(1)

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมวสด

มหาวทยาลยสงขลานครนทร A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of

Master of Engineering in Materials Engineering Prince of Songkla University

2552 ลขสทธของมหาวทยาลยสงขลานครนทร

การพฒนาระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว

Development of the Gas Induced Semi-Solid Metal Processing System

รอมฎอน บระพา

Romadorn Burapa

(2)

ชอวทยานพนธ การพฒนาระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว ผเขยน นายรอมฎอน บระพา สาขาวชา วศวกรรมวสด

อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก คณะกรรมการสอบ

ประธานกรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร.เจษฎา วรรณสนธ) (ผชวยศาสตราจารย ดร.ธวชชย ปลกผล)

กรรมการ (รองศาสตราจารย ดร.ศรกล วสทธเมธางกร)

กรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร.เจษฎา วรรณสนธ) กรรมการ (ดร.ประภาศ เมองจนทรบร) กรรมการ (ดร.พงษศกด ดลยประพนธ)

บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร อนมตใหนบวทยานพนธฉบบน

เปนสวนหนงของการศกษา ตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมวสด

…….…………………………….……. (รองศาสตราจารย ดร.เกรกชย ทองหน)

คณบดบณฑตวทยาลย

(3)

ชอวทยานพนธ การพฒนาระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว ผเขยน นายรอมฎอน บระพา สาขาวชา วศวกรรมวสด ปการศกษา 2552

บทคดยอ

กระบวนการทใชในการผลตโลหะกงของแขงไดรบการพฒนาอยางตอเนองและมการคดคนวธการใหม ๆ เพอใหมประสทธภาพเพมมากขน รวมถงชวยลดตนทนตาง ๆ ของกระบวนการผลตได ซงหนงในกระบวนการผลตโลหะกงของแขงทชวยลดตนทนดงกลาวได คอ กระบวนการผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสเขาไปในนาโลหะขณะแขงตว (กระบวนการ GISS) กระบวนการนไดถกพฒนาและนาไปใชงานกบอะลมเนยมผสมเกรดตาง ๆ ในระดบหองปฏบตการ อยางไรกตามการพฒนากระบวนการ GISS ใหสามารถประยกตใชงานไดในระดบอตสาหกรรม จาเปนตองศกษาตวแปรตาง ๆ ทสงผลตอกระบวนการผลต รวมถงชนงานทผลตได ซงในงานวจยน ไดทาการศกษาถงผลของเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส อณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต อตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ อณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ และผลของปรมาณนาโลหะทใชในกระบวนการผลตโลหะกงของแขงทมตอปรมาณสดสวนของแขงเรมตน และโครงสรางจลภาคทเหมาะสมสาหรบการขนรปอะลมเนยมผสมเกรด A356 ผลจากการวจยแสดงใหเหนถงความสมพนธของตวแปรตาง ๆ ไดแก อณหภม เวลา และปรมาณของนาโลหะทใชในการจมแทงกราไฟต พบวา สภาวะทเหมาะสมในการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS คอ การใชอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตทตากวา และใชเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทนานขน รวมกบการใชอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทเพมมากขน สงผลใหเกดสดสวนของแขงเพมขน และเฟส α อะลมเนยมทเกดขนมลกษณะเปนแบบกอนกลมเพมมากขนอกดวย โดยเฟส α อะลมเนยมทเกดขนนมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยอยระหวาง 60 - 80 μm. และมคาความกลมเฉลยอยระหวาง 0.65 - 0.75 นอกจากนดวยการใชสเลอรรกงของแขงทผลตไดดวยกระบวนการ GISS รวมกบการหลอฉดไดคาสตงและหลงจากทาการปรบปรงสมบตทางกลดวยกระบวนการทางความรอนแลว (T6) ทาใหสมบตทางกลของชนงานดขน โดยมคาความตานแรงดงสงสดอยท 293.3 MPa. และมคาเปอรเซนตการยดตวอยท 10.2 %

(4)

Thesis Title Development of the Gas Induced Semi-Solid Metal Processing System Author Mr.Romadorn Burapa Major Program Materials Engineering Academic Year 2009

Abstract

A new semi-solid metal processing technique has been developed to produce semi-solid slurry with more effectiveness and efficiency at lower costs for the rheocasting process. This technique is called the Gas Induced Semi-Solid (GISS) process. The GISS process has been successfully used in laboratory settings to process several aluminum alloys, including cast and wrought alloys. However, to develop this technique for commercial applications in industrial settings, it is important to determine the optimized processing conditions in order to control the resulting solid fraction and microstructure of the alloys. In this work, the effects of rheocasting times, rheocasting temperatures, diffuser surface area per melt volume (S/V Ratio), graphite diffuser temperatures and metal weights on the resulting solid fraction and microstructure of A356 aluminum alloy were investigated. Results of experiments show the relationship of the processing parameters rheocasting temperature, rheocasting time and amount of metal used in the GISS process. In summary, the results indicate the suitable conditions of the GISS process are lower rheocasting temperature and longer rheocasting time with the diffuser surface area per melt volume is increased. These conditions result in the solid fraction is increased and the formation of fine and uniform globular structure of the primary α - Al phase. The primary α - Al presented in mean particle diameter of 60 - 80 μm and shape factor of 0.65 - 0.75, and by using semi-solid slurry prepared by the GISS process with die casting component after T6 heat treatment can improve mechanical properties such as ultimate tensile strength of 293.3 MPa and elongation of 10.2%.

(5)

กตตกรรมประกาศ

วทยานพนธเลมนสาเรจลลวงไปไดดวยด ขาพเจาตองขอขอบคณ โครงการสมองไหลกลบ สานกงานพฒนาวทยาศาสตรและเทคโนโลยแหงชาต (สวทช.) และบณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร ทไดใหการสนบสนนทนวจย

ขอขอบคณ โครงการทนคาเลาเรยนและโครงการทนผชวยสอน ของนกศกษาระดบบณฑตศกษา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร ทไดใหการสนบสนนเงนคาลงทะเบยนเรยนในการศกษาระดบปรญญาโท

ขอขอบพระคณ ผศ.ดร.เจษฎา วรรณสนธ อาจารยทปรกษาวทยานพนธ ทไดใหโอกาสในการทาวจยและมอบความไววางใจใหขาพเจาเปนผชวยวจยในหลายๆ โครงการ ทาใหขาพเจาไดรบประสบการณและความรอนมประโยชนอยางมากมายในการทาวจย ตลอดจนใหคาแนะนาและกาลงใจทดเสมอมา

ขอขอบพระคณ ผศ.ดร.ธวชชย ปลกผล รศ.ดร.ศรกล วสทธเมธางกร ดร.ประภาศ เมองจนทรบร และ ดร.พงษศกด ดลยประพนธ ทไดเสยสละเวลามาเปนคณะกรรมการสอบวทยานพนธและใหขอเสนอแนะทดในครงน ซงทาใหวทยานพนธนมความสมบรณมากยงขน

ขอขอบคณ ภาควชาวศวกรรมเหมองแรและวสด คณะวศวกรรมศาสตร และบคลากรทกทานทใหการสนบสนนดานสถานท งบประมาณ และคาแนะนาตางๆ ซงทาใหการดาเนนงานเปนไปไดอยางราบรน

นอกจากนวทยานพนธเลมนจะสาเรจไปไมไดเลย หากไมไดรบความชวยเหลอจากทมงาน Innovative Metal Technology (IMT) ทกคน ซงไดใหความชวยเหลออยางเตมทในการทดลองครงน

และสดทาย ขาพเจาขอขอบพระคณ คณพอและคณแมทคอยดแลเอาใจใสตงแตเลกจนโตและเปนกาลงใจใหตลอดมา

รอมฎอน บระพา

(6)

สารบญ

หนา บทคดยอ กตตกรรมประกาศ สารบญ รายการตาราง รายการรป สญลกษณคายอและตวยอ บทท 1. บทนา

1.1 ความสาคญและทมาของปญหาททาการวจย 1.2 วตถประสงคของโครงการวจย 1.3 ขอบเขตของโครงการวจย 1.4 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 1.5 ทฤษฎ สมมตฐาน หรอกรอบแนวความคดของโครงการวจย 1.5.1 การหลอโลหะแบบกงของแขง (Semi-Solid Metal Casting)

1.5.2 เทคโนโลยการผลตโลหะกงของแขง 1.5.3 กรรมวธ Rheocasting แบบตาง ๆ ทใชในอตสาหกรรม

1.5.4 กรรมวธการผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะ แขงตว (Gas Induced Semi-Solid, GISS Process)

1.6 งานวจยทเกยวของ 2. วธการวจย

2.1 วสดทใชในงานวจย 2.2 เครองมอและอปกรณทใชในงานวจย 2.2.1 เตาหลอม (Melting Furnace) 2.2.2 เบาหลอมโลหะ (Crucible) 2.2.3 เครองผลตโลหะกงของแขงดวยการพนฟองแกสขณะแขงตว (GISS Version 1.0)

(3) (5) (6) (11) (13) (19)

1 1 3 3 4 4 4 6 7 10

11 19 19 20 20 20 21

(7)

สารบญ (ตอ)

2.2.4 เครองหลออดฉดสาหรบการขนรปชนงานของอะลมเนยม (Die Casting Machine) 2.3 ขนตอนการวจย 2.3.1 พฒนาและสรางเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขง 2.3.2 การวเคราะหทางความรอน (Thermal Analysis) ของโลหะทใช ในการทาวจย 2.3.3 การประมาณคาสดสวนของแขงดวยแบบจาลองของไชล (Scheil Model)

2.3.4 การศกษาผลของตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลต โลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว 2.3.5 การประยกตใชระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกส ขณะแขงตว (GISS Process) รวมกบกระบวนการหลอแบบไดคาส (Die Casting) 2.4 ขนตอนการเตรยมชนงานเพอการวเคราะหโครงสรางทางจลภาค 2.5 ขนตอนการตรวจสอบโครงสรางทางจลภาค (Microstructure) 2.5.1 ขนตอนการเตรยมชนงานและการตรวจสอบโครงสรางจลภาค 2.5.2 ขนตอนการวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณ (Quantitative Image Analysis) 2.6 ขนตอนการหาคาความหนาแนนและเปอรเซนตโพรงอากาศภายในเนอชนงาน ตวอยาง 2.7 ขนตอนการปรบปรงโครงสรางจลภาคและสมบตเชงกลของโลหะอะลมเนยม ผสมเกรด A356 ดวยกระบวนการทางความรอน (Heat Treatment) 2.8 ขนตอนการทดสอบสมบตเชงกล (Mechanical Properties) ของโลหะอะลมเนยม ผสม A356 3. ผลและการอภปรายผล

3.1 การพฒนาและสรางเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขง

หนา 22

22 22 22

23

23

24

24 25 25 26

28

29

29

30 30

(8)

สารบญ (ตอ)

3.2 การวเคราะหทางความรอน (Thermal analysis) ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 3.3 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต (Rheocasting Temperature) และ เวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส (Rheocasting Time) 3.3.1 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชใน การจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทมตออณหภมของสเลอรร กงของแขง (Slurry Temperature) อตราการเยนตวของนาโลหะ ในระหวางการจมแทงกราไฟต (Cooling Rate) และปรมาณ สดสวนของแขงเรมตน (Initial Solid Fraction) 3.3.2 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชใน การจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทมตอโครงสรางทางจลภาค (Microstructure) ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 3.4 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ (S/V Raito) 3.4.1 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนา โลหะ ทมตออณหภมของสเลอรรกงของแขง (Slurry Temperature) และปรมาณสดสวนของแขงเรมตน (Initial Solid Fraction) 3.4.2 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนา โลหะ ทมตอโครงสรางทางจลภาค (Microstructure) ของโลหะ อะลมเนยมผสมเกรด A356 3.5 ผลของอณหภมแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ (Graphite Diffuser Temperature) 3.5.1 ผลของอณหภมแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ ทม ตออณหภมของสเลอรรกงของแขง (Slurry Temperature) และ ปรมาณสดสวนของแขงเรมตน (Initial Solid Fraction)

หนา 35

38

38

42

47 48

50

52

53

(9)

สารบญ (ตอ)

3.5.2 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสท มตอโครงสรางทางจลภาค (Microstructure) ของโลหะ อะลมเนยมผสมเกรด A356 3.6 ผลของปรมาณนาโลหะ (Metal Weight) ทใชในกระบวนการผลตโลหะกง ของแขงทมตอเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส 3.7 ผลของการประยกตใชระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะ แขงตว (GISS Process) รวมกบกระบวนการหลอแบบไดคาสตง (Die Casting) 3.7.1 ผลของการฉดชนงานตวอยางจากอตสาหกรรมดวยเทคโนโลย โลหะกงของแขง 3.7.2 ผลการทดสอบความหนาแนนและเปอรเซนตโพรงอากาศของ อะลมเนยมเกรด A356 3.7.3 การทดสอบ Blister ทเกดขนของชนงานตวอยางทผลตได 3.7.4 การทดสอบสมบตทางกลของชนงานตวอยางทผลตไดดวย เทคโนโลยโลหะกงของแขง 3.7.5 โครงสรางทางจลภาคของชนงานตวอยางทผลตไดดวย เทคโนโลยโลหะกงของแขง 4. บทสรปและขอเสนอแนะ 4.1 บทสรป 4.1.1 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชจม แทงกราไฟตเพอพนฟองแกส 4.1.2 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนา โลหะ 4.1.3 ผลของอณหภมแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ 4.1.4 ผลของปรมาณนาโลหะทใชในกระบวนการผลตโลหะกง ของแขง

หนา 54

57

61

62

64

65 66

68

70 70 70

71

71 72

(10)

สารบญ (ตอ)

4.1.5 ผลของการประยกตใชระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพน

ฟองแกสขณะแขงตวรวมกบกระบวนการหลอแบบไดคาสตง 4.2 ขอเสนอแนะ บรรณานกรม ภาคผนวก

ก. ลกษณะเฉพาะของอะลมเนยมผสมเกรด A356-T6 ในงานหลอแบบพมพถาวร (Permanent Mold Casting)

ข. ผลการวเคราะหสวนผสมทางเคมของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทใชในงานวจยครงน

ประวตผเขยน

หนา 72

73 74 77 78

81

86

(11)

รายการตาราง

ตารางท หนา 2.1 2.2

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

แสดงสวนผสมทางเคมของอะลมเนยมผสม A356 ทใชในการวจยครงนแสดงคาความหนาแนนอางอง (Reference Density, DRef.) ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทใชในงานวจยครงน แสดงคาสดสวนของแขงทอณหภมตาง ๆ ของโลหะอะลมเนยมผสม A356 ทคานวณไดดวยสมการของไชล (Scheil Equation) ผลของอณหภมสเลอรรกงของแขง อตราการเยนตวของนาโลหะในระหวางการจมแทงกราไฟต และปรมาณสดสวนของแขงทเกดขนหลงจากการจมแทงกราไฟตทอณหภมของนาโลหะและเวลาทใชในการพนฟองแกสทแตกตางกน สรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต 620°C แตเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตแตกตางกน สรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 วนาท แตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตแตกตางกน ผลของพนทผวแทงกราไฟตทใชจมลงไปในนาโลหะและปรมาตรของนาโลหะทใชทมตออตราสวนของพนทผวแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกน สรปผลของอณหภมสเลอรรกงของแขงและปรมาณสดสวนของแขงทเกดขน ภายใตอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทใชแตกตางกน สรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 20 วนาทรวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกน

19 28

36

39

43

46

47

49

51

(12)

รายการตาราง (ตอ)

ตารางท หนา 3.8

3.9

3.10

3.11 ก.1

สรปผลของอณหภมสเลอรรกงของแขง และปรมาณสดสวนของแขงทเกดขนภายใตอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทแตกตางกน สรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 และ 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทใชแตกตางกน สรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชปรมาณนาโลหะและเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทแตกตางกน แสดงคา UTS และคา % El ทไดจากการทดสอบแรงดง แสดงสมบตตาง ๆ ของอะลมเนยมผสมเกรด A356-T6 ในงานหลอแบบพมพถาวร

54

56

59

67 79

(13)

รายการรป รปท หนา 1.1 แผนภาพสมดลภาคแสดงชวงอณหภมของโลหะทอยในสถานะกงแขงกงเหลว 5 1.2 เปรยบเทยบโครงสรางและการไหลระหวางการหลอดวยนาโลหะกบโลหะกง

ของแขง (Wannasin, 2006) 5

1.3 เปรยบเทยบกระบวนการ Thixocasting และ Rheocasting (Wannasin, 2006) 7 1.4 กรรมวธ New Rheo Casting process (NRCTM) 8 1.5 กรรมวธ Sub Liquidus Casting (SLCTM) (Jorstad et al., 2004) 8 1.6 กรรมวธ Rheocasting ของ Hitachi (Kaneuchi et al., 2002) 9 1.7 กรรมวธ Semi-Solid Rheocasting (SSRTM) (Yurko et al., 2004) 9 1.8 กรรมวธผลตโลหะกงของแขงแบบใหมดวยกระบวนการ Gas Induced Semi-

Solid (GISS Process) และโครงสรางเกรนแบบกอนกลมทผลตได (Wannasin et al., 2006)

10

1.9 (ก) แสดงการแตกตวของกลมเดนไดรต (ข) แสดงเสนทางววฒนาการการเตบโตของ Solid Particles แบบแฉก (Rosettes) และแบบกอนกลม (Spheroids) (Martinez, 2004)

12

1.10 (ซาย) แสดงภาพจาลองกระบวนการ Rheo-Diecasting (RDC) และ (ขวา) โครงสรางเกรนแบบกอนกลมของ Al alloy A357 ทผลตไดจากวธ RDC (Fan, 2005)

14

1.11 (ซาย) แสดงภาพจาลองวธ Low Superheat Pouring with Shearing Field (LSPSF) และ (ขวา) โครงสรางเกรนแบบกอนกลมของ Wrought Al alloy 2024 ทผลตไดจากวธ LSPSF (GUO Hong-min et al., 2007)

17

2.1 แสดงแทงอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทใชในงานวจยครงน 19 2.2 แสดงเตาหลอมไฟฟาแบบใชลวดความตานทานทใชในการทดลอง (ซาย) เตา

หลอมทใชในการศกษาผลของตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขง (ขวา) เตาหลอมทใชรวมกบเครองฉดไดคาสตง

20

2.3 แสดงเบาหลอมโลหะทใชในงานวจยน 21

(14)

รายการรป (ตอ) รปท หนา 2.4 แสดงเครองผลตโลหะกงของแขงดวยการพนฟองแกสขณะแขงตวทมชอวา

GISS Version 1.0 21

2.5 เครองหลอฉดไดคาสตงขนาด 80 ตน และแมพมพสาหรบการหลอฉดขนรปชนงานดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

22

2.6 แสดงตาแหนงทใชพาย (Spatula) ผากอนโลหะกงของแขง 25 2.7 แสดงบรเวณของชนงานทนาไปตรวจสอบโครงสรางจลภาค (Microstructure) 25 2.8 แสดงภาพถายโครงสรางทางจลภาคทนาไปปรบแตงดวยโปรแกรม Photoshop 27 2.9 แสดงการวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณ (Quantitative Analysis) ดวย

โปรแกรม Image Tool 27

2.10 แสดงภาพขนาดของชนงานทใชในการทดสอบแรงดง (หนวย: mm.) 29 3.1 แสดงชดอปกรณผลตโลหะกงของแขงระดบ Lab-Scale ทใชในหองปฏบตการ 30 3.2 แสดงเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขงทมชอวา GISS Version

1.0 32

3.3 แสดงการวดอณหภมของนาโลหะกอนการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสดวยตววดอณหภม (Thermocouple)

32

3.4 แสดงการนาเบาสเตนเลสทตกนาโลหะจากเตาหลอมมาจมแทงกราไฟตและปลอยฟองแกสเพอผลตโลหะกงของแขงตามปรมาณสดสวนของแขงทตองการ

33

3.5 แสดงการใชพายในการตดกอนโลหะกงของแขงทมสดสวนของแขงประมาณ 45% ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทผลตไดจากเครอง GISS Version 1.0

33

3.6 แสดงการเปรยบเทยบลกษณะของเนอโลหะและโครงสรางทางจลภาคของโลหะอะลเนยมผสมเกรด A356 (ก) ไมผานกระบวนการผลตโลหะกงของแขงและมการแขงตวแบบทวไป และ (ข) ผานกระบวนการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS

34

(15)

รายการรป (ตอ)

รปท หนา 3.7 แสดงเสนกราฟของการเยนตว (Cooling Curves) ของโลหะอะลมเนยมผสม

A356 ทนามาใชในงานวจยครงน 35

3.8 แสดงเสนกราฟสดสวนของแขง (Solid Fraction Curves) ของโลหะอะลมเนยมผสม A356 ทนามาใชในงานวจยครงน

36

3.9 แสดงเสนกราฟการเยนตวและวธการหาอณหภมของสเลอรรกงของแขงในขณะทาการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS

37

3.10 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟต เพอพนฟองแกสทมตออณหภมของสเลอรรกงของแขง

40

3.11 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟต เพอพนฟองแกสทมตอปรมาณสดสวนของแขง

41

3.12 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟต เพอพนฟองแกสทมตออตราการเยนตวของนาโลหะในระหวางการจมแทงกราไฟต

41

3.13 โครงสรางจลภาคของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตทอณหภม 620°C แตเวลาในการจมแทงกราไฟตแตกตางกน (ก) 5 วนาท (ข) 12 วนาท และ (ค) 20 วนาท ตามลาดบ

42

3.14 ผลของเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทมตอขนาดเสนผานศนยกลางและคาความกลมของเฟส α อะลมเนยม ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต 620°C

44

3.15 โครงสรางทางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทเวลา 5 วนาท แตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตแตกตางกน (ก) 650°C (ข) 635°C และ (ค) 620°C ตามลาดบ

45

3.16 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทมตอขนาดเสนผานศนยกลางและคาความกลมของเฟส α อะลมเนยม ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 วนาท

46

(16)

รายการรป(ตอ)

รปท หนา 3.17 แสดงการจาลองของการจมแทงกราไฟตลงไปในนาโลหะดวยอตราสวน

พนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกน (ก) 0.15 (ข) 0.22 (ค) 0.28 และ (ง) 0.35

48

3.18 ผลของอตราสวนพนท ผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกนทมตออณหภมสเลอรรกงของแขงและปรมาณสดสวนของแขงทเกดขน

49

3.19 โครงสรางทางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทเวลา 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกน (ก) 0.15 (ข) 0.22 (ค) 0.28 และ (ง) 0.35 ตามลาดบ

