เหล็ก

เหล็ก

"เหล็ก" เป็นแร่ธาตุที่มีบทบาทกับการนำมาใช้งานในชีวิตประจำวันมากที่สุด และเป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย โดยเหล็กจะแบ่งออกเป็น 2 ประเภทด้วยกัน คือเหล็ก (iron) และ เหล็กกล้า (steel) ซึ่งทั้งสองประเภทนี้ มีคุณสมบัติที่ต่างกันหลายประการ แต่ส่วนใหญ่ก็มักจะถูกเรียกอย่างเหมารวมกันว่า “เหล็ก” นั่นเอง

ลักษณะทั่วไปของเหล็กและเหล็กกล้า

เหล็ก จะมีสัญลักษณ์ทางวิทยาศาสตร์ คือ Fe มักพบได้มากในธรรมชาติ ซึ่งจะมีลักษณะเป็นสีแดงอมน้ำตาล เมื่อนำเข้าใกล้กับแม่เหล็ก จะดูดติดกัน ส่วนพื้นที่ที่ค้นพบเหล็กได้มากที่สุด ก็คือ ตามชั้นหินใต้ดินที่อยู่บริเวณที่ราบสูงและภูเขา โดยจะอยู่ในรูปของสินแร่เป็นส่วนใหญ่ ซึ่งก็ต้องใช้วิธีถลุงออกมา เพื่อให้ได้เป็นแร่เหล็กบริสุทธิ์และสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้

เหล็กกล้า เป็นโลหะผสม ที่มีการผสมระหว่าง เหล็ก ซิลิคอน แมงกานีส คาร์บอนและธาตุอื่นๆ อีกเล็กน้อย ทำให้มีคุณสมบัติในการยืดหยุ่นสูง ทั้งมีความทนทาน แข็งแรง และสามารถต้านทานต่อแรงกระแทกและภาวะทางธรรมชาติได้อย่างดีเยี่ยม  ที่สำคัญคือเหล็กกล้าไม่สามารถค้นพบได้ตามธรรมชาติเหมือนกับเหล็ก เนื่องจากเป็นเหล็กที่สร้างขึ้นมาโดยการประยุกต์ของมนุษย์  แต่ในปัจจุบันก็มีการนำเหล็กกล้ามาใช้งานอย่างแพร่หลาย เพราะมีต้นทุนต่ำ จึงช่วยลดต้นทุนได้เป็นอย่างมาก และมีคุณสมบัติที่โดดเด่นไม่แพ้เหล็ก

ประเภทของเหล็กแบ่งได้อย่างไรบ้าง?

สำหรับประเภทของเหล็กนั้น สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ คือ

1.เหล็กหล่อ เป็นเหล็กที่ใช้วิธีการขึ้นรูปด้วยการหล่อขึ้นมา ซึ่งจะมีปริมาณของธาตุคาร์บอนประมาณ 1.7-2% จึงทำให้เหล็กมีความแข็ง แต่ในขณะเดียวกันก็มีความเปราะ และด้วยเหตุนี้จึงทำให้เหล็กหล่อ สามารถขึ้นรูปได้แค่วิธีการหล่อวิธีเดียวเท่านั้น ไม่สามารถขึ้นรูปด้วยการรีดหรือวิธีการอื่นๆ ได้ นอกจากนี้เหล็กหล่อ ก็สามารถแบ่งย่อยๆ ได้ดังนี้

1.1 เหล็กหล่อเทา เป็นเหล็กหล่อที่มีโครงสร้างคาร์บอนในรูปของกราฟไฟต์ เพราะมีคาร์บอนและซิลิคอนเป็นส่วนประกอบสูงมาก

1.2 เหล็กหล่อขาว เป็นเหล็กที่มีความแข็งแรงทนทานสูง สามารถทนต่อการเสียดสีได้ดี แต่จะเปราะจึงแตกหักได้ง่าย โดยเหล็กหล่อประเภทนี้ จะมีปริมาณของซิลิคอนต่ำกว่าเหล็กหล่อเทา ทั้งมีคาร์บอนอยู่ในรูปของคาร์ไบด์ของเหล็กหรือที่เรียกกว่า ซีเมนไตต์

