ถ้าพูดถึงเรื่องเครื่องมือที่ใช้ในงานไม้อย่างสิ่วหรือกบ คงจะเลี่ยงไม่กล่าวถึงเหล็กที่ใช้กับเครื่องมือคงไม่ได้ เพราะหัวใจของเครื่องมือที่ใช้ในงานไม้ก็คือเหล็ก ราคาของเครื่องมือ Hand Tools จะดีดตัวขึนสูงหรือลงต่ำก็แปรผันไปตามชนิด วิธีการ และขั้นตอนการผลิตของเหล็กที่ผู้ขายเลือกมาใช้ ซึ่งในบทความนี้เราจะไปทำความรู้จักกับชนิดและประเภทของเหล็ก Tool Steel พื้นฐานที่นิยมใช้ในงานไม้ เพื่อที่จะได้มีความเข้าใจเบื้องต้นว่าเหล็กแบบไหนใช้ทำอะไร และมีคุณสมบัติทางกลศาสตร์แตกต่างกันยังไงบ้าง เวลาเดินเลือกซื้อเครื่องมือมาใช้ในครั้งต่อไปจะได้มีหลักการในการเลือกซื้อที่มีความเข้าใจมากขึ้นครับ
 
*** หมายเหตุ : เหล็กทีจะพูดถึงในบทความนี้ผมจะใช้ชื่อเรียกตามมาตรฐานของ AISI (The American Iron and Steel Institute) เพราะจะเป็นชือเรียกที่เราจะพอคุ้นเคยและผ่านตากันบ่อยๆ ตามผู้ผลิตเจ้าใหญ่ๆเช่น Veritas, Lie-Nielsen, Record, Woodriver หรือ Stanley ที่ใช้กำหนดประเภทของเหล็ก Tool Steel ที่ใช้ในอุปกรณ์ส่วนใหญ่ครับ
 
อะไรคือเหล็ก Tool Steel
 
ส่วนประกอบโดยหลักๆของเหล็ก (Steel) มาจากธาตุสองตัวหลักๆคือ Iron และ Carbon ครับ สองอย่างนี้เมื่อผสมกันในเตาหลอมในสัดส่วนที่กำหนดจะได้ออกมาเป็นเหล็กที่เราใช้งานกันอยู่ทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าสัดส่วนของ Carbon มีผลกับคุณสมบัติของเหล็กอย่างมาก และจะส่งผลถึงความแข็งแรง Hardness และความยืดหยุ่น Ductility เป็นอัตราส่วนแตกต่างกันไปตามปริมาณของ Carbon ที่เราผสมลงไป โดยส่วนมากเราสามารถผสมคาร์บอนลงไปใน Iron ได้ด้วยอัตราส่วนตั้งแต่ 0%-6.67% ซึ่งจะให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันประมาณ 3-4 ประเภท
 
ปริมาณ Carbon ที่ 0.0%-0.2% เป็นเหล็กที่เรียกว่า Low Carbon หรือ Mild Steel ที่ใช้ในอุสาหกรรมการก่อสร้าง เช่น เหล็กเส้น หรือเหล็กแปรรูปอื่นๆครับ สังเกตุว่าเหล็กประเภทนี้เนื่องจากมีปริมาณของ Carbon ที่น้อยจะมีความยืดหยุ่น (Ductility) ที่สูง และความแข็ง (Hardness) ที่ต่ำ ทำให้เราสามารถนำเหล็กเส้นมาดัดโค้งเป็นรูปทรงต่างๆได้นั่นเอง
 
ปริมาณ Carbon ที่ 0.55%-2.0% จะเรียกว่า High Carbon ซึ่งถือเป็นเหล็ก Tool Steel ที่สามารถนำมาใช้กับการทำงานไม้ได้แล้วครับ โดยสัดส่วนของ Carbon ที่มีประสิทธิภาพจะอยู่ที่ระหว่าง 0.8%-1.0%
 