50

3.20 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทมตอขนาดเสนผานศนยกลางและคาความกลมของเฟส α อะลมเนยม ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 20 วนาท รวมกบอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C

52

3.21 โครงสรางทางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทเวลา 5 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทแตกตางกน (ก) 40°C และ (ข) 100°C ตามลาดบ

54

3.22 โครงสรางทางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทเวลา 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทแตกตางกน (ก) 40°C และ (ข) 100°C ตามลาดบ

55

(17)

รายการรป(ตอ)

รปท หนา 3.23 ผลของอณหภมแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทมตอขนาดเสน

ผานศนยกลางและคาความกลมของเฟส α อะลมเนยม ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 และ 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C

56

3.24 ผลของปรมาณนาโลหะทใชในกระบวนการผลตโลหะกงของแขงทมตอเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส

57

3.25 โครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชปรมาณนาโลหะและเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทแตกตางกน (ก) 500 กรม – 20 วนาท (ข) 1,000 กรม – 40 วนาท และ (ค) 1,000 กรม – 50 วนาทตามลาดบ

58

3.26 ผลของปรมาณนาโลหะทมตอขนาดเสนผานศนยกลางและคาความกลมของเฟส α อะลมเนยม ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชปรมาณนาโลหะและเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทแตกตางกน

60

3.27 แสดงการฉดชนงานตวอยางจากอตสาหกรรมดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

61

3.28 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด A356 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

62

3.29 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด ADC10 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

62

3.30 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด ADC12 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

62

3.31 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด LM6 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

63

3.32 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด A5052 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

63

(18)

รายการรป(ตอ)

รปท หนา 3.33 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด A6061 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะ

กงของแขง 63

3.34 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด A7075 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

63

3.35 แสดงความหนาแนนของชนงานอะลมเนยมผสมเกรด A356 64 3.36 แสดงเปอรเซนตโพรงอากาศของชนงานอะลมเนยมผสมเกรด A356 64 3.37 แสดงผวของชนงานทผานการหลอฉดขนรปดวยนาโลหะแบบธรรมดา

ภายหลงจากการนาชนงานไปอบในเตาอบทอณหภม 520°C เปนเวลา 3ชวโมง

65

3.38 แสดงผวของชนงานทผานการหลอฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง ภายหลงจากการนาชนงานไปอบในเตาอบทอณหภม 520°C เปนเวลา 3 ชวโมง

66

3.39 แสดงการเปรยบเทยบคา UTS และคา % El ทไดจากการทดสอบแรงดงของชนงานตวอยางของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทผลตได

67

3.40 แสดงโครงสรางจลภาคของชนงานอะลมเนยมผสมเกรด A356 (ก) ผานการหลอฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต (Liquid Die Casting) (ข) ผานการหลอฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง (GISS Die Casting)

68

3.41 แสดงโครงสรางจลภาคของชนงานอะลมเนยมผสมเกรด ADC10 (GISS Die Casting)

68

3.42 แสดงโครงสรางจลภาคของชนงานอะลมเนยมผสมเกรด ADC12 (ก) ผานการหลอฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต (Liquid Die Casting) (ข) ผานการหลอฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง (GISS Die Casting)

69

(19)

สญลกษณคายอและตวยอ A พนทของอนภาคกอนกลม (Area) Al อะลมเนยม (Aluminium) ART Advanced Rheo-diecasting Technique Cu ทองแดง (Copper) d เสนผานศนยกลางเฉลยของอนภาคกอนกลม (Particle Equivalent

Diameter) DB คาความหนาแนนของชนงานตวอยาง (Samples Density) DRef. คาความหนาแนนอางอง (Reference Density) El Elongation EMS Electromagnetic Stirring F คาความกลมของอนภาค (Shape Factor) fs สดสวนของแขง (Solid Fraction) GISS Gas Induced Semi-Solid HPDC High Pressure Die Casting LSPSE Low Superheat Pouring with Shearing Field MD นาหนกชนงานทอบแหง (Dry Mass of Samples) Mg แมกนเซยม (Magnesium) MW นาหนกชนงานทชงในนา (Mass of Samples Suspended in Water) NRC New Rheo Casting P เสนรอบวงของอนภาคกอนกลม (Perimeter) Pb ตะกว (Lead) RDC Rheo-Diecasting SLC Sub Liquidus Casting Sn ดบก (Tin) SoD Slurry On Demand SSM Semi-Solid Metal SSR Semi-Solid Rheocasting

(20)

S/V Ratio อตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ TE อณหภมทจดยเทกตก (Eutectic Temperature) TL อณหภมทเสนของเหลว (Liquidus Temperature) UTS Ultimate Tensile Strength YS Yield Strength Zn สงกะส (Zinc)

บทท 1

บทนา

1.1 ความสาคญและทมาของปญหาททาการวจย ในปจจบนน เทคโนโลยการผลตโลหะกงของแขง (Semi-Solid Metal Processing, SSM)

กาลงเปนทสนใจของนกวจยและอตสาหกรรมทวโลกทงในอเมรกา ญปน ยโรป เกาหลใต ออสเตรเลย หรอแมกระทง จน ในการนามาประยกตใชรวมกบกระบวนการหลอแบบตางๆ โดยเฉพาะในกระบวนการหลอแบบไดคาสตง (Die Casting) เพอเพมคณภาพของชนงานหลอและประสทธภาพในการผลต เนองมาจากการหลอแบบไดคาสตงทวไปนนเปนการฉดขนรปนาโลหะเขาไปในแมพมพดวยความดนและความเรวสง ซงทาใหเกดปญหาและขอจากดหลายอยาง เชน การเกดโพรงอากาศภายในชนงานหลอจากการทนาโลหะไหลเขาแมพมพอยางปนปวน (Turbulent Flow) ชนงานทผลตไดจงมสมบตเชงกลทตากวาการหลอโดยวธอนๆ อกทงการใชนาโลหะทมอณหภมสงในการหลอฉดขนรปชนงาน ทาใหแมพมพมอายการใชงานทสน เปนผลใหตนทนในการผลตเพมขนมาก นอกจากนการแขงขนในอตสาหกรรมการหลอแบบไดคาสตงทมมากขนทงภายในและภายนอกประเทศ เปนสงททาใหผประกอบการทวโลกตองแขงขนกนดวยการลดตนทนของการผลต โดยการประยกตใชเทคโนโลยใหมๆ เพอเพมคณภาพและประสทธภาพในการผลต ซงหนงในเทคโนโลยทมศกยภาพในการชวยลดตนทนของการผลตในการหลอแบบไดคาสตง และกาลงไดรบความสนใจอยางมากในปจจบน คอ เทคโนโลยการผลตโลหะกงของแขง เนองจากเปนกระบวนการผลตททาใหโลหะมโครงสรางเกรนทไมเปนแบบกงไม (Non-Dendritic Grain) หรอทเรยกวาโครงสรางเกรนแบบกอนกลม (Spheroidal Grain) โลหะกงของแขงทไมมโครงสรางเกรนกงไมน ทาใหเกดลกษณะเดนในแงของกระบวนการผลต เชน ลดการเกดกบดกอากาศ (Air Entrapment) เนองจากมการไหลเขาแมพมพทราบเรยบกวา (Laminar Flow) ลดการเกดโพรงหดตวในตอนสดทาย (Shrinkage) และเนองจากใชอณหภมทตากวาในการขนรป อายการใชงานของแมพมพจงยาวนานขน เปนตน อกทงยงทาใหเกดลกษณะเดนในแงของผลตภณฑ เชน มสมบตเชงกลทสงขน เกดโพรงอากาศภายในชนงานนอยมาก และโครงสรางของเกรนมความสมาเสมอตงแตบรเวณผวจนถงภายในชนงาน เปนตน (Wannasin, 2006) ซงในชวงแรกของการประยกตใชเทคโนโลยการผลตโลหะกงของแขงในกระบวนการหลอแบบไดคาสตงนนจะใชกรรมวธ Thixocasting (Flemings and Johnson, 2002) อยางไรกตาม ปญหาตางๆ ทเกดขน เชน ตนทนใน

1

2

การซอเครองจกรและอปกรณทมราคาสง ประกอบกบแทงวตถดบทใช (Billet) มราคาแพงกวาอนกอต (Ingot) ของโลหะทใชในการหลอทวไป และการทชนสวนทเปน Runner และ Overflow หรอ Reject ตางๆ ไมสามารถนามาหลอมใชใหมในโรงงานได เปนสาเหตสาคญททาใหกรรมวธ Thixocasting ไมไดมการใชอยางแพรหลาย จากขอจากดของกรรมวธ Thixocasting ทาใหการวจยและพฒนาเทคโนโลยการผลตโลหะกงของแขง ในกระบวนการหลอแบบไดคาสตงเปลยนไปเปนกรรมวธแบบ Rheocasting แทน ซงเปนการผลตโลหะกงของแขงในโรงงานหลอโดยตรง และสามารถนาชนสวนทเปน Runner และ Overflow หรอ Reject ตางๆ มาทาการหลอมและผลตเปนโลหะกงของแขงเพอใชใหมไดอก ซงทาใหตนทนในการผลตตาลงอยางมาก จงมการพฒนากรรมวธ Rheocasting แบบตางๆ ขนมาหลายวธ ซงกรรมวธ Rheocasting ทมการนาไปใชในอตสาหกรรมแลวนน เชน กรรมวธ New Rheo Casting (NRCTM) โดยบรษท UBE Machineries (ญปน) กรรมวธ Sub Liquidus Casting (SLCTM) ของบรษท THT Presses (อเมรกา) กรรมวธ Slurry On Demand (SoD) โดย Mercury Marine (อเมรกา) กระบวนการของ Honda โดยบรษท Honda (ญปน) และกระบวนการ Semi-Solid Rheocasting (SSRTM) โดยนกวจยท MIT (อเมรกา) นอกจากนยงมอกหลายวธทอยระหวางการวจยและพฒนาไปสการใชเชงพาณชยในอตสาหกรรม เชน กระบวนการ CSIR (อฟรกาใต) และกระบวนการ Advanced Rheo-diecasting Technique (ART) (เกาหลใต)

ในประเทศไทย เรมมการวจยและพฒนาเทคโนโลยการผลตโลหะกงของแขงดวยกรรมวธแบบใหมเพอประยกตใชกบอตสาหกรรมภายในประเทศ ทนาโดย ผศ.ดร.เจษฎา วรรณสนธ อาจารยและนกวจยจากภาควชาวศวกรรมเหมองแรและวสด มหาวทยาลยสงขลานครนทร โดยมทปรกษาจากสหรฐอเมรกาหลายคน รวมทง Prof. Merton Flemings จาก MIT กาลงวจยและพฒนากรรมวธ Rheocasting แบบใหม ภายใตการสนบสนนทนวจยของโครงการสมองไหลกลบ สวทช. โดยกรรมวธ Rheocasting แบบใหมนจะใชวธการพนฟองแกสเฉอยผานแทงกราไฟตพรนในปรมาณทนอยมากใหไหลลงไปในนาโลหะเพอผลตโลหะกงของแขง และเรยกกรรมวธ Rheocasting แบบใหมนวาวธ Gas Induced Semi-Solid (GISS) ซงผลจากการวจยและพฒนากระบวนการทผานมาแสดงใหเหนวาเทคนคนสามารถผลตโลหะกงของแขงทมโครงสรางเกรนแบบกอนกลมได และทผานมาทมวจยไดมการออกแบบและสรางชดอปกรณผลตโลหะกงของแขงระดบ lab-scale ทใชในหองปฏบตการขน เพอศกษาเกยวกบอทธพลของตวแปรตางๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขง และกลไกการเกดขนของโครงสรางแบบกอนกลม แตเนองจากกระบวนการ GISS นยงอยในชวงของการวจยและพฒนา ซงยงไมไดนาไปประยกตใชเชงพาณชยในอตสาหกรรมจรง ดงนนโครงการวจยนจงไดมงเนนทจะพฒนาระบบและสรางเครอง

3

ผลตโลหะกงของแขงดวยกรรมวธการพนฟองแกสขณะแขงตว (GISS System) ในระดบอตสาหกรรม (Industrial Scale) เพอความสะดวก งายตอการนาไปใชงาน และสามารถผลตโลหะกงของแขงไดอยางมประสทธภาพ และทสาคญตองมราคาไมแพงสามารถนาไปใชงานไดจรงรวมกบกระบวนการหลอแบบตางๆ โดยเฉพาะกระบวนการหลอแบบไดคาสตง ซงนาจะทาใหมการประยกตใชกระบวนการผลตโลหะกงของแขงรวมกบกระบวนการหลอแบบไดคาสตง เพอผลตชนงานตางๆ มากยงขน และชวยใหผประกอบการลดตนทนในการผลตได นอกจากนยงชวยเพมคณภาพและสมบตเชงกลของชนงานหลอ ลดเวลาในการผลตตอชน (Cycle Time) ลดของเสย (Reject Parts) เพมอายการใชงานของแมพมพ และลดตนทนในกระบวนการอบชบทางความรอน เปนตน เพอใหไดรบประโยชนจากการใชกระบวนการผลตโลหะกงของแขงอยางเตมท การพฒนาระบบผลตโลหะกงของแขงทมราคาถก สามารถผลตโลหะกงของแขงทมประสทธภาพและใชงานรวมกบเครองหลอฉดไดคาสทวไปได จงเปนสงสาคญและมความทาทายเปนอยางยง 1.2 วตถประสงคของโครงการวจย

1.2.1 เพอพฒนาระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว ทสามารถผลตโลหะกงของแขงของโลหะผสมเกรดตางๆ ไดอยางมประสทธภาพ

1.2.2 เพอศกษาผลของตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว ไดแก

- เวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส - อณหภมของนาโลหะกอนการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส

- อณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ - อตราสวนของพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ - ปรมาณของนาโลหะทใช

1.2.3 เพอศกษาการประยกตใชระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตวรวมกบกระบวนการหลอแบบตางๆ โดยเฉพาะกระบวนการหลอแบบไดคาสตง

1.3 ขอบเขตของโครงการวจย

โครงการวจยนมงเนนไปทการพฒนาระบบและสรางเครองผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสในระหวางการแขงตวของนาโลหะ ทสามารถผลตโลหะกงของแขงของโลหะผสมตางๆ ไดอยางมประสทธภาพ มความงายในการนาไปใช ราคาตอเครองไมแพง และสามารถนาไปใชงานไดจรงรวมกบกระบวนการหลอแบบตางๆ โดยเฉพาะกระบวนการหลอแบบไดคาสตง

4

ซงจะตองทาการพฒนาออกแบบและสรางเครองผลตโลหะกงของแขงใหสามารถควบคมเวลาในการผลตตอชนไดตามทกาหนด สามารถตรวจวดและควบคมอณหภมของนาโลหะในกระบวนการผลตได เพอเปนตวกาหนดสดสวนของแขง (Solid Fraction) ของโลหะกงของแขงทผลตได โดยจะมการศกษาผลของตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว กอนทจะนาโลหะกงของแขงทผลตไดนไปขนรปดวยกระบวนการหลอแบบไดคาสตงเพอผลตชนงานตอไป 1.4 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ

1.4.1 ไดเครองผลตโลหะกงของแขงทสามารถผลตโลหะกงของแขงของโลหะผสมตางๆ ไดอยางมประสทธภาพ

1.4.2 สามารถควบคมตวแปรตางๆ ทสาคญตอกระบวนการผลตและทาใหทราบถงสภาวะของตวแปรทเหมาะสมในกระบวนการผลตโลหะกงของแขงดวยการพนฟองแกสในระหวางการแขงตวของนาโลหะ

1.4.3 ทาใหมการประยกตใชกระบวนการผลตโลหะกงของแขงรวมกบกระบวนการหลอโลหะแบบตางๆ โดยเฉพาะในกระบวนการหลอแบบไดคาสตงเพอผลตชนงานตางๆ มากยงขน

1.4.4 ทาใหเปนแนวทางเพอการพฒนาและการนาไปใชประโยชนในเชงพาณชยของการผลตโลหะกงของแขงน

1.5 ทฤษฎ สมมตฐาน หรอกรอบแนวความคดของโครงการวจย 1.5.1 การหลอโลหะแบบกงของแขง (Semi-Solid Metal Casting)

การหลอโลหะแบบกงของแขง (Semi-Solid Metal Casting) จากในอดตทมการคนพบเปนครงแรกในชวงตนป 1970 โดย Spencer และ Flemings ทสถาบนเทคโนโลยแหงรฐแมสซาชเซตส (Massachusetts Institute of Technology, MIT) (Spencer, 1971) จนถงปจจบนกนบเปนเวลาเกอบ 40 ปแลวทไดมการวจยและพฒนากนมาตลอดระยะเวลาทผานมา โดยการหลอโลหะแบบกงของแขงนเปนการขนรปโลหะดวยการหลอในขณะทโลหะอยในสถานะกงแขงกงเหลว (Mushy State) ดงแสดงในรปท 1.1 ซงโลหะจะมการแขงตวเปนบางสวน โดยโลหะสวนทแขงตวแลวจะมโครงสรางเกรนไมเปนแบบเดนไดรต (Non-Dendritic Grain) หรอบางทเรยกวาเกรนแบบกอนกลม (Spheroidal หรอ Globular Grain) ดงรปท 1.2-ก (รปขวา) ซงเกรนกอนกลมทลอยอยในนาโลหะน

5

จะทาใหโลหะกงของแขง มความหนดมากกวานาโลหะทวไปหลายเทา ทาใหการไหลเขาแมพมพไมเปนแบบปนปวน (Non-Turbulent หรอ Laminar Flow) รปท 1.2-ข แสดงการไหลเปรยบเทยบระหวางนาโลหะทวไป (รปซาย) และโลหะกงของแขง (รปขวา) และรปท 1.2-ค เปรยบเทยบการไหลของนาโลหะทวไปทมโครงสรางเกรนแบบเดนไดรต (รปซาย) กบโลหะในสภาวะกงแขงกงเหลวทมโครงสรางเกรนแบบกอนกลม (รปขวา) ซงจะเหนไดชดเจนวาโลหะกงของแขงมการไหลทราบเรยบกวามาก (Wannasin, 2006)

รปท 1.1 แผนภาพสมดลภาคแสดงชวงอณหภมของโลหะทอยในสถานะกงแขงกงเหลว

รปท 1.2 เปรยบเทยบโครงสรางและการไหลระหวางการหลอดวยนาโลหะกบโลหะกงของแขง

(Wannasin, 2006)

ก

ข

ค

Mushy State

6

1.5.2 เทคโนโลยการผลตโลหะกงของแขง (Semi-Solid Metal Processing Technology) วธการผลตโลหะกงของแขงทสามารถใชไดในอตสาหกรรมมอยสองวธ ไดแก กรรมวธ

Thixocasting และกรรมวธ Rheocasting โดยในชวงแรกของการประยกตใชโลหะกงของแขงในอตสาหกรรมไดคาสตง จะทาโดยกรรมวธ Thixocasting ซงเรมจากการผลตแทงอะลมเนยมทมโครงสรางเกรนแบบ equiaxed ทละเอยดมากโดยการหลอแบบตอเนอง (Continuous Casting) ทมการกวนนาโลหะขณะแขงตวดวย จากนนโรงงานผลตชนงานไดคาส จะซอแทงอะลมเนยม (Billet) น และตดเปนทอนๆ แลวนามาใหความรอนโดยใช Induction Heating เพอใหอณหภมแทง Billet อยในชวงกงแขงกงเหลวอยางรวดเรว โดยโครงสรางเกรนแบบ Equiaxed ทละเอยดมากนจะเตบโตและ Coarsen เปนเกรนแบบกอนกลมในเวลาอนสน จากนนแทงอะลมเนยมกงของแขงหรอทเรยกวา Slug นกจะถกอดเขาไปในแมพมพ แสดงดงรปท 1.3 (บน) ชนสวนทผลตดวยกรรมวธ Thixocasting สามารถนาไปอบชบเพอเพมสมบตเชงกล ทาใหชนงานอะลมเนยมเหลานสามารถนาไปใชแทนเหลกหลอในรถยนตได (Wannasin, 2006)

ถงแมวาเทคโนโลยการหลอโลหะแบบกงของแขงจะมการวจยและพฒนามาอยางตอเนอง แตการประยกตใชกระบวนการ Thixocasting ในอตสาหกรรมกยงมอยจากดมาก โดยมการผลตแคประมาณ 20,000 – 25,000 ตนของชนสวนอะลมเนยม ในป 2001 (de Figueredo, 2001) สาเหตสาคญททาให Thixocasting ไมไดมการใชอยางแพรหลายมดงน

1. ตองการการลงทนสงในการซออปกรณตางๆ เชน อปกรณตดแทงอะลมเนยม ชดใหความรอนแบบเหนยวนา (Induction Heating Cell) อปกรณทใชยายแทง Slug และตองลงทนในการแกไขเครอง Die Casting หรอตองซอเครองใหมเพอใหใชกบแทง Slug ได

2. ราคาของแทงอะลมเนยม (Billet) ทมราคาแพงกวาอะลมเนยมอนกอต (Ingot) ทใชในการหลอทวไป ประมาณ 35 – 40% (DasGupta, 2004) ทาใหราคาของชนสวนทผลตดวย Thixocasting มราคาสงและไมคมคากบการผลตชนสวนหลายชนด นอกจากราคาของแทง Billet ทสงแลว การทชนสวนทเปน Runner และ Overflow หรอ Reject ตางๆ ไมสามารถนามาหลอมใชใหมในโรงงานได ทาใหราคาตนทนของวตถดบสงขนดวย

ดวยขอจากดของกรรมวธ Thixocasting เปนทเหนไดชดในอตสาหกรรมและในกลมนกวจย โดยในชวงประมาณ 10 ปทผานมา การวจยและพฒนาเปลยนไปเปนการมงใชกรรมวธ Rheocasting แทน ซงกรรมวธ Rheocasting เปนการผลตโลหะกงของแขงในโรงงานหลอโดยตรง (รปท 1.3 ลาง) โดยสามารถผลตจากแทงอนกอตของโลหะทใชกนทวไปและสามารถนาชนสวนทเปน Runner และ Overflow หรอ Reject ตางๆ มาหลอมและผลตเปนโลหะกงของแขงเพอใชใหม

7

ไดอก ซงทาใหตนทนในการผลตตาลงอยางมาก ทาใหกรรมวธ Rheocasting มศกยภาพทจะใชผลตชนสวนตางๆไดอยางไมจากด (Wannasin, 2006)

รปท 1.3 เปรยบเทยบกระบวนการ Thixocasting และ Rheocasting (Wannasin, 2006)