1.3 เหล็กหล่อกราฟไฟต์กลม เป็นเหล็กที่มีโครงสร้างเป็นกราฟไฟต์ ซึ่งจะมีส่วนผสมของแมกนีเซียมหรือซีเรียมอยู่ในน้ำเหล็ก ทำให้เกิดรูปร่างกราฟไฟต์ทรงกลมขึ้นมา ทั้งยังได้คุณสมบัติทางกลในทางที่ดีและโดดเด่นยิ่งขึ้น เหล็กหล่อกราฟไฟต์จึงได้รับความนิยมในการนำมาใช้งานอย่างแพร่หลายและถูกนำมาใช้งานในอุตสาหกรรมมากขึ้น

1.4 เหล็กหล่ออบเหนียว เป็นเหล็กที่ผ่านกระบวนการอบเพื่อให้ได้คาร์บอนในโครงสร้างคาร์ไบด์แตกตัวมารวมกับกราฟไฟต์เม็ดกลม และกลายเป็นเฟอร์ไรด์หรือเพิร์ลไลต์ ซึ่งก็จะมีคุณสมบัติที่เหนียวแน่นกว่าเหล็กหล่อขาวเป็นอย่างมาก ทั้งได้รับความนิยมในการนำมาใช้งานที่สุด

1.5 เหล็กหล่อโลหะผสม เป็นประเภทของเหล็กที่มีการเติมธาตุผสมเข้าไปหลายอย่างด้วยกัน ซึ่งก็จะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของเหล็กให้ดีขึ้น โดยเฉพาะการทนต่อความร้อนและการต้านทานต่อแรงเสียดสีที่เกิดขึ้น เหล็กหล่อประเภทนี้จึงนิยมใช้ในงานที่ต้องสัมผัสกับความร้อน

2.เหล็กกล้า เป็นเหล็กที่มีความเหนียวแน่นมากกว่าเหล็กหล่อ ทั้งสามารถขึ้นรูปด้วยวิธีทางกลได้ จึงทำให้เหล็กชนิดนี้ นิยมถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายและกว้างขวางมากขึ้น ตัวอย่างเหล็กกล้าที่มักจะพบได้บ่อยๆ ในชีวิตประจำวัน คือ เหล็กแผ่น เหล็กโครงรถยนต์หรือเหล็กเส้น เป็นต้น นอกจากนี้คาร์บอนก็สามารถแบ่งได้เป็นกลุ่มย่อยๆ ดังนี้

2.1 เหล็กกล้าคาร์บอน จะมีส่วนผสมหลักเป็นคาร์บอนและมีส่วนผสมอื่นๆ ปนอยู่บ้างเล็กน้อย ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู่กับจะมีธาตุอะไรติดมาในขั้นตอนการถลุงบ้าง ดังนั้นเหล็กกล้าคาร์บอน จึงสามารถแบ่งเป็นย่อยๆ ได้อีก ตามปริมาณธาตุที่ผสมดังนี้

- เหล็กคาร์บอนต่ำ มีคาร์บอนต่ำกว่า 0.2% และมีความแข็งแรงต่ำมาก จึงนำมารีดเป็นแผ่นได้ง่าย เช่น เหล็กเส้น เหล็กแผ่น เป็นต้น

- เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง จะมีคาร์บอนอยู่ปรมาณ 0.2-.05% มีความแข็งแรงสามารถนำมาใช้เป็นชิ้นส่วนของเครื่องจักรได้

- เหล็กกล้าคาร์บอนสูง มีคาร์บอนสูงกว่า 0.5% มีความแข็งแรงสูงมาก นิยมนำมาอบชุบความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งมากขึ้น และสามารถต้านทานต่อการสึกหรอได้ดี จึงนิยมนำมาทำเครื่องมือเครื่องใช้ที่ต้องการผิวแข็ง

