เหล็กหล่อ

เหล็กหล่อ (iron-carbon alloy) จัดเป็นโลหะผสมประเภทหนึ่ง ประกอบด้วยเหล็กและคาร์บอน โดยมีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 2% และซิลิคอนประมาณ 1–3% จุดเด่นของเหล็กหล่อคือมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าเหล็กกล้า เหล็กหล่อแต่ละประเภทมีคุณสมบัติแตกต่างกัน ขึ้นอยู่กับรูปแบบของคาร์บอนที่ปรากฏในเนื้อโลหะ: เหล็กหล่อขาว (white cast iron) มีคาร์บอนในเหล็กรวมตัวกันเป็นเหล็กคาร์ไบด์ (iron carbide) หรือที่เรียกว่า ซีเมนต์ไทต์ (cementite) ทำให้เหล็กหล่อขาวมีความแข็ง แต่เปราะและแตกหักง่าย เพราะรอยร้าวสามารถแพร่กระจายผ่านเนื้อโลหะได้อย่างรวดเร็ว; เหล็กหล่อเทา (gray cast iron) คาร์บอนในเหล็กหล่อเทาปรากฏในรูปของแกรไฟต์เป็นแผ่น แกรไฟต์เหล่านี้ช่วยเบี่ยงเบนรอยร้าวที่เกิดขึ้น ทำให้เกิดรอยร้าวใหม่มากมายขณะที่วัสดุแตกหัก ส่งผลให้เหล็กหล่อเทามีความเหนียวกว่าเหล็กหล่อขาว แต่มีความแข็งน้อยกว่า และ เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม (ductile cast iron) มีแกรไฟต์เป็น "ปุ่ม" (nodules) แทนที่จะเป็นแผ่น แกรไฟต์รูปทรงนี้ช่วยหยุดการแพร่กระจายของรอยร้าว ทำให้เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลมมีความเหนียวและทนทานต่อแรงกระแทกได้ดีกว่าเหล็กหล่อขาวและเหล็กหล่อเทา

เหล็กหล่อเป็นโลหะผสมที่ประกอบด้วยเหล็ก (Fe) เป็นองค์ประกอบหลัก โดยมีปริมาณคาร์บอน (C) อยู่ระหว่าง 1.8 ถึง 4 ตามน้ำหนัก (wt%) และซิลิคอน (Si) อยู่ระหว่าง 1 ถึง 3% โลหะผสมเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่าจัดเป็นเหล็กกล้า

เหล็กหล่อโดยทั่วไปมีแนวโน้มที่จะ เปราะ ยกเว้นเหล็กอ่อน ด้วยจุดหลอมเหลวที่ค่อนข้างต่ำ ความลื่นไหลที่ดี, เหมาะสำหรับการขึ้นรูป, กลึงได้ง่าย, ทนทานต่อการเสียรูปและการสึกหรอ คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เหล็กหล่อเป็นวัสดุทางวิศวกรรมที่มีการใช้งานกว้างขวาง เช่น ท่อ เครื่องจักร ชิ้นส่วนยานยนต์ เช่น ฝาสูบ เสื้อสูบ และกล่องเกียร์ เหล็กหล่อบางชนิดทนทานต่อการออกซิเดชัน (oxidation) แต่โดยทั่วไป ยากต่อการเชื่อม

วัตถุเหล็กหล่อที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่ค้นพบโดยนักโบราณคดี มีอายุย้อนกลับไปถึงศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช (พ.ศ. 1000 - 1093) ในพื้นที่ที่ปัจจุบันคือ มณฑลเจียงซู ประเทศจีน เหล็กหล่อถูกนำไปใช้ในสมัยจีนโบราณ เพื่อการสงคราม เกษตรกรรม และสถาปัตยกรรม ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 15 (พ.ศ. 2043 - 2143) เหล็กหล่อเริ่มถูกนำไปใช้ผลิตปืนใหญ่ในดินแดนเบอร์กันดี ประเทศฝรั่งเศส และในอังกฤษช่วงยุคการปฏิรูปศาสนา เนื่องจากปริมาณการผลิตปืนใหญ่ที่มากขึ้น ส่งผลให้มีความต้องการเหล็กหล่อในปริมาณมากเช่นกัน สะพานเหล็กหล่อแห่งแรกสร้างขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1770 โดยอับราฮัม ดาร์บี ที่ 3 และเป็นที่รู้จักในชื่อ สะพานเหล็ก ใน เมืองชรอปเชอร์ ประเทศอังกฤษ เหล็กหล่อยังถูกนำมาใช้ในการก่อสร้างอาคารอีกด้วย

 การผลิต 
เหล็กหล่อผลิตจากเหล็กดิบ (pig iron) ซึ่งได้จากการหลอมแร่เหล็กในเตาถลุงเหล็ก เหล็กหล่อสามารถผลิตได้โดยตรงจากเหล็กดิบหลอมเหลว หรือโดยการนำเหล็กดิบมาหลอมใหม่ โดยทั่วไปแล้ว จะผสมกับเหล็ก เหล็กกล้า หินปูน (limestone) และถ่านโค้ก (coke) ในปริมาณมาก กระบวนการผลิตเหล็กหล่อ ประกอบด้วยหลายขั้นตอน ดังนี้

