เหล็กกล้า การผสมธาตุในเหล็กกล้า เรื่องควรรู้คุณสมบัติของเหล็กกล้า

เหล็กกล้า เป็นเหล็กประเภทหนึ่งที่เกิดขึ้นมาจากการผสมผสานวัสดุธาตุต่าง ๆ เพื่อเสริมให้เนื้อเหล็กมีความแข็งแกร่งมากยิ่งขึ้น หรือเรียกว่า “ธาตุผสม” ซึ่งปริมาณที่นำมาผสมจนเป็นเหล็กกล้านั้นอาจไม่สำคัญเท่ากับคุณภาพและคุณสมบัติของธาตุ โดยสรุปแล้ว ธาตุที่ผสมกันเป็นเหล็กกล้าจะช่วยเพิ่มคุณสมบัติได้ดังนี้

1. ช่วยให้เนื้อเหล็กมีความแข็งแกร่ง ทนทานต่อสภาพแวดล้อมต่าง ๆ และการกัดกร่อนของสนิม ได้แก่ ธาตุคาร์บอน แมงกานีส นิกเกิล โครเมียม หรือทองแดง
2. ช่วยเพิ่มความสามารถให้เหล็กกลึงกัดไสได้ง่ายขึ้น ได้แก่ ธาตุตะกั่ว กำมะถัน หรือเทลลูเลียม
3. ช่วยคงสถานะคุณสมบัติทางฟิสิกส์เมื่อเหล็กมีอุณหภูมิสูงขึ้น ได้แก่ ธาตุทังสเตนหรือโมลิบดีนัม
4. ช่วยเพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอ ได้แก่ ธาตุโคบอลต์
5. ช่วยขจัดคาร์ไบน์ ได้แก่ ธาตุโคลัมเบียม
6. ช่วยทำให้เม็ดเกรนละเอียดและมีความเหนียว ได้แก่ ธาตุวาเนเดียม

ข้อควรรู้เกี่ยวกับการผสมธาตุในเหล็กกล้า

การผสมธาตุที่ผสมเข้าไปเพื่อเสริมคุณสมบัติของแร่กล้านั้น จำเป็นที่จะต้องมีอัตราส่วนที่เหมาะสม กล่าวคืออัตราส่วนของแร่ธาตุที่ผสมไม่ควรเกิน 2% ของธาตุเดียวกันในเหล็กกล้า เพราะปริมาณธาตุผสมที่มากเกินไป อาจจะส่งผลต่อคุณสมบัติของเหล็กกล้าได้ ด้วยเหตุนี้ การเติมธาตุต่าง ๆ เข้าไปผสมกับเหล็กกล้าเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งหรือคุณสมบัติต่าง ๆ นั้นจำเป็นอย่างมากที่จะต้องรู้ถึงจุดประสงค์ในการใช้งาน เพื่อที่จะทำให้สามารถเติมแร่ธาตุได้อย่างถูกต้องและเพิ่มประสิทธิภาพของเหล็กกล้าได้สอดคล้องกับงานนั่นเอง

รู้จักธาตุผสมที่ช่วยเพิ่มคุณสมบัติของเหล็กกล้า

โดยปกติแล้ว การผสมแร่ธาตุเข้าไปในเหล็กกล้าเพื่อเพิ่มความแข็งแรงทนทานและคุณสมบัติต่าง ๆ นั้นมักจะใช้แร่ธาตุ จำนวน 8 ชนิด ดังนี้