กรณีที่ปริมาณ Carbon มากกว่า 2.0%-4.0% จะเรียกว่าเป็น Cast Iron ซึ่งพบเห็นได้ตามอุปรณ์ประเภทหน้าโต๊ะของโต๊ะเลื่อย หรือตัวเรือนของกบเหล็ก ซึ่งเหล็กพวกนี้จะมีความแข็ง (Hardness) สูงมาก และมีความยืดหยุ่น (Ductility) ที่ต่ำ ซึ่งถ้าเกิด Material Failure ก็จะเป็นรอยแตก หรือ Crack ไปเลยไม่มีการบิดงอแล้วครับ
 
ทำไมต้องมีคาร์บอนอยู่ที่ 0.8%-1.0%
 
เมื่ออยู่ในความร้อนสูง แร่ Iron จะเปลี่ยนโครงสร้างไปเป็นโมเลกุลอีกรูปแบบหนึ่งและถ้ามี Carbon ผสมอยู่ด้วย แร่ Iron จะทำปฎิกริยาผสานกับ Carbon เป็นโมเลกุลที่มีทั้งความแข็งแรงและยืดหยุ่นอยู่ในตัวเดียวกัน (เราเรียกโมลกุลนี้ว่า Perlite) จากการทดลองพบว่าระดับของ Carbon ที่ 0.8% จะมีการผสานสัดส่วนของโมเลกุลทั้งสองได้อย่างเต็มที่ เต็มที่เสียจนปริมาณ Carbon ที่มากกว่า 0.8% ขึ้นไปก็ไม่ทำปฎิกริยาผสานกับ Iron เพิ่มเติมอีกแล้ว และ Carbon ที่เกินมา ถ้าหากไม่ละลายหายไปกับอากาศก็ไปจับตัวผสานกับแร่ธาตุ สารปนเปื้อน หรือ Alloy อื่นๆ แล้วเปลี่ยนรูปร่างไปเป็นคริสตัลหรือคาร์ไบด์ในแบบอื่นๆแทนครับ
 
ในกรณีของใบกบ หรือสิ่ว ปริมาณของ Carbon ที่ 0.8%-1.0% เป็นตัวเลขที่เหมาะสมมากที่สุด เพราะเรื่องของปัจจัยของความคมที่เกิดจากเสี้ยนของโมเลกุลเหล็ก (Grain Structure) และระยะเวลาการลับที่เกี่ยวเนื่องกับความแข็งของเหล็ก (Hardness) เหล็กที่มีปริมาณ Carbon อยู่ในสัดส่วนนี้จะมีสมดุลที่ดีที่สุดคือให้ความคมที่นำไปใช้ในงานไม้ได้อย่างเหมาะสม และสามารถลับกับหินลับมีดด้วยมือได้ โดยไม่เสียเวลามากจนเกินไปนั่นเองครับ
 
Heat Treatment, Quenching and Tempering
 
ในกระบวนการทำเหล็ก Tool Steel จะมีวิธีการที่จำเป็นอีกอย่างหลังจากที่เราหลอมเอาแร่ Iron และ Carbon เข้าด้วยกันแล้ว เราเรียกมันว่า Heat Treatment ครับ โดยหลักการแล้วหลังจากที่เราหลอม Iron และ Carbon เข้าด้วยกันด้วยความร้อนแล้วนั้น เนื้อเหล็กจะยังนิ่มเกินไป และสภาพทางกลอาจจะยังไม่เหมาะสมกับการใช้ในงานไม้มากนัก เราจึงต้องนำเหล็กที่ได้ไปเข้าเตาอบอีกรอบเพื่อทำให้โมเลกุลมีความแข็งแรงมากขึ้น โดยการเร่งความร้อนให้สูงมากขึ้น ซึ่งในส่วนนี้จะทำให้ Iron และ Carbon ผสานกันได้อย่างสมบูรณ์มากขึ้นกว่าเดิมและสร้างเป็นโมเลกุลตัวใหม่ขึ้นมาชื่อว่า Austenite ซึ่งเจ้าคริสตัลตัวนี้ถ้าเราเอาเหล็กที่ผ่านกระบวนการอบร้อนมาวางเอาไว้ให้คลายความร้อนแบบธรรมดาที่อุณหภูมิห้อง เจ้าคริสตลัล Austenite จะค่อยๆคลายตัวและเปลี่ยนสภาพกลับไปเป็นเหล็กก้อนเดิมก่อนที่เราจะนำไปเข้าเตาอบนั่นเอง
 