1.5.3 กรรมวธ Rheocasting แบบตางๆ ทใชในอตสาหกรรม

ปจจบนกรรมวธทใชในการผลตโลหะกงของแขงมหลากหลายวธ โดยทกวธการของ Rheocasting จะตองมการสราง Solid Particles ในปรมาณทพอเหมาะในขณะทโลหะกาลงแขงตว ซงสามารถทาไดหลายๆ วธ แตสวนใหญแลวกจะมการทาใหเกดการไหลเคลอนทของนาโลหะ (Forced Convection) ในขณะทโลหะกาลงแขงตว เพอใหมการแตกตวของเดนไดรตหรอมการเกด Nucleation มากขน ซงการทาใหเกด Forced Convection นน ทาไดหลายวธ ตงแตการใชวตถแขงรปรางเหมอนไมพายกวนนาโลหะ (Mehrabian and Flemings, 1972) การใชพลงสนามแมเหลกไฟฟา (Electro-Magnetic หรอ EM) การเทนาโลหะเพอใหเกดการไหลเคลอนท (Xia and Tausig, 1998) การใชการสนโดยแรงอลตราโซนก (Ultrasonic Vibration) (Jian, 2005) เปนตน นอกจากการใช Forced Convection ขณะทโลหะกาลงแขงตวแลว การใสสารทเพมการเกด Nucleation (Grain Refinement) หรอการอบโลหะทอณหภมในชวงกงแขงกงเหลวเปนเวลานาน กทาใหเกดโลหะกงของแขงไดเชนกน (de Figueredo, 2001)

กระบวนการทใชผลตโลหะแบบกงของแขงดวยกรรมวธแบบ Rheocasting ในปจจบนมอยหลายกระบวนการทสาคญๆ ซงมใชในอตสาหกรรมแลวมดงน

- The New Rheo Casting process (NRCTM) เปนกรรมวธ Rheocasting วธแรก ทประดษฐขนโดยบรษท UBE Machinery (ญปน) (UBE Machinery, Inc.) โดยใชวธการเทนาโลหะทอณหภมตาลงในเบา (Vessel) และควบคมการเตบโตของของแขงโดยการควบคมการถายเทความรอน และเทอะลมเนยมกงของแขงลงใน shot sleeve และอดเขาแมพมพ ดงแสดงในรปท 1.4 เครอง NRC

Thixocasting

Rheocasting

8

สามารถผลตอะลมเนยมกงของแขงไดหลายชนในเวลาอนสนโดยการม vessel หลายชนหมนเวยนกนผลตอะลมเนยมกงของแขง

รปท 1.4 กรรมวธ New Rheo Casting process (NRCTM)

(UBE Machinery, Inc. http://www.ubemachinery.com/diecasting.html)

กระบวนการ NRC ไดถกนามาใชผลตชนงานในอตสาหกรรมรถยนตโดยหลายบรษททวโลก แตกยงไมไดใชกนอยางแพรหลายซงขอจากดคอ ราคาของเครอง NRC ทสงถงมากกวา 80 ลานบาท (Yurko, 2005) ทาใหตองผลตชนงานทม Profit Margin สง อกขอจากดคอกระบวนการผลตทซบซอนประกอบดวยหลายขนตอนทาใหตองมการควบคมกระบวนการผลตอยางรอบคอบดวยผทมความชานาญ

- The Sub Liquidus Casting (SLCTM) เปนเทคโนโลยของบรษท THT Presses (อเมรกา) ซงหลกการของเครอง SLC คอการเทนาโลหะทมอณหภมใกลจดหลอมเหลวและมการเตม Grain Refiner ในนาโลหะ ดงแสดงในรปท 1.5 เครอง SLC มราคาประมาณ 50 ลานบาท (Jorstad et al., 2004)

รปท 1.5 กรรมวธ Sub Liquidus Casting (SLCTM) (Jorstad et al., 2004)

9

- The Slurry-On-Demand process (SoD) ของ Mercury Casting (อเมรกา) ใชแรงแมเหลกไฟฟาจากมอเตอรในการกวนนาโลหะขณะทกาลงแขงตวในเบากราไฟต ซง Mercury Casting ใชเทคโนโลยนในการผลตชนสวนตางๆภายในบรษท (Kopper et al., 2005)

- The Hitachi process (ญปน) ผลต SSM โดยการใชแรงแมเหลกไฟฟาในการกวนนาโลหะในขณะทกาลงแขงตว ซงกระทาใน shot sleeve ดงแสดงในรปท 1.6 (Kaneuchi et al., 2002)

รปท 1.6 กรรมวธ Rheocasting ของ Hitachi (Kaneuchi et al., 2002)

- The Semi-Solid Rheocasting (SSRTM) เปนผลจากการวจยของนกวจยท MIT โดยการใช

แทงกราไฟตทาหนาทระบายความรอนหมนลงในนาโลหะในเวลาอนสน เพอสรางเกรนแบบกอนกลมอยางมประสทธภาพ (รปท 1.7) เครอง SSR สามารถนาไปตดตงไวใกลๆเครองไดคาสตงเพอผลตโลหะกงของแขง เครอง SSR มราคาประมาณ 10 ลานบาท (Yurko et al., 2004)

รปท 1.7 กรรมวธ Semi-Solid Rheocasting (SSRTM) (Yurko et al., 2004)

10

- The Honda process (ญปน) ผลต SSM โดยใชแทงของแขงหมนในนาโลหะเพอใหเกดการกวน โดย Honda พฒนาเทคโนโลยนเพอใชผลตภายในบรษท โดยเมอป 2005 ไดผลตเสอสบเครองยนตดเซลของรถ Honda Accord ทขายในยโรป (Kuroki et al., 2004)

นอกจากนยงมอกหลายวธทอยในระหวางการวจยและพฒนาไปสการใชเชงพาณชยในอตสาหกรรม เชน กระบวนการ CSIR (อฟรกาใต) ทใชแรงแมเหลกไฟฟาในการกวน (Govender et al., 2006) และกระบวนการ Advanced Rheo-diecasting Technique (ART) (เกาหลใต) ซงใชแรงแมเหลกไฟฟาในการกวนเชนกน (Hong and Kim, 2006) 1.5.4 กรรมวธการผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว (Gas Induced Semi - Solid, GISS Process)

ปจจบนมการวจยและพฒนาเทคโนโลยการผลตโลหะกงของแขงแบบใหมขนในประเทศไทย นาโดย ผศ.ดร. เจษฎา วรรณสนธ อาจารยและนกวจยจากภาควชาวศวกรรมเหมองแรและวสด มหาวทยาลยสงขลานครนทร โดยมทปรกษาจากสหรฐอเมรกาหลายคน รวมทง Prof. Merton Flemings จาก MIT กาลงวจยและพฒนากรรมวธ Rheocasting แบบใหม ภายใตการสนบสนนของโครงการสมองไหลกลบ สวทช. ซงไดยนจดสทธบตรในประเทศไทยและในตางประเทศแลว โดยกระบวนการนจะใชการพนฟองแกสเฉอย เชน แกสอารกอนหรอไนโตรเจน ผานแทงกราไฟตพรนในปรมาณทนอยมากใหไหลลงไปในนาโลหะเพอผลตโลหะกงของแขง โดยใชหลกการการเคลอนยายของนาโลหะและการดดความรอนเฉพาะจด ซงวธการนฟองแกสจะเปนตวกลางในการกวนและแทงกราไฟตพรนจะเปนตวดดระบายความรอน ดงแสดงในรปท 1.8 และเรยกกรรมวธแบบใหมนวากระบวนการ Gas Induced Semi-Solid หรอทเรยกสนๆ วา กระบวนการ GISS ซงผลจากการวจยและพฒนากระบวนการทผานมาแสดงใหเหนวาเทคนคนสามารถผลตโลหะกงของแขงทมโครงสรางเกรนแบบกอนกลมได

รปท 1.8 กรรมวธผลตโลหะกงของแขงแบบใหมดวยกระบวนการ Gas Induced Semi-Solid

(GISS process) และโครงสรางเกรนแบบกอนกลมทผลตได (Wannasin et al., 2006)

11

ดวยวธการน เนองจากแทงกราไฟตไมตองมการหมนจงกอใหเกดประโยชนหลายดาน เชน ทาใหเราสามารถตอระบบหลอเยน (Cooling) และระบบเซนเซอรเขาไปกบระบบทงหมดของกระบวนการไดอยางงายไมซบซอน และเนองจากจะไมเกดกระแสวนในนาโลหะ ดงนนจะไมทาใหเกดปฏกรยาออกซเดชนเพมขน (Wannasin et al., 2006) 1.6 งานวจยทเกยวของ

S. Ji และคณะ (2001) ศกษากระบวนการผลตโลหะกงของแขงของโลหะผสม Sn–15wt.% Pb และ Mg-30wt.% Zn ดวยกรรมวธ Twin – Screw Rheomoulding โดยไดทาการศกษาถงลกษณะการไหลของของเหลว (Fluid Flow) และววฒนาการเกดโครงสรางทางจลภาค (Microstructural Evolution) ในระหวางกระบวนการน ผลทไดจากการทดลองของ Rheomoulding ของโลหะผสม Sn–15wt.%Pb และ Mg-30wt.%Zn แสดงใหเหนวา การไหลของของเหลวในกระบวนการนจะมลกษณะเฉพาะทเกดจากอตราการเฉอนสง (High Shear Rate) และความรนแรงของการไหลแบบปนปวนทสง (High Intensity of Turbulence) และยงพบวาการผลตโลหะกงของแขงดวยวธน จะมความสามารถในการทาใหเกดอนภาคของแขง (Solid Particles) ทมขนาดเลกและเกอบจะเปนอนภาคเดยวๆ กระจดกระจายอยในโครงสรางเกรนอยางสมาเสมอ ซงเมอเปรยบเทยบวธนกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขงแบบวธอนๆ ทมอย พบวากรรมวธนมขอดกวาคอ ทาใหเกดอนภาคของแขงทมขนาดเลก และเปนกอนกลมทเกอบจะเปนอนภาคเดยวๆ กระจดกระจายอยในโครงสรางเกรนอยางสมาเสมอ สวนผสมทางเคมของชนงานกมความสมาเสมอ สามารถควบคมปรมาตรของสดสวนของแขงในชวงกวางไดอยางแมนยา นอกจากนชนงานทผลตไดจากกรรมวธนจะมราคาถกกวา เนองมาจากราคาของ Feedstock Materials ทตาและเวลาในการผลตทสนกวา (Shorter Cycle Time)

D.N. Li และคณะ (2002) ทาการศกษากรรมวธ Rheocasting ในการผลตโลหะกงของแขงของโลหะแมกนเซยมผสมเกรด AZ91D (AZ91D Magnesium Alloy) ดวยวธการกวนนาโลหะเชงกล (Mechanical Stirring) พวกเขาไดศกษาถงผลกระทบของอณหภมเท (Pouring Temperature) ของแมกนเซยมหลอมเหลว อณหภม Preheat ของตว Barrel ของ Screw Mixer และอตราการเฉอน (Shear Rate) ตอโครงสรางทแขงตวของ Slurry ของโลหะกงของแขง โดยในการหลอจะมการใชแมพมพทมผนงบางเพอทาการเกบตวอยาง Slurry ของโลหะกงของแขงทเงอนไขตวแปรตางๆ กน ผลทไดชใหเหนวา ตวแปรสาคญทเกยวของกบกระบวนการ Mechanical Stirring คอ อณหภมเทของแมกนเซยมหลอมเหลวทเหมาะสมอยท 610-620°C และอณหภมทเหมาะสมกบการ Preheat ของตว Barrel อยท 575-590°C สวนอตราการเฉอนทเหมาะสมอยท 4,100-6840 s-1 โดยกาหนด

12

แรงดนในการฉด (Injection Pressure) ของ Slurry ของโลหะกงของแขงในเครองฉดไดคาสไวท 40 MPa. จากการทดลองทงหมดทาใหพวกเขาสรปไดวาปรมาณสดสวนของแขงของโครงสรางเกรนไมเปนแบบเดนไดรตจะเพมมากขน ดวยการลดอณหภมเทของแมกนเซยมและการลดอณหภม Preheat ของตว Barrel ของ Screw Mixer ใหตาลง ซงจะทาใหขนาดเกรนของ Primary α - Phase ลดลงดวย โดยมคาคาเฉลยของ Grain Size อยท 30-50 μm.

J.A. Yurko. และคณะ (2004) ไดทาการศกษาการขนรปโลหะกงของแขงดวยกรรมวธ SSR ของโลหะผสมหลายชนด โดยเขาพบวากรรมวธ SSR สามารถผลตโลหะกงของแขงจากนาโลหะอะลมเนยมโดยใชเวลาไมมากนก โดยใชหลกการของการเยนตวเฉพาะจดดวยแทงกวนเยน โดยจมเหนออณหภมหลอมเหลวเพยงเลกนอย ซงการขนรปสามารถกระทาไดทปรมาณสดสวนของแขงตา ๆ และทาใหคณสมบตของชนงานดขนคอ มปรมาณรอากาศ (Porosity) นอยลง เกรนทไดมความละเอยดมากขน และมปรมาณออกไซดทตกคางนอย นอกจากนยงชวยทาใหอายการใชงานของแมพมพสงขน และใชเวลาในการผลตนอยลง

R.A. Martinez (2004) ไดเสนอวาการเคลอนยายของเหลว (Convection) ซงเกดจากการกวนระหวางการแขงตวของโลหะทาใหแขนของกงไมหรอทเรยกวาเดนไดรต (Dendrite) “ละลาย” หรอ “แตกหก” ออกจากกงเดนไดรตหลก (Mother Dendrite) ซงทาใหแขนของกงไมเหลานเปนเหมอน “นวเคลยสทสอง (Secondary Dendrite)” ดงแสดงในรปท 1.9 (ก) และการทมปรมาณของอนภาคเหลานมากขนจะทาใหเมอเกรนขยายโตขนจะมโครงสรางแบบไมเปนกงไม (Non-Dendritic Grain) หรอบางทเรยกวาเกรนแบบกอนกลม (Spheroidal หรอ Globular Grain)

(ก) (ข) รปท 1.9 (ก) แสดงการแตกตวของกลมเดนไดรต (ข) แสดงเสนทางววฒนาการการเตบโตของ

Solid Particles แบบแฉก (Rosettes) และแบบกอนกลม (Spheroids) (Martinez, 2004)

13

โดยในงานวจยน แสดงใหเหนอยางชดเจนวามสองแนวทางทแตกตางกนในการเกดโครงสรางของโลหะกงของแขงทเกดจากแขนของกงไม โดยแนวทางแรกเกดขนจากอนภาคของแขงทเกดเรมแรกแตกออกมาจากเดนไดรตหลก โดยหากอนภาคของแขงนนมขนาดเลกมากและปรมาณมากพอ เกรนแบบกอนกลมกจะเกดไดโดยตรงจากเกรนแบบ Equiaxed ดงแสดงในเสนทาง a-a2 ในรปท 1.9(ข) แตหากขนาดอนภาคนนใหญเกนไป กจะมการเตบโตจากแขนแตละแขน ดงรปท 1.9(ข)(b) โดยตอมากจะเตบโตตอไปดงแสดงในเสนทางการเตบโต ดงรปท 1.9(ข)(b)-(e) ซงโครงสรางทมลกษณะดงรปท 1.9(ข)(c) และ 1.9(ข)(d) บางครงเรยกวา “โครงสรางแบบแฉก (Rosette)” โครงสรางดงกลาวนจะมสภาพการไหลทไมด และมการเกดเซกร เกชน (Segregation) มากกวาโครงสรางทมลกษณะทรงกลมดงแสดงในรปท 1.9(ข)(a2) และ 1.9(ข)(e) และหากกระบวนการเกดอนภาคไมเหมาะสม รปแบบการเตบโตของอนภาคจะเปนไปตามเสนทาง ดงรป 1.9(ข)(a)-(b2)

L. Ivanchev และคณะ (2004) ทาการพฒนาอปกรณ เครองมอและกระบวนการสาหรบการผลตสเลอรรกงของแขงใหสามารถทางานรวมกบเครองฉดไดคาสตงดวยความดนสงไดอยางมประสทธภาพ โดยในการทดลองไดมการผลตแทง Billet ของสเลอรรกงของแขงของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทมนาหนกตงแต 500 g. จนถง 4 kg. โดยมการควบคมการเยนตวและการใหความรอนในการกวนนาโลหะภายในเบาทรงกระบอกททาจาก Stainless Steel ผลทไดพบวา แทง Billet ของสเลอรรกงของแขงของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทมขนาดเสนผานศนยกลาง 60 mm. และมความยาวเทากบ 200 mm. จะมขนาดเกรนเฉลยเทากบ 68 μm. และมคาความกลมอยท 1.43 สวนแทง Billet ของสเลอรรกงของแขงของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทมขนาดเสนผานศนยกลาง 90 mm. และมความยาวเทากบ 200 mm. จะมขนาดเกรนเฉลยเทากบ 85 μm. และมคาความกลมอยท 1.52 นอกจากนเมอนาชนงานทไดจากการหลอฉดขนรปของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ดวยกระบวนการทพฒนาขนมาพบวา หลงจากนาชนงานไปอบชบดวยกระบวนการทางความรอน (T6) ทาให Yield Strength มคาเทากบ 286 MPa. สวนคาความตานทานแรงดง (Tensile Strength) มคาเทากบ 334 MPa. และคาเปอรเซนตการยดตวของชนงานทผลตไดมคาอยท 6.2% ตามลาดบ

Z. Fan และคณะ (2005) ไดนาเสนอกรรมวธ Rheocasting แบบใหมในการผลตโลหะกงของแขง นนคอ กระบวนการ Rheo-Diecasting (RDC) และไดทาการศกษาผลของกระบวนการ RDC ทมตอโครงสรางและสมบตเชงกลของโลหะอะลมเนยมผสมเกรดตางๆ เชน A357, A380, 2014 และ Al-6Si-2Mg โดยเครองมอหรออปกรณทใชในกระบวน RDC จะประกอบไปดวย 2 สวนทสาคญคอ 1) Twin-Screw Slurry Maker เปนสวนทจะเปลยนสภาพนาโลหะใหเปน Slurry ของ

14

โลหะกงของแขงทมคณภาพสงทกๆ 30 วนาท และ 2) Standard Cold Chamber HPDC Machine เปนสวนทใชในการฉด Slurry ของโลหะกงของแขง เพอทาการขนรปเปนชนงาน แสดงดงรปท 1.10 (ซาย) โดยในขนตอนของการทดลองกจะทาการหลอมโลหะทอณหภมเหนอจดหลอมเหลวของโลหะนน 50°C แลวทาการปอน Slurry ของโลหะกงของแขงนทอณหภม 30°C เหนอจดหลอมเหลวไปยงทางเขาของ Shot Sleeve ของเครอง HPDC Machine เพอผลตชนงานตวอยาง ซงผลทไดจากกระบวนการ RDC ชใหเหนวาชนงานทผลตไดมรพรน (Porosity) นอยมาก และโครงสรางทไดจะปรากฏใหเหน Primary Particles เปนกอนกลมทละเอยดและมความสมาเสมอ ดงรปท 1.10(ขวา) ซงเปนผลมาจากการ Nucleation และ Growth ในระหวางการแขงตวของ Slurry ของโลหะกงของแขงภายใตอตราการเฉอนทสงและความรนแรงของการปนปวนทสง (High Intensity of Turbulence) นอกจากนพวกเขายงไดนาชนงาน A357 ทไดจากกระบวนการ RDC นไปผานกระบวนการอบชบทางความรอน (Heat Treatment) โดยทา Solution Treatment (T4) ทอณหภม 540°C เปนเวลา 4 ชวโมง แลวทงใหเยนตวในนา จากนนจงทา Aging สาหรบทง T5 และ T6 ทอณหภม 165°C เปนเวลา 6 ชวโมง ผลทไดจากการทดสอบสมบตเชงกลพบวา กระบวนการ RDC ชวยปรบปรงใหคา Tensile Strength และคา Elongation เพมสงขนได เมอเปรยบเทยบกบกระบวนการไดคาสทวไปและกระบวนการผลตโลหะกงของแขงวธอนๆ

รปท 1.10 (ซาย) แสดงภาพจาลองกระบวนการ Rheo-Diecasting (RDC) และ (ขวา) โครงสราง

เกรนแบบกอนกลมของ Al Alloy A357 ทผลตไดจากวธ RDC (Fan, 2005)

J. Wannasin และคณะ (2006) ไดนาเสนอเทคนคใหมในการผลตโลหะกงของแขง โดยใชหลกการของ Martinez และ Flamings ซงในงานวจยนไดมการคนพบวา หากมการสงฟองแกสใหไหลผานวตถแขงลงไปในนาโลหะผสม เราจะไดโลหะกงของแขงซงมโครงสรางเกรนแบบไรกงไม โดยในวธการนฟองแกสจะเปนตวกอใหเกดการเคลอนยายของนาโลหะเฉพาะจดอยางแรงและการดดระบายความรอนเฉพาะจดดวย นอกจากน การใชวตถแขงทเยนยงชวยใหเกดการดดระบาย

15

ความรอนเพมเตมขนอกดวย โดยในงานวจยนไดใชอะลมเนยมผสม A357 ในการทดลอง โดยการใชอตราการไหลของแกส ท 1 และ 2 ลตร/นาท ตามลาดบและใชสดสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ ท 0.14 และ 0.20 โดยทาการทดลองทสดสวนของแขง 2 คา คอ ท 5% และ 10 % ตามลาดบ จากการทดลองพบวาอตราการเยนตวของนาโลหะเพมขนเมอสดสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะเพมขน และเมอตองการสดสวนของแขงทเพมมากขนกจาเปนตองใชเวลาในการปลอยฟองแกสมากขนเชนกน งานวจยนยงชใหเหนวาการควบคมอตราการเยนตวของนาโลหะ และสดสวนปรมาตรของพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทเหมาะสม จะชวยทาใหโครงสรางของโลหะกงของแขงทไดมลกษณะทไมเปนแบบเดนไดรต นนกคอมโครงสรางเปนกอนกลมทมความสมาเสมอตลอดทงชนงาน