2.2 เหล็กกล้าผสม เป็นเหล็ก ที่มีการผสมธาตุอื่นๆ เข้าไปโดยเจาะจง เพื่อให้คุณสมบัติของเหล็ก เป็นไปตามที่ต้องการ โดยเหล็กประเภทนี้มักจะมีความสามารถในการต้านทานต่อการกัดกร่อนและสามารถนำไฟฟ้าได้ รวมถึงมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กอีกด้วย ซึ่งก็จะแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ เหล็กกล้าผสมต่ำและเหล็กกล้าผสมสูง นั่นเอง โดยเหล็กกล้าผสมต่ำ จะเป็นเหล็กกล้าที่มีการผสมด้วยธาตุอื่นๆ น้อยกว่า 10% และเหล็กกล้าผสมสูง จะเป็นเหล็กกล้าที่มีการผสมด้วยธาตุอื่นๆ มากกว่า 10%

เหล็ก เป็นแร่ธาตุที่ถูกนำมาใช้ในชีวิตประจำวันมากที่สุด และเป็นที่รู้จักอย่างแพร่หลาย เนื่องจากมีคุณสมบัติที่เหมาะกับการนำมาใช้งานในหลายๆ ด้าน แต่ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง คือมีน้ำหนักมาก ทำให้เคลื่อนย้ายได้ไม่ค่อยสะดวกมากนัก อย่างไรก็ตาม เหล็ก ก็ยังคงเป็นที่นิยมและมีการนำมาใช้งานในอุตสาหกรรมหรือการผลิตเครื่องจักรกลต่างๆ รวมทั้งใช้ในการสร้างบ้านด้วย เพราะเป็นโลหะที่มีความแข็งแรงและทนทานมาก

ข้อมูลเพิ่มเติม

Metal part เป็น part ที่ทำจากวัสดุจำพวกโลหะแล้วออกมาในรูปผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น

case, heatsink, screw, nut, chassis, ฯลฯ การที่เราจะเลือกใช้หรือออกแบบชิ้นส่วนที่ว่ามาเราต้องทราบถึงคุณสมบัติ ของวัสดุที่จะนำมาผลิตหรือใช้ออกแบบเสียก่อน ในที่นี้จะขอกล่าวถึง Metal หลักๆที่ใช้ทั่วไปซึ่งจะมีอยู่ 2 ประเภทดังนี้

- Ferrus metal (โลหะกลุ่มเหล็ก) คือ โลหะที่มีส่วนผสมของธาตุเหล็ก (Fe) เช่น เหล็กเสตนเลส เหล็กสปริง เหล็หคาร์บอน ฯลฯ

- Nonferrus metal (โลหะนอกกลุ่มเหล็ก) คือ โลหะที่ไม่มีส่วนผสมของธาตุเหล็ก (Fe) เช่น ทองแดง อลูมิเนี่ยม (ในที่นี้จะถือเป็นโลหะด้วย ซึ่งที่จริงเป็นธาตุกึ่งโลหะ) และโลหะอัลลอยต่างๆ

Ferrus metal มักจะเรียกกันทั่วไปว่าเหล็กและที่ใช้กันส่วนใหญ่จะเป็นในรูปของเหล็กแผ่นและเป็นเหล็กเส้น (wire rod) การแบ่งประเภทของเหล็กจะแบ่งโดยดูที่ส่วนผสมของคาร์บอน(C)ที่เติมลงไป ซึ่งก็สามารถแยกออกเป็นหลายประเภทดังนี้
1. เหล็กหล่อ เป็นเหล็กที่มีส่วนผสมของคาร์บอนมากกว่า 1.7% มีคุณสมบัติแข็งแต่เปราะจึงไม่ค่อยนำมาใช้ในอุตสาหกรรมอิเลคทรอนิคส์
2. เหล็กกล้า (Steel) เป็นเหล็กที่มีส่วนผสมของคาร์บอนต่ำกว่า 1.7% มีคุณสมบัติเหนียวเหมาะแก่การแปรรูปและนำมาใช้ในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิคส์ จะมีหลักๆอยู่ 2 ชนิดคือ

