วิกิพีเดีย

เหล็กหล่อ

กลุ่มโลหะผสมเหล็ก-คาร์บอน
สำหรับcookware ดูที่ Cast-iron cookware

เหล็กหล่อ (iron-carbon alloy) จัดเป็นเหล็กผสมจากเหล็ก-คาร์บอน ที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 2% และปริมาณซิลิคอนประมาณ 1–3%[1] จุดเด่นของเหล็กหล่อคือมีจุดหลอมเหลวต่ำกว่าเหล็กกล้า สัดส่วนของธาตุผสมส่งผลต่อรูปแบบของคาร์บอนที่ปรากฏ: เหล็กหล่อขาว (white cast iron) มีคาร์บอนรวมตัวกันเป็นเหล็กคาร์ไบด์ (iron carbide) ชื่อ ซีเมนต์ไทต์ (cementite) ซึ่งมีความแข็งมาก แต่เปราะ เพราะรอยร้าวสามารถผ่านทะลุได้ง่าย; เหล็กหล่อเทา (gray cast iron) มีกราไฟต์เป็นแผ่น ซึ่งเบี่ยงเบนรอยร้าวที่เกิดขึ้นและทำให้เกิดรอยร้าวใหม่มากมายในขณะที่วัสดุแตกหัก และ เหล็กหล่อเหนียว (ductile cast iron) มีกราไฟต์เป็นทรงกลม “ปุ่ม” (nodules) ซึ่งช่วยหยุดการแพร่กระจายของรอยร้าว

(ซ้าย)ตะแกรงตกแต่งเหล็กหล่อทาสี และ(ขวา)กระทะปรุงอาหารเหล็กหล่อ

คาร์บอน (C) อยู่ระหว่าง 1.8 ถึง 4 ตามน้ำหนัก (wt%) และซิลิคอน (Si) 1–3 ตามน้ำหนัก เป็นธาตุผสมหลักของเหล็กหล่อ โลหะผสมเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่าจัดเป็นเหล็กกล้า

เหล็กหล่อโดยทั่วไปมีแนวโน้มที่จะ เปราะ ยกเว้นเหล็กหล่อเหนียว ด้วยจุดหลอมเหลวที่ค่อนข้างต่ำ ความลื่นไหลที่ดี, เหมาะสำหรับการขึ้นรูป, กลึงได้ง่าย, ทนทานต่อการเสียรูปและการสึกหรอ คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้เหล็กหล่อเป็นวัสดุทางวิศวกรรมที่มีการใช้งานกว้างขวาง เช่น ท่อ เครื่องจักร ชิ้นส่วนยานยนต์ เช่น ฝาสูบ เสื้อสูบ และกล่องเกียร์ เหล็กหล่อบางชนิดทนทานต่อการออกซิเดชัน (oxidation) แต่โดยทั่วไป ยากต่อการเชื่อม

วัตถุเหล็กหล่อที่เก่าแก่ที่สุดเท่าที่ค้นพบโดยนักโบราณคดี มีอายุย้อนกลับไปถึงศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช (พ.ศ. 1000 - 1093) ในพื้นที่ที่ปัจจุบันคือ มณฑลเจียงซู ประเทศจีน เหล็กหล่อถูกนำไปใช้ในสมัยจีนโบราณ เพื่อการสงคราม เกษตรกรรม และสถาปัตยกรรม[2] ในช่วงคริสต์ศตวรรษที่ 15 (พ.ศ. 2043 - 2143) เหล็กหล่อเริ่มถูกนำไปใช้ผลิตปืนใหญ่ในดินแดนเบอร์กันดี ประเทศฝรั่งเศส และในอังกฤษช่วงยุคการปฏิรูปศาสนา เนื่องจากปริมาณการผลิตปืนใหญ่ที่มากขึ้น ส่งผลให้มีความต้องการเหล็กหล่อในปริมาณมากเช่นกัน[3] สะพานเหล็กหล่อแห่งแรกสร้างขึ้นในช่วงทศวรรษปี 1770 โดยอับราฮัม ดาร์บี ที่ 3 และเป็นที่รู้จักในชื่อ สะพานเหล็ก ใน เมืองชร็อปเชียร์ ประเทศอังกฤษ เหล็กหล่อยังถูกนำมาใช้ในการก่อสร้างอาคารอีกด้วย

การผลิต

แก้

เหล็กหล่อผลิตจาก เหล็กดิบ (pig iron) ซึ่งได้จากการหลอมแร่เหล็กใน เตาถลุงเหล็ก เหล็กหล่อสามารถผลิตได้โดยตรงจากเหล็กดิบหลอมเหลวหรือโดยการนำเหล็กดิบมาหลอมใหม่[4] โดยมักผสมกับเหล็ก เหล็กกล้า หินปูน (limestone) ถ่านโค้ก (coke) ในปริมาณมาก และดำเนินการหลายขั้นตอนเพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนที่ไม่ต้องการ ฟอสฟอรัสและกำมะถัน อาจถูกเผาไหม้หมดไปจากเหล็กหลอมเหลว แต่กระบวนการนี้ยังเผาไหม้คาร์บอนออกไปด้วย ซึ่งจำเป็นต้องเติมกลับคืนมา ปริมาณคาร์บอนและซิลิคอนจะถูกปรับแต่งตามการใช้งานที่ต้องการ ซึ่งอาจอยู่ระหว่าง 2–3.5% และ 1–3% ตามลำดับ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการใช้งาน นอกจากนี้ ยังอาจเพิ่มองค์ประกอบอื่น ๆ ระหว่างการหลอมตามต้องการก่อนที่จะขึ้นรูปผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย[ต้องการอ้างอิง]

