จักรกฤษ พงษ์พิสุทธินันท์

อุตสาหกรรมผลิตชิ้นส่วนทางวิศวกรรมจากกระบวนการขึ้นรูปโลหะและวัสดุต่าง ๆ แม่พิมพ์นับเป็นส่วนที่มีความสำคัญยิ่งในอุตสาหกรรมไดคาสติ้ง นอกเหนือจากการออกแบบแม่พิมพ์ให้สามารถผลิตชิ้นงานได้อย่างมีประสิทธิภาพแล้ว ประเด็นสำคัญอีกประการหนึ่งที่เราจะต้องคำนึงถึงคือความทนทานหรืออายุการใช้งานของแม่พิมพ์

โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการหล่อชิ้นส่วนโลหะผสมอะลูมิเนียมและโลหะผสมแมกนีเซียมในปริมาณมาก ๆ โดยกระบวนการไดคาสติ้งที่ต้องใช้ระดับแรงดันสูงมาก

เช่น อุตสาหกรรมการไดคาสติ้งที่ผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ ที่มีขนาดใหญ่แต่บาง (Larger Components with Thinner Wall Thickness) มีรูปร่างที่ซับซ้อน (More Complicated Shapes) และมีข้อกำหนดช่วงคลาดเคลื่อนของขนาดมิติที่แคบ (Closer Tolerances) ซึ่งการหล่องานในลักษณะดังกล่าวนี้ต้องการแม่พิมพ์ที่มีความทนทานสูงมาก เพื่อที่จะมีอายุใช้งานยาวนานเพียงพอกับแผนการผลิต

กล่าวคือจำนวนครั้งในการฉีดหล่อชิ้นงาน อาจจะสูงถึงแสนครั้ง หากแม่พิมพ์เกิดความเสียหายเร็วกว่ากำหนดหรือมีอายุการใช้งานสั้นกว่าที่ควรจะเป็น ก็จะทำให้ผลิตภาพของกระบวนการลดลง หรืออาจจะทำให้เกิดความล่าช้าในกระบวนการผลิตจนทำให้ไม่สามารถส่งมอบงานให้กับลูกค้าได้ทันกำหนด

ซึ่งความเสียหายจากแม่พิมพ์นี้จะส่งผลให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้น และหากปัญหาดังกล่าวเกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่าก็จะนำไปสู่ความสูญเสียความน่าเชื่อถือจากลูกค้าได้ในที่สุด โดยพื้นฐานแล้ว การเตรียมแม่พิมพ์ให้มีอายุการใช้งานยาวนานตามแผนการผลิตเพื่อให้เกิดความคุ้มค่าทางเศรษฐศาสตร์สูงสุด จะต้องเริ่มจากการเลือกใช้วัสดุที่ได้คุณภาพและมีสมบัติเหมาะสม ตามด้วยขั้นตอนการทำแม่พิมพ์หรือการกลึงกัดและเจียรแต่งผิวที่ถูกต้อง

ตลอดจนกรรมวิธีการอบชุบทางความร้อนเพื่อปรับปรุงสมบัติของแม่พิมพ์ให้เหมาะสม และท้ายสุดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ขึ้นอยู่กับการเลือกใช้ค่าตัวแปรหรือพารามิเตอร์ในกระบวนการแปรรูปขึ้นรูปวัสดุและการดูแลบำรุงรักษา เช่น การอุ่นให้ความร้อนแม่พิมพ์ การควบคุมระบบหล่อเย็น รอบระยะเวลาการเปิดปิดแม่พิมพ์ ฯลฯ ในกรณีของการหล่อชิ้นส่วนโลหะผสมอะลูมิเนียมโดยกระบวนการไดคาสติ้ง

หากพิจารณาในรายละเอียดของสภาวะการใช้งานแม่พิมพ์ไดคาสติ้งในการหล่อชิ้นส่วนยานยนต์ตามลักษณะที่ได้กล่าวถึงข้างต้นนั้น จะพบว่าในระหว่างที่ทำการฉีดอะลูมิเนียมหลอมเหลวเข้าสู่แม่พิมพ์และอัดหล่อชิ้นงานนั้น แม่พิมพ์ไดคาสติ้งจะตกอยู่ภายใต้ภาระแรงกระทำทั้งทางกลและทางความร้อนซึ่งก่อให้เกิดความเค้นต่อแม่พิมพ์ในระดับที่สูง