 การหลอมเหล็กดิบ: เหล็กดิบจะถูกหลอมในเตาเผาจนหลอมเหลว
 การกำจัดสิ่งปนเปื้อน: สิ่งปนเปื้อนที่ไม่ต้องการ เช่น ฟอสฟอรัสและกำมะถัน จะถูกเผาไหม้กำจัดออกจากเหล็กหลอมเหลว
 การปรับแต่งองค์ประกอบ: ปริมาณคาร์บอนและซิลิคอนจะถูกปรับแต่งตามการใช้งานที่ต้องการ โดยทั่วไปแล้ว คาร์บอนจะอยู่ระหว่าง 2-3.5% และซิลิคอนจะอยู่ระหว่าง 1-3%
 การเติมองค์ประกอบเพิ่มเติม: อาจมีการเติมองค์ประกอบอื่น ๆ เพิ่มเติมในระหว่างการหลอมเหลว เช่น แมกนีเซียม นิกเกิล โครเมียม ฯลฯ ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่ต้องการของเหล็กหล่อ
 การขึ้นรูป: เหล็กหล่อหลอมเหลวจะถูกเทลงในแม่พิมพ์เพื่อขึ้นรูปเป็นผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

เหล็กหล่อบางครั้งหลอมในเตาถลุงเหล็กชนิดพิเศษเรียกว่าเตาคูโปลา (cupola) แต่ปัจจุบันนิยมใช้เตาเหนี่ยวนำไฟฟ้า หรือเตาอาร์กไฟฟ้ามากกว่า Extract of page 54 หลังจากหลอมเสร็จ เหล็กหล่อหลอมเหลวจะถูกเทลงในเตาพักหรือทัพพี

 ประเภท 

 องค์ประกอบ 
คุณสมบัติของเหล็กหล่อสามารถปรับเปลี่ยนได้โดยการเติมธาตุผสมหรือสารเพิ่มประสิทธิภาพ ต่าง ๆ นอกเหนือจากคาร์บอนและซิลิคอน ซึ่งเป็นธาตุผสมหลักที่มีผลต่อคุณสมบัติของเหล็กหล่อ ปริมาณซิลิคอนต่ำจะทำให้คาร์บอนคงอยู่ในสารละลาย เกิดเป็นเหล็กคาร์ไบด์ (iron carbide) ส่งผลให้ได้เหล็กหล่อขาว (white cast iron) ปริมาณซิลิคอนสูงจะขับไล่คาร์บอนออกจากสารละลาย เกิดเป็นแกรไฟต์ (graphite) ส่งผลให้ได้เหล็กหล่อเทา (gray cast iron) ธาตุผสมอื่น ๆ เช่น แมงกานีส โครเมียม โมลิบดีนัม ไทเทเนียม และ วาเนเดียม จะส่งผลต่อซิลิคอน ส่งเสริมการคงอยู่ของคาร์บอนและการก่อตัวของเหล็กคาร์ไบด์ นิกเกิลและทองแดงช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความสามารถในการกลึง แต่ไม่ส่งผลต่อปริมาณแกรไฟต์ที่เกิดขึ้น คาร์บอนในรูปของแกรไฟต์ทำให้เหล็กมีความนุ่ม ลดการหดตัว ลดความแข็งแรง และลดความหนาแน่น กำมะถัน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสิ่งปนเปื้อน จะทำปฏิกิริยากับเหล็กกลายเป็นเหล็กซัลไฟด์ (iron sulfide) ซึ่งยับยั้งการก่อตัวของแกรไฟต์ ส่งผลให้มีความแข็งเพิ่มขึ้น กำมะถันทำให้เหล็กหลอมเหลวหนืด ส่งผลต่อการเกิดตำหนิ เพื่อลดผลกระทบของกำมะถัน จะมีการเติมแมงกานีส เนื่องจากทั้งสองธาตุจะรวมตัวกันเป็นแมงกานีสซัลไฟด์ (manganese sulfide) แทนที่จะเป็นเหล็กซัลไฟด์ แมงกานีสซัลไฟด์มีน้ำหนักเบากว่าเนื้อหลอม จึงมักลอยขึ้นมาบนผิวและกลายเป็นตะกรัน (slag) ปริมาณแมงกานีสที่จำเป็นในการยับยั้งกำมะถันคำนวณได้จากสูตร 1.7 × ปริมาณกำมะถัน + 0.3% หากเติมแมงกานีสเกินกว่าปริมาณที่คำนวณได้ จะเกิดแมงกานีสคาร์ไบด์ (manganese carbide) ส่งผลต่อการเพิ่มความแข็งและการแข็งตัว ยกเว้นในกรณีของเหล็กหล่อเทาที่แมงกานีสไม่เกิน 1% จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความหนาแน่น

นิกเกิลเป็นหนึ่งในธาตุผสมที่นิยมใช้มากที่สุด เนื่องจากช่วยปรับโครงสร้างเพอร์ไลต์ (pearlite) และแกรไฟต์ให้ละเอียดขึ้น เพิ่มความเหนียว และลดความต่างของความแข็งระหว่างชิ้นงานที่มีความหนาต่างกัน โครเมียมเติมในปริมาณน้อยเพื่อลดปริมาณแกรไฟต์อิสระ เพิ่มความแข็งผิว (chill) เนื่องจากเป็นตัวช่วยสำคัญในการคงตัวของคาร์ไบด์ นิยมเติมนิกเกิลร่วมกับโครเมียมด้วย สามารถเติมดีบุก จำนวนเล็กน้อยแทนโครเมียม 0.5% ทองแดง จะถูกเติมลงในทัพพีหรือในเตาเผาประมาณ 0.5–2.5% เพื่อลดความแข็งตัวของพื้นผิว ปรับโครงสร้างแกรไฟต์ให้ละเอียดขึ้น และเพิ่มความไหลลื่น โมลิบดีนัม เติมในปริมาณ 0.3–1% เพื่อเพิ่มความแข็งผิว ปรับโครงสร้างแกรไฟต์และเพอร์ไลต์ให้ละเอียดขึ้น นิยมเติมร่วมกับนิกเกิล ทองแดง และโครเมียมเพื่อผลิตเหล็กหล่อที่มีความแข็งแรงสูง ไทเทเนียม เติมเพื่อกำจัดก๊าซและออกซิเจน แต่ยังช่วยเพิ่มความไหลลื่น วานาเดียม ที่ 0.15–0.5% เติมเพื่อเพิ่มความคงตัวของซีเมนต์ไทต์ (cementite) เพิ่มความแข็ง และเพิ่มความต้านทานการสึกหรอและความร้อน เซอร์โคเนียม ที่ 0.1–0.3% ช่วยในการสร้างแกรไฟต์ กำจัดออกซิเจน และเพิ่มความไหลลื่น

