คุณสมบัติเหล็ก
AISI 4130 Steel | 25CrMo4 | 1.7218 | 708A25 | SCM430A ISI 4340 | 1.6511 | 36CrNiMo4 | SNCM439 - Halden Steel SAE/AISI 4340 Alloy Steel (UNS G43400)
อัลลอยด์ต่ำ 4130:ASTM A29 (VO1.05) ขอบเขตทั่วไป
เหล็กกล้าผสมต่ำ AISI 4130 ประกอบด้วยคาร์บอน 0.3% โครเมียม 1% และโมลิบดีนัม 0.2% ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการใช้งานแพทช์น้ำมัน คล้ายกับ 4140 ซึ่งมีระดับคาร์บอนสูงกว่าทำให้สามารถเชื่อมได้ดีขึ้น 4130 โดยมีค่าใช้จ่ายในการผ่านความหนา
ข้อจำกัดในการชุบแข็งของเกรดนี้ (ความลึกที่จะชุบแข็ง / ได้รับคุณสมบัติเชิงกลที่ระบุหลังการอบชุบด้วยความร้อน) ต้องคำนึงถึงเสมอเมื่อออกแบบและเลือกอุปกรณ์
เกี่ยวกับ 4130 Steel (คุณสมบัติ ความแข็งแรง และการใช้งาน)
เหล็กให้ความแข็งแกร่งที่จำเป็นสำหรับทุกเมือง รถไฟ รถยนต์ และเครื่องบินบนโลก และด้วยเหตุผลที่ดี โลหะชนิดนี้ผสมผสานทั้งเหล็กและคาร์บอนเข้าด้วยกันเพื่อสร้างผลรวมที่ดีกว่าชิ้นส่วนของมัน และในปัจจุบันโลหะนี้ครองตลาดโลหะด้วยคุณสมบัติที่หลากหลาย มีประโยชน์มากที่ American Iron & Steel Institute (AISI) และ Society of Automotive Engineers (SAE) ได้สรุปเกรดเหล็กจำนวนมากที่ผลิตขึ้นเพื่อการใช้งานเฉพาะ ซึ่งแสดงด้วยตัวระบุ 3 ถึง 5 หลัก เหล็กกล้า 4130เป็นเหล็กกล้าผสม ที่ใช้กันทั่วไปสำหรับหลายๆ โครงการ และบทความนี้จะตรวจสอบคุณสมบัติโดยสังเขป บทความนี้อาจช่วยให้ผู้อ่านตัดสินใจได้ว่า เหล็กกล้า 4130 เหมาะกับงานเฉพาะของตนหรือไม่ โดยการสรุปการ แต่งหน้า จุดแข็ง และการใช้งาน ก่อนอื่น เราจะสำรวจคุณสมบัติทางกายภาพของเหล็ก 4130 ตามด้วยคุณสมบัติทางกลและสุดท้ายในการใช้งาน เพื่อแสดงให้เห็นว่า เหล็กนี้ส่องประกายที่ใด
คุณสมบัติทางกายภาพของเหล็ก 4130
เหล็กกล้า 4130 ได้ชื่อมาจากกฎเฉพาะที่ระบุโดย AISI และ SAE ตัวเลขตัวแรกของโลหะผสมจะระบุประเภทของเหล็ก รวมถึงส่วนประกอบหลักของโลหะผสมด้วย หลักที่สองแสดงถึงเปอร์เซ็นต์สัมพัทธ์ของธาตุผสมนี้และ/หรือธาตุรองที่สำคัญอื่นๆ ตัวเลขสองตัวสุดท้ายแสดงถึงความเข้มข้นของคาร์บอนโดยเพิ่มขึ้นทีละ 0.01% เมื่อทราบกฎเหล่านี้ เหล็ก 4130 จึงเป็นส่วนหนึ่งของซีรีส์ 4xxx และ 41xx (เหล็กกล้าโครเมียม-โมลิบดีนัม) ที่มีโมลิบดีนัม/โครเมียมประมาณ 1% โดยมวล โดยมีคาร์บอนรวมอยู่ 0.30% หากต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับความแตกต่างระหว่างเหล็กกล้า โปรดอ่านบทความของเราเกี่ยวกับประเภทของเหล็กกล้า
ด้านล่างนี้คือรายละเอียดทางเคมีที่แน่นอนของเหล็กกล้า 4130 พร้อมค่าความคลาดเคลื่อน:
คาร์บอน 0.28 - 0.33%
โครเมียม 0.8 - 1.1%
แมงกานีส 0.7 - 0.9%
โมลิบดีนัม 0.15 - 0.25%
≤ 0.035% ฟอสฟอรัส
0.15 - 0.35% ซิลิคอน
≤ 0.04% ซัลเฟอร์