และเมื่อทำการหล่อชิ้นงานอย่างต่อเนื่องจนระดับความเค้นตกค้างที่เกิดกับแม่พิมพ์มีค่าสูงมากเกินกว่าที่แม่พิมพ์จะทนทานได้ ก็จะทำให้แม่พิมพ์เริ่มเกิดรอยแตกร้าวและอาจนำไปสู่ความเสียหายไม่สามารถใช้แม่พิมพ์ต่อไปได้ โดยทั่วไปแล้วปัญหาหลักที่เกิดขึ้นกับแม่พิมพ์ไดคาสติ้งในการหล่องานอะลูมิเนียม ได้แก่

รอยร้าวขนาดเล็ก ๆ บนผิวแม่พิมพ์ที่มีเกิดจากความเค้นจากความร้อน รอยแตกแบบเฉียบพลัน รูปที่ 1-4 แสดงตัวอย่างรอยร้าวและรอยแตกเกิดกับแม่พิมพ์ไดคาสติ้ง และนอกจากปัญหารอยร้าวและรอยแตกดังที่กล่าวถึงนี้ ในบางครั้งกรณีที่รุนแรงมากอาจเกิดปัญหาการเปลี่ยนหรือเสียรูปของพื้นผิวแม่พิมพ์

ดังนั้นเหล็กกล้าสำหรับแม่พิมพ์ไดคาสติ้งจะต้องเป็นวัสดุที่มีสมบัติที่เหมาะสมทนทานต่อสภาวะการใช้งานในการฉีดหล่อโลหะเหลวที่อุณหภูมิสูง การเลือกชนิดของเหล็กกล้าแม่พิมพ์จะต้องคำนึงถึงปัจจัยในด้านต่าง ๆ ได้แก่เริ่มต้นจากการพิจารณาส่วนผสมทางเคมีที่เหมาะสม การเตรียมวัตถุดิบในสภาวะที่ดี รวมทั้งกระบวนการออกแบบและสร้างแม่พิมพ์ การอบชุบความร้อน ข้อพิจารณาพื้นฐานในการเตรียมเหล็กกล้าสำหรับแม่พิมพ์ไดคาสติ้งพอสรุปโดยสังเขปได้ดังต่อไปนี้

ความสมบูรณ์และสม่ำเสมอของโครงสร้างทางโลหะวิทยา

การหล่อโลหะในกระบวนการไดคาสติ้งนั้น แม่พิมพ์จะถูกใช้งานอย่างต่อเนื่องภายใต้อุณหภูมิสูงซ้ำ ๆ กันหลายครั้ง หากเกิดจุดบกพร่องเล็กน้อยบนพื้นผิวเหล็กกล้าแม่พิมพ์ จุดบกพร่องจะถูกทำให้ขยายใหญ่ขึ้นจนก่อให้เกิดการชำรุดเสียหายที่รุนแรง ที่ต้องการการซ่อมแซมจนอาจจะใช้การไม่ได้เลยในที่สุด

 ดังนั้นนอกจากการเลือกใช้เหล็กกล้าเกรดที่เหมาะสมสำหรับแม่พิมพ์ไดคาสติ้งแล้ว จะต้องควบคุมให้ชิ้นเหล็กที่จะทำเป็นแม่พิมพ์นี้มีโครงสร้างทางโลหะวิทยาที่สมบูรณ์ มีความเป็นเนื้อเดียวกันอย่างสม่ำเสมอ ไม่เกิดการแยกตัวของส่วนผสมหรือโครงสร้างมหภาคและจุลภาค ปราศจากสิ่งปนเปื้อนที่ไม่ต้องการ ไม่ว่าจะเป็นอินคลูชั่น (Inclusions) หรือ ธาตุปนเปื้อนต่าง ๆ ที่ไม่ต้องการ (Impurities)

นอกจากปัจจัยพื้นฐานทางโลหะวิทยาที่กล่าวถึงข้างต้นนั้น จะต้องควบคุมคุณภาพในขั้นตอนการทำหรือการกัดกลึงแต่งแม่พิมพ์ด้วย หากมีจุดบกพร่องเริ่มต้นบางอย่าง เช่น รอยกด รอยยุบ รอยต่อ หรือรอยแตกร้าวขนาดเล็ก ที่ไม่สามารถสังเกตเห็นได้จากภายนอก เกิดขึ้น ก็จะทำให้แม่พิมพ์มีสมบัติทางกลด้อยลง อายุการใช้งานสั้นกว่ากำหนด