สำหรับเหล็กหล่อเหนียว (Malleable iron melts) สามารถเติมบิสมัท (Bismuth) 0.002–0.01% ในเนื้อหลอมเพื่อเพิ่มปริมาณซิลิคอนที่สามารถผสมได้ ในเหล็กหล่อขาว เติมโบรอน (Boron) เพื่อช่วยการผลิตเหล็กหล่อเหนียว และลดผลกระทบของบิสมัทที่ทำให้เนื้อเหล็กหล่อมีเกรนขนาดใหญ่ขึ้น

 เหล็กหล่อสีเทา 

เหล็กหล่อเทาโดดเด่นด้วยโครงสร้างจุลภาคแบบแกรไฟต์ ทำให้รอยแตกของเนื้อวัสดุมีลักษณะสีเทา เหล็กหล่อเทาเป็นชนิดเหล็กหล่อที่ใช้กันมากที่สุด และเป็นวัสดุหล่อที่ใช้กันแพร่หลายที่สุดเมื่อเทียบกับน้ำหนัก เหล็กหล่อส่วนใหญ่มีองค์ประกอบทางเคมี ประกอบด้วย คาร์บอน 2.5–4.0% ซิลิคอน 1–3% และเหล็กที่เหลือ แม้ว่าเหล็กหล่อสีเทามีความต้านทาน แรงดึง และ แรงกระแทก น้อยกว่าเหล็กกล้า แต่แรงอัดของเหล็กหล่อเทานั้นเทียบเท่ากับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำถึงปานกลาง คุณสมบัติทางกลเหล่านี้ควบคุมโดยขนาดและรูปร่างของเกล็ดแกรไฟต์ในโครงสร้างจุลภาค และสามารถจำแนกประเภทตามมาตรฐาน ASTM

 เหล็กหล่อขาว 
เหล็กหล่อขาวมีผิวแตกสีขาว เนื่องมาจากการมีตะกอนคาร์ไบด์เหล็กที่เรียกว่าซีเมนต์ไทต์ (cementite) อยู่ ด้วยเนื้อหาซิลิคอนที่ต่ำ (ตัวแทนการทำให้เกิดแกรไฟต์) และอัตราการเย็นตัวที่เร็ว คาร์บอนในเหล็กหล่อขาวจึงตกตะกอนออกมาจากส่วนผสมหลอมละลายในรูปของเฟสซีเมนต์ไทต์ (Fe3C) ซึ่งไม่เสถียร แทนที่จะเป็นแกรไฟต์ ซีเมนต์ไทต์ที่ตกตะกอนจากส่วนผสมหลอมละลายจะก่อตัวเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ เมื่อคาร์ไบด์เหล็กตกตะกอนออก คาร์บอนจะถูกดึงออกจากส่วนผสมหลอมละลายเดิม ทำให้ส่วนผสมนั้นใกล้เคียงกับจุดหลอมละลายแบบยูเทคติก (eutectic) มากขึ้น เฟสที่เหลืออยู่คือออสเทไนต์ (austenite) เหล็กคาร์บอนต่ำ (ซึ่งเมื่อเย็นตัวลงอาจเปลี่ยนเป็นมาร์เทนไซต์ (martensite)) ซีเมนต์ไทต์แบบยูเทคติก เหล่านี้มีขนาดใหญ่เกินกว่าจะเสริมสร้างความแข็งแรงด้วยวิธีการที่เรียกว่าการชุบแข็งแบบตะกอน (precipitation hardening) (ซึ่งพบได้ในเหล็กกล้าบางชนิด ที่ซีเมนต์ไทต์ขนาดเล็กกว่ามากจะไปยับยั้ง การเปลี่ยนรูปพลาสติก โดยการขัดขวางการเคลื่อนที่ของเส้นเลื่อน (dislocations) ผ่านโครงสร้างผลึกเฟอร์ไรต์เหล็กบริสุทธิ์) แต่ทว่า ซีเมนต์ไทต์แบบยูเทคติกกลับเพิ่มความแข็งแกร่งโดยรวมของเหล็กหล่อเพียงแค่ด้วยความแข็งแกร่งของตัวมันเองที่สูงมากและปริมาณเนื้อที่มันครอบครอง ส่งผลให้ความแข็งแกร่งโดยรวมสามารถประมาณได้ด้วยกฎของส่วนผสม (rule of mixtures) ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด ซีเมนต์ไทต์เหล่านี้ก็เพิ่มความแข็งแกร่งแลกกับความเหนียว เนื่องจากคาร์ไบด์มีปริมาณมากในเนื้อวัสดุ เหล็กหล่อขาวจึงจัดเป็นเซอร์เมท (cermet) ได้อย่างสมเหตุสมผล แม้ว่า เหล็กหล่อขาว จะเปราะเกินกว่าที่จะใช้เป็นส่วนประกอบโครงสร้างในหลายกรณี แต่ด้วยความแข็งและความต้านทานการสึกหรอที่ดี รวมถึงมีราคาค่อนข้างถูก จึงนิยมนำไปใช้ประโยชน์ในงานที่ต้องการผิวสัมผัสที่มีความทนทานสูง เช่น ใบพัด และ ปั๊มก้นหอย ของ ปั๊มสำหรับสูบสารละลาย แผ่นบุผิว และ ลิฟเตอร์บาร์ ภายใน เครื่องบดแบบลูกกลิ้ง และ โรงบดอัตโนมัติ (autogenous grinding mills) ลูกบด และ แหวน ภายใน เครื่องบดถ่านหิน

