เหล็กหล่อเป็นโลหะผสมเหล็ก-คาร์บอนที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 2.11% (โดยทั่วไป 2.5-4%) เป็นโลหะผสมที่มีส่วนประกอบหลายอย่าง โดยมีเหล็ก คาร์บอน และซิลิกอนเป็นองค์ประกอบหลัก และมีสิ่งเจือปน เช่น แมงกานีส กำมะถัน และฟอสฟอรัส มากกว่าเหล็กกล้าคาร์บอน บางครั้ง เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลหรือคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของเหล็กหล่อ อาจต้องเติมธาตุโลหะผสมจำนวนหนึ่งเพื่อให้ได้เหล็กหล่อผสม
การจำแนกประเภทของเหล็กหล่อ :
I. ตามรูปแบบต่างๆ ของคาร์บอนในเหล็กหล่อ เหล็กหล่อสามารถแบ่งออกได้เป็น
1. คาร์บอนเหล็กหล่อขาว ยกเว้นคาร์บอนจำนวนเล็กน้อยที่ละลายในเฟอร์ไรต์ คาร์บอนที่เหลือจะมีอยู่ในรูปของซีเมนไทต์ในเหล็กหล่อ และรอยแตกจะมีสีขาวเงิน จึงเรียกว่าเหล็กหล่อขาว ปัจจุบัน เหล็กหล่อขาวส่วนใหญ่ใช้เป็นวัตถุดิบในการผลิตเหล็กและตัดเพื่อผลิตเหล็กหล่อเหนียว
2. คาร์บอนในเหล็กหล่อสีเทามีอยู่ในเหล็กหล่อในรูปแบบเกล็ดกราไฟท์ในเหล็กหล่อทั้งหมดหรือส่วนใหญ่ และมีรอยแตกเป็นสีเทาเข้ม จึงเรียกว่าเหล็กหล่อสีเทา
3. ส่วนหนึ่งของคาร์บอนในเหล็กหล่อที่มีหลุมจะอยู่ในรูปของกราไฟต์ ซึ่งคล้ายกับเหล็กหล่อสีเทา ส่วนอีกส่วนหนึ่งจะอยู่ในรูปของซีเมนไทต์อิสระ ซึ่งคล้ายกับเหล็กหล่อสีขาว ในรอยแตกจะมีหลุมสีดำและสีขาว จึงเรียกว่าเหล็กหล่อที่มีหลุม เหล็กหล่อประเภทนี้มีความแข็งและเปราะมาก จึงไม่ค่อยได้ใช้ในอุตสาหกรรม
2. เหล็กหล่อสามารถแบ่งตามรูปแบบต่างๆ ของกราไฟต์ในเหล็กหล่อได้
1. เหล็กหล่อสีเทา กราไฟท์ในเหล็กหล่อมีอยู่เป็นเกล็ด
2. เหล็กหล่อเหนียว กราไฟต์ในเหล็กหล่อจะมีลักษณะเป็นกลุ่มก้อน ซึ่งได้มาจากการอบเหล็กหล่อขาวที่มีองค์ประกอบบางอย่างที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน สมบัติเชิงกลของเหล็กหล่อขาว (โดยเฉพาะความเหนียวและความเป็นพลาสติก) จะสูงกว่าเหล็กหล่อเทา จึงมักเรียกว่าเหล็กหล่อเหนียว
3. เหล็กหล่อเหนียว กราไฟต์ในเหล็กหล่อมีรูปร่างเป็นทรงกลม ซึ่งได้มาจากการผ่านกระบวนการทำให้เป็นทรงกลมก่อนจะเทเหล็กหลอมเหลวลงไป เหล็กหล่อประเภทนี้ไม่เพียงแต่มีคุณสมบัติทางกลที่สูงกว่าเหล็กหล่อเทาและเหล็กหล่อเหนียวเท่านั้น แต่กระบวนการผลิตยังง่ายกว่าเหล็กหล่อเหนียวอีกด้วย และยังสามารถปรับปรุงเพิ่มเติมได้โดยการอบชุบด้วยความร้อน ดังนั้น การนำไปใช้ในการผลิตจึงเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ
การใช้งานเหล็กหล่อชนิดต่างๆ เหล็กหล่อขาว
คาร์บอนในเหล็กหล่อขาวมีอยู่ในรูปของคาร์บอนที่แทรกซึม (Fe3c) ทั้งหมด ดังนั้นการแตกจึงเป็นสีขาวสว่าง จึงเรียกว่าเหล็กหล่อขาว เนื่องจากมี Fe3c ที่แข็งและเปราะอยู่เป็นจำนวนมาก เหล็กหล่อขาวจึงมีความแข็งสูง เปราะบางสูง และแปรรูปได้ยาก ดังนั้นจึงไม่ค่อยได้ใช้โดยตรงในงานอุตสาหกรรม และใช้สำหรับชิ้นส่วนบางชิ้นที่ต้องทนทานต่อการสึกหรอและไม่รับแรงกระแทก เช่น แม่พิมพ์ดึงลวด ลูกเหล็กสำหรับเครื่องบดลูกบอล เป็นต้น ส่วนใหญ่ใช้เป็นแท่งเหล็กสำหรับการผลิตเหล็กและเหล็กหล่อเหนียว
เหล็กหล่อสีเทา
