนที่ผิว ใช้ผลิตแม่พิมพ์งานหล่อแบบฉีดสำหรับโลหะผสมที่มีอุณหภูมิจุดหลอมเหลวต่ำ เช่น สังกะสี และตะกั่ว สามารถแบ่งออกได้เป็น 3 กลุ่ม คือ

o เหล็กกล้าเครื่องมือสำหรับทำแม่พิมพ์พลาสติกกลุ่ม (Pre-Hardened Steels) มีคาร์บอน 0.20-0.30% มีโครเมียม นิเกิล และโมลิบดินั่มผสมในระดับปานกลาง สามารถกลึงไสดีมาก แต่ไม่สามารถกัดกรดได้ ภายหลังทำเป็นแม่พิมพ์แล้วก็ไม่จำเป็นต้องชุบแข็งอีกทนนทานต่อการสึกหรอ
o เหล็กกล้าเครื่องมือสำหรับทำแม่พิมพ์พลาสติกกลุ่ม (Case Hardening Steels) มีคาร์บอน 0.07-0.10% สามารถการกัดกรดได้ โดยทำการอบอ่อนก่อนการกัด แล้วจึงนำไปชุบผิวแข็ง ซึ่งอาจทำด้วยกระบวนการคาร์บูไรซิ่ง หรือไนตรายดิ้ง นิยมเคลือบด้วยโครเมียมเพื่อเพิ่มความทนทานการกัดกร่อน
o เหล็กกล้าเครื่องมือสำหรับทำแม่พิมพ์พลาสติกที่ทนการกัดกร่อนสูง ทนต่อการกัดกร่อนสูงสามารถทำได้โดยการชุบผิวด้วยโครเมียม เหมาะกับงานที่มีความชื้นสูง ต้องการผิวงานที่สวยงาม ทนทานการเกิดออกซิเดชั่นที่อุณหภูมิสูง และคงรูปจากการอบชุบความร้อนได้ดี แข็งแรง และสามารถในการขัดผิวให้เรียบได้ดี

ตัวอย่างการใช้งานเหล็กกล้าเครื่องมือ

กลุ่มเหล็กกล้าเครื่องมือและสัญลักษณ์ตาม AISI
- Water-Hardening Tool Steels (W) = เหล็กกล้าเครื่องมือที่ชุบแข็งด้วยน้ำ
- Shock-Resisting Tool Steels (S) = เหล็กกล้าเครื่องมือทนแรงกระแทก
- Oil-Hardening Cold-Work Tool Steels (O) = เหล็กกล้าเครื่องมืองานเย็นที่ชุบแข็งด้วยน้ำมัน
- Air-Hardening, Medium-Alloy Cold-Work Tool Steels (A) = เหล็กกล้าเครื่องมืองานเย็นที่ชุบแข็งด้วยลม
- High-Carbon, High-Chromium Cold-Work Tool Steels (D) = เหล็กกล้าเครื่องมืองานเย็นผสมโครเมี่ยมและคาร์บอนสูง
- Mold Steels (P) = เหล็กทำแม่พิมพ์
- Hot-Work Tool Steels, Chromium, Tungsten, And Molybdenum (H) = เหล็กกล้าเครื่องมืองานร้อน
- Tungsten High-Speed Tool Steels (T) = เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูงผสม W
- Molybdenum High-Speed Tool Steels (M) = เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูงผสม Mo

มาตรฐานเปรียบเทียบของเหล็กกล้าเครื่องมือ

กระบวนการ	คุณสมบัติที่ต้องการ	ชนิดเหล็กกล้าเครื่องมือที่เลือกใช้
หล่อแบบฉีด (Die Casting)	รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง, ต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (Thermal Shock), ต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง, การบิดเบี้ยวต่ำ, ความสามารถในการกลึงไสสูง, ความแน่นอนของขนาดภายหลังการชุบแข็ง	H13, P20
แม่พิมพ์สำหรับพลาสติกและยาง	ความต้านทานแรงอัด, ความแข็งที่ผิวสูง, ความแข็งแรงที่แกนสูง, ความสามารถในการกลึงไส, ความแน่นอนของขนาดภายหลังการชุบแข็ง, ความสามารถในการขัดผิวให้เรียบ, ความต้านทานการกัดกร่อนที่ผิว (เฉพาะกรณีที่ใช้งานในสภาวะที่มีกัดกร่อนสูง)	S1, O1, A2, D2, P6, P20, P21, H13
ทุบขึ้นรูปร้อน (Hot Forging)	ความเหนียว, รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง, ต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง, ต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (Thermal Shock), ทนการสึกหรอ	H11, H12
อัดขึ้นรูปร้อน (Hot Extrusion)	ความเหนียว, รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง, ต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง, ต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (Thermal Shock), ทนการสึกหรอ	H11, H12, H13
ทุบหัวเย็น (Cold Heading)	ความเหนียว, ความแข็ง, ทนการสึกหรอ, รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง จากการแปรรูป , ต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง	W1, W2, M1, M2, D2
หัวกดอัดขึ้นรูปเย็น(Cold Extrusion Punch)	ความแข็ง, ทนการสึกหรอ, ทนการเสียดสี, รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง (ถ้ามีการใช้งานที่อุณหภูมิสูง) , ต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง จากการแปรรูป	A2, D2, M2, M4
แม่พิมพ์อัดขึ้นรูปเย็น (Cold Extrusion Die)	ความเหนียว, ทนการสึกหรอ	O1, W1, A2, D2
ลูกรีดขึ้นเกลียว (Thread Rolling Die)	ความแข็ง, ทนการสึกหรอ, ความเหนียว, รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง (ถ้ามีการใช้งานที่อุณหภูมิสูง) , ต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง (ถ้ามีการใช้งานที่อุณหภูมิสูง)	A2, D2, M2
Shear Spinning	ความแข็ง, ทนการสึกหรอ, ความเหนียว, รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง (ถ้ามีการใช้งานที่อุณหภูมิสูง) , ต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง (ถ้ามีการใช้งานที่อุณหภูมิสูง)	A2, D2, M2
ตัดโลหะร้อน (Hot Shearing)	ความเหนียว, สามารถรักษาคมตัดได้ดี, รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง, ต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง, สามารถรับแรงกระแทกซ้ำๆ ได้, ทนการสึกหรอ, ต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ (Thermal Shock)	H11, H12, H13
ตัดโลหะเย็น (Cold Shearing)	ความแข็ง, ความเหนียว, สามารถรักษาคมตัดได้ดี, สามารถรับแรงกระแทกซ้ำๆ ได้	D2, A2, S2, S5, S7
แม่พิมพ์ลากขึ้นรูป (Drawing)	ความแข็ง, ความเหนียว, ทนต่อการสึกหรอ	W1, O1, A2, D2
เครื่องมือเจาะหรือคว้าน (Boring Tools)	สามารถ รักษาความแข็งคมตัดได้ดีมาก, รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง, ความแข็งสูง, ทนต่อการเสียดสี, ทนต่อการสึกหรอ	M2, T1, T4
สว่าน (Drills)	สามารถ รักษาความแข็งคมตัดได้ดีมาก, รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง, ความแข็งสูง, ทนต่อการเสียดสี, ทนต่อการสึกหรอ	M2, T1
Milling Cutters	สามารถ รักษาความแข็งคมตัดได้ดีมาก, รักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง, ความแข็งสูง, ทนต่อการเสียดสี, ทนต่อการสึกหรอ	T1, T4