เหล็กกล้า 4130 เป็นเหล็กกล้าผสมโครเมียม-โมลิบดีนัม และถือเป็นเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ มีความหนาแน่น 7.85 g/cm 3 (0.284 lb/in 3) และได้รับประโยชน์จากการชุบแข็งด้วยความร้อน เป็นเหล็กเชื่อมที่ยอดเยี่ยม เชื่อมได้ในเชิงพาณิชย์ทุกวิธี และพร้อมกลึงในสภาพปกติ/อบชุบ เหล็กกล้า 4130 สามารถทำงานเย็น งานร้อน และตีขึ้นรูปได้ง่าย แต่ไม่สามารถมีอายุได้ มีความเหนียวดีเยี่ยมเมื่ออบอ่อนและเป็นโลหะผสมที่ผ่านการชุบแข็ง เหล็กกล้า 4130 ทำงานได้ดีที่สุดในฐานะเหล็กกล้าโครงสร้าง และมักพบเป็นเหล็กท่อ กลม หรือเหล็กเส้นใน การใช้งาน โครงสร้างสำหรับเครื่องบินและอาคาร
คุณสมบัติทางกล
ตารางที่ 1 ด้านล่าง แสดงคุณสมบัติเชิงกลที่สำคัญบางประการของเหล็กกล้า 4130 ส่วนนี้จะให้รายละเอียด แต่ละค่าเหล่านี้และแสดงให้เห็นว่า เกี่ยวข้องกับการใช้งานทั่วไปของเหล็กกล้า 4130 อย่างไร
โมดูลัสยืดหยุ่นเป็นตัววัดความยืดหยุ่นของวัสดุ เช่นเดียวกับความต้านทานต่อการเปลี่ยนรูปของความยืดหยุ่น เป็นค่าเชิงกลทั่วไปที่มักใช้เพื่อแสดงความแข็งของวัสดุ และมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อเปรียบเทียบโลหะวิศวกรรม เหล็กกล้าประเภท 4130 มีโมดูลัสความยืดหยุ่น 205 GPa (29700 ksi) ซึ่งสูงกว่าเหล็กกล้าสปริงที่มีความแข็งแรงสูงบางชนิด เช่น เหล็กกล้า 9260 (อ่านเพิ่มเติมในบทความเกี่ยวกับเหล็กกล้า 9260 ของเรา) ซึ่งหมายความว่า เหล็กกล้า 4130 ไม่โค้งงอได้ง่ายและสามารถทนต่อแรงเค้นได้มากและยังคงคืนรูปเดิมได้ นี่เป็นลักษณะเฉพาะที่ยอดเยี่ยมของเหล็กโครงสร้าง เนื่องจากเป้าหมายหลักของเหล็กคือการคงสภาพอย่างเหนียวแน่น
ความต้านทานแรงดึงสูงสุดและค่าความต้านทานแรงดึงจะให้ค่าความเค้นสูงสุดที่วัสดุสามารถทนได้ก่อนที่จะเกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างถาวรในรูปทรงเรขาคณิต ความเค้นครากจะอธิบายถึงการเริ่มต้นของการเสียรูปถาวร (หรือพลาสติก) และค่าความแข็งแรงสูงสุดคือค่าความเค้นก่อนการแตกหัก ทั้งสองอย่างเป็นมาตรการที่สำคัญสำหรับนักออกแบบ แต่ความแข็งแรงของครากเป็นองค์ประกอบที่สำคัญในการใช้งานโครงสร้าง ซึ่งไม่สามารถเกินค่านี้ได้ ความต้านทานแรงดึงของเหล็กกล้า 4130 คือ 435 MPa (63100 psi) ซึ่งต่ำอย่างน่าประหลาดใจเมื่อเทียบกับเหล็กกล้าชนิดอื่น นี่ไม่ได้หมายความว่า เหล็กกล้า 4130 นั้นอ่อนแอ ในความเป็นจริงมันเหนือกว่าโลหะผสมอลูมิเนียมส่วนใหญ่มาก
ความแข็งเป็นพารามิเตอร์เปรียบเทียบเชิงคุณภาพที่อธิบายการตอบสนองของวัสดุต่อการเสียรูปพื้นผิวเฉพาะที่ มีเครื่องชั่งความแข็งหลายแบบขึ้นอยู่กับเครื่องทดสอบความแข็งมาตรฐาน สำหรับโลหะผสมส่วนใหญ่ จะใช้เครื่องหัวกด Rockwell และวัสดุ แต่ละชนิดจะถูกให้คะแนนตามระดับความแข็งของ Rockwell มีสเกลหลักสามสเกล (A, B, & C) ซึ่งค่าสเกลความแข็ง Rockwell B แสดงไว้ในตารางที่ 1 สำหรับการอ้างอิง ค่าความแข็ง Rockwell B ของทองแดง ซึ่งเป็นโลหะที่ค่อนข้างอ่อนคือ 51 เหล็กกล้าประเภท 4130 มี ความแข็งแบบ Rockwell ที่ 92 ซึ่งสูงสำหรับเหล็กกล้า และแสดงให้เห็นว่า ทำไมวัสดุนี้จึงมีความเหนียวมาก ความแข็งสูงมักจะบ่งบอกถึงความแข็งที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เหมาะสำหรับวัสดุในการบีบอัด