บางครั้งมีการหลอมเหล็กหล่อในเตาถลุงเหล็กชนิดพิเศษที่เรียกว่าเตาคูโปลา (cupola) แต่ในปัจจุบันนิยมหลอมเหล็กหล่อด้วยเตาเหนี่ยวนำไฟฟ้า หรือเตาอาร์กไฟฟ้ามากกว่า[5] หลังจากหลอมเสร็จ เหล็กหล่อหลอมเหลวจะถูกเทลงในเตาพักหรือทัพพี[ต้องการอ้างอิง]

ประเภท

แก้

องค์ประกอบการผสม

แก้
 
แผนภาพเมตาเสถียร ของเหล็ก-ซีเมนต์

คุณสมบัติของเหล็กหล่อสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยการเติมธาตุผสม หรือ สารเพิ่มประสิทธิภาพ ต่างๆ นอกเหนือจากคาร์บอน ซิลิคอนเป็นธาตุผสมที่สำคัญที่สุด เนื่องจากมีผลต่อการขับไล่คาร์บอนออกจากสารละลาย ปริมาณซิลิคอนต่ำจะทำให้คาร์บอนคงอยู่ในสารละลาย เกิดเป็นเหล็กคาร์ไบด์ (iron carbide) ส่งผลให้ได้เหล็กหล่อขาว (white cast iron) ปริมาณซิลิคอนสูงจะขับไล่คาร์บอนออกจากสารละลาย เกิดเป็นกราไฟต์ (graphite) ส่งผลให้ได้เหล็กหล่อเทา (gray cast iron) ธาตุผสมอื่นๆ เช่น แมงกานีส โครเมียม โมลิบดีนัม ไทเทเนียม และ วาเนเดียม จะส่งผลต่อซิลิคอน ส่งเสริมการคงอยู่ของคาร์บอนและการก่อตัวของเหล็กคาร์ไบด์ นิกเกิลและทองแดงช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความสามารถในการกลึง แต่ไม่ส่งผลต่อปริมาณกราไฟต์ที่เกิดขึ้น คาร์บอนในรูปของกราไฟต์ทำให้เหล็กมีความนุ่ม ลดการหดตัว ลดความแข็งแรง และลดความหนาแน่น กำมะถัน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสิ่งปนเปื้อน จะทำปฏิกิริยากับเหล็กกลายเป็นเหล็กซัลไฟด์ (iron sulfide) ซึ่งยับยั้งการก่อตัวของกราไฟต์ ส่งผลให้มีความแข็งเพิ่มขึ้น กำมะถันทำให้เหล็กหลอมเหลวหนืด ส่งผลต่อการเกิดตำหนิ เพื่อลดผลกระทบของกำมะถัน จะมีการเติมแมงกานีส เนื่องจากทั้งสองธาตุจะรวมตัวกันเป็นแมงกานีสซัลไฟด์ (manganese sulfide) แทนที่จะเป็นเหล็กซัลไฟด์ แมงกานีสซัลไฟด์มีน้ำหนักเบากว่าเนื้อหลอม จึงมักลอยขึ้นมาบนผิวและกลายเป็นตะกรัน (slag) ปริมาณแมงกานีสที่จำเป็นในการยับยั้งกำมะถันคำนวณได้จากสูตร 1.7 × ปริมาณกำมะถัน + 0.3% หากเติมแมงกานีสเกินกว่าปริมาณที่คำนวณได้ จะเกิดแมงกานีสคาร์ไบด์ (manganese carbide) ส่งผลต่อการเพิ่มความแข็งและการแข็งตัว ยกเว้นในกรณีของเหล็กหล่อเทาที่แมงกานีสไม่เกิน 1% จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงและความหนาแน่น

นิกเกิลเป็นหนึ่งในธาตุผสมที่นิยมใช้มากที่สุด เนื่องจากช่วยปรับโครงสร้างเพอร์ไลต์ (pearlite) และกราไฟต์ให้ละเอียดขึ้น เพิ่มความเหนียว และลดความต่างของความแข็งระหว่างชิ้นงานที่มีความหนาต่างกัน โครเมียมเติมในปริมาณน้อยเพื่อลดปริมาณกราไฟต์อิสระ เพิ่มความแข็งผิว (chill) เนื่องจากเป็นตัวช่วยสำคัญในการคงตัวของคาร์ไบด์ นิยมเติมนิกเกิลร่วมกับโครเมียมด้วย สามารถเติมดีบุก จำนวนเล็กน้อยแทนโครเมียม 0.5% ทองแดง จะถูกเติมลงในทัพพีหรือในเตาเผาประมาณ 0.5–2.5% เพื่อลดความแข็งตัวของพื้นผิว ปรับโครงสร้างกราไฟต์ให้ละเอียดขึ้น และเพิ่มความไหลลื่น โมลิบดีนัม เติมในปริมาณ 0.3–1% เพื่อเพิ่มความแข็งผิว ปรับโครงสร้างกราไฟต์และเพอร์ไลต์ให้ละเอียดขึ้น นิยมเติมร่วมกับนิกเกิล ทองแดง และโครเมียมเพื่อผลิตเหล็กหล่อที่มีความแข็งแรงสูง ไทเทเนียม เติมเพื่อกำจัดก๊าซและออกซิเจน แต่ยังช่วยเพิ่มความไหลลื่น วานาเดียม ที่ 0.15–0.5% เติมเพื่อเพิ่มความคงตัวของซีเมนต์ไทต์ (cementite) เพิ่มความแข็ง และเพิ่มความต้านทานการสึกหรอและความร้อน เซอร์โคเนียม ที่ 0.1–0.3% ช่วยในการสร้างกราไฟต์ กำจัดออกซิเจน และเพิ่มความไหลลื่น