R.A. Martinez และคณะ (2006) ไดทาการศกษาถงโครงสรางทางจลภาคของโลหะกงของแขงดวยกรรมวธ Semi-Solid Rheocasting (SSR) ของโลหะผสม Al-4.5wt%Cu โดยไดทาการศกษาถงการเกดขนของโครงสรางเกรนแบบกอนกลมและศกษาถงกรรมวธการผลตเพอใหไดโครงสรางดงกลาว ซงตวแปรทไดมการศกษาในงานวจยนคอ Grain Density, Cooling Rate, และ Solid Fraction ทมผลตอความเสถยรหรอความสมาเสมอของโครงสรางเกรนแบบกอนกลม โดยไดทาการผลตโลหะกงของแขงท Solid Fraction (fs) 0.25, 0.45, และ 0.63 ดวยอตราการเยนตว (Cooling Rate) ตางๆ กนในชวงระหวาง 1°C/s ถง 50°C/s แลวเปรยบเทยบผลทไดกบ Particle Stability Model ทใชทานายความสมพนธระหวาง Initial Solid Fraction และ Maximum Cooling Rate ทยงคงทาใหบรเวณอนเตอรเฟสของโครงสรางแบบกอนกลมทมความเสถยร (Stable Spheroidal) ผลจากการทดลองพบวา ความหนาแนนของเกรนทมาก (High Grain Density) สดสวนของแขงทสงกวา (High Solid Fraction) และอตราการเยนตวทตา (Low Cooling Rate) จะมการเตบโตของโครงสรางเกรนแบบกอนกลมทยงคงทาใหบรเวณอนเตอรเฟสของโครงสรางแบบกอนกลมมความเสถยรและสามารถรกษาความกลมของโครงสรางไวได

S. Nafisi และคณะ (2006) ไดทาการศกษาโครงสรางทางจลภาคของโลหะผสม Al-Si-Fe ทผานกระบวนการผลตโลหะกงของแขงดวยกรรมวธ EMS (Electromagnetic Stirring) โดยไดศกษาถงตวแปรของอตราการเยนตว (Cooling Rate) และ อณหภมเท (Superheat) โดยมอณหภมเททแตกตางกนคอ 690ºC 660ºC และ 630ºC โดยจากการทดลองทาใหพบวา กระบวนการผลตโลหะกงของแขงดวยกรรมวธ EMS ชวยลดขนาดของอนภาค โดยขนอยกบอณหภมเท แตการกวนสงผลตอการลดขนาดของอนภาคมากกวาอณหภมเท อณหภมเททตาทาใหเกดอนภาคขนาดเลกของนวเคลยสจานวนมากยงคงอยและกระจายทวตลอดทงชนงาน ซงแตกตางกบการเททอณหภมสงทนวเคลยสเหลานนถกหลอมและหายไปกอนทจะเกดการแขงตว อณหภมเททตาและอตราการเยน

16

ตวทสงจะทาใหเกดอนภาคทมขนาดเลกแบบคอลมนาร (Columnar-Equiaxed) ในทางกลบกนหากมอณหภมเทสงกจะทาใหเกดโครงสรางแบบคอลมนารทมขนาดใหญขน

C.P. Hong และ J.M. Kim (2006) ไดทาการพฒนากระบวนการ Advanced Rheocasting Process ทมหาวทยาลย Yonsei ในประเทศเกาหลใต เพอใชในการผลตโลหะกงของแขง โดยอาศยหลกการของการเกดนวคลเอชน (Nucleation) ทซงนวคลไอ (Nuclei) ของเฟส α ทฟอรมตวขนมาในนาโลหะขณะกาลงจะแขงตว จะถกขดขวางไมใหเกดการเตบโตไปเปนโครงสรางแบบเดนไดรต แตนวคลไอทเกดขนเหลานจะเตบโตไปเปนอนภาคกอนกลมทมขนาดเลกละเอยด ซงสงผลใหเกดสเลอรรกงของแขงขนมา ผลทไดจากกระบวนการนพบวา จานวนนวคลไอทเพมมากขน จะทาใหเกดโครงสรางจลภาคทมลกษณะเปนแบบกอนกลมทมขนาดเลกละเอยดและมการกระจายตวอยางสมาเสมอ นอกจากนยงไดมการนาเอากระบวนการดงกลาว มาประยกตใชสาหรบการผลตชนสวนรถยนตของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 และ ADC10 ผลทไดพบวา กระบวนการดงกลาวนชวยทาใหชนงานมสมบตทางกลทเพมสงขน

GUO Hong-min และคณะ (2007) ไดทาการศกษาวธในการเตรยม Slurry ของโลหะกงของแขงทมอนภาคแบบกอนกลมและละเอยดสาหรบโลหะผสม Wrought Aluminum Alloy 2024 ดวยกรรมวธแบบใหมของ Rheocasting นนคอกระบวนการ Low Superheat Pouring with Shearing Field (LSPSF) ดงแสดงในรปท 1.11(ซาย) กระบวนการ LSPSF เปนกระบวนการทมการควบคมการเกด Nucleation และจากดการ Growth ซงเปนผลมาจากการควบคมอตราการเกดนวคลเอชน (Nucleation Rate) ดวยการ Passive Mixing และการเยนตวเฉพาะจดอยางรวดเรว (Localized Rapid Cooling) ใกลกบอณหภมของของเหลว (Liquidus Temperature)ในชวงของการแขงตวเรมตน ทาใหการเตบโตของเดนไดรตถกจากด ซงผลจากการทดลองพบวา อณหภมเทและความเรวในการหมนของตว Barrel มผลตอการเกดการเปลยนแปลงในการเตบโตของ Primaryα (Al) จากเดนไดรตแบบหยาบ (Coarse-Dendritic) ไปสอนภาคแบบหยาบ (Coarse-Particles) และสดทายกลายเปนอนภาคแบบกอนกลมทละเอยด (Fine-Globular Particles) ดงแสดงในรปท 1.11(ขวา) นอกจากนพวกเขายงไดใชโลหะกงของแขงของโลหะผสม Wrought Aluminum Alloy 2024 ทเตรยมไดโดยวธ LSPSF ในการขนรปเปนชนสวน Cup-Shape ดวยการหลอแบบ Direct Squeeze Casting เปรยบเทยบสมบตเชงกลกบการหลอดวยนาโลหะทวไปพบวา โลหะกงของแขงของโลหะผสม Wrought Aluminum Alloy 2024 ทเตรยมไดโดยวธ LSPSF ชวยทาใหคา Yield Strength เพมสงขนจาก 143 MPa. เปน 198 MPa. คา Ultimate Tensile Strength เพมสงขนจาก 260 MPa. เปน 306 MPa. และคา Elongation เพมสงขนจาก 6.9% เปน 10.4% ตามลาดบ

17

รปท 1.11 (ซาย) แสดงภาพจาลองวธ Low Superheat Pouring with Shearing Field (LSPSF) และ

(ขวา) โครงสรางเกรนแบบกอนกลมของ Wrought Al Alloy 2024 ทผลตไดจากวธ LSPSF (GUO Hong-min et al., 2007)

S.W. Oh และคณะ (2007) ไดทาการศกษาถงผลกระทบของการกวนนาโลหะในขณะท

กาลงแขงตวดวยการใชพลงงานสนามแมเหลกไฟฟา (Electromanetic Stirring, EMS) ทมตอขนาดของเกรนของโลหะผสม A6061 และ A7075 Wrought Al Alloy โดยพวกเขาจะนา Billets ของ A6061 และ A7075 มาหลอมและทาใหเปน Slurry ของโลหะกงของแขง ดวยวธ Electromanetic Stirring (EMS) ภายใตเงอนไขความแตกตางของกระแสทใชในการกวน (Stirring Current) เวลาทใชในการกวน (Stirring Time) และอณหภมเท จากนนจงทาการศกษาโครงสรางของโลหะผสมทได และ Cooling Curves ทไดจากการเยนตวโดยตรงจากสถานะของเหลว (Liquid State) ไปสสถานะกงของแขงกงของเหลว (Mushy State) ในระหวางการกวน ซงผลจาก Cooling Curves และโครงสรางทได จะเปนตวกาหนดเวลาในการขนรป (Forming Time) และเวลาในการกวนทตองการเพอทาใหไดโครงสรางทเหมาะสม โดยพวกเขาพบวา การใชอณหภมเททตาในชวง 650-730°C และการใชกระแสในการกวนทสงกวา จะนาไปสการเกดโครงสรางเกรนทละเอยดของ Primary-α (Al) Phase ทงในโลหะผสม A7075 และ A6061 สวนผลของเวลาในการกวนพบวา เวลาในการกวนท 20 วนาท และ 40 วนาท ยงคงมโครงสรางแบบเดนไดรตปรากฏอย และเมอใชเวลาในการกวนทนานขน โดยการกวนท 60 วนาท จะนาไปสการเกดโครงสรางเกรนทละเอยดของ Primary-α (Al) Phase ทวทงชนงาน

J. Wannasin และคณะ (2007) ไดทาการศกษาวธการประเมนตรวจสอบวดความสะอาดของโลหะในการหลอแบบไดคาสตง ซงวธทใชในการประเมนคณภาพของนาโลหะนนมอยหลายวธดวยกน แตมเพยงบางวธเทานนทเหมาะกบงานหลอไดคาสตง โดยในงานวจยนไดทาการศกษาวธประเมนความสะอาดของนาโลหะ 3 วธดวยกน คอ การทดสอบแบบ เค-โมลด (K-MOLD) การทดสอบสมบตเชงกล และการทดสอบการไหลผานตวกรองดวยเครอง PoDFA ซงผลจากการ

18

ทดลองชใหเหนวาแตละวธของการประเมนจะเหมาะกบการวเคราะหแตละแบบ เชน การทดสอบแบบ เค-โมลด เปนวธทเรวและงายทสามารถแสดงใหเหนถงสารฝงใน (Inclusion) เฉพาะทมขนาดใหญใหเหนไดชดเจน ดงนนการทดสอบแบบ เค-โมลด จงเหมาะสมกบงานทไมตองการสมบตเชงกลทสงมาก สวนการประเมนความสะอาดของนาโลหะดวยการทดสอบสมบตเชงกลนน สามารถบอกขอมลในเชงปรมาณและเชงคณภาพของนาโลหะไดด ผลจากการทดลองแสดงใหเหนวาคาความยด (Elongation) เปนคาทเหมาะสมกวาคาความแขงแรงดงสงสด (Ultimate Tensile Strength) ในการบงบองถงปรมาณของสารฝงใน อยางไรกตามในการนาวธนไปใชงานควรทาการปรบแตงแมพมพเพอลดการเกดโพรงหดตว สดทายคอการประเมนความสะอาดของนาโลหะดวยการทดสอบการไหลผานตวกรองดวยเครอง PoDFA เปนเครองมอทดในการบงชถงชนดของสารฝงในทสาคญทมอยในนาโลหะ แตในการนาไปใชงานจรงนน ควรจะมการปรบแกกระบวนการทดสอบ เพอใหสามารถใชไดกบขนาดของตวอยางทตางกน

จากงานวจยทไดทบทวนขางตน จะเหนไดวามกระบวนการทใชในการผลตโลหะกงของแขงแบบ Rheocasting ในปจจบนอยหลายวธ ซงสวนใหญกจะใชวธการสราง Solid Particles ในปรมาณทพอเหมาะในขณะทโลหะกาลงแขงตวดวยการทาใหเกดการไหลเคลอนทของนาโลหะ (Forced Convection) ในขณะทโลหะกาลงแขงตว ทาใหไดโครงสรางของเกรนแบบกอนกลมและชวยเพมสมบตเชงกลใหสงขน แตหลายๆ วธนยงไมไดมการใชกนอยางแพรหลาย เนองมาจากขอจากดในเรองราคาของเครองผลตโลหะกงของแขงทมราคาสงมาก ทาใหตองผลตชนงานทม Profit Margin สง อกขอจากดอยางหนงกคอ กระบวนการผลตทซบซอนประกอบดวยหลายขนตอน ทาใหตองมการควบคมกระบวนการผลตอยางรอบคอบดวยผทมความชานาญ ดงนนในงานวจยนจงไดมงเนนทจะพฒนาระบบและสรางเครองผลตโลหะกงของแขง โดยไดเลอกใชกรรมวธการพนฟองแกสขณะแขงตว (GISS) เนองจากเปนกรรมวธ Rheocasting แบบใหมทคดคนขนโดยคนไทย นกวจยไทย และเนองจากทผานมาไดมการใชกรรมวธน เฉพาะในระดบ Lab-Scale ทใชในหองปฏบตการเทานน ผวจยจงตองการทจะพฒนาระบบและสรางเครองผลตโลหะกงของแขงดวยกรรมวธการพนฟองแกสขณะแขงตวในระดบอตสาหกรรม (Industrial Scale) เพอความสะดวก งายตอการนาไปใชงาน และสามารถผลตโลหะกงของแขงทมคณภาพสมาเสมอ และทสาคญตองมราคาไมแพงสามารถนาไปใชงานไดจรงรวมกบกระบวนการหลอแบบตางๆ โดยเฉพาะกระบวนการหลอแบบไดคาสตง

บทท 2

วธการวจย

เนอหาในบทนกลาวถงวธวจย ซงประกอบไปดวย วสดทใชในงานวจย เครองมอและอปกรณทใชในงานวจย ขนตอนการวจย ขนตอนการเตรยมชนงานเพอการวเคราะหโครงสรางทางจลภาค ขนตอนการวเคราะหโครงสรางทางจลภาค และขนตอนการวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณ โดยมรายละเอยดดงตอไปน 2.1 วสดทใชในงานวจย โลหะทนามาใชศกษาในงานวจยน คอ อะลมเนยมผสม A356 โดยในการศกษาผลของตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขงดวยการพนฟองแกสขณะแขงตวจะใช อะลมเนยมผสม A356 ทเปน Secondary Alloys สวนในการศกษาการประยกตใชระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตวรวมกบกระบวนการหลอแบบไดคาสตง จะใชอะลมเนยมผสม A356 ทเปน Primary Alloys ดงแสดงในรปท 2.1 ซงมสวนผสมทางเคมแสดงในตารางท 2.1 (วเคราะหดวย Optical Emission Spectrometer, OES)

ตารางท 2.1 แสดงสวนผสมทางเคมของอะลมเนยมผสม A356 ทใชในการวจยครงน สวนผสมทางเคม (%) อะลมเนยมผสม

A356 Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Ni Sr Al

Primary alloy 6.86 0.09 0.04 0.01 0.38 0.01 0.12 0.01 0.03 Bal.

Secondary alloy 6.90 0.41 0.05 0.04 0.42 0.01 0.10 0.01 - Bal.

รปท 2.1 แสดงแทงอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทใชในงานวจยครงน

19

20

2.2 เครองมอและอปกรณทใชในงานวจย 2.2.1 เตาหลอม (Melting Furnace)

เตาหลอมทใชเปนเตาไฟฟาแบบใชลวดความตานทาน (Electric Resistance Furnace) ดงแสดงในรปท 2.2 โดยสามารถควบคมอณหภมในการหลอมไดดวยตควบคม (Controller) ซงสามารถหลอมโลหะทอณหภมสงสดไมเกน 1,000°C เตาหลอมในรปท 2.2(ซาย) สามารถหลอมอะลมเนยมไดสงสด 10 กโลกรมตอครงและใชสาหรบการศกษาผลของตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขง สวนเตาหลอมในรปท 2.2(ขวา) สามารถหลอมอะลมเนยมไดสงสด 120 กโลกรมตอครงและเปนเตาหลอมทใชรวมกบเครองฉดไดคาสตง

รปท 2.2 แสดงเตาหลอมไฟฟาแบบใชลวดความตานทานทใชในการทดลอง (ซาย) เตาหลอมทใช

ในการศกษาผลของตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขง (ขวา) เตาหลอมทใชรวมกบเครองฉดไดคาสตง

2.2.2 เบาหลอมโลหะ (Crucible)

เบาหลอมทใชในงานวจยนเปนเบาหลอมชนด Graphite-Clay Base ดงแสดงในรปท 2.3 เบาหลอมชนดนจะไมทาใหเกดการละลายของเหลกปนเขาสนาโลหะดงเชนการใชเบาเหลกเหนยวหรอเบาเหลกหลอ และยงสามารถทาความสะอาดไดงายหลงการใชงาน

21

รปท 2.3 แสดงเบาหลอมโลหะทใชในงานวจยน

2.2.3 เครองผลตโลหะกงของแขงดวยการพนฟองแกสขณะแขงตว (GISS Version 1.0)

เครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขงดวยการพนฟองแกสขณะแขงตว ประกอบไปดวยสวนตางๆ ทสาคญดงน 1. แทงกราไฟต (Graphite Diffuser) 2. ตววดอณหภมของนาโลหะและอณหภมของแทงกราไฟต (Thermocouples) 3. ระบบควบคมอตราการไหลของลมและแกส (Control System for Air Cooling and Inert Gas Flow Rate) 4. ระบบหลอเยนและทาความสะอาดของแทงกราไฟต (Cooling and Cleaning System) 5. ชดควบคมระบบผลตโลหะกงของแขง (Central Control Unit) ดงแสดงในรปท 2.4

รปท 2.4 แสดงเครองผลตโลหะกงของแขงดวยการพนฟองแกสขณะแขงตว

ทมชอวา GISS Version 1.0

22

2.2.4 เครองหลออดฉดสาหรบการขนรปชนงานของอะลมเนยม (Die Casting Machine) เครองหลอฉดทใชในงานวจยนมขนาดของ Locking Force เทากบ 80 ตน พรอมแมพมพทใชในการหลอฉดขนรปชนงานอะลมเนยมดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง ดงแสดงในรปท 2.5

รปท 2.5 เครองหลอฉดไดคาสตงขนาด 80 ตน และแมพมพสาหรบการหลอฉดขนรปชนงาน

ดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง 2.3 ขนตอนการวจย 2.3.1 พฒนาและสรางเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขง

ทาการรวบรวมขอมลตางๆ จากการเรยนรในขณะทาการทดสอบชดอปกรณผลตโลหะกงของแขงระดบ Lab-Scale ในหองปฏบตการและจากการทดสอบชดอปกรณผลตโลหะกงของแขงระดบ Lab-Scale กบเครองไดคาสตง (Die Casting) เพอนาไปใชในการออกแบบและสรางเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขง ซงหลายตวแปรอาจจะตองมการปรบเปลยนเพอใหมความเหมาะสมกบกระบวนการผลตจรง จงตองทาการศกษาถงตวแปรสาคญทสงผลตอกระบวนการผลตโลหะกงของแขงดวยเครองตนแบบในหวขอถดไป

2.3.2 การวเคราะหทางความรอน (Thermal Analysis) ของโลหะทใชในการทาวจย การวเคราะหทางความรอนของโลหะทใชในการทาวจย เรมตนจากการนาอะลมเนยมผสม A356 ทตดและเตรยมไวใสลงในเบาหลอม จากนนจงทาการหลอมโดยใชเตาหลอมไฟฟาชนดขดลวดความตานทาน ทาการหลอมทอณหภม 710°C เมอโลหะหลอมละลายจงเตมฟลกซ (Flux) เพอทาความสะอาดนาโลหะและตกดรอส (Dross) ออกจากนาโลหะ จากนนตกนาโลหะประมาณ

23

500 กรม จากเตาหลอมดวยเบาสเตนเลสซงเคลอบดวยเซรามกทนไฟ แลวนาไปจมเทอรโมคปเปล (Thermocouple) เพอวดอณหภมของนาโลหะ และทาการบนทกอณหภมโดยปลอยใหนาโลหะเยนตวลงอยางชาๆ เพอทาการสรางกราฟแสดงอตราการเยนตว (Cooling Curves) กราฟทไดจะแสดงใหเหนถงอณหภมทจดหลอมเหลว (Liquidus Temperature) และอณหภมทจดยเทกตก (Eutectic Temperature) ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทนามาใชในงานวจยครงน 2.3.3 การประมาณคาสดสวนของแขงดวยแบบจาลองของไชล (Scheil Model) การวเคราะหของไชล (Scheil) คอ ความสมดลของมวล (Mass Balance) ของปรมาณ Solute Rejected โดยความแตกตางของปรมาณของของแขงรวมกบผลของความเขมขนของตวละลายทเพมขนในสภาพแวดลอมของเหลว แบบจาลองของไชล สมมตใหมการแพรในเฟสของของเหลว อยางสมบรณ แตไมมการแพรในเฟสของของแขง และเมอสมมตใหเสนของของเหลว (Liquidus) เปนเสนตรง ดงนนสดสวนของของแขง (Solid Fraction) นสามารถคานวณไดดวยสมการของ Scheil ดงน (Martinez, 2004)

( )k

LP

Ps TT

TTf−

−

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

−=1

1

1 (2.1)

เมอ TP คอ จดหลอมเหลวของอะลมเนยมบรสทธ, TL คอ อณหภมของของเหลวของโลหะ

ทวดไดจากการทดลอง, T คอ อณหภมทตองการหาสดสวนของของแขง, k คอ คาสมประสทธเฉพาะในแตละโลหะผสม 2.3.4 การศกษาผลของตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว ทาการศกษาถงตวแปรสาคญทสงผลตอกระบวนการผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว (GISS Process) ดงตอไปน

1. ศกษาผลของเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส (Rheocasting Time) ทมตอปรมาณสดสวนของแขงเรมตน (Initial Solid Fraction) และโครงสรางจลภาค (Microstructure) ของอะลมเนยมผสมเกรด A356

24

2. ศกษาผลของอณหภมนาโลหะกอนการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส (Rheocasting Temperature) ทมตอปรมาณสดสวนของแขงเรมตนและโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356

3. ศกษาผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ (S/V Raito) ทมตอปรมาณสดสวนของแขงเรมตนและโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสม A356

4. ศกษาผลของอณหภมแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ (Graphite Diffuser Temperature) ทมตอปรมาณสดสวนของแขงเรมตนและโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356

5. ศกษาผลของปรมาณนาโลหะทใช (Metal Weight) ในกระบวนการผลตโลหะกงของแขงทมตอเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสและโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356

2.3.5 การประยกตใชระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว (GISS Process) รวมกบกระบวนการหลอแบบไดคาสตง (Die Casting)

เพอเปนการแสดงใหเหนถงประสทธภาพของกระบวนการผลตโลหะกงของแขงดวยการพนฟองแกสขณะแขงตว (GISS Process) จงตองทาการฉดขนรปอะลมเนยมผสมเกรด A356 รวมกบเครองฉดไดคาสตงและเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขง โดยมขนตอนการดาเนนงานดงตอไปน

1. ทดลองฉดขน รปอะลม เนยมผสมเกรด A356 รวมกบ เคร องไดคาสตงและเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขง

2. วเคราะหผลเปรยบเทยบกนระหวางชนงานทไดจากการหลอฉดแบบทวไปกบการหลอฉดแบบโลหะกงของแขง

2.4 ขนตอนการเตรยมชนงานเพอการวเคราะหโครงสรางทางจลภาค ในแตละการทดลอง หลงจากทาการจมแทงกราไฟตตามเวลาทกาหนดแลว จงทาการยายเบาสเตนเลสมาจมเทอรโมคปเปลอกครง เพอวดอณหภมและทาการตรวจสอบอณหภมของสเลอรรกงของแขง (Semi-Solid Slurry) ทไดจากกระบวนการผลตโลหะกงของแขง แลวปลอยใหสเลอรรกงของแขงเยนตวในอากาศ จนกระทงอณหภมลดลงมาอยท 580°C (จะมสดสวนของแขงประมาณ 45%) จงควาเบาสเตนเลสเพอนาชนงานออกมา แลวจงใชพาย (Spatula) ผากอนโลหะกงของแขงในตาแหนงตรงกลาง ดงแสดงในรปท 2.6 และนาไปทาใหเยนตวอยางรวดเรวในนาเพอใชในการ

