โลหะผสมเหล็ก

เหล็กกล้าอัลลอยด์ต่ำ
เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำคือเหล็กกล้าที่มีธาตุผสมซึ่งมีส่วนประกอบน้อยกว่า 8% ขององค์ประกอบของโลหะ องค์ประกอบโลหะผสมเหล่านี้จะถูกเพิ่มเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของเหล็ก ตัวอย่างเช่น: โมลิบดีนัมช่วยเพิ่มความแข็งแรง; นิกเกิลเพิ่มความเหนียวของโลหะ โครเมียมเพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน และความแข็ง
เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการผลิตและการก่อสร้าง การใช้งานทั่วไปสำหรับเหล็กชนิดนี้ได้แก่: ยานพาหนะทางทหาร อุปกรณ์ก่อสร้าง เรือ ท่อ ภาชนะรับความดัน เหล็กโครงสร้าง และแท่นขุดเจาะน้ำมัน

เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำที่มีความแข็งแรงสูง (HSLA)
เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำที่มีความแข็งแรงสูง (HSLA) หรือเหล็กกล้าไมโครอัลลอยด์ ให้ทั้งความแข็งแรงสูงและทนต่อการกัดกร่อนในบรรยากาศได้ดี เหล็ก HSLA มีหกประเภทหลัก: เหล็กผุกร่อน เหล็กแอคคูลาร์เฟอร์ไรต์ เหล็กลดเพิร์ลไลต์ เหล็กสองเฟส เหล็กรีดควบคุม และเหล็กไมโครอัลลอยด์เฟอร์ไรต์-แพร์ไลท์ โดยทั่วไปแล้ว ทองแดง โครเมียม ฟอสฟอรัส และซิลิคอนจะถูกใช้เพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน ในขณะที่วาเนเดียม ไนโอเบียม ไทเทเนียม และทองแดงจะถูกใช้เพื่อเพิ่มความแข็งแรง ความแข็งแกร่งที่ยอดเยี่ยมของเหล็ก HSLA สามารถทำให้ขึ้นรูปได้ยาก
HSLA ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ เหล็ก HSLA รีดร้อนสามารถใช้กับระบบกันสะเทือน แชสซี ล้อ และกลไกที่นั่งได้ ในขณะที่เหล็ก HSLA รีดเย็นสามารถใช้เสริมความแข็งแรงและฉากยึดที่นั่งได้

เหล็กโลหะผสมสูง
เหล็กกล้าโลหะผสมสูงมีความโดดเด่นด้วยปริมาณโลหะผสมที่สูงกว่า 8% ขององค์ประกอบทั้งหมดของเหล็ก การผลิตเหล็กกล้าโลหะผสมสูงอาจมีราคาแพงและอาจเป็นเรื่องยากในการทำงานด้วย อย่างไรก็ตาม เกรดเหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในยานยนต์ ส่วนประกอบโครงสร้าง กระบวนการทางเคมี และอุปกรณ์ผลิตไฟฟ้า เนื่องจากมีความแข็ง ทนต่อการกัดกร่อน และความเหนียว