1. แมงกานีส

แมงกานีสเป็นธาตุที่พบได้ภายในเหล็กกล้าอยู่แต่เดิมแล้ว เนื่องจากมีคุณสมบัติในการเพิ่มศักยภาพในการชุบแข็งของเหล็กกล้าเครื่องมือผ่านกระบวนการกำจัดแก๊สที่แมงกานีสจะต้องรวมตัวกับกำมะถัน สำหรับการผสมแมงกานีสเข้าไปในเหล็กกล้านั้น ปกติจะนิยมผสมร่วมกับโมลิบดินั่มและโครเมียมเพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กกล้า โดยสัดส่วนในการผสมจะมีปริมาณสูงกว่า 0.6% ขึ้นไป นอกจากนั้น ยังไม่นิยมผสมแมงกานีสเข้าไปในเหล็กกล้าลำพังเพียงแค่ธาตุเดียว เนื่องจากจะทำให้เหล็กกล้ามีความเปราะบางมากขึ้นเมื่อพบอุณหภูมิสูงประมาณ 400 – 600 oC ด้วยเหตุนี้ การผสมแมงกานีสลงไปในเหล็กกล้าให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดนั้น จำต้องผสมผสานแร่ธาตุอื่นเข้าไปด้วยเพื่อเพิ่มความสมดุล

2. ซิลิกอน

ปกติแล้วภายในเหล็กกล้าหนึ่งชิ้นจะพบปริมาณซิลิกอนผสมอยู่ประมาณ 0.2 – 0.3% เนื่องจากเป็นธาตุผสมที่จำเป็นต่อการกระตุ้นให้คาร์บอนรวมตัวกันเป็นกราไฟต์ และช่วยไล่แก๊สออกซิเจนระหว่างกระบวนการหลอมเหล็กกล้า อย่างไรก็ตาม การใช้ซิลิกอนในเหล็กกล้านั้น จะต้องผสมผสานกับแร่ธาตุชนิดอื่นอย่างโมลิบดินั่มหรือวานาเดียมเพื่อช่วยให้เหล็กกล้าชุบแข็งได้ง่ายยิ่งขึ้น ลดการเกิด Oxidant ระหว่างกระบวนการหลอมที่อุณหภูมิสูงขึ้น และช่วยรักษาสภาพความแข็งของเหล็กกล้าไว้ได้ดีระหว่างการอบคืนตัว ทำให้มีการใช้ซิลิกอนและคาร์บอนผสมกันในการขึ้นรูปเหล็กกล้า เนื่องจากช่วยลดปัญหาการติดของโลหะได้เป็นอย่างดี

3. คาร์บอน

ในบรรดาธาตุผสมของเหล็กกล้า คาร์บอนเป็นหนึ่งในธาตุที่มีความสำคัญต่อเหล็กกล้ามากที่สุด เนื่องจากเป็นแร่ธาตุที่ช่วยเพิ่มคุณสมบัติของเหล็กกล้าได้มากมายหลายประการ ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มความแข็งแรง ศักยภาพในการชุบแข็ง การรักษาความแข็งไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง ความทนแทนต่อการเสียดสีและสภาพแวดล้อมต่าง ๆ รวมถึงความเค้นแรงดึง อีกทั้งช่วยลดความเหนียวและการยืดตัวของเหล็ก ทำให้คาร์บอนเป็นแร่ธาตุที่จะขาดไปไม่ได้เลยจากกระบวนการหลอมเหล็กกล้า อย่างไรก็ตาม การใส่คาร์บอนเข้าไปในเหล็กกล้านั้นจะต้องผสมผสานกับแร่ธาตุชนิดอื่นด้วยเช่นกัน อาทิ ทังสเตน โครเมียม และโมลิบดินั่ม เพื่อเพิ่มคุณสมบัติต่าง ๆ ตามวัตถุประสงค์การใช้งานของเหล็กกล้า

4. ทังสเตน

แร่ธาตุชนิดนี้มีคุณสมบัติที่ช่วยให้เหล็กกล้ามีความทนทานต่อการสึกหรอ การเสียดสี และความร้อนได้สูง จึงนิยมผสมทังสเตนเข้าไปในเหล็กกล้ามากถึง 18% กรณีที่ต้องการเหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติสามารถรักษาความแข็งได้มากในอุณหภูมิสูง ตลอดจนช่วยให้รักษาคมตัด และควบคุมไม่ให้เหล็กสลายตัวเร็วในสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนสูงมาก

