คุณสมบัติทางกลของส่วนประกอบเหล็กหล่อ เช่น ความแข็ง ความเหนียว และความต้านทานการสึกหรอ ถูกกำหนดโดยความแตกต่างเล็กน้อยในองค์ประกอบทางเคมี สำหรับทั้งผู้ซื้อและผู้ผลิตเหล็ก การควบคุมปริมาณธาตุสำคัญอย่างแม่นยำ รวมถึงคาร์บอน (C), ซิลิคอน (Si), แมงกานีส (Mn), ซัลเฟอร์ (S), ฟอสฟอรัส (P), โครเมียม (Cr), โมลิบดีนัม (Mo) และนิกเกิล (Ni) ถือเป็นเส้นทางสำคัญสู่ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น
ในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาหลักในการทำให้เหล็กแข็ง คาร์บอนช่วยเพิ่มความแข็งและความต้านทานการสึกหรอได้อย่างมาก อย่างไรก็ตาม ประโยชน์นี้มาพร้อมกับข้อแลกเปลี่ยน: ปริมาณคาร์บอนที่สูงขึ้นจะลดความสามารถในการเชื่อมลงอย่างมาก (มักต้องใช้ลวดเชื่อมคาร์บอนต่ำ) และลดความยืดหยุ่น ทำให้มีความเสี่ยงต่อการแตกหักแบบเปราะ ระดับคาร์บอนที่เหมาะสมต้องสมดุลระหว่างความต้องการความแข็งกับความต้องการในการเชื่อมและความต้านทานแรงกระแทก
ซิลิคอนสะท้อนผลการทำให้แข็งของคาร์บอน ในขณะเดียวกันก็ลดความยืดหยุ่นเช่นกัน ปริมาณซิลิคอนที่มากเกินไปส่งเสริมการเกิดรอยแตก ซึ่งต้องมีการควบคุมปริมาณอย่างระมัดระวัง คุณค่าหลักของมันอยู่ที่การกำจัดออกซิเจนระหว่างการผลิตเหล็ก โดยมีผลการทำให้แข็งรองลงมา
แมงกานีสมีหน้าที่หลายอย่างที่เป็นประโยชน์: เพิ่มความต้านทานแรงดึง ทำให้ผลเสียของซัลเฟอร์เป็นกลาง ปรับปรุงความสามารถในการชุบแข็งระหว่างการอบชุบด้วยความร้อน และเพิ่มความต้านทานการสึกหรอ อย่างไรก็ตาม ปริมาณแมงกานีสที่สูงจะลดความสามารถในการเชื่อมและการนำความร้อน ซึ่งอาจส่งเสริมการเกิดรอยแตก
ธาตุทั้งสองส่งผลเสียต่อคุณภาพของเหล็ก ซัลเฟอร์ทำให้เกิดภาวะเปราะร้อน (ความเปราะบางระหว่างการแปรรูปที่อุณหภูมิสูง) ในขณะที่ฟอสฟอรัสลดความเหนียว โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิต่ำ การผลิตเหล็กสมัยใหม่มักจำกัดทั้งสองธาตุไว้ที่ <0.04%
โครเมียมช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งและปรับปรุงความต้านทานการสึกหรอได้อย่างมาก ที่ความเข้มข้นเพียงพอ (โดยทั่วไป >10.5%) จะช่วยให้เหล็กกล้าไร้สนิมมีความต้านทานการกัดกร่อนผ่านการสร้างชั้นออกไซด์ที่ป้องกันได้ ข้อแลกเปลี่ยนคือความยืดหยุ่นที่ลดลงที่ระดับโครเมียมที่สูงขึ้น
ธาตุผสมที่มีประสิทธิภาพนี้ช่วยเพิ่มความสามารถในการชุบแข็งในขณะที่ลดความเปราะจากการชุบแข็ง โมลิบดีนัมมีประโยชน์อย่างยิ่งในการใช้งานที่อุณหภูมิสูงโดยการเพิ่มความต้านทานการคืบ และปรับปรุงลักษณะการสึกหรอของพื้นผิวในโลหะผสมพิเศษ
นิกเกิลช่วยเพิ่มทั้งความแข็งแรงและความเหนียวได้อย่างมีเอกลักษณ์ ในขณะที่เพิ่มความสามารถในการชุบแข็ง ช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนและทำงานร่วมกับธาตุผสมอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ต้นทุนวัสดุที่สูงทำให้ราคาของส่วนประกอบสูงขึ้นอย่างมาก
| ธาตุ | ข้อดี | ข้อเสีย |
|---|---|---|
| คาร์บอน (C) | เพิ่มความแข็งและความต้านทานการสึกหรอ | ลดความสามารถในการเชื่อมและความเหนียว |
| ซิลิคอน (Si) | ปรับปรุงความแข็งและการกำจัดออกซิเจน | ลดความยืดหยุ่น |
| แมงกานีส (Mn) | เพิ่มความแข็งแรง ต่อต้านซัลเฟอร์ ปรับปรุงความสามารถในการชุบแข็ง | ลดความสามารถในการเชื่อมและการนำความร้อน |
| ซัลเฟอร์ (S) | ปรับปรุงความสามารถในการแปรรูป (ในปริมาณที่ควบคุมได้) | ทำให้เกิดภาวะเปราะร้อนและเปราะ |
| ฟอสฟอรัส (P) | เสริมความแข็งแรงต่อการกัดกร่อนในบรรยากาศ | ลดความเหนียว โดยเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำ |
| โครเมียม (Cr) | เพิ่มความต้านทานการสึกหรอ/การกัดกร่อนและความสามารถในการชุบแข็ง | ลดความยืดหยุ่นที่ความเข้มข้นสูง |
| โมลิบดีนัม (Mo) | ปรับปรุงความแข็งที่อุณหภูมิสูงและความสามารถในการชุบแข็ง | เพิ่มต้นทุนวัสดุอย่างมาก |
| นิกเกิล (Ni) | เพิ่มความเหนียว ความแข็งแรง และความต้านทานการกัดกร่อน | ต้นทุนวัสดุสูงมาก |