สแตนเลส
สแตนเลสเป็นเหล็กโลหะผสมที่รู้จักกันดีที่สุดชนิดหนึ่งและทนทานต่อการกัดกร่อนมากที่สุด โดยทั่วไปจะมีส่วนผสมของนิกเกิล โครเมียม และโมลิบดีนัมเป็นองค์ประกอบโลหะผสมหลัก ซึ่งคิดเป็นประมาณ 11-30 % ขององค์ประกอบของเหล็ก เหล็กกล้าไร้สนิมมีอยู่สามประเภท: ออสเทนนิติก เฟอร์ริติก และมาร์เทนซิติก
โดยทั่วไปแล้วเหล็กกล้าออสเทนนิติกจะใช้เพื่อบรรจุของเหลวและเครื่องจักรที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสำหรับอุตสาหกรรมเหมืองแร่ เคมี สถาปัตยกรรม หรือเภสัชกรรม นิกเกิล (มากถึง 35%) โมลิบดีนัม โครเมียม (16-26%) และไนโอเบียมในปริมาณสูงพบได้ในเหล็กกล้าออสเทนนิติก โดยมีคาร์บอนสูงถึง 0.15% เหล็กกล้าออสเทนนิติกมักมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีที่สุดในบรรดาเหล็กกล้าไร้สนิมทั้งหมด เหล็กเหล่านี้ยังมีความสามารถในการขึ้นรูปและความแข็งแรงสูง และมักเป็นที่ต้องการสำหรับคุณสมบัติที่อุณหภูมิสูงมาก
เหล็กเฟอริติกที่ใช้ในเครื่องจักรอุตสาหกรรมและรถยนต์ เป็นเกรดของเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีคาร์บอนน้อยกว่า 0.10% และคาร์บอนมากกว่า 12% เหล็กเกรดนี้ได้รับการพัฒนาเพื่อต้านทานการกัดกร่อนและการเกิดออกซิเดชัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการกัดกร่อนจากความเค้นแตกร้าว โดยพื้นฐานแล้วเหล็กเหล่านี้ไม่สามารถชุบแข็งได้โดยผ่านกรรมวิธีทางความร้อน และสามารถชุบแข็งได้โดยการรีดเย็นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
เหล็กกล้ามาร์เทนซิติกซึ่งส่วนใหญ่ใช้สำหรับช้อนส้อม มีโครเมียมโดยทั่วไปอยู่ที่ 11.6 ถึง 18% โดยบางครั้งก็เติมคาร์บอนและนิกเกิล 1.2 % เมื่อรวมกันเป็นกลุ่ม ปริมาณโครเมียมสูงสุดของเหล็กกล้ามาร์เทนซิติกจะต่ำกว่าปริมาณโครเมียมสูงสุดสำหรับเหล็กกล้าเฟอร์ริติกและออสเทนนิติก เหล็กกล้ามาร์เทนซิติกได้รับการยอมรับว่ามีความสามารถในการชุบแข็งเป็นพิเศษพร้อมความต้านทานการกัดกร่อนระดับต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับเครื่องใช้บนโต๊ะอาหาร ประแจ เครื่องมือผ่าตัด และกังหัน

เหล็กไมโครอัลลอยด์
เหล็กกล้าโลหะผสมต่ำที่มีความแข็งแรงสูง (HSLA) มักเรียกกันว่าเหล็กกล้าไมโครอัลลอยด์

เหล็กกล้าความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS)
เหล็กความแข็งแรงสูงขั้นสูง (AHSS) ใช้เป็นหลักในอุตสาหกรรมยานยนต์ โลหะอัลลอยด์นี้มีบทบาทสำคัญในการลดน้ำหนักรวมของยานพาหนะ โดยมีคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น ความแข็งแรงสูงและความสามารถในการขึ้นรูปที่เหมาะสม ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานในยานยนต์

มาราจิ้งสตีล
Maraging steel เป็นโลหะผสมเหล็กชนิดพิเศษที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำ เหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงสูงเป็นพิเศษนี้มีความเหนียวและความเหนียวที่ดีกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าส่วนใหญ่ ตรงกันข้ามกับโลหะผสมเหล็กอื่นๆ เหล็กมาราจิ้งจะแข็งตัวโดยการตกตะกอนของสารประกอบระหว่างโลหะ ไม่ใช่จากการมีอยู่ของคาร์บอน เหล็กกล้า Maraging ผสมผสานความแข็งแรงและความแข็งสูงเข้ากับความเหนียวที่ค่อนข้างสูง เนื่องจากขาดคาร์บอนและการใช้การตกตะกอนระหว่างโลหะ ประเภทการตกตะกอนหลัก ได้แก่ Ni3Mo, Ni3Ti, Ni3Al และ Fe2Mo ซึ่งเกิดขึ้นในเศษส่วนที่มีปริมาณสูงเช่นกัน เหล็กกล้า Maraging ส่วนใหญ่จะใช้ในภาคการบินและอวกาศ เช่นเดียวกับการผลิตเครื่องมือและอาวุธ

เหล็กเครื่องมือ
เหล็กกล้าเครื่องมือเป็นคำที่ใช้อธิบายเหล็กกล้าคาร์บอนและโลหะผสมหลายประเภทที่เหมาะสำหรับการผลิตเครื่องมือ เหล็กเหล่านี้มีความโดดเด่นด้วยความแข็ง ความต้านทานต่อการสึกหรอ ความเหนียว และความต้านทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง เหล็กกล้าเครื่องมือมีความสามารถในการใช้งานในอุดมคติ และทนทานต่อการอ่อนตัวที่อุณหภูมิสูง การใช้งานในอุดมคติของเหล็กกล้าเครื่องมือคือสำหรับการผลิตเครื่องมือ รวมถึง (แต่ไม่จำกัดเพียง) แม่พิมพ์เครื่องจักรและเครื่องมือช่าง