5. โคบอลท์

ในบรรดาแร่ธาตุทั้งหมดที่สามารถผสมเข้ากับเหล็กกล้า โคบอลท์เป็นแร่ธาตุชนิดเดียวที่มีคุณสมบัติลดความสามารถในการชุบแข็งของเหล็กกล้า ด้วยเหตุนี้ จึงนิยมผสมโคบอลท์ลงไปในเหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูง (high speed tool steel) ซึ่งต้องการคุณสมบัติในการตัดโลหะได้เป็นอย่างดี และสามารถคงความแข็งไว้ได้ท่ามกลางอุณหภูมิที่สูง

6. วานาเดียม

คุณสมบัติที่สำคัญของวานาเดียมคือการเพิ่มโครงสร้างของเกรนที่มีความละเอียด นำไปสู่ความแข็งแกร่งและเหนียวแน่นของเหล็กกล้า จึงมีการใช้วานาเดียมผสมเข้าไปในเหล็กกล้าที่ต้องการคาร์ไบที่มีความเสถียรภาพ แข็งแรง ละเอียด และกระจัดกระจาย ปกติแล้ว การผสมวานาเดียมจะไม่นิยมผสมร่วมกับแร่ธาตุอื่น ๆ เนื่องจากใช้เพื่อจุดประสงค์แบบเฉพาะเจาะจง

7. โครเมียม

นอกจากคาร์บอนแล้ว โครเมียมก็เป็นหนึ่งในแร่ธาตุผสมที่ช่วยเพิ่มคุณสมบัติของเหล็กกล้าได้หลากหลาย ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มความทนทานต่อการเสียดสี ศักยภาพในการชุบแข็ง รวมถึงการเพิ่มความเหนียวหนืดให้กับเหล็กกล้า อย่างไรก็ตาม การผสมโครเมียมลงไปในเหล็กกล้าเครื่องมือโดยไม่มีส่วนผสมอย่างอื่นประกอบนั้นจะทำให้เกิดข้อจำกัดในการใช้งานเหล็กกล้าพอสมควร นั่นคือต้องหลีกเลี่ยงการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงและไม่ควรแช่เหล็กกล้าทิ้งไว้เป็นเวลานาน ด้วยเหตุนี้ จึงนิยมผสมวานาเดียมเพิ่มเข้าไปด้วยเพื่อชะลอการขยายตัวของเกรนซึ่งช่วยให้เหล็กกล้ามีคุณสมบัติที่ทนทานต่อการใช้งานมากยิ่งขึ้น

8. โมลิบดินั่ม

การผสมโมลิบดินั่มเข้าไปในเหล็กกล้านั้นจะช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง ตลอดจนช่วยเพิ่มความแข็งของมาร์เทนไซด์ในอุณหภูมิสูงมากถึง 500 oC อย่างไรก็ตาม การผสมแร่ธาตุดังกล่าวจะต้องเพิ่มซิลิกอนเข้าไปเพื่อป้องกันไม่ให้เหล็กกล้าสูญเสียคาร์บอนที่พื้นผิวเมื่อเหล็กกล้ามีอุณหภูมิสูงมากขึ้น ตั้งแต่ 1,000 – 1,100 oC ขึ้นไป ดังนั้น การผสมโมลิบดินั่มเข้าไปในเหล็กกล้าจึงมักจะทำควบคู่พร้อมกับการผสมซิลิกอนเข้าไปด้วยเช่นกัน

เหล็กกล้านั้นเป็นเหล็กที่มีคุณสมบัติและคุณประโยชน์มากมาย เนื่องจากมีความทนทาน สามารถใช้งานได้ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างหลากหลาย รวมทั้งปรับคุณสมบัติให้เหมาะสมกับการใช้งานได้ทุกรูปแบบ ทั้งนี้ ก็เกิดขึ้นจากการผสมแร่ธาตุต่าง ๆ เข้าเพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางฟิสิกส์ และเคมี ดังที่บทความนี้ได้เสนอไปแล้วข้างต้นนั่นเอง