ปริมาณคาร์บอนเป็นตัวแปรเดียวที่มีอิทธิพลมากที่สุดในโลหะวิทยาเหล็กหล่อ เหล็กหล่อ ถูกกำหนดโดยปริมาณคาร์บอน 2.0% ถึง 4.5% โดยน้ำหนัก — สูงกว่าช่วงเหล็ก 0.02–2.0% มาก ภายในช่วงนี้ แม้แต่การเปลี่ยนแปลงของคาร์บอน 0.3% ก็สามารถเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาค ความแข็งแรงทางกล ความแข็ง ความสามารถในการขึ้นรูป และพฤติกรรมทางความร้อนของการหล่อได้ การทำความเข้าใจว่าคาร์บอนมีปฏิกิริยาอย่างไรกับเหล็ก — และกับธาตุผสมอื่นๆ — เป็นรากฐานของการผลิตงานหล่อที่ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือ
เหล็กหล่อต่างจากเหล็กกล้าตรงที่คาร์บอนถูกเก็บไว้ต่ำเพื่อเพิ่มความเหนียวและความเหนียว เหล็กหล่อจงใจรักษาระดับคาร์บอนสูงเพื่อให้ได้ความสามารถในการหล่อที่เหนือกว่า การลดแรงสั่นสะเทือน และความต้านทานต่อการสึกหรอ ความแตกต่างที่สำคัญอยู่ที่ว่าคาร์บอนจะมีรูปแบบใดภายในเมทริกซ์โลหะที่แข็งตัว
คาร์บอนในเหล็กหล่อมีอยู่ในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งจากสองรูปแบบหลัก: เช่น กราไฟท์ฟรี (ธาตุคาร์บอนตกตะกอนระหว่างการแข็งตัว) หรือเป็น เหล็กคาร์ไบด์ (Fe₃C หรือที่เรียกว่าซีเมนไทต์) . รูปแบบใดที่มีอำนาจเหนือกว่านั้นพิจารณาจากปริมาณคาร์บอน อัตราการทำความเย็น และการมีอยู่ขององค์ประกอบอื่นๆ โดยเฉพาะซิลิคอน ความแตกต่างนี้ไม่ใช่เรื่องสวยงาม โดยเป็นตัวกำหนดว่าเหล็กนั้นมีสีเทา สีขาว อ่อนตัวได้ หรือมีความเหนียว ซึ่งแต่ละชนิดมีคุณสมบัติทางกลที่แตกต่างกันอย่างสุดซึ้ง
เหล็กหล่อเกรดต่างๆ ไม่ใช่หมวดหมู่ที่กำหนดเอง — เป็นผลมาจากช่วงคาร์บอนที่มีการควบคุมอย่างจงใจรวมกับสภาวะการประมวลผลเฉพาะ
| ประเภทเหล็กหล่อ | ปริมาณคาร์บอน (%) | แบบฟอร์มคาร์บอน | ลักษณะสำคัญ |
|---|---|---|---|
| เหล็กสีเทา | 2.5 – 4.0% | กราไฟท์เกล็ด | สามารถแปรรูปได้ดี มีความหน่วงสูง มีความต้านทานแรงดึงต่ำ |
| เหล็กขาว | 1.8 – 3.6% | ซีเมนต์ไทต์ (Fe₃C) | มีความแข็งมาก เปราะ ทนต่อการสึกหรอได้ดีเยี่ยม |
| เหล็กอ่อน | 2.0 – 2.9% | เทมเปอร์คาร์บอน (โบ) | ความเหนียวที่ดีหลังจากการหลอม ทนต่อแรงกระแทก |
| เหล็กดัด (เป็นก้อนกลม) | 3.2 – 4.2% | กราไฟท์ทรงกลม | ความต้านทานแรงดึงสูง ความเหนียว ความต้านทานต่อความเมื่อยล้า |
| เหล็กกราไฟท์อัดแน่น | 3.1 – 4.0% | กราไฟท์ Vermicular (คล้ายหนอน) | ตัวกลางระหว่างเหล็กสีเทาและเหล็กดัด |
คาร์บอนไม่ได้ทำหน้าที่แยกออกจากกัน ซิลิคอนและฟอสฟอรัสยังมีส่วนทำให้เกิดพฤติกรรม "คล้ายคาร์บอน" ของการหลอมที่มีประสิทธิภาพ วิศวกรโรงหล่อใช้ สูตรเทียบเท่าคาร์บอน (CE) เพื่ออธิบายการโต้ตอบเหล่านี้:
CE = %C (%ศรี %P) / 3
