Al - TiB - Al O Composite for Metal Pipe · 2017-10-12 · (7) Thesis Title Synthesis and Characterization of Fe 3 Al-TiB 2-Al 2 O 3 Composite for Metal Pipe by Centrifugal Technique

(1)

การสงเคราะหและศกษาคณลกษณะของวสดผสมเหลกอะลมไนด - ไทเทเนยมไดบอไรด - อะลมนา ส าหรบเคลอบผวทอโลหะดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลางโดยอาศย

ปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง Synthesis and Characterization of Fe3Al - TiB2 - Al2O3 Composite for Metal Pipe

by Centrifugal Technique via Self Propagating High-Temperature Synthesis

ปาจรย เกดกล Pajaree Kerdkool

วทยานพนธนเปนสวนหนงของการศกษาตามหลกสตรปรญญา วศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวศวกรรมวสด

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

Master of Engineering in Materials Engineering Prince of Songkla University

2556 ลขสทธของมหาวทยาลยสงขลานครนทร

(2)

ชอวทยานพนธ การสงเคราะหและศกษาคณลกษณะของวสดผสมเหลกอะลมไนด - ไทเทเนยมไดบอไรด - อะลมนา ส าหรบเคลอบผวทอโลหะดวยเทคนคแรง เหวยงหนศนยกลางโดยอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง ผเขยน นางสาวปาจรย เกดกล

สาขาวชา วศวกรรมวสด

บณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร อนมตใหนบวทยานพนธฉบบนเปนสวนหนงของการศกษา ตามหลกสตรปรญญาวศวกรรมศาสตรมหาบณฑต สาขาวชาวศวกรรมวสด .………………………………………. (รองศาสตราจารย ดร.ธระพล ศรชนะ) คณบดบณฑตวทยาลย

อาจารยทปรกษาวทยานพนธหลก …………………………………………....(ผชวยศาสตราจารย ดร.สธรรม นยมวาส)

คณะกรรมการสอบ ……………………………...…ประธานกรรมการ (ดร.วษณ ราชเพชร) ………………………….........................กรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร.สธรรม นยมวาส) …………………………....................... .กรรมการ (ผชวยศาสตราจารย ดร.วรวรรณ เหลาศรพจน) ………………………….........................กรรมการ (ดร.เรองเดช ธงศร)

(3)

ขอรบรองวา ผลงานวจยนเปนผลมาจากการศกษาวจยของนกศกษาเอง และขอแสดงความขอบคณบคคลทมสวนเกยวของ ลงชอ……………………………………..

(ผชวยศาสตราจารย ดร.สธรรม นยมวาส)

อาจารยทปรกษาวทยานพนธ

ลงชอ…………………..

(นางสาวปาจรย เกดกล)

นกศกษา

(4)

ขาพเจาขอรบรองวา ผลงานวจยนไมเคยเปนสวนหนงในการอนมตปรญญาในระดบใดมากอน และไมไดถกใชในการยนขออนมตปรญญาในขณะน ลงชอ………………….. (นางสาวปาจรย เกดกล) นกศกษา

(6)

ชอวทยานพนธ การสงเคราะหและศกษาคณลกษณะของวสดผสมเหลกอะลมไนด-ไทเทเนยมได

บอไรด-อะลมนา ส าหรบเคลอบผวทอโลหะดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง

โดยอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง

ผเขยน นางสาวปาจรย เกดกล

สาขาวชา วศวกรรมวสด

ปการศกษา 2555

บทคดยอ

วตถประสงคของโครงการวจยนคอ การสงเคราะหวสดผสมเพอเคลอบผวภายใน

ทอโลหะจากสารตงตนในระบบอลเมไนต (FeTiO3) อะลมเนยม(Al) โบรอนออกไซด (B2O3) และ

เหลกออกไซด (Fe2O3) ดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลางโดยอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองท

อณหภมสง

ตวแปรของกระบวนการสงเคราะหประกอบดวย อตราสวนผสมของปฏกรยา

((FeTiO3:6Al:B2O3:Fe2O3, FeTiO3:7Al:B2O3:1.5Fe2O3 และ FeTiO3:8Al:B2O3:2Fe2O3) เวลาในการ

บดของ FeTiO3 (1, 2 และ 3 ชวโมง) ปรมาณของ CaF2 (1, 3 และ 5 %น าหนก) และความเรวรอบ

(1500, 1750, 2000 และ 2250 rpm) ซงผลตภณฑผวเคลอบทไดจะศกษาลกษณะของสมบตเชงกล

(ความแขง)

ผลการศกษาพบวาเงอนไขทดทสดส าหรบทเปนผลใหการแยกชนผวเคลอบของ

เหลกอะลมไนด (Fe3Al) เสรมแรงดวยไทเทเนยมไดบอไรด (TiB2) และอะลมนา (Al2O3) คอ CaF2

5% ระดบความเรวหมน 2250 rpm ความตองการปรมาณองคประกอบของชนผวเคลอบมการผน

แปรตามอตราสวนผสมของสารตงตนและเวลาบดของ FeTiO3 ซงคาความแขงของ Fe3Al-TiB2

(7)

Thesis Title Synthesis and Characterization of Fe3Al-TiB2-Al2O3 Composite for

Metal Pipe by Centrifugal Technique Via Self Propagating High-

Temperature Synthesis

Author Miss.Pajaree Kerdkool

Major Program Materials Engineering

Academic Year 2012

Abstract

The purpose of this investigation was to synthesized the composite coating

materials for metal pipe from the natural ilmenite (FeTiO3), aluminium (Al), boron oxide (B2O3),

iron oxide (Fe2O3) reactant system by self-propagating high temperature synthesis assist

centrifugal technique (SHS-Centrifugal).

The synthesis and process parameter a stoicheometric of the reactants

(FeTiO3:6Al:B2O3:Fe2O3, FeTiO3:7Al:B2O3:1.5Fe2O3 and FeTiO3:8Al:B2O3:2Fe2O3), milling time

of FeTiO3 (1, 2 and 3 hr.) amount of CaF2 (1, 3 and 5%wt.) and a rotation speed (1500, 1750,

2000 and 2250 rpm) on the composite coating product characteristic as well as the mechanical

properties (micro-hardness) were investigated.

The experiment results shown that the best condition to form separated phases

between Fe3Al+TiB2 and Al2O3 was 5%wt of CaF2 and 2250 rpm of a rotation speed. In addition,

the amount of composite coating product were also varied by a stoicheometric mixture of the

reactants and milling time of FeTiO3. The micro-hardness of Fe3Al-TiB2 was increase from 459

HV to 688.8 HV while, a rotation speed and milling time of FeTiO3 was 2250 rpm and 3 hr.

respectively.

(7)

กตตกรรมประกาศ

วทยานพนธเลมนส าเรจลลวงไปไดดวยด ขาพเจาตองขอขอบพระคณผเกยวของทกทานเปนอยางสง ทงทออกนามและมไดออกนาม ทไดกรณาใหความชวยเหลอขาพเจาในทกดานไว ณ โอกาสนดวย ขอขอบพระคณ ผชวยศาสตราจารย ดร.สธรรม นยมวาส ประธานกรรมการทปรกษาวทยานพนธ ทคอยใหค าปรกษาและแนะน าดแลตลอดชวงการท าวทยานพนธ ขอขอบพระคณผชวยศาสตราจารย ดร.วรวรรณ เหลาศรพจน ดร.วษณ ราชเพชร ภาควชาวศวกรรมเหมองแรและวสด มหาวทยาลยสงขลานครนทร และ ดร.เรองเดช ธงศร ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาต ทกรณารบเปนกรรมการสอบและแกไขวทยานพนธใหมความสมบรณมากยงขน ขอขอบพระคณ คณาจารย และบคลากรภาควชาวศวกรรมเหมองแรและวสด ทคอยใหค าแนะน าและเปนทปรกษาเกยวกบการท าปฏบตการและงานดานเอกสารตาง ๆ และขอขอบพระคณบณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร และกลมวจยวศวกรรมเซรามกและวสดผสม สถานวจยวศวกรรมวสด คณะวศวกรรมศาสตร ทสนบสนนงบประมาณในการท าวจยครงน ขอขอบพระคณ บคลากรศนยเครองมอวทยาศาสตรทเออเฟอและสนบสนนเกยวกบการใชอปกรณและเครองมอ ขอขอบพระคณเพอน ๆ พ ๆ กลมวจยวศวกรรมเซรามกและวสดผสม รวมถงเพอน ๆ ภาควชาวศวกรรมเหมองแรและวสด ทคอยใหความชวยเหลอและเปนก าลงใจทด ทายทสดขอขอบพระคณ บดา มารดา พชาย และเพอน ๆ ทอยเบองหลงคอยใหความชวยเหลอและเปนก าลงใจทดทสดใหวทยานพนธนส าเรจลลวงไปไดดวยด ปาจรย เกดกล

(8)

สารบญ

หนา บทคดยอ (5) กตตกรรมประกาศ (7) สารบญ (8) รายการตาราง (11) รายการรป (12) บทท 1. บทน า 1 1.1 ความเปนมาและความส าคญของการวจย 1 1.2 ทฤษฎและหลกการ 3 1.2.1 พนฐานของวสดผสม 3 1.2.2 ปฏกรยาระหวางสารประกอบของแขง 6 1.2.3 การสงเคราะหโดยอาศยการเกดปฏกรยาการกาวหนาดวยตวเองทอณหภม

สง 9

1.2.4 กระบวนการ SHS-centrifugal 12 1.2.5 การวเคราะหอณหพลศาสตร 15 1.3 งานวจยทเกยวของ 16 1.4 สทธบตรทเกยวของ 33 1.5 วตถประสงคของโครงการวจย 38 1.6 ขอบเขตของการวจย 38 1.7 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ 38 1.8 สถานทท าการวจย 39 2. วธการวจย 40 2.1 วสดและอปกรณการทดลอง 40 2.2 สารเคม 44 2.3 การด าเนนการทดลอง 47 2.3.1 การศกษากระบวนการสงเคราะหดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง 47

(9)

สารบญ (ตอ) หนา

2.3.2 การศกษาระดบความเรวหมนของแรงเหวยงหนศนยกลาง 48 2.3.3 การศกษาเวลาบดอลเมไนต 49 2.3.4 การศกษาผลของการเตมแคลเซยมฟลออไรด 50 2.3.5 การศกษาอตราสวนของสารตงตนการสงเคราะห 52 2.3.6 การทดสอบความแขงของผวเคลอบวสดผสม 53 2.4 ขนตอนการด าเนนการวจยโดยสรป 55 3. ผลและการวเคราะหผล 60 3.1 ผลจากการวเคราะหทางอณหพลศาสตร 60 3.2 การศกษากระบวนการสงเคราะหเคลอบผวดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง 62 3.3 การศกษาระดบความเรวหมนของแรงเหวยงหนศนยกลาง 64 3.3.1 ผลวเคราะหของโครงสรางจลภาค 64 3.3.2 ผลตอการกอรปของเฟส 67 3.4 ศกษาเวลาบดอลเมไนต (FeTiO3) 69 3.4.1 ผลของเวลาบดอลเมไนททมผลตอชนผวเคลอบทอโลหะ 70 3.5 การศกษาการเตมแคลเซยมฟลออไรด (CaF2) 72 3.5.1 ผลวเคราะหของโครงสรางจลภาค 73 3.5.1.1 การวเคราะหกระจายคาพลงงาน (EDX) ของผลตภณฑผวเคลอบทกอ

รปในบรเวณท 1 (CaF2 รอยละ 3 โดยน าหนก) 76

3.5.1.2 การวเคราะหกระจายคาพลงงาน (EDX) ของผลตภณฑผวเคลอบทกอรปในบรเวณท 2 (CaF2 รอยละ 3 โดยน าหนก)

76

3.5.1.1 การวเคราะหกระจายคาพลงงาน (EDX) ของผลตภณฑผวเคลอบทกอรปในบรเวณท 3 (CaF2 รอยละ 5 โดยน าหนก)

76

3.5.2 ผลของระบบสารตงตนตอการกอรปของเฟสผลตภณฑ 80 3.6 ผลของอตราสวนผสมสารตงตน 82 3.7 ผลทดสอบความแขง 86 4. บทสรปและขอเสนอแนะ 91 4.1 สรปผล 91

(10)

สารบญ (ตอ) หนา

4.2 ขอเสนอแนะ 92 บรรณานกรม 93 ภาคผนวก 96 ประวตผเขยน 116

(11)

รายการตาราง ตารางท หนา

1.1 สมบตเชงฟสกสและเชงกลของไทเทเนยมไดบอไรด 5 1.2 ตวแปรทมผลตอกระบวนการ SHS 12 1.3 สมบตเชงกลของชนผวโลหะ stainless กอนและหลง กระบวนการ Solution

treatment ทอณหภม 1000°C เปนเวลา 20 นาท 23

1.4 สมบตเชงกลของทอวสดผสม 28 1.5 น าหนกของสารตงตน 35 1.6 คาความหนาแนน คาความแขงทเปนมาจากระดบความเรวหมน 35 1.7 สรปตวแปรทมผลตอระบบของสารตงตนและผลตภณฑของงานวจยท

เกยวของ 37

2.1 วสด อปกรณ และเครองมอทใชในการทดลอง 40 2.2 สารเคมทใชในกระบวนการทดลอง 44 2.3 ปรมาณสารตงตนทใชในสมการท (2.1) 47 2.4 ปรมาณสารตงตนทใชในสมการท (2.1) และเตม CaF2 50 2.5 ปรมาณสารตงตนทใชในสมการท (2.2) – (2.3) 52 3.1 ปรมาณองคประกอบของผลตภณฑจากการค านวณเชงกงปรมาณ 68 3.2 ผลของเวลาในการบดลดขนาด ตออนภาคของอลเมไนท 69 3.3 ปรมาณองคประกอบของสารตงตนจากการค านวณเชงกงปรมาณ 80 3.4 ปรมาณองคประกอบของผลตภณฑจากการค านวณเชงกงปรมาณ 81

(12)

รายการรป รปท หนา 1.1 โครงสรางของโลหะเชงประกอบเหลกอะลมไนด (Fe3Al) 4 1.2 ลกษณะของไทเทเนยมไดบอไรด (a) ผงไทเทเนยมไดบอไรด ทมลกษณะแผน

เรยบ (Flat) หรอผลกคลายแผนรปหกเหลยม (Hexagonal platelets) 4

1.3 ปฏกรยาระหวางสองผลก (A และ B) ทมผวสมผสหนงดาน ภายหลงการเรมตนกอรปของผลตภณฑ C อออนจาก A และ B จะตองมการแพรในทศตรงกนขามผานชนของผลตภณฑ เพอกอรปเปนผลตภณฑใหม ทผวหนารอยตอระหวาง A/C และ B/C

6

1.4 ผลกลกบาศก (a) พนทผวรวมเทากบ 6 cm2 และ (b) พนทผวรวมเทากบ 60 cm2 7 1.5 ความสมพนธระหวางอณหภมและเวลาส าหรบกระบวนการ SHS 9 1.6 ความสมพนธระหวาง Tad และ ∆H298

o/Cp ของสารประกอบบางชนดทผลตโดย SHS

10

1.7 แสดงลกษณะการเผาไหมตามเวลา (t) ทเปลยนไปของสารในกระบวนการ SHS 11 1.8 ลกษณะแรงเหวยงหนศนย 13 1.9 ลกษณะวธการหลอโลหะแบบเหวยง 14 1.10 ลกษณะวธ SHS-centrifugal 14 1.11 แบบจ าลองทศทางการเกดปฏกรยา SHS-centrifugal 15 1.12 พลงงานกบส (G) ส าหรบปฏกรยา (1.5) – (1.10) ตามฟงกชนของอณหภม (T) 16 1.13 กระบวนการ SHS centrifugal densification แบบ Single และ Multiphase 17 1.14 โครงสรางการกอรปของชนผวเคลอบ NiAl โดยวธ SHS centrifugal densification 18 1.15 ผลการวเคราะหดวย XRD (X-ray diffraction) ของชนผวเคลอบ NiAl โดยวธ

SHS centrifugal 18

1.16 ภาพถายจากกลองอเลกตรอนแบบสองกวาดของการสงเคราะหผลตภณฑทความเรงของแรงเหวยง (a) 58 g และ (b) 233 g

19

1.17 โครงสรางของชนผวอะลมนาทกอรปในกระบวนการ SHS densification (a) ผวในสดและ (b) สวนตรงกลางของชนเซรามก

19

1.18 ลกษณะวธ SHS-centrifugal 20

(13)

รายการรป (ตอ) รปท หนา 1.19 ลกษณะชนผวเซรามกของทอ Composite 21 1.20 ผลการวเคราะห XRD ของชนผวเคลอบ 21 1.21 ภาพถาย TEM แสดงชนผวโลหะ Stainless หลงผานกระบวนการ Solution

treatment ทอณหภม 1000 °C เปนเวลา 20 นาท 22

1.22 กระบวนการ Centrifugal SHS : (1) เครองหมนเหวยง (2) ทอทองแดง (3) สารผสมตงตน (4) ผวเคลอบทองแดง (5) ผวเคลอบเซรามก

23

1.23 (a) แสดงอทธพลของตวเตมตอความพรน และ (b) แสดงอทธพลของตวเตมตอความแขง

24

1.24 แสดงตดขวาชนผวทอวสดผสม (a) แนวตดตรง และ (b) แนวตดขวาง : (1) Base metal (2) Intermetallic layer (3) Multiphase ceramic layer

25

1.25 โครงสรางจลภาคของชนผว Intermetallic 25 1.26 โครงสรางจลภาคของอนเตอรเฟสระหวางชนผว Intermetallic และ ceramic :

อธบายสวนของอนเตอรเฟส : บรเวณ A คอ ชนผว Intermatallic บรเวณ B คอ อนเตอรเฟส, บรเวณ C คอ ชนผว Multiphase ceramic

26

1.27 ความหนาแนนปรากฏทอตราสวนการเตม SiO2 ทแตกตางกน (a) ไมเตม และ (b) เตมรอยละ 4

27

1.28 ความแขงของชนผวเคลอบ 27 1.29 โครงสรางของชนผวเซรามกทเตม SiO2 (a) รอยละ 0 (b) รอยละ 1 (c) รอยละ 3

และ (d) รอยละ 5 28

1.30 แผนภาพแสดงขณะการสงเคราะหเคลอบผวทอ (a) แผนภาพการหลอเหวยง และ (b) สวนประกอบของวงแหวน

29

1.31 ผลวเคราะห XRD ของผวเคลอบวสดผสม 30 1.32 ภาพตดขวางของชนเคลอบวสดผสม (a) โครงสรางจลภาคก าลงขยายต า (b)

โครงสรางจลภาคก าลงขยายสงของอนภาค WC และ (c) โครงสรางจลภาคก าลงขยายสงของอนภาค WC

30

(14)

รายการรป (ตอ) รปท หนา 1.33 (a) แผนภาพแสดงค าอธบายเครองมอการทดลอง และ (b) แผนภาพแมพมพของ

ทอเหลกกลากบผง Ni 32

1.34 ภาพแนวตดขวางของทอโลหะเคลอบผว 32 1.35 ลกษณะภาพตดขวางของการเคลอบชนผวทอโลหะ 33 1.36 การหลอเหวยงภายในทอโลหะพรอมกบตวเสรมแรงและโลหะผสมทหลอม

ละลายไวกอนแลว 36

1.37 การหลอเหวยงภายในทอโลหะพรอมกบการใสตวเสรมแรงและโลหะผสม 36 2.1 วสด อปกรณ และเครองมอทใชในการเตรยมสวนผสมตงตน (a) Electronic

Balance (b) Two roll ball mill machine และ (c) Planetary ball mill 41

2.2 วสด และเครองคอทใชเตรยมชนงานสงเคราะห (a) เครองเจาะมอเตอรไฟฟาขนาดเลก (b) คอน ตะไบ ครม กรรไกร เทปกาว และ (c) ทอโลหะ จกไม

42

2.3 เครองมอและอปกรณชวยในขณะการสงเคราะห (a) เครอง SHS-centrifugal และ (b) หนาจอเครองปรบความเรวรอบ

42

2.4 ชดพนเปลวไฟ Oxy-acetylene gas 43 2.5 อปกรณ และเครองมอทใชในการวเคราะหคณลกษณะ (a) X-ray diffraction