สำหรับเหล็กหล่อเหนียว (Malleable iron melts) สามารถเติมบิสมัท (Bismuth) 0.002–0.01% ในเนื้อหลอมเพื่อเพิ่มปริมาณซิลิคอนที่สามารถผสมได้ ในเหล็กหล่อขาว เติมโบรอน (Boron) เพื่อช่วยการผลิตเหล็กหล่อเหนียว และลดผลกระทบของบิสมัทที่ทำให้เนื้อเหล็กหล่อมีเกรนขนาดใหญ่ขึ้น

เหล็กหล่อสีเทา

แก้
 
ขาตั้งเตาไฟคู่หนึ่ง และ แผ่นเหล็กหลังเตา ของอังกฤษ, พ.ศ. 2119. เป็นการใช้งานเหล็กหล่อในยุคแรกๆ ที่พบเห็นได้ทั่วไป เนื่องจากไม่ต้องการความแข็งแรงของโลหะมากนัก
บทความหลัก: Malleable iron

เหล็กหล่อเทาโดดเด่นด้วยโครงสร้างกราไฟต์ ซึ่งทำให้รอยแตกของวัสดุมีสีเทา เป็นวัสดุที่ใช้กันแพร่หลายที่สุดในบรรดาเหล็กหล่อทั้งหมด และยังเป็นวัสดุหล่อที่มีการใช้งานมากที่สุดเมื่อเทียบกับน้ำหนัก องค์ประกอบทางเคมีหลักประกอบด้วย คาร์บอน 2.5–4.0% ซิลิคอน 1–3% และเหล็กที่เหลือ แม้ว่าเหล็กหล่อสีเทามีความต้านทาน แรงดึง และ แรงกระแทก น้อยกว่าเหล็กกล้า แต่แรงอัดของเหล็กหล่อเทานั้นเทียบเท่ากับเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำถึงปานกลาง คุณสมบัติทางกลเหล่านี้ควบคุมโดยขนาดและรูปร่างของเกล็ดกราไฟต์ในโครงสร้างจุลภาค และสามารถจำแนกประเภทตามมาตรฐาน ASTM[6]

เหล็กหล่อขาว

แก้

เหล็กหล่อสีขาวจะแสดงพื้นผิวที่แตกเป็นสีขาวเนื่องจากมีตะกอนเหล็กคาร์ไบด์ที่เรียกว่าซีเมนไทต์ ด้วยปริมาณซิลิคอนที่ต่ำกว่า (สารทำกราฟิไทซิ่ง) และอัตราการเย็นตัวที่เร็วขึ้น คาร์บอนในเหล็กหล่อสีขาวจึงตกตะกอนจากการหลอมในรูปของ ซีเมนต์ เฟส ที่แพร่กระจายได้ Fe 3 C แทนที่จะเป็นกราไฟท์ ซีเมนไทต์ที่ตกตะกอนจากการหลอมเหลวจะก่อตัวเป็นอนุภาคขนาดค่อนข้างใหญ่ เมื่อเหล็กคาร์ไบด์ตกตะกอน มันจะดึงคาร์บอนออกจากการหลอมดั้งเดิม และเคลื่อนส่วนผสมไปยังส่วนที่ใกล้กับ ยูเทคติกมาก ขึ้น และระยะที่เหลือคือ ออสเทนไนต์ ของเหล็ก-คาร์บอนที่ต่ำกว่า (ซึ่งเมื่อเย็นตัวลงอาจเปลี่ยนเป็น มาร์เทนไซต์ ) ยูเทคติกคาร์ไบด์เหล่านี้มีขนาดใหญ่เกินกว่าจะให้ประโยชน์ของสิ่งที่เรียกว่าการแข็งตัวด้วยการตกตะกอน (เช่นในเหล็กบางชนิด ซึ่งการตกตะกอนของซีเมนต์ที่มีขนาดเล็กกว่ามากอาจยับยั้ง [การเสียรูปพลาสติก] โดยการขัดขวางการเคลื่อนที่ของ การเคลื่อนที่ ผ่านเมทริกซ์เฟอร์ไรต์เหล็กบริสุทธิ์) แต่พวกเขาเพิ่มความแข็งรวมของเหล็กหล่อเพียงโดยอาศัยความแข็งที่สูงมากของตัวเองและเศษส่วนปริมาตรจำนวนมาก เพื่อให้สามารถประมาณความแข็งรวมตามกฎของส่วนผสมได้ ไม่ว่าในกรณีใด พวกมันจะให้ความแข็งแต่แลกกับ ความเหนียว เนื่องจากคาร์ไบด์เป็นส่วนประกอบส่วนใหญ่ของวัสดุ เหล็กหล่อสีขาวจึงสามารถจัดประเภทเป็น เซอร์เมต ได้อย่างสมเหตุสมผล เหล็กสีขาวเปราะเกินไปสำหรับใช้ในส่วนประกอบโครงสร้างหลายชนิด แต่มีความแข็งและทนต่อการเสียดสีที่ดีและมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ จึงพบการใช้งานในการใช้งานเช่นพื้นผิวการสึกหรอ ( ใบพัด และ ก้นหอย ) ของ ปั๊มสารละลาย เปลือก เปลือก และ แถบยก ใน ลูกบอล โรงสี และ โรงบดอัตโนมัติ ลูกกลิ้งและวงแหวนใน เครื่องบดถ่านหิน

