เหล็กและเหล็กกล้าสามารถทําการผลิตด้วยกรรมวิธีต่างๆ ได้ด้วยการผสมวัสดุอื่นๆ ลงไป และการผ่านกรรมวิธีทางความร้อน (Heat Treatment) เพื่อให้ได้คณสมบัติที่จะนําไปใช้งานตามต้องการ

เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Tool Steel : 440C)
ส่วนประกอบสำคัญ : C = 0.95-1.2%, Cr = 16-18%, Si <1%, Mn <1%, Mo <0.75%, V <0.6%
มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = 440C, DIN = 4125, JIS = SUS440C
เป็นเหล็กกล้าไร้สนิม สามารถชุบแข็งได้ ทนการเสียดสีและการกัดกร่อนได้ดี นิยมนำไปใช้กับชิ้นส่วนประเภท เลื้อลูกปืน, ตลับลูกปืน, ชิ้นส่วนปั๊มน้ำ

เหล็กเครื่องมือเย็น (Cold Work Tool Steel : D2)
ส่วนประกอบสำคัญ : C = 1.5-1.6%, Cr = 11.5-12.5%, Si = 0.1-0.4%, Mn = 0.15-0.45%, Mo = 0.6-0.8%, V = 0.9-1.1%
มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = D2, DIN = 2379, JIS = SKD11

เป็นเหล็กเครื่องมือที่มีส่วนผสมของคาร์บอนและโครเมี่ยมสูง ทนการเสียดสีและแรงกระแทกได้ดี สามารถชุบแข็งได้ดี มีความเหนียวสูงแต่ให้อัตราการบิดตัวที่ต่ำ จึงมักนิยมใช้ในงานแม่พิมพ์ เป็นส่วนประกอบของแม่พิมพ์, สกรูรีดเกลียว, หัวรีดโลหะ, มีดตัด, พิมพ์ปั๊มลาย, ดอกต๊าบ, รีมเมอร์ เป็นต้น

เหล็กกล้าไฮสปีด M2 (High Speed Steel : M2)
ส่วนประกอบสำคัญ : C = 0.8-1.05%, Cr = 3.7-4.5%, Si = 0.2-0.4%, Mn = 0.2-.04%, Mo = 4.5-5.1%, V = 1.6-2.2%, W = 5.5-6.7%
มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = M2, DIN = 3343, JIS = SKH51

แปรรูปได้ง่าย เนื่องจากส่วนผสมต่างๆ อยู่ในระดับปานกลาง มีความแข็งและเหนียวควบคู่กัน ทนการเสียดสีได้ดี และคุณสมบัติความแข็งจะคงที่แม้ในอุณหภูมิการใช้งานที่สูง จะพบได้ในชิ้นส่วนประเภท มีดกลึง, ดอกสว่าน, มีดกัดงาน และอุปกรณ์ประเภท Cutter Tool เกือบทั้งหมด

เหล็กกล้าไฮสปีด M3 (High Speed Steel : M3)
ส่วนประกอบสำคัญ : C = 1-1.25%, Cr = 3.7-4.5%, Si = 0.2-0.4%, Mn = 0.2-.04%, Mo = 4.7-6.2%, V = 2.2-3.2%, W = 5.5-6.7%
มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = M3, DIN = 3342, JIS = SKH52

จะมีคาร์บอนและวานาเดียมมากกว่าเหล็ก M2 ทำให้มีความแข็งคงที่แม้ในอุณหภูมิการใช้งานที่สูงได้ดีกว่าเหล็ก M2 และสามารถทนการเสียดสีได้ดีกว่าเหล็ก M2 ด้วยเช่นกัน มีความเหนียวในระดับหนึ่ง เหมาะสำหรับใช้กับ Cutter Tool ที่มีความเร็วรอบตัดที่สูง (เหมือนเหล็ก M2 แต่ต้องการสภาพการใช้งานในความเร็วรอบที่สูงกว่า อุณหภูมิสูงกว่า)

เหล็กเครื่องมืองานร้อน H13 (Hot Work Tool Steel : H13)
ส่วนประกอบสำคัญ : C = 0.3-0.4%, Cr = 4.75-5.5%, Si = 0.8-1.2%, Mn = 0.2-.04%, Mo = 1.25-1.75%, V = 0.8-1.2%
มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = H13, DIN = 2344, JIS = SKH61

