ก่อนที่จะเรียนรู้เรื่องวัตถุที่ใช้ผลิตท่ออุปกรณ์ท่อ ขอให้ทำความเข้าใจเกี่ยวกับที่มาและรายละเอียดของเหล็กชนิดต่างๆ ดังต่อไปนี้
1.แร่เหล็ก (Iron Ore)
แร่เหล็กเกิดขึ้นตามธรรมชาติ โดยทั่วไปจะไม่พบแร่เหล็กบริสุทธิ์ในธรรมชาติ แต่จะพบในรูปของสารประกอบ เช่น อยู่ในรูปของออกไซด์ ได้แก่ แร่ฮีมาไทต์ (Hematite) มีสูตรทางเคมีว่า Fe2 O3 และแร่แมกนีไทต์ (Magnetite) มีสูตรทางเคมีว่า Fe3O4 แร่เหล่านี้จะถูกใช้เป็นวัตถุดิบในการถลุงเป็นโลหะเหล็กต่อไป
2.โลหะเหล็ก (Cast Iron)
โลหะเหล็กได้จากการถลุงแร่เหล็กด้วยกระบวนการดังต่อไปนี้
- การถลุงแร่เหล็กด้วยเตาพ่นลม (blast furnace) โลหะเหล็กที่ได้จากกระบวนการนี้เรียกว่า เหล็กถลุง หรือเหล็กดิบ (pig iron)
- โดยวิธีลดออกซิเจนโดยตรง (direct reduction process) โลหะเหล็กที่ได้จากกระบวนการนี้เรียกว่า เหล็กพรุน (sponge iron)
3.เหล็กหล่อ
เหล็กหล่อเป็นท่อเหล็กที่มีส่วนผสมของคาร์บอนในเนื้อเหล็กเกินกว่า 2.0 % โดยน้ำหนักเมื่อนำไปเปรียบเทียบกับเหล็กกล้า (Steel) เหล็กหล่อจะมีข้อด้อยกว่าเหล็กกล้าในแง่ของความแข็งแรง,ความเหนียว และความยืดหยุ่น แต่จะมีข้อได้เปรียบในงานหล่อ กล่าวคือ ในสภาวะหลอมละลาย น้ำเหล็กของเหล็กหล่อจะไหลเข้าแบบหล่อได้ดีกว่าน้ำเหล็กของเหล็กกล้า ทำให้เหล็กหล่อสามารถที่จะถูกหล่อเป็นชิ้นงานที่รูปร่างซับซ้อนได้ดี
เหล็กหล่อที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมมีดังนี้
- เหล็กหล่อขาว (White Cast Iron) มีคาร์บอนอยู่ในเนื้อเหล็กในรูปของคาร์ไบด์ทำให้มีเม็ดเกรนสีน้ำเงิน คาร์ไบด์นี้เองที่ส่งผลให้เหล็กมีความแข็ง, เปราะ และปาดผิวยากมาก ผิวของเหล็กหล่อขาวทนต่อการเสียดสีและต้านทานการสึกหรอได้ดี
- เหล็กหล่อเทา (Gray Cast Iron) มีคาร์บอนอยู่ในเนื้อเหล็กในรูปของแกรไฟต์ ทำให้มีเม็ดเกรนสีเทา มีความแข็งน้อยกว่าเหล็กหล่อขาว กลึงปากได้ง่าย
- เหล็กหล่อ (Ductile Cast Iron) มีคาร์บอนอยู่ในเนื้อในรูปของแกรไฟต์ก้อนกลม บางครั้งจึงถูกเรียกว่า เหล็กหล่อแกรไฟต์ก้อนกลม มีคุณสมบัติคล้ายเหล็กหล่อเทา แต่จะมีคุณสมบัติทางกลที่ดีกว่า
- เหล็กหล่ออบเหนียว (Malleable Cast Iron) ได้จากการนำเอาเหล็กหล่อขาวมาผ่านขบวนการทางความร้อน (Heat Treatment) เพื่อเปลี่ยนคาร์บอนที่อยู่ในรูปของคาร์บอนไบด์ให้กลาเป็นแบบแกรไฟต์ ทำให้เหล็กหล่ออบเหนียวมีความอ่อนตัว เพราะไม่มีคาร์บอนที่อยู่ในรูปของคาร์บอนไบด์อีกต่อไป
4.เหล็กกล้า (Steel)
เหล็กกล้าคาร์บอนเป็นเหล็กที่มีคาร์บอนในเนื้ออยู่ไม่เกิน 2.0% โดยน้ำหนักการที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำจะช่วยให้ความสามารถในการขึ้นรูป (Forming ability) ดีขึ้น จึงสามารถนำไปใช้ในการทำผลิตภัณฑ์ที่มีรูปร่างหลากหลาย มีความแข็งแรง ความเหนียว และความยืดหยุ่นสูง ทนต่อแรงกระแทกได้ดี
นำไปปาดผิวหน้าเครื่องจักรได้ดี เหล็กกล้าจึงเป็นเหล็กที่ใช้มากที่สุด
เหล็กกล้าที่สำคัญในงานอุตสาหกรรมมีดังนี้
เหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steel) มีคุณสมบัติเด่นคือ สามารถชุบเพิ่มความแข็ง (hardness)หรือเปลี่ยนคุณสมบัติทางกายภาพอื่นๆ ได้ เหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำจะเพิ่มหรือลดความแข็งได้ไม่ดีเท่ากับเหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอนสูง เหล็กกล้าคาร์บอนแบ่งออกตามปริมาณคาร์บอนในเนื้อเหล็กได้ 3 ชนิด คือ
- เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ (Low carbon steel) มีคาร์บอนผสมอยู่ในเนื้อเหล็กไม่เกิน 0.25%
- เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (medium carbon steel) มีคาร์บอนผสมในเนื้อเหล็กระหว่าง 0.25 – 0.50%
- เหล็กกล้าคาร์บอนสูง (high carbon steel) มีคาร์บอนผสมในเนื้อเหล็ก 0.50% ขึ้นไป
เหล็กกล้าที่มีคุณสมบัติเป็นไปตามข้อกำหนดครบทั้งสองประการต่อไปนี้ ถือว่าเป็นเหล็กกล้าคาร์บอน
- จะต้องไม่มีการกำหนดปริมาณต่ำสุดของอะลูมินัม (Aluminum) โบรอน (Boron) โครเมียม(Chromium) โคบอลด์ (Cobalt) โคลัมบียม (Columbium) หรือไนโอเบียม (Niobium) โมลิบดินัม (Molybdenum) นิกเกิล (Nickel) ไททาเนียม (Titanium) ทังสเตน (Tungsten) วานาเดียม (Vanadium) หรือไซโครเนียม (Zirconium)
- ปริมาณของธาตุทั้ง 3 ธาตุต่อไปนี้ จะต้องไม่เกินค่าที่กำหนดไว้
แมงกานีส (manganese) ไม่เกิน 1.65 %
ซิลิกอน (Silicon) ไม่เกิน 0.60%
ทองแดง (Copper) ไม่เกิน 0.60%
ถ้าเหล็กกล้าใดมีคุณสมบัติผิดไปจากข้อกำหนดที่กล่าวข้างต้นแม้เพียงประเด็นเดียวถือว่าเหล็กกล้านั้นเป็นเหล็กกล้าผสม
เหล็กกล้าผสม (Alloy Steel) บ้างก็ถูกเรียกว่าเหล็กกล้าประสมหรือเหล็กกล้าเจือ เป็นเหล็กกล้าที่การผสมธาตุอื่นนอกเหนือจากคาร์บอน เพื่อเพิ่มคุณสมบัติของเหล็กทั้งในเชิงกายภาพและทางเคมี ให้มีคุณสมบัติแตกต่างกันไปจากเหล็กกล้าคาร์บอน เช่น คงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ทนต่อการเสียดสี หรือทนต่อการกัดกร่อน เหล็กกล้าผสมแบ่งตามปริมาณธาตุที่ผสมในเนื้อเหล็กได้ 2 ชนิดคือ
- เหล็กกล้าผสมต่ำ (Low alloy steel) มีธาตุอื่นผสมอยู่ไม่เกิน 10%
- เหล็กล้าผสมสูง (High alloy steel) มีธาตุอื่นผสมอยู่ไม่เกิน 10%
5.เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel)
ถึงแม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมจะถือว่าเป็นเหล็กกล้าผสมชนิดหนึ่ง แต่ด้วยความสำคัญตลอดจนถึงบทบาทมากในการใช้งาน ด้งนั้นจึงขอแยกหัวข้อของเหล็กกล้าไร้สนิมของมาจากหัวข้อเหล็กกล้าผสม
เหล็กกล้าไร้สนิม หมายถึงเหล็กกล้าผสมโครเมียมอย่างน้อย 10.5%~ ทำให้มีคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อน โดยเหล็กกล้าไร้สนิมจะสร้างฟิล์มของโครเมียมออกไซด์ที่บางและแน่นที่ผิวเหล็กกล้า ซึ่งจะปกป้องเหล็กกล้าจากบรรยายกาศภายนอก เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถแบ่งตามลักษณะโครงสร้างจุลภาคได้เป็น 5 กลุ่มใหญ่ๆ ดังนี้