วิธีการที่ใช้ในการผลิตโลหะผสมเหล็ก ได้แก่ วิธีที่ใช้ธาตุโลหะผสม เช่น โครเมียม นิกเกิล โมลิบดีนัม วานาเดียม ฯลฯ กระบวนการต่างๆ ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างเหล็กกล้าโลหะผสม ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับประเภทและเกรดของเหล็กที่ต้องการ กระบวนการทั่วไปบางประการ ได้แก่:

กระบวนการเตาอาร์คไฟฟ้า (EAF)

วัสดุป้อนหลักสำหรับขั้นตอนนี้คือเศษเหล็กหรือเหล็กรีดิวซ์โดยตรง (DRI) ซึ่งถูกหลอมในเตาไฟฟ้า โดยการเป่าด้วยออกซิเจนหรือการกำจัดแก๊สในสุญญากาศ องค์ประกอบการผสมจะถูกนำมาใช้กับเหล็กหลอมเหลวและทำการขัดเกลา จากนั้นเหล็กจะขึ้นรูปเป็นแผ่นคอนกรีต แท่ง บาน แท่งเหล็ก หรือรูปทรงอื่นๆ

กระบวนการผลิตเหล็กกล้าด้วยออกซิเจนขั้นพื้นฐาน (BOS)

วัตถุดิบหลักสำหรับขั้นตอนนี้คือเหล็กพิกเหลวจากเตาถลุงเหล็กและเศษเหล็ก และสิ่งสกปรกจะถูกออกซิไดซ์โดยการเป่าออกซิเจนเข้าไปในคอนเวอร์เตอร์ โดยการไล่แก๊สแบบสุญญากาศหรือการใช้ทัพพีโลหะ องค์ประกอบของโลหะผสมจะถูกนำไปใช้กับเหล็กหลอมเหลวก่อนที่จะทำการขัดเกลา จากนั้นเหล็กจะขึ้นรูปเป็นแผ่นคอนกรีต แท่ง บาน แท่งเหล็ก หรือรูปทรงอื่นๆ

กระบวนการเตาเหนี่ยวนำไฟฟ้า (EIF)

ในวิธีนี้ เศษเหล็กเป็นวัตถุดิบหลัก และหลอมโดยใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในเตาเหนี่ยวนำ โลหะวิทยาของทัพพีใช้ในการปรับแต่งเหล็กหลอมเหลวหลังจากนำองค์ประกอบโลหะผสมมาใช้แล้ว จากนั้นเหล็กจะขึ้นรูปเป็นแผ่นคอนกรีต แท่ง บาน แท่งเหล็ก หรือรูปทรงอื่นๆ

กระบวนการเบ้าหลอม

ด้วยถ่านเป็นแหล่งเชื้อเพลิง ขั้นตอนนี้จะละลายโลหะผสมเหล็ก เศษเหล็ก และเหล็กดัดในเบ้าหลอมสุญญากาศ องค์ประกอบของสารป้อนจะควบคุมปริมาณคาร์บอนและธาตุผสม หลังจากหลอมละลายแล้ว เหล็กก็จะกลายเป็นแท่งโลหะ

กระบวนการเบสเซเมอร์

เหล็กหมูทำหน้าที่เป็นวัตถุดิบหลักสำหรับกระบวนการนี้ และอากาศจะถูกเป่าเข้าไปในตัวแปลงรูปลูกแพร์เพื่อออกซิไดซ์สิ่งปนเปื้อน เราสามารถควบคุมส่วนประกอบอัลลอยด์และปริมาณคาร์บอนได้โดยการเติมเฟอร์โรแมงกานีสหรือสปีเกเลเซน (เหล็กหมูที่อุดมด้วยแมงกานีส) ลงในเหล็กหลอมเหลว หลังจากหลอมละลายแล้ว เหล็กก็จะกลายเป็นแท่งโลหะ

เปิดกระบวนการเตาไฟ

เหล็กหมูและเหล็กเหลือใช้เป็นวัตถุดิบหลักที่ใช้ในกระบวนการนี้ ซึ่งจะละลายในเตาไฟตื้นโดยใช้แก๊สหรือน้ำมันเป็นเชื้อเพลิง สามารถเพิ่มหินปูน แร่เหล็ก และวัสดุอื่นๆ ลงในเหล็กหลอมเหลวเพื่อควบคุมปริมาณโลหะผสมและคาร์บอน หลังจากหลอมละลายแล้ว เหล็กก็จะกลายเป็นแท่งโลหะ