25

ตรวจสอบและวเคราะหโครงสรางจลภาคของโลหะตอไป ชนงานตวอยางทไดจะถกนามาตดบรเวณกงกลางของชนงาน ดงแสดงในรปท 2.7 แลวนาชนงานมาขดหยาบดวยกระดาษทรายนา และขดละเอยดดวยผงขดอะลมนา จากนนจงนาชนงานตวอยางไปกดดวยสารละลาย Keller แลวจงนาไปวเคราะหโครงสรางจลภาคดวยกลองจลทรรศนแบบใชแสงตอไป

รปท 2.6 แสดงตาแหนงทใชพาย (Spatula) ผากอนโลหะกงของแขง

รปท 2.7 แสดงบรเวณของชนงานทนาไปตรวจสอบโครงสรางจลภาค (Microstructure) 2.5 ขนตอนการตรวจสอบโครงสรางจลภาค (Microstructure) 2.5.1 ขนตอนการเตรยมตวอยางชนงานและการตรวจสอบโครงสรางจลภาค การวเคราะหโครงสรางจลภาคของโลหะกงของแขงทไดจากการทดลอง เมอตดชนงานตามขนตอนทไดกลาวมาแลวขางตน จากนนชนงานดงกลาวจะถกนาไปเตรยมเพอวเคราะหโครงสรางจลภาค โดยมวธการดงตอไปน

1) ขนรปชนงานแบบรอน (Hot Mounting) โดยใชผงเบกาไลต (Bakelite) ใสลงไปในแบบอดแลวใชความรอนและความดนเพอใหผงเบกาไลต มการแขงตวตดกบชนงานตวอยาง

บรเวณทตรวจสอบโครงสรางจลภาค

26

2) ทาการขดหยาบ (Grinding) ดวยกระดาษทราย (SiC Paper) เบอร P320 P600 P800 P1000 และ P1200 ตามลาดบ

3) ตอจากนนจงทาการขดละเอยด (Polishing) ชนงาน โดยเรมตนการขดละเอยดดวยผาหยาบ (Cloth Pad) รวมกบผงขดอะลมนาขนาด 5 μm. เมอรอยขดจากกระดาษทรายหมดไปแลว จงทาการขดโดยใชผงขดอะลมนาขนาด 1, 0.3 และ 0.05 μm. ตามลาดบ

4) ทาการกดผวหนาของชนงานโดยใชนายากดผวซงมชอเรยกวา Keller's Reagent โดยประกอบไปดวย กรดไฮโดรฟลออรก (HF) ความเขมขน 48% ในปรมาณ 1 มลลลตร กรดไฮโดรคลอรกเขมขน (HCl) 1.5 มลลลตร กรดไนตรก (HNO3) 2.5 มลลลตร ผสมในนากลน 95 มลลลตร โดยนาชนงานมาจมลงในสารละลาย Keller เปนเวลาประมาณ 8 วนาท จากนนจงนาชนงานมาลางดวยนากลน แลวเปาใหแหงดวยไดทเปาผม

5) นาชนตวอยางทไดมาสองดโครงสรางจลภาคดวยกลองจลทรรศนแลวถายรปเพอนามาวเคราะหผลทไดจากการทดลองและทาการวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณตอไป

2.5.2 ขนตอนการวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณ (Quantitative Image Analysis) เมอไดภาพถายโครงสรางทางจลภาคแลว จะนาโครงสรางทางจลภาคดงกลาว ไปวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณ ซงสามารถทาไดโดยนาภาพถายทไดไปปรบแตงดวยโปรแกรม Photoshop ดงแสดงในรปท 2.8 จากนนจงนาภาพทปรบแตงแลวไปใชเพอการวเคราะหดวยโปรแกรม Image Tool ดงแสดงในรปท 2.9 ซงการวเคราะหเชงปรมาณ (Quantitative Image Analysis) ทใชในงานวจยนประกอบไปดวย

- เสนผานศนยกลางเฉลยของอนภาคกอนกลม (Particle Equivalent Diameter, d) ซงสามารถคานวณไดดวยสมการท 2.2 (Fan et al., 2005)

4Adπ

= (2.2)

- คาความกลมของอนภาคกอนกลม (Shape Factor, F) ซงคานวณไดดวยสมการท 2.3

(Fan et al., 2005)

2

4 AFPπ

= (2.3)

27

โดยท A คอพนท (Area) ของอนภาคกอนกลม และ P คอเสนรอบวงของอนภาคกอนกลม (Perimeter) โดยคา Shape Factor ทคานวณไดจะมคาระหวาง 0 ถง 1 โคยคาความกลมสงสดมคาเทากบ 1

รปท 2.8 แสดงภาพถายโครงสรางทางจลภาคทนาไปปรบแตงดวยโปรแกรม Photoshop

รปท 2.9 แสดงการวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณ (Quantitative Analysis)

ดวยโปรแกรม Image Tool

28

2.6 ขนตอนการหาคาความหนาแนนและเปอรเซนตโพรงอากาศภายในเนอชนงานตวอยาง ความหนาแนนของชนงานจะใชหลกการของอารคมดส (Archemedes’s Method) เพอหาคาความหนาแนนอางอง (Reference Density, DRef.) ของโลหะ โดยสามารถหาไดดวยการชงนาหนกชนงานทอบแหง (Dry Mass of Samples) และนาหนกชนงานทชงในนา (Mass of Samples Suspended in Water) ของโลหะผสมทจะใชหลอมเพอฉดขนรปเปนชนงานตวอยาง ซงผลของคาความหนาแนนอางองของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 แสดงดงตารางท 2.2 ตารางท 2.2 แสดงคาความหนาแนนอางอง (Reference Density, DRef.) ของโลหะอะลมเนยมผสม

เกรด A356 ทใชในงานวจยครงน Aluminum Alloys Density (g/cm3)

A356 2.667

สวนคาความหนาแนนของชนงานตวอยาง (Samples Density, DB) สามารถหาไดโดยการการชงนาหนกชนงานทอบแหงและนาหนกชนงานทชงในนา ซงเปนไปตามสมการท 2.4

DB

MDV

= (2.4)

โดย MD คอ นาหนกชนงานทอบแหง (Dry Mass of Samples) และ V คอ ปรมาตรของ

ชนงานตวอยาง ซงสามารถคานวณไดดวยสมการท 2.5

D W

W

M MVρ−

= (2.5)

โดย MW คอ นาหนกชนงานทชงในนา (Mass of Samples Suspended in Water) และ Wρ

คอ ความหนาแนนของนา (Density of Water) สวนคาเปอรเซนตโพรงอากาศภายในเนอชนงานตวอยาง (%Porosity) สามารถคานวณไดดวยสมการท 2.6

.

% 1 100B

Ref

DPorosityD

⎛ ⎞= − ×⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

(2.6)

29

2.7 ขนตอนการปรบปรงโครงสรางจลภาคและสมบตทางกลของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ดวยกระบวนการทางความรอน (Heat Treatment)

กระบวนการทางความรอน (Heat Treatment) ทใชในการปรบปรงโครงสรางจลภาคและสมบตทางกลของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 นนจะกระทาทสภาวะ T6 โดยทาการอบละลาย (Solution Heat Treated) ทอณหภม 540ºC เปนเวลา 8 ชวโมง เพอชวยใหธาตผสมละลายเขาเปนเนอเดยวกนกบธาตหลกมากยงขน จากนนจงนาชนงานไปทาการชบเยนในนา (Quenching) เพอใหชนงานเกดการเยนตวอยางรวดเรว ซงจะทาใหธาตผสมถกกกอยภายในเนอของธาตหลก กอนนาชนงานไปบม (Artificially Aged) ทอณหภม 160ºC เปนเวลา 8 ชวโมง ชวยเรงใหเกดการฟอรมของเฟสใหมเรวขน ซงจะทาใหเกดการเปลยนแปลงของโครงสรางและชวยปรบปรงสมบตทางกลของชนงานหลงการขนรปใหดขน

2.8 ขนตอนการทดสอบสมบตทางกล (Mechanical Properties) ของโลหะอะลมเนยมผสม A356 สมบตทางกลของโลหะทสาคญ ไดแก การทนทานตอแรงดงสงสด (Ultimate Tensile Strength, UTS) การยดตว ณ จดขาดของชนงาน (Elongation) ซงคาเหลานสามารถวดไดดวยการดงชนงานตวอยางทเตรยมไว ดงแสดงในรปท 2.10 และทาการดงชนงานดวยอตราการดงทคงทดวยเครองทดสอบทเรยกวา “Universal Testing Machine” คาทวดไดจากการทดสอบจะเปนคาแรงดงทแปรผนตามระยะของการยดของชนงานทใชทดสอบ

รปท 2.10 แสดงภาพขนาดของชนงานทใชในการทดสอบแรงดง (หนวย: mm.)

บทท 3

ผลและการอภปรายผล

เนอหาในบทนจะกลาวถงผลการทดลองและการอภปรายผล ซงจะประกอบไปดวยผลของการพฒนาและสรางเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขง (GISS Version 1.0) ทสามารถผลตโลหะกงของแขงของโลหะผสมเกรดตาง ๆ ไดอยางมประสทธภาพ ผลของการวเคราะหทางความรอน (Thermal Analysis) ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ผลของตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว ไดแก ผลของเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส (Rheocasting Time) ผลของอณหภมของนาโลหะกอนการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส (Rheocasting Temperature) ผลของอตราสวนของพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ (S/V Raito) ผลของอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ (Graphite Diffuser Temperature) ผลของปรมาณนาโลหะทใชในแตละครง (Metal Weight) และผลของการประยกตใชระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตวรวมกบกระบวนการหลอแบบไดคาสตง (Die Casting) โดยมรายละเอยดดงตอไปน 3.1 การพฒนาและสรางเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขง

ในการพฒนาและสรางเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขงนน ผวจยและทมวจยไดทาการรวบรวมขอมลตาง ๆ จากการเรยนรในขณะทาการทดสอบชดอปกรณผลตโลหะกงของแขงระดบ Lab-Scale ในหองปฏบตการและจากการทดสอบรวมกบเครองฉดไดคาส (Die Casting) ณ สานกพฒนาอตสาหกรรมสนบสนน (BSID) ดงรปท 3.1 แสดงชดอปกรณผลตโลหะกงของแขงระดบ Lab-Scale ทใชในหองปฏบตการ

รปท 3.1 แสดงชดอปกรณผลตโลหะกงของแขงระดบ Lab-Scale ทใชในหองปฏบตการ

30

31

ผลทไดจากการทดสอบชดอปกรณผลตโลหะกงของแขงระดบ Lab-Scale ในชวงเวลาทผานมา ชวยทาใหผวจยและทมวจยสามารถออกแบบและสรางเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขงขนมาไดสาเรจเปนเครองแรก โดยทางทมวจยไดตงชอเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขงนวา GISS Version 1.0 ซงประกอบไปดวยสวนตางๆ ทสาคญดงน

1) แทงกราไฟต (Graphite Diffuser) ทาหนาทเปนตวพนฟองแกสเฉอยเลก ๆ ใหไหลเขาไปในนาโลหะและยงชวยทาใหเกดการดดระบายความรอนออกจากนาโลหะเพมเตมขนอกดวย

2) ตววดอณหภมของนาโลหะและอณหภมของแทงกราไฟต (Thermocouples) ทาหนาทตรวจวดอณหภมของนาโลหะและอณหภมของแทงกราไฟตในขณะทเครอง GISS ทางาน

3) ระบบควบคมอตราการไหลของลมและแกส (Control System for Air Cooling and Inert Gas Flow Rate) ทาหนาทควบคมอตราการไหลของลมในระบบหลอเยน และควบคมอตราการไหลของแกสเฉอยภายในแทงกราไฟต

4) ระบบหลอเยนและทาความสะอาดของแทงกราไฟต (Cooling and Cleaning System) ทาหนาทหลอเยนเพอลดอณหภมของตวแทงกราไฟตหลงจากการจมลงไปในนาโลหะ ดวยการใชลมฉดพนไปยงบรเวณรอบ ๆ แทงกราไฟต นอกจากนยงชวยทาความสะอาดผวของแทงกราไฟตและชวยกาจดเศษโลหะทอาจจะตดคางอยบนผวของตวแทงกราไฟตใหหลดออกไปไดอกดวย

5) ชดควบคมระบบผลตโลหะกงของแขง (Central Control Unit) ทาหนาทควบคมระบบผลตโลหะกงของแขงทงหมด เชน การเปด-ปดเครอง ระบบไฟฟา ระบบหลอเยน เวลาในการจมแทงกราไฟต และการควบคมอณหภมของนาโลหะและอณหภมของแทงกราไฟต

เมอทมวจยไดนาสวนประกอบตาง ๆ ทใชในการสรางเครองตนแบบสาหรบผลตโลหะกงของแขงนมาประกอบเขาดวยกนแลว และทาการทดสอบระบบการทางานตาง ๆ ของเครองเปนทเรยบรอยแลว ผลทไดทาใหทมวจยสามารถสรางเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขงไดสาเรจเปนเครองแรก ดงแสดงในรปท 3.2

ในสวนของขนตอนการผลตโลหะกงของแขงดวยเครอง GISS Version 1.0 จะเรมตนจากการใชเบาสเตนเลส (Stainless Steel Cup) ททาเคลอบดวยเซรามกทนไฟ (Ceramic Coating) ตกนาโลหะจากเตาหลอม (ในทนใชโลหะอะลมเนยมผสม A356) แลวนาเขามาวดอณหภมของนาโลหะดวยตววดอณหภม (Thermocouple) ทตดตงไวในตาแหนงดานหนาของเครอง ดงแสดงในรปท 3.3 เมออณหภมของนาโลหะลดลงจนถงอณหภมทผใชกาหนดไว หลอดไฟสสมกจะสวางขนเพอแสดงสถานะวาพรอมปลอยฟองแกสแลว (Ready for Bubbling) และจงทาการยายเบาสเตนเลสมาจมแทงกราไฟตอยางรวดเรวพรอมกบการปลอยฟองแกสเฉอยเลก ๆ ออกมา ซงอตราการไหลของแกสเฉอยทใชนจะขนอยกบปรมาณของนาโลหะทใชในแตละครง โดยจะทาการจมแทงกราไฟต

32

เพอพนฟองแกสเฉอยนเปนเวลาตามทผใชกาหนดไวเชนกน เพอใหสามารถผลตโลหะกงของแขงไดตามปรมาณสดสวนของแขงทผใชงานตองการ เพอใชในการขนรปเปนชนงานตาง ๆ ตอไป ดงแสดงในรปท 3.4

รปท 3.2 แสดงเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขงทมชอวา GISS Version 1.0

และหลงจากทาการจมแทงกราไฟตไวเปนเวลาตามทกาหนดแลว หลอดไฟสเขยวกจะ

สวางขนเพอแสดงสถานะวาเสรจสนการปลอยฟองแกส (Finish Bubbling) จากนนระบบหลอเยนและทาความสะอาดของแทงกราไฟต (Cooling and Cleaning System) กจะทางาน โดยหลอดไฟสขาวจะสวางขน เพอแสดงสถานะวาระบบหลอเยนไดทาการฉดพนลมเพอหลอเยนแทงกราไฟตอย (Cooling On) สาหรบการเตรยมพรอมในรอบตอไปของการผลตโลหะกงของแขง

รปท 3.3 แสดงการวดอณหภมของนาโลหะกอนการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส

ดวยตววดอณหภม (Thermocouple)

33

รปท 3.4 แสดงการนาเบาสเตนเลสทตกนาโลหะจากเตาหลอมมาจมแทงกราไฟตและปลอยฟอง

แกสเพอผลตโลหะกงของแขงตามปรมาณสดสวนของแขงทตองการ รปท 3.5 แสดงกอนโลหะกงของแขง (Semi-Solid Metal) ทมสดสวนของแขง (Solid Fraction) ประมาณ 45% (ทอณหภม 580°C) ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทผลตไดจากเครอง GISS Version 1.0 ซงจะมลกษณะคลายไอศครมและสามารถทดสอบลกษณะของโลหะกงของแขงนไดดวยการใชพาย (Spatula) ในการตดทดสอบดความละเอยดของเนอโลหะกงของแขงทผลตไดดวยเครอง GISS Version 1.0 และรปท 3.6 แสดงการเปรยบเทยบลกษณะของเนอโลหะและโครงสรางทางจลภาคของอะลเนยมผสมเกรด A356 พบวาโดยทวไปแลวเมอปลอยใหนาโลหะทหลอมเหลวอยมอณหภมลดลงและมการแขงตวแบบทวไป จะทาใหเกดโครงสรางทางจลภาคทมลกษณะเปนแบบเดนไดรต (Dendritic Structure)

รปท 3.5 แสดงการใชพายในการตดกอนโลหะกงของแขงทมสดสวนของแขงประมาณ 45%

ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทผลตไดจากเครอง GISS Version 1.0

34

และเมอทดลองใชพายในการตดกอนโลหะในระหวางการแขงตวทอณหภม 580°C พบวาเนอของโลหะมลกษณะทหยาบมากและทาการตดไดยากกวากอนโลหะกงของแขง ดงรปท 3.6(ก) ทเปนเชนนกเพราะวาโลหะทกาลงแขงตวน เกดโครงสรางแบบเดนไดรตทมลกษณะเหมอนกงไมนนเอง สวนในกรณของกอนโลหะกงของแขงทผานกระบวนการผลตโลหะกงของแขงดวยการพนฟองแกสในขณะการแขงตว (GISS Process) พบวาเนอโลหะกงของแขงทไดจะมความเนยนคลายกบเนอของไอศครมและทาการตดในระหวางการแขงตวไดงายกวากอนโลหะทวไป ทเปนเชนนกเพราะวาในระหวางกระบวนการผลตโลหะกงของแขงนน จะมกลไกในการทาใหแขนหรอกงกานของเดนไดรตทกาลงเกดขนแตกหกออกจากเดนไดรตหลก เกดเปนอนภาคของแขงทมลกษณะเปนแบบกอนกลม (Globular Structure) ขนาดเลก ๆ กระจายไปทวทงชนงาน ดงแสดงในรปท 3.6(ข)

(ก) (ข)

รปท 3.6 แสดงการเปรยบเทยบลกษณะของเนอโลหะและโครงสรางทางจลภาคของอะลเนยมผสมเกรด A356 (ก) ไมผานกระบวนการผลตโลหะกงของแขงและมการแขงตวแบบทวไป

และ (ข) ผานกระบวนการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS

35

3.2 การวเคราะหทางความรอน (Thermal Analysis) ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 จากการทดลองพบวา ผลของอณหภมและเวลาทเปลยนไปในระหวางการแขงตวของนา

โลหะ สามารถแสดงไดจากเสนกราฟของการเยนตว (Cooling Curves) ดงแสดงในรปท 3.7 ผลจากการวเคราะหทางความรอนพบวาเสนกราฟของการเยนตวของโลหะอะลมเนยมผสม A356 สามารถแสดงใหเหนถงจดเรมตนของกระบวนการแขงตวของนาโลหะทอณหภมของของเหลว (Liquidus Temperature, TL) เทากบ 613ºC และอณหภมทจดยเทกตก (Eutectic Temperature, TE) อยท 573°C

550

560

570

580

590

600

610

620

630

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

เวลา (s)

อณหภมทจดหลอมเหลว = 613°C

อณหภมทจดยเทกตก = 573°C

อณหภ

ม (°C

)

รปท 3.7 แสดงเสนกราฟของการเยนตว (Cooling Curves) ของโลหะอะลมเนยมผสม A356

ทนามาใชในงานวจยครงน

ขอมลทไดจากการวเคราะหทางความรอนและคาตวแปรตาง ๆ ทเกยวของ สามารถใชในการคานวณหาคาสดสวนของแขง (Solid Fraction, fs) ของโลหะผสมนทอณหภมตางๆ ได ดวยการใชสมการของไชล (Scheil Equation) โดยทอณหภมทจดหลอมเหลวของโลหะอะลมเนยมบรสทธ (TM) มคาเทากบ 660°C อณหภมของของเหลวของโลหะอะลมเนยมผสม A356 (TL) ทใชในการทดลองครงนมคาเทากบ 613°C และสมประสทธเฉพาะสาหรบโลหะอะลมเนยมผสม A356 (k) มคาเทากบ 0.13 ซงผลจากการคานวณดงสมการท 2.1 ทาใหสามารถสรางกราฟแสดงความสมพนธระหวางอณหภมและปรมาณสดสวนของของแขงทเกดขนทอณหภมตาง ๆ ได ดงแสดงในรปท 3.8 พบวาบรเวณเหนอเสนอณหภมทจดหลอมเหลวทอณหภม 613°C อะลมเนยมผสมเกรด A356 จะมสภาพเปนเฟสของเหลวทงหมด (Liquid Phase) และเมออณหภมของนาโลหะลดลงปรมาณสดสวน

36

ของแขงจะเพมมากขน โลหะผสมนจะมสภาพเปนทงเฟสของแขงและของเหลวรวมกน (α + Liquid) จนกระทงเกดปฏกรยายเทกตก (Eutectic Reaction) ทอณหภมคงทท 573°C โลหะผสมนจะมสภาพเปนเฟสของแขงและเฟสของปฏกรยายเทกตกรวมกน (α + Eutectic) ตารางท 3.1 แสดงคาสดสวนของแขงทอณหภมตาง ๆ ของโลหะอะลมเนยมผสม A356 ทคานวณไดดวยสมการของไชล

560

570

580

590

600

610

620

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0สดสวนของแขง (%)

อณหภ

ม (°C

)

เสนอณหภมทจดหลอมเหลว = 613°C

เสนอณหภมทจดยเทกตก = 573°C

Liquid

α + Liquid

α + Eutectic

รปท 3.8 แสดงเสนกราฟสดสวนของแขง (Solid Fraction Curves) ของโลหะอะลมเนยมผสม A356

ทนามาใชในงานวจยครงน

ตารางท 3.1 แสดงคาสดสวนของแขงทอณหภมตาง ๆ ของโลหะอะลมเนยมผสม A356 ทคานวณไดดวยสมการของไชล (Scheil Equation)

Temperature (°C)

Solid Fraction (%)

Temperature (°C)

Solid Fraction (%)

Temperature (°C)

Solid Fraction (%)

