เหล็กแมงกานีสสูง | สหวิศว์หล่อโลหะ

เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) มีชื่อเรียกที่ทราบกันโดยทั่วไปอีกชื่อหนึ่งคือเหล็กกล้าฮาร์ดฟิลด์ (Hadfield) เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) มีคุณสมบัติที่ทนต่อการสึกหรอที่เกิดมาจากการกระแทกและเสียดสีอย่างรุนแรงได้ดีกว่าเหล็กกล้าชนิดอื่นๆ เพราะมีโครงสร้างพื้นฐานในขณะใช้งานเป็นออสเตนไนท์ (Austenite) ในสภาพกึ่งสมดุล (Matastable) ซึ่งเป็นผลมาจากอิทธิผลของธาตุแมงกานิสในเหล็กและการอบชุบโดยการทำให้เหล็กเย็นอย่างรวดเร็ว เมื่อเหล็กถูกแรงกระแทกอย่างรุนแรง โครงสร้างออสเตนไนท์กึ่งสมดุลย์จะเกิดการเปลี่ยนแปลงไปเป็นโครงสร้างมาร์เทนไซท์ (Martensite) ซึ่งมีความแข็งสูงกว่าออสเตนไนท์ จึงมีความต้านทานต่อการสึกหรอได้ดี โครงสร้างที่อยู่ลึกลงไปเมื่อไม่ได้รับแรงกระแทก จะไม่มีการเปลี่ยนแปลงยังคงเป็นออสเตนไนท์เหมือนเดิม จึงทำให้ชิ้นโลหะมีความเหนียวไม่เกิดการแตกร้าว ทำให้ชิ้นงานทนทาน

เนื่องจากคุณสมบัติของ เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) ที่ทนต่อการสึกหรอที่เกิดจากแรงกระแทก จึงนิยมนำมาใช้เป็นชิ้นส่วนของเครื่องจักรหนักที่ต้องทนแรกกระแทกสูง ในหลายอุตสาหกรรม เช่น อุตสาหกรรมปูนซีเมนต์ , อุตสาหกรรมเหมืองแร่ , อุตสาหกรรมผลิตไฟฟ้าด้วยถ่านหิน และอุตสาหกรรมอื่นๆ โดยชิ้นส่วนเครื่องจักร ได้แก่ cone crusher , Gyratory crusher , jaw crusher , hammer mill และ อื่นๆ

เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) ส่วนใหญ่จะผ่านกรรมวิธีการหล่อให้ได้รูปร่างตามต้องการ และตกแต่งด้วยการขัดหรือตัดด้วยหินเจียร การกลึงหรือตัดด้วยเครื่องมือกลกระทำได้ยาก การตัดชิ้นงานขนาดใหญ่กระทำได้ด้วยการใช้เปลวไฟ อ๊อคซี-อเซททีลีน เหล็กกล้าแมงกานิสสูงสามารถรีดให้เป็นแท่งและเป็นแผ่นได้ เพื่อการใช้งานเฉพาะ แต่การขึ้นรูปด้วยการรีดต้องกระทำที่อุณหภูมิสูงกว่าเหล็กกล้าคาร์บอน

เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) เป็นเหล็กที่มีคาร์บอน 1.2 - 1.4 % และผสมแมงกานิสประมาณ 10 เท่าของคาร์บอน คือผสมแมงกานิส 12 - 14 % นอกจากธาตุแมงกานิสแล้วอาจจะมีธาตุร่วมอื่นๆอีก เช่น ซิลิกอน กำมะถันและฟอสฟอรัส และอาจมีธาตุอื่นๆ เช่น โครเมียม , โมลิดินัม , วาเนเดียมและไทเทเนียมผสมอีกเล็กน้อย เพื่อปรับปรุงคุณภาพความแข็งให้สูงขึ้น ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับมาตรฐานของแต่ละแหล่งที่ผลิตตามมาตรฐาน ASTM (A-128) แบ่งเหล็กกล้าแมงกานิสสูงออกเป็น 10 ชั้น คุณภาพขึ้นอยู่กับปริมาณของธาตุผสมอื่นๆ
นอกจากแมงกานิสดังปรากฏในตารางด้านล่าง 