หลังจากการหล่อแล้ว โลหะผสมเหล็กแท่ง บาน บิลเล็ต หรือแผ่นคอนกรีตจะถูกประมวลผลเพิ่มเติมเพื่อสร้างรูปทรงและรูปแบบที่หลากหลายของผลิตภัณฑ์โลหะผสมเหล็ก รวมถึงแท่ง แท่ง ลวด แผ่น แผ่น ท่อ และท่อ วิธีการประมวลผลเพิ่มเติม ได้แก่ การรีดร้อน การรีดเย็น กระบวนการตีขึ้นรูป การตัดเฉือน การรักษาความร้อน และการรักษาพื้นผิว

เหล็กบริสุทธิ์อ่อนเกินกว่าจะใช้ตามวัตถุประสงค์ของโครงสร้าง แต่การเติมธาตุอื่นๆ ในปริมาณเล็กน้อย (เช่น คาร์บอน แมงกานีส หรือซิลิคอน) จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลได้อย่างมาก
โลหะผสมมักจะแข็งแรงกว่าโลหะบริสุทธิ์ แม้ว่าโดยทั่วไปจะมีค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนลดลงก็ตาม ความแข็งแกร่งเป็นเกณฑ์ที่สำคัญที่สุดในการตัดสินวัสดุโครงสร้างหลายชนิด ดังนั้นจึงใช้โลหะผสมในการก่อสร้างทางวิศวกรรม ผลการทำงานร่วมกันขององค์ประกอบอัลลอยด์และการบำบัดความร้อนทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติที่หลากหลายอย่างมาก

คาร์บอน.คาร์บอนเป็นองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะ ซึ่งเป็นองค์ประกอบการผสมที่สำคัญในวัสดุที่ทำจากโลหะกลุ่มเหล็กทั้งหมด คาร์บอนมักพบอยู่ในโลหะผสม เช่น ในเหล็กกล้าไร้สนิมและโลหะผสมทนความร้อนทุกเกรด คาร์บอนเป็นออสเทนไนเซอร์ที่แข็งแกร่งมากและเพิ่มความแข็งแรงของเหล็ก ในความเป็นจริง มันเป็นองค์ประกอบหลักในการชุบแข็ง และจำเป็นต่อการก่อตัวของซีเมนไทต์ Fe3C เพิร์ลไลต์ สฟีรอยด์ไดต์ และมาร์เทนไซต์เหล็ก-คาร์บอน การเติมคาร์บอนที่ไม่ใช่โลหะจำนวนเล็กน้อยลงในเหล็กจะทำให้เหล็กมีความเหนียวสูงและมีความแข็งแรงมากขึ้น หากรวมกับโครเมียมเป็นองค์ประกอบแยกต่างหาก (โครเมียมคาร์ไบด์) อาจส่งผลเสียต่อความต้านทานการกัดกร่อนโดยการเอาโครเมียมบางส่วนออกจากสารละลายของแข็งในโลหะผสม และผลที่ตามมาคือลดปริมาณโครเมียมที่มีอยู่เพื่อให้แน่ใจ ความต้านทานการกัดกร่อน

โครเมียม.โครเมียมช่วยเพิ่มความแข็ง ความแข็งแรง และความต้านทานการกัดกร่อน ผลการเสริมความแข็งแกร่งของการสร้างโลหะคาร์ไบด์ที่มีความเสถียรที่ขอบเขตของเกรนและความต้านทานการกัดกร่อนที่เพิ่มขึ้นอย่างมากทำให้โครเมียมเป็นวัสดุผสมที่สำคัญสำหรับเหล็ก ความต้านทานของโลหะผสมเหล่านี้ต่อผลกระทบทางเคมีของสารกัดกร่อนจะขึ้นอยู่กับการสร้างทู่ เพื่อให้ทู่เกิดขึ้นและคงตัว โลหะผสม Fe-Cr จะต้องมีปริมาณโครเมียมขั้นต่ำประมาณ 11% ของน้ำหนัก ซึ่งเกินกว่านั้นสามารถเกิดขึ้นได้ และต่ำกว่านั้นเป็นไปไม่ได้ โครเมียมสามารถใช้เป็นองค์ประกอบในการชุบแข็งได้ และมักใช้ร่วมกับองค์ประกอบที่ทำให้แข็ง เช่น นิกเกิล เพื่อสร้างคุณสมบัติทางกลที่เหนือกว่า ที่อุณหภูมิสูงขึ้น โครเมียมจะช่วยเพิ่มความแข็งแรง เหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูงมีโครเมียมอยู่ระหว่าง 3 ถึง 5% โดยปกติจะใช้สำหรับการใช้งานในลักษณะนี้ร่วมกับโมลิบดีนัม

