เหล็กทำมาจากธาตุอะไร: คำตอบโดยตรง
โดยพื้นฐานแล้วเหล็กเป็นโลหะผสมของ เหล็กและคาร์บอน โดยโดยทั่วไปแล้วคาร์บอนจะอยู่ระหว่าง 0.02% ถึง 2.14% ของน้ำหนักทั้งหมด นอกเหนือจากองค์ประกอบหลักทั้งสองนี้ เหล็กเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ยังประกอบด้วยแมงกานีส ซิลิคอน ฟอสฟอรัส และซัลเฟอร์ในปริมาณที่แตกต่างกัน พร้อมด้วยองค์ประกอบโลหะผสมที่ตั้งใจเติม เช่น โครเมียม นิกเกิล โมลิบดีนัม วาเนเดียม ทองแดง โบรอน ไทเทเนียม และไนโอเบียม ในเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดา เหล็กมีสัดส่วนประมาณ 98% ถึง 99.5% ของวัสดุ ในขณะที่เกรดโลหะผสมใช้สำหรับ การตีเหล็ก และส่วนประกอบของเครื่องจักรกลหนัก ปริมาณเหล็กอาจลดลงถึง 70% หรือต่ำกว่าเมื่อผสมโครเมียม นิกเกิล และองค์ประกอบอื่นๆ ด้วยเปอร์เซ็นต์ที่สูงกว่า การผสมผสานองค์ประกอบต่างๆ เข้าด้วยกันจะกำหนดว่าเหล็กชุดหนึ่งจะกลายเป็นแผ่นโครงสร้างอ่อน เหล็กกล้าเครื่องมือชุบแข็ง เหล็กกล้าไร้สนิมที่ทนต่อการกัดกร่อน หรือโลหะผสมปลอมแปลงที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมเพื่อให้ทนต่อความเครียดทางกลขั้นรุนแรง
การทำความเข้าใจองค์ประกอบขององค์ประกอบนี้มีความสำคัญเนื่องจากองค์ประกอบเพิ่มเติมทุกชิ้นจะเปลี่ยนพฤติกรรมของเหล็กในระหว่างการหลอม การรีด และการตีขึ้นรูป ผู้ซื้อที่จัดหาหน้าแปลน เพลา หรือเกียร์ปลอมแปลงจำเป็นต้องทราบไม่เพียงแต่ชื่อเกรดเท่านั้น แต่ยังต้องทราบช่วงเปอร์เซ็นต์ที่แท้จริงของแต่ละองค์ประกอบ เนื่องจากตัวเลขเหล่านี้กำหนดความแข็ง ความเหนียว ความสามารถในการเชื่อม ความสามารถในการแปรรูป และความต้านทานการสึกหรอในระยะยาว ในทางปฏิบัติ เหล็กไม่มีความร้อนใดที่เหมือนกันทางเคมีจนถึงจุดทศนิยมสุดท้าย ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมโรงงานจึงออกบันทึกองค์ประกอบความร้อนเฉพาะสำหรับทุกชุดที่ออกจากเตาเผา
ส่วนที่เหลือของคู่มือนี้จะอธิบายแต่ละองค์ประกอบแยกกัน อธิบายว่าองค์ประกอบเหล่านั้นมีปฏิกิริยาอย่างไรเมื่อเหล็กถูกให้ความร้อนและขึ้นรูปผ่านการตีขึ้นรูป และปิดด้วยตารางอ้างอิงโดยละเอียดและคำถามที่พบบ่อย ซึ่งครอบคลุมประเด็นที่ผู้ซื้อและวิศวกรมักสับสนเมื่ออ่านเอกสารองค์ประกอบทางเคมี
เหล็กและคาร์บอน: สององค์ประกอบพื้นฐาน
เหล็กเป็นโลหะฐานที่ทำให้เหล็กมีน้ำหนัก แต่เหล็กบริสุทธิ์ในตัวมันเองค่อนข้างอ่อนและขาดความแข็งแรงที่จำเป็นสำหรับการใช้งานด้านโครงสร้างหรือทางกล การเติมคาร์บอนจะเปลี่ยนเหล็กให้เป็นเหล็กกล้าโดยการล็อคอะตอมของคาร์บอนไว้ในโครงตาข่ายคริสตัลของเหล็ก ซึ่งเป็นกระบวนการที่จำกัดการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนตัวภายในโลหะ และเพิ่มความแข็งและความต้านทานแรงดึงได้อย่างมาก ความสัมพันธ์นี้ไม่เป็นเส้นตรงตลอดทั้งช่วง เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ บางครั้งเรียกว่าเหล็กเหนียว สามารถกักเก็บคาร์บอนได้ประมาณ 0.05% ถึง 0.25% และยังคงความอ่อนพอที่จะโค้งงอ เชื่อม และตัดเฉือนได้อย่างง่ายดาย เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลางมีคาร์บอนอยู่ระหว่าง 0.25% ถึง 0.60% และมีความสมดุลระหว่างความแข็งแรงและความสามารถในการใช้งาน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเกรดเช่น 1045 และ 4140 จึงเป็นตัวเลือกทั่วไปสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์และชิ้นส่วนอุตสาหกรรมหลอม เหล็กกล้าคาร์บอนสูงไต่ขึ้นเป็น 0.60% ถึง 1.50% คาร์บอน และได้เปรียบในด้านคมตัดและพื้นผิวที่สึกหรอ แม้ว่าการเชื่อมหรือโค้งงอโดยไม่แตกร้าวจะยากขึ้นอย่างเห็นได้ชัดก็ตาม
เหล็กนั้นมีอยู่ในรูปแบบผลึกมากกว่าหนึ่งรูปแบบ ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ และพฤติกรรมนี้เป็นสาเหตุทั้งหมดที่คาร์บอนมีผลกระทบต่อเหล็กเกินขนาดเช่นนี้ ที่อุณหภูมิต่ำกว่าประมาณ 912°C เหล็กจะมีลูกบาศก์ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ร่างกายเรียกว่าเฟอร์ไรต์ ซึ่งสามารถละลายคาร์บอนได้เพียงเศษเสี้ยวของเปอร์เซ็นต์เท่านั้น ระหว่างอุณหภูมิประมาณ 912°C ถึง 1394°C เหล็กจะเคลื่อนตัวไปสู่การจัดเรียงลูกบาศก์ที่มีใบหน้าเป็นศูนย์กลางที่เรียกว่าออสเทนไนต์ ซึ่งสามารถละลายคาร์บอนได้มากขึ้น โดยมากถึงประมาณ 2.14% ในระดับสูงสุด ความสามารถในการละลายที่แตกต่างกันนี้คือสิ่งที่ช่วยให้การบำบัดความร้อนทำงานได้ โดยการให้ความร้อนเหล็กในช่วงออสเทนไนต์จะละลายคาร์บอนอย่างเท่าเทียมกันทั่วทั้งโครงสร้าง จากนั้นเย็นตัวลงอย่างรวดเร็วจะดักจับคาร์บอนนั้นในการจัดเรียงอิ่มตัวยวดยิ่งที่ตึงเครียดที่เรียกว่ามาร์เทนไซต์ ซึ่งมีความแข็งมากแต่จะเปราะเว้นแต่จะปรับอุณหภูมิในภายหลัง