เหล็กชนิดนี้ใช้กับงานที่ต้องรับความร้อนสูง โครเมียม-วาดาเนี่ยม-โมลิบดินั่ม ทำให้ผิวเหล็กทนต่อการเสียรูปและแตกลายงานได้ดี และคงรูปได้ในอุณหภูมิสูงๆ มีอัตราการเสียรูปบิดตัวในระดับที่ต่ำ สามารถชุบแข็งได้ และมีความเหนียวในระดับหนึ่ง ไม่เปราะเกินไป นิยมใช้ทำชิ้นส่วนแม่พิมพ์ประเภท แม่พิมพ์งานรีดร้อน, แม่พิมพ์งานฟอร์จ, ชิ้นส่วนแม่พิมพ์ฉีดพลาสติก, ใบตัดเกล็ดครีบเหล็กในโรงรีดเหล็ก

เหล็กเครื่องมืองานร้อน L6 (Hot Work Tool Steel : L6)
ส่วนประกอบสำคัญ : C = 0.65-0.75%, Cr = 0.65-0.85%, Si = 0.2-0.4%, Mn = 0.55-0.85%, Mo = 0.25%, V = 0.25%, Ni = 1.25-1.75%
มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = L6, DIN = 2714, JIS = SKT4

จัดเป็นเหล็กเครื่องมืองานร้อนอเนกประสงค์ มีขอบเขตการใช้งานที่กว้างและหลากหลาย สามารถชุบแข็งได้ดีและมีอัตราการเสียรูปในระดับต่ำ มีความเหนียว รับแรงกระแทกและแรงอัดได้ดี นิยมใช้ในแม่พิมพ์ปั๊มร้อน, แม่พิมพ์ตัด, แม่พิมพ์ฟอร์จ, ทำเบสรับแรงอัดในแม่พิมพ์ฉีดพลาสติกทั่วไป

เหล็กทำลูกปืน (Bearing Steel : SUJ2)

ส่วนประกอบสำคัญ : C = 0.95-1.1%, Ch = 1.3-1.6%, Si = 0.15-0.35%, Mn <0.5%
มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = 52100, DIN = 3505, JIS = SUJ2

มีส่วนผสมของโครเมี่ยมสูงเมื่อเทียบกับกลุ่มของเหล็กเครื่องมือด้วยกันเอง สามารถชุบแข็งได้ดีมาก ทดการเสียดสีสูงได้เป็นอย่างดี จึงเป็นวัสดุหลักในการทำชิ้นส่วนลูกปืนทุกชนิด, ปลอกแหวนและตลับลูกปืน 

เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง (Medium Carbon Steel : S45C)

ส่วนประกอบสำคัญ : C = 0.42-0.48%, Si = 0.15-0.35%, Mn = 0.65-0.9%

มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = 1045, DIN = 1191, JIS = S45C

เป็นเหล็กที่ใช้ในอุตสาหกรรมทั่วๆ ไป มีคาร์บอนปานกลาง เหมาะสำหรับการชุบแข็งแบบ Flame Hardness หรือ Induction Hardness แต่ไม่เหมาะสำหรับการเชื่อมเท่าไหร่นัก จึงนิยมใช้ขึ้นรูปทำเป็นชิ้นส่วนเครื่องจักรกล พาร์ท เพลา เกลียว สำหรับงานโลหะทั่วไป ด้วยกระบวนการ CNC ตามปกติ เช่น กลึง กัด มิลลิ่ง Milling EDM

เหล็กกล้าผสมโครเมี่ยม-โมลิดินั่ม (Machinery Alloy : SCM4)

ส่วนประกอบสำคัญ : C = 0.38-0.43%, Cr = 0.9-1.26%, Si = 0.15-0.35%, Mn = 0.6-0.85%, Mo = 0.15-0.3%

มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = 4140, DIN = 7225, JIS = SCM4

เหมือนเหล็ก S45C แต่เพิ่มส่วนผสมของโครเมียมและโมลิดินั่มเข้ามา ทำให้มีความเหนียวและทนแรงดึงได้ดี ยังคงสามารถชุบแข็งแบบ Flame Hardness หรือ Induction Hardness ได้ สามรรถเชื่อมได้แต่ไม่เหมาะกับงานเชื่อมที่ต้องการความแข็งแรงสูงๆ สามารถขึ้นรูปด้วยการฟอร์จได้ นิยมใช้ทำชิ้นส่วนเครื่องจักรที่ต้องการความแข็งแรงสูงกว่าการใช้เหล็ก S45C เช่น เกลียว, เพลาขับ, เฟือง, ลูกกลิ้งต่างๆ