 
ภาพตัดขวางของม้วนเหล็กหล่อแช่เย็น

เป็นการยากที่จะหล่อเย็นตัวหล่อที่มีความหนาเร็วพอที่จะทำให้โลหะหลอมแข็งตัวเหมือนเหล็กหล่อสีขาวตลอดทาง อย่างไรก็ตาม การทำความเย็นอย่างรวดเร็วสามารถใช้เพื่อทำให้เปลือกเหล็กหล่อสีขาวแข็งตัวได้ หลังจากนั้นส่วนที่เหลือจะเย็นลงช้ากว่าจนกลายเป็นแกนเหล็กหล่อสีเทา ผลการหล่อที่เรียกว่า การหล่อเย็น มีข้อดีคือมีพื้นผิวแข็งและมีการตกแต่งภายในที่ค่อนข้างแข็งกว่า[ต้องการอ้างอิง]

โลหะผสมเหล็กสีขาวโครเมียมสูงช่วยให้การหล่อขนาดใหญ่ (เช่น ใบพัด 10 ตัน) สามารถหล่อทรายได้ เนื่องจากโครเมียมจะลดอัตราการระบายความร้อนที่จำเป็นในการผลิตคาร์ไบด์ผ่านวัสดุที่มีความหนามากขึ้น โครเมียมยังผลิตคาร์ไบด์ที่มีความทนทานต่อการเสียดสีที่น่าประทับใจ [7] โลหะผสมโครเมียมสูงเหล่านี้มีความแข็งที่เหนือกว่าเนื่องจากมีโครเมียมคาร์ไบด์ รูปแบบหลักของคาร์ไบด์เหล่านี้คือคาร์ไบด์ยูเทคติกหรือคาร์ไบด์ M 7 C 3 หลัก โดยที่ "M" หมายถึงเหล็กหรือโครเมียม และอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของโลหะผสม ยูเทคติกคาร์ไบด์ก่อตัวเป็นมัดของแท่งกลวงหกเหลี่ยมและเติบโตในแนวตั้งฉากกับระนาบฐานหกเหลี่ยม ความแข็งของคาร์ไบด์เหล่านี้อยู่ในช่วง 1500-1800HV [8]

เหล็กหล่ออ่อนได้

แก้
บทความหลัก: Ductile cast iron

เหล็กอ่อนเริ่มต้นจากการหล่อเหล็กสีขาว จากนั้นนำ ไปอบด้วยความร้อน ประมาณ 950 °C (1,740 °F) เป็นเวลาหนึ่งหรือสองวัน จากนั้นจึงเย็นลงภายในหนึ่งหรือสองวัน เป็นผลให้คาร์บอนในเหล็กคาร์ไบด์เปลี่ยนเป็นกราไฟท์และเฟอร์ไรต์บวกกับคาร์บอน กระบวนการที่ช้าช่วยให้ แรงตึงผิว สร้างกราไฟต์เป็นอนุภาคทรงกลมแทนที่จะเป็นสะเก็ด เนื่องจาก อัตราส่วนภาพ ที่ต่ำกว่า ทรงกลมจึงค่อนข้างสั้นและอยู่ห่างจากกัน และมี ส่วนตัดขวาง ที่ต่ำกว่าของรอยแตกหรือ โฟนอน ที่แพร่กระจาย นอกจากนี้ยังมีขอบเขตที่ไร้คม เมื่อเทียบกับสะเก็ด ซึ่งช่วยลดปัญหาความเข้มข้นของความเครียดที่พบในเหล็กหล่อสีเทา โดยทั่วไป คุณสมบัติของเหล็กหล่ออบเหนียวจะเหมือนกับ เหล็กเหนียว มากกว่า มีการจำกัดขนาดชิ้นส่วนที่สามารถหล่อในเหล็กอ่อนได้ เนื่องจากทำจากเหล็กหล่อสีขาว[ต้องการอ้างอิง]

เหล็กหล่อเหนียว

แก้

  เหล็กหล่อกลม หรือ เหล็กหล่อเหนียวได้ รับการพัฒนาในปี 1948 โดยมีกราไฟต์อยู่ในรูปของก้อนเล็กๆ มาก โดยมีกราไฟท์อยู่ในรูปของชั้นที่มีศูนย์กลางร่วมกันจนกลายเป็นก้อน ด้วยเหตุนี้ คุณสมบัติของเหล็กหล่อเหนียวจึงเหมือนกับเหล็กที่เป็นรูพรุนโดยไม่มีผลกระทบจากความเข้มข้นของความเค้นเช่นเดียวกับสะเก็ดกราไฟต์ เปอร์เซ็นต์คาร์บอนที่มีอยู่คือ 3-4% และเปอร์เซ็นต์ของซิลิคอนคือ 1.8-2.8% แมกนีเซียม ในปริมาณเล็กน้อย 0.02 ถึง 0.1% และ ซีเรียม เพียง 0.02 ถึง 0.04% ที่เติมลงในโลหะผสมเหล่านี้ชะลอการเติบโตของตะกอนกราไฟท์โดยการเกาะติดกับขอบของระนาบกราไฟท์ นอกจากการควบคุมองค์ประกอบและเวลาอื่นๆ อย่างระมัดระวังแล้ว ยังช่วยให้คาร์บอนแยกตัวเป็นอนุภาคทรงกลมเมื่อวัสดุแข็งตัว คุณสมบัติคล้ายกับเหล็กอ่อน แต่ชิ้นส่วนสามารถหล่อด้วยส่วนที่ใหญ่กว่าได้[ต้องการอ้างอิง]