เหตุใดปริมาณคาร์บอนจึงไม่สามารถขยายให้ใหญ่สุดได้
การเพิ่มปริมาณคาร์บอนจะเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของผลผลิต แต่ต้องแลกมาด้วยต้นทุนโดยตรงต่อความเหนียว ความเหนียวในการรับแรงกระแทก และความสามารถในการเชื่อม เมื่อปริมาณคาร์บอนผ่านไปประมาณ 0.23% รอยเชื่อมจะมีแนวโน้มที่จะแตกร้าว เว้นแต่จะใช้การอุ่นและควบคุมความเย็น นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่ทำให้เหล็กโครงสร้างที่ใช้สำหรับการเชื่อมมีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่า 0.25% ในขณะที่การตีเหล็กที่ผลิตส่วนประกอบที่ไม่เชื่อมและผ่านกระบวนการอบร้อนสามารถดันคาร์บอนให้สูงขึ้นเพื่อให้ได้ความแข็งที่เหนือกว่าหลังจากการชุบแข็งและการแบ่งเบาบรรเทา วิศวกรมักจะคำนึงถึงข้อดีข้อเสียนี้อยู่เสมอเมื่อเลือกเกรด เนื่องจากชิ้นส่วนที่ต้องการทั้งความแข็งแกร่งและความสามารถในการดูดซับแรงกระแทกอย่างกะทันหันโดยไม่ทำให้แตกหัก เช่น เพลาข้อเหวี่ยงปลอมแปลงหรือหมุดโครงสร้าง มักจะตกลงในช่วงคาร์บอนปานกลางมากกว่าจะสุดขั้วอย่างใดอย่างหนึ่ง
วิธีการวัดและตรวจสอบปริมาณคาร์บอน
ผู้ผลิตเหล็กสมัยใหม่ตรวจสอบปริมาณคาร์บอนโดยใช้สเปกโตรมิเตอร์การปล่อยแสง โดยที่ประกายไฟขนาดเล็กกระทบกับตัวอย่างที่ขัดเงา และแสงที่ปล่อยออกมาจะถูกวิเคราะห์เพื่อระบุและหาปริมาณองค์ประกอบทั้งหมดที่มีอยู่ภายในไม่กี่วินาที การวิเคราะห์การเผาไหม้ใช้เป็นการตรวจสอบขั้นที่สองสำหรับคาร์บอนและซัลเฟอร์ โดยเฉพาะ โดยการเผาไหม้ตัวอย่างเล็กๆ ในบรรยากาศออกซิเจนที่มีการควบคุม และการวัดคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้น ทั้งสองวิธีได้เข้ามาแทนที่เทคนิคการไตเตรทด้วยสารเคมีแบบเปียกแบบเก่าเกือบทั้งหมด เนื่องจากมีความเร็วและสามารถทำซ้ำได้ในปริมาณการผลิตขนาดใหญ่ ซึ่งมีความสำคัญอย่างมากต่อการดำเนินการทุบขึ้นรูปที่ต้องการความร้อนทางเคมีสม่ำเสมอหลังความร้อน
| การจำแนกประเภทเหล็ก | ช่วงปริมาณคาร์บอน | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|
| คาร์บอนต่ำ (อ่อน) | 0.05% - 0.25% | แผงตัวถังรถยนต์ คานโครงสร้าง |
| คาร์บอนปานกลาง | 0.25% - 0.60% | เพลาฟอร์จ เกียร์ เพลาข้อเหวี่ยง |
| คาร์บอนสูง (เครื่องมือ) | 0.60% - 1.50% | เครื่องมือตัด แม่พิมพ์ ใบมีด |
| คาร์บอนสูงพิเศษ | 1.25% - 2.00% | ส่วนประกอบสึกหรอแบบพิเศษ ลวด |
| เกณฑ์เหล็กหล่อ | สูงกว่า 2.14% | ไม่จัดเป็นเหล็กอีกต่อไป |
ร่องรอยและองค์ประกอบตกค้างที่ยังคงมีความสำคัญ
ไม่ใช่ว่าทุกองค์ประกอบของเหล็กจะถูกเพิ่มเข้าไปโดยตั้งใจ ฟอสฟอรัสและซัลเฟอร์เข้าสู่ส่วนผสมเป็นผลพลอยได้ที่เหลือจากแร่ดิบและเศษเหล็กที่ใช้ในการหลอม และโรงงานต่างๆ ดำเนินการเพื่อให้ทั้งสองอย่างอยู่ภายใต้ขีดจำกัดที่เข้มงวด เนื่องจากส่งผลต่อประสิทธิภาพทางกลมากน้อยเพียงใด
ฟอสฟอรัส
ฟอสฟอรัส segregates toward grain boundaries during solidification, making the steel brittle at room temperature, a defect known as cold shortness. Most specifications cap phosphorus at 0.04% or lower, since even small increases can cause forged parts to crack under impact loading. Free-machining steel grades are a notable exception, where phosphorus is intentionally raised alongside sulfur to make chip formation easier during high-speed machining, trading some toughness for improved cutting performance.
ซัลเฟอร์
ซัลเฟอร์ causes the opposite problem at high temperature, known as hot shortness, where the steel becomes crumbly and prone to tearing during hot rolling or forging. Manganese is deliberately added in a ratio to sulfur content specifically to neutralize this effect by forming manganese sulfide inclusions instead of the more damaging iron sulfide, which has a much lower melting point and would otherwise sit at grain boundaries as a liquid film during hot working.