(XRD) (b) Vicker hardness Tester (c) Scanning electron microscope (SEM) with Energy dispersive x-ray spectrometer และ (d) Laser particle size analyzer (LPSA)

43

2.6 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาด แสดงลกษณะทางสณฐานวทยาของสารตงตนทใชในการทดลอง (a) Fe2O3 (b) Al (c) FeTiO3 (d) B2O3 และ (e) CaF2

45

2.7 การตดตงระบบการสงเคราะหเคลอบผวทอโลหะโดยวธ SHS-centrifugal 46 2.8 แบบจ าลองการตดตงระบบการสงเคราะหเคลอบผวทอโลหะโดยวธ

SHS-Centrifugal ประกอบดวย (1) ทศทางการหมน (2) จกไม (3) ตวชวยประคองทอ (4) ทอโลหะ (5) ปากจบสามหว และ (6) มอเตอรปรบระดบความเรว

46

(15)

รายการรป (ตอ) รปท หนา 2.9 ขนตอนการสงเคราะหเคลอบผวภายในทอโลหะโดยวธใชเปลวไฟทอาศย

ปฏกรยากาวหนาดวยตวเองอณหภมสงรวมกบเทคนคหมนเหวยงหนศนยกลาง 55

2.10 ขนตอนการสงเคราะหเคลอบผวภายในทอโลหะโดยวธใชเปลวไฟทอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองสงรวมกบเทคนคหมนเหวยงหนศนยกลาง ทความเรวรอบตางกน

56

2.11 ขนตอนการสงเคราะหเคลอบผวภายในทอโลหะโดยวธใชเปลวไฟทอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองสงรวมกบเทคนคหมนเหวยงหนศนยกลาง ทเวลาบดละเอยด FeTiO3 ตางกน

57

2.12 ขนตอนการสงเคราะหเคลอบผวภายในทอโลหะโดยวธใชเปลวไฟทอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองสงรวมกบเทคนคหมนเหวยงหนศนยกลาง ในระบบเตมปรมาณ CaF2 ตางกน

58

2.13 ขนตอนการสงเคราะหเคลอบผวภายในทอโลหะโดยวธใชเปลวไฟทอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองสงรวมกบเทคนคหมนเหวยงหนศนยกลาง ในระบบอตราสวนผสมตางกน

59

3.1 ความสมพนธระหวางพลงงานกบสของปฏกรยาเคมในสมการท (3.2) – (3.4) ในชวงอณหภมระหวาง 0 – 3000 °C (พนฐานจากการค านวณจากโปรแกรม HSC Chemistry®)

62

3.2 แผนภาพจ าลองการกอรปของเฟสผลตภณฑในขณะทเกดการหมนเหวยงหนศนยกลาง

63

3.3 แบบจ าลองภาพตดขวาง สงเคราะหชนผวเคลอบวสดผสมเหลกและอะลมนาภายในทอโลหะประกอบดวย (a) ทอโลหะ (b) ชนผวเคลอบโลหะเชงประกอบ และ (c) ชนผวเคลอบเซรามก

63

3.4 ผวเคลอบทอโลหะทไดจากการสงเคราะหทระดบความเรวรอบตางกน (a) 1500 rpm (b) 1750 rpm (c) 2000 rpm และ (d) 2250 rpm

65

3.5 ภาพโครงสรางจลภาคดานตดแนวขวางของชนผวเคลอบทระดบความเรวรอบ 1500 rpm บรเวณท 1 : ผวทอ และบรเวณท 2 : ชนผวเคลอบ

66

(16)

รายการรป (ตอ)

รปท หนา 3.6 ภาพโครงสรางจลภาคดานตดแนวขวางของชนผวเคลอบทระดบความเรวรอบ

2000 rpm บรเวณท 1 : ผวทอ และบรเวณท 2 : ชนผวเคลอบ 66

3.7 ผลการวเคราะหการกระจายคาพลงงานของธาต (EDX) ทเปนองคประกอบของผลตภณฑผวเคลอบ

67

3.8 ผลว เคราะหรปแบบการเลยว เบนดวยร งสเอกซของผลตภณฑในระบบ FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3

68

3.9 ความสมพนธระหวางขนาด และการกระจายตวของขนาดอนภาค กบเวลาในการบดของ FeTiO3

69

3.10 ผลตภณฑชนผวเคลอบทอโลหะผสมในระบบสาร FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3 (ทเวลาบด FeTiO3 ตางกน) (a) 1 ชวโมง (b) 2 ชวโมง และ (c) 3 ชวโมง

70

3.11 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาดของผลตภณฑชนผวเคลอบทอโลหะผสมในระบบสารตงตน FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3 (ทเวลาบด FeTiO3 ตางกน) (a) 1 ชวโมง (b) 2 ชวโมง และ (c) 3 ชวโมง

71

3.12 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาดของผลตภณฑชนผวเคลอบบรเวณโลหะผสมในระบบสารตงตน FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3 (ทเวลาบด FeTiO3 ตางกน) (a) 1 ชวโมง (b) 2 ชวโมง และ(c) 3 ชวโมง

71

3.13 ภาพตดขวางของทอโลหะแสดงใหเหนลกษณะของผวเคลอบทระดบความเรวรอบ 2250 rpm ทการเตมปรมาณ CaF2 ตางกน (a) รอยละ 0 (b) รอยละ 1 (c) รอยละ 3 และ (d) รอยละ 5

73

3.14 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาด แสดงลกษณะทางสณฐานวทยาของผวเคลอบในภาคตดขวางทระดบความเรวรอบ 2250 rpm เมอเตม CaF2 ตางกน (a) รอยละ 0 (b) รอยละ 1 (c) รอยละ 3 และ (d) รอยละ 5

74

3.15 แผนภาพจ าลองแสดงบรเวณจดทท าการวเคราะหกระจายคาพลงงานทกอรป (a) ชนงานเตม CaF2 รอยละ 3 บรเวณ 2 จด และ (b) ชนงานเตม CaF2 รอยละ 5 บรเวณ 1 จด

75

(17)


รปท หนา 3.16 ผลวเคราะหการกระจายคาพลงงานของธาต (EDX) ทกอรปขนหลงการสงเคราะห

ของชนผวเคลอบทอเตมแคลเซยมฟลออไรด รอยละ 3 โดยน าหนก บรเวณรอยเชอมตอระหวางผวทอและเฟส Fe3Al+TiB2 (a) แสดงปรมาณของธาต และ (b) แสดงลกษณะการกระจายตวของธาต (หมายเหต : บรเวณสเขมคอบรเวณทมปรมาณของธาตนน ๆ กระจายตวอยมาก

77

3.17 ผลวเคราะหการกระจายคาพลงงานของธาต (EDX) ทกอรปขนหลงการสงเคราะหของชนผวเคลอบทอเตมแคลเซยมฟลออไรดรอยละ 3 โดยน าหนก บรเวณรอยเชอมตอเฟส Fe3Al+TiB2 และเฟส Al2O3 (a) แสดงปรมาณของธาต และ (b) แสดงลกษณะการกระตวของธาต (หมายเหต : บรเวณสเขมคอบรเวณทมปรมาณของธาตนน ๆ กระจายตวอยมาก)

78

3.18 ผลวเคราะหการกระจายคาพลงงานของธาตทกอรปขนหลงการสงเคราะหของชนผวเคลอบทอเตมแคลเซยมฟลออไรด รอยละ 5 โดยน าหนก บรเวณรอยเชอมตอระหวางผวทอและเฟส Fe3Al+TiB2 (a) แสดงปรมาณของธาต และ (b) แสดงลกษณะการกระตวของธาต (หมายเหต : บรเวณสเขมคอบรเวณทมปรมาณของธาตนน ๆ กระจายตวอยมาก

79

3.19 รปแบบการเลยวเบนของรงสเอกซของสารตงตนในระบบ Fe3Al-TiB2-Al2O3-CaF2

80

3.20 รปแบบการเลยวเบนของรงสเอกซของชนผลตภณฑผวเคลอบวสดผสมของ Fe3Al-TiB2-Al2O3 ในระบบสารตงตน FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3

81

3.21 ลกษณะทอโลหะหลงการสงเคราะหเสยรปทรง 83 3.22 แสดงบรเวณชนผวเคลอบผลตภณฑบรเวณททอเสยรปทรง 83 3.23 ผวเคลอบทอโลหะทไดจากการสงเคราะหทระบบสารตงตนตางกน (a) FeTiO3 +

7Al + B2O3 + 1.5Fe2O3 และ (b) FeTiO3 + 8Al + B2O3 + 2Fe2O3 84

3.24 ภาพถายจากลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาดของผลตภณฑในระบบสดสวนสารตงตนทตางกน (a) FeTiO3+7Al+B2O3+1.5Fe2O3 และ (b) FeTiO3+8Al+B2O3+2Fe2O3

84

(18)


รปท หนา 3.25 ภาพถายจากลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาดแสดงของขนาดเกรนของ

TiB2 ในระบบสดสวนสารตงตนทตางกน (a) FeTiO3 + 7Al + B2O3 + 1.5Fe2O3 และ (b) FeTiO3 + 8 Al + B2O3 + 2Fe2O3

85

3.26 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 ทระดบความเรวรอบตางกน

86

3.27 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 ทเวลาบดของ FeTiO3 ตางกน

87

3.28 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 ทการเตมปรมาณรอยละของ CaF2 ตางกน

87

3.29 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 ทอตราสวนผสมของสารตงตนตางกน

88

3.30 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟส Al2O3 ทระดบความเรวรอบตางกน

88

3.31 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟส Al2O3 ทเวลาบดของ FeTiO3 ตางกน

89

3.32 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟส Al2O3 ทการเตมปรมาณรอยละของ CaF2 ตางกน

89

3.33 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟส Al2O3ทอตราสวนผสมของสารตงตนตางกน

90

1

บทท 1

บทน ำ 1.1 ควำมเปนมำและควำมส ำคญของกำรวจย กระบวนการสงเคราะหสารประกอบเชงโลหะโดยอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสงนนเกดขนมานานแลว ดวยเทคนควธการหลาย ๆ อยางและวธการใหม ๆ ทไดน ามาประยกตใชกบการสงเคราะหดงกลาวนเกดขนมาอยางตอเนอง ในปจจบนอตสาหกรรมมการพฒนาทางดานเทคโนโลยเพมมากขน เพอหาวธการทดทสดทสามารถชวยลดคาใชจายตนทนการผลตของโรงงานอตสาหกรรมใหนอยลง ตวอยางเชนทอทใชในการล าเลยงแกส น ามน สารละลายเคม หรอซเมนต เมอมการใชงานมากขนประกอบกบความรอนของตวกลางทล าเลยงสงผลใหภายในทอเกดการกดกรอน สกหรอ สกกรอน แตกราว และมอายของทอสนลง ทงนและทงนนการใชงานของทอจงขนอยกบสภาพสงแวดลอม วธการใชงาน และวธการรกษาดวย จงไดมผคดคนหาวธการเพอยดอายการใชงานของทอใหนานขนและลดตนทนในการบ ารงรกษา ในปจจบนงานดานอตสาหกรรมไดเลอกใชวธการเคลอบผวภายในของทอล าเลยงดวยวสดเซรามก ซงวธการดงเดมจะเปนการขนรปปลอกเซรามกแลวสวมอดไวเปนผวทอภายใน โดยการใหความรอนแกทอโลหะแกการขยายตว และวธการแบบใหมน คอ การน าเอาวธสงเคราะหโดยอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง (Self-propagating high temperature synthesis : SHS) และเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง (Centrifugal) รวมเขาดวยกน จงมชอเรยกวา “SHS-centrifugation” เพอใหไดวธการสงเคราะหสารใหมและสามารถน าสารทสงเคราะหไดมาเคลอบผวภายในทอทอณหภมสงไดทนท จงเปนการเคลอบชนผวรวมกนระหวางเซรามกและโลหะลงบนทอโลหะเพอชวยยดอายการใชงานของทอโลหะไดนานขน ซงการสงเคราะหโดยวธ SHS-centrifugation แรกเรมจะนยมใชสารตงตนทสามารถสงเคราะหไดงาย ไมยงยาก และจะตองเปนสารตงตนรวมกน 2 ชนดขนไป ทงนชนผวเคลอบภายในทอจะขนอยกบปฏกรยาสารตงตนและระดบความเรวรอบของแรงเหวยงหนศนยกลางทเลอกสงเคราะหดวย พนฐานของปฏกรยาสารตงตนของวธ SHS-centrifugation แสดงดงสมการท 1.1 (Hua et al., 1999)

Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe (1.1)

2

ตงแตนนมาวธการดงกลาวไดถกน ามาประยกตและพฒนาอยางตอเนอง ดวยการเพมสารตงตนชนดอนเขาไป เชน Cr2O3 CrO3 NiO (Xi et al. 2003) SiO2 Na2B4O7 และ ZrO2 (Du et al. 2005) เพอใหไดทอมสมบตทดขนและความเรวรอบของแรงเหวยงท าใหเกดการยดเกาะกนของเนอพนระหวางเซรามกและโลหะ นอกจากนทอทใชศกษาอาจจะเปนทอสแตนเลส (Xi et al. 2003) หรอทอทองแดง (Du et al. 2005) ขนอยกบความเหมาะสมดวย เมอน าเอาผงของสารตงตนผสมบรรจลงในทอแลวตดตงลงบนเครองใหแรงเหวยงและเรมคอย ๆ ปรบระดบความเรวรอบทตองการสงเคราะหเปนเวลา 2 - 3 นาท ระดบความเรวรอบสวนใหญจะอยในชวง 800 ถง 2500 rpm (Du et al. 2005) เพอใหสารตงตนกระจายในระดบทสม าเสมอและยดเกาะอยภายในทออยางหลวม ๆ จากนนจงท าการจดระเบดเพอใหเกดปฏกรยาการเผาไหมดวยลวดทงสเตน (Xi et al. 2003) หรอเปลวไฟ oxygen-acetylene (Du et al. 2005) เมอสารตงตนผสมภายในทอเกดการหลอมเหลวและเยนตวลงเปนผลตภณฑสารประกอบยดเกาะอยภายในทอทงหมดแลวจงคอย ๆ ปรบระดบความเรวรอบของแรงหมนเหวยงลง ขอดของวธการน คอ ทนตอการกดกรอนและการสกหรอดขน ท าใหสมบตเชงกลดขนไมวาจะเปนทงการแตกราวทลดลง และความเหนยวเพมขน อลเมไนต (ilmenite : FeTiO3) เปนหนงในสามของแรเศรษฐกจทส าคญของโลหะไทเทเนยม ซงอลเมไนตมเหลก (Fe) รอยละ 36.8 ไทเทเนยม (Ti) รอยละ 31.6 ออกซเจน(O) รอยละ 31.6 ปรมาณของไทเทเนยมกบเหลกอาจแปรเปลยนได เนองจากมลทนของโลหะอน แรอลเมไนตมรปผลกระบบเฮกซะโกนอล ผลกมกจะเปนแบบแผนหนาหรอเปนชน ปกตจะมเนอสมานแนนหรอเปนเมดเทาขนาดเมดทราย ความแขง 5.5 - 6.0 ความถวงจ าเพาะ 4.7 ความวาวคลายโลหะหรอกงโลหะ เปนผงละเอยดสด าหรอน าตาลแดง อาจมคณสมบตแมเหลกไดโดยไมตองเผาใหรอน เนอทบแสง (Opaque) การก าเนดอลเมไนตเกดเปนแรรองในหนอคนและหนแปรหลายชนด โดยเฉพาะหนแกบโบร และหนไดออไรตโดยการแตกตวหรอตกผลกในชวงตน ๆ ของหนหนด มสวนสมพนธกบแรแมกนไทต พบปนอยในทรายรวมกบแมกนไทต รไทล เซอรคอน และโมนาไซต พบเสมอในแหลงดบกในประเทศและในแหลงพลอยบางแหลง แรอลเมไนตในแหลงแรดบกจะมขนาดเทาเมดทราย พวกท าเหมองแรดบกมกเรยกวาขแร (อามง) สวนทพบในแหลงพลอยสวนใหมเปนชนดทเปนกอนหรอผลกขนาดโต (Megacryst) ประโยชนของอลเมไนตเปนแรทใหธาตไทเทเนยมทส าคญ ไทเทเนยมเปนโลหะสเทาเงน น าหนกเบา ความหนาแนน 4.5 เมกะกรมตอลกบาศกเมตร ทนทานตอการกดกรอน น าความรอนและไฟฟาต า ผวขดขนเงา มคณสมบตทางแมเหลกออน การใชไทเทเนยมนนประมาณรอยละ 95 ใชในรปสารประกอบไทเทเนยมไดออกไซด (TiO2) สวนทเหลออกรอยละ 5 จะถกน าไปใชในทางดานโลหะกรรม สารประกอบไทเทเนยมไดออกไซดมสขาว ทบแสงสะทอนแสงดและไมเปนพษ น ามาใชเปนสาร

3

ในอตสาหกรรมผลตส กระดาษ พลาสตก ยาง และวสดตาง ๆ ดวยคณสมบตทเดนในดานตานแรงสง ทนความรอน น าหนกเบาและตานทานการกดกรอนทดเยยมของโลหะไทเทเนยม จงถกน าไปใชอยางกวางขวางในอตสาหกรรมอากาศยาน นบตงแตโครงสรางเครองบนจนถงสวนประกอบตาง ๆ ของเครองยนต ใชในอตสาหกรรมประเภทอนส าหรบภาชนะทเกยวของกบสารเคมทมความกดกรอนสง (http://www.dmr.go.th/ewt_nwes.php?nid=582&Filename=min1 สบคนวนท 24 ธนวาคม 2553) ดงนนในโครงการวจยนจงน าเอาวธ SHS-centrifugation มาประยกตใชเคลอบผวภายในทอโลหะ ซงน าเอาสารตงตนหลก Al และ Fe2O3 มาผสมรวมกบ FeTiO3 และ B2O3 โดยใหแกส Oxygen-acetylene เปนตวใหความรอนในการเกดปฏกรยาเผาไหมและและใชแรงเหวยงทอดวยระดบความเรวรอบตาง ๆ เพอใหผลตภณฑมการยดตดกบผวภายในทอไดดและใหมสมบตเชงกลทเพมขน 1.2 ทฤษฎและหลกกำร

1.2.1 พนฐำนของวสดผสม ในสวนนจะกลาวถงรายละเอยดและสมบตของผลตภณฑผวเคลอบวสดผสมโลหะและเซรามกซงเปนองคประกอบในระบบของวสดเชงประกอบเหลกอะลมไนด – ไทเทเนยมไดบอไรด – อะลมนา เหลกอะลมไนด (Iron Aluminide : Fe3Al) เปนสารประกอบเชงโลหะระหวางเหลก (Fe) กบอะลมเนยม (Al) แสดงดงรปท 1.1 ซงลกษณะทางสณฐานวทยามความแขงสง ทนตอการออกซเดชน ตานทานการเสอมสภาพถง 1200°C ตานทานการออกซไดซของเกลอหลอมเหลวไดดเยยม สวนใหญจะน ามาท าเปนเหลกกลาไรสนทซงทนอณหภมของสารก ามะถน สภาพแวดลอมของออกซไดซของความรอน ความตานทานชนสวนยานยนต ตวกรองโลหะ คณสมบตทางเคมของเหลกอะลมไนดนนประกอบดวย Fe รอยละ 81.89 Al รอยละ 15.9 Cr รอยละ 2.20 และ B รอยละ 0.01

4

รปท 1.1 โครงสรางของโลหะเชงประกอบเหลกอะลมไนด (Fe3Al) (http://www.reade.com/home สบคนวนท 15 กนยายน 2555) ไทเทเนยมไดบอไรด (Titanium Diboride : TiB2) เปนสารประกอบเชงโลหะระหวางไทเทเนยม (Ti) กบโบรอน (B) ซงลกษณะทางสณฐานวทยาและโครงสรางผลกแสดงไวในรปท 1.2 และสมบตทางกายภาพและทางกลแสดงไวในตารางท 1.1 ไทเทเนยมไดบอไรดมจดหลอมเหลวและความแขงสง มความหนาแนนต า มความสามารถในการน าความรอน และไฟฟาไดดรวมถงความตานทานตอสารเคม ซงสามารถน ามาประยกตเปนวสดทนไฟ (Refractory materials) หวพน (Nozzle) เกราะทมน าหนกเบา (Light Armor) วสดคมตด (Cutting tool) เปนตวเตมเพอผลตวสดเชงเซรามกเชงประกอบชนดพเศษ หรอเตมลงในโลหะเพอใชเปนเฟสเสรมแรง เชน วสดประกอบเนอพนแมกนเซยมหรออะลมเนยม และอาจใชเปนวสดเคลอบ (Coating materials) เปนตน (Shahbahrami et al. 2007; Niyomwas et al. 2008)