การยืดตัวเมื่อขาดเป็นการวัดความสามารถของวัสดุในการต้านทานการเสียรูปของพลาสติกก่อนที่จะถึงจุดแตกหัก พบได้โดยการดึงชิ้นงานทดสอบออกจากกันและวัดอัตราส่วนของความยาวเริ่มต้นต่อความยาวสุดท้ายก่อนที่จะแตกหัก โดยทั่วไปแล้วการยืดตัวเมื่อขาดจะใช้เพื่อแสดงว่าวัสดุงอได้เพียงใด และ/หรือทนทานต่อการเสียรูปของพลาสติกอย่างไร พารามิเตอร์นี้ค่อนข้างสูงในเหล็กกล้า 4130 (25.5%) ซึ่งแสดงถึงความสามารถในการทำงานที่ยอดเยี่ยมของเหล็กกล้าอัลลอยด์นี้
การใช้งานเหล็ก 4130
เหล็กกล้าประเภท 4130 เป็นโลหะที่มีความเหนียวเป็นพิเศษ ซึ่งมีความสำคัญต่อการผลิต การเชื่อม การตัด และการใช้งานที่มีความเครียดสูงอื่นๆ ในอุตสาหกรรม ลักษณะการอบชุบด้วยความร้อนที่ยอดเยี่ยมทำให้มีความเหนียวสูง และเมื่อรวมกับความสามารถในการขึ้นรูปและความสามารถในการแปรรูปที่ยอดเยี่ยม ทำให้เหล็ก 4130 มีประโยชน์อย่างกว้างขวาง แม้ว่า ส่วนใหญ่จะนำไปใช้เป็นเหล็กโครงสร้าง แต่ก็มีการใช้งานที่โดดเด่นอื่น ๆ เช่น:
ผลิตอุปกรณ์สำหรับตลับลูกปืน ชิ้นส่วนรถยนต์ และเกียร์ เครื่องจักรบดหิน ผลิตภัณฑ์เชื่อมความต้านทาน
ดอกสว่านและดอกต๊าป โรงสีและเครื่องตัดและอื่น ๆ .
เหล็กกล้า 4130 เป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมและจัดหาได้ง่ายสำหรับโครงการทุกประเภท หากคุณคิดว่า เหล็ก 4130 อาจมีประโยชน์ในการออกแบบของคุณ โปรดติดต่อซัพพลายเออร์และสอบถามว่า มีสินค้าในสต็อกหรือไม่ พวกเขามักจะมีมากมาย และถ้าไม่มี พวกเขาจะเป็นแหล่งข้อมูลที่ดีที่สุดสำหรับทางเลือกในการพิจารณา
เหล็กกล้า SAE/AISI 4340 (UNS G43400) เป็นเหล็กกล้าอัลลอยด์ต่ำที่มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษ ประกอบด้วยโครเมียมและโมลิบดีนัม AISI 4340 Alloy Steel มีความแข็งแรงและความเหนียวที่ดีและมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย คู่มือนี้จะครอบคลุมคุณสมบัติต่างๆ ของ UNS G43400 การใช้งาน ตัวเลือกการรักษาความร้อน ความสามารถในการตัดเฉือนและการเชื่อม และอื่นๆ อีกมากมาย มาเริ่มกันเลย
การใช้งาน AISI 4340
เหล็กกล้า SAE/AISI 4340 ถูกนำไปใช้งานหลายประเภท รวมถึงการผลิตชิ้นส่วนของเครื่องบิน เช่น เกียร์ เพลา โบลต์ ฯลฯ ส่วนประกอบของเครื่องยนต์ เช่น เพลาข้อเหวี่ยงและวาล์ว และตัวยึด เช่น สกรูและน็อต นอกจากนี้ยังใช้ทั่วไปสำหรับเครื่องมือเช่นปลอกเจาะในอุตสาหกรรมน้ำมัน
ความต้านทานการกัดกร่อน
เหล็กกล้า SAE/AISI 4340 มีความทนทานต่อการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย ในความเป็นจริง มันสามารถทนต่ออุณหภูมิตั้ง แต่ -100F ถึง +450F โดยไม่มีการเสื่อมสภาพหรือสูญเสียความต้านทานการกัดกร่อนอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความทนทานต่อการกัดกร่อน