ความยากง่ายในการกัดกลึงแต่งแม่พิมพ์มีผลต่อค่าใช้จ่ายในการผลิต เพราะค่าใช้จ่ายแรงงานในการกัดกลึงแต่งแม่พิมพ์มีมูลค่าในสัดส่วนที่สูง ด้วยเหตุนี้ในขั้นตอนการทำแม่พิมพ์ไดคาสติ้งจึงมักจะใช้เหล็กที่อยู่ในสภาพที่ผ่านการอบอ่อนมาแล้ว (Fully Annealed Steel) ซึ่งจะสะดวกในการการกัดกลึงแต่งให้ได้ขนาดและรูปร่าง กล่าวคือมีความสามารถในการกัดกลึงแต่งสูง

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติมักจะมีข้อจำกัดเพราะจะก่อให้เกิดความยุ่งยากตามมาในการที่จะต้องนำแม่พิมพ์ที่ผ่านการกัดกลึงแต่งจนได้รายละเอียดตามขนาดรูปร่างที่ต้องการแล้วมาทำการอบชุบความร้อนเพื่อปรับปรุงสมบัติทางกลให้พร้อมที่จะใช้งาน ทั้งนี้ในกรณีที่แม่พิมพ์มีขนาดใหญ่และมีรายละเอียดรูปทรงที่ซับซ้อน อาจจะเกิดความบิดเบี้ยว (Distortion) หรือเสียรูปได้ (Deformation)

สำหรับแม่พิมพ์ที่ใช้ในหล่อสังกะสี ควรจะใช้เหล็กกล้าที่ผ่านการทำให้แข็ง (Prehardened Steel) ที่มีความแข็งในช่วง 200–300 BHN ทำให้สามารถลดขั้นตอนการอบชุบความร้อนภายหลังการกัดกลึงแต่งแม่พิมพ์เสร็จสิ้นแล้วได้

ความทนทานต่อรอยแตกร้าวที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว

รอยแตกร้าวเนื่องจากความเค้นจากความร้อนซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วเป็นสาเหตุสำคัญที่สุดที่ก่อให้เกิดเครือข่ายรอยแตกเล็ก ๆ บนพื้นผิวแม่พิมพ์ กลไกของการเกิดรอยแตกร้าวในลักษณะนี้เริ่มจาก การที่โลหะเหลวถูกฉีดอัดด้วยแรงดันสูงเข้าสู่แม่พิมพ์ เมื่อโลหะเหลวสัมผัสกับพื้นผิวแม่พิมพ์ จะทำให้บริเวณชั้นผิวแม่พิมพ์ร้อนขึ้นอย่างมาก เมื่อเทียบกับชั้นของเหล็กแม่พิมพ์ที่อยู่ชั้นติดกันถัดไป

ทำให้ชั้นผิวนอกของแม่พิมพ์เกิดการขยายตัวอันเนื่องจากความร้อน หากการขยายตัวนี้มากกว่าค่าความยืดหยุ่นของเหล็กแม่พิมพ์ ก็จะส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวได้ จากการทดลองพบว่า อุณหภูมิของพื้นผิวแม่พิมพ์จะเพิ่มสูงขึ้นใกล้เคียงอุณหภูมิของโลหะเหลวภายใต้ระยะเวลาในการสัมผัสที่น้อยมาก เพียงแค่ 1/1000 วินาที

ค่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี่เกี่ยวข้องกับการขยายตัวของวัสดุอันเนื่องจากความร้อน เมื่อมีการเพิ่มความร้อนหลายร้อยองศา บริเวณผิวเบ้าแม่พิมพ์จะมีการขยายตัวอย่างมาก เมื่อเทียบกับเนื้อวัสดุภายใน ดังนั้นการเลือกเหล็กกล้าที่นำมาใช้จะต้องมีความยืดหยุ่นทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในกระบวนการผลิตได้ การหล่อเป็นปัญหาขึ้นอย่างมากได้แก่