นิกเกิล.นิกเกิลเป็นองค์ประกอบผสมที่พบมากที่สุดชนิดหนึ่ง ประมาณ 65% ของการผลิตนิกเกิลใช้ในเหล็กกล้าไร้สนิม เนื่องจากนิกเกิลไม่ก่อให้เกิดสารประกอบคาร์ไบด์ใดๆ ในเหล็ก นิกเกิลจึงยังคงอยู่ในสารละลายในเฟอร์ไรต์ จึงทำให้เฟสเฟอร์ไรต์มีความเข้มแข็งและแข็งแกร่งขึ้น เหล็กนิกเกิลได้รับการบำบัดความร้อนได้ง่ายเนื่องจากนิกเกิลลดอัตราการเย็นตัวที่สำคัญลง โลหะผสมที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบหลัก (เช่น โลหะผสม Fe-Cr-Ni(Mo)) มีความเหนียวและความเหนียวเป็นเลิศ แม้ในระดับความแข็งแรงสูง และคุณสมบัติเหล่านี้ยังคงอยู่จนถึงอุณหภูมิต่ำ นิกเกิลยังช่วยลดการขยายตัวเนื่องจากความร้อนเพื่อให้มิติมีความคงตัวดีขึ้น นิกเกิลเป็นองค์ประกอบพื้นฐานสำหรับซูเปอร์อัลลอย ซึ่งเป็นกลุ่มของโลหะผสมนิกเกิล เหล็ก-นิกเกิล และโคบอลต์ที่ใช้ในเครื่องยนต์ไอพ่น โลหะเหล่านี้มีความต้านทานต่อการเปลี่ยนรูปการคืบจากความร้อนได้ดีเยี่ยม และยังคงความแข็ง ความแข็งแรง ความเหนียว และความเสถียรของมิติไว้ที่อุณหภูมิสูงกว่าวัสดุโครงสร้างการบินและอวกาศอื่นๆ มาก

โมลิบดีนัมโมลิบดีนัมพบได้ในเหล็กกล้าไร้สนิมในปริมาณเล็กน้อย เพิ่มความสามารถในการชุบแข็งและความแข็งแรง โดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูง จุดหลอมเหลวสูงของโมลิบดีนัมทำให้มีความสำคัญต่อการสร้างความแข็งแรงให้กับเหล็กและโลหะผสมโลหะอื่น ๆ ที่อุณหภูมิสูง โมลิบดีนัมมีเอกลักษณ์เฉพาะตัวในการเพิ่มแรงดึงที่อุณหภูมิสูงและความแข็งแรงของการคืบของเหล็ก มันชะลอการเปลี่ยนแปลงของออสเทนไนต์ไปเป็นเพิร์ลไลต์มากกว่าการเปลี่ยนออสเทนไนต์ไปเป็นเบนไนต์ ดังนั้นเบนไนต์อาจเกิดขึ้นได้โดยการระบายความร้อนอย่างต่อเนื่องของเหล็กที่มีโมลิบดีนัม

วาเนเดียมโดยทั่วไปวาเนเดียมจะถูกเติมลงในเหล็กเพื่อยับยั้งการเจริญเติบโตของเมล็ดข้าวในระหว่างการอบชุบด้วยความร้อน ในการควบคุมการเจริญเติบโตของเมล็ดพืช จะช่วยปรับปรุงทั้งความแข็งแรงและความเหนียวของเหล็กชุบแข็งและเหล็กอบคืนตัว

ทังสเตนทังสเตนผลิตคาร์ไบด์ที่เสถียรและปรับขนาดเกรนเพื่อเพิ่มความแข็ง โดยเฉพาะที่อุณหภูมิสูง ทังสเตนถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในเหล็กกล้าเครื่องมือความเร็วสูง และได้รับการเสนอให้ใช้แทนโมลิบดีนัมในเหล็กกล้าเฟอร์ริติกที่มีฤทธิ์ลดปฏิกิริยาสำหรับการใช้งานทางนิวเคลียร์