มาตรฐาน JIS แบ่ง เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) ออกเป็น 5 ชั้นคุณภาพที่สำคัญคล้ายคลึงกับมาตรฐาน ASTM ดังตารางด้านล่าง

คุณสมบัติเชิงกลของ เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง)

 การอบชุบ เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) 

ส่วนใหญ่เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) จะอยู่ในสภาพหล่อซึ่งมีโครงสร้างประกอบด้วยออสเตนไนท์ เนื่องด้วยอิทธิพลของแมงกานิส และมีแมงกานิสคาร์ไบด์ จับตัวอยู่ตามบริเวณขอบเกรน ถ้าเป็นสภาพภายหลังการรีดร้อนแมงกานิสคาร์ไบด์ จะกระจัดกระจายอยู่ทั่วไป สภาพโครงสร้างดังกล่าวเป็นสภาพที่ไม่เหมาะต่อการใช้งาน โดยหลักการอบชุบสำหรับเหล็กกล้าแมงกานิสสูงจะต้องทำให้โครงสร้างของเหล็กเป็นลักษณะ ออสเตนไนท์กึ่งสมดุลย์ (Metastable) ทั้งหมด โดยไม่มีแมงกานิสคาร์ไบด์เหลืออยู่ โครงสร้างออสเตนไนท์กึ่งสมดุลย์นี้มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนไปเป็นมาร์เทนไซท์เมื่อถูกแรงกระแทกในขณะใช้งานทำให้เหล็กมีความแข็งเพิ่มขึ้น ดังนั้นหลักในการชุบความร้อนของ เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) นี้จึงมีความมุ่งหมายเพื้อสลายแมงกานิสคาร์ไบด์, โครเมียมคาร์ไบด์ หรือ โมลิดินัมคาร์ไบด์ ให้หมดไปโดยการเผาที่อุณหภูมิอยู่ในช่วง 1000 - 1100 °C หรือบางกรณีอาจจะสูงกว่านี้เล็กน้อยถ้าหากเหล็กมีธาตุผสมประเภทที่ให้คาร์ไบด์ที่มีเสถียรภาพ เช่น วาเนเดียม หรือ ไทเทเนียม เวลาที่ใช้จะต้องยาวนานกว่าปกติอยู่ระหว่าง 3 - 6 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับความหนาและรูปร่างของชิ้นงาน เมื่อสลายคาร์ไบด์จนหมดแล้วจะได้โครงสร้างออสเตนไนท์ จากนั้นจะต้องนำเอาออกจากเตาเผาและทำให้เย็นอย่างรวดเร็วโดยการชุบน้ำ โดยไม่เปิดโอกาสให้แมงกานิส, โครเมียม หรือ โมลิดินัม รวมตัวกับคาร์บอนได้อีก โครงสร้างสุดท้ายที่ได้จะเป็นออสเตนไนท์ในสภาพกึ่งสมดุลย์ โดยทั่วไปไม่นิยมนำ เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) ไปทำการอบคืนตัวภายหลังการชุบ แต่จะปล่อยให้มีการคลายความเครียดไปทีละน้อยโดยการนำ เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) ไปทิ้งไว้กลางแจ้งเรียกว่าเป็นการคลายความเครียดโดยธรรมชาติ (Natural temper) การอบคืนตัวโดยการเผาอาจทำได้ที่อุณหภูมิต่ำเท่านั้น (100 - 200 °C) เพราะถ้าอบคืนตัวที่อุณหภูมิสูงจะทำให้แมงกานิสสามารถรวมตัวกับคาร์บอนให้คาร์ไบด์ได้อีก และมีแนวโน้มที่จะจับตัวอยู่บริเวณตามขอบเกรน เป็นผลให้เหล็กลดความเหนียวลง