การหล่อโลหะที่มีช่วงอุณหภูมิหลอมเหลวสูง เช่น โลหะผสมของอะลูมิเนียม และโลหะผสมของทองแดง อย่างไรก็ดี เหล็กกล้าในปัจจุบันได้รับการพัฒนาให้มีคุณภาพเพียงพอในการทำแม่พิมพ์หล่ออะลูมิเนียม ซึ่งสามารถลดปัญหารอยแตกร้าวจากความร้อนในช่วงอายุการใช้งานปกติได้

รูปที่ 1 รอยร้าวที่เกิดจากความเค้นทางความร้อน (Heat Checking)

เหล็กกล้าที่ใช้ต้องมีความแข็งแรงและทนทานเพียงพอต่อการเปลี่ยนรูปทรงหรือเสียรูปอย่างถาวร ในระหว่างการฉีดหล่องานจะต้องคอยตรวจสอบดูแลพื้นผิวแม่พิมพ์ให้อยู่ในสภาพพร้อมใช้งานอย่างสม่ำเสมอ บ่อยครั้งจะเกิดปัญหาจากส่วนเกินของชิ้นงานหล่อที่เป็นเศษโลหะเล็ก ๆ เช่น ครีบ หลงเหลือติดอยู่บนพื้นผิวของแม่พิมพ์หลังทำการหล่อ

หากครีบโลหะเหล่านี้ไม่ถูกกำจัดออกไปจะส่งผลกระทบต่อต่อแม่พิมพ์ โดยหากเศษครีบมีความแข็งมากกว่า 375 BHN ก็จะถูกบีบอัดไปเป็นแผ่นแนบติดกับแม่พิมพ์ เมื่อแม่พิมพ์ทำการปิดตัว

จุดที่เกิดการแนบติดก็จะเป็นแหล่งรวมของความเค้นที่สูงมาก (Stress Concentration) ทำให้แม่พิมพ์มีโอกาสเกิดความเสียหายหรือมีอายุการใช้งานสั้นลงได้ และหากเศษครีบมีความแข็งน้อยกว่า 375 BHN ก็จะถูกกดลงไปกับแม่พิมพ์หากเกิดขึ้นมากจะทำให้การปิดแม่พิมพ์ไม่สนิท และจำเป็นต้องปรับปรุงพื้นผิวบริเวณนั้น สิ่งเหล่านี้จะมีผลกระทบต่อรูปทรงและร่องรอยชิ้นงานที่ทำการหล่อต่อไป

ความทนทานต่อการเกิดรอยแตกแยกออกเป็นแผ่นของผิวแม่พิมพ์

รอยแตกในลักษณะที่เกิดขึ้นอย่างเฉียบพลันเป็นปัญหาที่สำคัญอีกปัญหาหนึ่งที่อาจจะเกิดขึ้นกับแม่พิมพ์ไดคาสติ้ง รอยแตกลักษณะนี้ถึงแม้ว่าจะพบน้อยกว่ารอยร้าวจากความเค้นจากความร้อนแต่นับเป็นปัญหาที่ร้ายแรงกว่า เพราะมีโอกาสที่จะก่อให้เกิดความเสียหายกับแม่พิมพ์อย่างเฉียบพลัน

ซึ่งสาเหตุของปัญหารอยแตกนี้คือระดับความเค้นจากความร้อนหรือความเค้นทางกลในขณะฉีดหล่องานที่สูงเกินกว่าที่วัสดุแม่พิมพ์จะรับได้ และโดยทั่วไปแล้วรอยแตกจะเกิดในบริเวณผิวแม่พิมพ์ที่มีการสะสมของความเค้นสูง (Stress Concentrations) เช่นในบริเวณขอบคมหรือตามจุดที่เป็นมุมเป็นเหลี่ยม และรอยเชื่อม

อย่างไรก็ตามวัสดุที่สามารถทนทานต่อการแตกหักได้ดี ซึ่งวัดได้จากความสามารถในการรับแรงอัดกระแทก (Toughness) และความเหนียว (Ductility) มักจะมีความแข็งต่ำ ดังนั้นเหล็กกล้าสำหรับแม่พิมพ์ไดคาสติ้งที่ดีจะต้องมีสมบัติที่เหมาะสมทั้ง 2 ด้าน ซึ่งในปัจจุบันได้มีการวิจัยและพัฒนาเหล็กกล้าเกรดใหม่ ๆ ที่มีสมบัติในลักษณะดังกล่าว สำหรับรายละเอียดทางเทคนิคนี้จะกล่าวถึงในโอกาสถัดไป

รูปที่ 2 รอยแตก (Cleavage/Gross Cracking)