เหล็กกล้าเติมคาร์บอน (Carburizing Alloy Steel : SCM21)

ส่วนประกอบสำคัญ : C = 0.13-0.18%, Cr = 0.9-1.2%, Si = 0.15-0.35%, Mn = 0.6-0.85%, Mo = 0.15-0.3%
มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = 4115, DIN = 7262, JIS = SCM21

เป็นเหล็กที่ใช้ในงานชิ้นส่วนทั่วไป ชุบแข็งด้วยวิธีการเติมคาร์บอนได้ดี ผิวแข็งและเนื้อในเหนียว จึงรับแรงบิดได้ดี ขึ้นรูปด้วยกรรมวิธีฟอร์จได้ มักนำไปใช้ในงานชิ้นส่วนประเภท เพลา, ลูกเบี้ยว, เฟือง

เหล็กกล้าเติมคาร์บอน (Carburizing Alloy Steel : 5920)

ส่วนประกอบสำคัญ : C = 0.15-0.2%, Cr = 1.8-2.1%, Si = 0.15-0.4%, Mn = 0.4-0.6%, Ni = 1.8-2.1%
มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = 3120, DIN = 5920, JIS = SNC415

เหมือนเหล็ก SCM21 แต่มีสัดส่วนโครเมี่ยมที่เพิ่มขึ้น และเพิ่มนิกเกิลเข้ามา มีผิวแข็งทนการเสียดสีได้ดี และเนื้อในมีความเหนียวสูงมาก มีความแข็งแรงสูง รับโหลดหนักได้ดีมาก ชุบแข็งได้ดี มักนำไปใช้ในชิ้นส่วนงานกลที่ต้องการรับโหลดมากกว่าใช้เหล็ก SCM21

เหล็กสปริง (Spring Steel : SUP9)

ส่วนประกอบสำคัญ : C = 0.52-0.6%, Cr = 0.65-0.95%, Si = 0.15-0.35%, Mn = 0.65-0.85%
มาตรฐานเทียบเท่า : AISI = 5155, DIN = 7176, JIS = SUP9

เป็นเหล็กที่ทนทั้งแรงอัดและแรงดึงได้ดี สามารถชุบแข็งได้ แต่ไม่เหมาะกับงานเชื่อมทุกชนิด นิยมใช้ทำสปริง, แกนโช๊คอัพ, คอล์ยสปริง, ชิ้นส่วนบานพับงานกล, ชิ้นส่วนงานเหล็กตามแบบที่ต้องการแรงสปริง

การชุบแข็งคืออะไร? (What is the harderning?)

การออกแบบชิ้นส่วนเครื่องจักรนั้น นอกจากจะต้องมีความละเอียดถูกต้องตามแบบกำหนดไว้เพื่อให้สามารถประกอบและใช้งานกันได้พอดีแล้ว จำเป็นต้องพิจารณาถึงความทนทานในการใช้งานด้วย โดยเฉพาะชิ้นส่วนที่ต้องมีการสัมผัสเสียดสีกันในขณะเคลื่อนที่ ที่มักจะต้องมีผิวที่แข็งทนทานต่อการสึกหรอ และยังต้องมีความทนทานต่อการใช้งานหนักต่างๆ ได้ดีด้วย เพื่อให้ได้ชิ้นงานที่มีคุณสมบัติต่างๆ ดังกล่าว จึงมีกรรมวิธีนำเหล็กที่มีคุณสมบัติทนทานต่อการใช้งานหนัก มาทำให้ผิวของเหล็กมีความแข็งเพิ่มขึ้น หรือที่เรียกว่า “การชุบแข็ง” นั้นเอง

“การชุบแข็ง” จะเมีทั้งวิธีที่ทำให้โครงสร้างทางเคมีของคาร์บอนที่มีอยู่ในเหล็กเกิดการเปลี่ยนแปลง (คาร์บอนเพิ่มขึ้น) และวิธีที่นำสารอื่นๆ ที่มีความแข็งกว่ามาทำการเคลือบทับชั้นผิวเหล็ก ซึ่งเราสามาถแบ่งวิธีการชุบแข็งทำได้ 4 วิธี คือ