ทนความร้อน
นอกจากคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนแล้ว เหล็กกล้า SAE/AISI 4340 ยังทนความร้อนได้ดีเยี่ยมอีกด้วย ได้รับการทดสอบที่อุณหภูมิสูงถึง 1,000°F โดยไม่มีผลเสียต่อคุณสมบัติทางกลหรือโครงสร้างจุลภาค ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่น ระบบไอเสียรถยนต์หรือเตาเผาอุตสาหกรรมที่ต้องการการทนความร้อน
รักษาความร้อน
เหล็กกล้า SAE/AISI 4340 สามารถอบชุบด้วยความร้อนได้ง่ายโดยใช้ทั้งวิธีการชุบแข็งแบบธรรมดา เช่น การชุบแข็งและการอบคืนตัว (Q&T) หรือโดยการใช้การบำบัดด้วยความเย็น เช่น การทำให้เย็นด้วยไนโตรเจนเหลว (LNC) ขึ้นอยู่กับการใช้งานที่ต้องการและความต้องการในการใช้งาน ควรเลือกประเภทของการรักษาความร้อนที่เหมาะสม ตัวอย่างเช่น การรักษาแบบ Q&T โดยทั่วไปจะใช้กับงานที่ต้องการความทนทานต่อการสึกหรอที่ดีขึ้น ในขณะที่การรักษาแบบ LNC มักใช้เพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการล้าหรือเพิ่มความเสถียรของมิติระหว่างการตัดเฉือน
เครื่องจักรกล
เหล็กกล้า SAE/AISI 4340 เป็นตัวเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการตัดเฉือน เนื่องจากอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงและคุณสมบัติต้านทานการสึกหรอที่เหนือกว่า สามารถกลึงโดยใช้เครื่องมือตัดแบบธรรมดาโดยให้ผลลัพธ์ที่ดี อย่างไรก็ตาม ความแข็งสูงอาจต้องใช้เครื่องมือพิเศษหรือของเหลวในการตัดเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุดเมื่อทำการตัดเฉือนวัสดุนี้
การเชื่อม
SAE/AISI43 40steel สามารถเชื่อมได้โดยใช้วิธีการเชื่อมทั่วไปทั้งหมดโดยให้ผลลัพธ์ที่ดี อย่างไรก็ตาม เนื่องจากความแข็งสูง อาจต้องมีการให้ความร้อนก่อนการเชื่อมเพื่อลดการแตกร้าวหรือการบิดเบี้ยวระหว่างการหล่อเย็นหลังจากการเชื่อมเสร็จสิ้น นอกจากนี้ อาจต้องมีการบรรเทาความเครียดหลังการเชื่อม ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชันและความต้องการของผู้ใช้ปลายทาง เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพสูงสุดจากการเชื่อมที่เสร็จสิ้นเมื่อการผลิตเสร็จสิ้น
บทสรุป:
ตั้ง แต่ส่วนประกอบของเครื่องบินไปจนถึงระบบไอเสียรถยนต์—และทุกอย่างที่อยู่ระหว่างนั้น—SAE/AISI43 40steel มอบประสิทธิภาพที่เหนือกว่าในหลากหลายอุตสาหกรรม ด้วยการผสมผสานระหว่างอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ยอดเยี่ยม ควบคู่ไปกับคุณสมบัติการกัดกร่อนและทนความร้อนที่ดีเยี่ยม วัสดุนี้ยังมีความสามารถในการแปรรูปและการเชื่อมที่ดี ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานแทบทุกอย่างที่คุณนึกออก ซึ่งต้องการประสิทธิภาพที่เหนือกว่าภายใต้สภาวะที่ท้าทาย หากโครงการของคุณต้องการประสิทธิภาพที่เหนือกว่าภายใต้สภาวะที่รุนแรง อย่ามองข้าม SAE/AISI43 40steel!