เหล็กบริสุทธิ์จะแข็งตัวที่อุณหภูมิ 1,538°C จุดยูเทคติกของระบบเหล็ก-คาร์บอนเกิดขึ้นที่ ซีอี = 4.3% ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่มีจุดหลอมเหลวต่ำที่สุด (~1,150°C) และมีความลื่นไหลดีที่สุด เหล็กสีเทาเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ตั้งเป้าไว้ที่ CE 3.9–4.3% เพื่อความสมดุลระหว่างความสามารถในการหล่อกับสมรรถนะทางกล
ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณคาร์บอนและสมบัติเชิงกลไม่เป็นเส้นตรง ขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของคาร์บอนภายในเมทริกซ์เป็นหลัก อย่างไรก็ตาม มีแนวโน้มทิศทางที่ชัดเจน
ในเหล็กสีเทา โดยทั่วไปจะเพิ่มคาร์บอนทั้งหมด ลดความต้านทานแรงดึง เพราะเกล็ดกราไฟท์ที่มากขึ้นและหยาบกว่าทำหน้าที่เป็นตัวรวมความเครียด โดยทั่วไปแล้วเหล็กสีเทาจะมีความต้านทานแรงดึงเท่ากับ 150–400 เมกะปาสคาล เมื่อเทียบกับ 400–900 เมกะปาสคาล สำหรับเหล็กดัดที่มีคาร์บอนชนิดเดียวกันปรากฏเป็นทรงกลมแทนที่จะเป็นสะเก็ด สัณฐานวิทยาของกราไฟท์มีความสำคัญมากกว่าเปอร์เซ็นต์คาร์บอนทั้งหมด
คาร์บอนที่สูงขึ้นในรูปของซีเมนไทต์ (เหล็กสีขาว) จะเพิ่มความแข็งอย่างมาก โดยทั่วไปแล้วเหล็กสีขาวจะไปถึง 400–700 HBW เมื่อเทียบกับ 150–300 HBW สำหรับเหล็กสีเทา อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้มาพร้อมกับต้นทุนของความเหนียวที่เกือบเป็นศูนย์ ในการหล่อแบบแช่เย็น ชั้นพื้นผิวเหล็กสีขาวแข็งจะถูกสร้างขึ้นโดยตั้งใจที่พื้นผิวที่สึกหรอในขณะที่ชั้นส่วนใหญ่ยังคงเป็นสีเทา
เหล็กสีเทาก็มี โดยพื้นฐานแล้วความเหนียวเป็นศูนย์ (การยืดตัว <0.5%) เนื่องจากเกล็ดกราไฟท์ทำหน้าที่เป็นรอยบากภายใน เหล็กดัดที่มีคาร์บอนเท่ากันหรือสูงกว่าแต่อยู่ในรูปทรงกลม จะได้ค่าการยืดตัวที่ 2–18% ขึ้นอยู่กับเกรด — การปรับปรุงอย่างมากทำได้โดยการเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของกราไฟท์ผ่านการบำบัดแมกนีเซียม ไม่ใช่โดยการลดคาร์บอน
กราไฟท์อิสระทำหน้าที่เป็นสารหล่อลื่นในตัวระหว่างการตัดเฉือน ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไม เหล็กสีเทาเป็นหนึ่งในโลหะที่ตัดเฉือนง่ายที่สุด . ปริมาณกราไฟท์ที่สูงขึ้น (คาร์บอนที่สูงขึ้นในเหล็กสีเทา) โดยทั่วไปจะช่วยเพิ่มความสามารถในการขึ้นรูป ในทางตรงกันข้าม เหล็กสีขาวนั้นตัดเฉือนได้ยากมากเนื่องจากมีส่วนประกอบของซีเมนต์ และโดยทั่วไปจะใช้แบบหล่อหรือแบบบดเท่านั้น
นอกเหนือจากคุณสมบัติทางกลแล้ว ปริมาณคาร์บอนส่งผลโดยตรงต่อการเกิดข้อบกพร่องในการหล่อทั่วไป บางส่วนเกิดจากคาร์บอนมากเกินไป และบางส่วนก็น้อยเกินไป