รปท 1.2 ลกษณะของไทเทเนยมไดบอไรด (a) ผงไทเทเนยมไดบอไรด ทมลกษณะแผนเรยบ (Flat) หรอผลกคลายแผนรปหกเหลยม (Hexagonal platelets) (Momentive performance materials Inc 2008) และ (b) โครงสรางทางเคมของผลกไทเทเนยมไดบอไรด (Will 2004)

5

ตำรำงท 1.1 สมบตทางกายภาพและทางกลของไทเทเนยมไดบอไรด (Momentive Perfomance Materials Inc. 2008) สมบตเชงฟสกสและเชงกล คา ความหนาแนน (ทฤษฎ) (Theoretical density) 4.52 g/cm3 จดหลอมเหลว (Melting point) 2850 – 2900°C การขยายตวเนองจากความรอน 8.1x10-6/°C การน าความรอน ท 25°C ท 2300°C

60 – 120 W/m-k 55 – 125 W/m-k

ความตานทานไฟฟา (Electrical resistivity) 10 – 30 micro-ohm-cm ความตานทานตอการแตกหก (Fracture strength) 350 – 500 MPa มอดลสของความยดหยน (Modulus elasticity) 550 GPa ความแขงแบบนป (Knoop hardness) 3000 kg/mm2 * สมบตมการเปลยนแปลงขนอยกบวธการสงเคราะห อะลมนำ (Alumina : Al2O3) มชอทางเคมคอ Aluminium oxide จดเปนออกไซดทมนษยใชประโยชนตงแตดกด าบรรพจนกระทงถงปจจบนและยงคงถกพฒนาน ามาใชงานมากขน อะลมนาในธรรมชาตจดเปนแรธาตทพบในรปของ Corundam (Al2O3) Diaspore (Al2O3∙H2O) Gibbsite (Al2O3·3H2O3) และ Bauxite (Al2O3·3H2O3) โดยแร Corundum ทพบจะเปนแรรตนชาต เชน ทบทม (Ruby) ไพลน (Sapphire) บษราคม (Yellow sapphire) เปนรปแบบของ Corundam ทมมลทน อะลมนาจะพบในรปแอลฟา (α) แกมมา (γ) และเบตา (β) โดยสวนใหญจะอยในรปของแอลฟาอะลมนา และแกมมาอะลมนาในอณหภมทไมเกน 500°C อะลมนาจะอยในรปแกมมา หากน าไปเผาอณหภมสงถง 1150 – 1200°C จะเปลยนอยในรปแอลฟา แตเบตาอะลมนาจะอยในรปของสารประกอบโซเดยมคอ Sodium aluminate (Na2O·11A2O3) เนองจากสมบตของอะลมนามคาความแขงสง มความหนาแนนสง มความตานทานตอการขดสและสกกรอนสง ทนตอสารเคม เปนฉนวนไฟฟาทอณหภมสงไดดและมความทนไฟสง จงสามารถน ามาใชอตสาหกรรมไดหลายประเภท เชน อตสาหกรรมเครองขดถ ซงอะลมนาบรสทธมความถวงจ าเพาะ 3.4 – 4.0 จดหลอมเหลว 2030°C

6

1.2.2 ปฏกรยำระหวำงสำรประกอบของแขง เมอสารประกอบของแขงท าปฏกรยาระหวางกนทอณหภมสง ไมไดหมายความวาสารประกอบทกตว ยงคงรกษาสถานะของแขงไวทอณหภมทมปฏกรยาเกดขน เฟสของเหลว (หลอมละลายจากของแขง) หรอแมแตเฟสแกส อาจมสวนรวมท าใหเกดการเคลอนยายมวลขน ลกษณะทวไปของปฏกรยำของแขง ในการทจะท าความเขาใจความแตกตางระหวางปฏกรยาในสารละลายและในสถานะของแขง รวมทงปญหาทเกยวของกบปฏกรยาของแขง จะใชการพจารณาปฏกรยาทางความรอนของผลกสารประกอบ A และ B ทสมผสกนอยางแนบสนทตลอดผวหนาดานหนง ดงรปท 1.3 ในกรณทไมมการหลอมเหลวเกดขนในระหวางปฏกรยา ดงนนปฏกรยาจะตองเกดขนทจดสมผสระหวางสารประกอบทงสอบเปนจดเรมตน แลวตอมาปฏกรยาจะด าเนนไป โดยการแพรเขาสเนอผลตภณฑ (รปท 1.3)

รปท 1.3 ปฏกรยาระหวางสองผลก (A และ B) ทมผวสมผสหนงดาน ภายหลงการเรมตนกอรปของผลตภณฑ C อออนจาก A และ B จะตองมการแพรในทศตรงกนขามผานชนของผลตภณฑ เพอกอรปเปนผลตภณฑใหม ทผวหนารอยตอระหวาง A/C และ B/C (สธรรม 2552) ในขนตอนแรกของปฏกรยาคอ การกอเกดนวคลไอ (Nuclei) ของผลตภณฑ C ทพนทผวหนาสมผสระหวาง A และ B ซงอาจพบอปสรรคถาหากการกอเกดสารใหมน ตองการการจดระเบยบโครงสรางใหมอยางสง ซงภายหลงกระบวนการนวคลเอชน (Nucleation) ของผลตภณฑ C ชนของผลตภณฑไดถกกอตวขน ในขนตอนผวหนาสมผสเพมเปน 2 ต าแหนง นนคอผวหนาสมผสระหวางสาร A กบสาร C และสาร B กบสาร C ในการทจะท าใหเกดปฏกรยา

ต าแหนงผวหนาสมผสเรมตน

ชนของผลตภณฑ การแพรในทศสวนทางของอออนของสารประกอบ A และ B

7

ด าเนนตอไปได การแพรในทศทางของอออนจากสาร A กบสาร B จะตองเคลอนทผานชนของสาร C เพอไปสผวหนาปฏกรยาทเกดใหม เมอปฏกรยาด าเนนตอไป ชนของผลตภณฑหนาขน สงผลใหการแพรของอออน จากสาร A กบสาร B เพอไปท าปฏกรยายากขน และท าใหอตราการเกดปฏกรยาชาลง เนองจากชนของผลตภณฑท าหนาทคลายเปนแนวปองกน ในกรณอยางงายทปฏกรยาถกควบคมโดยการแพรแบบแลตทซ ผานชนระนาบ (Planar layer) กฎอตรา (Rate law) จะอยในรปของสารการพาราโบลา ดงน

1.

xk

dt

dx (1.2)

โดยท x คอ ปรมาณของปฏกรยา (ในทนคอ ชนความหนาของผลตภณฑ) t คอ เวลา k คอ คาคงทของอตราการเกดปฏกรยา (Rate constant) โดยปกตอออนจะถกดกอยในแลตทซทเหมาะสมและยากทจะเคลอนยายไปสต าแหนงอน ๆ มเพยงแตกรณทอณหภมสงเพยงพอทอออนจะมพลงงานเพยงพอในการแพรผานแลตทซของผลก โดยปกตส าหรบสารหนง ๆ อณหภม 2 ใน 3 ของจดหลอมเหลว กเพยงพอทจะกระตนใหเกดการแพรดงกลาวและสงผลใหสามารถปฏกรยาสถานะของแขงได (สธรรม 2552) พนทผวของแขง

(a) (b)

รปท 1.4 ผลกลกบาศก (a) พนทผวรวมเทากบ 6 cm2 และ (b) พนทผวรวมเทากบ 60 cm2 (สธรรม 2552)

8

พนทผวของของแขงจ านวนหนง ขนอยกบขนาดของอนภาคของของแขงนน ๆ การค านวณอยางงายแสดงไดดงน เชน พจารณาผลกลกบาศกทปรมาตร 1 cm3 ซงประกอบไปดวย 6 ดาน ทมพนทในแตละดานเทากบ 1 cm2 นนคอมพนทผวรวมเทากบ 6 cm2 เมอตดผลกกอนนตามแนวขนานแตละดานจะเปน 10 สวนเทา ๆ กน (ดงรปท 1.4) ผลทไดกคอผลกลกบาศกจ านวน 103 ลก มขนาด 0.1x0.1x0.1 cm3 ในแตละลกทงน ผลกลกบาศกจ านวน 103 ลก มมวลและปรมาตรรวมเทากนกบผลกลกใหญ แตพนทผวโดยรวมใหมจะมคามากวาลกบาศกเดมถง 10 เทา (103x6x0.01 cm2) (รปท 1.4 (b)) ในการบดลดขนาดของอนภาคในชวงเวลาหนง สามารถลดขนาดผลกจาก 1 cm3 ไปสอนภาคในชวงขนาด 10 µm ดงนนถาหากทก ๆ อนภาคเปนผลกลกบาศก พนทผวรวมผงจะกลายเปน 6x103 cm2 (0.6 m2) (ขอสงเกต : ขนาดอนภาค 10 µm เปนตวแทนของระยะทางการแพร โดยประมาณเทากบ 104 เทาของหนวยเซลล (Unit cell)) แมวาพนทผวของของแขง จะเปนตวควบคมสวนใหญของพนทสมผสของเกรนของตวท าปฏกรยาของสารผสม แตกไมไดปรากฏอยางชดเจนโดยตรงในสมการความสมพนธของอตราการเกดปฏกรยา ดงแสดงในสมการท 1.2 แตอยางไรกตามพนทผวไดถกใสไวโดยออม จากการทผลผกผนของความสมพนธของความหนาของชนผลตภณฑ (x) และพนทของการสมผส ดงตวอยางเชน เมออนภาคลกบาศก ขนาด 10 µm 2 ลก ท าปฏกรยาระหวางกน ชนของผลตภณฑทเกดจากการเปลยนรปรอยละ 50 คอความหนา 10 µm เมอขนาดของผลกถกลดลงเปน 1 µm พนทผวของผลกทมน าหนกเทากน จะเพมขนถง 10 เทาตว แตความหนาของชนผลตภณฑทการเปลยนรปรอยละ 50 มคาเพยง 1 µm ซงตามความสมพนธในสมการท 1.2 ผลทไดจะท าใหเกดปฏกรยาเรวขน ในทางปฏบตการทจะท าใหผวสมผสของสารตงตนของแขงสมผสกนอยางดทกสวนเปนไปไดยาก โดยปกตพนทผวสมผสระหวางสารตงตน จะมคานอยกวาพนทผวทงหมด พนทผวสมผสอาจเพมขนไดอกโดยการใชแรงอดผงผสมสารตงตนใหเปนเมด (Pellet) อยางไรกตามแมจะใชความดนสงในการอด แตกไมสามารถท าใหไดผวสมผสสงสดได ผวสมผสระหวางสารสามารถเพมไดอกโดยการใชแรงอดและและความรอนในเวลาเดยวกน แตกเปนกระบวนการทชา และอาจตองใชเวลาหลายชวโมงตอกระบวนการ (สธรรม 2552)

9

1.2.3 กำรสงเครำะหโดยอำศยกำรเกดปฏกรยำกำรกำวหนำดวยตวเองทอณหภมสง (Self-propagating high temperature synthesis : SHS)

กระบวนการ SHS จะเกยวของกบการท าปฏกรยาของผงวสดอดแนนทประกอบไปดวยสารตงแตสองชนดขนไป โดยทมการจดระเบดผงวสดอดทปลายดานหนง แลวปลอยใหเกดปฏกรยาคายความรอนทเพยงพอตอการเผาไหมขยายและลกลามตอไปทงชนงาน ซงความรอนของปฏกรยามผลมาจากคาความแตกตางปรมาณมากของเอนทาลป (Enthalpy) ของตวท าปฏกรยาและผลตภณฑ

ปฏกร ยาท เกดขนอยางตอเน องได เองท อณหภม (Self-propagating high temperature synthesis (SHS) reaction) คลายกบการแตกตวของพล เพราะวามนเกดอยางตอเนอง เหมอนคลน ซงเคลอนจากจดเรมตน ไปดวยความเรวแบบเดยวกนตลอด (Uniform speed) ปฏกรยาเคมสวนใหญเกดขนในชวงสน ๆ ในบรเวณหลอมตว (Molten zone) มลกษณะเปนคลน และมผลใหอณหภมสงขนถง 2000°C ความรอนทสง สงผานไปยงวสดใชเวลาเพยงเสยววนาท และไมจ าเปนตองใชความรอนจากภายนอก เพอขบเคลอนกระบวนการน สดทายจะไดผลตภณฑสารสงเคราะหดงรปท 1.7 และตวแปรทมผลตอกระบวนการ SHS ดงตารางท 1.2 กระบวนการ SHS เรมตนทอณหภมของสารตงตน To ถกใหความรอนอยางเรวจนถงอณหภมการจดระเบด Tig ซงกคอจดทกระบวนการไมตองการพลงงานเพมเตมในการท าปฏกรยาแตไคเนตกของปฏกรยาจะเพมขนเปนอยางมาก โดยอณหภมทางทฤษฎสงสดของปฏกรยาหรอเรยกวา อณหภมแอเดยแบตก Tad เกดขนภายใตสมมตฐานการไมสญเสยความรอนของปฏกรยาสสงแวดลอม ท าใหในความเปนจรงคาอณหภมสงสดของปฏกรยา Tc จะมคาต ากวา Tad เสมอ โดยปกตการเตรยมผงอดของสารตงตนจะกระท าภายใต อณหภมทต ากวา To ความสมพนธของอณหภมตางๆนกบเวลาไดแสดงไวในรปท 1.5

รปท 1.5 ความสมพนธระหวางอณหภมและเวลาส าหรบกระบวนการ SHS (Moore and Feng 1995)

10

การค านวณคา Tad ภายใตสภาวะแอเดยแบตก สามารถค านวณไดจากสมการความสมพนธของเอนทาลปของการกอรป (Enthalpy of formation : HT

o ) ของสารประกอบ ดงแสดงในสมการท (1.3) และลกษณะการเผาไหมของระบบ SHS แสดงดงรปท 1.6

Tad

T

pTTad

o

TdTnCHHH (1.3)

โดยปกตคาอณหภมแอเดยแบตก (Tad) จากปฏกรยาของระบบสารตาง ๆ จะมคาอยระหวาง 1000 – 6000 K โดยปกต และไดแสดงความสมพนธระหวาง Tad และ ∆H298

o/Cp ดงรปท 1.6

รปท 1.6 ความสมพนธระหวาง Tad และ ∆H298o/Cp ของสารประกอบบางชนดทผลตโดย SHS

(Moore and Feng 1995) ในกรณทมการเปลยนเฟสในผลตภณฑกอนทชนงานจะมอณหภมถงอณหภมแอเดยแบตก สมการท 1.4 จะมการเพมเทอมของความรอนแฝงของการเปลยนเฟส ดงแสดงในสมการท 1.4 (Moore and Feng 1995)

11

0

adT

T

p

o

TnLdtnCH (1.4)

โดยท n คอ จ านวนโมลของผลตภณฑทผลตได Cp คอ คาความจความรอน L คอ คาเอนทาลปของการเปลยนเฟส สวนคาความรอนของการกอรป (∆HT

o) ทอณหภมใด ๆ ซงปกตมกจะใช T = 298 K แตกสามารถค านวณทอณหภมอน ๆ ไดตามตองการ ดงนนการค านวณ สมการท 1.4 จะสามารถบอกคา Tad ทอณหภม T ตามตองการ ซงถงแม Tad ทค านวณไดจะมคาสงกวาอณหภมของปฏกรยาจรง แตผลการค านวณสามารถ เปนดรรชนบอกคาอณหภมของระบบทมคา Tad > 1800°C จะสามารถเกดปฏกรยากาวหนาดวยตวเองจนตลอดชนงานภายหลงการจดระเบด (Moore and Feng 1995) แตถา Tad < 1800°C ชนงานจะตองไดรบการอนจนถงอณหภมทเหมาะสมกอนทจะจดระเบดใหชนงาน

รปท 1.7 แสดงลกษณะการเผาไหมตามเวลา (t) ทเปลยนไปของสารในกระบวนการ SHS (ธวช 2553)

12

ตำรำงท 1.2 ตวแปรทมผลตอกระบวนการ SHS (http://www.ism.ac.ru/handbook/shsf.htm สบคนวนท 19 ตลาคม 2553)

Burning velocity 0.1–20 cm/s Combustion temperature 2300–3800 K Heating rate 103–106 K/s Igniting fluence 10–200 cal/(cm2 s) Induction time for ignition 0.2–1.2 s Ignition temperature 800–1200 K

ปจจยทสงผลตอกำรเผำไหมในกระบวนกำร SHS มหลำยประกำร ดงน (Yi and Moore 1990)

ขนาดอนภาคของสารตงตน (Reactant particle size) สดสวนทางเคม (Stoichiometry) รวมถงปรมาณของตวท าละลาย (Diluents) และตวไมท า

ปฏกรยา (Inert) คาความหนาแนนกอนท าปฏกรยา (Green density) อณหภมของการจดระเบด (Ignition temperature) วธการจดระเบด (Ignition techique) การสญเสยความรอน (Heat loss) และการน าความรอน (Thermal conductivity) อณหภมของการเผาไหม (Combustion temperature) อณหภมการอนสาร (Preheat temperature) อตราการเพมขนของความรอนและอตราการเยนตว (Heating and cooling rate) เงอนไขทางกายภาพของสารตงตน (Physical of reactant e.g. solid, liquid, gas) สงเจอปน (Impurities)

1.2.4 กระบวนกำร SHS-centrifugal

แรงเหวยงหนศนยกลำง (มาจาก ภาษาลาตน “Centrum” ศนย และ “Fugere” หน) หมายถง ผลของแรงเฉอยทเกดขนในการเชอมตอกบการหมนทออกไปดานนอกหางจากศนยกลางของการหมน ในกลศาสตรนวโตเนยน ระยะแรงเหวยงจะใชในการอางถงหนงในสองแนวความคด

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=th&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Latin&prev=/search%3Fq%3Dcentrifugal%26hl%3Dth%26rlz%3D1T4RNTN_enTH362TH363%26prmd%3Di&rurl=translate.google.co.th&usg=ALkJrhg-xEVaWsJLnvjeL6q41W81WH3_NA

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=th&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Inertia&prev=/search%3Fq%3Dcentrifugal%26hl%3Dth%26rlz%3D1T4RNTN_enTH362TH363%26prmd%3Di&rurl=translate.google.co.th&usg=ALkJrhhVho9ArDTN7jSJwIfMR9ZGOQu5JQ

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=th&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Newtonian_mechanics&prev=/search%3Fq%3Dcentrifugal%26hl%3Dth%26rlz%3D1T4RNTN_enTH362TH363%26prmd%3Di&rurl=translate.google.co.th&usg=ALkJrhjs9OkVPw4qjonHsjjWkKiciAYECw

13

ทแตกตาง “แรงเฉอย” ของกรอบอางอง และการท าปฏกรยาก าลงทสอดคลองกบ “แรงสศนยกลาง” แสดงดงรปท 1.8 โดยพนฐานของการเคลอนทของแรงเหวยงขนอยกบเวลา ความเรว ความเรง โมเมนตม โมเมนความเฉอย พลงงานศกย และพลงงานจล เปนตน