ตารางเปรียบเทียบคุณภาพเหล็กหล่อ

แก้
Comparative qualities of cast irons
Name Nominal composition [% by weight] Form and condition Yield strength [ksi (0.2% offset)] Tensile strength [ksi] Elongation [%] Hardness [Brinell scale] Uses
Grey cast iron (ASTM A48) C 3.4, Si 1.8, Mn 0.5 Cast — 50 0.5 260 Engine cylinder blocks, flywheels, gearbox cases, machine-tool bases
White cast iron C 3.4, Si 0.7, Mn 0.6 Cast (as cast) — 25 0 450 Bearing surfaces
Malleable iron (ASTM A47) C 2.5, Si 1.0, Mn 0.55 Cast (annealed) 33 52 12 130 Axle bearings, track wheels, automotive crankshafts
Ductile or nodular iron C 3.4, P 0.1, Mn 0.4, Ni 1.0, Mg 0.06 Cast 53 70 18 170 Gears, camshafts, crankshafts
Ductile or nodular iron (ASTM A339) — Cast (quench tempered) 108 135 5 310 —
Ni-hard type 2 C 2.7, Si 0.6, Mn 0.5, Ni 4.5, Cr 2.0 Sand-cast — 55 — 550 High strength applications
Ni-resist type 2 C 3.0, Si 2.0, Mn 1.0, Ni 20.0, Cr 2.5 Cast — 27 2 140 Resistance to heat and corrosion

ประวัติศาสตร์

แก้
  •  
    สตรีมเหล็ก. เหนือสุดท้ายนี้ที่ Coalbrookdale ผู้กำกับ (สร้างเสร็จใน พ.ศ. 2322)
  •  
    สตรีม Eglinton Tournament(สร้างเสร็จเมื่อค.ศ. 1845),ไอร์เชอร์เหนือ-ที่นั่นอาจจะมาจากที่อื่น
  •  
    ลำธาร Tay ดั้งเดิมจากทางเหนือ (สร้างเสร็จปี 1878)
  •  
    สะพาน Fallen Tay จากทางเหนือ
ไฟล์:Chengqiao artifact no. 35 cast iron.png
สิ่งประดิษฐ์เหล็กหล่อที่มีอายุตั้งแต่ศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช พบในมณฑลเจียงซู ประเทศจีน
 
แบบจำลองไดโอรามาของเครื่องเป่าลมเตา ถลุงราชวงศ์ฮั่น
 
สิงโตเหล็กแห่งคังโจว งานศิลปะเหล็กหล่อที่ใหญ่ที่สุดที่ยังมีชีวิตรอดจาก ประเทศจีน คริสตศักราช 953 สมัย ต่อมาโจว
 
เหล็กหล่อ "ไม่มีฮับ" ระบายของเสียและท่อระบายอากาศ (DWV)
 
"ฮาร์ป" เหล็กหล่อของ แกรนด์เปียโน

เหล็กหล่อและ เหล็กดัด สามารถผลิตได้โดยไม่ได้ตั้งใจเมื่อทำการถลุงทองแดงโดยใช้แร่เหล็กเป็นฟลักซ์ [9] : 47–48 

สิ่งประดิษฐ์เหล็กหล่อที่เก่าแก่ที่สุดมีอายุตั้งแต่ศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช และถูกค้นพบโดยนักโบราณคดีใน เขต Luhe County ที่ทันสมัย มณฑลเจียงซูในประเทศจีนในช่วง ยุคสงครามระหว่างรัฐ ข้อมูลนี้อิงจากการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคของสิ่งประดิษฐ์ [2]

เนื่องจากเหล็กหล่อค่อนข้างเปราะ จึงไม่เหมาะสำหรับวัตถุประสงค์ที่ต้องการคมตัดหรือความยืดหยุ่น มีความแข็งแกร่งภายใต้การบีบอัด แต่ไม่อยู่ภายใต้ความตึงเครียด เหล็กหล่อถูกประดิษฐ์ขึ้นในประเทศจีนเมื่อศตวรรษที่ 5 ก่อนคริสต์ศักราช และเทลงในแม่พิมพ์เพื่อทำคันไถและหม้อ ตลอดจนอาวุธและเจดีย์ [10] แม้ว่าเหล็กจะเป็นที่ต้องการมากกว่า แต่เหล็กหล่อก็มีราคาถูกกว่า จึงนิยมนำไปใช้เป็นเครื่องมือในจีนโบราณมากกว่า ในขณะที่เหล็กดัดหรือเหล็กกล้าก็ถูกนำมาใช้เป็นอาวุธ [2] ชาวจีนพัฒนาวิธี การอบ อ่อนเหล็กหล่อโดยเก็บการหล่อร้อนไว้ในบรรยากาศออกซิไดซ์เป็นเวลาหนึ่งสัปดาห์หรือนานกว่านั้น เพื่อเผาผลาญคาร์บอนบางส่วนที่อยู่ใกล้พื้นผิว เพื่อไม่ให้ชั้นผิวเปราะเกินไป [11] : 43 

ลึกเข้าไปในภูมิภาค คองโก ของป่าอัฟริกากลาง ช่างตีเหล็กได้ประดิษฐ์เตาเผาที่ซับซ้อนซึ่งสามารถให้อุณหภูมิสูงได้เมื่อกว่า 1,000 ปีที่แล้ว มีตัวอย่างการเชื่อม การบัดกรี และเหล็กหล่อจำนวนนับไม่ถ้วนที่สร้างขึ้นในถ้วยใส่ตัวอย่างและเทลงในแม่พิมพ์ เทคนิคเหล่านี้ถูกนำมาใช้ในการใช้เครื่องมือและอาวุธคอมโพสิตที่มีใบมีดเหล็กหล่อหรือเหล็กกล้า และการตกแต่งภายในด้วยเหล็กดัดที่นุ่มนวลและยืดหยุ่น มีการผลิตลวดเหล็กด้วย มิชชันนารีชาวยุโรปยุคแรกแสดงประจักษ์พยานมากมายเกี่ยวกับ ชาวลูบา โดยเทเหล็กหล่อลงในแม่พิมพ์เพื่อทำจอบ นวัตกรรมทางเทคโนโลยีเหล่านี้เกิดขึ้นได้สำเร็จโดยไม่ต้องมีการประดิษฐ์เตาถลุงเหล็กซึ่งเป็นข้อกำหนดเบื้องต้นสำหรับการนำนวัตกรรมดังกล่าวไปใช้ในยุโรปและเอเชีย [12]