ออกซิเจน ไนโตรเจน และไฮโดรเจน
ก๊าซปริมาณน้อยที่ถูกดูดซับระหว่างการหลอมอาจส่งผลต่อคุณภาพเหล็กด้วย ออกซิเจนก่อให้เกิดการรวมตัวที่ไม่ใช่โลหะซึ่งทำให้เมทริกซ์อ่อนตัวลง ไนโตรเจนอาจทำให้เกิดการเปราะตามอายุเมื่อเวลาผ่านไป และไฮโดรเจนมีชื่อเสียงในการทำให้เกิดการแตกร้าวล่าช้าในส่วนที่หลอมขึ้นรูปหนา หากไม่ได้กำจัดออกด้วยการกำจัดแก๊สแบบสุญญากาศก่อนที่เหล็กจะถูกหล่อและหลอม เตาอาร์คไฟฟ้าสมัยใหม่และแนวทางปฏิบัติในการกลั่นทัพพีทำให้การควบคุมก๊าซติดตามเหล่านี้มีความแม่นยำมากขึ้นกว่าในทศวรรษที่ผ่านมา ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสาเหตุที่ส่วนประกอบเหล็กหลอมที่ผลิตในปัจจุบันมีคุณสมบัติทางกลที่สม่ำเสมอมากกว่าชิ้นส่วนที่เทียบเท่ากันในรุ่นก่อน
องค์ประกอบที่เหลืออื่น ๆ
การผลิตเหล็กจากเศษเหล็กซึ่งปัจจุบันมีส่วนแบ่งการผลิตจำนวนมากทั่วโลก สามารถนำดีบุก สารหนู และพลวงที่ตกค้างจากแหล่งเศษเหล็กผสมในปริมาณเล็กน้อย องค์ประกอบเหล่านี้ไม่ได้ถูกเติมเข้าไปโดยเจตนาและโดยทั่วไปจะอยู่ที่ต่ำกว่า 0.05% ในแต่ละองค์ประกอบ แต่เมื่อรวมกันแล้ว องค์ประกอบเหล่านี้สามารถทำให้เกิดการเปราะทางอารมณ์ในส่วนที่หลอมโลหะหนักซึ่งผ่านการหล่อเย็นช้าๆ ผ่านช่วงอุณหภูมิกลางที่เฉพาะเจาะจง ผู้ผลิตที่จัดหาชิ้นส่วนตีขึ้นรูปที่สำคัญจะคอยตรวจสอบองค์ประกอบจรจัดเหล่านี้รวมกัน แทนที่จะแยกแต่ละองค์ประกอบออก
องค์ประกอบกำหนดโครงสร้างจุลภาคภายในของเหล็กอย่างไร
เปอร์เซ็นต์ของแต่ละธาตุมีความสำคัญน้อยกว่าการที่พวกมันมีอิทธิพลต่อโครงสร้างผลึกระดับจุลภาคที่ก่อตัวขึ้นในขณะที่เหล็กเย็นตัวลง โครงสร้างทั้งสี่เกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่าในการอภิปรายเกี่ยวกับประสิทธิภาพของเหล็กหลอม
เฟอร์ไรต์
เฟอร์ไรต์ is the soft, magnetic, body-centered cubic form of iron that dominates low carbon steel at room temperature. It offers excellent ductility but limited strength on its own, which is why pure ferritic structures are typically reserved for parts that prioritize formability over hardness.
เพิร์ลไลท์
เพิร์ลไลท์ is a layered structure of alternating ferrite and iron carbide that forms as medium and high carbon steel cools slowly from the austenite range. The fine, alternating layers give pearlite a useful balance of strength and moderate ductility, and it is the dominant structure in normalized medium carbon forgings that are not further heat treated.
มาร์เทนไซต์
มาร์เทนไซต์ forms when austenite is cooled too quickly for carbon atoms to escape the crystal lattice in an orderly way, trapping them in a highly strained structure that is very hard but brittle. Nearly every quenched and tempered forging, including 4140 and 4340 components, passes through a martensitic stage before tempering reduces the brittleness while retaining most of the added strength.
เบนไนท์
เบนไนท์ forms at cooling rates between those that produce pearlite and those that produce martensite, and it offers an appealing combination of strength and toughness without the tempering step martensite requires. Alloying elements such as manganese, chromium, and molybdenum widen the cooling rate window in which bainite forms, giving forging engineers more flexibility in thick sections where the core cools more slowly than the surface.
องค์ประกอบโลหะผสมทุกตัวที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ในคู่มือนี้ได้รับตำแหน่งในข้อกำหนดเฉพาะของเหล็กในที่สุด เนื่องจากวิธีที่มันเปลี่ยนขอบเขตระหว่างโครงสร้างทั้งสี่นี้ ไม่ว่าจะโดยการชะลออัตราการเย็นตัวที่จำเป็นเพื่อหลีกเลี่ยงเพิร์ลไลต์ โดยการทำให้ออสเทนไนต์คงที่ที่อุณหภูมิต่ำลง หรือโดยการปักหมุดขอบเขตของเกรนเพื่อให้โครงสร้างใดก็ตามที่มีรูปร่างดีและสม่ำเสมอมากกว่าหยาบ
การผลิตเหล็กและการกลั่น: วิธีควบคุมเนื้อหาขององค์ประกอบ