การหล่อชิ้นงานขนาดหนาให้เย็นตัวเร็วเพียงพอเพื่อให้เนื้อหล่อแข็งตัวเป็นเหล็กหล่อขาวตลอดทั้งชิ้นนั้น เป็นเรื่องที่ทำได้ยาก อย่างไรก็ตาม การทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วสามารถใช้เพื่อสร้าง เปลือก ของเหล็กหล่อขาวไว้ด้านนอก จากนั้นส่วนที่เหลือจะเย็นตัวลงช้ากว่า กลายเป็นเนื้อในของเหล็กหล่อเทา ชิ้นงานหล่อที่ได้นี้เรียกว่า เหล็กหล่อผิวแข็ง (chilled casting) ซึ่งมีข้อดีตรงที่ผิวด้านนอกมีความแข็ง ในขณะที่เนื้อด้านในมีความเหนียวกว่าเล็กน้อย

โลหะผสมเหล็กหล่อขาวโครมียมสูง ช่วยให้สามารถหล่อชิ้นงานขนาดใหญ่ (ตัวอย่างเช่น ใบพัดน้ำหนัก 10 ตัน) ด้วยการหล่อแบบแม่พิมพ์ทราย เนื่องจาก โครเมียม ช่วยลดอัตราการเย็นตัวที่จำเป็นสำหรับการสร้างคาร์ไบด์ แม้ในเนื้อวัสดุที่มีความหนา นอกจากนี้ โครเมียม ยังช่วยสร้างคาร์ไบด์ที่มีความต้านทานการสึกหรอได้อย่างยอดเยี่ยม โลหะผสมเหล็กหล่อขาวโครมียมสูงเหล่านี้ มีความแข็งแกร่งที่เหนือกว่า เนื่องมาจากการมี คาร์ไบด์โครเมียม โดยรูปแบบหลักของคาร์ไบด์เหล่านี้คือ คาร์ไบด์ M 7C3 ในขั้นแรก ซึ่ง "M" แทนธาตุเหล็กหรือโครเมียม ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของโลหะผสมนั้น ๆ คาร์ไบด์เหล่านี้ จะรวมตัวกันเป็นแท่งกลวงรูปหกเหลี่ยม และเจริญเติบตั้งฉากกับระนาบคานฐานรูปหกเหลี่ยม ความแข็งของคาร์ไบด์เหล่านี้อยู่ในช่วง 1500-1800HV

 เหล็กหล่อเหนียว 

เหล็กหล่อเหนียว (Malleable cast iron) เริ่มต้นจากการเป็นชิ้นงานหล่อเหล็กหล่อขาว จากนั้นจึงนำไปอบชุบ (heat treated) เป็นเวลาประมาณหนึ่งหรือสองวัน ที่อุณหภูมิประมาณ  แล้วจึงปล่อยให้เย็นตัวลงอีกประมาณหนึ่งหรือสองวัน ส่งผลให้คาร์บอนในเหล็กคาร์ไบด์เปลี่ยนรูปเป็นแกรไฟต์และเฟอร์ไรต์ ผสมกับคาร์บอน กระบวนการช้า ๆ นี้ ช่วยให้แรงตึงผิวของเหล็กหล่อสามารถดึงดูดให้แกรไฟต์รวมตัวกันเป็น ทรงคล้ายทรงกลม (Spheroids) แทนที่จะเป็นแผ่นแบน เนื่องจาก อัตราส่วนที่ต่ำกว่า ทรงกลมเหล่านี้จึงมีขนาดค่อนข้างสั้นและอยู่ห่างไกลกัน อีกทั้งยังมี หน้าตัด (cross section) ที่น้อยกว่า เมื่อเทียบกับรอยร้าวหรือ คลื่นเสียงความถี่ต่ำในโครงสร้างผลึก (phonon) ที่ขยายตัว ทรงกลมเหล่านี้ยังมีขอบมุมที่ทู่ ต่างจากแผ่นแบน ซึ่งช่วยลดปัญหาการกระจุกตัวของ ความเค้น (stress) ที่พบได้ในเหล็กหล่อเทา โดยทั่วไป คุณสมบัติของเหล็กหล่อเหนียว มีความคล้ายคลึงกับเหล็กเหนียว (mild steel) มีข้อจำกัดเกี่ยวกับขนาดสูงสุดของชิ้นงานที่สามารถหล่อด้วยเหล็กหล่อเหนียวได้ เนื่องจากผลิตมาจากเหล็กหล่อขาว

 เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม 
เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม (Ductile cast iron) หรือที่เรียกว่า เหล็กหล่อแบบมีปม (nodular cast iron) ถูกคิดค้นขึ้นในปี 1948 โดยมีแกรไฟต์อยู่ในรูปของปมกลมขนาดเล็กมาก ๆ ลักษณะเป็นชั้น ๆ โดยชั้นของแกรไฟต์เหล่านี้จะรวมตัวกันเป็นปมกลม ส่งผลให้คุณสมบัติของเหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม นั้นคล้ายกับเหล็กกล้าที่มีลักษณะเป็นรูพรุน โดยไม่มีผลกระทบจากการกระจุกตัวของความเค้น ซึ่งมักเกิดขึ้นกับเหล็กหล่อที่มีแกรไฟต์เป็นแผ่น เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม (Ductile cast iron) ประกอบด้วยคาร์บอน 3-4% และซิลิคอน 1.8-2.8% นอกจากนี้ ยังมี แมกนีเซียมประมาณ 0.02-0.1% และ ซีเรียม เพียง 0.02-0.04% โดยองค์นประกอบเหล่านี้ จะไปยับยั้งการเติบโตของตะกอนแกรไฟต์ ด้วยการไปจับกับขอบของชั้นผลึกแกรไฟต์ (graphite planes) ควบคู่ไปกับการควบคุมองค์ประกอบอื่น ๆ อย่างระมัดระวัง รวมถึงควบคุมเวลา ทำให้คาร์บอนแยกตัวออกมาเป็นอนุภาคทรงกลม ขณะที่วัสดุแข็งตัว ส่งผลให้เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม มีคุณสมบัติใกล้เคียงกับเหล็กหล่อเหนียว (malleable iron) แต่สามารถหล่อชิ้นงานที่มีขนาดใหญ่กว่าได้

 ตารางเปรียบเทียบคุณภาพเหล็กหล่อ 
+คุณสมบัติเปรียบเทียบของเหล็กหล่อชื่อองค์ประกอบสำคัญ [% ต่อน้ำหนัก]รูปร่างและสภาพความแข็งแรง [ksi (ออฟเซ็ท 0.2%)]ความต้านทานแรงดึง [ksi]การยืดตัวความแข็ง [การวัดความแข็งบริเนลล์]การใช้งานเหล็กหล่อสีเทา (ASTM A48)C 3.4, Si 1.8, Mn 0.5หล่อ—500.5%260เสื้อสูบเครื่องยนต์, ล้อตุนกำลัง, กล่องเกียร์, ฐานรองเครื่องจักรเหล็กหล่อสีขาวC 3.4, Si 0.7, Mn 0.6หล่อ—250%450หน้าตลับลูกปืนเหล็กหล่อเหนียว (ASTM A47)C 2.5, Si 1.0, Mn 0.55หล่อ (อบอ่อน)335212%130ลูกปืนเพลา, รางลูกล้อลำเลียง, เพลาข้อเหวี่ยงยานยนต์เหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลมC 3.4, P 0.1, Mn 0.4, Ni 1.0, Mg 0.06หล่อ537018%170เกียร์, เพลาลูกเบี้ยว, เพลาข้อเหวี่ยงเหล็กหล่อเหนียวรูปทรงกลม (ASTM A339)—หล่อ (อบปรับโครงสร้าง)1081355%310—Ni-hard ประเภท 2C 2.7, Si 0.6, Mn 0.5, Ni 4.5, Cr 2.0หล่อทราย—55—550การใช้งานที่มีต้องการความแข็งสูงNi-resist ประเภท 2C 3.0, Si 2.0, Mn 1.0, Ni 20.0, Cr 2.5หล่อ—272%140ทนความร้อนและการกัดกร่อน

 ประวัติศาสตร์ 

เครื่องมือเหล็กหล่อชิ้นแรกสุด มีอายุย้อนกลับไปถึงศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช ซึ่งนักโบราณคดีค้นพบในพื้นที่ที่ปัจจุบันคือ อำเภอลั่วเหอ มณฑลเจียงซู (Jiangsu ) ประเทศจีน ในช่วงยุครณรัฐ (Warring States period) โดยอาศัยการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานเป็นหลักฐานอ้างอิง

แม้ว่าเหล็กหล่อจะมีความแข็งแรง แต่ก็ค่อนข้างเปราะ จึงไม่เหมาะกับการใช้งานที่ต้องการคมตัดหรือความยืดหยุ่น เหล็กหล่อมีความแข็งแรงในการรับแรงอัด แต่ไม่แข็งแรงภายใต้แรงดึง เหล็กหล่อถูกคิดค้นขึ้นในประเทศจีน เมื่อศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช (BC) โดยนำไปเทลงในแม่พิมพ์ เพื่อผลิตแบบหล่อ หม้อ รวมไปถึง อาวุธ และ เจดีย์

แม้ว่าเหล็กกล้า (steel) จะเป็นที่ต้องการมากกว่า แต่เหล็กหล่อ (cast iron) กลับมีราคาถูกกว่า จึงนิยมนำมาใช้ผลิตเครื่องมือต่าง ๆ ในจีนโบราณ ในขณะที่เหล็กอ่อน (wrought iron) หรือเหล็กกล้า มักถูกนำไปใช้ทำอาวุธ ชาวจีนได้พัฒนาวิธีการอบชุบ (annealing) เหล็กหล่อ โดยการเก็บชิ้นงานหล่อร้อนไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเดชั่นเป็นเวลานาน ประมาณหนึ่งสัปดาห์หรือมากกว่านั้น เพื่อเผาไหม้คาร์บอนบางส่วนบริเวณผิว ป้องกันไม่ให้ชั้นผิวมีความเปราะมากเกินไป Based on the works of Joseph Needham> 