เหล็กกล้า (Steel) เป็นวัสดุที่ประกอบไปด้วยธาตุเหล็ก (Iron: Fe (Ferrous)) เป็นสารตั้งต้นพื้นฐาน แล้วก็มีการผสมธาตุต่าง ๆ ลงไปในเนื้อเหล็ก โดยทั่วไปแล้วในเหล็กกล้าจะมีธาตุเหล็กอยู่มากกว่า 90% ที่เหลือจะเจือผสมกับธาตุอื่น ๆ เช่น โมลิบดีนัม, นิเกิล, แมงกานีส ฯลฯ
ส่วนเหล็กกล้าคาร์บอนจะมีธาตุเหล็กอยู่สูงถึง 99% ที่เหลือจะเป็น คาร์บอน (Carbon) และอาจมีธาตุอื่น ๆ ผสมอยู่เล็กน้อยในเนื้อเหล็กกล้า เหล็กกล้าคาร์บอนนั้นธาตุที่เป็นหลักก็คือเหล็ก และคาร์บอน โดยเปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนที่ไปผสม จะมีค่าอยู่ที่ระหว่าง 0-2% แต่ที่พบโดยส่วนใหญ่ในท้องตลาดจะมีคาร์บอนที่ประมาณ 0.15-1.0%
เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนผสมอยู่น้อยจะมีความยืดหยุ่น (ความเหนียว) มากกว่า เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนผสมอยู่มาก แต่ถ้ามีคาร์บอนผสมลงไปในเนื้อเหล็กมากเท่าไหร่ ก็ทำให้เหล็กเกิดความเปราะมากยิ่งขึ้นด้วย ดังนั้น จะพบว่า เมื่อผสมคาร์บอนเติมเข้าไปในเหล็ก ทำให้เหล็กมีผลต่อความแข็งแกร่ง, ความแข็ง และความเปราะของเหล็ก
ระบบเรียกชื่อเหล็กกล้า
เหล็กกล้ามีอยู่มากมายหลายชนิด ซึ่งขึ้นอยู่กับการผสมธาตุ และกรรมวิธีการผลิต ดังนั้นเรามีความจำเป็นที่จะต้องจำแนกเหล็กออกเป็นชื่อเรียกต่าง ๆ กัน ซึ่งในปัจจุบันมีสถาบันที่ทำงานเกี่ยวกับโลหะมากมาย ยกตัวอย่างเช่น
· สถาบันเหล็ก และเหล็กกล้าของอเมริกา (American Iron and Steel Institute: AISI)
· สมาคมการทดสอบ และวัสดุของอเมริกา (American Society for Testing and Materials)
· สมาคมวิศวกรยานยนต์อเมริกา (Society of Automotive Engineers : SAE)
· สมาคมวิศวกรเครื่องกลอเมริกา (American Society of Mechanical Engineers :ASME)
· สถาบันมาตรฐานของเยอรมัน (Deutsches Institut für Normung: DIN)
· สถาบันมาตรฐานของญี่ปุ่น (Japanese Industrial Standards :JIS)
· ฯลฯ
องค์กรเหล่านี้กำหนดรายละเอียดของเหล็กกล้าเอาไว้ แตกต่างกันไป การจำแนกเหล็กออกเป็นประเภทเราเรียกว่า ระบบเรียกชื่อเหล็กกล้า (Steel number system) คือระบบการแบ่งเหล็กกล้าออกเป็นประเภทต่าง ๆ โดยเหล็กกล้าจะถูกเรียกเป็นตัวเลข ในหนังสือเล่มนี้จะกล่าวถึงระบบเรียกชื่อเหล็กกล้าเป็นแบบ AISI และ SAE เป็นหลัก ยกตัวอย่างเช่น
AISI/SAE 1121 อธิบาย
ตัวอักษรด้านหน้าเป็นการเรียกชื่อเหล็กตามมาตรฐานในที่นี้ก็คือ สถาบันเหล็ก และเหล็กกล้าของอเมริกา และสมาคมวิศวกรยานยนต์อเมริกา ส่วนตัวเลขปกติแล้วจะมีตัวเลขอยู่สี่ตัว โดยตัวเลขสองอันดับแรกแสดงถึงสารที่นำมาเจือปน และตัวเลขอีกสองตัวหลังด้านท้าย (มีอยู่บางประเภทจะมีอยู่สามตัวเลข) แสดงถึงเปอร์เซ็นต์ของคาร์บอนภายในเนื้อเหล็กกล้า
ยกตัวอย่างเช่น AISI/SAE 1020
o เป็นไปตามมาตรฐานของ AISI หรือ SAE
o ตัวเลขแรก (1) บอกถึงมีคาร์บอนผสมอยู่