เปอร์เซ็นต์ขององค์ประกอบไม่ได้เป็นเพียงการผสมกันเหมือนในสูตร สิ่งเหล่านี้คือผลลัพธ์สุดท้ายของลำดับขั้นตอนการขัดเกลาที่แต่ละขั้นตอนจะลบหรือเพิ่มองค์ประกอบเฉพาะในลำดับที่ได้รับการควบคุม
- การชาร์จวัตถุดิบเริ่มต้นด้วยการลดแร่เหล็กในเตาถลุงเหล็กเพื่อผลิตเหล็กหมูเหลว หรือเศษเหล็กรีไซเคิลที่หลอมในเตาอาร์กไฟฟ้า โดยทางเลือกระหว่างเส้นทางส่วนใหญ่จะกำหนดโดยต้นทุนพลังงานในภูมิภาคและความพร้อมของเศษเหล็ก
- การกลั่นเบื้องต้นในเตาออกซิเจนพื้นฐานหรือเตาอาร์คไฟฟ้าจะเป่าออกซิเจนผ่านการหลอมเพื่อดึงคาร์บอน ซิลิคอน และฟอสฟอรัสส่วนเกินออกจากเหล็กดิบ เพื่อนำองค์ประกอบลงไปที่เป้าหมายคร่าวๆ ก่อนที่จะเริ่มการปรับปลีกย่อย
- ตามด้วยโลหะวิทยาของทัพพี โดยที่สารหลอมจะถูกถ่ายโอนไปยังภาชนะที่แยกจากกัน และเติมแมงกานีส โครเมียม นิกเกิล โมลิบดีนัม และธาตุผสมอื่นๆ ลงไปอย่างแม่นยำเพื่อให้ได้เคมีเป้าหมายที่แน่นอนสำหรับเกรดที่ต้องการ
- การกำจัดแก๊สด้วยสุญญากาศจะกำจัดไฮโดรเจน ไนโตรเจน และออกซิเจนที่ตกค้าง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเหล็กที่มีไว้สำหรับงานหลอมขนาดใหญ่ ซึ่งก๊าซที่ติดอยู่อาจทำให้เกิดการหลุดล่อนหรือแตกร้าวภายในเมื่อชิ้นส่วนเย็นตัวลง
- การหล่อแบบต่อเนื่องจะทำให้การหลอมละลายที่กลั่นแล้วแข็งตัวเป็นแท่งยาว บาน หรือแผ่นคอนกรีต และตัวอย่างจากขั้นตอนนี้จะกลายเป็นการวิเคราะห์ความร้อนอย่างเป็นทางการซึ่งจะเดินทางพร้อมกับวัสดุผ่านการรีดและสุดท้ายก็เข้าไปในโรงหลอม
แต่ละขั้นตอนเหล่านี้มีไว้สำหรับควบคุมเนื้อหาขององค์ประกอบภายในแถบแคบๆ และทางลัดใดๆ ที่ดำเนินการในขั้นตอนหนึ่งจะปรากฏขึ้นในภายหลังเนื่องจากความไม่สอดคล้องกันที่เครื่องอัดขึ้นรูปจะเปิดเผยทันทีในรูปแบบของการแตกร้าวของพื้นผิวหรือการไหลของเกรนที่ไม่สม่ำเสมอ
เนื้อหาองค์ประกอบมีพฤติกรรมอย่างไรในระหว่างกระบวนการตีเหล็ก
การตีเหล็กจะเปลี่ยนรูปร่างของเหล็กแท่งยาวที่ได้รับความร้อนโดยใช้แรงอัด และองค์ประกอบองค์ประกอบของเหล็กแท่งนั้นจะควบคุมการตอบสนองโดยตรงภายใต้ค้อนหรือแท่นอัด การทำความเข้าใจลำดับนี้ช่วยอธิบายได้ว่าเหตุใดการปลอมแปลงข้อกำหนดจำเพาะจึงอ้างอิงถึงคุณสมบัติทางเคมีที่แน่นอน ไม่ใช่แค่ชื่อเกรด
- บิลเล็ตจะถูกให้ความร้อนในช่วงอุณหภูมิออสเทนนิติก โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 1100°C ถึง 1250°C สำหรับเกรดคาร์บอนปานกลางและอัลลอยด์ต่ำ โดยที่โครงสร้างเหล็ก-คาร์บอนจะอ่อนพอที่จะทำให้เสียรูปโดยไม่แตกร้าว
- ธาตุคาร์บอนและโลหะผสม เช่น โครเมียมและโมลิบดีนัมจะทำให้อุณหภูมิของวัสดุเริ่มอ่อนตัวลง ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมเหล็กแท่งปลอมที่มีโลหะผสมสูงจึงต้องมีการควบคุมเตาหลอมที่เข้มงวดมากขึ้น เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้ความร้อนต่ำเกินไป ซึ่งเสี่ยงต่อการแตกร้าวหรือความร้อนสูงเกินไป ซึ่งจะทำให้โครงสร้างของเกรนหยาบ
- ในระหว่างการเปลี่ยนรูป องค์ประกอบต่างๆ เช่น วาเนเดียมและไนโอเบียมจะมีขอบเขตของเกรนพิน ทำให้โครงสร้างผลึกมีความสวยงามแม้ในขณะที่โลหะถูกบีบอัดและเปลี่ยนรูปทรงใหม่ ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแรงและอายุการใช้งานความเมื่อยล้าของการตีขึ้นรูปเสร็จแล้วได้โดยตรง
- หลังจากการตีขึ้นรูป ชิ้นส่วนจะถูกทำให้เย็นลงและมักจะได้รับการบำบัดด้วยความร้อน ปริมาณโมลิบดีนัมและโครเมียมจะกำหนดว่าชิ้นงานสามารถชุบแข็งได้ลึกเพียงใดในระหว่างการดับ ในขณะที่ปริมาณแมงกานีสมีอิทธิพลต่อวิธีที่เหล็กตอบสนองต่อการอบคืนตัวในภายหลัง
- ซัลเฟอร์ and phosphorus levels are checked before forging begins, since forgings with excess sulfur are prone to internal tearing under the compressive stress of the hammer, and excess phosphorus increases the risk of cracking once the part cools below its ductile-to-brittle transition point.
นี่คือเหตุผลว่าทำไมซัพพลายเออร์ที่ปลอมแปลงมักจะเผยแพร่เอกสารองค์ประกอบทางเคมีฉบับเต็มควบคู่ไปกับข้อมูลคุณสมบัติทางกล แทนที่จะอาศัยการกำหนดเกรดเพียงอย่างเดียว สองแบทช์ที่มีป้ายกำกับเป็นเกรดเดียวกันยังคงสามารถทำงานได้แตกต่างกันในแท่นพิมพ์ หากอัตราส่วนแมงกานีสต่อซัลเฟอร์หรือปริมาณธาตุแตกต่างกันเล็กน้อย