เทคโนโลยีเหล็กหล่อถูกถ่ายทอดจากจีนไปทางตะวันตก [13] Al-Qazvini ในศตวรรษที่ 13 และนักเดินทางคนอื่นๆ ในเวลาต่อมาได้สังเกตเห็นอุตสาหกรรมเหล็กในเทือกเขา Alburz ทางตอนใต้ของ ทะเลแคสเปียน ซึ่งใกล้เคียงกับ เส้นทางสายไหม จึงเป็นไปได้ที่จะใช้เทคโนโลยีที่ได้มาจากจีน [13] เมื่อได้รับการแนะนำให้รู้จักกับประเทศตะวันตกในศตวรรษที่ 15 มันถูกใช้เป็น ปืนใหญ่ และ ลูกกระสุน พระเจ้าเฮนรีที่ 8 (ครองราชย์ ค.ศ. 1509–1547) ทรงริเริ่มการหล่อปืนใหญ่ในอังกฤษ ในไม่ช้า คนงานเหล็กของอังกฤษที่ใช้ เตาถลุงเหล็ก ได้พัฒนาเทคนิคการผลิตปืนใหญ่เหล็กหล่อ ซึ่งแม้จะหนักกว่าปืนใหญ่สีบรอนซ์ทั่วไป แต่ก็มีราคาถูกกว่ามาก และทำให้อังกฤษติดอาวุธกองทัพเรือได้ดีขึ้น

หม้อเหล็กหล่อถูกสร้างขึ้นที่เตาถลุงเหล็กของอังกฤษหลายแห่งในสมัยนั้น ในปี 1707 อับราฮัม ดาร์บี้ ได้จดสิทธิบัตรวิธีการใหม่ในการทำหม้อ (และกาน้ำชา) ให้บางลง และด้วยเหตุนี้จึงมีราคาถูกกว่าการทำด้วยวิธีดั้งเดิม ซึ่งหมายความว่าเตาหลอม Coalbrookdale ของเขามีความโดดเด่นในฐานะซัพพลายเออร์หม้อ ซึ่งเป็นกิจกรรมที่พวกเขาเข้าร่วมในช่วงทศวรรษที่ 1720 และ 1730 โดยเตาหลอมที่ใช้ ถ่านโค้ก อื่นๆ จำนวนเล็กน้อย

การใช้เครื่องจักรไอน้ำในการจ่ายพลังงานให้กับเครื่องเป่าลม (ทางอ้อมโดยการสูบน้ำไปยังกังหันน้ำ) ในอังกฤษ เริ่มตั้งแต่ปี ค.ศ. 1743 และเพิ่มขึ้นในคริสต์ทศวรรษ 1750 เป็นปัจจัยสำคัญในการเพิ่มการผลิตเหล็กหล่อ ซึ่งเพิ่มขึ้นในทศวรรษต่อๆ มา นอกเหนือจากการเอาชนะข้อจำกัดด้านพลังงานน้ำแล้ว การระเบิดด้วยพลังน้ำที่สูบด้วยไอน้ำยังทำให้อุณหภูมิเตาเผาสูงขึ้น ซึ่งทำให้สามารถใช้อัตราส่วนปูนขาวที่สูงขึ้น จึงสามารถเปลี่ยนจากถ่าน (วัสดุไม้ที่ไม่เพียงพอ) มาเป็นโค้กได้ [14] : 122 

ช่างเหล็ก แห่ง Weald ยังคงผลิตเหล็กหล่อจนถึงทศวรรษปี 1760 และอาวุธยุทโธปกรณ์เป็นหนึ่งในการใช้เหล็กหลักหลัง การฟื้นฟู

สะพานเหล็กหล่อ

แก้
บทความหลัก: Cast-iron architecture

การใช้เหล็กหล่อเพื่อวัตถุประสงค์ด้านโครงสร้างเริ่มขึ้นในปลายทศวรรษที่ 1770 เมื่อ อับราฮัม ดาร์บีที่ 3 ได้สร้าง สะพานเหล็ก แม้ว่าจะมีการใช้คานสั้นอยู่แล้ว เช่น ในเตาหลอมที่ Coalbrookdale สิ่งประดิษฐ์อื่นๆ ตามมา รวมถึงสิ่งประดิษฐ์ที่ได้รับการจดสิทธิบัตรโดย Thomas Paine สะพานเหล็กหล่อกลายเป็นเรื่องธรรมดาในช่วงที่ การปฏิวัติอุตสาหกรรม ดำเนินไปอย่างรวดเร็ว โทมัส เทลฟอร์ด นำวัสดุสำหรับสะพานต้นน้ำของเขาที่ Buildwas มาใช้ และต่อมาสำหรับ Longdon-on-Tern Aqueduct ซึ่งเป็นท่อ ระบายน้ำรางน้ำ ที่ Longdon-on-Tern บน คลอง Shrewsbury ตามมาด้วย Chirk Aqueduct และ Pontcysyllte Aqueduct ซึ่งทั้งสองแห่งยังคงใช้งานอยู่หลังจากการบูรณะครั้งล่าสุด