o ตัวเลขลำดับที่สอง (0) ก็คือไม่มีธาตุอื่นผสมอยู่มีเพียงคาร์บอนเท่านั้น
o ตัวเลขสองตัวสุดท้าย (20) เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนผสมอยู่ประมาณ 0.20%
ตัวอย่าง AISI/SAE 4340
o เป็นไปตามมาตรฐานของ AISI หรือ SAE
o ตัวเลขสองตัวแรก (43) ก็คือ เหล็กกล้ามีการผสม นิกเกิล-โครเมียม-โมลิบดีนัม
o ตัวเลขสองตัวหลัง (40) มีคาร์บอนเป็นส่วนผสมมีค่าประมาณ 0.4%
ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้า
เหล็กกล้าคาร์บอน (Plain Carbon Steel)
คือเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนเป็นธาตุผสมหลัก มีคุณสมบัติที่ดีในหลายด้าน ทั้งความแข็งแรง ความเหนียว ความแกร่ง และมีราคาถูก นอกจากนี้ยังสามารถทำการอบชุบเพื่อเพิ่มความแข็งและความแข็งแรงได้ ตัวอย่างส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าแสดงดังตารางที่ 1
ตารางที่ 1 ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าคาร์บอน
เกรดเหล็ก ส่วนผสมหลัก (Wt.%)
DIN JIS AISI ชื่อเรียกทางการค้า C Si Mn Cr Mo V
GS-38 S15C 1015 เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ 0.13-0.18 0.10-0.60 0.30-0.60
CK45 S45C 1045 เหล็กเหนียว 0.40-0.52 <0.40 0.50-0.80
CK50 S50C 1050 เหล็กแข็งหัวแดง 0.47-0.55 <0.40 0.60-0.90
เหล็กกล้าผสมต่ำ (Low Alloy Steels)
เป็นเหล็กกล้าที่มีธาตุประสมรวมกันน้อยกว่า 8% ธาตุที่ผสมอยู่คือ โครเมี่ยม นิกเกิล โมลิบดินั่ม และแมงกานีส ปริมาณของธาตุที่ใช้ผสม แต่ละตัวจะไม่มาก ประมาณ 1 – 2% ผลจากการผสมทำให้เหล็กสามารถชุบแข็งได้ มีความแข็งแรงสูง เหมาะสำหรับใช้ในการทำชิ้นส่วนเครื่องจักรกล เช่น เฟือง เพลาข้อเหวี่ยง จนบางครั้งมีชื่อว่า เหล็กกล้า เครื่องจักรกล (Machine Steels) เหล็กกล้ากลุ่มนี้จะต้องใช้งานในสภาพชุบแข็งและอบก่อนเสมอจึงจะมีค่าความแข็งแรงสูง ตัวอย่างส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าแสดงดังตารางที่ 2
ตารางที่ 2 ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าผสมต่ำ
เกรดเหล็ก ส่วนผสมหลัก (Wt.%)
DIN JIS AISI ชื่อเรียกทางการค้า C Si Mn Cr Mo V
34CrNiMo6 SNCM440 4340 เหล็กน้ำมันเฟือง 0.30-0.38 0.10-0.40 0.50-0.80 1.30-1.70 0.15-0.30
42CrMo4 SCM440 4140 เหล็กแข็งหัวฟ้า 0.38-0.45 0.10-0.40 0.60-0.90 0.90-1.20 0.12-0.30
40CrMnMo7 P20 P20 เหล็กงานพลาสติก 0.40 0.40 1.50 1.90 0.20
100Cr6 SUJ2 E52100 เหล็กเพลาลูกปืน 0.90-1.05 0.15-0.35 0.25-0.45 1.35-1.60
15CrNi6 SCN 415 3115 เหล็กคาร์เบอร์ไรซ์ซิ่ง 0.12-0.17 0.10-0.40 0.60-0.90 0.90-1.20
42CrMo4 SCM440H 4140H Machinery steel 0.38-0.45 0.10-0.40 0.60-0.90 0.90-1.20 0.15-0.30
เหล็กกล้าผสมสูง (High alloy steels)
เหล็กกล้าประเภทนี้จะถูกปรับปรุงคุณสมบัติสำหรับการใช้งานเฉพาะอย่าง ซึ่งก็จะมีธาตุประสมรวมกันมากกว่า 8% เช่น เหล็กกล้าทนความร้อน เหล็กกล้าทนการเสียดสี และเหล็กกล้าทนการกัดกร่อน