613.0 0.00 609.5 7.92 606.0 14.75 612.5 1.21 609.0 8.96 605.5 15.65 612.0 2.39 608.5 9.98 605.0 16.53 611.5 3.55 608.0 10.97 604.5 17.39 611.0 4.68 607.5 11.94 604.0 18.24 610.5 5.78 607.0 12.90 603.5 19.07 610.0 6.87 606.5 13.83 603.0 19.89

37

Temperature (°C)

Solid Fraction (%)

Temperature (°C)

Solid Fraction (%)

Temperature (°C)

Solid Fraction (%)

602.5 20.69 600.0 24.47 597.5 27.94 602.0 21.47 599.5 25.19 597.0 28.59 601.5 22.24 599.0 25.89 596.5 29.24 601.0 23.00 598.5 26.59 596.0 29.87 600.5 23.74 598.0 27.27 595.5 30.50

ผลของการวเคราะหทางความรอน ในขณะทาการผลตโลหะกงของแขงดวยวธการพนฟอง

แกส (Gas Induced Semi-Solid, GISS) แสดงดงรปท 3.9 กราฟทไดแสดงใหเหนถงขนตอนตาง ๆ ในระหวางกระบวนการผลตโลหะกงของแขง ตงแตเรมจมแทงกราไฟต ณ อณหภมทกาหนด พรอมกบการพนฟองแกสไนโตรเจนตามเวลาทกาหนด และตาแหนงททาการตรวจสอบอณหภมของสเลอรรกงของแขงหลงจากหยดการจมแทงกราไฟตผานไป 5 วนาท จนกระทงถงการเกบตวอยางของสเลอรรกงของแขง (Semi-Solid Slurry) ทอณหภม 580°C แลวทาใหเยนตวในนาอยางรวดเรว เพอนาตวอยางไปวเคราะหผลทไดตอไป

570

580

590

600

610

620

630

640

650

660

0 40 80 120 160 200 240

เวลา (s)

อณหภ

ม (°C

)

เรมจมแทงกราไฟตทอณหภม = 620-650°C

ตรวจสอบอณหภมของสเลอรรกงของแขง

ใหสเลอรรกงของแขงเยนตวในนา

อยางรวดเรวทอณหภม 580°C

หยดการจมแทงกราไฟต

เวลาทใชในการพนฟองแกส = 5-20 วนาท

รปท 3.9 แสดงเสนกราฟการเยนตวและวธการหาอณหภมของสเลอรรกงของแขงในขณะทาการ

ผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS

38

ซงในการทดลองทกครงจะใชกราฟทมลกษณะดงรปท 3.9 เปนตวตรวจสอบอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต เวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส และอณหภมทใชในการเกบตวอยางของสเลอรรกงของแขง วาเปนไปตามทกาหนดไวในแตละการทดลองหรอไม และยงใชเปนตวตรวจสอบอณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมาจากกระบวนการ GISS หลงจากการหยดจมแทงกราไฟตผานไปไมเกน 5 วนาท เพอนาไปใชในการคานวณหาปรมาณสดสวนของแขงทเกดขนสาหรบการวเคราะหผลในหวขอตอไป

3.3 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต (Rheocasting Temperature) และเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส (Rheocasting Time) 3.3.1 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทมตออณหภมของสเลอรรกงของแขง (Slurry Temperature) อตราการเยนตวของนาโลหะในระหวางการจมแทงกราไฟต (Cooling Rate) และปรมาณสดสวนของแขงเรมตน (Initial Solid Fraction)

สงสาคญทสดในการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS คอการใชแทงกราไฟตเปนตวดดระบายความรอนเฉพาะจดออกจากนาโลหะอยางรวดเรว ไปพรอมกบการพนฟองแกสเฉอยใหไหลผานแทงกราไฟตเพอทาใหเกดการเคลอนทของนาโลหะ เปนผลทาใหอณหภมของนาโลหะลดลงอยางรวดเรว ซงเปนการถายเทความรอนระหวางแทงกราไฟตกบนาโลหะ ทเกดขนจากอทธพลของ 2 ปจจย คอ อณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส โดยการถายเทความรอนระหวางแทงกราไฟตกบนาโลหะในงานวจยนถกวดออกมาเปนอณหภมของสเลอรรกงของแขง ซงอณหภมของสเลอรรกงของแขงในทนคอ อณหภมทลดลงหลงจากการหยดจมแทงกราไฟตผานไปเปนเวลาไมเกน 5 วนาท

ผลจากการทดลองแสดงใหเหนวา อณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส มผลอยางมากตออณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมาและปรมาณสดสวนของแขงทเกดขนจากกระบวนการ GISS ดงแสดงในรปท 3.10 และ 3.11 ซงพบวาทอณหภมนาโลหะ 650°C เมอทาการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสเปนเวลา 5 วนาท 12 วนาท และ 20 วนาท ทาใหอณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมามอณหภมอยท 615.9°C 611.8°C และ 609.3°C ตามลาดบ ซงเมอนาอณหภมของสเลอรรกงของแขงนมาคานวณหาคาสดสวนของแขงท เกดขนของโลหะผสมนนทอณหภมตางๆ ดวยสมการของไชล (Scheil Equation) ทาใหสามารถวเคราะหหาปรมาณสดสวนของแขงเรมตนทเกดขนได โดยในกรณนกจะ

39

มสดสวนของแขงเทากบ 0% 2.86% และ 8.34% ตามลาดบ ทอณหภมนาโลหะ 635°C เมอทาการจมแทงกราไฟตเปนเวลา 5 วนาท 12 วนาท และ 20 วนาท ทาใหอณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมามอณหภมอยท 613.4°C 609°C และ 606.9°C ตามลาดบ โดยมสดสวนของแขงเทากบ 0% 8.96% และ 13.09% ตามลาดบ ทอณหภมนาโลหะ 620°C เมอทาการจมแทงกราไฟตเปนเวลา 5 วนาท 12 วนาท และ 20 วนาท ทาใหอณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมามอณหภมอยท 611.8°C 607°C และ 604.4°C ตามลาดบ โดยมสดสวนของแขงเทากบ 2.86% 12.90% และ 17.56% ตามลาดบ โดยตารางท 3.2 ไดสรปผลของอณหภมสเลอรรกงของแขง อตราการเยนตวของนาโลหะในระหวางการจมแทงกราไฟต และปรมาณสดสวนของแขงทเกดขนหลงจากการจมแทงกราไฟตทอณหภมของนาโลหะและเวลาทใชในการพนฟองแกสทแตกตางกน

ตารางท 3.2 ผลของอณหภมสเลอรรกงของแขง อตราการเยนตวของนาโลหะในระหวางการจมแทงกราไฟต และปรมาณสดสวนของแขงทเกดขนหลงจากการจมแทงกราไฟตทอณหภม

ของนาโลหะและเวลาทใชในการพนฟองแกสทแตกตางกน

Test No.

Rheocasting temperature

(°C)

Rheocasting time (s)

Slurry temperature

(°C)

Cooling rate of metal during the GISS

process (°C/s)

Initial solid fraction

(%) 1 620 5 611.8 1.64 2.86 2 620 12 607.0 1.08 12.90 3 620 20 604.4 0.78 17.56 4 635 5 613.4 4.32 - 5 635 12 609.0 2.17 8.96 6 635 20 606.9 1.41 13.09 7 650 5 615.9 6.82 - 8 650 12 611.8 3.18 2.86 9 650 20 609.3 2.04 8.34

ซงอธบายไดวาทอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตเทากน เมอใชเวลาในการจม

แทงกราไฟตเพอพนฟองแกสนานขน แทงกราไฟตจะมเวลาในการดดระบายความรอนออกจากนาโลหะพรอมกบการเคลอนยายของนาโลหะเฉพาะจดไดมากขน ทาใหอตราการเยนตวของนาโลหะในระหวางการจมแทงกราไฟตมคาลดตาลง ดงแสดงในตารางท 3.2 และรปท 3.12 สงผลให

40

อณหภมของสเลอรรกงของแขงลดลงตามลาดบ และทาใหเกดสดสวนของแขงเพมมากขนดวย ในทางกลบกนเมอพจารณาเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทเทากน แตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตแตกตางกนพบวา นาโลหะทมอณหภมตากวาจะสงผลใหสเลอรรกงของแขงทไดออกมามอณหภมทตากวาและจะมสดสวนของแขงทเกดขนมากกวาดวย

602

604

606

608

610

612

614

616

618

0 5 10 15 20 25

Rheocasting time (s)

Rheocasting temp. at 620 CRheocasting temp. at 635 CRheocasting temp. at 650 C

Slu

rry

tem

pera

ture

(°C

)

Liquidus temperature = 613°C

รปท 3.10 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟต

เพอพนฟองแกสทมตออณหภมของสเลอรรกงของแขง

นอกจากนกราฟทไดแสดงในรปท 3.10 พบวากรณทจมแทงกราไฟตทอณหภมนาโลหะ

650°C เปนเวลา 5 วนาท อณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมายงมอณหภมสงกวาอณหภมทจดหลอมเหลวท 613°C อธบายไดวาในกรณนอะลมเนยมผสมทใชในการทดลองยงคงมสภาพเปนเฟสของเหลวทงหมด และยงไมมการฟอรมของนวคลไอ (Nuclei) เพอเกดเปนอนภาคของแขง (Solid Particle) กอนทจะเรมเกดการแขงตวตอไป ทาใหไมมสดสวนของแขงเกดขน ดงแสดงในรปท 3.11 และในกรณของการจมแทงกราไฟตทอณหภมนาโลหะ 635°C เปนเวลา 5 วนาทเชนกน ผลของอณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมามคาใกลเคยงกบอณหภมทจดหลอมเหลวมาก ทาใหในบางครงของการทดลองกอาจมการฟอรมของนวคลไอเพอเกดเปนอนภาคของแขงในปรมาณนอยมากไดเชนกน สวนในกรณอนๆ ของการทดลอง จะเหนวาอณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมา มคาตากวาอณหภมทจดหลอมเหลวและมสดสวนของแขงเกดขนแตกตางกนออกไป ดงแสดงในรปท 3.10 และ 3.11 ปรมาณสดสวนของแขงทเกดขนนเปนผลมาจากอทธพลของอณหภม

650°C 635°C

620°C

41

นาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสดงทไดกลาวไวกอนหนานแลว นอกจากนอทธพลดงกลาวยงสงผลโดยตรงตอลกษณะโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ซงจะไดกลาวไวในลาดบถดไป

02468

101214161820

0 5 10 15 20 25

Rheocasting time (s)

Sol

id fr

actio

n (%

)

Rheocasting temp. at 620 CRheocasting temp. at 635 CRheocasting temp. at 650 C

รปท 3.11 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟต

เพอพนฟองแกสทมตอปรมาณสดสวนของแขง

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15 20 25

Rheocasting time (s)

Rheocasting temp. at 620 CRheocasting temp. at 635 CRheocasting temp. at 650 C

Coo

ling

rate

of m

etal

dur

ing

the

GIS

S pr

oces

s (°

C/s)

รปท 3.12 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟต

เพอพนฟองแกสทมตออตราการเยนตวของนาโลหะในระหวางการจมแทงกราไฟต

620°C

635°C

650°C

650°C

635°C

620°C

42

ผลทไดจากการทดลองในหวขอนทาใหเราสามารถกาหนดเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส รวมกบอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตทแตกตางกน เพอใหไดปรมาณสดสวนของแขงเปนไปตามทตองการ ยกตวอยางเชน หากตองการปรมาณสดสวนของแขงท 5% จะตองใชเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสประมาณ 7 วนาท 9 วนาท และ 15 วนาท เมออณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตอยท 620°C 635°C และ 650°C ตามลาดบ 3.3.2 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทมตอโครงสรางทางจลภาค (Microstructure) ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356

ผลทไดจากการทดลองพบวา ลกษณะรปรางของเฟส α อะลมเนยม (α - Al Phase) ซงกคออนภาคของแขงทเกดขน จะแปรเปลยนไปตามสภาวะการแขงตว (Solidification) จากรปรางแบบเดนไดรตหยาบ (Coarse Dendritic) เปลยนเปนรปรางแบบแฉก (Rosette-like) และสดทายกลายเปนรปรางแบบกอนกลม (Globular) ดงแสดงในรปท 3.13 และ 3.14

รปท 3.13โครงสรางจลภาคของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตอณหภมของนาโลหะ

กอนจมแทงกราไฟตทอณหภม 620°C แตเวลาในการจมแทงกราไฟตแตกตางกน (ก) 5 วนาท (ข) 12 วนาท และ (ค) 20 วนาท ตามลาดบ

(ก) (ข)

(ค)

43

รปท 3.13 แสดงผลโครงสรางจลภาคของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตการจมแทงกราไฟตทอณหภมของนาโลหะเทากนท 620°C แตเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสแตกตางกน (ก) 5 วนาท (ข) 12 วนาท และ (ค) 20 วนาท ตามลาดบ ผลทไดชใหเหนวา เวลาในการจมแทงกราไฟตมอทธพลตอปรมาณและลกษณะรปรางของเฟส α อะลมเนยมทเกดขนในระหวางการแขงตว โดยบรเวณพนทสขาว คอเฟสของ α อะลมเนยม (α – Al Phase) และบรเวณพนทมสเขมเปนเฟสทเกดจากปฏกรยายเทกตก (Eutectic Phase)

รปท 3.13(ก) และ (ข) ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 วนาท และ 12 วนาท ตามลาดบ จะปรากฎเฟสของ α อะลมเนยมทมลกษณะเปนแบบแฉกผสมกบกอนกลม และภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 20 วนาท เฟสของ α อะลมเนยมจะมลกษณะเปนแบบกอนกลมกระจายอยทวทงโครงสราง และเมอทาการวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณพบวา ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 วนาท อณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตอยท 620°C เฟสของ α อะลมเนยมทเกดขนจะมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 91.2 μm และมคาความกลมเฉลยอยท 0.53 ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 12 วนาท อณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตอยท 620°C เฟสของ α อะลมเนยมทเกดขนจะมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 80.1 μm และมคาความกลมเฉลยอยท 0.66 และภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 20 วนาท อณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตอยท 620°C เฟสของ α อะลมเนยมทเกดขนจะมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 71.6 μm และมคาความกลมเฉลยอยท 0.68 ดงแสดงในตารางท 3.3 และรปท 3.14

ตารางท 3.3 สรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต 620°C แตเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตแตกตางกน

Test No.

Rheocasting time (s)

Rheocasting temperature

(°C)

Primary α - Al

morphology

Particle diameter of primaryα - Al

(μm)

Shape factor of primary α - Al

1 5 620 Globular +

rosette-like 91.2 0.53

2 12 620 Globular +

rosette-like 80.1 0.66

3 20 620 Globular 71.6 0.68

44

เมอพจารณาเปรยบเทยบผลของโครงสรางเชงปรมาณแลวนน พบวาภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 20 วนาท เฟสของ α อะลมเนยมทเกดขนจะมขนาดทเลกละเอยดกวาและมคาความกลมสงกวาเมอเปรยบเทยบกบภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 และ 12 วนาท ทเปนเชนนเนองมาจากแทงกราไฟตทาใหเกดการดดความรอนจากนาโลหะ ทาใหนาโลหะเกดการเยนตวเฉพาะจดเปนเวลาทยาวนานขน ทาใหเกดอนภาคของแขงขนาดเลกจานวนมากขน ประกอบกบแกสเฉอยทไหลผานแทงกราไฟตชวยทาใหเกดการเคลอนยายของนาโลหะหรอทเรยกวาการพาซงทาใหเกดการแตกหกของแขนเดนไดรตและเกดเปนอนภาคของแขงจานวนมากขน เมออนภาคของแขงเหลานขยายโตขน จงทาใหโครงสรางจลภาคทไดมลกษณะเปนกอนกลมทละเอยดกวา

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0 5 10 15 20 25

Rheocasting time (s)

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

Sha

pe fa

ctor

Particle equivalent diameter Shape factor

Par

ticle

equ

ival

ent d

iam

eter

(µm

)

รปท 3.14 ผลของเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทมตอขนาดเสนผานศนยกลางและคาความกลมของเฟส α อะลมเนยม ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต 620°C

รปท 3.15 แสดงโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตเวลาในการจม

แทงกราไฟต 5 วนาท ทอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตแตกตางกนพบวา ทอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต 650°C จะปรากฎเฟส α อะลมเนยมทมลกษณะเปนแฉกขนาดใหญ แตทอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต 635°C และ 620°C จะปรากฎเฟส α อะลมเนยมทมลกษณะเปนแฉกผสมกบกอนกลม ดงแสดงในรปท 3.15(ข) และรปท 3.15(ค) ตามลาดบ และเมอทาการวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณพบวา ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 วนาท โดยทกาหนดใหอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตอยท 620°C เฟสของ α อะลมเนยมทเกดขน

45

จะมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 91.2 μm และมคาความกลมเฉลยอยท 0.53 ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตอยท 635°C เฟสของ α อะลมเนยมทเกดขนจะมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 106.4 μm และมคาความกลมเฉลยอยท 0.50 และภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตอยท 650°C เฟสของ α อะลมเนยมทเกดขนจะมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 126 μm และมคาความกลมเฉลยอยท 0.46 ดงแสดงในตารางท 3.4 และรปท 3.16 ซงอธบายไดวา อณหภมของนาโลหะทสงขนจะทาใหเกดอตราการเยนตวของนาโลหะในระหวางการจมแทงกราไฟตทสงกวา และจะเกดอนภาคของแขงทมขนาดใหญกวา อนภาคเหลานจงเตบโตตอไปเกดเปนโครงสรางทมลกษณะเปนแฉกขนาดใหญนนเอง

รปท 3.15โครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต เพอพนฟองแกสทเวลา 5 วนาท แตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตแตกตางกน

(ก) 650°C (ข) 635°C และ (ค) 620°C ตามลาดบ

(ก) (ข)

(ค)

46

ตารางท 3.4 สรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 วนาท แตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตแตกตางกน

Test No.

Rheocasting temperature

(°C)

Rheocasting time (s)

Primary α - Al

morphology

Particle diameter of primaryα - Al

(μm)

Shape factor of primary α - Al

1 650 5 Rosette-like 126.0 0.46

2 635 5 Globular +

rosette-like 106.4 0.50

3 620 5 Globular +

rosette-like 91.2 0.53

80

90

100

110

120

130

140

605 620 635 650 6650.4

0.45

0.5

0.55

0.6

Shap

e fa

ctor

Particle equivalent diameter Shape factor

Parti

cle

equi

vale

nt d

iam

eter

(µm

)

Rheocasting temperature (°C)

รปท 3.16 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทมตอขนาด เสนผานศนยกลางและคาความกลมของเฟส α อะลมเนยม

ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 วนาท

47

3.4 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ (S/V Raito) ในการทดลองน เพอใหไดอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ (S/V Raito) ทแตกตางกน สามารถทาไดโดยการกาหนดปรมาณของนาโลหะ (Metal Weight) ทใชในแตละครงเทากบ 500 กรม ซงในกรณนโลหะทใชคอ อะลมเนยมผสม A356 มคาความหนาแนน (Density) ประมาณ 2.67 g/cm3 ดงนนปรมาตรของนาโลหะ (Metal Volume, V) ทใชในแตละครงมคาเทากบ 187.3 cm3 สวนพนทผวของแทงกราไฟต (Surface Area, S) ทใชจมลงไปในนาโลหะ จะสามารถคานวณไดจากระยะความยาวของแทงกราไฟตในสวนทถกจมลงไปในนาโลหะทแตกตางกน คอ 3 cm 4.5 cm 6 cm และ 7.5 cm ทาใหไดพนทผวของแทงกราไฟตทใชจมลงไปในนาโลหะมคาเทากบ 29 cm2 40.98 cm2 52.94 cm2 และ 64.91 cm2 ตามลาดบ ซงเมอนาคาพนทผวของแทงกราไฟตทใชจมลงไปในนาโลหะและปรมาตรของนาโลหะทใชในแตละครงนมาคานวณ ทาใหสามารถหาคาอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกนได ดงแสดงในตารางท 3.5 ตารางท 3.5 ผลของพนทผวแทงกราไฟตทใชจมลงไปในนาโลหะและปรมาตรของนาโลหะทใช

ทมตออตราสวนของพนทผวแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกน

Test No.

Metal weight

(g)

Metal volume, V

(cm3)

Immersion level of graphite diffuser

(cm)

Surface area of graphite diffuser, S

(cm2)

S/V ratio

1 500 187.3 3.0 29.00 0.15 2 500 187.3 4.5 40.98 0.22 3 500 187.3 6.0 52.94 0.28 4 500 187.3 7.5 64.91 0.35

ดงนนผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทใชในการทดลองน จะมอยดวยกน 4 ระดบ คอ อตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะท 0.15 0.22 0.28 และ 0.35 ตามลาดบ รปท 3.17 แสดงใหเหนถงการจาลองของการจมแทงกราไฟตลงไปในนาโลหะดวยการใชนาธรรมดาแทนนาโลหะและใชแกวใสแทนเบาสเตนเลสทใชตกนาโลหะในการทดลองจรง ซงจากรปกจะเหนความแตกตางของระดบการจมแทงกราไฟตลงไปในนา เมอใชอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกน

48

(ก) (ข) (ค) (ง)

รปท 3.17 แสดงการจาลองของการจมแทงกราไฟตลงไปในนาโลหะดวยอตราสวนพนทผวของ แทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกน (ก) 0.15 (ข) 0.22 (ค) 0.28 และ (ง) 0.35

3.4.1 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ ทมตออณหภมของ สเลอรรกงของแขง (Slurry Temperature) และปรมาณสดสวนของแขงเรมตน (Initial Solid Fraction) ผลจากการทดลองแสดงใหเหนวา อตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทใชในการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวน GISS มผลอยางมากตออณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมาและปรมาณสดสวนของแขงทเกดขน ดงแสดงในรปท 3.18 ซงพบวาทอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะท 0.15 0.22 0.28 และ 0.35 เมอทาการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสเปนเวลา 20 วนาท ทอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตอยท 620°C จะทาใหอณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมามอณหภมอยท 612.3°C 611.2°C 608.7°C และ 606°C ตามลาดบ ซงเมอนาอณหภมของสเลอรรกงของแขงนมาคานวณหาคาสดสวนของแขงทเกดขนของโลหะผสมนนทอณหภมตางๆ ดวยสมการของไชล (Scheil Equation) ทาใหสามารถวเคราะหหาปรมาณสดสวนของแขงเรมตนทเกดขนได โดยในกรณนกจะมสดสวนของแขงเทากบ 1.68% 4.23% 9.57% และ 14.75% ตามลาดบ โดยตารางท 3.6 ไดสรปผลของ

49

อณหภมสเลอรรกงของแขง และปรมาณสดสวนของแขงเรมตนทเกดขน ภายใตอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทใชแตกตางกน

ตารางท 3.6 สรปผลของอณหภมสเลอรรกงของแขงและปรมาณสดสวนของแขงทเกดขน ภายใตอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทใชแตกตางกน

Test No.