การไหลของเกรนและการกระจายองค์ประกอบ
ข้อดีอย่างหนึ่งของการตีขึ้นรูป เมื่อเปรียบเทียบกับการหล่อหรือการตัดเฉือนจากสต็อกแท่ง ก็คือการเปลี่ยนรูปด้วยแรงอัดจะจัดแนวโครงสร้างเกรนภายในตามรูปร่างของชิ้นส่วนที่เสร็จแล้ว แทนที่จะตัดข้ามมัน องค์ประกอบโลหะผสมที่ปรับแต่งขนาดเกรน โดยเฉพาะอย่างยิ่งวาเนเดียม ไทเทเนียม และไนโอเบียม ช่วยเพิ่มข้อดีนี้ เนื่องจากขนาดเกรนเริ่มต้นที่ละเอียดยิ่งขึ้น แปลเป็นเส้นการไหลที่ต่อเนื่องและสมบูรณ์ยิ่งขึ้นเมื่อชิ้นส่วนถูกตีขึ้นรูปทั้งหมด ซึ่งเป็นเหตุผลหลักที่ส่วนประกอบที่หลอมขึ้นรูปมีประสิทธิภาพเหนือกว่าการหล่อหรือเทียบเท่ากับการตัดเฉือนอย่างต่อเนื่องในการใช้งานที่มีความสำคัญต่อความเหนื่อยล้า เช่น เพลาข้อเหวี่ยง ก้านสูบ และช่องว่างเกียร์
การควบคุมอุณหภูมิในตระกูลโลหะผสมต่างๆ
เหล็กแท่งคาร์บอนธรรมดาทนต่อหน้าต่างอุณหภูมิการตีขึ้นรูปที่ค่อนข้างกว้าง แต่เมื่อปริมาณโครเมียม โมลิบดีนัม และนิกเกิลเพิ่มขึ้น หน้าต่างนั้นก็จะแคบลงอย่างมาก เหล็กกล้าเครื่องมือผสมสูงและแท่งสเตนเลสสตีลมักจะต้องอยู่ภายในวงดนตรีที่แคบถึง 50°C เพื่อหลีกเลี่ยงการเสียรูปไม่สมบูรณ์ที่ปลายด้านล่างหรือการเติบโตของเกรนมากเกินไป และอาจเกิดการหลอมละลายของสารรวมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำที่ปลายด้านบน นี่เป็นเหตุผลหนึ่งที่การตีขึ้นรูปร้านค้าที่เชี่ยวชาญด้านสเตนเลสหรือโลหะผสมสูงจะรักษาอุปกรณ์เตาเผาที่เข้มงวดกว่าและมีการตรวจสอบอุณหภูมิบ่อยกว่าร้านค้าที่เน้นเฉพาะเหล็กกล้าคาร์บอนธรรมดาเท่านั้น
องค์ประกอบขององค์ประกอบในเกรดเหล็กทั่วไป
ระบบการตั้งชื่อเกรดเหล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งรหัสสี่หลัก AISI และ SAE ถูกสร้างขึ้นรอบๆ เนื้อหาขององค์ประกอบโดยตรง การอ่านหมายเลขเกรดอย่างถูกต้องจะเผยให้เห็นว่าเหล็กส่วนใหญ่ทำจากอะไร โดยไม่ต้องมีรายงานห้องปฏิบัติการฉบับเต็ม ในระบบสี่หลักมาตรฐาน ตัวเลขสองหลักแรกบ่งบอกถึงธาตุโลหะผสมหลักหรือตระกูล ในขณะที่ตัวเลขสองหลักสุดท้ายประมาณปริมาณคาร์บอนในร้อยเปอร์เซ็นต์ ดังนั้นเกรดเช่น 4140 จึงส่งสัญญาณถึงตระกูลโลหะผสมโครเมียม-โมลิบดีนัมที่มีคาร์บอนประมาณ 0.40%
| เกรด | คาร์บอน | องค์ประกอบการผสมที่สำคัญ | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|---|
| 1018 | 0.18% | ล้าน 0.60% - 0.90% | การต่อเพลาทั่วไป ชิ้นส่วนที่มีความเค้นต่ำ |
| 1045 | 0.45% | ล้าน 0.60% - 0.90% | ฟอร์จเกียร์เพลา |
| 4130 | 0.28% - 0.33% | Cr 0.80% - 1.10%, โม 0.15% - 0.25% | ท่อปลอมแปลง ฟิตติ้ง ชิ้นส่วนการบินและอวกาศ |
| 4140 | 0.38% - 0.43% | Cr 0.80% - 1.10%, โม 0.15% - 0.25% | เพลาฟอร์จ เครื่องมือ อุปกรณ์ฟิตติ้ง |
| 4340 | 0.38% - 0.43% | ไน 1.65% - 2.00%, Cr 0.70% - 0.90%, โม 0.20% - 0.30% | ชิ้นส่วนที่รับภาระจากความเมื่อยล้าจากความเครียดอย่างหนัก |
| 8620 | 0.18% - 0.23% | ไน 0.40% - 0.70%, Cr 0.40% - 0.60%, โม 0.15% - 0.25% | เกียร์ฟอร์จคาร์บูไรซ์, หมุด |
| สแตนเลส 304 | สูงสุด 0.08% | Cr 18% - 20%, พรรณี 8% - 10.5% | อุปกรณ์, ภาชนะที่ทนต่อการกัดกร่อน |
| สแตนเลส 316 | สูงสุด 0.08% | Cr 16% - 18%, ไน 10% - 14%, โม 2% - 3% | การตีขึ้นรูปทางทะเลและกระบวนการทางเคมี |
| เหล็กกล้าเครื่องมือ H13 | 0.32% - 0.45% | Cr 4.75% - 5.50%, โม 1.10% - 1.75%, V 0.80% - 1.20% | แม่พิมพ์หล่อขึ้นรูปและกลึงขึ้นรูป |
สังเกตว่าปริมาณธาตุเหล็กไม่เคยแสดงอยู่ในตารางเหล่านี้โดยตรง เข้าใจง่ายๆ ก็คือส่วนที่เหลือเมื่อคาร์บอน แมงกานีส โครเมียม นิกเกิล และองค์ประกอบอื่นๆ ถูกลบออกจาก 100% ซึ่งเป็นสาเหตุที่บางครั้งเรียกว่าธาตุเหล็กในแผ่นองค์ประกอบทางเคมี
ตระกูลสเตนเลสสตีล: อธิบายความแปรผันขององค์ประกอบ
เหล็กกล้าไร้สนิมไม่ใช่วัสดุชนิดเดียว แต่เป็นตระกูลโลหะผสมที่จัดกลุ่มตามการจัดเรียงโครงสร้างผลึกที่ซ่อนอยู่ การทำความเข้าใจกลุ่มย่อยเหล่านี้จะให้ความกระจ่างว่าเหตุใดเปอร์เซ็นต์ขององค์ประกอบจึงเปลี่ยนไปมากตามเกรดต่างๆ ซึ่งทั้งหมดอยู่ภายใต้ฉลากสเตนเลสทั่วไปแบบเดียวกัน
เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก
