วัสดุเหล็ก เป็นวัสดุโลหะผสมที่มีเหล็กและคาร์บอนเป็นส่วนประกอบหลัก เป็นหนึ่งในวัสดุพื้นฐานที่ใช้กันอย่างแพร่หลายและสำคัญที่สุดในอุตสาหกรรมและโครงสร้างพื้นฐานสมัยใหม่ สามารถควบคุมคุณสมบัติของมันได้อย่างกว้างขวางโดยการปรับปริมาณคาร์บอนและเพิ่มองค์ประกอบอัลลอยด์

I. คำจำกัดความหลักและการจำแนกขั้นพื้นฐาน

โดยพื้นฐานแล้วเหล็กเป็นวัสดุที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลัก (Fe) โดยมีคาร์บอน (C) เป็นองค์ประกอบโลหะผสมหลัก การแปรผันเล็กน้อยของปริมาณคาร์บอนทำให้เกิดคุณลักษณะที่แตกต่างกันอย่างมาก:

1. เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (C ≤ 0.25%):

   • คุณสมบัติ: ความเป็นพลาสติก ความเหนียว และการเชื่อมได้ดีเยี่ยม ขึ้นรูปได้ง่าย (เช่น การตอก การดัด) ความแข็งแรงค่อนข้างต่ำ

   • การใช้งาน: แผงตัวถังรถยนต์ เหล็กเส้นก่อสร้าง (เช่น Q235) สายไฟ หมุดย้ำ แผ่น และส่วนโครงสร้าง

2. เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (0.25% < C ≤ 0.60%):

   • คุณสมบัติ: ความแข็งแรงและความแข็งสูงกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ โดยยังคงความเป็นพลาสติกและความเหนียวเอาไว้ สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้โดยการอบชุบด้วยความร้อน (เช่น การชุบแข็งและการอบคืนตัว)

   • การใช้งาน: ส่วนประกอบของเครื่องจักร (เกียร์ เพลา ก้านสูบ) ตัวยึดที่มีความแข็งแรงสูง ราง ล้อ การตีขึ้นรูป

3. เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (C > 0.60%):

   • คุณสมบัติ: มีความแข็ง แข็งแรง และทนต่อการสึกหรอสูง ความเป็นพลาสติกและความเหนียวที่จำกัด ความสามารถในการเชื่อมไม่ดี

   • การใช้งาน: เครื่องมือตัด (ตะไบ ดอกสว่าน) สปริง ลวดความแข็งแรงสูง แม่พิมพ์ ม้วน

ครั้งที่สอง โลหะผสมเหล็ก: การขยายและยกระดับประสิทธิภาพ

การเติมธาตุโลหะผสมเฉพาะ (เช่น โครเมียม (Cr), นิกเกิล (Ni), โมลิบดีนัม (Mo), วานาเดียม (V), แมงกานีส (Mn), ซิลิคอน (Si)) ลงในเหล็กกล้าคาร์บอนช่วยเพิ่มหรือให้คุณสมบัติพิเศษได้อย่างมีนัยสำคัญ:

• เพิ่มความแข็งแกร่งและความเหนียว: Mo, V, Mn ปรับแต่งโครงสร้างเกรนหรือสร้างระยะเสริมความแข็งแกร่ง

• เพิ่มความทนทานต่อการสึกหรอ: คาร์บอนสูงรวมกับ Cr, Mo

• ปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อน: Cr คือกุญแจสำคัญสำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม (โดยทั่วไปคือ ≥10.5%) Ni ช่วยเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อนและความเหนียว

• ประสิทธิภาพอุณหภูมิสูงที่เหนือกว่า: Mo, V, W รักษาความแข็งแรงและต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง

• ปรับความแข็งให้เหมาะสม: Cr, Mn, Mo, B มีอิทธิพลต่อความลึกในการชุบแข็งระหว่างการชุบแข็ง

ที่สาม โดเมนสำคัญของเหล็กชนิดพิเศษ

1. สแตนเลส: ปริมาณ Cr ที่สำคัญ (≥10.5%) ก่อให้เกิดชั้นโครเมียมออกไซด์แบบพาสซีฟ จำแนกตามโครงสร้างจุลภาค:

   • ออสเตนนิติก (เช่น 304/316: ไม่เป็นแม่เหล็ก ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม)

   • มาร์เทนซิติก (เช่น 410/420: อบชุบด้วยความร้อนได้เพื่อความกระด้าง)

   • เฟอริติก (เช่น 430: แม่เหล็ก)

   • ดูเพล็กซ์ (โครงสร้างแบบผสม)
     การใช้งาน: ช้อนส้อม อุปกรณ์การแพทย์ อุปกรณ์เคมี งานหุ้มสถาปัตยกรรม

2. เหล็กกล้าเครื่องมือ: ปริมาณคาร์บอน/โลหะผสมสูงสำหรับความแข็งขั้นสุด ความต้านทานการสึกหรอ ความแข็งจากความร้อน (คงความแข็งที่อุณหภูมิสูง) และความเหนียวที่สมดุล
   การใช้งาน: เครื่องมือตัด แม่พิมพ์ (ปั๊ม ฉีด) เกจ

3. เหล็กโครงสร้างที่มีความแข็งแรงสูง: องค์ประกอบที่ปรับให้เหมาะสมและกระบวนการขั้นสูง (เช่น การประมวลผลที่ควบคุมด้วยกลไกด้วยความร้อน - TMCP) ให้ความแข็งแรงสูง (ความแข็งแรงของผลผลิต ≥550MPa) ในขณะเดียวกันก็รับประกันความสามารถในการเชื่อมและความเหนียว
   การใช้งาน: สะพาน ตึกระฟ้า เครื่องจักรกลหนัก เรือ ภาชนะรับความดัน