รปท 1.8 ลกษณะแรงเหวยงหนศนย (http://www.enioangelo.com/SolarSystem/CentrifugalForces Lagrangian.htm สบคนวนท 10 กรกฎาคม 2553) ดงนนลกษณะวธการหลอโลหะแบบเหวยงหนศนยกลาง แสดงดงรปท 1.9 จงเปนตนแบบทน าหลกการมาประยกตใชในกระบวนการสงเคราะหสารปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง (Self-propagating high temperature synthesis : SHS) รวมกบ แรงเหวยงหนศนยกลาง (Centrifugal force) มชอเรยกวา “Self-propagating high temperature synthesis centrifugal force (SHS-centrifugal)” เปนการน าเอาสารตงตนมาผสมกนกอนบรรจลงทอกระทงตดตงลงบนเครองใหแรงเหวยง จากนนจงใหคอย ๆ ปรบระดบความเรวรอบของแรงเหวยงโดยใชมอเตอรเปนตวขบเคลอนใหเกดการหมนดวยความเรวในระดบตาง ๆ หลงจากนนจะใหลวดทงสเตนหรอแกสเปนตวจดระเบดใหเกดความรอนจนกระทงเกดปฏกรยาการเผาไหมของสารตงตนทงหมดเปลยนรปอยในสภาวะหลอมเหลวและเยนตวลงเปนผลตภณฑชนผวเคลอบวสดผสมยดตดกบผวภายในทอดวยความหนาแนน แสดงดงรปท 1.10 และทศทางขณะเกดการเผาไหมของปฏกรยาจะอยในแนวแกนของแรงเหวยงทเปนไปในทศทางเดยวกนจนสารตงตนมการเผาไหมหมดทงทอ ดงแสดงในรปท 1.11

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=th&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Inertial_force&prev=/search%3Fq%3Dcentrifugal%26hl%3Dth%26rlz%3D1T4RNTN_enTH362TH363%26prmd%3Di&rurl=translate.google.co.th&usg=ALkJrhjQ7_BlbRR_nj0bj_r0fTFJgdzaVA

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=th&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Frame_of_reference&prev=/search%3Fq%3Dcentrifugal%26hl%3Dth%26rlz%3D1T4RNTN_enTH362TH363%26prmd%3Di&rurl=translate.google.co.th&usg=ALkJrhgGZbBC6v0Wh6rL06Y9Kr-VFsqIvA

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=th&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_(physics)&prev=/search%3Fq%3Dcentrifugal%26hl%3Dth%26rlz%3D1T4RNTN_enTH362TH363%26prmd%3Di&rurl=translate.google.co.th&usg=ALkJrhho_aLZ_Dx5rMPZWkOK_rdVHCa_aQ

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=th&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Centripetal_force&prev=/search%3Fq%3Dcentrifugal%26hl%3Dth%26rlz%3D1T4RNTN_enTH362TH363%26prmd%3Di&rurl=translate.google.co.th&usg=ALkJrhh3soBZnRw5wwpfoUuS8okc1QMM8w

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=th&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Centripetal_force&prev=/search%3Fq%3Dcentrifugal%26hl%3Dth%26rlz%3D1T4RNTN_enTH362TH363%26prmd%3Di&rurl=translate.google.co.th&usg=ALkJrhh3soBZnRw5wwpfoUuS8okc1QMM8w

14

รปท 1.9 ลกษณะวธการหลอโลหะแบบเหวยง (http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id= centrifugal_casting สบคนวนท 9 มถนายน 2553)

รปท 1.10 ลกษณะวธ SHS-centrifugal (http://www.ism.ac.ru/handbook/61tt4_2.htm สบคนวนท 10 มถนายน 2553)

15

รปท 1.11 แบบจ าลองทศทางการเกดปฏกรยา SHS-Centrifugal (สบคนวนท 22กรกฎาคม 2553)

1.2.5 กำรวเครำะหอณหพลศำสตร ในการศกษา FeTiO3 B2O3 และ Al ซงในส าหรบปฏกรยา Aluminothermic SHS ปฏกรยาทงหมดแสดงดงสมการท 1.5

FeTiO3(s) + B2O3(s) + 5Al(s) → FeAl(s) + TiB2 (s) + 2Al2O3(s) (1.5)

ในระหวางกระบวนการ SHS ระหวางสารตงตน FeTiO3 B2O3 และ Al จะเกดอนตรกรยาดงสมการท (1.5) – (1.11)

6Al(s) + 3B2O3(s) → 6B(s) + 3Al2O3(s) (1.6) 4Al(s) + 3TiO2(s) → 3Ti(s) + 2Al2O3(s) (1.7) 2Al (s) + 3FeO(s) → 3Fe(s) + Al2O3(s) (1.8)

Ti (s) + 2B(s) → TiB2(s) (1.9) Ti(s) + B(s) → TiB(s) (1.10)

Al (s) + 2B(s) → AlB2(s) (1.11)

พนฐานการค านวณทางเทอรโมไดนามกสในระบบ FeTiO3 – B2O3 – Al โดยการใชโปรแกรมทางคอมพวเตอรวเคราะหพลงงานกบใหมคาต าทสดจนไดถงองคประกอบของวสดททขนอยกบอณหภม ดงแสดงผลในรปท 1.12

16

ปฏกรยา SHS เกดขนดวยตวเองเมออณหภมแอเดยแบตก (Tad) สงกวา 1800°C ส าหรบปฏกรยาท (1.5) มอณหภมแอเดยแบตก 2133.8°C สงกวา 1800°C เรมตน Al จะแสดงปฏกรยากบ B2O3 และตอดวยการท าปฏกรยากบ FeO และTiO2 จะท าใหไดธาต B Fe Ti ไดเปน FeAl – B2O3 – Al2O3 พลงงานกบสของปฏกรยาท (1.9) (การกอรปของ TiB2) จะมคาต ากวาของปฏกรยาท (1.10) (การกอรปของ TiB) ซงหมายความวา TiB2 มความเสถยรมากกวา TiB ในทก ๆ ชวงอณหภม คาพลงงานกบสของปฏกรยา (1.11) สงกวาปฏกรยา (1.6) – (1.8) ซงหมายความวา AlB2 ไมสามารถกอรปในระบบได (Niyomwas 2010)

รปท 1.12 พลงงานกบส (G) ส าหรบปฏกรยา (1.6) – (1.11) ตามฟงกชนของอณหภม (T) (Niyomwas 2010) 1.3 งำนวจยทเกยวของ Puszynski และคณะ (1997) ไดท าการศกษาความหนาแนนระหวางชนผวเคลอบโลหะและเซรามก (อะลมนา) ซงเกดจากการกอตวของแหลงก าเนดการเผาไหมระหวางการสงเคราะหพรอมกนการกบบบอดดวยแรงเหวยง ซงทงโครงสรางจลภาคและผวเคลอบอะลมนาจะกอรปในระหวางการเกดปฏกรยาการลดรปอะลมเนยม ความรอนของออกไซดสามารถเปลยนแปลงไดโดยการเตมสารอนลงไป เชน ZrSiO4 SiO2 Na2CrO4 และคารบอน

Eq.1.6

Eq.1.8

Eq.1.7 Eq.1.9

Eq.1.11

Eq.1.10

17 Ni+Al

Substrate pipe

Substrate pipe NiAl

Substrate pipe

Substrate pipe Fe2O3 + 2Al + Additives

Alumina phase

Iron phase Additives

(a) (b)

รปท 1.13 กระบวนการ SHS centrifugal densification แบบ Single และ Multiphase : (a) Ni-Al และ (b) Fe2O3-Al (Puszynzki et al. 1997) การศกษาการเคลอบภายในผวทอโลหะแบบ Single และ multiphase แสดงดงรปท 1.13 โดยกระบวนการใหความแนนตวของผวเคลอบระหวางปฏกรยาการเผาไหมทมผลมาจากแรงหมนเหวยง จะใชอนภาคผงของสารตงตน Al ขนาดประมาณ 5 µm Fe2O3 ขนาดประมาณ 1 µm Ni ขนาดประมาณ 5 µm Cr2O3 ขนาดประมาณ 1 µm ZrSiO4 ขนาดประมาณ 10 µm SiO2 ขนาดประมาณ 25 µm Na2CrO4 18 µm และ C ขนาดประมาณ 0.25 µm ลกษณะของโครงสราง NiAl ยนยนผลวเคราะหดวย SEM และ XRD ของการสงเคราะหแบบ Single phase แสดงดงรปท 1.14 และ 1.15 ตามล าดบ และปฏกรยาของ Multiphase แสดงดงน

Fe2O3 + yCr2O3 + 2(1+y)Al + 4/3yC → 2Fe + (1+y)Al2O3 + 3/2yCr3O2 (1.12) ทงนการเตมสารอน ๆ และมปฏกรยาตอกนกบสารตงตนหลกของปฏกรยาทเกดขนจรง เปนกลไกทมความซบซอนมากขน ปรมาณของโครเมยมออกไซดทใชศกษานแตกตางกนระหวาง 10 และ 30 % โดยน าหนก และสารอน ๆ ทเตมเขาไปในปรมาณ 15 - 30% โดยน าหนก (10-18 ZrSiO4 %wt, 3-7 SiO2 %wt, 1-3 Na2CrO4 %wt) ซงสารเหลานท าหนาทแตกตางกน ZrSiO4 เตมเพอปรบปรงอณหภมสงททนตอการกดกรอนของผวเคลอบ SiO2 และ Na2CrO4 เตม

18

เพอปรบปรงพนผวภายในใหมความเรยบและน าไปสการแยกของชนผวเหลกและอะลมนาไดดขน สวน Cr3O2 และ C เตมเพอปรบปรงคณสมบตเฟสโลหะและเซรามก

รปท 1.14 โครงสรางการกอรปของชนผวเคลอบ NiAl โดยวธ SHS centrifugal densification (Puszynzki et al. 1997)

รปท 1.15 ผลการวเคราะหดวย XRD (X-ray diffraction) ของชนผวเคลอบ NiAl โดยวธ SHS centrifugal (Puszynzki et al. 1997) ระดบความเรวรอบในการหมนเหวยงทใชในการสงเคราะหอยระหวาง 1000 - 2000 rpm โดยกระบวนการเผาไหมจะแพรจากดานหนาไปในทศทางตามแนวแกนและแนวรศม เมอความเรวในการหมนเหวยงไมสงพอหรอผลตภณฑผวเคลอบเยนตวเรวเกนไปเฟสของเซรามกและโลหะจะไมสามารถแยกออกกนได แสดงดงรปท 1.16 (a) เหนไดวาเฟสเหลกจะถกกกอยใน

19

ชนของเซรามก แตถาเพมความเรวรอบทสงขนการแยกเฟสจะเกดไดอยางสมบรณ แสดงดงรปท 1.16 (b) ดงนนการเคลอบชนผวทอโลหะทอณหภมสงอยางรวดเรวท าใหเกดการแยกบรเวณระหวางเซรามกและโลหะจะชวยลดผลกระทบของการขยายตวทางความรอนทไมเทากน และผลจากการกอรปของชนผวเคลอบอะลมนาแสดงดงรปท 1.17

(a) (b) รปท 1.16 ภาพถายจากกลองอเลกตรอนแบบสองกวาดของการสงเคราะหผลตภณฑทความเรงของแรงเหวยง (a) 58G และ (b) 233G (Puszynzki et al. 1997)

(a) (b) รปท 1.17 โครงสรางของชนผวอะลมนาทกอรปในกระบวนการ SHS densification (a) ผวในสดและ (b) สวนตรงกลางของชนเซรามก (Puszynzki et al. 1997)

20

Hua และคณะ (1999) ไดท าการศกษากระบวนการสงเคราะหโดยวธการ SHS และเทคนคการเหวยงหนศนย มารวมกนมชอเรยกวา SHS-centrifugation เพอน าเอาวธดงกลาวมาประยกตใชผลตผวทอวสดผสมโดยวธการเคลอบทอเหลกกลาคารบอนกบชนผวเซรามกรวมกนดงแสดงในรปท 1.18 ท าใหเกดคณสมบตทดของทอเหลกกลาคารบอนทไดจะมความทนตอการสกหรอ การกดกรอน ความรอนไดดและยดอายการใชงานของทอไดนานมากขน โดยการรวมตวเขาดวยกนระหวางผวทอเหลกคารบอนกบชนผวเซรามกขนอยกบปฏกรยาของสารตงตนและแรงเหวยง สมการของปฏกรยาทใชสงเคราะหแสดงดงสมการท 1.1

รปท 1.18 ลกษณะวธ SHS-centrifugal (Hua et al. 1999)

ขนาดของทอเหลกกลาทใชศกษามขนาดเสนผานศนยกลาง 89 mm หนา 5 mm และยาว 155 mm ใชขนาดอนภาคผง Fe2O3 ≤ 5 µm และ Al ขนาดอนภาคผง Al 100 – 200 µm การค านวณสตรแรงหมนเหวยงดงสมการท 1.13 พบวาคาแรงหมนเหวยงทเหมาะสมทท าใหการยดตดของทอเหลกกลาคารบอนกบชนผวเซรามกอดตวกนแนนและมผวเรยบอยในชวง G เทากบ 150 - 250

gnrG

o/)2(

2 (1.13)

หมำยเหต : G = แรงเหวยง (Centrifugal force) n = ความเรวการหมน (Rotation speed) r0 = รศมภายในของทอโลหะ g = ความเรงแรงโนมถวง

Fe2O3 + 2Al Al2O3 + 2Fe

21

ความแตกตางระหวางชนผวภายในทอเหลกกลาหลงการทดลอง ตามแนวตดขวางแสดงดงรปท 1.19 ชนผววสดผสมมความหนาประมาณ 1 mm ดานขวามอดงรปท 1.19 เปนทอเหลกกลาซงบางสวนจะหลอมโดยปฏกรยาคายความรอนท าใหโครงสรางยดตดกบเหลก (บรเวณตรงกลางรปท 1.19) และทางดานซายมอเปนอะลมนา การกอรปของชนผวเหลกและอะลมนาเกดภายใตแรงหมนเหวยง และผลวเคราะหดวย XRD ของชนผววสดผสมแสดงดงรปท 1.20

รปท 1.19 ลกษณะชนผวเซรามกของทอวสดผสม (Hua et al. 1999)

รปท 1.20 ผลการวเคราะห XRD ของชนผวเคลอบ (Hua et al. 1999)

Xi และคณะ (2003) ไดท าการศกษาโครงสรางจลภาคและสมบตเชงกลของชนผวทอเหลกสเตนเลสและชนผวเคลอบวสดผสมทผลตดวยกระบวนการ Centrifugal-SHS ซงสงทไดคอ รอยแตกราวลดลงและความเหนยวเพมขน โดยใชผงโลหะผสมระหวาง Al Fe2O3 Cr2O3 CrO3 และ NiO อกทงยงเตม CaF2 เขาไปในระบบเพอชวยใหผลตภณฑสภาวะทหลอมเหลวเกดการไหลตวไดดขน แสดงดงสมการท 1.14 – 1.17

22

Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 , ∆H = -836 kJ (1.14) Cr2O3 + 2Al → 2Cr + Al2O3 , ∆H = -530 kJ (1.15) CrO3 + 2Al → Cr + Al2O3 , ∆H = -1094 kJ (1.16) 3NiO + 2Al → 3Ni + Al2O3 , ∆H = -928 kJ (1.17)

ขนาดของทอเหลกสเตนเลสทใชมเสนผาศนยกลางภายนอก 76 mm ความหนาผนงทอ 4 mm และความยาว 100 mm โดยน าเอาผงโลหะผสมบรรจเขาไปภายในทอ และท าการจดระเบดดวยลวดทงสเตน ซงใหความเรวรอบของการเหวยงในระหวางทเกดปฏกรยาเผาไหมดงสมการท 1.14 – 1.17 ออกไซดทงหมดจะถกลดรป Al หลอมเหลว พรอมกบการกอรปของโลหะ Fe Cr Ni และ Al2O3 บนชนผวทอเหลกสเตนเลสโดยตรงซงยงมความหนาแนนต า จงตองน าไปผานกระบวนการทางความรอนทอณหภม 1000°C เปนเวลา 20 นาท เพอเพมความแขงแรงตอการดง ดงตารางท 1.3 และรปท 1.21 ภาพจากการวเคราะห TEM แสดงชนผวทอเหลกสเตนเลสทประกอบดวยเฟสออสเทนไนทและเฟอรไรท โดยบรเวณของเฟสออสเทนไนทจะมความหนาแนนของดสโลเคชนสง จงสงผลใหความแขงแรงตอการดง เพมขนหลงจากท า Solution treatment

รปท 1.21 ภาพถาย TEM แสดงชนผวโลหะ stainless หลงผานกระบวนการ solution treatment ทอณหภม 1000°C เปนเวลา 20 นาท (Xi et al. 2003)

23

ตำรำงท 1.3 สมบตเชงกลของชนผวโลหะ stainless กอนและหลง กระบวนการ Solution treatment ทอณหภม 1000°C เปนเวลา 20 นาท (Xi et al. 2003)

Du และคณะ (2005) ไดท าการศกษาชนผวสารประกอบเซรามกบนทอทองแดง (CLCCP) ซงผลตดวยกระบวนการ SHS-centrifugal การเตม SiO2 CrO3 Na2B4O7 และ ZrO2 ท าใหระดบความหนาแนน ความแขง ความเหนยวเพมขน รพรนลดลง สมบตดงกลาวน าไปใชปองกนการเกดการ Crack และ Flakes โดยพนฐานของปฏกรยาบนชนผวทอทองแดงเปนดงสมการท (1.18)

3CuO + 2Al → Al2O3 + 3Cu + 1194 kJ/mol (1.18)

ขนาดของเสนผานศนยกลางของภายนอกและภายในทอทใช คอ 110 mm และ 90 mm ตามล าดบ ผง CuO ขนาด 100 – 200 mesh และ ขนาดผง Al ขนาด 100 – 200 mesh CuO และ Al จะถกผสมคลกเคลากนแลวบรรจเขาไปภายในทอทองแดง จากนนหมนทอดวยความเรวจนกระทงคงท แลวใชเปลวไฟ Oxygen-acetylene จดระเบดเพอใหการเผาไหมเปนเวลามากกวา 10 วนาท ชวงระดบความเรวรอบของแรงเหวยง คอ 800 – 2500 rpm แสดงดงรปท 1.22 อทธพลจากการเตม SiO2 และ CrO3 แสดงใหเหนวา CrO3 มผลท าใหคารพรนลดลง และคาความแขงเพมขนอยในชวง 1325 – 1350 HV แสดงดงรปท 1.23

รปท 1.22 กระบวนการ Centrifugal-SHS : (1) เครองหมนเหวยง (2) ทอทองแดง (3) สารผสมตงตน (4) ผวเคลอบทองแดง และ (5) ผวเคลอบเซรามก (Du et al. 2005)

24

(a) (b) รปท 1.23 กราฟแสดงผลของการเตม SiO2 และ CrO3 (a) แสดงอทธพลของตวเตมตอความพรน และ (b) แสดงอทธพลของตวเตมตอความแขง (Du et al. 2005) Menga และคณะ (2007) ไดท าการศกษากระบวนการสงเคราะหสารประกอบโดยวธการเกดปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมรวมกบเทคนคแรงเหวยงหนศนย (SHS C-T process) ชนผวเซรามกและชนผวโลหะหลกถกเชอมตอดวยชนผว Intermetallic ทอยระหวางกลาง โดยพนฐานของปฏกรยาสารประกอบเปนไปดงสมการ 1.1 ซงไดชนผวเคลอบ Al2O3 ยดตดกบชนผวเคลอบโลหะ ทอทใชจะมขนาดเสนผานศนยกลางภายใน 82 mm ผนงทอหนา 5 mm และยาว 200 mm คราบน ามนทอยบนผวทอจะถกท าความสะอาดดวยสารละลายกรดและเกลออลคาไลน โดยอนภาคผงสารผสมประกอบดวย Al Fe2O3 CrO3 Ni Ti และ B4C ดงสมการท 1.19 – 1.23

Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3 (1.19) CrO3 + 2Al → Cr + Al2O3 (1.20) 3Ti + B4C → TiC + 2TiB2 (1.21) Ni + Fe → NiFe (1.22) Al + Fe → AlFe (1.23)

ผลการทดลองท าใหทราบวาเมอเตม Ti Ni และ B4C จะชวยเพมสมบตเชงกลของทอใหดขน เครองมอทใชส าหรบกระบวนการ SHS-centrifugal ในการทดลองนใชความเรวหมนรอบแนวแกน 1960 rpm โครงสรางของชนผวเคลอบทไดแสดงดงรปท 1.24 และโครงสรางจลภาคของชนผว Intermetallic แสดงดงรปท 1.25 ประกอบดวยเฟสเดนไดรทสขาว คอ FeC และ FeB สวนเนอพนหลก คอ Fe ALFe AlCrFe และ NiFe สวนโครงสรางจลภาคของอนเตอรเฟส