เกรดออสเทนนิติก เช่น 304 และ 316 อาศัยปริมาณนิกเกิลสูง ซึ่งโดยทั่วไปคือ 8% ขึ้นไป เพื่อรักษาโครงสร้างออสเทนไนต์ให้คงที่แม้ที่อุณหภูมิห้อง แทนที่จะเปลี่ยนเป็นเฟอร์ไรต์เมื่อทำความเย็น สิ่งนี้ทำให้สเตนเลสออสเทนนิติกมีความเหนียวและความเหนียวเป็นเลิศ พร้อมด้วยข้อดีเพิ่มเติมของการไม่เป็นแม่เหล็ก แม้ว่าจะไม่สามารถชุบแข็งผ่านการอบชุบด้วยความร้อนได้เช่นเดียวกับคาร์บอนและเหล็กตีขึ้นรูปโลหะผสมต่ำ
สเตนเลสเฟอร์ริติก
เกรดเฟอร์ริติกจะรักษาปริมาณนิกเกิลให้ต่ำหรือขาดหายไปโดยสิ้นเชิง และต้องใช้โครเมียมเพียงอย่างเดียว โดยปกติจะอยู่ระหว่าง 10.5% ถึง 18% เพื่อให้ต้านทานการกัดกร่อน เนื่องจากเกรดเหล่านี้ยังคงเป็นแม่เหล็กและไม่สามารถชุบแข็งได้อย่างมีนัยสำคัญด้วยการบำบัดความร้อน เกรดเหล่านี้จึงถูกเลือกให้ทนทานต่อการกัดกร่อนที่คุ้มค่าในการใช้งานโครงสร้างที่มีความต้องการน้อยกว่ามากกว่าส่วนประกอบหลอมที่มีความแข็งแรงสูง
เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก
เกรดสเตนเลสมาร์เทนซิติกมีโครเมียมปานกลาง โดยทั่วไปจะมีปริมาณคาร์บอน 12% ถึง 18% โดยมีคาร์บอนเพียงพอที่จะตอบสนองการแข็งตัวด้วยการชุบแข็งและคืนสภาพแบบเดียวกับที่ใช้ในคาร์บอนและเหล็กกล้าโลหะผสมต่ำ ทำให้สเตนเลสมาร์เทนซิติกเป็นตระกูลที่ต้องการสำหรับส่วนประกอบสเตนเลสหลอมที่ต้องการทั้งความต้านทานการกัดกร่อนและความแข็งสูง เช่น ส่วนประกอบวาล์ว ช้อนส้อม และเพลาปั๊มบางชนิด
ดูเพล็กซ์สแตนเลส
เกรดดูเพล็กซ์จะมีความสมดุลของออสเทนไนต์และเฟอร์ไรต์ในปริมาณเท่าๆ กันโดยการควบคุมโครเมียม นิกเกิล และไนโตรเจนเข้าด้วยกันอย่างระมัดระวัง ทำให้เกิดโครงสร้างที่ผสมผสานความแข็งแกร่งของเกรดเฟอร์ริติกเข้ากับความเหนียวและความสามารถในการเชื่อมของเกรดออสเทนนิติกได้มาก ความสมดุลนี้ทำให้ดูเพล็กซ์สเตนเลสพบเห็นได้ทั่วไปมากขึ้นในอุปกรณ์หลอมนอกชายฝั่งและอุปกรณ์แปรรูปทางเคมีที่ต้องเผชิญกับโหลดทางกลสูงและสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง
เหล็กกล้าเครื่องมือและส่วนประกอบโลหะผสมประสิทธิภาพสูง
เหล็กกล้าเครื่องมือแสดงถึงความซับซ้อนของโลหะผสม โดยที่องค์ประกอบที่ขึ้นรูปด้วยคาร์ไบด์ที่แข็งแกร่งหลายตัวถูกนำมารวมกันอย่างจงใจเพื่อให้มีความทนทานต่อการสึกหรอและทนความร้อนได้ดีกว่าเหล็กกล้าโลหะผสมมาตรฐานทั่วไป
เหล็กกล้าเครื่องมืองานเย็น
เกรดงานเย็น เช่น D2 ต้องอาศัยปริมาณโครเมียมสูง ซึ่งมักจะอยู่ที่ 11% ถึง 13% รวมกับคาร์บอนที่เพิ่มขึ้นเพื่อสร้างฮาร์ดโครมคาร์ไบด์จำนวนมากทั่วทั้งโครงสร้างจุลภาค คาร์ไบด์เหล่านี้ให้ความทนทานต่อเหล็กเป็นพิเศษต่อการสึกหรอจากการเสียดสีในการใช้งาน เช่น แม่พิมพ์ตัดและใบมีดตัด แม้ว่าปริมาณคาร์ไบด์ที่สูงจะทำให้วัสดุเปราะมากกว่าเหล็กกล้าเครื่องมือโลหะผสมต่ำก็ตาม
เหล็กกล้าเครื่องมืองานร้อน
เกรดงานร้อน เช่น H13 ใช้โครเมียม โมลิบดีนัม และวานาเดียมร่วมกันเพื่อต้านทานการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูงซึ่งพบได้ในแม่พิมพ์หล่อและการตีขึ้นรูปเอง เนื่องจากแม่พิมพ์เหล่านี้ได้รับความร้อนและความเย็นซ้ำๆ เมื่อมีการกดหรือหล่อโลหะร้อน ความต้านทานต่อความล้าจากความร้อนจึงมีความสำคัญพอๆ กับความแข็งดิบ ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมความสมดุลขององค์ประกอบในเหล็กงานร้อนจึงช่วยให้มีความแข็งแกร่งที่อุณหภูมิสูงอย่างยั่งยืนมากกว่าความแข็งที่อุณหภูมิห้องสูงสุด
เหล็กความเร็วสูง
เหล็กความเร็วสูงดันเนื้อหาโลหะผสมให้นิ่งยิ่งขึ้น โดยผสมผสานทังสเตนหรือโมลิบดีนัมเข้ากับวาเนเดียมและโคบอลต์ในบางครั้งเพื่อรักษาคมตัดให้คม แม้ว่าแรงเสียดทานจะทำให้อุณหภูมิของเครื่องมือสูงขึ้นในระหว่างการตัดเฉือนด้วยความเร็วสูง ชื่อนี้สะท้อนให้เห็นถึงข้อได้เปรียบดั้งเดิมที่เกรดเหล่านี้มีให้เหนือกว่าเหล็กกล้าเครื่องมือคาร์บอนธรรมดารุ่นเก่า ซึ่งสูญเสียความแข็งและทื่ออย่างรวดเร็วเมื่อความเร็วตัดและความร้อนที่เกิดขึ้นเพิ่มขึ้น
เทียบเท่าคาร์บอน: การรวมองค์ประกอบให้เป็นตัวเลขเดียว