วิธีที่ดีที่สุดในการใช้เหล็กหล่อในการก่อสร้างสะพานคือการใช้ ส่วนโค้ง เพื่อให้วัสดุทั้งหมดถูกบีบอัด เหล็กหล่อก็เหมือนกับอิฐก่อ ซึ่งมีแรงอัดสูงมาก เหล็กดัดก็เหมือนกับเหล็กชนิดอื่นๆ ส่วนใหญ่และก็เหมือนกับโลหะส่วนใหญ่โดยทั่วไป ตรงที่มีแรงดึงสูงและยังทนทานต่อการแตกหักอีกด้วย ความสัมพันธ์ระหว่างเหล็กดัดและเหล็กหล่อเพื่อวัตถุประสงค์ด้านโครงสร้างอาจถือได้ว่าคล้ายคลึงกับความสัมพันธ์ระหว่างไม้กับหิน

สะพานคานเหล็กหล่อถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในทางรถไฟในยุคแรกๆ เช่น สะพานวอเทอร์สตรีท ในปี ค.ศ. 1830 ที่ปลายทาง แมนเชสเตอร์ ของ ทางรถไฟลิเวอร์พูลและแมนเชสเตอร์ แต่ปัญหาในการใช้งานกลับปรากฏชัดเจนเกินไปเมื่อมีสะพานใหม่ที่รองรับ เชสเตอร์และโฮลีเฮด ทางรถไฟ ข้าม แม่น้ำดี ใน เมืองเชสเตอร์ ถล่มลงมา ส่งผลให้มีผู้เสียชีวิต 5 รายในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2390 ไม่ถึงหนึ่งปีหลังจากเปิดใช้ ภัยพิบัติสะพานดี เกิดจากการบรรทุกน้ำหนักมากเกินไปที่กึ่งกลางคานโดยรถไฟที่วิ่งผ่าน และสะพานที่คล้ายกันหลายแห่งต้องถูกรื้อถอนและสร้างขึ้นใหม่ ซึ่งมักทำด้วย เหล็กดัด สะพานได้รับการออกแบบอย่างไม่ดี โดยถูกมัดด้วยสายรัดเหล็กดัด ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นการเสริมโครงสร้างอย่างผิดๆ ศูนย์กลางของคานถูกดัดงอ โดยที่ขอบล่างมีแรงดึง ซึ่งเหล็กหล่อก็เหมือนกับ อิฐก่อ อ่อนแอมาก

อย่างไรก็ตาม เหล็กหล่อยังคงถูกนำมาใช้ในลักษณะโครงสร้างที่ไม่เหมาะสม จนกระทั่งภัยพิบัติที่ สะพาน Tay Rail ในปี พ.ศ. 2422 ทำให้เกิดข้อสงสัยอย่างมากเกี่ยวกับการใช้วัสดุ ตัวเชื่อมที่สำคัญสำหรับยึดไทบาร์และสตรัทในสะพาน Tay ได้รับการหล่อเข้ากับเสา และล้มเหลวในช่วงแรกของอุบัติเหตุ นอกจากนี้ ยังได้หล่อรูน๊อตและไม่ได้เจาะอีกด้วย ดังนั้น เนื่องจากมุมร่างของการหล่อ แรงดึงจากไทบาร์จึงถูกวางไว้ที่ขอบของรู แทนที่จะกระจายไปตามความยาวของรู สะพานทดแทนถูกสร้างขึ้นด้วยเหล็กดัดและเหล็กกล้า

อย่างไรก็ตาม สะพานพังทลายลงมาอีก ซึ่งปิดท้ายด้วย อุบัติเหตุทางรถไฟที่นอร์วูดจังก์ชั่น เมื่อปี พ.ศ. 2434 ในที่สุด สะพานใต้ รางเหล็กหล่อหลายพันอันก็ถูกแทนที่ด้วยเหล็กที่เทียบเท่ากันในปี พ.ศ. 2443 เนื่องจากความกังวลอย่างกว้างขวางเกี่ยวกับเหล็กหล่อใต้สะพานบนเครือข่ายรางรถไฟในอังกฤษ

อาคาร

แก้
 
วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ เหล็กหล่อ

เสา เหล็กหล่อ ซึ่งบุกเบิกในอาคารโรงสี ช่วยให้สถาปนิกสามารถสร้างอาคารหลายชั้นได้โดยไม่ต้องใช้กำแพงหนามหาศาลที่จำเป็นสำหรับอาคารก่ออิฐทุกความสูง พวกเขายังเปิดพื้นที่ในโรงงาน และแนวสายตาในโบสถ์และหอประชุมด้วย ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 เสาเหล็กหล่อมีอยู่ทั่วไปในโกดังและอาคารอุตสาหกรรม รวมกับคานเหล็กดัดหรือคานเหล็กหล่อ ในที่สุดก็นำไปสู่การพัฒนาตึกระฟ้าโครงเหล็กในที่สุด บางครั้งมีการใช้เหล็กหล่อในการตกแต่งส่วนหน้าอาคาร โดยเฉพาะในสหรัฐอเมริกา และย่าน โซโห ในนิวยอร์กก็มีตัวอย่างมากมาย นอกจากนี้ยังใช้เป็นครั้งคราวสำหรับอาคารสำเร็จรูปที่สมบูรณ์ เช่น อาคารเหล็ก อันเก่าแก่ใน เมืองวอเตอร์ฟลีต รัฐนิวยอร์ก[ต้องการอ้างอิง]