ทั้งคาร์บอนและซิลิกอนส่งเสริม การขยายตัวของกราไฟท์ระหว่างการแข็งตัว . เมื่อกราไฟท์ตกตะกอน กราไฟท์จะขยายตัวตามปริมาตร ซึ่งบางส่วนจะช่วยลดการหดตัวที่เกิดขึ้นเมื่อโลหะเหลวเย็นตัวลง ปริมาณคาร์บอนที่สูงขึ้นในเหล็กสีเทา (CE ใกล้ 4.3%) ทำให้เกิดการขยายตัวของกราไฟท์เพียงพอที่จะบรรลุผล การหดตัวสุทธิใกล้เป็นศูนย์ ช่วยลดความจำเป็นในการยกสูง เหล็กสีเทาคาร์บอนตอนล่าง (CE ~3.6%) อาจแสดงการหดตัวสุทธิของ 0.5–1.5% โดยต้องมีการออกแบบไรเซอร์อย่างระมัดระวัง
ในเหล็กไฮเปอร์ยูเทคติก (CE > 4.3%) กราไฟท์ปฐมภูมิจะตกตะกอนก่อนปฏิกิริยายูเทคติก และสามารถลอยไปที่พื้นผิวด้านบนของการหล่อหรือแม่พิมพ์ได้ นี้ กราไฟท์ "kish" ทำให้เกิดช่องว่างบนพื้นผิว การเจือปน และข้อบกพร่องด้านความสวยงาม การควบคุมคาร์บอนให้ต่ำกว่าเกณฑ์ไฮเปอร์ยูเทคติกช่วยป้องกันการก่อตัวของคิช
เมื่อปริมาณคาร์บอนและอัตราการทำความเย็นไม่ตรงกัน โดยเฉพาะในส่วนบางที่มีเส้นเขตแดน CE การก่อตัวของเหล็กสีขาวบางส่วนจะเกิดขึ้นควบคู่ไปกับบริเวณที่เป็นเหล็กสีเทา นี้ โครงสร้างจุลภาค "จุดด่างดำ" สร้างความแข็งที่คาดเดาไม่ได้และไม่สม่ำเสมอ ทำให้การตัดเฉือนไม่สอดคล้องกันและประสิทธิภาพทางกลไม่น่าเชื่อถือ ถือเป็นข้อบกพร่องในการออกแบบหล่อเย็นทั้งหมดยกเว้นโดยเจตนา
คาร์บอนไม่เคยทำหน้าที่เพียงลำพัง ซิลิคอนเป็นองค์ประกอบสร้างกราฟิคที่ทรงพลังที่สุดในเหล็กหล่อ และทำงานร่วมกับคาร์บอนโดยตรงเพื่อกำหนดโครงสร้างจุลภาคขั้นสุดท้าย ปริมาณซิลิคอนในเหล็กหล่อเชิงพาณิชย์โดยทั่วไปมีตั้งแต่ 1.0% ถึง 3.0% .
นี่คือเหตุผลว่าทำไมการระบุคาร์บอนเพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอ วิศวกรโรงหล่อจะระบุทั้งคาร์บอนและซิลิคอนร่วมกันเสมอ และโดยทั่วไปจะตรวจสอบ CE เป็นพารามิเตอร์ควบคุมคอมโพสิต
การควบคุมปริมาณคาร์บอนในการผลิตเป็นทั้งวิชาเคมีและระเบียบวินัยของกระบวนการ วิธีการต่อไปนี้ถือเป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐานในโรงหล่อสมัยใหม่:
ปริมาณคาร์บอนเป็นตัวแปรหลักของโลหะวิทยาเหล็กหล่อ แต่ผลกระทบของมันจะแสดงออกมาเสมอผ่านการโต้ตอบกับอัตราการเย็นลง ปริมาณซิลิคอน และสภาวะการแปรรูป คาร์บอนทั้งหมดเป็นตัวกำหนดปริมาณกราไฟท์หรือคาร์ไบด์ที่จะก่อตัวได้ สภาพแวดล้อมการประมวลผลจะกำหนดว่าอันไหนทำ ไม่ว่าเป้าหมายคือความสามารถในการหน่วงของเหล็กสีเทา ความต้านทานการสึกหรอของเหล็กสีขาว หรือความเหนียวของเหล็กดัด การบรรลุคุณภาพการหล่อที่สม่ำเสมอเริ่มต้นด้วยการควบคุมคาร์บอนที่แม่นยำซึ่งสนับสนุนโดยการวิเคราะห์การหลอมแบบเรียลไทม์ สำหรับวิศวกรโรงหล่อและผู้ซื้อการหล่อ การระบุและการตรวจสอบคาร์บอน — ควบคู่ไปกับซิลิคอนและ CE — ไม่ใช่ทางเลือก มันเป็นจุดเริ่มต้นของการคัดเลือกนักแสดงคุณภาพทุกรายการ