• Case Hardening**
• Nitriding**
• Flame Hardening
• Induction Hardening

**เฉพาะเหล็กที่ผ่านการชุบแข็งผิวแบบ Case Hardening และ  Nitriding เท่านั้น ที่ผิวเหล็กจะมีองค์ประกอบทางเคมีเปลี่ยนแปลงไปจากเดิม

Case Hardening

การทำ Case Hardening จะนิยมทำในเหล็กประเภท Low – carbon โดยการนำเหล็กไปอบกับสารที่มีปริมาณคาร์บอนสูง ซึ่งอาจเป็นของแข็ง (Solid Carburising), ของเหลว (Liquid Carburising) หรือ ก๊าซ (Gas Carburising) จนมีอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤตบน ผิวของชิ้นงานดังกล่าวจะมีปริมาณคาร์บอนเพิ่มขึ้นจนถึง 0.85% ต่อมาจึงนำไปทำ Heat Treatment อีกทีหนึ่งก็จะได้ชิ้นงานมีผิวแข็งทนทานต่อการ สึกหรอต่างๆ

Nitriding

การทำ Nitriding คือ การทำให้ผิวชิ้นงานเกิดเป็นโลหะไนไตร์น โดยการอบชิ้นงานที่ผ่านการทำHeat Treatment มาแล้วในภาชนะปิดที่มีก๊าซแอมโมเนียหมุนเวียน อบจนมีอุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส ต่อเนื่องนาน 2 – 4 วัน เพื่อให้แอมโมเนียจะสลายตัวและเกิดก๊าซไฮโดรเจนและไนโตรเจน ก๊าซไนโตรเจนที่เกิดใหม่ๆ นี้จะซึมเข้าไปในผิวชิ้นงานเกิดเป็นโลหะไนไตร์นขึ้น

โลหะที่สามารถทำ Nitriding ได้ดี จะเป็นโลหะผสมพวก Nitralloy  (คาร์บอน 0.2 – 0.5% โครเมียม 1.5% อลูมิเนียม 1% และโมลิบดินัม 0.2%) ซึ่งผิวชิ้นงานจะเกิดเป็นโครเมียม และอลูมิเนียมไนไตรน์ทำให้ผิวแข็งขึ้น โดยมีขั้นตอนการทำดังนี้

1. ทำ Hardening โดยอบที่อุณหภูมิ 900 องศาเซลเซียส แล้วทำให้เย็นตัวโดยเร็วโดยจุ่มลงในน้ำทันที
2. ทำ Tempering ที่อุณหภูมิ  650 องศาเซลเซียส
3. ทำเป็นชิ้นงานหยาบ โดยการนำชิ้นงานมากัด หรือ กลึงหยาบที่ผิว
4. ทำ Annealing ที่อุณหภูมิ 525 – 550 องศาเซลเซียส นาน 5 ชม. เพื่อลดความเครียดที่เกิดจากข้อ 3
5. ทำงานตามแบบให้ได้รูปร่างสำเร็จตามการผลิตต่างๆ เช่น กัดงานตามแบบ กลึง EDM Wire Cut 
6. ทำ Nitridingที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส ให้ผิวแข็งประมาณ 1050 – 1100 HV ความลึกของผิวแข็งจะประมาณ 0.25 – 0.90 มม.

** ข้อดีของการชุบผิวแข็ง โดยวิธี Nitriding คือ ชิ้นงานได้ผ่านการทำ Heat – treatment มาก่อนทำ Nitriding จึงไม่มีโอกาสที่ชิ้นงานจะบิดงอหรือแตกร้าว และหลังจากผ่านการทำ Nitriding แล้วจะไม่มีความเครียดภายในเนื้อโลหะ ในขณะที่ผิวชิ้นงานมีลักษณะแข็งมาก คือประมาณ 1050 – 1100 HV และบริเวณที่อยู่ลึกลงไปประมาณ 0.03 – 0.08 มม. จะแข็งมากที่สุด และทนทานต่อการกัดกร่อนต่างๆ ได้ดีมาก

Flame Hardening

การทำ Flame Hardening เป็นการใช้เปลว Oxy – Acetylene เผาชิ้นงานจนมิอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤติบน แล้วพ่นละอองน้ำลงไปให้ชิ้นงานเย็นตัวทันที เหล็กกล้าที่จะนำมาทำ Flame Hardening ควรจะมีปริมาณคาร์บอน 0.4 – 0.6 % เพื่อให้ชิ้นงานมีผิวแข็งและมีความทนทานต่อการใช้งานหนัก เหล็กกล้าที่มีปริมาณคาร์บอน 0.45% หลังจากทำ Flame Hardening แล้วจะมีผิวแข็งประมาณ 600 – 650HV และความลึกของผิวแข็งนี้จะประมาณ 3.0 – 3.8 มม.