คาร์บอนส่วนใหญ่หรือทั้งหมดในเหล็กหล่อมีอยู่ในรูปของกราไฟท์เกล็ดอิสระ รอยแตกเป็นสีเทา มีประสิทธิภาพการหล่อที่ดี ความสามารถในการแปรรูปการตัดที่ดี ต้านแรงเสียดทาน ทนต่อการสึกหรอได้ดี และส่วนผสมในการหลอมนั้นเรียบง่าย ต้นทุนต่ำ และใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตชิ้นส่วนหล่อที่ซับซ้อนและชิ้นส่วนที่ทนต่อการสึกหรอ เหล็กหล่อสีเทาแบ่งออกเป็นสามประเภทตามโครงสร้างเมทริกซ์ ได้แก่ เหล็กหล่อสีเทาที่มีฐานเฟอร์ไรต์ เหล็กหล่อสีเทาที่มีฐานเพิร์ลไลต์-เฟอร์ไรต์ และเหล็กหล่อสีเทาที่มีฐานเพิร์ลไลต์ เนื่องจากเหล็กหล่อสีเทามีกราไฟท์เกล็ด และกราไฟท์จึงเป็นส่วนประกอบที่มีความหนาแน่นต่ำ ความแข็งแรงต่ำ ความแข็งต่ำ และความเป็นพลาสติกและความเหนียวที่เข้าใกล้ศูนย์ การมีอยู่ของกราไฟท์เปรียบเสมือนช่องว่างเล็กๆ จำนวนมากในเมทริกซ์เหล็ก ซึ่งลดพื้นที่รับน้ำหนักและเพิ่มแหล่งที่มาของรอยแตก ดังนั้น เหล็กหล่อสีเทาจึงมีความแข็งแรงต่ำและความเหนียวต่ำ และไม่สามารถประมวลผลด้วยแรงกดได้ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ จึงมีการเติมเฟอร์โรซิลิกอน แคลเซียมซิลิกอน และสารเร่งปฏิกิริยาอื่นๆ ในปริมาณหนึ่งลงในเหล็กหลอมเหลวก่อนเทเพื่อกลั่นเมทริกซ์เพิร์ลไลต์
เหล็กหล่อเหนียว
เหล็กหล่อตีนเป็ดทำจากโลหะผสมเหล็ก-คาร์บอนที่มีคาร์บอนต่ำและซิลิกอนเป็นเหล็กหล่อสีขาว จากนั้นจึงผ่านการอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานานเพื่อสลายซีเมนไทต์ให้เป็นกราไฟต์แบบตกตะกอน เหล็กหลอมเป็นเหล็กหล่อสีขาวที่ผ่านการทำให้เป็นกราไฟต์ เหล็กหล่อตีนเป็ดแบ่งออกเป็นสองประเภทตามโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกันหลังจากการอบอ่อน หนึ่งคือเหล็กหล่อตีนเป็ดแบล็กฮาร์ทและเหล็กหล่อตีนเป็ดเพิร์ลไลต์ โครงสร้างของเหล็กหล่อตีนเป็ดแบล็กฮาร์ทประกอบด้วยเมทริกซ์เฟอร์ไรต์ (F) เป็นหลัก + กราไฟต์แบบตกตะกอน โครงสร้างของเหล็กหล่อตีนเป็ดเพิร์ลไลต์ประกอบด้วยเมทริกซ์เพิร์ลไลต์ (P) เป็นหลัก + กราไฟต์แบบตกตะกอน อีกประเภทหนึ่งคือเหล็กหล่อตีนเป็ดไวท์ฮาร์ท โครงสร้างของเหล็กหล่อตีนเป็ดไวท์ฮาร์ทถูกกำหนดโดยขนาดหน้าตัด หน้าตัดขนาดเล็กขึ้นอยู่กับเฟอร์ไรต์และพื้นที่ผิวของหน้าตัดขนาดใหญ่คือเฟอร์ไรต์และแกนกลางคือเพิร์ลไลต์และคาร์บอนอบอ่อน กราไฟต์จะละเอียดและกระจายสม่ำเสมอ เหล็กหล่อที่ผ่านการเพาะเชื้อนี้เรียกว่าเหล็กหล่อที่ผ่านการเพาะเชื้อ
เหล็กหล่อเหนียว
ก่อนจะเทเหล็กหลอมเหลว (เหล็กเหนียว) จะมีการเติมสารทำให้เป็นทรงกลม (โดยทั่วไปจะใช้เฟอร์โรซิลิกอน แมกนีเซียม เป็นต้น) ลงไปเพื่อทำให้กราไฟท์ในเหล็กหล่อเป็นทรงกลม เนื่องจากคาร์บอน (กราไฟท์) มีอยู่ในเมทริกซ์เหล็กหล่อในรูปทรงกลม จึงทำให้สามารถตัดเมทริกซ์ได้ดีขึ้น และความแข็งแรงในการดึง ความแข็งแรงในการยืดตัว ความเป็นพลาสติก และความเหนียวในการรับแรงกระแทกของเหล็กเหนียวก็ได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ยังมีข้อดีคือทนต่อการสึกหรอ ดูดซับแรงกระแทก มีประสิทธิภาพของกระบวนการที่ดี และต้นทุนต่ำ ปัจจุบันได้เข้ามาแทนที่เหล็กหล่อเหนียวและชิ้นส่วนเหล็กหล่อและเหล็กดัดบางประเภท เช่น เพลาข้อเหวี่ยง ก้านสูบ ลูกกลิ้ง เพลาล้อหลังของรถยนต์ เป็นต้น