บทบาทของธาตุต่างๆ ในการผลิตชิ้นงานหล่อ และลำดับของการเติมธาตุ

ในกระบวนการผลิตชิ้นงานหล่อ เพื่อปรับองค์ประกอบทางเคมีให้อยู่ในช่วงที่กำหนด เราจำเป็นต้องเติมธาตุโลหะผสม ปริมาณของแต่ละธาตุที่เติมลงในชิ้นงานหล่อ เวลาที่เติม และลำดับของการเติม จะส่งผลต่อคุณภาพของชิ้นงานหล่อ เราจึงพยายามวิเคราะห์ธาตุที่ใช้บ่อย ๆ หลายชนิด:

I. บทบาทของแต่ละธาตุและหลักการในการเติม

(1) คาร์บอน (C)

ฟังก์ชัน:

การเสริมความแข็งแรงของโครงสร้างเนื้อโลหะ: คาร์บอนเป็นธาตุหลักที่ทำหน้าที่เสริมความแข็งแรงโดยการละลายในโครงสร้างเนื้อโลหะของเหล็ก และรวมตัวกับเหล็กเป็นเซเมนไตต์ (Fe₃C) เพื่อเพิ่มความแข็งและความแข็งแรง

การควบคุมการแข็งตัว: หากมีคาร์บอนในปริมาณสูง จะลดความสามารถในการไหลของเหล็กหลอมเหลว และเพิ่มแนวโน้มการหดตัว

หลักการเพิ่มปริมาณ: เนื้อหาต้องปรับให้สอดคล้องกับสมรรถนะเป้าหมาย (โดยทั่วไปควบคุมที่ร้อยละ 0.15 ถึง 0.3 ในเหล็กกล้าโลหะผสมต่ำ)

ความเสี่ยงเกินระดับที่ปลอดภัย: เมื่อปริมาณคาร์บอน (C) สูงกว่าร้อยละ 0.5 ความเหนียวจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และความสามารถในการเชื่อมจะแย่ลง

(2) ซิลิคอน (Si)

ฟังก์ชัน:

สารกำจัดออกซิเจน: ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเป็นลำดับแรกเพื่อสร้าง SiO₂ เพื่อทำให้เหล็กหลอมบริสุทธิ์

การเสริมแรงจากการละลายในสารละลายแข็ง: ละลายในเฟอร์ไรต์เพื่อเพิ่มความแข็งแรง (ความแข็งแรงดึงเพิ่มขึ้นประมาณ 4 เมกะปาสคาล ต่อการเพิ่มซิลิคอน 0.1 เปอร์เซ็นต์)

หลักการเพิ่มปริมาณ: เพิ่มในช่วงปลายของการถลุง (ช่วงการลด) เพื่อหลีกเลี่ยงการสูญเสียจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน (เช่น ใช้ธาตุผสมเฟอร์โรซิลิคอน)

ความเสี่ยงจากปริมาณเกิน: ควบคุมปริมาณไว้ที่ร้อยละ 0.2 ถึง 0.5 ซึ่งหากสูงเกินไปจะลดความเหนียว

(3) แมงกานีส (Mn)

ฟังก์ชัน:

การกำจัดออกซิเจนและการกำจัดกำมะถัน: ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อสร้าง MnO (การกำจัดออกซิเจน) และทำปฏิกิริยากับกำมะถันเพื่อสร้าง MnS (การกำจัดกำมะถัน)

ปรับปรุงความสามารถในการเปลี่ยนโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์: ชะลอการเปลี่ยนแปลงของเพอร์ไลต์ และเพิ่มความสามารถในการเปลี่ยนโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์

หลักการเติม: เติมเป็นชุดในช่วงออกซิเดชัน (การกำจัดออกซิเจน + การกำจัดกำมะถัน) และเติมในช่วงรีดักชัน (หากถูกเผาไหม้)

ความเสี่ยงจากปริมาณเกิน: ควบคุมปริมาณไว้ที่ 0.8% ถึง 1.5% หากสูงเกินไปจะทำให้เกิดความเปราะหลังการอบอ่อนได้ง่าย

(4) ฟอสฟอรัส (P)

ฟังก์ชัน:

ธาตุที่เป็นอันตราย: ละลายอยู่ในเฟอร์ไรต์ ลดความเหนียวและความทนทานต่อแรงกระแทก (แนวโน้มเปราะที่อุณหภูมิต่ำ)

การเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็ง: ฟอสฟอรัสในปริมาณเล็กน้อยสามารถเพิ่มความแข็งแรงได้ แต่ต้องควบคุมปริมาณอย่างเข้มงวด ไม่แนะนำให้เติมในระหว่างการผลิตในเตาหลอมความถี่ปานกลาง

หลักการควบคุม: พยายามเลือกวัตถุดิบที่มีฟอสฟอรัสต่ำ (เช่น เศษเหล็ก) และหลีกเลี่ยงการเติมเพิ่มเติมระหว่างการหลอม

ความเสี่ยงจากปริมาณเกิน: ปริมาณต้องน้อยกว่า 0.035% (สำหรับเหล็กคุณภาพสูงต้องน้อยกว่า 0.025%)

(5) กำมะถัน (S)

ฟังก์ชัน:

ธาตุที่เป็นอันตราย: ทำปฏิกิริยากับเหล็กเกิดเป็น FeS ซึ่งก่อให้เกิดความเปราะขณะร้อน (การแตกร้าวขณะขึ้นรูปที่อุณหภูมิสูง)

การควบคุมการเกิดสารรวม: ต้องใช้ร่วมกับแมงกานีส (Mn) เพื่อสร้างแมงกานีสซัลไฟด์ (MnS) (ลดอันตรายที่เกิดขึ้น)