Induction Hardening

การทำ Induction Hardening เป็นการให้ความร้อนผิวชิ้นงานอย่างรวดเร็วโดยใช้กระแสไฟฟ้าความถี่สูงจ่ายเข้าชิ้นงาน ทำให้ชิ้นงานมีอุณหภูมิเหนือจุดวิกฤติบนภายในเวลา 3 – 5 วินาที แล้วทำให้เย็นตัวทันทีโดยการพ่นละอองน้ำลงไป ความลึกของผิวชุบแข็งที่ได้มีค่าประมาณ 3.2 มม. เหล็กกล้าที่จะนำมาทำ Induction Hardening ควรมีปริมาณคาร์บอน 0.4 – 0.6% วิธีนี้ถ้าควบคุมเวลาที่ใช้ในการชุบแข็งให้ได้ตามกำหนดแล้ว การที่ผลึกจะขยายขนาดขึ้น หรือเกิดการบิดงอของชิ้นงานหรือเกิด Decarburisation จะไม่มีโอกาสเกิดขึ้น 

https://www.tosthailand.com/14480586/jig-fixture-คืออะไร

การชุบแข็ง คือ การอบชุบความร้อนวิธีหนึ่งเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของเหล็กกล้าคาร์บอนในด้านความแข็งและความต้านทานการขัดสี. กระบวนการนี้เริ่มต้นด้วยการให้ความร้อนแก่เหล็กจนถึงอุณหภูมิที่โครงสร้างเปลี่ยนเป็นออสเทนไนท์ ปล่อยทิ้งไว้ในเตาจนกระทั่งได้โครงสร้างออสเทนไนท์ที่สม่ำเสมอ แล้วทำให้เย็นตัวด้วยอัตราเร็วพอที่ทำให้เกิดโครงสร้างมาร์เทนไซท์ หรืออัตราการเย็นตัววิกฤต (Critical cooling rate).เพื่อที่จะให้ได้โครงสร้างมาร์เทนไซท์ที่สม่ำเสมอ ปัจจัยที่เกี่ยวข้องมีดังต่อไปนี้

1. ปริมาณของธาตุคาร์บอน : เหล็กกล้าที่มีปริมาณร้อยละของธาตุคาร์บอนยิ่งสูง จะทำให้มีโอกาสในการเกิดโครงสร้างมาร์เทนไซท์มากขึ้น นอกจากนั้น ธาตุผสมอื่น เช่น นิเกิล โครเมียม และโมลิบดินั่ม ยังช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง (Hardenability) โดยการลดอัตราการเย็นตัววิกฤตอีกด้วย

2. อัตราการเย็นตัว : อัตราการเย็นตัวที่ต้องการเพื่อให้ได้โครงสร้างมาร์เทนไซท์นั้น ไม่ควรต่ำกว่าอัตราการเย็นตัววิกฤต และมีปัจจัยที่เกี่ยวข้องดังต่อไปนี้
– ผิวของชิ้นงานจะมีอัตราการเย็นตัวมากกว่าใจกลางเสมอ นอกจากนั้นยิ่งชิ้นงานมีขนาดใหญ่ อัตราเร็วการเย็นตัวตลอด ชิ้นก็จะต่ำลงด้วย ด้วยเหตุนี้ที่สภาวะเดียวกัน ชิ้นงานที่ยิ่งเล็กจะยิ่งมีโอกาสที่จะได้โครงสร้างมาร์เทนไซท์ที่สมบูรณ์
– ตัวกลางการเย็นตัวที่ต่างกัน จะให้อัตราเร็วการเย็นตัวที่ต่างกันด้วย เช่น น้ำ และน้ำเกลือ (น้ำที่มีโซเดียมคลอไรด์หรือแคลเซียมคลอไรด์ละลายอยู่ด้วยปริมาณหนึ่ง) จะให้อัตราการเย็นตัวที่รวดเร็วกว่าน้ำมัน. นอกจากนั้นการปั่นกวนสารตัวกลางยังเป็นการเพิ่มอัตราการเย็นตัวอีกวิธีหนึ่งด้วย