S/V ratio

Rheocasting temperature

(°C)

Rheocasting time (s)

Slurry temperature

(°C)

Initial solid fraction

(%) 1 0.15 620 20 612.3 1.68 2 0.22 620 20 611.2 4.23 3 0.28 620 20 608.7 9.57 4 0.35 620 20 606.0 14.75

605

606

607

608

609

610

611

612

613

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

S/V ratio

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Solid

frac

tion

(%)

Slurry temperature (C) Solid fraction (%)

Slu

rry

tem

pera

ture

(°C)

รปท 3.18 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกน

ทมตออณหภมสเลอรรกงของแขงและปรมาณสดสวนของแขงทเกดขน

50

3.4.2 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ ทมตอโครงสรางทางจลภาค (Microstructure) ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356

ผลทไดจากการทดลองพบวา อตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทใชในการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวน GISS มผลอยางมากตอลกษณะรปรางของเฟส α อะลมเนยม (α - Al Phase) ซงรปรางของเฟส α อะลมเนยมนจะเปลยนจากรปรางแบบเดนไดรตหยาบ (Coarse Dendritic) เปนรปรางแบบแฉก (Rosette-like) และสดทายกลายเปนรปรางแบบกอนกลม (Globular) เมออตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะมคาเพมสงขน ดงแสดงในรปท 3.19

(ก) (ข)

(ค) (ง)

รปท 3.19โครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต เพอพนฟองแกสทเวลา 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C

แตใชอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกน (ก) 0.15 (ข) 0.22 (ค) 0.28 และ (ง) 0.35 ตามลาดบ

51

รปท 3.19 แสดงโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทเวลา 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตกาหนดใหอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทใชแตกตางกนพบวา อตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะท 0.15 จะปรากฎเฟส α อะลมเนยมทมลกษณะเปนแฉกขนาดใหญ โดยมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 126.5 μm และมคาความกลมเฉลยอยท 0.43 ดงแสดงในรปท 3.19(ก) และเมอกาหนดใหอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะอยท 0.22 จะปรากฎเฟส α อะลมเนยมทมลกษณะเปนแบบแฉกผสมกบกอนกลม โดยมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 114.5 μm และมคาความกลมเฉลยอยท 0.50 ดงแสดงในรปท 3.19(ข) นอกจากนเมอทาการเพมอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะใหสงขนเปน 0.28 และ 0.35 ผลของโครงสรางทไดจะปรากฎเฟส α อะลมเนยมทมลกษณะเปนแบบกอนกลมกระจายอยอยางสมาเสมอ ดงแสดงในรปท 3.19(ค) และรปท 3.19(ง) ตามลาดบ และเมอทาการวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณพบวา เฟสของ α อะลมเนยมทเกดขนจะมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 77.5 μm และ 68.3 μm สวนคาความกลมเฉลยจะอยท 0.66 และ 0.75 ตามลาดบ ดงแสดงในตารางท 3.7 และรปท 3.20 ซงอธบายไดวา อตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทเพมสงขน จะทาใหเกดปรมาณสดสวนของแขงทมากกวา และอนภาคของแขงทเกดขนจะมขนาดทเลกละเอยดกวา ทาใหอนภาคของแขงเหลานเตบโตตอไปเกดเปนโครงสรางทมลกษณะเปนแบบกอนกลมขนาดเลกกระจายอยอยางสมาเสมอในโครงสรางของอะลมเนยม

ตารางท 3.7 สรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C

แตใชอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทแตกตางกน

S/V ratio

Rheocasting temperature

(°C)

Rheocasting time (s)

Primary α - Al

morphology

Particle diameter of primaryα - Al

(μm)

Shape factor of primary α - Al

0.15 620 20 Rosette-like 126.5 0.43

0.22 620 20 Globular +

rosette-like 114.5 0.50

0.28 620 20 Globular 77.5 0.66 0.35 620 20 Globular 68.3 0.75

52

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.40.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

Shap

e fa

ctor

Particle equivalent diameter Shape factor

Par

ticle

equ

ival

ent d

iam

eter

(µm

)

S/V ratio

รปท 3.20 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทมตอขนาดเสนผานศนยกลางและคาความกลมของเฟส α อะลมเนยม ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 20 วนาท

รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C ผลทไดจากการทดลองในหวขอน ชใหเหนถงอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทเหมาะสมในการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS เพอใหไดปรมาณสดสวนของแขงและโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมตามทตองการ ซงจะมความสาคญมากในการออกแบบระบบผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS วาจะตองกาหนดระยะความยาวของแทงกราไฟตทจะใชจมลงไปในนาโลหะใหอยในระดบความลกทเหมาะสม เพอใหไดอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทมประสทธภาพมากทสด 3.5 ผลของอณหภมแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ (Graphite Diffuser Temperature) เมอทาการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS รวมกบกระบวนการหลอขนรปชนงาน โดยเฉพาะในกระบวนการหลอฉดอะลมเนยมทสามารถฉดขนรปอะลมเนยมเปนชนงานตามทตองการไดอยางรวดเรว โดยใชเวลาในการผลตตอชน (Cycle Time) ไมถงหนงนาท (ขนอยกบความหนาของชนงานหลอดวย) ซงตรงจดนเองทเปนสาเหตใหผวจยและทมวจยตองออกแบบระบบการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS ใหใชเวลาในการผลตโลหะกงของแขงตอครงนอยทสด นนคอตองควบคมกระบวนการ GISS ใหมเวลา Cycle Time สนทสด และยงคงผลต

53

โลหะกงของแขงไดอยางมประสทธภาพมากทสด ซงหนงในตวแปรสาคญทมผลตอเวลาในการผลตโลหะกงของแขงตอครงดวยกระบวนการ GISS นกคอ อณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ (Graphite Diffuser Temperature) เนองจากในการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS โดยทวไปแลวจะมการควบคมอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะใหอยทอณหภมไมเกน 40°C โดยหลงจากททาการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสเปนเวลาตามทกาหนดแลว แทงกราไฟตกจะมอณหภมเพมสงขนเกนคาทกาหนดไว ระบบของเครอง GISS กจะทาการหลอเยน (Cooling) แทงกราไฟตดวยการฉดพนลมไปยงรอบ ๆ บรเวณของแทงกราไฟต เพอทาใหแทงกราไฟตเยนตวและลดอณหภมลงมาใหอยตากวาอณหภมของแทงกราไฟตทกาหนดไว เพอเตรยมความพรอมในรอบตอไปของการผลตโลหะกงของแขง แตเนองจากเมอนากระบวนการ GISS มาใชรวมกบกระบวนการหลอฉดอะลมเนยม พบวาการหลอเยนแทงกราไฟตใหมอณหภมไมเกน 40°C หลงจากจมแทงกราไฟตเปนเวลา 5 ถง 20 วนาท ตองใชเวลาในการหลอเยนแทงกราไฟตเปนเวลา 40 ถง 80 วนาท ซงถอวาเปนเวลา Cycle Time ทนานมากสาหรบกระบวนการหลอฉดอะลมเนยม ทาใหเวลาทใชในการผลตโลหะกงของแขงตอครงไมสมพนธกบเวลาทใชในการหลอฉดอะลมเนยม วธแกปญหาดงทกลาวมาแลว สามารถทาไดดวยการกาหนดอณหภมของแทงกราไฟตกอนจมนาโลหะใหเพมสงขน ดวยการควบคมอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะใหอยทอณหภมไมเกน 100°C กจะสามารถชวยลดเวลาทใชในการหลอเยนแทงกราไฟตใหนอยลงได 3.5.1 ผลของอณหภมแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ ทมตออณหภมของสเลอรรกงของแขง (Slurry Temperature) และปรมาณสดสวนของแขงเรมตน (Initial Solid Fraction) ผลจากการทดลองพบวา เมอกาหนดใหอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะใหอยท 40°C และ 100°C ภายใตเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส 5 วนาท และอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตอยท 620°C ทาใหอณหภมของสเลอรรกงของแขงทไดออกมามอณหภมอยท 612 และ 612.6°C ตามลาดบ ซงเมอนาอณหภมของสเลอรรกงของแขงนมาคานวณหาคาสดสวนของแขงทเกดขนของโลหะผสมนนทอณหภมตางๆ ดวยสมการของไชล (Scheil Equation) ทาใหสามารถวเคราะหหาปรมาณสดสวนของแขงเรมตนทเกดขนได โดยในกรณนกจะมสดสวนของแขงเทากบ 2.39% และ 0.97% ตามลาดบ โดยตารางท 3.8 ไดสรปผลของอณหภมสเลอรรกงของแขง และปรมาณสดสวนของแขงทเกดขน ภายใตอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทแตกตางกน

54

ตารางท 3.8 สรปผลของอณหภมสเลอรรกงของแขง และปรมาณสดสวนของแขงทเกดขน ภายใตอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทแตกตางกน

Test No.

Graphite diffuser temperature

(°C)

Rheocasting time (s)

Rheocasting temperature

(°C)

Slurry temperature

(°C)

Initial solid fraction

(%) 1 40 5 620 612.0 2.39 2 100 5 620 612.6 0.97 3 40 20 620 606.0 14.75 4 100 20 620 608.4 10.18

3.5.2 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทมตอโครงสรางทางจลภาค (Microstructure) ของโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356

ผลจากการทดลองพบวา ทอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะท 40°C และ 100°C ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทเวลา 5 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C จะปรากฎเฟส α อะลมเนยมทมลกษณะรปรางเปนแบบแฉกผสมกบกอนกลม โดยมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 84.3 μm และ 88 μm ตามลาดบ สวนคาความกลมเฉลยอยท 0.68 และ 0.66 ตามลาดบ ดงแสดงในรปท 3.21

(ก) (ข)

รปท 3.21โครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต เพอพนฟองแกสทเวลา 5 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C

แตใชอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทแตกตางกน (ก) 40°C และ (ข) 100°C ตามลาดบ

55

และในกรณทอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะท 40°C และ 100°C ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทเวลา 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C จะปรากฎเฟส α อะลมเนยมทมลกษณะรปรางเปนแบบกอนกลมกระจายอยทวทงโครงสราง โดยมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 68.5 μm และ 69.4 μm ตามลาดบ สวนคาความกลมเฉลยอยท 0.75 และ 0.74 ตามลาดบ ดงแสดงในรปท 3.22 ซงพบวาทงสองการทดลองใหผลทไมแตกตางกน ดงจะสงเกตไดวาลกษณะรปรางของเฟส α อะลมเนยมมลกษณะคลายกนคอมลกษณะเปนแบบกอนกลมกระจายอยทวทงโครงสราง นอกจากนขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยและคาความกลมเฉลยของเฟส α อะลมเนยมกมคาใกลเคยงกนมาก ดงแสดงในรปท 3.23 และตารางท 3.9 ไดสรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 และ 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทใชแตกตางกน ผลทไดจากการทดลองในหวขอน แสดงใหเหนวา เราสามารถกาหนดอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะไดสงถง 100°C โดยทยงคงสามารถผลตโลหะกงของแขงไดอยางมประสทธภาพ และชวยทาใหเวลาทใชในการหลอเยนของแทงกราไฟตลดลง ทาใหสามารถผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS ไดทนเวลากบกระบวนการหลอฉดอะลมเนยม

(ก) (ข)

รปท 3.22 โครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต เพอพนฟองแกสทเวลา 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C

แตใชอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทแตกตางกน (ก) 40°C และ (ข) 100°C ตามลาดบ

56

ตารางท 3.9 สรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 และ 20 วนาท รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต

ท 620°C แตอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทใชแตกตางกน Graphite

temperature (°C)

Rheocasting temperature

(°C)

Rheocasting time (s)

Primary α - Al

morphology

Particle diameter of primaryα - Al

(μm)

Shape factor of primary α - Al

40 5 620 Globular +

rosette-like 84.3 0.68

100 5 620 Globular +

rosette-like 88.0 0.66

40 20 620 Globular 68.5 0.75 100 20 620 Globular 69.4 0.74

0

102030

40

5060

708090

100

40-5 100-5 40-20 100-200

0.10.20.3

0.4

0.50.6

0.70.80.9

1

Sha

pe fa

ctor

Particle equivalent diameter Shape factor

Par

ticle

equ

ival

ent d

iam

eter

(µm

)

Graphite Temperature (°C) - Rheocasting time (s)

รปท 3.23 ผลของอณหภมแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะทมตอขนาดเสนผานศนยกลางและคาความกลมของเฟส α อะลมเนยม ภายใตเวลาในการจมแทงกราไฟต 5 และ 20 วนาท

รวมกบอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C

57

3.6 ผลของปรมาณนาโลหะ (Metal Weight) ทใชในกระบวนการผลตโลหะกงของแขงทมตอเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสและโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356

ผลจากการทดลอง เมอเรากาหนดอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตใหอยท 620°C และทาการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสจนกระทงอณหภมของนาโลหะลดลงมาจนถงอณหภมทกาหนดไว คอ 608°C และ 604°C ซงทอณหภมนจะมปรมาณสดสวนของแขงเกดขนประมาณ 10% และ 18% ตามลาดบ จากนนจงทาการตรวจสอบวาตองใชเวลากวนาทในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส จงจะทาใหอณหภมของนาโลหะลดลงมาจนถงอณหภมทกาหนดไว

ซงผลจากการทดลองพบวา ทปรมาณนาโลหะ 500 กรม เมอกาหนดปรมาณสดสวนของแขงทตองการใหอยทประมาณ 10% และ 18% ตองใชเวลาในการจมแทงกราไฟตเปนเวลา 10 และ 20 วนาท ตามลาดบ ทปรมาณนาโลหะ 1,000 กรม เมอกาหนดปรมาณสดสวนของแขงทตองการใหอยทประมาณ 10% และ 18% ตองใชเวลาในการจมแทงกราไฟตเปนเวลา 30 และ 40 วนาท ตามลาดบ และทปรมาณนาโลหะ 1,500 กรม เมอกาหนดปรมาณสดสวนของแขงทตองการใหอยทประมาณ 10% และ 18% ตองใชเวลาในการจมแทงกราไฟตเปนเวลา 40 และ 50 วนาท ตามลาดบ ดงแสดงในรปท 3.24

0

10

20

30

40

50

60

0 500 1000 1500 2000

Metal Weight (g)

Rheo

cast

ing

time

(s)

Slurry temperature at 608 C

Slurry temperature at 604 C

รปท 3.24 ผลของปรมาณนาโลหะทใชในกระบวนการผลตโลหะกงของแขง ทมตอเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส

fs = 18%

fs = 10%

58

ซงอธบายไดวาเมอกาหนดอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตเทากน และทาการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสจนกระทงอณหภมของนาโลหะลดลงมาจนถงอณหภมทกาหนดไว คอ 608°C และ 604°C ซงทอณหภมนจะมปรมาณสดสวนของแขงเกดขนประมาณ 10% และ 18% ตามลาดบ แตปรมาณของนาโลหะทใชในแตละครงไมเทากน สงผลใหเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสในแตละครงไมเทากนดวย กลาวคอเมอเราใชนาโลหะในปรมาณทมากกวา แทงกราไฟตจะมความสามารถในการดดระบายความรอนออกจากนาโลหะไดลดลง สงผลใหตองใชเวลาในการจมแทงกราไฟตนานขนเพอทจะทาใหอณหภมของนาโลหะลดลงมาจนถงอณหภมทกาหนดไว และทาใหไดสดสวนของแขงในปรมาณทตองการ ทจะนาไปใชในการขนรปตอไป

(ก) (ข)

(ค)

รปท 3.25โครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชปรมาณนาโลหะและเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสท

แตกตางกน (ก) 500 กรม – 20 วนาท (ข) 1,000 กรม – 40 วนาท และ (ค) 1,000 กรม – 50 วนาทตามลาดบ

59

ซงเมอพจารณาถงโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชปรมาณนาโลหะและเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทแตกตางกน พบวาเมอเราใชนาโลหะในปรมาณทมากขนคอ 500 กรม 1000 กรม และ 1500 กรม แทงกราไฟตจะมความสามารถในการดดระบายความรอนออกจากนาโลหะไดลดลง สงผลใหตองใชเวลาในการจมแทงกราไฟตนานขนเปนเวลา 20 วนาท 40 วนาท และ 50 วนาท ตามลาดบ เพอทจะทาใหอณหภมของนาโลหะลดลงมาจนถงอณหภมทกาหนดไวคอ 604°C ซงทอณหภมนจะมปรมาณสดสวนของแขงเรมตนเกดขนประมาณ 18% และโครงสรางทไดกจะมลกษณะคลายกนโดยจะปรากฎเฟส α อะลมเนยมทมลกษณะเปนแบบกอนกลมกระจายอยอยางสมาเสมอ ดงแสดงในรปท 3.25 และเมอทาการวเคราะหโครงสรางเชงปรมาณพบวา เฟสของ α อะลมเนยมทเกดขนจะมขนาดเสนผานศนยกลางเฉลยเทากบ 72.6 μm 85.4 μm และ 84.3 μm สวนคาความกลมเฉลยจะอยท 0.67 0.66 และ 0.66 ตามลาดบ ดงแสดงในตารางท 3.10 และรปท 3.26

ตารางท 3.10 สรปผลของรปราง ขนาด และคาความกลมของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน

ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชปรมาณนาโลหะ และเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทแตกตางกน

Metal Weight

(g)

Rheocasting temperature

(°C)

Rheocasting time (s)

Primary α - Al

morphology

Particle diameter of primaryα - Al

(μm)

Shape factor of primary α - Al

500 620 20 Globular 72.6 0.67

1000 620 40 Globular +

rosette-like 85.4 0.66

1500 620 50 Globular +

rosette-like 84.3 0.66

60

0

10

2030

40

5060

7080

90

100

500-20 1000-40 1500-50

Particle equivalent diameter Shape factor

Parti

cle

equi

vale

nt d

iam

eter

(µm

)

Metal Weight (g) - Rheocasting time (s)

0

0.1

0.20.3

0.4

0.50.6

0.70.8

0.9

1

Shap

e fa

ctor

รปท 3.26 ผลของปรมาณนาโลหะทมตอขนาดเสนผานศนยกลางและคาความกลมของเฟส α อะลมเนยม ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตท 620°C แตใชปรมาณนาโลหะ

และเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทแตกตางกน

61

3.7 ผลของการประยกตใชระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตว (GISS Process) รวมกบกระบวนการหลอแบบไดคาสตง (Die Casting)

ทาการหลอขนรปชนงานตวอยางโดยใชกระบวนการฉดดวยความดนสงแบบวธการปกตทใชในการผลตปจจบนซงใชอะลมเนยมหลอมเหลวทอณหภมประมาณ 660 - 680°C เปรยบเทยบกบการฉดอะลมเนยมในสภาวะกงของแขงทอณหภมตากวา 610°C สาหรบอะลมเนยมผสมเกรด A356 (สดสวนของแขงประมาณ 7-10%) ดงแสดงในรปท 3.27 และรปท 3.28

นอกจากนยงไดทาการทดลองฉดอะลมเนยมในสภาวะกงของแขงของอะลมเนยม เกรด ADC10 ADC12 LM6 A5052 A6061 และ A7075 เพอแสดงใหเหนถงความสามารถของการฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

รปท 3.27 แสดงการฉดชนงานตวอยางจากอตสาหกรรมดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

62

3.7.1 ผลของการฉดชนงานตวอยางจากอตสาหกรรมดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง จากการทดลองฉดชนงานตวอยางดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง พบวากระบวนการผลต

โลหะกงของแขงแบบใหมน (Gas Induced Semi-Solid, GISS Process) สามารถผลตชนงานอะลมเนยมไดหลากหลายเกรด ทงในกลมของ Cast Alloys และ Wrought Alloys ดงแสดงในรปท 3.28 ถงรปท 3.34

รปท 3.28 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด A356 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

รปท 3.29 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด ADC10 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

รปท 3.30 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด ADC12 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

63

รปท 3.31 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด LM6 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

รปท 3.32 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด A5052 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

รปท 3.33 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด A6061 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

รปท 3.34 แสดงชนงานของอะลมเนยมเกรด A7075 ทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

64

3.7.2 ผลการทดสอบความหนาแนนและเปอรเซนตโพรงอากาศของอะลมเนยมเกรด A356 จากการคานวณหาความหนาแนนของชนงานทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

เปรยบเทยบกบความหนาแนนอางอง (Reference Density) ของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ซงมคาเทากบ 2.667 g/cm3 และความหนาแนนของชนงานทฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต ดงในรปท 3.35 และรปท 3.36 แสดงเปอรเซนตรพรนของชนงานอะลมเนยมเกรด A356 ซงผลทไดพบวาการฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง ทาใหชนงานมความหนาแนนสงกวาและมเปอรเซนตโพรงอากาศภายในชนงานทตากวาเมอเปรยบเทยบกบการฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต

2.40

2.45

2.50

2.55

2.60

2.65

2.70

Liquid GISS-1 GISS-2 GISS-3 GISS-4 GISS-5 GISS-6 GISS-7 GISS-8

Sample No.

Dens

ity (g

/cm

^3)

รปท 3.35 แสดงความหนาแนนของชนงานอะลมเนยมผสมเกรด A356

0.00

0.40

0.80

1.20

1.60

2.00

2.40

2.80

Liquid GISS-1 GISS-2 GISS-3 GISS-4 GISS-5 GISS-6 GISS-7 GISS-8

Sample No.