เนื่องจากมีองค์ประกอบหลายอย่างมีอิทธิพลต่อความสามารถในการชุบแข็งและความสามารถในการเชื่อมไปพร้อมๆ กัน นักโลหะวิทยาจึงใช้ตัวเลขที่รวมกันเพียงค่าเดียวที่เรียกว่าเทียบเท่าคาร์บอนหรือ CE เพื่อสรุปผลกระทบโดยรวมของเคมีที่สมบูรณ์ในค่าเดียว สูตรที่ใช้กันอย่างแพร่หลายจะเพิ่มคาร์บอนลงในเศษส่วนของแมงกานีส โครเมียม โมลิบดีนัม นิกเกิล และทองแดง
CE = %C (%Mn / 6) ((%Cr %Mo %Ni) / 15) (%Cu / 40)
ค่าเทียบเท่าคาร์บอนที่สูงขึ้นหมายความว่าเหล็กทนทานต่อการเสียรูปและสึกหรอได้ดีขึ้น แต่ก็หมายความว่าวัสดุจะไวต่อการแตกร้าวที่เกิดจากไฮโดรเจนระหว่างการเชื่อม และต้องอุ่นก่อนก่อนที่จะทำการเชื่อมใดๆ ส่วนประกอบที่หลอมซึ่งจะถูกเชื่อมเข้ากับชิ้นส่วนขนาดใหญ่ในภายหลัง เช่น หัวฉีดภาชนะรับความดันหรือจุดเชื่อมต่อเชิงโครงสร้าง มักจะระบุด้วยเพดานเทียบเท่าคาร์บอนสูงสุด แทนที่จะเป็นเพียงเปอร์เซ็นต์คาร์บอนสูงสุด เนื่องจากตัวเลขเดียวนี้จะบันทึกผลรวมของทุกองค์ประกอบในคราวเดียว
ตามจุดอ้างอิงในทางปฏิบัติ เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำธรรมดาจะผลิตคาร์บอนเทียบเท่าต่ำกว่า 0.35 ซึ่งเชื่อมได้ง่ายโดยใช้ความร้อนน้อยที่สุด เกรดโลหะผสมคาร์บอนต่ำปานกลาง เช่น 4140 โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 0.55 ถึง 0.70 ซึ่งต้องอาศัยการอุ่นปานกลางและควบคุมอุณหภูมิระหว่างการเชื่อมระหว่างการเชื่อม เหล็กกล้าเครื่องมือและเกรดการตีขึ้นรูปที่มีอัลลอยด์สูงสามารถดันปริมาณคาร์บอนที่เทียบเท่าได้สูงกว่า 0.90 ซึ่งโดยทั่วไปแล้ว การเชื่อม ณ จุดนี้จะหลีกเลี่ยงโดยสิ้นเชิง โดยหันไปใช้การเชื่อมเชิงกลหรือการเปลี่ยนชิ้นส่วนที่หลอมเป็นชิ้นเดียว
เหตุใดการควบคุมองค์ประกอบที่แม่นยำจึงมีความสำคัญสำหรับชิ้นส่วนเหล็กหลอม
กระบวนการตีขึ้นรูปจะใช้แรงอัดมหาศาลกับบิลเล็ตที่ได้รับความร้อน และความไม่สอดคล้องกันในการกระจายองค์ประกอบจะปรากฏขึ้นทันทีเมื่อมีการแตกร้าว การฉีกขาด หรือการไหลของเกรนที่ไม่สม่ำเสมอ โรงงานที่จัดหาเหล็กบิลเล็ตสำหรับการตีขึ้นรูปมักจะมีความคลาดเคลื่อนต่อแมงกานีส ซัลเฟอร์ และฟอสฟอรัสได้ดีกว่าโรงงานที่ผลิตเหล็กสำหรับแผ่นรีดธรรมดา เนื่องจากกระบวนการตีจะเน้นที่จุดอ่อนที่จุดเปลี่ยนรูปสูงสุด เหล็กแท่งที่มีกำมะถันสูงเล็กน้อยซึ่งจะทำให้ไม่มีปัญหาที่มองเห็นได้ในแผ่นเหล็กที่รีดสามารถแยกออกจากกันโดยสิ้นเชิงเมื่อตีด้วยค้อนทุบ
นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมซัพพลายเออร์งานตีขึ้นรูปที่มีชื่อเสียงจึงทดสอบความร้อนของเหล็กแต่ละครั้งและเก็บบันทึกองค์ประกอบทางเคมีสำหรับทุกชุด แทนที่จะอาศัยข้อกำหนดเกรดทั่วไป ผู้ซื้อที่จัดหาหน้าแปลน ข้อต่อ ตัววาล์ว หรือเพลาขับปลอมแปลงจะได้รับประโยชน์จากการร้องขอการวิเคราะห์ความร้อนจริง เนื่องจากจะเผยให้เห็นเปอร์เซ็นต์ที่แท้จริงของทุกองค์ประกอบ ไม่ใช่แค่ช่วงที่ระบุที่พิมพ์ในแค็ตตาล็อก
ความสม่ำเสมอขององค์ประกอบยังส่งผลต่อการตัดเฉือนขั้นปลายหลังจากการปลอมอีกด้วย ชิ้นส่วนปลอมแปลงที่มีการรวมแมงกานีสซัลไฟด์แยกจากกันสามารถตัดเฉือนไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้พื้นผิวไม่สอดคล้องกัน และการสึกหรอของเครื่องมือเร็วขึ้นในบางพื้นที่ของส่วนประกอบเดียวกัน ผู้ซื้อที่เห็นความแปรปรวนโดยอธิบายไม่ได้ในประสิทธิภาพการตัดเฉือนในชิ้นส่วนปลอมแปลงที่เหมือนกันมักจะติดตามสาเหตุที่แท้จริงกลับไปยังการกระจายองค์ประกอบที่ไม่สอดคล้องกันภายในแท่งเหล็กดั้งเดิม แทนที่จะเป็นข้อผิดพลาดใดๆ ในกระบวนการตัดเฉือนเอง
คำถามที่พบบ่อย
ธาตุใดที่สำคัญที่สุดในเหล็กนอกเหนือจากเหล็กคืออะไร?
คาร์บอนเป็นองค์ประกอบเดียวที่มีอิทธิพลมากที่สุด เนื่องจากควบคุมความแข็ง ความแข็งแรง และความเหนียวได้โดยตรงมากกว่าการเติมอื่นๆ องค์ประกอบอื่นๆ ทั้งหมดถูกวางซ้อนกันเป็นชั้นๆ บนความสัมพันธ์ของเหล็ก-คาร์บอน เพื่อปรับแต่งคุณสมบัติเฉพาะเจาะจง
เหล็กจะอยู่ได้โดยไม่มีคาร์บอนเลยหรือ?
ไม่ใช่ตามคำจำกัดความมาตรฐาน โลหะผสมคาร์บอนต่ำมาก ซึ่งบางครั้งมีคาร์บอนต่ำกว่า 0.01% เช่น เหล็กมาราจิ้ง ในทางเทคนิคแล้วจัดประเภทเป็นเหล็ก เนื่องจากยังคงอาศัยเมทริกซ์เหล็กเสริมความแข็งแกร่งผ่านกลไกอื่นๆ แต่เหล็กเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่มีปริมาณคาร์บอนที่วัดได้
ทำไมสแตนเลสจึงมีโครเมียมมาก?