25

ระหวางชนผว Intermetallic และ Ceramic แสดงดงรปท 1.26 บรเวณ 1 คอ ชนผว Intermatallic, บรเวณ 2 คอ อนเตอรเฟส บรเวณ 3 คอ ชนผว Multiphase ceramic

(a) (b) รปท 1.24 แสดงตดขวาชนผวทอวสดผสม (a) แนวตดตรง และ (b) แนวตดขวาง : (1) base metal (2) intermetallic layer และ (3) multiphase ceramic layer (Menga et al. 2007)

รปท 1.25 โครงสรางจลภาคของชนผว Intermetallic (Menga et al. 2007)

26

รปท 1.26 โครงสรางจลภาคของอนเตอรเฟสระหวางชนผว Intermetallic และ Ceramic : อธบายสวนของอนเตอรเฟส : บรเวณ A คอ ชนผว Intermatallic บรเวณ B คอ อนเตอรเฟส และบรเวณ C คอ ชนผว Multiphase ceramic (Menga et al. 2007) Lee และคณะ (2007) ไดท าการศกษาการสงเคราะหผวเคลอบภายในทอโลหะเชนเดยวกบสมการท 1.1 แตไดเตม SiO2 ลงในสารผสมตงตนตงแตรอยละ 5 โดยน าหนกขนไป โดยใชทอเหลกกลาคารบอนทมขนาดเสนผานศนยกลาง 54 mm หนา 3 mm ยาว 300 mm ความเรวหมนจะถกปรบระดบท 110G ( G : ความเรงโนมถวง) และจดระเบดปฏกรยาดวยลวดทงสเตน และน าชนงานไปทดสอบ XRD SEM และ Vickers hardness จากรปท 1.27 แสดงใหเหนวาการทไมเตม SiO2 ชนผวเคลอบเซรามกจะมความหนาแนน 2.8 - 3.0 g/cm3 และเมอเทยบกบการเตม SiO2 รอยละ 4 มชนผวเคลอบเซรามกจะมความหนาแนน 3.6 - 3.75 g/cm3 ทงนความเรวหมน 2000 rpm จะท าใหไดชนผวทมความแนนตวมากทสด การเตม SiO2 นอกจากจะชวยเพมความหนาแนนของชนผวเคลอบแลว ยงสงผลใหชนผวเคลอบมความแขงและความเรยบผวทเพมขน อกทงการเตม SiO2 ทเพมขนรอยละ 0 1 3 และ 5 จะชวยลดความพรนของชนผวไดมากขนและไดเกรนทมขนาดเลกลงดวย แสดงดงรปท 1.29 คาความแขงของชนผวเคลอบมคาสงขนตามล าดบ ซงจะแปรผนตามการเตมปรมาณของ SiO2 แสดงดงรปท 1.28

27

รปท 1.27 ความหนาแนนปรากฏทอตราสวนการเตม SiO2 ทแตกตางกน (a) ไมเตม และ (b) เตมรอยละ 4 (Lee et al. 2007)

รปท 1.28 ความแขงชนของผวเคลอบ (Lee et al. 2007)

28

(a) (b) (c) (d) รปท 1.29 โครงสรางของชนผวเซรามกทเตม SiO2 (a) รอยละ 0 (b) รอยละ 1 (c) รอยละ 3 และ (d) รอยละ 5 (Lee et al. 2007) ผลการทดสอบ Vickers hardness ของชนผวเคลอบเซรามก และ Intermetallic Compressive strength และ Shear strength ของชนทอคอมโพสตแสดงดงตารางท 1.4 สรปไดวาชน Multilayer ของทอคอมโพสตมคา Vickers hardness Compressive strength และ Shear strength สงวาทอวสดผสมชนดอน สมบตเชงกลดงกลาวนมผลท าใหชนผวเคลอบภายในทอมความแขงแรงเพมขน ตำรำงท 1.4 สมบตเชงกลของทอวสดผสม (Lee et al. 2007)

Niu และคณะ (2010) ไดท าการศกษาการเคลอบวสดผสมระหวาง WC และ Fe บนเหลกหลอเทา ทมความหนา 3 mm โดยเทคนคการหลอเหวยงรวมกบการสงเคราะหไปพรอมกน โดยใชลวดทงสเตนเปนแหลงจดก าเนดปฏกรยา ซงเนอพนทตองการสงเคราะหคอเหลก และ

29

อนภาคทงสเตนคารไบด (WC) เปนตวเสรมแรง เมอวเคราะหสมบตความรอนดวย DTA อณหภมทเหมาะสมของการเทเหลกหลอเทาหลอมเหลว คอ 1300°C ผลการทดลองแสดงใหเหนวาเนอพนของวสดผสมทมความหนาแนนสวนใหญจะประกอบเนอพนทเปนเหลกเพรลไลทกบเกลดของกราไฟตเลกนอย และทงสเตนคารไบดเปนเฟสทเสรมแรง ทงนทดสอบความตานทานการสกของผวเคลอบวสดผสมดวยวธ Pin-on-disc-were

รปท 1.30 แผนภาพแสดงขณะการสงเคราะหเคลอบผวทอ (a) แผนภาพการหลอเหวยง และ (b) สวนประกอบของวงแหวน (Niu et al. 2010) จากรปท 1.30 (a) แสดงกระบวนการสงเคราะหผวเคลอบทอ ทศทางการเคลอนทของการหมนและมลกษณะทศทางการเคลอนทในลกษณะตงฉากกบภายในทอ ซงภายหลงจากผวเคลอบภายในทอเกดการเยนตวแลวท าการตดชนสวนบรเวณทสงเคราะหไดมาท าการวเคราะหใหมขนาดเสนผาศนยกลาง 6 mm ยาว 25 mm ดงรปท 1.30 (b) และการวเคราะหผล XRD (รปท 1.31) ของชนผวเคลอบวสดผสมจะประกอบดวย WC, Fe3C, Feα และ M6C ซงจะไมมเฟสของทงสเตนทอยในผวเคลอบเลย สนนษฐานวาการเกดเฟสเสรมแรง WC จะสามารถเกดขนในกระบวนการสงเคราะหดวยวธ Centrifugal casting การฟอรมตวของ Fe3C ขณะเกดปฏกรยาหลอมเหลวระหวาง C และ Fe ทอณหภม 1160.12°C ชนผวเคลอบทสงเคราะหไดแสดงดงรปท 1.32

30

รปท 1.31 ผลวเคราะห XRD ของผวเคลอบวสดผสม (Niu et al. 2010)

รปท 1.32 ภาพตดขวางของชนเคลอบวสดผสม (a) โครงสรางจลภาคก าลงขยายต า (b) โครงสรางจลภาคก าลงขยายสงของอนภาค WC และ (c) โครงสรางจลภาคก าลงขยายสงของอนภาค WC (Niu et al. 2010)

31

Watanabe และคณะ (2004) ไดน าเสนอวธผลตของทอดวยเหลกอะลมไนด โดยวธพนฐาน คอ การน าเอาวธกระบวนการเกดปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง (SHS) และการหลอเหวยง โดยใชผง Ni และ Al หลอมเหลว ทท าปฏกรยายดเกาะเปนชนผวเคลอบผสมภายในทอเหลก ซงผวเคลอบวสดผสมจะประกอบดวย นเกลอะลมไนด (Nickel aluminides) ความรอนทเกดขนโดยปฏกรยาการเผาไหมในสภาวะหลอมเหลวภายในผวทอเหลกและการเพมระดบความเรวของการหมนเหวยงหนศนยกลางเกดจากการหมนของทอเหลกจะถกระบายออกของอะลมเนยม และเปนทนาสงเกตวาอณหภมการ preheat ของ Ni และทอเหลกจะถกกระตนโดยปฏกรยาระหวาง Ni และ Al ในการเตมปรมาณของ Al และ Ni สามารถทราบไดจากการควบคมโครงสรางของชนผวเคลอบวสดผสม ดวยเหตนทอเหลก aluminiud/steel สามารถสรางไดโดยกระบวนการหลอเหวยง แสดงดงรปท 1.33 สารตงตนสงเคราะหประกอบดวย aluminium ingot รอยละ 99.99 ผง Ni รอยละ 99.9 ขนาดอนภาค 10 - 20 µm และสวนประกอบอน ๆ ไดแก C รอยละ 0.25 Si รอยละ 0.35 Mn รอยละ 0.5 P รอยละ 0.04 S รอยละ 0.04 โดยน าหนก ทอทใชจะมขนาดเสนผาศนยกลางภายในและภายนอก 90 และ 70 mm ตามล าดบ ในรปท 1.34 ภาพแสดงแนวตดขวางของทอทสงเคราะหไดจะประกอบดวยผวทอและผวเคลอบวสดผสม Ni - Al และความเรวรอบทใชในการสงเคราะหผวเคลอบค านวณจากสมการ 1.24 ซงความเรวรอบทใชในการสงเคราะห คา G เทากบ 30 50 และ 80

gNDGi

/222

(1.24) หมายเหต : G = ระดบความเรวของแรงเหวยง Di = ขนาดเสนผาศนยกลางภายใน (m) N = จ านวนรอบการหมนของแมพมพ (s-1) g = แรงโนมถวง (ms-2)

32

(a) รปท 1.33 (a) แผนภาพแสดงค าอธบายเครองมอการทดลอง และ (b) แผนภาพแมพมพของทอเหลกกลากบผง Ni (Watanabe Y. et al. 2004)

รปท 1.34 ชนงานตวอยางในแนวตดขวางส าหรบการวเคราะหโครงสรางจลภาค (Watanabe et al. 2004) Antsiferove และคณะ (1997) ไดศกษาอทธพลของ CaF2 ทมผลตอการอบผนกของเหลก Cr-Mo พบวา CaF2 ท าหนาทเปนสารหลอลนใหกบของแขง และยงเปนปจจยทท าใหธาตเคมและความรอนมความเสถยรสงขน รวมถงความสามารถของการยดเกาะอยางแขงแรงบนพนผวโลหะ อกทง CaF2 สามารถท าหนาทควบคมการไหลตวในสภาวะการหลอมเหลวไดด ซงพฤตกรรมทางความรอนของ CaF2 จะเรมตนทอณหภม 50 - 1200°C และจะเกดเปนแกส fluorine

(b)

33

ภายใตอณหภม 200 - 300ºC ในระหวางเดยวกนนแกส fluorine จะอยในรปอสระระหวางการกอรปของแกสและเปลยนรปของ CaF2 สนนษฐานวาทงแกส fluorine และ CaF2 มผลตอกระบวนการแนนตวและการฟอรมตวขณะการอบผนกดวย Fathi และคณะ (2005) ไดศกษาอทธพลของ CaF2 ทมผลตอความแขงของกระเบองแกว พบวาปรมาณ CaF2 สง จะท าใหความแขงทไดสงขนดวยเชนกน Fedorchenko และคณะ (1976) ไดศกษาสมบตเชงกลทอณหภมสงสดของการอบผนกวสดโลหะทมการเตม CaF2 พบวาวสดโลหะทมการเตม CaF2 จะชวยการตานทานความรอนและการไหลตวไดงายขน รวมถงท าใหมความเสถยรทอณหภมสง 1.4 สทธบตรทเกยวของ Pignocco และคณะ (1978) (U.S. Pat. No. 4117868) ไดท าการจดสทธบตรทเกยวของกบการศกษาผลตภณฑผวเคลอบทอในกรณการท าใหเกดปฏกรยาการเผาไหมของ Aluminothermic reduction (ATR) เพอตองการใหมการเคลอบของชนผวทอดวยการฟอรมตวของโลหะและขโลหะเปนชนท 2 และ 3 ถดจากชนผวทอโลหะแสดงดงรปท 1.35 ซงชนผวเคลอบจะตองทนตอสารเคม ตานทานการกดกรอนและตานทานการสกหรอ ผลตภณฑทอเหลกจะนยมน าไปใชงานดานอตสาหกรรมน ามน ซเมนต เปนตน อกทงยงตองทนตอสภาพแวดลอม และการสนเปลองของทอเหลก

(a) (b) รปท 1.35 ลกษณะภาพตดขวางของการเคลอบชนผวทอโลหะ (Pignocco et al. 1978)

34

ซงจะใชอนภาคผงโลหะออกไซดทมขนาดตงแต -35 mesh แตไมเกน +325 mesh และผงเชอเพลงมขนาดอนภาคตงแต -100 mesh แตไมเกน +325 mesh ขนาดของทอโลหะทใชศกษามขนาดเสนผานศนยกลาง 31.75 mm ยาว 101.6 mm กอนท าการทดลองตองท าความสะอาดผวทอโลหะเพอก าจดและลดสงแปลกปลอมมาเจอปน จากขางตนปฏกรยาสงเคราะหดงเปนไปตามสมการท 1.1 และความเรวรอบเทากบ 1500 rpm สวนการทดลองอน ๆ จะมการเปลยนผงโลหะออกไซดอน ๆ ดงเชน - สวนผสม (1) คอม NiO 21.3 g Al 21.3 g และ Al2O3 ปรมาณ 5.5 g รวม 88.9 g ความเรวรอบเทากบ 2250 rpm - สวนผสม (2) คอม Co3O4 71.0 g Al 21.4 g และ Al2O3 ปรมาณ 9.3 g รวม 101.7 g ความเรวรอบเทากบ 2250 rpm

นอกจากนวธการเคลอบผวทอสามารถเตมโลหะอนไดไมมขอบเขต เชน Ni Cr Fe Cu Co Mo Pb bronze brass และ Al

จากรปท 1.35 (b) ทอทใชเปนทอโลหะ (หมายเลข 10) เรมแรกปดปลายทอดานใดดานหนง (หมายเลข 12) ซงภายในจะมกระบอกสวมไวเขากบทอโลหะลกษณะเปนรปวงแหวน (หมายเลข 16) ซงจะบรรจสารผสมตงตนโดยพนททงหมด (หมายเลข 18) หลงจากนนท าการปดปลายทออกดาน (หมายเลข 20) และจะเปดโพรงเลก ๆ ไว (หมายเลข 22 และ 24) เพอส าหรบเปนทางเขาของตวจดระเบดของปฏกรยาการเผาไหม จากนนน าทอทตองการสงเคราะหตดตงบนเครองใหแรงหมนเหวยงหนศนยกลาง (หมายเลข 26) และภายหลงจากการท าปฏกรยาแลวทอโลหะทสงเคราะหเคลอบชนผว แสดงภาพตดขวางดงรปท 1.35 (a) ภายในทอโลหะจะมการฟอรมตวของชนผวเคลอบโลหะผสม (หมายเลข 40) ถดเขามาเปนชนผวเคลอบเซรามก (หมายเลข 42) โดยชนผวเคลอบทงหมดจะยดเกาะแนบตดกบภายในทอโลหะ (หมายเลข 30)

Odawara (1982) (U.S. Pat. No. 4363832) ไดท าการจดสทธบตรทเกยวของกบ

การศกษาการกอรปของชนผวเซรามกภายในทอโลหะดวยการผสมผง Al และเหลกออกไซด หมนดวยแรงเหวยงทตางกน โดยใชเปลวไฟ Acetylene ท าใหเกดการเผาไหม ซงในการศกษานจะให Al Mg และ Si เปนตวเตมหลกแสดงดงตารางท 1.5 ซง Al มจดหลอมเหลวทอณหภม 660°C ทงนก าหนดให Al เปนตวควบคมในการเผาไหมของปฏกรยาดวย

หากเลอกใช Si เปนตวควบคมการเผาไหมของปฏกรยาอาจตองใชอณหภมสงกวาของตวเตมบางสาร อาจใหโครงสรางของชนผวเคลอบเซรามกของ AlO มคาความหนาแนนต าลง ซงการศกษานไดใชขนาดทอโลหะทมความยาว 100 mm เสนผานศนยกลาง 70 mm ความหนาผว

35

ทอ 3 mm สารตงตนทใชมน าหนก 98 g แบงเปนผง Al 78 g Fe3O4 (200 mesh และ 50 mesh) 20 g อบทอณหภม 120°C เปนเวลา 24 ชวโมง กอนท าปฏกรยาการเผาไหม ตอจากนนใหความรอนและหมนดวยความเรว 2000 rpm แรงหมนเหวยง 150G ใชเวลา 10 นาท จนกระทงทอโลหะเยนตวลง และไดพบวาความเรวในการหมนรอบ 1000 rpm หรอ 100 rpm จะมแรงหมนเหวยง 40G หรอ 0.4G ซงอาจท าใหคาความหนาแนนและคาความแขงลดลง แสดงคาทไดดงตารางท 1.6

ตำรำงท 1.5 น าหนกของสารตงตน (Odawara 1982)

ตำรำงท 1.6 คาความหนาแนน คาความแขงทเปนมาจากระดบความเรวหมน (Odawara 1982)

Karmarkar และคณะ (1991) (U.S. Pat. No. 5025849) ไดท าการจดสทธบตรทเกยวของกบการสงเคราะหการฟอรมตวของชนผวเคลอบของทอโลหะดวยวสดผสม เชน ซลคอนคารไบด (Silicon cabide) และอะลมเนยม (Aluminium) โดยวธการหลอเหวยง วสดเสรมแรงสามารถเตรยมหลอมไวกอนบรรจเขาไปรวมกบโลหะผสม และรอเตรยมหลอมละลายพรอมกบการบรรจเขาไปในทอ ซงผลตภณฑชนผวเคลอบทอจะมปรมาณของตวเสรมแรงแตกตางกน ระดบความเรวรอบทใช 900 - 1000 rpm วธแรก คอ การหลอมละลายของตวเสรมแรงและโลหะผสมเขาดวยกนกอนทบรรจเขาไปภายในทอกอนทจะใหแรงหมนเหวยง แสดงดงในรปท 1.36 น าตวเสรมแรงและโลหะผสมทหลอมละลาย (หมายเลข 7) ไวกอนแลวเทลงในกรวย (หมายเลข 9) และผานราง (หมายเลข 11) และเตรยมใหรอนระดบหนงกอนทโลหะผสมจะแขงตว จากนนโลหะผสมถกล าเลยงเขาสทอ

36

ในขณะหมนเหวยงดวยตวขบเคลอนของมอเตอร (หมายเลข 15) ซงสามารถปรบระดบความเรวดวยมอเตอร (หมายเลข 17) ควบคไปกบเพลา (หมายเลข 19) และประกอบเขากบโมลทรงกระบอก (หมายเลข 21) ซงจะปดบรเวณหนงไวทปลายทอเพอปองกนการไหลออกของโลหะผสม (หมายเลข 23) หลงจากนนปลอยใหสวนผสมดงกลาวฟอรมตวและยดเกาะกบผวภายในทอ (หมายเลข 25) จนเยนตวลง สวนวธทสอง คอ การหลอเหวยงภายในทอโลหะพรอมกบการใสตวเสรมแรงและโลหะผสมพรอมกน แสดงดงในรปท 1.37 ซงแตกตางจากวธแรกในชวงการเตรยมสวนผสมตงตนโลหะหลอมละลาย (หมายเลข 27) พรอมกบปลอยอนภาคเสรมแรง (หมายเลข 29) ไหลผานกรวย (หมายเลข 31) เขาไปผสมและหลอมละลายภายในทอโลหะ

รปท 1.36 การหลอเหวยงภายในทอโลหะพรอมกบตวเสรมแรงและโลหะผสมทหลอมละลายไวกอนแลว (Karmarkar et al. 1991)

รปท 1.37 การหลอเหวยงภายในทอโลหะพรอมกบการใสตวเสรมแรงและโลหะผสม (Karmarkar et al. 1991)

37

ตำรำงท 1.7 สรปตวแปรทมผลตอระบบของสารตงตนและผลตภณฑของงานวจยทเกยวของ

ล ำ ดบ

ระบบ ตวแปร

สำรตงตน ผลตภณฑ G n (rpm)