หลักการควบคุม: การกำจัดกำมะถันโดยการเติมแมงกานีส (Mn) (แนะนำอัตราส่วน Mn:S อยู่ที่ 2:1 ถึง 3:1)

ความเสี่ยงจากการเติมมากเกินไป: ปริมาณต้องน้อยกว่า 0.035% (เหล็กพิเศษต้องน้อยกว่า 0.02%)

(6) โครเมียม (Cr)

ฟังก์ชัน:

เพิ่มความสามารถในการทำให้แข็งตัว: ชะลอการสลายตัวของออสเทนไนต์ และเพิ่มความแข็งของมาร์เทนไซต์

ความต้านทานการกัดกร่อน: สร้างฟิล์มออกไซด์ Cr₂O₃ ที่แน่นหนา (เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม)

ทำให้เกรนละเอียดขึ้น: ยับยั้งการเติบโตของเกรนออสเทนไนต์

หลักการเติม: ควรเติมในช่วงเวลาหลอมละลาย (เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูง จึงต้องการอุณหภูมิสูงในการละลาย) โดยทั่วไปมีปริมาณอยู่ระหว่าง 0.5% ถึง 2.0% (ปรับตามความต้องการด้านความต้านทานการกัดกร่อนหรือความต้านทานการสึกหรอ) ความต้านทานการสึกหรอ)

(7) โมลิบดีนัม (Mo)

ฟังก์ชัน:

ปรับโครงสร้างเม็ดเกรนให้ละเอียดขึ้น: ยับยั้งการขยายตัวของเกรนออสเทนไนท์และเพิ่มความเหนียว

เสถียรภาพที่อุณหภูมิสูง: เพิ่มความแข็งที่อุณหภูมิสูง (red hardness) และความต้านทานการไหลแบบช้า (creep resistance)

การเสริมแรงด้วยการละลายแข็ง (solid solution strengthening): เพิ่มความแข็งแรงของแมทริกซ์

หลักการเติมธาตุ: เติมในช่วงเวลาที่เหลว (คล้ายกับโครเมียม) เพื่อหลีกเลี่ยงการระเหยที่อุณหภูมิสูง ปริมาณที่ใช้มักอยู่ระหว่าง 0.1% ถึง 0.3% (สำหรับเหล็กที่มีโมลิบดีนัมสูงอาจใช้ในปริมาณที่สูงกว่านี้)

ⅱ. ปฏิสัมพันธ์ระหว่างธาตุต่างๆ

(1) ผลร่วมกันของคาร์บอนกับซิลิคอน/แมงกานีส

สมดุลของการกำจัดออกซิเจน: ซิลิคอนทำหน้าที่กำจัดออกซิเจนเป็นลำดับแรก ส่วนแมงกานีสช่วยในการกำจัดกำมะถัน แต่หากมีซิลิคอนมากเกินไปจะยับยั้งประสิทธิภาพการกำจัดกำมะถันของแมงกานีส

ผลต่อการเปลี่ยนแปลงเฟส: เมื่อมีคาร์บอนสูง แมงกานีสอาจชะลอการเปลี่ยนแปลงเฟสจากออสเทนไนท์เป็นเพอร์ไลต์ ส่งผลให้มีออสเทนไนท์คงค้างเพิ่มขึ้น

(2) ผลเสริมกันของโครเมียมกับโมลิบดีนัม

การเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งแบบซ้อนทับ: โครเมียมและโมลิบดีนัมร่วมกันเพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง จึงเหมาะสำหรับเหล็กความแข็งแรงสูง (เช่น HSLA)

การเสริมฤทธิ์กันด้านความต้านทานการกัดกร่อน: โครเมียม (Cr) ช่วยสร้างฟิล์มผ่านการแปรสภาพผิว (passivation film) ในขณะที่โมลิบดีนัม (Mo) เพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบจุด (pitting resistance) (เช่น การรวมกันของ Cr-Mo ในเหล็กกล้าไร้สนิม)

(3) ผลร่วมที่เป็นอันตรายจากฟอสฟอรัส (P) และกำมะถัน (S)

ความเปราะที่อุณหภูมิต่ำ: ฟอสฟอรัส (P) ทำให้เกิดความเปราะที่อุณหภูมิต่ำรุนแรงขึ้น ส่วนกำมะถัน (S) ก่อให้เกิดความเปราะที่อุณหภูมิสูง จำเป็นต้องลดความเสี่ยงนี้ผ่านการควบคุมแมงกานีส (Mn) และกระบวนการผลิต

ⅲ. ความสามารถในการปรับตัวของกระบวนการหลอมในเตาความถี่กลาง

(1) การปรับปรุงลำดับการเติมสาร

ช่วงหลอม: เติมธาตุที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น โครเมียม (Cr) และโมลิบดีนัม (Mo) เพื่อให้มั่นใจว่าจะละลายอย่างสมบูรณ์

ช่วงออกซิเดชัน: เติมแมงกานีส (Mn) เป็นรอบๆ (เพื่อทำหน้าที่ลดออกซิเจนและกำจัดกำมะถัน) สำหรับผลิตภัณฑ์ที่มีข้อกำหนดสูง อาจใช้เทคโนโลยีการเป่าออกซิเจน แต่ต้องควบคุมปริมาณการเป่าออกซิเจนอย่างเคร่งครัดเพื่อหลีกเลี่ยง การออกซิเดชันมากเกินไป

ช่วงรีดักชัน: เติมซิลิคอน (Si) (เพื่อทำหน้าที่ลดออกซิเจนครั้งสุดท้าย) และเติมแมงกานีส (Mn) เพิ่มเติม (หากถูกเผาไหม้ไปแล้ว)