การที่เราจะสามารถคงสภาพของ Austenite เอาไว้ได้โดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะทางกล ต้องผ่านกระบวนการที่สองที่เรียกว่า Quenching (เควนชิ่ง) หรือพี่ไทยเรียกกันว่า “ชุบแข็ง” นั่นเองครับ
 
Quenching โดยวิธีการคือหลังจากที่เราอบเหล็กให้ร้อนถึงขีดของอุณหภูมิที่เรากำหนดเอาไว้ แล้วเราก็นำมันออกมาจากเตาอบร้อน แล้วจุ่มลงในน้ำอุณหภูมิห้องแบบทันทีทันควัน (เหมือนสารคดีตอนตีดาบของญี่ปุ่นนะละครับ) สิ่งที่เกิดขึ้นในระดับโมเลกุลคือมันจะมีการสร้างคริสตัลตัวใหม่ขึ้นมาเสริมเข้าไปที่ตัวเก่า รูปทรงคล้ายๆหนามแหลมๆ ซึ่งเราเรียกมันว่า Martensite ซึ่งเจ้าคริสตัลตัวนี้จะไปทำหน้าที่เหมือนกรงขังดัก Austenite ไม่ให้เปลี่ยนแปลงสภาพอีกถึงแม้ว่าตัวเหล็กจะคลายความร้อนออกจนหมดเท่ากับอุณหภูมิห้องแล้วก็ตามที
 
แต่หลังจากเราจุ่มเหล็กลงในน้ำเสร็จแล้ว จะมีผลข้างเคียงที่ตามมาซึ่งก็คือค่าความแข็งที่สูงเกินไป สูงขนาดที่ว่าไม่สามารถนำไปใช้งานได้เพราะ แข็งมากจนเปราะและแตกง่าย และไม่มีความยืดหยุ่นเลย ซึ่งถ้าเรานำเอาเหล็กในขั้นตอนนี้ไปทำใบกบ หรือสิ่ว ตรงปลายคมจะเกิดอาการบิ่นง่ายมาก และพอบิ่นแล้วเนื่องจากเหล็กมีความแข็งสูงเกิน ทำให้เสียทั้งเวลา และวัสดุอุปกรณ์ในการลับโดยไม่จำเป็นครับ
 
วิธีการที่แก้ปัญหาความแข็งที่มากเกินพอดีนี้คือการนำเหล็กที่ออกมาจากกระบวนชุบแข็ง (Quenching) ไปเข้าเตาอบอีกรอบ แต่ครั้งนี้จะเป็นการอบเพื่อให้คริสตัล Martensite บางส่วนให้คลายค่าความแข็งลง ส่งผลให้ค่าความแข็งโดยรวมของเหล็กทั้งก้อนอยู่ในระดับที่เหมาะสม ซึ่งเราเรียกกระบวนการนี้ว่า Tempering (เทมเพอร์ริ่ง) นั่นเองครับ
 
มาทำความรู้จักเหล็ก Tool Steel แต่ละประเภทกัน
 
หลังจากทราบขั้นตอนการผลิตเหล็ก Tool Steel กันแบบคร่าวๆไปแล้ว เราจะสามารถแยกประเภทของเหล็กออกได้ตามาตรฐานของ AISI ได้หลายแบบ ซึ่งแต่ละแบบส่วนมากจะถูกตั้งชื่อเรียกตามวิธีการของการชุบแข็ง (Quenching) เช่น
 
W มาจากการจุ่มเหล็กลงในน้ำเพื่อชุบแข็ง (Water Quenching)
 