โรงงานทอผ้า

แก้

การใช้งานที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือใน โรงงานทอผ้า อากาศในโรงสีมีเส้นใยที่ติดไฟได้จากฝ้าย ป่าน หรือ ขนสัตว์ ที่ปั่นอยู่ เป็นผลให้โรงงานสิ่งทอมีแนวโน้มที่จะถูกไฟไหม้อย่างน่าตกใจ วิธีแก้ไขคือสร้างวัสดุที่ไม่ติดไฟทั้งหมด และพบว่าสะดวกในการจัดเตรียมโครงเหล็กซึ่งส่วนใหญ่เป็นเหล็กหล่อแทนไม้ที่ติดไฟได้ อาคารหลังแรกดังกล่าวอยู่ที่ Ditherington ใน Shrewsbury, Shropshire [15] โกดังอื่นๆ อีกหลายแห่งถูกสร้างขึ้นโดยใช้เสาและคานเหล็กหล่อ แม้ว่าการออกแบบที่ผิดพลาด คานที่มีข้อบกพร่อง หรือการบรรทุกเกินพิกัดในบางครั้งอาจทำให้อาคารพังทลายและความล้มเหลวของโครงสร้างได้[ต้องการอ้างอิง]

ในช่วงการปฏิวัติอุตสาหกรรม เหล็กหล่อยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับโครงและชิ้นส่วนคงที่อื่นๆ ของเครื่องจักร รวมถึงเครื่องปั่นด้ายและทอผ้าในโรงงานทอผ้าในภายหลัง เหล็กหล่อเริ่มมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย และหลายเมืองมี โรงหล่อ ที่ผลิตเครื่องจักรอุตสาหกรรมและการเกษตร [16]

ดูสิ่งนี้ด้วย

แก้
 
เตารีดวาฟเฟิลเหล็กหล่อ ตัวอย่างเครื่องครัวเหล็กหล่อ

อ้างอิง

แก้
  1. ↑ Campbell, F.C. (2008). Elements of Metallurgy and Engineering Alloys. Materials Park, Ohio: ASM International. p. 453. ISBN 978-0-87170-867-0.
  2. ↑ 2.0 2.1 2.2 Wagner, Donald B. (1993). Iron and Steel in Ancient China. BRILL. pp. 335–340. ISBN 978-90-04-09632-5.
  3. ↑ Krause, Keith (August 1995). Arms and the State: Patterns of Military Production and Trade. Cambridge University Press. p. 40. ISBN 978-0-521-55866-2.
  4. ↑ Electrical Record and Buyer's Reference (ภาษาอังกฤษ). Buyers' Reference Company. 1917.
  5. ↑ Harry Chandler (1998). Metallurgy for the Non-Metallurgist (illustrated ed.). ASM International. p. 54. ISBN 978-0-87170-652-2. Extract of page 54
  6. ↑ Committee, A04. "Test Method for Evaluating the Microstructure of Graphite in Iron Castings". doi:10.1520/a0247-10.
  7. ↑ Kobernik; Pankratov (11 March 2021). ""Chromium Carbides in Abrasion-Resistant Coatings"". Russian Engineering Research. 40 (12): 1013–1016. doi:10.3103/S1068798X20120084. สืบค้นเมื่อ 29 September 2022.
  8. ↑ Zeytin, Havva (2011). "Effect of Boron and Heat Treatment on Mechanical Properties of White Cast Iron for Mining Application". Journal of Iron and Steel Research, International. 18 (11): 31–39. doi:10.1016/S1006-706X(11)60114-3.
  9. ↑ Tylecote, R. F. (1992). A History of Metallurgy, Second Edition. London: Maney Publishing, for the Institute of Materials. ISBN 978-0901462886.
  10. ↑ Wagner, Donald B. (May 2008). Science and Civilisation in China: Volume 5, Chemistry and Chemical Technology, Part 11, Ferrous Metallurgy. Cambridge University Press. pp. 159–169. ISBN 978-0-521-87566-0.
  11. ↑ Temple, Robert (1986). The Genius of China: 3000 years of science, discovery and invention. New York: Simon and Schuster. Based on the works of Joseph Needham>
  12. ↑ Bocoum, Hamady, บ.ก. (2004), The Origins of Iron Metallurgy in Africa, Paris: UNESCO Publishing, pp. 130–131, ISBN 92-3-103807-9
  13. ↑ 13.0 13.1 Wagner, Donald B. (2008). Science and Civilisation in China: 5. Chemistry and Chemical Technology: part 11 Ferrous Metallurgy. Cambridge University Press, pp. 349–51.
  14. ↑ Tylecote, R. F. (1992). A History of Metallurgy, Second Edition. London: Maney Publishing, for the Institute of Materials. ISBN 978-0901462886.
  15. ↑ "Ditherington Flax Mill: Spinning Mill, Shrewsbury – 1270576". Historic England. สืบค้นเมื่อ 2020-06-29.
  16. ↑ [ต้องการอ้างอิง]

อ่านเพิ่มเติม

แก้
  • Harold T. Angus, เหล็กหล่อ: คุณสมบัติทางกายภาพและทางวิศวกรรม, Butterworths, London (1976) ISBN 0408706880
  • John Gloag และ Derek Bridgwater ประวัติความเป็นมาของเหล็กหล่อในสถาปัตยกรรม Allen และ Unwin ลอนดอน (1948)
  • Peter R Lewis สะพานรถไฟที่สวยงามของ Silvery Tay: การตรวจสอบภัยพิบัติสะพาน Tay ในปี 1879 อีกครั้ง Tempus (2004) ISBN 0-7524-3160-9
  • Peter R Lewis ภัยพิบัติบน Dee: Nemesis ของ Robert Stephenson ในปี 1847, Tempus (2007) ISBN 978-0-7524-4266-2
  • George Laird, Richard Gundlach และ Klaus Röhrig, คู่มือเหล็กหล่อที่ทนต่อการเสียดสี, ASM International (2000) ISBN 0-87433-224-9

แหล่งข้อมูลอื่น

แก้
เข้าถึงจาก "https://th.wikipedia.org/w/index.php?title=เหล็กหล่อ&oldid=11622470"