ลึกเข้าไปในภูมิภาคคองโกของป่ากลางแอฟริกา เหล่าช่างตีเหล็กได้ประดิษฐ์เตาเผาอันซับซ้อน ซึ่งสามารถสร้างอุณหภูมิสูงเกินกว่า 1,000 องศาเซลเซียส เมื่อกว่า 1,000 ปีที่แล้ว มีตัวอย่างมากมายของเทคนิคการเชื่อม การบัดกรี (soldering) และ การหล่อเหล็ก ที่สร้างขึ้นจากเบ้าหลอม และเทลงใน แม่พิมพ์ เทคนิคเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในการสร้างเครื่องมือและอาวุธแบบผสม โดยมีใบมีดเป็น เหล็กหล่อ หรือ เหล็กกล้า ส่วนแกนด้านในเป็น เหล็กอ่อน ซึ่งมีความนุ่มและยืดหยุ่น เหล็กเส้น (iron wire) ถูกผลิตขึ้น มีการกล่าวอ้างมากมายจากมิชชันนารียุโรปยุคแรก ๆ เกี่ยวกับชาวลูบาที่เทเหล็กหล่อลงในแม่พิมพ์เพื่อทำจอบ การคิดค้นทางเทคโนโลยีเหล่านี้ประสบความสำเร็จโดยไม่ต้องประดิษฐ์เตาเผาแบบยุโรป ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการนำนวัตกรรมดังกล่าวไปใช้ในยุโรปและเอเชีย

เทคโนโลยีการผลิตเหล็กหล่อมีการถ่ายทอดมาทางตะวันตกจากจีนWagner, Donald B. (2008). Science and Civilisation in China: 5. Chemistry and Chemical Technology: part 11 Ferrous Metallurgy. Cambridge University Press, pp. 349–51. อัล-กัซวีนี (Al-Qazvini) ในศตวรรษที่ 13 และนักเดินทางคนอื่น ๆ ต่อมาได้บันทึกเกี่ยวกับอุตสาหกรรมเหล็กในเทือกเขาแอลโบร์ซ ทางใต้ของทะเลแคสเปียน ซึ่งอยู่ใกล้กับเส้นทางสายไหม ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่เทคโนโลยีนี้มีต้นกำเนิดมาจากจีน เมื่อมีการนำเข้ามาสู่อีกฟากหนึ่งของโลกตะวันตกในศตวรรษที่ 15 ก็ถูกนำไปใช้ในการผลิตปืนใหญ่และลูกกระสุน พระเจ้าเฮนรีที่ 8 (ครองราชย์ระหว่าง ค.ศ. 1509-1547) ทรงริเริ่มการหล่อปืนใหญ่ในอังกฤษ ไม่นานนัก ช่างเหล็กชาวอังกฤษที่ใช้เตาเผาแบบยุโรปก็ได้พัฒนาวิธีการผลิตปืนใหญ่จากเหล็กหล่อ ซึ่งแม้จะมีน้ำหนักมากกว่าปืนใหญ่สำริดที่นิยมใช้ในขณะนั้น แต่ก็มีราคาถูกกว่ามาก ทำให้อังกฤษสามารถติดอาวุธให้กับกองทัพเรือได้ดียิ่งขึ้น

ในช่วงเวลานั้น เตาเผาแบบยุโรปหลายแห่งในอังกฤษผลิตหม้อเหล็กหล่อขึ้น ในปี 1707 อับราฮัม ดาร์บี้ ได้รับสิทธิบัตรวิธีการผลิตหม้อ (และกาต้มน้ำ) แบบใหม่ให้บางเบาลง ส่งผลให้ราคาถูกลงกว่าวิธีการแบบเดิม ด้วยเหตุนี้ เตาเผาของเขาที่ โคลบรูคเดล จึงกลายเป็นผู้ผลิตหม้อรายใหญ่ และในช่วงปี 1720 ถึง 1730 เตาเผาแบบยุโรปที่ใช้ถ่านโค้กอีกจำนวนน้อยได้เข้ามาร่วมผลิตหม้อด้วย

การนำเครื่องจักรไอน้ำมาใช้ในการเป่าลมเตาเผา (โดยอ้อมผ่านการสูบน้ำไปยังกังหันน้ำ) ในบริเตน เริ่มตั้งแต่ปี 1743 และเพิ่มมากขึ้นในช่วงทศวรรษ 1750 เป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้การผลิตเหล็กหล่อเพิ่มขึ้น ซึ่งเพิ่มขึ้นอย่างมากในอีกหลายทศวรรษต่อมา นอกเหนือจากการเอาชนะข้อจำกัดของพลังน้ำแล้ว ลมเป่าที่ได้จากการสูบน้ำด้วยไอน้ำยังทำให้ได้ความร้อนของเตาเผาที่สูงขึ้น ซึ่งช่วยให้สามารถใช้ปูนขาวในอัตราส่วนที่สูงขึ้น ทำให้สามารถเปลี่ยนจากถ่าน (ซึ่งไม้สำหรับผลิตถ่านนั้นไม่เพียงพอ) มาเป็นถ่านโค้กได้

ผู้ประกอบการผลิตเหล็กในพื้นที่วีลด์ (Weald) ยังคงผลิตเหล็กหล่อต่อไปจนถึงช่วงทศวรรษ 1760 และอาวุธยุทธภัณฑ์เป็นหนึ่งในการใช้งานเหล็กหล่อที่สำคัญหลังการฟื้นฟูราชวงศ์