โครเมียม content above roughly 11% forms a thin, continuously self-healing chromium oxide layer on the surface of the steel. This layer blocks oxygen and moisture from reaching the iron underneath, which is what gives stainless steel its resistance to rust compared with ordinary carbon steel.
ปริมาณโลหะผสมที่สูงขึ้นหมายถึงเหล็กที่แข็งแกร่งขึ้นเสมอไปหรือไม่?
ไม่จำเป็น. ธาตุผสมเปลี่ยนคุณสมบัติเฉพาะมากกว่าแค่เพิ่มความแข็งแกร่งทั่วทั้งกระดาน ตัวอย่างเช่น นิกเกิลปรับปรุงความเหนียวและประสิทธิภาพที่อุณหภูมิต่ำเป็นหลักมากกว่าความแข็งดิบ ในขณะที่โครเมียมปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอและความต้านทานการกัดกร่อนเป็นหลัก การผสมผสานที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับว่าจะใช้ชิ้นส่วนที่เสร็จแล้วอย่างไร
เหตุใดชิ้นส่วนปลอมแปลงจึงระบุเปอร์เซ็นต์องค์ประกอบที่แน่นอน แทนที่จะระบุเพียงชื่อเกรด
เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของปริมาณแมงกานีส ซัลเฟอร์ หรือฟอสฟอรัสภายในช่วงที่อนุญาตสำหรับเกรดก็สามารถเปลี่ยนพฤติกรรมของบิลเล็ตภายใต้แรงอัดระหว่างการตีขึ้นรูปได้ เคมีความร้อนที่แน่นอนช่วยให้วิศวกรคาดการณ์การไหลของเกรน ความเสี่ยงในการแตกร้าว และการตอบสนองต่อการบำบัดความร้อนหลังการตีขึ้นรูปได้อย่างแม่นยำมากกว่าชื่อเกรดเพียงอย่างเดียว
จะเกิดอะไรขึ้นหากปริมาณกำมะถันในเหล็กสูงเกินไปก่อนที่จะทำการหลอม?
ซัลเฟอร์ส่วนเกินจะทำปฏิกิริยากับเหล็กจนเกิดเป็นเหล็กซัลไฟด์ ซึ่งจะหลอมละลายที่อุณหภูมิต่ำกว่าเมทริกซ์เหล็กที่อยู่รอบๆ มาก ในระหว่างการตีขึ้นรูปร้อน สารเจือปนที่ละลายต่ำเหล่านี้อาจทำให้บิลเล็ตฉีกออกจากกันภายใน ซึ่งเป็นข้อบกพร่องที่เรียกว่าภาวะขาดความร้อนซึ่งส่วนใหญ่ป้องกันได้โดยการเติมแมงกานีสมากพอที่จะจับกำมะถันแทน
ปริมาณธาตุเหล็กเคยระบุไว้ในแผ่นข้อมูลจำเพาะเกี่ยวกับเหล็กหรือไม่?
เหล็กมักไม่ค่อยถูกระบุเป็นเปอร์เซ็นต์ที่เฉพาะเจาะจง เนื่องจากจะถือเป็นความสมดุลขององค์ประกอบหลังจากพิจารณาองค์ประกอบอื่นๆ แล้ว ข้อกำหนดเหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไปจะแสดงรายการปริมาณคาร์บอน แมงกานีส ฟอสฟอรัส ซัลเฟอร์ และซิลิคอนสูงสุด โดยที่เข้าใจง่ายๆ ว่าเหล็กประกอบด้วยส่วนที่เหลือ ซึ่งปกติแล้วจะอยู่ที่ 97% ถึง 99% ของน้ำหนักทั้งหมด
เหตุใดบางเกรดจึงเติมโบรอนในเมื่อโครเมียมและโมลิบดีนัมมีการปรับปรุงความสามารถในการชุบแข็งแล้ว?
โบรอน is added because it delivers a large hardenability improvement using only a few parts per million of material, which keeps alloy cost low compared with achieving the same hardenability increase through larger additions of chromium, molybdenum, or nickel. It is especially common in cost-sensitive fastener and structural grades where every fraction of a percent of alloy content affects the final price.
อะไรคือความแตกต่างระหว่างผลิตภัณฑ์รีดร้อนและผลิตภัณฑ์หลอมที่ทำจากเหล็กเกรดเดียวกัน?
ทั้งสองเริ่มต้นจากองค์ประกอบทางเคมีที่เหมือนกัน แต่การตีขึ้นรูปจะใช้แรงอัดที่เข้มข้นซึ่งจัดแนวการไหลของเกรนภายในตามรูปร่างของชิ้นส่วน และปิดรูพรุนภายในที่เหลือจากการหล่อ สต็อกเหล็กแผ่นรีดร้อนมีโครงสร้างเกรนที่สม่ำเสมอและมีทิศทางน้อยกว่า สำหรับส่วนประกอบที่มีความสำคัญต่อความล้า การไหลของเกรนที่เรียงตัวกันซึ่งเกิดจากการตีมักจะให้ประสิทธิภาพเชิงกลที่ดีขึ้น แม้ว่าองค์ประกอบทางเคมีจะเหมือนกันก็ตาม
วิศวกรจะตัดสินใจได้อย่างไรว่าจะระบุองค์ประกอบโลหะผสมใดสำหรับชิ้นส่วนปลอมแปลงใหม่
การเลือกมักจะเริ่มต้นจากข้อกำหนดทางกลของชิ้นส่วน เช่น ความต้านทานแรงดึงที่ต้องการ ความทนทานต่อแรงกระแทกที่อุณหภูมิการใช้งานที่คาดไว้ และความต้านทานต่อการกัดกร่อนหรือการสึกหรอ จากนั้นจึงทำงานย้อนกลับไปจนถึงเกรดที่ทราบดีว่าช่วงองค์ประกอบที่กำหนดไว้จะให้คุณสมบัติเหล่านั้นได้อย่างน่าเชื่อถือ ต้นทุน ความสามารถในการเชื่อม และความสามารถในการขึ้นรูปนั้นได้รับการชั่งน้ำหนักควบคู่ไปกับประสิทธิภาพเชิงกลล้วนๆ เนื่องจากเหล็กที่มีโลหะผสมสูงที่สุดมักไม่ค่อยเป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงหรือประหยัดที่สุดสำหรับการใช้งานที่กำหนด