2.1 เหล็กคาร์บอน (Carbon steel) เป็นเหล็กที่มีส่วนผสมของคาร์บอนเป็นหลัก ยังสามารถแยกย่อยออกไปได้อีก ดังนี้

- เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (Low carbon steel) C<0.2%>

-เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (Medium carbon steel) C = 0.2-0.5% มีความแข็งแรงสูงกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ นิยมนำเอามาทำชิ้นส่วนเครื่องจักร

- เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (High carbon steel) C>0.5% มีความแข็งแรงและความแข็งสูง นิยมนำมาทำอุปกรณ์ที่ต้องการความแข็งและทนต่อการสึกหรอสูง

2.2 เหล็กกล้าผสม (Alloy steel) เป็นเหล็กที่มีส่วนผสมของธาตุอื่นเพื่อเพิ่มคุณสมบัติของเหล็กอย่างจำเพาะเจาะจง เช่น เพื่อเพิ่มความต้านทานการสึกหรอ เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางด้านการนำไฟฟ้า เป็นต้น สามารถแยกย่อยออกไปได้อีกดังนี้

- เหล็กกล้าผสมต่ำ (Low alloy steel) เป็นเหล็กกล้าผสมที่มีปริมาณธาตุผสม <10%>10% 

วัสดุโลหะที่พบบ่อยในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

- เหล็กแผ่น มักจะพบในรูปของ case, chassis, bracket เป็นต้น วัสดุที่นิยมนำมาใช้ก็จะมีดังต่อไปนี้ (เรียกชื่อตาม JIS)

SPCC คือ เหล็กคาร์บอนรีดเย็น มีคุณสมบัติตาม JIS G 3141

SECC คือ เหล็กแผ่นรีดเย็นเคลือบสังกะสีโดยกรรมวิธีทางไฟฟ้า JIS G 3313

SGCC คือ เหล็กแผ่นรีดเย็นเคลือบสังกะสีโดยกรรมวิธีจุ่มร้อน JIS G 3302

SGLCC คือ เหล็กแผ่นรีดเย็นเคลือบสังกะสี+อลูมิเนียมโดยกรรมวิธีจุ่มร้อน JIS G3321

SPTE คือ เหล็กแผ่นรีดเย็นเคลือบดีบุกโดยกรรมวิธีทางไฟฟ้า JIS G 3303

การเคลือบผิวโลหะ

เป็นการเพิ่มคุณสมบัติให้กับโลหะที่เคลือบ เช่น เพิ่มความต้านทานการสึกกร่อน เพิ่มคุณสมบัติทางไฟฟ้า เพิ่มคุณสมบัติการเชื่อมพื้นผิว เป็นต้น ลักษณะการเคลือบผิวโลหะที่พบกันบ่อยๆ ก็จะมีดังนี้

Hot dipping เป็นการจุ่มโลหะลงในบ่อโลหะเคลือบที่หลอมเหลว ทำให้เนื้อโลหะที่ใช้เคลือบห่อหุ้มโลหะที่ต้องการเคลือบผิว เช่น การจุ่มเหล็กแผ่นลงในบ่อสังกะสีหลอมเหลว หรือที่เรียกว่า Hot dip galvanizing = SGCC

Electro plating ชิ้นงานที่จะนำโลหะอื่นมาเคลือบจะเป็น cathode ส่วนตัวโลหะที่จะเคลือบจะเป็น anode ซึ่งจะละลายลงไปใน electrolyte ซึ่งมีเกลือของโลหะนั้นๆ (สามารถหาความรู้พื้นฐานในเรื่อง เซลล์ไฟฟ้าเคมี) เช่น การเคลือบเหล็กแผ่นด้วยสังกะสี (SECC)