ตารางที่ 3 ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าผสมสูง
เกรดเหล็ก ส่วนผสมหลัก (Wt.%)
DIN JIS AISI ชื่อเรียกทางการค้า C Si Mn Cr Mo V
40CrMoV5-1 SKD61 H13 เหล็กน้ำมันงานร้อน 0.40 1.00 0.40 5.30 1.40 1.00
100MnCrW4 SKS93 O1 เหล็กทนกระแทก 0.95 1.10 0.60 0.10
155CrVMo12-1 SKD11 D2 เหล็กน้ำมันงานเย็น 1.55 0.30 0.30 12.0 0.70 1.00
HS 6-5-2 SKH51 M2 เหล็กไฮสปีด 0.90 4.10 5.0 1.90
36CrMo17 SUS431 431 เหล็กสตาร์แวค 0.38 0.40 0.65 16.0 0.60
105CrMo17 SUS440C 440C เหล็กไร้สนิม 0.90-1.20 16.0-18.0 0.40-0.80
ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กหล่อ
ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กหล่อชนิดต่างๆ แสดงในตารางที่ 4 เหล็กหล่อโดยปกติจะไม่จำแนกเป็นชั้นคุณภาพต่างๆ ตามส่วนผสมทางเคมี แต่จะนิยมแบ่งชั้นคุณภาพด้วยคุณสมบัติเชิงกล เช่น ตามมาตรฐาน JIS จะแบ่งชั้นคุณภาพเหล็กหล่อเทาเป็น FC20 FC25 และ FC30 เป็นต้น โดย FC หมายถึงเหล็กหล่อเทา ส่วนตัวเลข 20 25 และ30 นั้นหมายถึงความต้านทางแรงดึงสูงสุดในหน่วย kg/mm2
From ASM Specialty Handbook, Cast iron
ตารางที่ 4 ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กหล่อ
ชนิดของเหล็กหล่อ ส่วนผสมทางเคมี (Wt %)
C Si Mn P S
เหล็กหล่อเทา 2.4-4.0 1.0-3.0 0.2-1.0 0.002-1.0 0.02-0.25
เหล็กหล่อตัวหนอน 2.5-4.0 1.0-3.0 0.2-1.0 0.01-0.1 0.01-0.03
เหล็กหล่อเหนียว 3.0-4.0 1.8-2.8 0.2-1.0 0.01-0.1 0.01-0.03
เหล็กหล่อขาว 1.8-3.6 0.5-1.9 0.25-0.8 0.06-0.2 0.06-0.2
เหล็กหล่ออบเหนียว 2.2-2.9 0.9-1.9 0.15-1.2 0.02-0.2 0.02-0.2
เหล็กกล้าคาร์บอน
เหล็ก AISI4140,AISI4340,SK5,SKH51,yxm1,AISI4115,SCM415,SCM440,SCM4,SNCM439,เหล็ก DAC,SKD61,เหล็ก SGT,SKS3,เหล็ก SLD,SKD11,เหล็ก YXM1,SKH51,เพลาเจียร SK4,เหล็กเพลาเจียร SK4,เหล็กเกรด 4340HT,4140HT,เหล็ก SCM440H,42Cr Mo4,เหล็ก CM4,SNCM 439H,SNCM8,M2,M3, H13,L6,D2,440C,SUJ2,S45C,SCM4,SCM21,5920,SUP9, SUH3,SK5,N695,ST-52 ST-37 / DIN 1.4841 (SUH 310) AISI 310S,
เหล็กบริสุทธิ์ในสถานะของแข็งสามารถปรากฏอยู่ได้หลายรูปแบบ(เฟส) คือ
1. อัลฟาเฟอร์ไรต์ (α-ferrite) เป็นเหล็กของแข็งที่ มีโครงสร้างผลึกแบบ body-centeredcubic (BCC)จัดเป็นเฟสในสมดุลที่อุณหภูมิต่ำกว่า 910 องศาเซลเซียส
2. ออสเทนไนต์ (γ-austenite) เป็นเหล็กของแข็งที่ มีโครงสร้างผลึกแบบ face-centered cubic (FCC) จัดเป็นเฟสในสมดุลที่อุณหภูมิสูงกว่า 910 องศาเซลเซียส
3. เดลต้าเฟอร์ไรต์ (δ-ferrite) เป็นเหล็กของแข็งที่มีโครงสร้างผลึกแบบ body-centeredcubic(BCC) แต่ขนาดของโครงผลึกแตกต่างจากแอลฟ่าเฟอร์ไรต์จึงจัดเป็นคนละเฟสกันและพบในสมดุลที่อุณหภูมิสูงกว่า 1390 องศาเซลเซียส