 สะพานเหล็กหล่อ 
การใช้เหล็กหล่อเพื่อวัตถุประสงค์ด้านโครงสร้าง เริ่มต้นขึ้นในปลายทศวรรษ 1770 เมื่อ อับราฮัม ดาร์บีที่ 3 สร้าง "สะพานเหล็ก" ถึงแม้จะมีการใช้คานเหล็กขนาดสั้นมาก่อนหน้านี้แล้ว เช่น ในเตาเผาแบบยุโรปที่โคลบรูคเดล สิ่งประดิษฐ์อื่น ๆ ก็ตามมา รวมถึงสิ่งประดิษฐ์ที่ได้รับสิทธิบัตรโดยทอมัส เพน สะพานเหล็กหล่อกลายเป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปในช่วงที่การปฏิวัติอุตสาหกรรมทวีความรุนแรง โทมัส เทลฟอร์ด นำวัสดุนี้ไปใช้กับสะพานของเขาที่ด้านเหนือน้ำที่บิลด์วอส (Buildwas) และจากนั้นก็ใช้กับสะพานส่งน้ำลองดอนออนเทิร์น (Longdon-on-Tern Aqueduct) ซึ่งเป็นท่อลำเลียงน้ำบนคลองที่ลองดอนออนเทิร์น บนคลองชรูส์บรี ตามมาด้วยท่อระบายน้ำเชิร์ค (Chirk Aqueduct) และสะพานส่งน้ำพนต์เคอซัดเต (Pontcysyllte Aqueduct) ซึ่งทั้งสองแห่งยังคงใช้งานอยู่หลังจากการบูรณะครั้งล่าสุด

วิธีที่ดีที่สุดในการใช้เหล็กหล่อสำหรับการสร้างสะพานคือการใช้[[โครงสร้างแบบโค้ง เพื่อให้วัสดุทั้งหมดอยู่ภายแรงกด เหล็กหล่อ เช่นเดียวกับหินก่อ มีความแข็งแรงมากภายแรงกด ในทางกลับกัน เหล็กเหนียวมีความแข็งแรงภายแรงดึงและเหนียว ทนต่อการแตกหัก ความสัมพันธ์ระหว่างเหล็กเหนียวและเหล็กหล่อ สำหรับวัตถุประสงค์ด้านโครงสร้าง อาจพิจารณาเปรียบเทียบได้กับความสัมพันธ์ระหว่างไม้กับหิน หินมีความแข็งแรงภายแรงกด แต่เปราะง่ายภายแรงดึง เช่นเดียวกับเหล็กหล่อ ในขณะที่ไม้มีความแข็งแรงภายแรงดึง แต่ไม่แข็งแรงภายแรงกด คล้ายกับเหล็กเหนียว

สะพานรางรถไฟที่ทำจากเหล็กหล่อเคยถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในยุคแรกของการรถไฟ เช่น สะพานวอเตอร์สตรีท ที่สถานีปลายทางแมนเชสเตอร์ของทางรถไฟลิเวอร์พูลและแมนเชสเตอร์ สร้างขึ้นในปี 1830 แต่ปัญหาในการใช้สะพานประเภทนี้ปรากฏชัดเจนขึ้น เมื่อสะพานใหม่ที่ใช้สำหรับทางรถไฟเชสเตอร์และโฮลีเฮด ข้ามแม่น้ำดี ในเมืองเชสเตอร์ พังถล่ม ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต 5 คน ในเดือนพฤษภาคม ค.ศ. 1847 ซึ่งห่างจากวันเปิดใช้งานไม่ถึงปี ภัยพิบัติสะพานดีเกิดจากน้ำหนักที่มากเกินไปบริเวณกึ่งกลางของคานสะพาน โดยเกิดจากรถไฟที่วิ่งผ่าน ส่งผลให้สะพานเหล็กหล่อหลายแห่งที่มีลักษณะคล้ายกันต้องถูกรื้อถอนและสร้างใหม่ บ่อยครั้งมักจะเปลี่ยนเป็นใช้เหล็กอ่อน สาเหตุหลักเกิดจากการออกแบบสะพานที่ผิดพลาด โครงสร้างใช้สายรัดเหล็กอ่อนยึดตรึง ซึ่งเข้าใจผิดว่าจะช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับตัวสะพาน แรงกดที่บริเวณกึ่งกลางของคานสะพานส่งผลให้เกิดแรงดึงที่ขอบด้านล่างของคาน ซึ่งเป็นจุดที่เหล็กหล่อ (เช่นเดียวกับวัสดุก่อ) มีความอ่อนแอมาก

แม้กระนั้น เหล็กหล่อยังคงถูกนำไปใช้ในงานโครงสร้างที่ไม่เหมาะสม จนกระทั่งภัยพิบัติสะพานรางรถไฟเทย์ ในปี 1879 ทำให้เกิดข้อสงสัยอย่างมากเกี่ยวกับการใช้เหล็กหล่อเป็นวัสดุ ชิ้นส่วนสำคัญที่ยึดทับเหล็กยึดและค้ำยันในสะพานเทย์ ถูกหล่อติดตายกับเสาหลัก ส่งผลให้เกิดความเสียหายในช่วงแรกของเหตุการณ์ นอกจากนี้ รูสำหรับสลักเกลียวก็ถูกหล่อขึ้นรูป ไม่ได้เจาะทีหลัง ดังนั้น ด้วยองศาเอียงของการหล่อ ทำให้แรงดึงจากเหล็กยึด ตกกระทบที่ขอบของรู แทนที่จะกระจายไปตามแนวยาวของรู สะพานทดแทนที่สร้างขึ้นใหม่นั้น ใช้เหล็กอ่อนและเหล็กกล้า