IV. กำเนิดของเหล็ก: จากแร่สู่วัสดุ

การผลิตเหล็กเป็นกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่ซับซ้อน:

1. การทำเหล็ก: แร่เหล็ก (เหล็กออกไซด์) จะถูกรีดิวซ์โดยใช้โค้กในเตาหลอมเหล็ก ทำให้ได้เหล็กหมูหลอมเหลว (คาร์บอนสูง: ~3-4% รวมถึงมีสิ่งเจือปน เช่น Si, Mn, P, S)

2. การผลิตเหล็ก: ภารกิจหลัก: ลดคาร์บอนและขจัดสิ่งสกปรก วิธีการหลัก:

   • เตาออกซิเจนพื้นฐาน (BOF): ออกซิเจนที่ถูกเป่าเข้าไปในเหล็กหลอมเหลวจะออกซิไดซ์คาร์บอน/สิ่งเจือปน ประสิทธิภาพสูง

   • เตาอาร์คไฟฟ้า (EAF): หลอมเศษเหล็กด้วยไฟฟ้า มีความยืดหยุ่นเหมาะสำหรับการรีไซเคิล

   • การกลั่นขั้นที่สอง: การไล่ก๊าซเพิ่มเติม การกำจัดสิ่งเจือปน การปรับองค์ประกอบภายนอกเตาเผาเพื่อความบริสุทธิ์ที่เหนือกว่า

3. การหล่อ: แข็งตัวเป็นแท่งหรือหล่อเป็นแผ่นคอนกรีต เหล็กแท่ง หรือบานอย่างต่อเนื่อง

4. การขึ้นรูป: รูปร่างที่หล่อผ่านการรีดร้อน/เย็น (แผ่น แผ่น ส่วน ลวด) การตีขึ้นรูป ฯลฯ เพื่อให้ได้ขนาดและคุณสมบัติขั้นสุดท้าย

V. การใช้งานทั่วไปทุกหนทุกแห่ง: โลกที่สร้างขึ้นบนเหล็ก

เหล็กแทรกซึมทุกแง่มุมของชีวิตสมัยใหม่:

• การก่อสร้างและโครงสร้างพื้นฐาน: โครงกระดูกตึกระฟ้า โครงสะพาน เหล็กเสริมคอนกรีต (เหล็กเส้น) ที่รองรับอุโมงค์ ท่อ (น้ำ ก๊าซ น้ำมัน)

• การขนส่ง: ตัวถังรถยนต์ แชสซี ชิ้นส่วนเครื่องยนต์ ตัวเรือ, ดาดฟ้า; ตู้รถไฟ, รางรถไฟ; อุปกรณ์ลงจอดเครื่องบิน ส่วนประกอบเครื่องยนต์ (โลหะผสมเหล็ก)

• อุตสาหกรรมพลังงาน: แท่นขุดเจาะน้ำมัน/ก๊าซ ท่อส่งน้ำมัน อุปกรณ์โรงไฟฟ้า (หม้อไอน้ำ กังหัน ภาชนะรับแรงดัน) หอคอยกังหันลม, กระปุกเกียร์; เสาส่งสัญญาณ

• การผลิตเครื่องจักร: เครื่องมือกล เกียร์ แบริ่ง เพลา ก้านสูบ ตัวยึด สปริง

• ชีวิตประจำวัน: โครงเครื่องใช้ เครื่องครัว (สแตนเลส) ฮาร์ดแวร์เฟอร์นิเจอร์ เครื่องมือทางการแพทย์/การปลูกถ่าย

• เครื่องมือและแม่พิมพ์: เครื่องมือตัด เกจ แม่พิมพ์

วี. ข้อดีด้านประสิทธิภาพหลัก

ความโดดเด่นที่ยั่งยืนของ Steel เกิดจากการผสมผสานคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์:

• มีความแข็งแรงสูง: รับน้ำหนักได้มาก; ช่วยให้โครงสร้างแข็งแรง

• ความเป็นพลาสติกและความเหนียวที่ดี: ขึ้นรูปเป็นรูปทรงที่ซับซ้อน ทนทานต่อแรงกระแทก

• สามารถใช้การได้ดีเยี่ยม: หล่อ ปลอมแปลง รีด เชื่อม กลึงได้อย่างง่ายดาย

• ความทนทานและอายุยืน: ยืดอายุการใช้งานด้วยการใช้งาน/การบำรุงรักษาที่เหมาะสม

• เกรดที่หลากหลายและคุณสมบัติที่ปรับแต่งได้: การปรับองค์ประกอบและกระบวนการทำให้ได้ช่วงประสิทธิภาพที่หลากหลาย

• การผลิตที่ครบกำหนดและการประหยัดจากขนาด: ก่อตั้งเทคโนโลยี คุ้มทุน มีอุปทานมากมาย

• ความสามารถในการรีไซเคิล: แยกออกจากกันได้อย่างง่ายดายด้วยแม่เหล็ก รีไซเคิลได้ไม่จำกัด 100% ซึ่งเป็นวัสดุที่ยั่งยืน

เหล็กกลายเป็นวัสดุพื้นฐานที่สำคัญที่สนับสนุนสังคมอุตสาหกรรมยุคใหม่ เนื่องจากมีสมรรถนะที่ครอบคลุมเป็นเลิศและปรับเปลี่ยนได้กว้าง ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพองค์ประกอบอย่างต่อเนื่องและนวัตกรรมกระบวนการ เหล็กยังคงตอบสนองความต้องการทางวิศวกรรมใหม่ๆ และมีข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านความยั่งยืน