โลหะเหลวที่ไหลผ่านอย่างรวดเร็วมีแนวโน้มที่จะกัดเซาะหรือละลายส่วนผสมทางเคมีของเนื้อเหล็กในบริเวณพื้นผิวแม่พิมพ์ได้ โดยปริมาณและอัตราที่เกิดขึ้นจะเกี่ยวข้องกับการออกแบบระบบทางเข้าของโลหะเหลว (Gating Design System)

เหล็กกล้าบางเกรดจะมีความทนทานต่อการกัดเซาะเป็นอย่างดี เช่น เหล็กกล้าที่มีส่วนผสมของ 0-1.00% วานาเดียม (Vanadium) 5.0% โครเมียม (Chromium) และ 1.0% โมลิบดินัม (Molybdenum) สามารถเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อนผิวโลหะได้

ความสามารถในการนำความร้อนสูง

อัตราเร็วในการผลิตขึ้นอยู่โดยหลักกับการนำและถ่ายเทความร้อนที่ดีของเหล็กกล้าแม่พิมพ์ การนำความร้อนของวัสดุทำแม่พิมพ์จะกำหนดระยะเวลาในการหล่อที่จะทำให้ชิ้นงานแข็งตัว และความถี่ในกระบวนการหล่อที่ไม่ทำให้ตัวโพรงแม่พิมพ์ร้อนเกินไป โลหะที่ทนความร้อนได้สูง (Refractories) มักถูกใช้ในการทำแม่พิมพ์เพื่อทนทานต่อปัญหารอยร้าวจากความเค้นจากความร้อน ซึ่งมีการนำความร้อนน้อยกว่า 1/10 เท่าของเหล็กกล้าทั่วไป

เหล็กกล้าที่มีการขยายตัวต่ำเนื่องจากอุณหภูมิจะเป็นที่ต้องการ เพราะจะช่วยลดปัญหารอยร้าวจากความเค้นจากความร้อนและการเปลี่ยนแปลงขนาดของแม่พิมพ์ขณะทำงาน และโดยทั่วไปแล้วเหล็กกล้าที่มีโครงสร้างเป็นออสเทเนติก(Austenitic Steels) จะมีการขยายตัวเนื่องจากอุณหภูมิสูงกว่าเหล็กกล้าที่มีโครงสร้างเป็นเฟอริติก (Ferritic Steels)

เนื่องจากแม่พิมพ์ถูกผลิตให้มีความหนา บาง ในส่วนต่าง ๆ แตกต่างกันไป การนำแม่พิมพ์ที่ผ่านการกัดแต่งขัดมาทำการอบชุบทางความร้อนอาจทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปทรงและขนาดในส่วน ๆ ต่าง ๆ ของแม่พิมพ์ไม่เท่ากัน ซึ่งบางครั้งไม่อาจนำมาปรับแต่งขนาดให้ได้ตามต้องการอีก เพราะไม่เหลือเนื้อวัสดุเพียงพอ

จึงควรเลือกเหล็กกล้าที่สามารถนำมาทำการอบชุบทางความร้อนได้โดยไม่เกิดการบิดเบี้ยว เสียรูป หรือเกิดการขยายตัว หดตัว ที่มากเกินไป รวมทั้งไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงระดับปริมาณคาร์บอนในเนื้อเหล็กกล้า (Carburization or Decarburization) ไม่เกิดการก่อตัวของออกไซด์ และจุดบกพร่องต่าง ๆ ทั้งนี้ความบิดเบี้ยวของชิ้นงานอันเกิดจากการทำการอบชุบทางความร้อนอาจทำให้ไม่สามารถใช้งานได้ หรือต้องนำมาแก้ไขปรับแต่งโดยใช้ค่าใช้จ่ายสูง

รูป 4 รอยแตกที่เกิดความเสียหายรุนแรง แม่พิมพ์แยกเป็นสองส่วน

การเลือกใช้เหล็กกล้าสำหรับแม่พิมพ์ไดคาสติ้ง

ในยุคแรก ๆ มักมีการใช้เหล็กกล้าจำพวกคาร์บอนต่ำ-ปานกลาง ในการทำแม่พิมพ์สำหรับหล่อโลหะผสมจำพวก ดีบุก ตะกั่ว สังกะสี ซึ่งก็ได้ผลที่น่าพอใจในขณะนั้น เพราะยังใช้กระบวนการผลิตที่ช้าและใช้แรงดันต่ำ