จากประสบการณ์ของ รศ.มนัส สถิรจินดา ได้ข้อสังเกตที่น่าสนใจประการหนึ่งคือ เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) ภายหลังจากการอบชุบความร้อนแล้ว ถูกทิ้งไว้กลางแจ้งเป็นระยะเวลาหนึ่งปี ภายหลังเมื่อนำมาใช้งานเปรียบเทียบกับ เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) ที่เพิ่งผ่านการอุบทางความร้อนและนำมาใช้งานทันที ปรากฏว่าเหล็กที่ผ่านการคลายความเครียด โดยธรรมชาติจะมีอายุการใช้งานยาวกว่า สาเหตุน่าจะมาจากการตกผลึกของคาร์ไบด์ขนาดเล็กของแมงกานิส หรือโครเมียม ภายในโครงสร้างพื้นฐานที่เป็นออสเตนไนท์กึ่งสมดุลย์มีผลทำให้เหล็กมีความแข็งเพิ่มมากขึ้น แต่การวัดความแข็งในระบบ Brinell ไม่ปรากฏมีค่าสูงขึ้น ทั้งนี้เพราะออสเตนไนท์มีความอ่อนตัวสูงเมื่อมีผลึกคาร์ไบด์ขนาดเล็กแทรกอยู่จึงไม่มีผลต่อความแข็งรวม

ข้อสังเกตอีกประการหนึ่งที่ รศ.มนัส สถิรจินดา ประสบมา คือ ภายหลังการอบชุบทางความร้อนแล้ว เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) มีคุณสมบัติเปราะแตกหักง่ายภายหลังการใช้งาน สาเหตุมักมาจากสาเหตุจากการอยชุบคือ
1.อุณหภูมิที่เผา เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) ไม่สูงพอ และเวลาที่แช่ทิ้งไว้ไม่นานพอ จนทำให้คาร์ไบด์ตามบริเวณขอบเกรนสลายตัวหมด
2.การเผา เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) จำนวนหลายชิ้นพร้อมๆกัน การนำเอาออกจากเตาอบชุบเพื่อทำการชุบน้ำกระทำได้ยากลำบาก มักปรากฏว่าชิ้นงานหลังๆ อุณหภูมิจะลดต่ำลงมาในช่วงนี้อาจทำให้แมงกานิสคาร์ไบด์เกิดขึ้นได้บางส่วน และจับตัวอยู่ตามบริเวณขอบเกรนซึ่งมีผลทำให้ เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) ภายหลังการอบชุบความร้อนสูญเสียความเหนียว
3.การเผา เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) ในอัตราที่สูงเกินไปทำให้เหล็กมีการขยายตัวไม่สม่ำเสมอเกิดการแตกร้าวขนาดเล็ก ขึ้นบนบางตำแหน่งของชิ้นงานหล่อภายหลังการชุบน้ำแล้วไม่ปรากฏรอยร้าวให้เห็นเพราะมีขนาดเล็ก เมื่อนำไปใช้งานรอยร้าวจะขยายตัวมากขึ้น และเกิดการแตกหักในที่สุด หลักปฏิบัติในการเผา เหล็กแมงกานิสสูง (เหล็กกล้าแมงกานิสสูง) จึงควรกระทำด้วยความระมัดระวังกล่าวคือ
1.ไม่ควรเผาเหล็กจากอุณหภูมิห้องให้มีอัตราสูงเกิน 100 °C/ชม.
2.ไม่ควรนำเอาเหล็กที่เย็นใส่เตาเผาที่มีอุณหภูมิสูงเกิน 200 °C
3.การอบชุบเหล็กแต่ละครั้งพยายามจัดชิ้นงานที่จะชุบให้มีขนาดใกล้เคียงกันเพื่อสะดวกในการควบคุมอุณหภูมิและเวลาที่อยู่ในเตา
4.การนำเหล็กลงชุบน้ำจะต้องกระทำด้วยความระมัดระวัง

REFERENCE :
- วิศวกรรมการอบชุบเหล็ก (IRON & STEEL HEAT-TREATMENT ENGINEER) รศ.มนัส สถิรจินดา
- JIS HANDBOOK 1995 : Ferrous Materials & Metallurgy I