P ขนำดทอ(mm) ประเภททอ

Ø t l Fe Cu SS

1 NiO, Al, Al2O3 - - 2250 (-35)-(+325) 31.75 - 101.6

2 Co3O4, Al, Al2O3 - - 2250 (-35)-(+325) 31.75 - 101.6

3 Fe2O3, Al Fe, Al2O3 - 1500 (-35)-(+325) 31.75 - 101.6

4 Fe2O3, metallic Al Fe, Al2O3 150 2000 50-200mesh 70 3 100

5 Fe2O3, Al Fe, Al2O3 150-250 - 5-200 µm 89 5 155

6 Fe2O3, Al Fe, Al2O3 - - - 76 4 100

7 Cr2O3, Al Cr, Al2O3 - - - 76 4 100

8 CrO3, Al Cr, Al2O3 - - - 76 4 100

9 NiO, Al Ni, Al2O3 - - - 76 4 100

10 CuO, Al Cu, Al2O3 - 800-2500 100-200 110 20

11 Fe2O3, Al Fe, Al2O3 - - - 82 5 200

12 Cr2O3, Al Cr, Al2O3 - - - 82 5 200

13 Ti, B4C TiC, TiB2 - - - 82 5 200

14 Ni, Fe NiFe - - - 82 5 200

15 Al, Fe AlFe - - - 82 5 200

หมายเหต : G = Centrifugal force n = Rotation speed (rpm) P = Powder size (mesh) Ø = รศมของทอ t = ความหนาของผนงทอ l = ความยาวของทอ

จากงานวจยขางตนดงกลาวท าใหทราบวาโดยสวนใหญแลวจะใชกระบวนการ SHS centrifugal เคลอบผวภายในทอโลหะ การใชงานทอกตางแตกไปตามการใชงาน โดยทวไปทอทน ามาใชกจะมทงทอเหลกคารบอน ทอสเตนเลส และทอโลหะทองแดง เงอนไขทใชส าหรบการเคลอบผวภายในทอตวอยางเชน ทอเหลกคารบอนสวนใหญจะใช Fe2O3 และAl เปนสารเคลอบ

38

และใชความเรวรอบในการหมนเหวยง 2000 rpm ขนไป ทอสเตนเลสจะใชAl Fe2O3 Cr2O3 CrO3 และ NiO เปนสารเคลอบ ทอโลหะทอแดงจะใช CuO และ Al เปนสารเคลอบผว ความเรวหมนเหวยงประมาณ 800 – 2500 rpm ผเขยนจงมความสนใจทจะศกษางานวจยนดวยวธการดงกลาวเชนกนโดยจะใชทอเหลกคารบอนโดยม Al Fe2O3 FeTiO3 B2O3 เปนสารเคลอบผวภายในทอ หมนดวยความเรว 1500 rpm ขนไป เพอใหไดสารเคลอบภายในผวทอเปนวสดผสม Fe3Al-TiB2- Al2O3 ซงใหผวเคลอบทมความแขงสง เนอพนระหวางชนผวทอโลหะและสารประกอบสามารถยดเกาะกนไดแนนยงขน และใหสมบตเชงกลทดขน และมราคาตนทนการผลตทต าอกดวย 1.5 วตถประสงคของโครงกำรวจย 1.5.1 เพอศกษาอทธพลของตวแปรทมผลตอการสงเคราะหวสดผสมเคลอบภายในผวทอโลหะดวยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง 1.5.2 เพอศกษาโครงสรางการยดเกาะของผวทอโลหะและชนผวเคลอบสงเคราะห 1.5.3 เพอศกษาคาแรงเหวยงทเหมาะสมกบการเผาไหมของปฏกรยาสารประกอบโลหะหลงคายความรอนทอณหภมสง 1.6 ขอบเขตของกำรวจย 1.6.1 สารตงตนทใชในการสงเคราะห คอ ผง Al Fe2O3 FeTiO3 และ B2O3 1.6.2 ใหคาระดบความเรวรอบของการหมนเหวยงอยในชวง 1500 – 2250 rpm 1.6.3 วเคราะหผลทไดและเสนอแนวทางทเหมาะสมทสดในการสงเคราะหผวเคลอบวสดผสมดวยวธ Centrifugal-SHS 1.7 ประโยชนทคำดวำจะไดรบ 1.7.1 ท าใหทราบถงกระบวนการสงเคราะหผวเคลอบดวยกระบวนการ SHS-centrifugal

1.7.2 สามารถน าเอาเทคนคกระบวนการเกดปฏกรยาดวยตวเองทอณหภมสงรวมกบแรงเหวยงหนศนย (SHS-centrifugation) ไปประยกตใชจรงกบทอในโรงงานอตสาหกรรม

39

1.7.3 น าเอาสนแรประกอบโลหะมาใชใหเกดประโยชนและมมลคาเพมขน 1.7.4 สามารถน าความรนไปพฒนา และตอยอดเพอสงเคราะหผวเคลอบชนดอน ใหมความแพรหลายมากขน 1.8 สถำนทท ำกำรวจย 1.8.1 ภ าค ว ช า ว ศ ว ก ร รม เหม อ งแร และว สด คณะว ศ ว ก ร รมศ าสต รมหาวทยาลยสงขลานครนทร 1.8.2 หองปฏบตการวจยเซรามกและวสดผสม (S408) สถานวจยวศวกรรมวสด คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร 1.8.3 ศนยเครองมอวทยาศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร

40

บทท 2

วธการด าเนนงานวจย

เนอหาในบทนจะกลาวถงการด าเนนการวจย ซงประกอบไปดวยวสด อปกรณ เครองมอ และสารเคมทใชในกระบวนการเคลอบ รวมถงขนตอนการด าเนนการวจย

2.1 วสดและอปกรณการทดลอง

วสด อปกรณ และเครองมอทใชในกระบวนการเคลอบ วเคราะหและทดสอบ ดง

แสดงในตารางท 2.1 และรปท 2.1 ถง 2.5

ตารางท 2.1 วสด อปกรณ และเครองมอทใชในการทดลอง

เครองมอและอปกรณ ยหอ แบบ/รน

Electronic balance Pioneer P4214 Two roll ball mill machine Constructed by

Dr.Wiriya Thongruang -

Silicon carbide grinding paper BUEHLER p80, p180, p320, p600, p800 and p1200

Steel pipe - Thickness 2 mm Oxy-acetylene gas set Constructed by Thaisafe Ltd. - X-Ray diffractometer (XRD) Philips X’Pert MPD Scanning electron microscope (SEM) with energy dispersive X-ray spectrometer (EDX)

JEOL, FEI Oxford

JSM-5800LV, Quanta 400 ISIS 300

laser particle size analyzer (LPSA) Beckman Coulter LS230

41

ตารางท 2.1 (ตอ) วสด อปกรณ และเครองมอทใชในการทดลอง

เครองมอและอปกรณ ยหอ แบบ/รน

Viker micro hardness tester High Wood HWDM-3 Planetary ball mill Beckman Coulter PM 100/200 Drill machine Kanto KT-4106 Inverter (AC Drive) Toptek TOPVERT E1-432P2 Three phase induction motor Guiseley GL-71-2A

รปท 2.1 วสด อปกรณ และเครองมอทใชในการเตรยมสวนผสมตงตน (a) Electronic balance (b) Two roll ball mill machine และ (c) Planetary ball mill

(a) (b)

(c)

42

รปท 2.2 วสด และเครองคอทใชเตรยมชนงานสงเคราะห (a) เครองเจาะมอเตอรไฟฟาขนาดเลก (b) คอน ตะไบ ครม กรรไกร เทปกาว และ (c) ทอโลหะ จกไม

รปท 2.3 เครองมอและอปกรณชวยในขณะการสงเคราะห (a) เครอง SHS-Centrifugal และ (b) หนา

จอแสดงผลของเครองปรบความเรวรอบ

(a) (b)

มอเตอร

ปากจบ 3 หว

เครองปรบความเรวรอบ

ตวประคองชนงานขณะหมน

(a) (b)

(c)

43

รปท 2.4 ชดพนเปลวไฟ Oxy-acetylene gas

รปท 2.5 อปกรณ และเครองมอทใชในการวเคราะหคณลกษณะ (a) X-ray diffraction (XRD) (b) vicker hardness tester (c) Scanning electron microscope (SEM) with energy dispersive X-ray spectrometer และ (d) Laser particle size analyzer (LPSA)

(a) (b)

(c)

(d)

44

2.2 สารเคม สารเคมทใชในกระบวนการทดลอง ดงแสดงในตารางท 2.2 และแสดงลกษณะ

ทางกายภาพในรปท 2.6 ตารางท 2.2 สารเคมทใชในกระบวนการทดลอง

ชอทางการคา ขนาดอนภาค (µm)

ความบรสทธ (%)

ผผลต

Aluminum powder (Al) 45 93 Himedia Laboratories Iron (III) oxide (Fe2O3) - 97 Riedel-de Haën Aluminum dioxide (Al2O3) - 98 Riedel-de Haën Boron oxide (B2O3) 1017 99 Sigma-Aldrich Chemical

Company Calcium fluoride (CaF2) - 98 Carlo Erba Reagents

Company

45

รปท 2.6 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาด แสดงลกษณะทางสณฐานวทยาของสารตงตนทใชในการทดลอง (a) Fe2O3 (b) Al (c) FeTiO3 (d) B2O3 และ (e) CaF2

(a) (b)

(c) (d)

(e)

46

ในการทดลองศกษาวจยครงนเปนการจ าลองท าการสงเคราะหชนผวเคลอบภายในทอโลหะซงจะใชมอเตอรทมขดจ ากดการปรบระดบความเรวไดสงสด 2500 rpm ซงจะตดตงอยกบปากจบสามหวทใชจบทอโลหะและมชวยประคองทออกดวย (ดงรปท 2.7 และ 2.8)

รปท 2.7 การตดตงระบบการสงเคราะหเคลอบผวทอโลหะโดยวธ SHS-Centrifugal

รปท 2.8 แบบจ าลองการตดตงระบบการสงเคราะหเคลอบผวทอโลหะโดยวธ SHS-Centrifugal ประกอบดวย (1) ทศทางการหมน (2) จกไม (3) ตวชวยประคองทอ (4) ทอโลหะ (5) ปากจบสามหว และ (6) มอเตอรปรบระดบความเรว

47

2.3 การด าเนนการทดลอง 2.3.1 การศกษากระบวนการสงเคราะหดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง

เพอศกษาการสงเคราะหความหนาชนผวเคลอบวสดผสมดวยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสงรวมกบเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง โดยใชอตราสวนผสมตามสมการท (2.1)

FeTiO3(s) + 6Al(s) + B2O3(s) + Fe2O3(s) → TiB2(s) + 2Al2O3(s) + 3Fe(s) (2.1)

ตารางท 2.3 ปรมาณสารตงตนทใชในสมการท (2.1)

ระบบ FeTiO3-6Al- B2O3-Fe2O3

สารตงตน FeTiO3 Al B2O3 Fe2O3

อตราสวนโดยโมล 1.0000 6.0000 1.0000 1.0000 อตราสวนโดยน าหนก 2.1797 2.3254 1.0000 2.2938

2.3.1.1 กจกรรมท 1 : การเตรยมทอส าหรบเคลอบ

2.3.1.1.1 น าทอโลหะตดใหไดขนาดความยาว 6 นว ท าความสะอาดคราบน ามน และฝนดวย Acetone

2.3.1.1.2 ตดไมทมลกษณะเปนวงกลม 2 ชน ส าหรบใชปดหวทายของทอ ชนแรกตดใหไดความหนา 1 นว เจาะรตรงกลางไมดวยสวานใหไดเสนผานศนยกลาง 1.5 cm สวนอกดานหนงเหลาบรเวณรเหลาใหเปนเทเปอร เพอใหเปลวไฟจอเขาถงผงสารตงตนขณะท าการสงเคราะห

2.3.1.2 กจกรรมท 2 : การเตรยมสารผสมตงตน การเตรยมสารผสมของสารตงตน มขนตอนดงน

2.3.1.2.1 ชงสารตงตนในตามสดสวนดงสมการท 2.1 น าหนก 120 g 2.3.1.2.2 บดผสมผงสารตงตนเขาดวยกนดวยเครองบดลกบอลเปนเวลา 1 ชม.

48

2.3.1.3 กจกรรมท 3 : การสงเคราะหโดยปฏกรยาดวยตวเองทอณหภมสงรวมดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลางเบองตน

2.3.1.3.1 น าสวนผสมทงหมดทไดกรอกใสทอโลหะทปดหวทายดวยจกไมไวแลว และปดดวยเทปกาวจกไมดานทเจาะร

2.3.1.3.2 ตดตงทอโลหะทเครองหมนเหวยง และขนเกลยวปากจบ 3 หวใหแนน 2.3.1.3.3 คอย ๆ ปรบความเรวหมนจนถงระดบ 1500 rpm 2.3.1.3.4 ปรบแกสอะซทลนใหไดเปลวความรอนตามตองการ น าเปลวไฟจอยง

บรเวณปากทอโลหะ 2.3.1.3.5 เมอสวนผสมเรมเกดปฏกรยาแลว น าหวพนแกสอะซทลนออกทนทและ

ปลอยใหเกดปฏกรยาดวยตวเองไปทงทอโลหะ ขณะเกดปฏกรยาทอโลหะจะมลกษณะรอนแดง โดยปลอยใหหมนเหวยงตอไปอก 5 นาท หลงจากนนคอย ๆ ลดระดบความเรวรอบลง ปลอยใหทอโลหะเยนตวลง จนไดผลตภณฑผวเคลอบทยดเกาะกบผวภายในทอของโลหะ

2.3.1.3.6 น าผวทอโลหะทสงเคราะหไดไปวเคราะหตอไป 2.3.2 การศกษาระดบความเรวหมนของแรงเหวยงศนยกลาง

2.3.2.1 กจกรรมท 1 : การเตรยมชนงาน 2.3.2.1.1 น าทอโลหะตดใหไดขนาดความยาว 6 นว ท าความสะอาดคราบน ามน และ

ฝนดวย Acetone 2.3.2.1.2 ตดไมทมลกษณะเปนวงกลม 2 ชน ส าหรบใชปดหวทายของทอ ชนแรกตด

ใหไดความหนา 1 นว เจาะรตรงกลางไมดวยสวานใหไดเสนผานศนยกลาง 1.5 cm สวนอกดานหนงเหลาบรเวณรเหลาใหเปนเทเปอร เพอใหเปลวไฟจอเขาถงผงสารตงตนขณะท าการสงเคราะห



49

2.3.2.3 กจกรรมท 3 : การสงเคราะหการเกดปฏกรยาดวยตวเองทอณหภมสงดวยรวมกบเทคนคแรงเหวยงหนศนยเบองตน


2.3.2.3.2 ตดตงทอโลหะทเครองหมนเหวยง และขนเกลยวปากจบ 3 หวใหแนน 2.3.2.3.3 คอย ๆ ปรบความเรวรอบทงระดบ 1500 1750 2000 และ 2250 rpm 2.3.2.3.4 ปรบแกสอะซทลนใหไดเปลวความรอนตามตองการ น าเปลวไฟจอยง



2.3.2.3.6 น าผวทอโลหะทสงเคราะหไดไปวเคราะหตอไป

2.3.3 การศกษาเวลาบดละเอยดของ FeTiO3 2.3.3.1 กจกรรมท 1 : การเตรยมชนงาน





50



2.3.3.3.2 ตดตงทอโลหะทเครองหมนเหวยง และขนเกลยวปากจบ 3 หวใหแนน 2.3.3.3.3 คอย ๆ ปรบความเรวรอบทง 2250 rpm 2.3.3.3.4 ปรบแกสอะซทลนใหไดเปลวความรอนตามตองการ น าเปลวไฟจอยง




2.3.4 การศกษาผลของการเตมแคลเซยมฟลออไรด การสงเคราะหชนผวเคลอบวสดผสมดวยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสงรวมกบเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง โดยการเตมแคลเซยมฟลออไรด (CaF2) เพอชวยใหขณะการเกดปฏกรยาของสารตงตนเกดการไหลตวไดดขน ซงจะเตม CaF2 ปรมาณรอยละ 1 3 5 โดยน าหนกของสารตงตนทงหมด และใชอตราสวนผสมตามสมการท (2.1) ตารางท 2.4 ปรมาณสารตงตนทใชในสมการท (2.1) และเตม CaF2 ระบบ FeTiO3-6Al- B2O3-Fe2O3

สารตงตน FeTiO3 Al B2O3 Fe2O3 CaF2

อตราสวนโดยโมล 1.0000 6.0000 1.0000 1.0000 รอยละ 1 3 5 อตราสวนโดยน าหนก 2.1797 2.3254 1.0000 2.2938

51

2.3.4.1 กจกรรมท 1 : การเตรยมชนงาน 2.3.4.1.1 น าทอโลหะตดใหไดขนาดความยาว 6 นว ท าความสะอาดคราบน ามน และ

ฝนดวย Acetone 2.3.4.1.2 ตดไมทมลกษณะเปนวงกลม 2 ชน ส าหรบใชปดหวทายของทอ ชนแรกตด

ใหไดความหนา 1 นว เจาะรตรงกลางไมดวยสวานใหไดเสนผานศนยกลาง 1.5 cm สวนอกดานหนงเหลาบรเวณรเหลาใหเปนเทเปอร เพอใหเปลวไฟจอเขาถงผงสารตงตนขณะท าการสงเคราะห



2.3.4.3 กจกรรมท 3 : การสงเคราะหการเกดปฏกรยาดวยตวเองทอณหภมสงดวยรวมกบ

เทคนคแรงเหวยงหนศนยเบองตน 2.3.4.3.1 น าสวนผสมทงหมดทไดกรอกใสทอโลหะทปดหวทายดวยจกไมไวแลว

และปดดวยเทปกาวจกไมดานทเจาะร 2.3.4.3.2 ตดตงทอโลหะทเครองหมนเหวยง และขนเกลยวปากจบ 3 หวใหแนน 2.3.4.3.3 คอย ๆ ปรบความเรวรอบ 2250 rpm 2.3.4.3.4 ปรบแกสอะซทลนใหไดเปลวความรอนตามตองการ น าเปลวไฟจอยง




52

2.3.5 การศกษาอตราสวนของสารตงตนการสงเคราะห

เพอศกษาการสงเคราะหความหนาชนผวเคลอบวสดผสมดวยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสงรวมกบเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง โดยใชอตราสวนผสมตามสมการท (2.2) และ (2.3)

FeTiO3(s) + 7Al(s) + B2O3(s) + 1.5Fe2O3(s) → TiB2(s) + 3Al2O3(s) + 4Fe(s) (2.2) FeTiO3(s) + 8Al(s) + B2O3(s) + 2Fe2O3(s) → TiB2(s) + 4Al2O3(s) + 5Fe(s) (2.3)

ตารางท 2.5 ปรมาณสารตงตนทใชในสมการท (2.2) – (2.3)

ระบบ FeTiO3-7Al- B2O3-1.5Fe2O3



ระบบ FeTiO3-8Al- B2O3-2Fe2O3



2.3.5.1 กจกรรมท 1 : การเตรยมชนงาน





53



2.3.5.3.2 ตดตงทอโลหะทเครองหมนเหวยง และขนเกลยวปากจบ 3 หวใหแนน 2.3.5.3.3 คอย ๆ ปรบความเรวรอบ 2250 rpm 2.3.5.3.4 ปรบแกสอะซทลนใหไดเปลวความรอนตามตองการ น าเปลวไฟจอยง




2.3.6 การทดสอบความแขงของผวเคลอบวสดผสม การทดสอบความแขงโดยวธ Vicker hardness test มขนตอนดงน

2.3.6.1 ตดทอชนงานใหมความหนา 1 cm เพอใหเหนภาคตดขวางของชนผวเคลอบทอโลหะของชนงานตวอยาง และเตรยมชนงานตวอยางโดยการขดผวหนาใหเรยบดวยใบขดซลกอนคารไบด (SiC) โดยขดเรยงล าดบจากเบอรหยาบ ไปถงถงเบอรละเอยดตามล าดบ ดวยเครองขดแบบจานหมน 2.3.6.2 ท าความสะอาดดวยน าเปลาและเปาลมใหชนงานขดแหงสนท เพอปองกนการเกดสนมเหลก 2.3.6.3 น าไปทดสอบความแขง โดยมสภาวะทใชทดสอบดงน น าหนกกด = 100 kgf เวลากดแช = 10 วนาท ก าลงขยายในการวดรอยกด 100 เทา จ านวนจดกด 10 จด ชนดหวกดเปนเพชรรปทรงสเหลยมปรามดมมมปลายแหลม 136 องศา

54

2.3.6.44 การหาคาความแขงแบบวกเกอร (HV) ค านวณตามสมการท 2.4

MPad

FHV

2

1891.0 (2.4)