แต่สำหรับการผลิตพัฒนาอัลลอยที่มีจุดหลอมเหลวสูงกว่า เช่น โลหะผสมของอะลูมิเนียมเกรดต่าง ๆ ยังไม่อาจได้ผลที่น่าพอใจเมื่อใช้เหล็กกล้าคาร์บอนแบบดั้งเดิม พบว่ามีเหล็กกล้าเครื่องมือเท่านั้นที่สามารถนำใช้ทำแม่พิมพ์ไดคาสติ้งได้อย่างมีประสิทธิภาพ

1. แม่พิมพ์ที่มีความแข็งต่ำ (Softest Dies) มีความแข็งระหว่าง 85-125BHN นำมาขึ้นรูปโดยการกดอัดโดยใช้เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำ แม่พิมพ์ประเภทนี้มีอายุการใช้งานสั้น และมักจะเกิดความเสียหายง่าย แม้ว่าจะผ่านการอบชุบทางความร้อนให้แข็งมากก่อนก็ตาม

2. แม่พิมพ์ที่มีความแข็งปานกลาง (Prehardened Steel) มีความแข็งระหว่าง 200-300 BHN มีอายุการใช้งานที่ดี เหมาะสมสำหรับการหล่อโลหะผสมที่มีช่วงอุณหภูมิหลอมเหลวต่ำ เช่นโลหะผสมของสังกะสี

3. แม่พิมพ์ที่มีความแข็งสูง (Heat-treated Hard Dies: quenched and drawn and precipitation-hardened steels) มีความแข็งระหว่าง 375-460 BHN

ในยุคเริ่มต้นของการผลิตชิ้นส่วนงานหล่อสังกะสีโดยกระบวนการไดคาสติ้ง วัสดุที่ใช้เป็นแม่พิมพ์มักทำจากแผ่นเหล็กหลอมแบบง่าย ๆ (Common Boiler Plate Steel) ซึ่งมีอายุการใช้งานที่ดี ด้วยอุณหภูมิสำหรับการหล่อเพียง 800 องศาฟาเรนไฮต์ ไม่สูงมากจนทำให้เกิดปัญหาจากรอยร้าวจากความเค้นทางความร้อน

แต่ในปัจจุบันใช้กระบวนการผลิตด้วยแรงดันสูงและอัตราการผลิตสูง จึงจำเป็นต้องใช้ เหล็กกล้าผสม การใช้เหล็กกล้าที่อ่อนเกินไปก็จะเกิดการบิดเบี้ยวในบริเวณของขอบมุมได้ โดยการเลือกใช้ แม่พิมพ์ที่มีช่วงความแข็ง 380-420 BHN จะต้องผ่านการอบชุบความร้อนหลังการกัดแต่งแล้วโดยการชุบแข็งโดยอากาศ (Nondeforming Air-hardening Steel)

ส่วนเหล็กกล้าที่ต้องการความแข็งต่ำ ประมาณ 300 BHN จะทำการกัดแต่งในสภาพที่ผ่าการทำให้แข็งขึ้นแล้ว (Hardened State) ทำการชุบแข็งโดยใช้น้ำมัน (Oil-hardening Steel)

ตัวอย่างเหล็กกล้าที่นำมาใช้ทำแม่พิมพ์ไดคาสติ้งในการหล่อโลหะผสมของสังกะสี  เช่น เหล็กกล้าผสมโครเมียมและโมลิบดินัม (Chromium-molybdenum Steel) โดยมีส่วนผสมทางเคมี ดังนี้ 0.3% คาร์บอน 0.75% แมงกานีส 0.50% ซิลิกอน 0.80% โครเมียม 0.30% โมลิบดินัม

ก่อนที่จะมีการคิดค้น เหล็กกล้าผสมที่มีคุณภาพสูงในปัจจุบัน แม่พิมพ์อะลูมิเนียมมีอายุการใช้งานไม่สูงมากนัก อยู่ที่ประมาณ 10,000-50,000 รอบการฉีดหล่อ ปัจจุบันมีการผลิตเหล็กกล้าผสมที่สามารถใช้งานได้มากกว่า 60,000 รอบการฉีดหล่อ