เหล็กบริสุทธิ์มีความแข็งแรงต่ำ จึงมีความต้องการเพิ่มความแข็งแรงให้กับวัสดุกลุ่มเหล็ก เริ่มจากการเติมคาร์บอน ซึ่งส่งผลให้เกิดการเพิ่มความแข็งแรงโดยกลไกการเกิดเป็นสารละลายของแข็ง (solid solution strengthening) โดยอะตอมคาร์บอนมีขนาดเล็กกว่าอะตอมของเหล็ก จะเข้าไปแทรกอยู่ที่ช่องว่างแคบๆ ระหว่างอะตอมเหล็ก(interstitial sites)และเกิดสนามความเค้นรอบๆ อะตอมคาร์บอน ดังนั้นเมื่อจะทำให้เหล็กเกิดการเสียรูปถาวร ซึ่งเป็นการทำให้กลุ่มอะตอมเหล็กเคลื่อนที่ไปพร้อมๆ กันนั้นจึงต้องอาศัยแรงกระทำมากขึ้น ทั้งนี้ในเหล็กอัลฟาที่อุณหภูมิห้องนั้นมีคาร์บอนละลายอยู่ได้สูงที่สุดประมาณ 0.008%โดยน้ำหนัก
เนื่องจากเฟอร์ไรต์นั้นสามารถละลายคาร์บอนได้น้อยมาก ดังนั้นถ้ามีคาร์บอนในเหล็กมากกว่าความสามารถในการละลาย นั่นหมายความว่า คาร์บอนต้องอยู่ในรูปอื่น ซึ่งปกติแล้วในเหล็กกล้านั้น คาร์บอนส่วนที่เกินความสามารถในการละลายจะเกิดการรวมตัวกับอะตอมเหล็กกลายเป็นเหล็กคาร์ไบด์ หรือซีเมนไทต์ (Fe3C) ปกติแล้วโครงสร้างจุลภาคในเหล็กกล้าที่มีคาร์บอนเกินกว่า 0.01% ก็เริ่มมีซีเมนไทต์แล้ว แต่สังเกตไม่เห็นชัดเจนในภาพโครงสร้างจุลภาค ถ้าปริมาณคาร์บอนสูงขึ้น เช่น 0.05% ก็จะสังเกตเห็นซีเมนไทต์ได้ชัดเจน โดยซีเมนไทต์ดังกล่าวเกิดขึ้นร่วมกับเฟอร์ไรต์ในลักษะแถบสลับกันภายในเกรน เรียกรูปแบบโครงสร้างดังกล่าวว่า “เพิร์ลไลต์”(pearlite) ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนเฟสที่เรียกว่า “ยูเท็กตอยด์” (eutectoid transformation)
เมื่อปริมาณคาร์บอนมากขึ้น ปริมาณของเพิร์ลไลต์ในโครงสร้างจุลภาคก็จะมากขึ้น ในขณะที่ปริมาณเกรนที่เป็นเฟอร์ไรต์เท่านั้นก็จะน้อยลง จนเมื่อปริมาณคาร์บอนประมาณ 0.8% จะไม่เหลือเกรนที่เป็นเฟอร์ไรต์เท่านั้นอีกเลย แต่เป็นโคโลนีของเพิร์ลไลท์ทั้งหมด ดังนั้นโครงสร้างเพิร์ลไลท์จะมีคาร์บอนอยู่ประมาณ 0.8% เสมอ (ภายใต้เงื่อนไขว่า การเย็นตัวของเหล็กค่อนข้างช้า) เหล็กกล้าที่มีคาร์บอน 0.8% จึงถูกเรียกอีกอย่างว่า เหล็กกล้ายูเท็กตอยด์ (eutectoid steel)
หากปริมาณคาร์บอนในเหล็กเพิ่มสูงขึ้นไปกว่า 0.8% แล้ว คาร์บอนส่วนที่เกิน 0.8% ซึ่งไม่สามารถอยู่ในเพิร์ลไลต์ได้ จะไปอยู่ในรูปของซีเมนไทต์ที่ต่อกันเป็นโครงข่ายตามขอบเกรนของกลุ่มโคโลนีเพิร์ลไลต์ โดยปริมาณซีเมนไทต์ตามขอบเกรนนี้จะมากขึ้นตามปริมาณคาร์บอนที่มากขึ้นด้วย
จากลักษณะดังกล่าวจึงอาจแบ่งกลุ่มของเหล็กกล้าคาร์บอนตามลักษณะโครงสร้างได้เป็น
- เหล็กกล้าไฮโปยูเท็กตอยด์ มีคาร์บอนน้อยกว่า 0.8% (C < 0.8%) โครงสร้างเป็นเกรนเฟอร์ไรต์และเกรนเพิร์ลไลทต์โดยมีมากน้อยตามปริมาณคาร์บอนในเหล็ก
- เหล็กกล้ายูเท็กตอยด์ โครงสร้างเป็น เป็นเกรนเพิร์ลไลต์ทั้งหมด มีคาร์บอนประมาณ 0.8%
- เหล็กกล้าไฮเปอร์ยูเท็กตอยด์ มีคาร์บอนมากกว่า 0.8% (C > 0.8%) โครงสร้างเป็นเกรนเพิร์ลไลต์ และโครงข่ายซีเมนไทต์ตามขอบเกรน โดยมีมากน้อยตามปริมาณคาร์บอนในเหล็ก