เมอ d = เสนทแยงมมของรอยกด = (d1 + d2)/2 (mm) F = แรงทใชกด (N)

55

2.4 ขนตอนการด าเนนการวจยโดยสรป

ส าหรบวธการวจยและขนตอนตาง ๆ แสดงไวในรปท 2.7 ถงรปท 2.11

การทดลองท 1

รปท 2.9 ขนตอนการสงเคราะหเคลอบผวภายในทอโลหะโดยวธใชเปลวไฟทอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองอณหภมสงรวมกบเทคนคหมนเหวยงหนศนยกลาง

ระบบ : FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3

บดผสมดวยลกบอลเปนเวลา 1 ชวโมง

จดระเบดการสงเคราะหผวเคลอบดวยเปลวไฟ

Oxy-acetylene เพอเรมปฏกรยา SHS-centrifugal

ตดตงทอโลหะเขากบชดปากจบแกน

มอเตอรของเครองหมนเหวยง

บรรจผงสารตงตนลงในทอโลหะ

ปรบระดบความเรวรอบของแกนมอเตอรถง

ระดบ 1500 rpm

ตดทอโลหะทสงเคราะหยาวประมาณ 1 cm ตรวจสอบ

ลกษณะเฉพาะ (SEM และ Hardness)

56


รปท 2.10 ขนตอนการสงเคราะหเคลอบผวภายในทอโลหะโดยวธใชเปลวไฟทอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองสงรวมกบเทคนคหมนเหวยงหนศนยกลาง ทความเรวรอบตางกน









ระดบ 1500 1750 2000 และ 2250 rpm



57


รปท 2.11 ขนตอนการสงเคราะหเคลอบผวภายในทอโลหะโดยวธใชเปลวไฟทอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองสงรวมกบเทคนคหมนเหวยงหนศนยกลาง ทเวลาบดละเอยด FeTiO3 ตางกน

บดเชงกล FeTiO3 1 2 3 ชวโมง











ลกษณะเฉพาะ (LPSA SEM และ Hardness)

58


รปท 2.12 ขนตอนการสงเคราะหเคลอบผวภายในทอโลหะโดยวธใชเปลวไฟทอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองสงรวมกบเทคนคหมนเหวยงหนศนยกลาง ในระบบเตมปรมาณ CaF2 ตางกน

เตม CaF2 รอยละ 1 3 5











ลกษณะเฉพาะ (SEM XRD และ Hardness)

59


รปท 2.13 ขนตอนการสงเคราะหเคลอบผวภายในทอโลหะโดยวธใชเปลวไฟทอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองสงรวมกบเทคนคหมนเหวยงหนศนยกลาง ในระบบอตราสวนผสมตางกน

ระบบท 1 : FeTiO3+7Al+B2O3+1.5Fe2O3

ระบบท 2 : FeTiO3+8Al+B2O3+2Fe2O3











60

บทท 3

ผลและวเคราะหผลการทดลอง ผลการวจยในครงนแบงออกเปน 3 สวน คอ สวนแรกเปนผลการค านวณและวเคราะหทางอณหพลศาสตรของการเกดปฏกรยาการกาวหนาดวยตวเองทอณหภมสงดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง สวนทสองเปนการศกษาเกยวกบการสงเคราะหผวเคลอบวสดผสมภายในทอโลหะ โดยศกษาผลกระทบระดบความเรวหมน เวลาการบดของ FeTiO3 การเตม CaF2 และอตราสวนผสมของสารตงตน และสวนสดทายเปนการศกษาสมบตเชงกลของผวเคลอบวสดผสมคอ ความแขง 3.1 ผลจากการวเคราะหทางอณหพลศาสตร ในการวเคราะหอาศยหลกการพลงงานกบสต าทสด (Gibbs energy minimization) ในการค านวณความเขมขนสมดล (Equilibrium concentration) ของสารผลตภณฑทผานกระบวนการของปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง (Gokcen et al. 1996) พฒนาการของการกอรปของสาร ค านวณจากการลดลงของบรรยากาศซงเปนฟงกชนในชวงอณภมระหวาง 0 ถง 3000 °C และในการค านวณสมมตใหเปนสภาวะแกสอดมคต (ideal gas) และการผสมของแกสอดมคต และเฟสควบแนน (Condence phase) เปนเฟสบรสทธ พลงงานกบสรวมของระบบ สามารถแสดงไดดงสมการท 3.1

gas condensed

ii

o

i

solution

i

o

iii

o

iiRTxRTgngnPRTgnG )lnln()ln( (3.1)

เมอ G คอ พลงงานกบสรวมของระบบ gi° คอ โมลารมาตรฐานของพลงงานกบสของสาร i ทคาความดนและอณหภม ni คอ จ านวนโมลของสาร i γi คอ สมประสทธแอควตของสาร i

61

ปฏกรยาเคมโดยรวมของการวจยหลก แสดงไวดงสมการ (3.2) FeTiO3 + 6Al + B2O3 + Fe2O3 → TiB2 + 3Al2O3 + 3Fe, Tad = 3105.5ºC (3.2)

จากสมการปฏกรยา (3.2) นนสามารถค านวณหาอณหภมแอเดยแบตกไดดวย โปรแกรม HSC Chemistry® ซงมคาเทากบ 3105.5°C (Outokumpu HSC chemistry® for windows, HSC 4.0) และจากหลกการ สธรรม 2552 ทกลาววาปฏกรยาของระบบการสงเคราะหสามารถเกดปฏกรยากาวหนาขนไดดวยตวเอง เมอเปนปฏกรยาคายความรอนทอณหภมแอเดยแบตกสงกวา 1800°C ซงจากการค านวณพบวา ระบบการสงเคราะหนมความเปนไปไดของการเกดปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง

ระหวางการเกดปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสงของ FeTiO3 Al B2O3 และ Fe2O3 มอนตรกรยา (Interaction) ระหวางกนเพอใหมการกอรปของสารประกอบทมความเปนไปไดโดยปฏกรยาในขนตอนระหวางกลาง (Intermediate) นนสามารถค านวณไดดวยการอาศยพนฐานการค านวณและคาดความคะเนความเปนไปไดของปฏกรยาจากโปรแกรม HSC chemistry® ซงสามารถแสดงไดดงสมการ (3.3) - (3.5)

FeTiO3 + 4Al + B2O3 → TiB2 + 2Al2O3 + Fe, Tad = 2919.8ºC (3.3) FeTiO3 + 7Al + B2O3 + 1.5Fe2O3 → TiB2 + 3.5Al2O3 + 4Fe, Tad = 3208.4ºC (3.4) FeTiO3 + 8Al + B2O3 + 2Fe2O3 → TiB2 + 4Al2O3 + 5Fe, Tad = 3284.0ºC (3.5)

จากรปท 3.1 แสดงใหเหนวามความเปนไปไดในทางอณหพลศาสตรทจะสงเคราะหวสดผสมในระบบ FeTiO3 + Al + B2O3 + Fe2O3 โดยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสงจะเรมกอรปทอณหภมหลอมเหลวของ Al ซง Al จะไปลดรป FeTiO3 B2O3 และ Fe2O3 กอเปนรป Al2O3 แตถาหากในระบบม B อสระอยจะไปจบตวกบ Ti กอรปเปน TiB2 สวน Fe อสระจะจบตวกบ Al อสระกอรปเปน FeAl จงท าใหปฏกรยาโดยรวมมพลงงานกบสทต าลง

62

รปท 3.1 ความสมพนธระหวางพลงงานกบสของปฏกรยาเคมในสมการท (3.2) - (3.4) ในชวงอณหภมระหวาง 0 - 3000°C (พนฐานจากการค านวณจากโปรแกรม HSC Chemistry®)

3.2 การศกษากระบวนการสงเคราะหผวเคลอบดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง เมอท าทดลองสงเคราะหชนผวเคลอบวสดผสมเหลกอะลมไนด - ไทเทเนยมไดบอไรด - อะลมนา (Fe3Al-TiB2-Al2O3) ส าหรบใชในการเคลอบผวทอโลหะโดยการอาศยการเกดปฏกรยาของสารตงตนในสภาวะหลอมเหลวขณะการกอรปของผลตภณฑทอณหภมสงในขณะทยงคงไดรบความเรวหมนของแรงเหวยงหนศนยกลางดวยระดบความเรวอยางสม าเสมอ ดงนนแรงเหวยงหนศนยกลางจงสงผลใหเฟสทกอรปเปนผลตภณฑเกดการแยกตวออกจากกนเปนชนโลหะผสมและชนเซรามก ซงทงนการแยกตวของชนผลตภณฑจะขนอยกบความหนาแนนของเฟสดวย เฟสทมความหนาแนนมากทสดจะถกเหวยงออกไปไกลทสดจนตดแนบกบผวทอโลหะ สวนเฟสทมความหนาแนนต ากวาจะอยในชนวงถดเขาในตามล าดบ (แสดงดงรปท 3.2 และ 3.3) ผลจากการทดลองวจยท าใหทราบวาการสงเคราะหชนเคลอบผวทตองอาศยความแรงเหวยงศนยกลางนนใหไดคณสมบตตามตองการ อาทเชน ความเรยบผวของชนเคลอบ ความแนนตวของชนผวเคลอบ ความหนาของชนผวเคลอบและปรมาณรพรน เปนตน ดงนนปจจยของตวแปรจงมผลตอชนผวเคลอบดวย เชน ปรมาณสารตงตน ระดบความเรวหมน สารตวเตมและเวลาบดละเอยดลดขนาดอนภาค เปนตน ปรมาณสารตงตนมผลตอความหนาของชนผวเคลอบทอโลหะทตางกน

-700

-550

-400

-250

-100 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Delta

G (k

J/mole

) Temperature (ºC)

Eq.3.2 Eq.3.3

Eq.3.4 Eq.3.4

63

ถาหากตองการความหนาชนผวเคลอบมากจะตองใชปรมาณสารตงตนทเพมมากขนดวย อตราสวนโมลมผลตอปรมาณความหนาของชนผวเคลอบวสดผสม ซงทงนทงนนขนอยกบความตองการของชนผวเคลอบตองค านงถงดวยวาตองการใหชนเคลอบผววสดทไดจากการสงเคราะหนนมปรมาณของเฟสสารประกอบเชงโลหะหรอเซรามกมากกวากน

รปท 3.2 แผนภาพจ าลองการกอรปของเฟสผลตภณฑชนผวเคลอบ Fe3Al - TiB2 - Al2O3 ในขณะเกดปฏกรยาการกาวหนาดวยตวเองทอณหภมสงรวมกบเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง

รปท 3.3 แบบจ าลองภาพตดขวางชนงานสงเคราะหของชนผวเคลอบวสดผสมเหลกและอะลมนาภายในทอโลหะประกอบดวย (a) ทอโลหะ (b) ชนผวเคลอบสารโลหะเชงประกอบ Fe3Al-TiB2 และ (c) ชนผวเคลอบเซรามก Al2O3

(a)

(b)

(c)

64

3.3 การศกษาระดบความเรวรอบของแรงเหวยงหนศนยกลาง จากการศกษาผลของการสงเคราะหชนผวเคลอบภายในทอโลหะในระบบการสงเคราะหของสารตงตน FeTiO3 + 6Al + B2O3 + Fe2O3 ทระดบความเรวรอบของแรงเหวยงหนศนยกลางตางกน 4 ระดบ คอ 1500 1750 2000 และ 2250 rpm ชนผวเคลอบทไดจะมความหนาประมาณ 2 - 3 mm ทงนความหนาของชนผวเคลอบสงเคราะหจะขนอยกบปรมาณสารตงตน ความยาวของทอโลหะทท าการสงเคราะห และความเรวรอบ ซงลกษณะชนผวเคลอบของเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al - TiB2 และเฟสเซรามก Al2O3 จะเกดการแยกตวของระหวางชนของเฟสผวเคลอบแปรผนตามความเรวรอบของแรงเหวยงหนศนยกลางและความหนาแนนของเฟสดงกลาว 3.3.1 ผลวเคราะหของโครงสรางจลภาค ดงนนระดบความเรวรอบของแรงเหวยงหนศนยกลางมสวนส าคญตอการกระจายตวและการแยกตวของชนผวเคลอบเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al - TiB2 และเฟส Al2O3 เมอความเรวรอบของการหมนเพมขนจะท าใหเฟสหนกทมความหนาแนนมากถกเหวยงตวออกไปไกลจากศนยกลางมากขน ดงรปท 3.4 (a) ระดบความเรวรอบต าสด 1500 rpm เฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al - TiB2 และเฟส Al2O3 ยงไมสามารถแยกชนเฟสออกจากกนมากนก แตยงคงมการเกาะกลมจบตวอยรวมกนในเนอพนชนผวเคลอบสงเคราะหเดยวกน ยงฝงตวอยในบรเวณเนอพนของเฟส Al2O3 สวนทระดบความเรวรอบ 1750 และ 2000 rpm แสดงดงรปท 3.4 (a) - (c) ยงคงมรพรนถกกกไวภายในชนผวเคลอบดวย และระดบความเรวรอบสงสด 2250 rpm ดงรปท 3.4 (d) จะมการแยกตวของชนผวเคลอบเฟสสารประกอบเชงโลหะและเซรามกไดเพมขนและเหนการแยกชนอยางชดเจนกวาชนผวเคลอบทระดบความเรวรอบต า แตกยงคงมรพรนแทรกตวอยในชนผวเคลอบ

65

(a) (b)

(c) (d) รปท 3.4 ภาพแนวตดขวางของชนผวเคลอบ Fe3Al - TiB2- Al2O3 ภายในทอโลหะทไดจากการสงเคราะหทระดบความเรวรอบของแรงเหวยงหนศนยกลางตางกน (a) 1500 rpm (b) 1750 rpm (c) 2000 rpm และ (d) 2250 rpm ลกษณะของชนผวเคลอบทสงเคราะหไดยงคงมความพรนอยจงเปนขอดอยของการสงเคราะหชนผวเคลอบโดยวธการเกดปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง ทงนระดบความเรวรอบของแรงเหวยงหนศนยกลางจงเปนตวแปรหนงทมผลตอความเรยบของผวเคลอบ ความพรน การแยกเฟสของสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al - TiB2 และเฟส Al2O3 ทระดบความเรวรอบต าสด 1500 rpm ดงแสดงในรปท 3.5 พบวาการเกาะกลมจบตวกนของเฟสสารประกอบเชงโลหะและเซรามกอยรวมกนในเนอพนชนผวเคลอบสงเคราะหเดยวกน ซงตางกบชนผวเคลอบทความเรวรอบ 2000 rpm ดงแสดงในรปท 3.6 เฟสของสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al - TiB2 พยายามเคลอนตวเขาใกลกบผวทอไดมากขนแตกยงคงมเฟส Al2O3 แทรกอยระหวางกลางเชนกน เนองจากไมสามารถเคลอนทไดทนกอนทชนผวเคลอบจะเยนตวลง

Fe3Al-TiB2

Al2O3

Fe3Al-TiB2

Al2O3

Fe3Al-TiB2

Al2O3

Fe3Al-TiB2

Al2O3

66

จากรปท 3.5 และ 3.6 จะเหนไดวาชนผวเคลอบทสงเคราะหไดนนจะประกอบดวยเฟสของสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al - TiB2 และเฟส Al2O3 ปะปนกนอย บางบรเวณเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al - TiB2 กถกกกอยในบรเวณเนอพน Al2O3 และบางบรเวณเฟส Al2O3 แทรกกลางอยระหวางผวทอโลหะและเฟส Fe3Al - TiB2 ทงนเพอเปนผลการยนยนของชนผวเคลอบสงเคราะหโดยการวเคราะหการกระจายตวของธาตทเปนองคประกอบของการสงเคราะหชนผวเคลอบดวยเทคนค EDX แสดงดงรปท 3.7 พบวาผวเคลอบจะประกอบดวยอะลมเนยม (Al) มากทสด รองลงมาคอ ไทเทเนยม (Ti) และเหลก (Fe) สวนแมงกานส (Mn) ออกซเจน (O) และคารบอน (C) ทเจอปนมากบสนแร FeTiO3 ดงแสดงในรปท 3.7

รปท 3.5 ภาพโครงสรางจลภาคดานตดแนวขวางของชนผวเคลอบ Fe3Al - TiB2- Al2O3 ทระดบความเรวรอบ 1500 rpm บรเวณท 1 : ผวทอ และบรเวณท 2 : ชนผวเคลอบ รปท 3.6 ภาพโครงสรางจลภาคดานตดแนวขวางของชนผวเคลอบ Fe3Al - TiB2- Al2O3 ทระดบความเรวรอบ 2000 rpm บรเวณท 1 : ผวทอ และบรเวณท 2 : ชนผวเคลอบ

Al2O3 Fe3Al-TiB2

Al2O3 Fe3Al-TiB2

67

รปท 3.7 ผลการวเคราะหการกระจายคาพลงงานของธาต (EDX) ทกอรปขนหลงการสงเคราะหดวยวธ Centrifugal-SHS ของชนผลตภณฑชนผวเคลอบ Fe3Al - TiB2 - Al2O3 3.3.2 ผลตอการกอรปของเฟส ส าหรบผลการกอรปของเฟสผลตภณฑชนผวเคลอบสงเคราะห Fe3Al - TiB2 - Al2O3 ทระดบความเรวรอบตางกน จากขอมล XRD แสดงดงรปท 3.8 แสดงใหเหนการกอรปสารผลตภณฑประกอบดวยเฟสของเหลกอะลมไนด (Fe3Al) ไทเทเนยมไดบอไรด (TiB2) และอะลมนา (Al2O3) ปรมาณของสารผลตภณฑทไดจากการสงเคราะหสามารถค านวณเชงกงปรมาณแสดงดงตารางท 3.1 พบวาเฟสอะลมนามปรมาณการกอรปมากทสดและลอยตวอยในวงในสดของทอโลหะ และเฟสของไทเทเนยมไดบอไรดเปนสารประกอบทคอนขางมความเสถยรภาพทางอณหพลศาสตรทกอรปฝงตวอยในเฟสเหลกอะลมไนด อกทงยงชวยท าหนาทเปนตวเสรมแรงใหกบเฟสเหลกอะลมไนดอกดวย

Al

Fe Ti

Fe Mn O C Energy (KeV) 5 10 0

0

50

100

150

200

250 cps

68

ตารางท 3.1 ปรมาณองคประกอบของผลตภณฑจากการค านวณเชงกงปรมาณ

ระบบสารตงตน องคประกอบของผลตภณฑ (รอยละโดยนาหนก)

Al2O3 Fe3Al TiB2 FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3 84.17 2.79 13.04

รปท 3.8 ผลวเคราะหรปแบบการเลยวเบนดวยรงสเอกซของผลตภณฑในระบบ FeTiO3 + 6Al + B2O3 + Fe2O3

2-Theta

69

3.4 การศกษาผลกระทบของเวลาบดละเอยดของอลเมไนต (FeTiO3) ในระบบสารตงตน ผลขนาดอนภาคของ FeTiO3 ทเวลาบดละเอยดตางกน 1 2 และ 3 ชวโมง และลกษณะการกระจายตวของอนภาคตามเวลาในการบดทตางกนจะเหนไดวาขนาดของอนภาคจะเลกลง จากเสนผาศนยกลาง (dm) 7.302 ไมโครเมตร ถงเสนผาศนยกลาง 3.312 ไมโครเมตร แสดงดง รปท 3.9 และตารางท 3.2 ตามล าดบ

รปท 3.9 ความสมพนธระหวางขนาด และการกระจายตวของขนาดอนภาคดวยเลเซอร (LPSA) ทเวลาการบดละเอยดของ FeTiO3 ตางกน ตารางท 3.2 ขนาดเฉลยของอนภาคอลเมไนตทเวลาบดตางกน

เวลาของการบด (ชวโมง)

ปรมาตร (รอยละ) สวนเบยงเบนมาตรฐาน (µm)

ขนาดอนภาคเฉลย (µm)

1 100 7.302 8.287 2 100 4.013 5.125 3 100 3.312 3.828

0

1

2

3

4

0 20 40 60 80 100 120

Diffe

rent

ial V

olume

(%)

Particle Size (µm)

1 hr.

2 hr.

3 hr.