Por

osity

(%)

รปท 3.36 แสดงเปอรเซนตโพรงอากาศของชนงานอะลมเนยมผสมเกรด A356

Reference Density of Al A356 = 2.667 g/cm3

Average Porosity (%) = 0.95 ± 0.10

65

3.7.3 การทดสอบ Blister ทเกดขนของชนงานตวอยางทผลตได ในการทดสอบ Blister ทเกดขน ทาไดโดยการนาชนงานไปอบในเตาอบทอณหภม 520°C เปนเวลา 3 ชวโมง พบวาชนงานทฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต เมอสงเกตทผวของชนงานจะพบมจดพอง (Blister) เกดขนเปนจานวนมาก ดงแสดงในรปท 3.37 เนองจากชนงานมโพรงอากาศทอยบรเวณผวและภายในเนอของชนงานเปนจานวนมาก ดงนนเมอชนงานไดรบความรอนทอณหภมสงจงทาใหเนอชนงานขยายตวเกดเปนจดพองและทาใหผวแตกเปนสะเกดได นนจงเปนเหตผลสาคญททาใหชนงานทฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกตไมสามารถนาไปเพมความแขงแรงโดยการอบชบทางความรอน (Heat Treatment) หรอใชในงานเชอมได

รปท 3.37 แสดงผวของชนงานทผานการหลอฉดขนรปดวยนาโลหะแบบธรรมดา ภายหลงจากการนาชนงานไปอบในเตาอบทอณหภม 520°C เปนเวลา 3 ชวโมง

สาหรบชนงานทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง พบวาเมอสงเกตทผวของ

ชนงานจะมจดพอง (Blister) เกดขนนอยมากหรอไมเกดขนเลย ดงแสดงในรปท 3.38 ทเปนเชนนเนองมาจากวาชนงานทฉดขนรปดวยดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขงมความหนาแนนสงกวาและมเปอรเซนตรพรนภายในชนงานทตากวามากเมอเปรยบเทยบกบการฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต

66

รปท 3.38 แสดงผวของชนงานทผานการหลอฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

ภายหลงจากการนาชนงานไปอบในเตาอบทอณหภม 520°C เปนเวลา 3 ชวโมง 3.7.4 การทดสอบสมบตทางกลของชนงานตวอยางทผลตไดดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง

ชนงานตวอยางทผลตไดจะถกนามาตดและกด (Milling) เปนชนงานทดสอบแรงดง เพอหาคาความตานทานแรงดงสงสด (Ultimate Tensile Strength, UTS) และคาเปอรเซนตการยดตว (% Elongation, %El) ซงผลการทดสอบสมบตทางกลดวยการทดสอบแรงดง พบวาชนงานโลหะอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต (As-Cast) จะมคาความตานทานแรงดงสงสด (UTS) และคาเปอรเซนตการยดตว (%El) เฉลยเทากบ 162.1 ± 16.6 MPa และ 2.08 ± 0.65% ตามลาดบ สวนชนงานทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขงของอะลมเนยมผสมเกรด A356 (As-Cast) จะมคาความตานทานแรงดงสงสด (UTS) และคาเปอรเซนตการยดตว (%El) เฉลยเทากบ 235.3 ± 13.1 MPa และ 7.35 ± 1.83% ตามลาดบ

นอกจากนเมอนาชนงานทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขงของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ไปทาการอบชบดวยกระบวนการทางความรอนในสภาวะ T6 (Heat Treatment, T6) โดยทา Solution Treated ทอณหภม 540ºC เปนเวลา 8 ชวโมง แลวจงลดอณหภมของชนงานลงอยางรวดเรวดวยการชบเยนในนา หลงจากนนจงทา Artificially Aged ทอณหภม 160ºC เปนเวลา 8 ชวโมง พบวาชนงานจะมคาความตานทานแรงดงสงสด (UTS) และคาเปอรเซนตการยดตว (%El) เพมขนอก โดยเฉลยมคาเทากบ 293.3 ± 7.7 MPa และ 10.21 ± 2.8% ตามลาดบ ดงแสดงในตารางท 3.11 และรปท 3.39

67

ตารางท 3.11 แสดงคา UTS และคา %El ทไดจากการทดสอบแรงดง

Processing conditions Heat Treat UTS (MPa) Elongation (%)

Liquid DC As-Cast (F) 162.1 ± 16.6 2.08 ± 0.65 GISS-DC As-Cast (F) 235.3 ± 13.1 7.35 ± 1.83 GISS-DC T6 293.3 ± 7.7 10.21 ± 2.80

0

40

80

120

160

200

240

280

320

Liquid DC, F GISS-DC, F GISS-DC+T6

Casting Process and Heat Treatment Conditions

Ulti

mat

e Te

nsile

Str

engt

h (M

Pa)

Ultimate Tensile Strength (MPa)

%Elongation

02468101214161820

Elon

gatio

n (%

)

รปท 3.39 แสดงการเปรยบเทยบคา UTS และคา %El ทไดจากการทดสอบแรงดงของชนงาน

ตวอยางของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทผลตได

68

3.7.5 โครงสรางทางจลภาคของชนงานตวอยางทผลตไดดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง ชนงานทฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต (Liquid Die Casting) ของอะลมเนยมผสมเกรด

A356 ADC10 และ ADC12 เมอตรวจสอบโครงสรางจลภาคจะพบวา โครงสรางทไดมลกษณะเปนแบบกงไม (Dendritic) และเมอเปรยบเทยบกบชนงานทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง (GISS Die Casting) พบวาชนงานจะมลกษณะโครงสรางทไมเปนเดนไดรต นนกคอมโครงสรางเปนกอนกลมทมความสมาเสมอและกระจายอยทวทงชนงาน ดงแสดงในรปท 3.40 3.41 และ 3.42

(ก) (ข)

รปท 3.40 แสดงโครงสรางจลภาคของชนงานอะลมเนยมผสมเกรด A356 (ก) ผานการหลอฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต (Liquid Die Casting)

(ข) ผานการหลอฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง (GISS Die Casting)

รปท 3.41 แสดงโครงสรางจลภาคของชนงานอะลมเนยมผสมเกรด ADC10 (GISS Die Casting)

69

(ก) (ข)

รปท 3.42 แสดงโครงสรางจลภาคของชนงานอะลมเนยมผสมเกรด ADC12 (ก) ผานการหลอฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต (Liquid Die Casting)

(ข) ผานการหลอฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง (GISS Die Casting)

บทท 4

บทสรปและขอเสนอแนะ

4.1 บทสรป ผลจากการพฒนาระบบและสรางเครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขงดวยการ

พนฟองแกสในระหวางการแขงตวของนาโลหะ (GISS Process) แสดงใหเหนวา เครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขงนสามารถผลตโลหะกงของแขงไดอยางมประสทธภาพ และสามารถนาไปประยกตใชรวมกบเครองหลอฉดไดคาสตงในระดบอตสาหกรรมได และการศกษาผลของตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS สามารถสรปไดดงน 4.1.1 ผลของอณหภมนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกส

ผลจากการศกษาตวแปรตาง ๆ ทเกยวของกบกระบวนการผลตโลหะกงของแขงในครงน ทาใหไดรบขอมลทสาคญในกระบวนการผลตโลหะกงของแขง เพอนาขอมลเหลานไปใชในการออกแบบและการพฒนาระบบการทางานของกระบวนการ GISS ใหสามารถควบคมเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทเหมาะสมกบอณหภมของนาโลหะทใชกอนจมแทงกราไฟตในแตละครง เพอใหไดปรมาณสดสวนของแขงตามทตองการในกระบวนการผลตโลหะกงของแขง และไมตองเสยเวลาในการรอใหอณหภมของนาโลหะทตกมาจากเตาหลอมตองลดอณหภมลงมาถง 620ºC จงจะเรมจมแทงกราไฟต แตจะสามารถจมแทงกราไฟตลงไปในนาโลหะทอณหภมใดกได ดวยเวลาในการจมแทงกราไฟตทเหมาะสมกบอณหภมของนาโลหะในขณะนน ซงกจะทาใหสามารถผลตโลหะกงของแขงใหมปรมาณสดสวนของแขงตามทกาหนดได ผลจากการศกษาในหวขอดงกลาวสามารถสรปไดดงน

1. อณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตทตาลงและเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทนานขน สงผลใหอตราการเยนตวของนาโลหะในระหวางกระบวนการจมแทงกราไฟตลดตาลง ทาใหเกดสดสวนของแขงเพมมากขน

2. โครงสรางจลภาคของเฟส α อะลมเนยมทเกดขนภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตทตาลงและเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสทนานขน จะทาใหเฟส α อะลมเนยมทเกดขนมลกษณะเปนแบบกอนกลมเพมมากขน นอกจากนยง

70

71

ทาใหเฟส α อะลมเนยมทเกดขนมขนาดเฉลยทเลกลงและมคาความกลมเฉลยเพมสงขนอกดวย

3. ผลการวจยในครงนสามารถนาไปใชเปนสวนหนงในการออกแบบเครองผลตโลหะกงของแขงดวยกรรมวธแบบ GISS ใหมระบบการทางานทเปนแบบอตโนมต ซงผใชงานจะกาหนดปรมาณสดสวนของแขงทเหมาะสมกบวธการหลอแบบตางๆ และเมอตกนาโลหะทผานการวดอณหภมกอนจมแทงกราไฟตแลว ระบบของเครอง GISS กจะสามารถแสดงเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสเปนเวลาตามอณหภมของนาโลหะทวดไดในแตละครง เพอใหไดปรมาณสดสวนของแขงตามทกาหนดไว

4.1.2 ผลของอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะ อตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทเหมาะสมในการผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS มความสาคญมากในการออกแบบระบบผลตโลหะกงของแขงดวยกระบวนการ GISS วาจะตองกาหนดระยะความยาวของแทงกราไฟตทจะใชจมลงไปในนาโลหะใหอยในระดบความลกทเหมาะสม เพอใหไดอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทมประสทธภาพมากทสด และเพอใหไดปรมาณสดสวนของแขงและโครงสรางจลภาคของอะลมเนยมตามทตองการ ซงผลจากการศกษาในหวขอดงกลาวสามารถสรปไดดงน

1. อตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทเพมมากขน จะทาใหเกดสดสวนของแขงเพมมากขน เมออณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาทใชในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสเทากน

2. โครงสรางจลภาคของเฟส α อะลมเนยมทเกดขน ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟตและเวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสท เทากน เมออตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะเพมมากขน จะทาใหเฟส α อะลมเนยมทเกดขนมลกษณะเปนแบบกอนกลมเพมมากขน ทาใหมขนาดอนภาคเฉลยทเลกลงและมคาความกลมเฉลยทเพมสงขนอกดวย

4.1.3 ผลของอณหภมแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะ

เมอกาหนดใหอณหภมของแทงกราไฟตกอนการจมลงไปในนาโลหะอยท 40 และ 100°C ภายใตอณหภมของนาโลหะกอนจมแทงกราไฟต เวลาในการจมแทงกราไฟตเพอพนฟองแกสและอตราสวนพนทผวของแทงกราไฟตตอปรมาตรของนาโลหะทเทากน จะทาใหเกดโครงสรางของ

72

เฟส α อะลมเนยมทมลกษณะรปรางคลายกน โดยมขนาดอนภาคเฉลยและคาความกลมเฉลยทใกลเคยงกนมาก 4.1.4 ผลของปรมาณนาโลหะทใชในกระบวนการผลตโลหะกงของแขง

ปรมาณนาโลหะทเพมขน สงผลใหตองใชเวลาในการจมแทงกราไฟตนานขน จงจะทาใหอณหภมของนาโลหะลดลงมาจนถงอณหภมทกาหนดไว และทาใหไดสดสวนของแขงในปรมาณทตองการ 4.1.5 ผลของการประยกตใชระบบผลตโลหะกงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตวรวมกบกระบวนการหลอแบบไดคาสตง ผลจากการทาวจยในครงนแสดงใหเหนวา เครองตนแบบทใชในการผลตโลหะกงของแขง (GISS Version 1.0) นสามารถผลตโลหะกงของแขงไดอยางมประสทธภาพ และสามารถนาไปประยกตใชรวมกบเครองหลอฉดไดคาสตงในระดบอตสาหกรรมได ซงผลจากการศกษาในหวขอดงกลาวสามารถสรปไดดงน

1. การฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง ทาใหชนงานมความหนาแนนสงกวาและมเปอรเซนตโพรงอากาศภายในชนงานทตากวาเมอเปรยบเทยบกบการฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต

2. ชนงานทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง สามารถนาไปเพมความแขงแรงดวยการอบชบทางความรอน (Heat Treatment) ได โดยไมทาใหชนงานเกดจดพอง (Blister) ขนทผวของชนงาน

3. การฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง ทาใหชนงานมคาความตานทานแรงดงสงสด (UTS) และคาเปอรเซนตการยดตว (%El) เพมสงขนกวาการฉดขนรปดวยนาโลหะแบบปกต

4. ชนงานทฉดขนรปดวยเทคโนโลยโลหะกงของแขง จะทาใหชนงานมลกษณะโครงสรางทไมเปนแบบเดนไดรต นนกคอมโครงสรางเปนแบบกอนกลมทมความสมาเสมอและกระจายอยทวทงชนงาน

73

4.2 ขอเสนอแนะ 1. ในขณะทาการหลอมและหลอโลหะควรสวมใสอปกรณปองกนนาโลหะและความ

รอนทกครงทปฏบตงาน ไดแก การสวมใสถงมอกนความรอน หนากากปองกนนาโลหะและความรอน เปนตน

2. สงทมความสาคญมากสาหรบการหลอมโลหะคอ การมอปกรณและเครองมอในการหลอมทด ใชเทคนคการหลอมทถกตอง องคประกอบทงสองนจะมผลทาใหชนงานทไดมความสมบรณในทกดาน

3. ในการหลอมโลหะอะลมเนยมผสมควรหลกเลยงการหลอมนาโลหะทระดบอณหภมสงกวาอณหภมหลอมละลายมาก หลกเลยงการกวนนาโลหะ พรอมทงหลกเลยงการปลอยแชนาโลหะทระดบอณหภมดงกลาวเปนระยะเวลายาวนานเกนความจาเปน

4. เมอสนสดการหลอมในแตละวน ควรทาความสะอาดภายในเบาดวยทอนไม ในขณะทตวเบายงคงมอณหภมสงอย โดยทาการขด dross และเศษโลหะทเกาะตดผวเบาออกไป ซงจะชวยปองกนไมใหเกดความเสยหายกบตวเบา อยางไรกตามการขดเบาควรจะกระทาอยางระมดระวง เนองจากการทาความสะอาดเบาควรจะกระทาในขณะทเบายงรอนแดงจดอย การกระทบกระแทกอยางรนแรงอาจทาใหเบาแตกเสยหายได

บรรณานกรม

DasGupta R. 2004. Proceedings of the 8th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Limassol, Cyprus, September 21–23.

de Figueredo A. 2001. Ed. Science and Technology of Semi-Solid Metal Processing, The North American Die Casting Association.

Fan, Z., Fang, X., and Ji, S. 2005. Microstructure and mechanical properties of rheo-diecast (RDC) aluminium alloys. Materials Science and Engineering A 412: 298-306.

Flemings, M.C., and Johnson, W.L. 2002. High Viscosity Liquid and Semi-Solid Metal Casting: Processes and Products, plenary lecture, World Foundry Conference, KynogJu, Korea, Oct. 20-24.

Govender, G., Ivanchev, L., Jahaheeah, N., and Bean, R. 2006. Solid State Phenomena Vols. 116-117: 501-504.

GUO Hong-mim and YANG Xiang-jie. 2007. Preparation of semi-solid containing fine and globular particles for wrought aluminum alloy 2024. Transactions of Nonferrous Metals Society of China Vols. 17: 799-804.

Hong, CP., and Kim, JM. 2006. Solid State Phenomena Vols. 116-117: 44. Ivanchev, L., Wilkins, D., and Govender, G. 2004. Method and Apparatus for Rheo-Processing of

Semi-Solid Metal Alloys. Proceeding of the 8th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Limassol, Cyprus, September 21–23.

Ji, S., Fan, Z., and Bevis, M.J. 2001. Semi-solid processing of engineering alloys by a twin-screw rheomoulding process. Materials Science and Engineering A: 210-217.

Jian, X., Xu, X., Meek,TT., and Han Q. 2005. Materials Letters 59: 190. Jorstad, J., Thieman, M., and Kamm, R. 2004. Fundamental Requirements for Slurry Generation

in the Sub Liquidus Casting Process and the Economics of SLCTM Processing. Proceeding of the 8th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Limassol, Cyprus, September 21–23.

Kaneuchi, T., Shibata, R., and Ozawa, M. 2002. Proceedings of the 7th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Tsukuba, Japan, September 2002.

74

75

Kopper, A., Donahue, R., Olson, D., and Midson, S. 2005. Case Studies of Large Components Produced by High-Pressure Die Casting and Slurry-on-Demand Casting. SAE 2005 World Congress & Exhibition, Detroit, MI, USA, April 11-14.

Kuroki, K., Suenaga, T., Tanikawa, H., Masaki, T., Suzuki, A., Umemoto, T., and Yamazaki, M. 2004. Establishment of a Manufacturing Technology for the High Strength Aluminum Cylinder Block in Diesel Engines Applying a Rheocasting Process. Proceeding of the 8th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Limassol, Cyprus, September 21–23.

Li, D.N., Luo, J.R., Wu, S.S., Xiao, Z.H., Mao, Y.W., Song, X.J., and Wu, G.Z. 2002. Study on the semi-solid rheocasing of magnesium alloy by mechanical stirring. Journal of Materials Processing Technology Vols. 129: 431-434.

Martinez, R.A. 2004. Formation and Processing of Rheocast Microstructure. Ph.D. Thesis, Professor M.C. Flemings advisor, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA.

Martinez, R.A., Karma, A., and Flemings, M.C. 2006. Spheroidal Particle Stability in Semi-Solid Processing. Metallurgical and Materials Transactions A Vol. 37A (September): 2807-2815.

Mehrabian, R., and Flemings, M.C. 1972. Transaction of AFS, 80: 173. Nafisi, S., and Ghomashchi, R. 2006. Effect of stirring on solidification pattern and alloy

distribution during semi-solid metal casting. Materials Science and Engineering A 437: 388-395.

Oh, S.W., Bae, J.W., and Kang, C.G. 2007. Effect of electromagnetic stirring conditions on grain size characteristics of wrought aluminum for rheo-forging. Journal of Materials Engineering and Performance Vol. 17(1) (February): 57-63.

Spencer, D.B. 1971. Rheology of Liquid-Solid Mixtures of Lead Tin. Ph.D. Thesis, Professor M.C. Flemings advisor, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, (June).

Wannasin, J., Martinez, R.A., and Flemings, M.C. 2006. A Novel Technique to Produce Metal Slurries for Semi-Solid Metal Processing. Solid State Phenomena Vols. 116-117: 366-369.

76

Wannasin, J. 2006. Semi-Solid Die Casting Technology. Proceeding of the Third Thai Foundry Conference, Bitec Bangna, Bangkok, Thailand, November 23.

Wannasin, J., Schwam, D., and Wallace, J.F. 2007. Evaluation of methods for metal cleanliness assessment in die casting. Journal of Materials Processing Technology Vols. 191: 242-246.

Xia, K., and Tausig, G. 1998. Materials Science and Engineering, 246A. Yurko J.A., Martinez, R.A., and Flemings, M.C. 2004. SSRTM: The Spheroidal Growth Route to

Semi-Solid Forming. Proceeding of the 8th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Limassol, Cyprus, September 21–23.

Yurko, J.A. 2005. Private Communication. Thai Patent Application. “Method to Prepare Metal Structure Suitable for Semi-Solid Metal

Processing.” by Wannasin J, Martinez RA, and Flemings MC. Filed in 2006. US Provisional Patent. “Method to Prepare Metal Structure Suitable for Semi-Solid Metal

Processing.” by Wannasin J, Martinez RA, and Flemings MC. Filed in 2006. UBE Machinery, Inc. http://www.ubemachinery.com/diecasting.html

77

ภาคผนวก

78

ภาคผนวก ก. ลกษณะเฉพาะของอะลมเนยมผสมเกรด A356-T6 ในงานหลอแบบพมพถาวร

(Permanent Mold Casting)

79

ตารางท ก.1 แสดงสมบตตาง ๆ ของอะลมเนยมผสมเกรด A356-T6 ในงานหลอแบบพมพถาวร Description Unit Value

Physical Properties Density g/cm3 2.68 Mechanical Properties Hardness (500g load; 10 mm ball) Brinell 65.0 - 95.0 Ultimate Tensile Strength MPa ≥ 228 Tensile Yield Strength MPa ≥ 152 Elongation at Break % ≥ 3.00 Modulus of Elasticity GPa 72.4 Compressive Yield Strength MPa 185 Poisson Ratio - 0.33 Fatigue Strength MPa 90.0 (of Cycles 5.00e+8) Thermal Properties Heat of Fusion J/g 389 Specific Heat Capacity J/g-°C 0.963 Thermal Conductivity W/m-K 151 Melting Point Temperature °C 557.2 – 612.8 Solidus Temperature °C 557.2 Liquidus Temperature °C 612.8 Processing Properties Melting Temperature °C 667 – 816 Solution Temperature °C 535 – 540.6 Aging Temperature °C 152 – 157 Casting Temperature °C 677 – 788

80

Description Unit Value

Components Properties Aluminum, Al % 90.1 – 93.3 Copper, Cu % ≤ 0.25 Iron, Fe % ≤ 0.60 Magnesium, Mg % 0.2 – 0.45 Manganese, Mn % ≤ 0.35 Silicon, Si % 6.5 – 7.5 Titanium, Ti % ≤ 0.25 Zinc, Zn % ≤ 0.35 Other, each % ≤ 0.05 Other, total % ≤ 0.15

(ทมา: http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatID=9934)

81

ภาคผนวก ข. ผลการวเคราะหสวนผสมทางเคมของอะลมเนยมผสมเกรด A356 ทใชในงานวจยครงน

82

83

84

85

86

ประวตผเขยน

ชอ สกล นายรอมฎอน บระพา รหสประจาตวนกศกษา 5010120143 วฒการศกษา

วฒ ชอสถาบน ปทสาเรจการศกษา วศวกรรมศาสตรบณฑต มหาวทยาลยสงขลานครนทร 2550 (วศวกรรมวสด) ทนการศกษา (ทไดรบในระหวางการศกษา)

- ทนผชวยนกวจย โครงการสมองไหลกลบ สานกงานพฒนาวทยาศาสตรและเทคโนโลยแหงชาต (สวทช.)

- ทนคาเลาเรยน ของนกศกษาระดบบณฑตศกษา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร

- ทนผชวยสอน ของนกศกษาระดบบณฑตศกษา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร

การตพมพเผยแพรผลงาน รอมฎอน บระพา รงสน แคนยกต และ เจษฎา วรรณสนธ. 2552. การพฒนากระบวนการผลตโลหะ

กงของแขงโดยการพนฟองแกสขณะแขงตวสาหรบอะลมเนยมผสมเกรด A356. การประชมวชาการทางวศวกรรมศาสตรมหาวทยาลยสงขลานครนทร ครงท 7. วนท 21-22 พฤษภาคม. คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร.

Burapa, R., Junudom, S., Canyook, R. and Wannasin, J. 2009. Rheocasting of Aluminum Alloys by the Gas Induced Semi-Solid (GISS) Process. The 3rd Thailand Metallurgy Conference, Bangkok, Thailand, October 26-27.