แม้จะมีการแก้ไขปัญหาสะพานพังถล่มไปบ้างแล้ว แต่ก็ยังคงเกิดเหตุการณ์สะพานร่วงอีกครั้ง จุดสูงสุดคืออุบัติเหตุทางรถไฟที่นอร์วูดจังก์ชั่น (Norwood Junction) ในปี 1891 ความกังวลอย่างแพร่หลายเกี่ยวกับการใช้เหล็กหล่อใต้สะพานรถไฟในเครือข่ายรถไฟของบริเตน ทำให้สะพานข้ามทางรถไฟใต้สะพานเหล็กหล่อหลายพันแห่ง ถูกแทนที่ด้วยสะพานเหล็กกล้าภายในปี 1900

 อาคาร 
เสาเหล็กหล่อ ซึ่งริเริ่มใช้ในโรงสี ช่วยให้สถาปนิกสามารถสร้างอาคารหลายชั้นได้โดยไม่ต้องใช้ผนังหนาขนาดมหึมาเหมือนกับอาคารก่ออิฐไม่ว่าจะสูงแค่ไหน เสาเหล็กหล่อเหล่านี้ยังช่วยเปิดพื้นที่โล่งภายในโรงงานและทัศนวิสัยภายในโบสถ์และหอประชุม อีกด้วย ภายในกลางศตวรรษที่ 19 เสาเหล็กหล่อกลายเป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปในคลังสินค้าและอาคารอุตสาหกรรม โดยใช้ร่วมกับเหล็กค้ำยัน (Beam) ที่ทำจากเหล็กอ่อนหรือเหล็กหล่อ ซึ่งในที่สุดก็นำไปสู่การพัฒนาตึกระฟ้าโครงเหล็ก (Steel-framed skyscraper) เหล็กหล่อยังถูกนำไปใช้สำหรับผนังตกแต่งด้านนอกอาคารในบางครั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสหรัฐอเมริกา ตัวอย่างเช่น ย่านโซโห (Soho) ในนิวยอร์คมีตัวอย่างมากมาย นอกจากนี้ ยังมีการนำไปใช้สำหรับอาคารสำเร็จรูปที่ผลิตขึ้นล่วงหน้าทั้งหลังเป็นบางกรณี เช่น อาคารประวัติศาสตร์ อาคารเหล็ก ในเมืองวอเตอร์ฟลีต รัฐนิวยอร์ก

 โรงงานทอผ้า 
อีกหนึ่งการใช้เหล็กหล่อที่สำคัญคือในโรงสีฝ้าย เนื่องจากฝุ่นละอองจากเส้นใยที่ติดไฟง่าย ไม่ว่าจะเป็นฝ้าย ป่าน หรือ ขนสัตว์ ที่ฟุ้งกระจายภายในโรงงาน ทำให้โรงปั่นทอมีแนวโน้มที่จะเกิดเพลิงไหม้ได้ง่าย ทางแก้ปัญหาคือการสร้างโรงงานทั้งหมดด้วยวัสดุทนไฟ โดยการใช้โครงเหล็กเป็นหลัก ซึ่งส่วนใหญ่ทำจากเหล็กหล่อแทนที่จะใช้ไม้ที่ติดไฟง่าย อาคารลักษณะนี้แห่งแรกสร้างขึ้นที่ ดิเธอริงตัน ในเมืองชรูส์บรี มณฑลชรอปเชอร์ คลังสินค้าอีกหลายแห่งก็ถูกสร้างด้วยเสาและคานเหล็กหล่อเช่นกัน แม้ว่าบางครั้งการออกแบบที่ผิดพลาด เหล็กค้ำยัน (Beam) ที่มีรอยตำหนิ หรือการรับน้ำหนักเกินพิกัด ก็อาจก่อให้เกิดการพังถล่มของอาคารและความล้มเหลวของโครงสร้างได้

ในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรม เหล็กหล่อยังถูกนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายในโครงสร้างและส่วนคงที่อื่น ๆ ของเครื่องจักร รวมถึงเครื่องปั่นด้ายและต่อมาก็เป็นเครื่องทอผ้าในโรงปั่นทอ การใช้เหล็กหล่อแพร่หลายมากขึ้น จนหลายเมืองมีโรงหล่อเหล็กที่ผลิตเครื่องจักรสำหรับอุตสาหกรรมและการเกษตรกรรม

 ดูเพิ่ม 

 งานเหล็ก – งานโลหะของช่างฝีมือ (สำหรับองค์ประกอบทางสถาปัตยกรรม ลักษณะสวน และวัตถุประดับ)
 โรงงานเหล็ก – สถานที่ที่ใช้ทำเหล็ก (รวมถึงสถานที่ทางประวัติศาสตร์)
 มีฮาไนต์
 การหล่อทราย
 เครื่องครัวเหล็กหล่อ

 อ้างอิง 

 อ่านเพิ่มเติม 






 แหล่งข้อมูลอื่น 





หมวดหมู่:เหล็ก
หมวดหมู่:สิ่งประดิษฐ์ของอังกฤษ
หมวดหมู่:สิ่งประดิษฐ์ของจีน
หมวดหมู่:วัสดุก่อสร้าง