ส่วนผสมทางเคมีของเหล็กกล้าแม่พิมพ์ไดคาสติ้งสำหรับการหล่อโลหะผสมของอะลูมิเนียม ส่วนใหญ่มีส่วนผสม 0.35-0.40% คาร์บอน  0.20-0.50% แมงกานีส 0.90-1.10% ซิลิกอน 5.00-5.25% โครเมียม 1.0% โมลิบดินัม และ 0.35-1.00% วานาเดียม

เหล็กกล้าเกรดนี้เป็นเหล็กที่สามารถอบชุบแข็งได้โดยใช้อากาศ (Air-hardening and Nondeforming Steels) ปกติมักจะเลือกใช้เหล็กกล้าที่แข็งที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อทนทานต่อ Heat Checking แต่ถ้าแข็งเกินไปก็อาจเสี่ยงต่อการเกิด Cleavage/Gross Cracking ดังนั้นจึงควรหาจุดลงตัวของความแข็งในช่วง 420-440 BHN

เหล็กกล้าแม่พิมพ์ไดคาสติ้งสำหรับการหล่อโลหะผสมของทองแดง

เนื่องจากโลหะผสมของทองแดง เช่น ทองเหลือง (Brass Alloy) มีอุณหภูมิจุดหลอมเหลวสูงมากราว 1,700 ฟาเรนไฮต์ สูงกว่า อะลูมิเนียมและแมกนีเซียมจึงเป็นการท้าทายในการหาวัสดุทำแม่พิมพ์ไดคาสติ้งสำหรับทองเหลืองในยุคแรก ๆ เหล็กกล้าสำหรับงานความร้อนสูง (Hot Work Steel) ได้ถูกนำมาใช้งานจากอดีตถึงปัจจุบัน

ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าที่ส่วนผสม 0.30% คาร์บอน 0.30% แมงกานีส 0.45% ซิลิกอน 3.25% โครเมียม 0.50% วานาเดียม 9.00 % ทังสเตน อย่างไรก็ตามยังคงมีการพัฒนาและคาดหวังที่จะได้ เหล็กกล้าที่มีสมบัติดีกว่า เหล็กกล้าสำหรับงานความร้อนสูง ในปัจจุบัน ซึ่งจะได้กล่าวถึงในรายละเอียดในโอกาสถัดไป

ชิ้นส่วนที่มีการเคลื่อนไหวอย่างแกน (Cores และสลักปลด (Ejector Pins) จำเป็นต้องมีผิวที่มีความแข็งมาก เพื่อที่จะลดความเสียหายจากการเสียดสี เพราะเป็นการยากในการหล่อลื่นผิว Cores และ Pins การทำผิวให้แข็งขึ้นทำได้ด้วย Cyanide Bath หรือ Gas Nitride ดังนั้นเหล็กกล้าสำหรับชิ้นส่วนนี้จึงต้องสามารถถูกทำ Nitrided ได้

Cores เล็กๆส่วนใหญ่มักผลิตจาก เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel) ที่มีส่วนผสม 0.65% คาร์บอน 0.30% แมงกานีส 0.40% ซิลิกอน 17% โครเมียม ซึ่งจะถูกใช้งานในบริเวณที่มีความร้อนสูง และเจอกับการกระบวนลดอุณหภูมิลงอย่างรวดเร็วเสมอ จึงมักจะเกิดการโค้งงอได้หากอ่อนเกินไป หรือแตกหักได้หากแข็งเกินไป

ผิวของชุดยึดจะต้องเรียบอย่างมาก เพื่อให้แม่พิมพ์สามารถปิดได้สนิท และไม่เกิดการเสียดสีกับชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวอื่น ๆ คุณสมบัติของเหล็กกล้าที่ต้องการคือ มีความแข็งและทนทานต่อ Peening, Nicking และมีความแข็งแรงเพียงพอต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง เมื่อผ่านการกัดแต่งชุดยึดแล้ว จะนำมาทำการอบชุบความร้อน โดยชุบในอากาศ (Nondeforming Air-hardening Steel)

อย่างไรก็ตามมักเกิดการบิดเบี้ยวและนำมาปรับปรุงแม่พิมพ์อีกครั้ง หรือจะใช้วิธีที่ประหยัดกว่าโดยการนำ เหล็กกล้าที่มีราคาถูก มาการอบชุบความร้อน ก่อนการกัดแต่ง โดยทำให้มีความแข็งราว 250 BHN

เอกสารอ้างอิง