O มาจากการจุ่มเหล็กลงในน้ำมันเพื่อชุบแข็ง (Oil Quenching)
 
A ที่มาจากการปล่อยให้เหล็กลดความร้อนด้วยการทิ้งเอาไว้ให้คลายความร้อนอย่างช้าๆด้วยอากาศ (Air Quenching) นั่นเองครับ
 
หรือบางทีก็อาจจะมาจากชื่อของ Alloy (สารเสริมสร้างคุณสมบัติพิเศษ) ที่ผสมลงไปในเหล็กนอกเหนือจาก Iron หรือ Carbon เช่น
 
T เป็นการผสม Tungsten (ทังเสตน) เข้าไป ส่วนมากใช้ทำ High Speed Steel สำหรับดอกสว่าน หรือสิ่วกลึงไม้ที่ต้องทนความร้อนสูงๆ และต้องการความคมที่ยาวนานมากขึ้น เนื่องจากเครื่องมือตัดโดยเฉพาะพาวเวอร์ทูลส์ที่ต้องมีการหมุนใบตัดที่ความเร็วรอบสูงๆจะทำให้มีความร้อนสะสมมาก และอาจจะมากจนถึงอุณหภูมิที่ใช้ในการทำ เทมเพอร์ริ่ง และทำให้เหล็กเสียคุณสมบัติทางกลไป เหล็กที่มีส่วนผสมของทังเสตนจึงถูกคิดขึ้นมาเพื่อช่วยให้ทนความร้อนระหว่างการใช้งานได้มากขึ้นโดยคุณสมบัติไม่เปลี่ยนแปลงไปจากเดิม
 
CR-V เป็นการผสม Chromium (โครเมียม) และ Vanadium (วาเนเดียม) เข้าไปช่วยในเรื่องการต่อต้านสนิม และเพิ่มความต้านทานต่อแรงกระแทก (Toughness) ให้สูงขึ้น ส่วนมากนิยมใช้ทำพวกประแจ หรือเครื่องมือช่างยนต์ครับ
 
ส่วนมากเรามักจะพบเหล็ก CR-V ในสิ่วที่ราคาไม่สูงมากอย่าง Irwin Marples หรือ Brand ที่ผลิตในประเทศจีน ซึ่งคุณสมบัติจากสารสองตัวนี้จะช่วยให้สิ่วขึ้นสนิมได้ยากขึ้น (และดูเงางามเมื่อวางอยู่บน Shelf) แต่ข้อเสียอีกอย่างคือจะไม่สามารถลับคมได้คมเท่ากับเหล็กที่มี Grain Structure บริสุทธิ์อย่าง O1 หรือ W1 และตรงส่วนคมจะกระเทาะออกง่ายกว่าทำให้เกิดอาการคมแหว่ง เนื่องจาก Chromium จะเปลี่ยนตัวเองไปเป็น Carbide ก้อนหนาๆ กระจายตัวอยู่ในเนื้อเหล็ก และเนื่องจากโมเลกุลเหล็กที่ปลายมีดในส่วนที่เราลับคมไม่หนาเพียงพอที่จะรองรับเม็ดคาร์ไบด์ที่มีขนาดใหญ่กว่าได้ ทำให้เม็ดคาร์ไบด์เกิดการกระเทาะและหลุดออกในส่วนที่เราลับคม จึงกลายเป็นคมที้เว้าแหว่งไม่สมบูรณ์นั่นเองครับ

เหล็ก Tool Steel พื้นฐานที่จะมาแนะนำในบทความนี้เป็นเหล็กที่พบได้โดยทั่วไป และเป็นที่นิยมในตลาด และมักถูกกล่าวถึงอยู่บ่อยๆ ซึ่งที่นิมใช้กันอย่างแพร่หลายคือเหล็ก O1 และ A2 ซึ่งในบทความนี้จะเพิ่มในส่วนของ W ขึ้นมาเพื่อทำการอธิบายเปรียบเทียบระหว่างเหล็กทั้งสามแบบเพิ่มเติมด้วยครับ