70

3.4.1 ผลของเวลาบดละเอยดของอลเมไนททมผลตอชนผวเคลอบทอโลหะ ผลจากการบดละเอยดลดขนาดของอนภาคสนแรอลเมไนต (FeTiO3) ทเวลาบดละเอยดตางกน เพอท าใหอนภาคของสารผสมตงตนมขนาดเลกลง มพนทผวสมผสระหวางกนของอนภาคเพมมากขน อกทงยงท าใหมพนทผวส าหรบการท าปฏกรยาระหวางอนภาคไดดและยงสงผลใหอณหภมของปฏกรยาสงขนดวย ดงนนลกษณะของการเกดปฏกรยาการเผาไหมของสารผสมตงตนจะมลกษณะทความรนแรงผนแปรกบเวลาการบดละเอยดของ FeTiO3 และขนาดทลดลงของอนภาคยงท าใหเกดการเกาะกลมรวมตวกนของอนภาคเฟส Fe3Al - TiB2 อยางหนาแนน เปนการลดชองระหวางอนภาคลงดวย การเกดลกษณะดงกลาวท าใหเฟส Fe3Al - TiB2 มความหนาแนนสงขน ท าใหชนผวเคลอบสงเคราะหจะมการแยกเฟสของ Fe3Al - TiB2 และ Al2O3 ไดเยอะขน แตกลบท าใหมรพรนภายในชนผวเคลอบมากขนดวย (ดงแสดงรปท 3.10 และ 3.11) ซงคาดวาเปนผลมากจากขณะการเตรยมการทดลองกอนทจะจดระเบดการเผาไหมของปฏกรยาสารผสมตงตนขณะทยงเกาะตวแนนเปนตวปลอกเคลอบอยภายในผวทอโลหะ เนองจากอนภาคมขนาดเลกจงสามารถรวมตวกนอยางหนาแนนแตอากาศทไมสามารถเคลอนทออกไดทนจงถงกกไวภายในของชนของสารผสมตงตนจงอาจเปนเหตผลทท าใหมปรมาณรพรนปรากฏอยภายในชนผลตภณฑผวเคลอบมาก

(a) (b) (c) รปท 3.10 ภาพแนวตดขวางของชนผวเคลอบ Fe3Al - TiB2- Al2O3 ภายในทอโลหะทไดจากการสงเคราะหระบบสารตงตน FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3 (ทเวลาการบดละเอยดของ FeTiO3 ตางกน) (a) 1 ชวโมง (b) 2 ชวโมง และ (c) 3 ชวโมง

Al2O3

Fe-Al-TiB2

Al2O3

Fe-Al-TiB2

Al2O3

Fe-Al-TiB2

71

(a) (b) (c)

รปท 3.11 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาดของผลตภณฑชนผวเคลอบทอโลหะในระบบสารตงตน FeTiO3 + 6Al + B2O3 + Fe2O3 (ทเวลาการบดละเอยดของ FeTiO3 ตางกน) (a) 1 ชวโมง (b) 2 ชวโมง และ (c) 3 ชวโมง

(a) (b) (c)

รปท 3.12 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาดของผลตภณฑชนผวเคลอบสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al - TiB2 ในระบบสารตงตน FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3 (ทเวลาการบดละเอยดของ FeTiO3 ตางกน) (a) 1 ชวโมง (b) 2 ชวโมง และ(c) 3 ชวโมง

2000x

Pipe

Fe-Al-TiB2

Al2O3

Pipe

Fe-Al-TiB2

Al2O3

Pipe

Fe-Al-TiB2

Al2O3

2000x 2000x

6000x 6000x 6000x

72

จากรปท 3.12 เปนการเปรยบเทยบของขนาดเกรนไทเทเนยมไดบอไรด (TiB2) ฝงตวอยภายในบรเวณเนอพนของเหลกอะลมไนด (Fe3Al) ภายหลงจากการสงเคราะหชนผวเคลอบภายในทอโลหะ ซงเปนการแสดงผลการเปรยบเทยบเวลาการบดละเอยดของสนแร FeTiO3 ตางกน โดยชวโมงของเวลาการบดละเอยดเพมขนจะท าใหขนาดของอนภาค FeTiO3 มขนาดเลกลงเฉลยประมาณ 3.828 - 8.287 ไมโครเมตร (ตารางท 3.2) ดงนนอนภาคขนาดเลกของ Ti ทไดจาก FeTiO3 จะสามารถกระจายตวในบรเวณเนอพน Fe3Al ไดมากขน และยงท าใหมผวสมผสกนระหวางอนภาคเพมมากขนรวมถงการท าปฏกรยากบโบรอน (B) เพมมากขนดวย (ดงรปท 3.12 (a)) และทเวลาบด 2 และ 3 ชวโมง อนภาค Ti จะกระจายตวไดดในบรเวณกวาง แตจะกระจายตวกนเปนกลมใหญ (ดงรปท 3.12 (b) และ (c)) ประกอบกบความเรวรอบการหมนของแรงเหวยงหนศนยกลางทสงผลให TiB2 เคลอนทรวมตวกนในลกษณะดงกลาว 3.5 การศกษาการเตมแคลเซยมฟลออไรด (CaF2) การสงเคราะหผวเคลอบวสดผสมโลหะผสม Fe3Al - TiB2 - Al2O3 ภายในทอโลหะโดยเตม CaF2 โดยน าหนก ซงการเตม CaF2 เปนผลท าใหสารผสมตงตนขณะเกดปฏกรยาอยในสภาวะหลอมเหลวเกดการไหลตวไดดขน อกทงยงชวยก าจดสงแปลกปลอมออกมาอยในรปของ Slag กลาวโดย Xi และคณะ 2003 ซงจากผลการทดลองการสงเคราะหชนผวเคลอบทอโลหะวสดเหลกอะลมไนด - ไทเทเนยมไดบอไรด - อะลมนา ในระบบสารตงตน FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3 ทระดบความเรวรอบ 2250 rpm โดยเตม CaF2 รอยละ 1 3 และ 5 โดยน าหนกสารตงตน เมอเตม CaF2 มากขนจะสงผลใหอณหภมของปฏกรยาสงขน อกทงผวเคลอบทไดจะแสดงการแยกตวของเฟส Fe3Al - TiB2 และ Al2O3 ไดอยางชดเจนขน ดงแสดงในรปท 3.13

73

(a) (b)

(c) (d) รปท 3.13 ภาพแนวตดขวางของชนผวเคลอบ Fe3Al - TiB2- Al2O3 ภายในทอโลหะทไดจากการสงเคราะหระบบสารตงตน FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3 (ทระดบความเรวรอบ 2250 rpm และการเตมปรมาณ CaF2 โดยน าหนกตางกน) (a) รอยละ 0 (b) รอยละ 1 (c) รอยละ 3 และ (d) รอยละ 5 3.5.1 ผลวเคราะหของโครงสรางจลภาค ผลจากการศกษาการเตมแคลเซยมฟลออไรดทมผลตอการสงเคราะหชนผวเคลอบ Fe3Al - TiB2 - Al2O3 ภายในทอโลหะ พบวาแคลเซยมฟลออไรด (CaF2) มผลตอการเกดปฏกรยาการกอรปของเฟสผลตภณฑ Fe3Al-TiB2 และ Al2O3 ทอณหภมสง เนองจาก CaF2 ชวยใหสารผสมตงตนขณะการเกดปฏกรยาเผาไหมสามารถอยในสภาวะการหลอมเหลวไดนานมากขน ซงท าใหมผลตภณฑทหลอมเหลวมเวลาเพยงพอตอการแยกชนผวเคลอบระหวางเฟสสารประกอบชงโลหะและเซรามกไดมากขนประกอบกบทมการหมนดวยแรงเหวยงหนศนย ระดบความเรวรอบสงสด 2250 rpm จงท าใหมการกระจายตวขณะทเกดการแยกชนของเฟสทมความหนาแนนมากและนอยไดดขน ตามล าดบ ยงสงผลให TiB2 เกาะกลมรวมตวกนไดด ดงแสดงในรปท 3.14 (b)-(d) ทมการเตม CaF2 รอยละ 1-5 แสดงใหเหนผลของการเตมแคลเซยมฟลออไรดทมผลตอการแยกระหวาง

Al2O3

Fe-Al-TiB2

Al2O3

Fe-Al-TiB2

Al2O3

Fe-Al-TiB2

Al2O3

Fe-Al-TiB2

74

เฟสชนผวเคลอบไดมากขน ปรมาณรพรนนอยลง ผวเคลอบมความเรยบขน และจะเหนไดวาชนผวเคลอบและผวทอโลหะเรยงตวเปนชนตามล าดบ จะแบงออกเปน 3 ชนบรเวณชนบนสด คอ เฟส Al2O3 บรเวณชนกลาง คอ เฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 และชนลางสด คอ ผวทอโลหะ เมอเปรยบเทยบกบชนผวเคลอบสงเคราะหทไมเตม CaF2 ดงแสดงในรปท 3.14 (a) ซงยงคงมรพรนถกกกไวอยภายในชนผวเคลอบสงเคราะหและการแยกชนของเฟส Fe3Al-TiB2 และ Al2O3 สามารถยกชนไดนอยกวาชนผวเคลอบทมการเตม CaF2

(a) (b) รปท 3.14 ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาด แสดงลกษณะทางสณฐานวทยาของผวเคลอบในภาคตดขวางทระดบความเรวรอบ 2250 rpm เมอเตม CaF2 ตางกน (a) รอยละ 0 (b) รอยละ 1 (c) รอยละ 3 และ (d) รอยละ 5

Pipe

Al2O3

Fe3Al-TiB2

Pipe

Al2O3

Fe3Al-TiB2

75

(c) (d) รปท 3.14 (ตอ) ภาพถายจากกลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาด แสดงลกษณะทางสณฐานวทยาของผวเคลอบในภาคตดขวางทระดบความเรวรอบ 2250 rpm เมอเตม CaF2 ตางกน (a) รอยละ 0 (b) รอยละ 1 (c) รอยละ 3 และ (d) รอยละ 5 เมอท าการวเคราะหชนผวเคลอบ Fe3Al - TiB2 - Al2O3 ดวยเทคนค EDX พบวาการกอรปของผลตภณฑชนผวเคลอบบรเวณอนเตอรเฟสระหวางสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 กบผวทอโลหะ และบรเวณอนเตอรเฟสระหวางสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 กบ Al2O3 ดวยกน 3 บรเวณ คอ ชนผวเคลอบในระบบเตมแคลเซยมฟลออไรดรอยละ 3 โดยน าหนก วเคราะหบรเวณ 2 จด ดงแสดงในรปท 3.15 (a) และชนผวเคลอบในระบบเตมแคลเซยมฟลออไรดรอยละ 5 โดยน าหนก วเคราะหบรเวณ 1 จด ดงแสดงในรปท 3.15 (b)

(a) (b) รปท 3.15 แผนภาพจ าลองแสดงบรเวณจดทท าการวเคราะหกระจายคาพลงงานทกอรป (a) ชนงานเตม CaF2 รอยละ 3 วเคราะหบรเวณ 2 จด และ (b) ชนงานเตม CaF2 รอยละ 5 วเคราะหบรเวณ 1 จด

Fe3Al-TiB2

Al2O3

Pipe EDX-1

EDX-2 3% CaF2 Fe3Al-TiB2

Al2O3

Pipe EDX-3

5% CaF2

Al2O3

Fe3Al-TiB2

Pipe

Al2O3

Fe3Al-TiB2

Pipe

76

3.5.1.1 การวเคราะหกระจายคาพลงงาน (EDX) ของผลตภณฑชนผวเคลอบซงเตม CaF2 รอยละ 3 โดยนาหนก บรเวณท 1 : Fe3Al-TiB2 และ Pipe

ผลจากการวเคราะหดวยเทคนค EDX บรเวณจดท 1 คอ บรเวณอนเตอรเฟส

ระหวางสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 กบผวทอโลหะ พบวาบรเวณชนผวเคลอบนนม Ti กระจายตวอยในเนอพนของFe3Al และธาตอะลมเนยมแทรกตวอยบรเวณบางจดของเนอพนดวยเชนกน ดงแสดงในรปท 3.16

3.5.1.2 การวเคราะหกระจายคาพลงงาน (EDX) ของผลตภณฑชนผวเคลอบซงเตม CaF2

รอยละ 3 โดยนาหนก บรเวณท 2 : Al2O3 และ Fe3Al-TiB2 สวนการวเคราะหกระจายตวของธาตบรเวณจดท 2 ซงอยตรงแนวเชอมรอยตอ

ระหวางเฟสผลตภณฑเหลกอะลมไนด-ไทเทเนยมไดบอไรด (Fe3Al-TiB2) และอะลมนา ดงแสดงในรปท 3.17 พบวาเฟสผวเคลอบทงสองยดตดกนแนบไดสนท เฟสเหลกอะลมไนด-ไทเทเนยมไดบอไรด (Fe3Al-TiB2) ประกอบดวยเหลก (Fe) มากทสด รองลงมา คอ ไทเทเนยม (Ti) และโบรอน (B) กระจายอยเปนกลม โดยไทเทเนยมไดบอไรด (TiB2) มลกษณะผลกทรงรปสเหลยม สวนผวเคลอบของเฟสอะลมนาประกอบดวย อะลมเนยม (Al) และ ออกซเจน (O) ตามสตรโครงสรางของ Al2O3

3.5.1.3 การวเคราะหกระจายคาพลงงาน (EDX) ของผลตภณฑชนผวเคลอบซงเตม CaF2

รอยละ 5 โดยนาหนก บรเวณท 3 : Fe3Al-TiB2 และ Pipe การวเคราะหการกระจายของธาตบรเวณจดท 3 ของผลตภณฑชนผวเคลอบระบบ

CaF2 รอยละ 5 โดยน าหนก ซงแนวเชอมตอเชนเดยวกนกบจดท 1 ในรปท 3.18 พบวาบรเวณอนเตอรเฟสระหวางผวทอและชนผวเคลอบจะมอะลมเนยมแทรกอยระหวางกลางรอยตอ ซงสนนษฐานวาเมอเตมแคลเซยมฟลออไรด รอยละ 5 โดยน าหนก ท าใหปฏกรยาขณะกอรปผลตภณฑมอณหภมสง เปนผลใหลกษณะปฏกรยามความรนแรง จงท าให Al บางสวนทยงไมไดท าปฏกรยากบเฟสผลตภณฑอน ถกกกไวบรเวณอนเตอรระหวางผวทอโลหะและเฟสสารประกอบเชงโลหะ

77

รปท 3.16 ผลวเคราะหการกระจายคาพลงงานของธาต (EDX) ทกอรปขนหลงการสงเคราะหของชนผวเคลอบทอโลหะเมอเตมแคลเซยมฟลออไรด รอยละ 3 โดยน าหนก ในบรเวณรอยเชอมตอระหวางผวทอและเฟส Fe3Al-TiB2 (a) แสดงปรมาณของธาต และ (b) แสดงลกษณะการกระจายตวของธาต (หมายเหต : บรเวณสสวางคอบรเวณทมปรมาณของธาตนน ๆ กระจายตวอยมาก)

(a)

(b)

78

รปท 3.17 ผลวเคราะหการกระจายคาพลงงานของธาต (EDX) ทกอรปขนหลงการสงเคราะหของชนผวเคลอบทอเมอเตมแคลเซยมฟลออไรดรอยละ 3 โดยน าหนก ในบรเวณรอยเชอมตอเฟส Fe3Al-TiB2 และเฟส Al2O3 (a) แสดงปรมาณของธาต และ (b) แสดงลกษณะการกระตวของธาต (หมายเหต : บรเวณสสวางคอบรเวณทมปรมาณของธาตนน ๆ กระจายตวอยมาก)

(a)

(b)

79

รปท 3.18 ผลวเคราะหการกระจายคาพลงงานของธาตทกอรปขนหลงการสงเคราะหของชนผวเคลอบทอโลหะเมอเตม CaF2 รอยละ 5 โดยน าหนก ในบรเวณรอยเชอมตอระหวางผวทอและเฟส Fe3Al-TiB2 (a) แสดงปรมาณของธาต และ (b) แสดงลกษณะการกระตวของธาต (หมายเหต : บรเวณสสวางคอบรเวณทมปรมาณของธาตนน ๆ กระจายตวอยมาก

(a)

(b)

80

3.5.2 ผลของระบบสารตงตนตอการกอรปของเฟสผลตภณฑ เพอเปนการเปรยบเทยบการสงเคราะหวสดผสมในระบบสารตงตน FeTiO3 + 6Al + B2O3 + Fe2O3 เมอมการเตมแคลเซยมฟลออไรด (CaF2) ลงในระบบสารตงตนเพอเปนตวชวยใหสารตงตนขณะเกดปฏกรยาอยสภาวะของเหลวใหมการไหลไดดและยงชวยก าจดสงแปลกปลอมออกจากเนอผวเคลอบ และไมท าปฏกรยากอรปผลตภณฑอน จงท าการวเคราะหสารประกอบของธาตดวยเทคนค XRD ซงประกอบดวยสนแรอลเมไนต (FeTiO3) อะลมเนยม (Al) โบรอนออกไซด (B2O3) เหลกออกไซด (Fe2O3) และแคลเซยมฟลออไรด (CaF2) และปรมาณของสารตงตนทไดจากการค านวณกงปรมาณดงแสดงในตารางท 3.3

รปท 3.19 รปแบบการเลยวเบนของรงสเอกซของสารตงตนในระบบ FeTiO3 + 6Al + B2O3 + Fe2O3

เตม CaF2

ตารางท 3.3 ปรมาณองคประกอบของสารตงตนจากการค านวณเชงกงปรมาณ ในระบบ FeTiO3 + 6Al + B2O3 + Fe2O3 เตม CaF2

ระบบสารตงตน องคประกอบของสารตงตน (รอยละโดยนาหนก) FeTiO3 Al B2O3 Fe2O3 CaF2 FeTiO3+Al+B2O3+Fe2O3+CaF2 28.49 27.37 3.90 29.94 12.30

81

ผลจากการศกษาองคประกอบของผลตภณฑชนผวเคลอบภายในทอโลหะ ในรปท 3.20 แสดงใหเหนการกอรปของสารผลตภณฑซงประกอบดวยเฟสของเหลกอะลมไนด (Fe3Al) ไทเทเนยมไดบอไรด (TiB2) และอะลมนา (Al2O3) และปรมาณของสารตงตนทไดจากการค านวณกงปรมาณดงแสดงในตารางท 3.4 เหนไดผลตภณฑของชนผวเคลอบหลงการสงเคราะหจะพบวาเกดเฟสอะลมนามากทสด รองลงมาคอไทเทเนยมไดบอไรด และเหลกอะลมไนด

รปท 3.20 รปแบบการเลยวเบนของรงสเอกซของชนผลตภณฑผวเคลอบวสดผสมของ Fe3Al - TiB2

- Al2O3 ในระบบสารตงตน FeTiO3 + 6Al + B2O3 + Fe2O3 เตม CaF2 ตารางท 3.4 ปรมาณองคประกอบของผลตภณฑจากการค านวณเชงกงปรมาณ

ระบบสารตงตน องคประกอบของผลตภณฑ (รอยละโดยนาหนก)

Al2O3 Fe3Al TiB2 FeTiO3+Al+B2O3+Fe2O3+CaF2 88.63 1.46 9.90

82

3.6 ผลของอตราสวนผสมสารตงตน ผลการทดลองสงเคราะหเคลอบผวทอโลหะทอตราสวนผสมของสารตงตนทง

สองระบบ คอ ระบบ FeTiO3 + 7Al + B2O3 + 1.5Fe2O3 และระบบ FeTiO3 + 8Al + B2O3 + 2Fe2O3

โดยเตมแคลเซยมฟลออไรด รอยละ 1 โดยน าหนกเขาไปในระบบ เพอชวยใหผลตภณฑในสภาวะ

หลอมเหลวสามารถไหลตวไดดขน ซงจะเหนไดวาการเปลยนแปลงอตราสวนโมลของสารตงตนท

เปนประเภทออกไซดและอะลมเนยมเพมขนสงผลใหอณหภมการเกดปฏกรยาเพมสงขนดวย อกทง

จดหลอมเหลวของทอโลหะทใชในการทดลองเปนอกขอจ ากดหนงของการทดลอง เนองจากจด

หลอมเหลวของทอโลหะทใชทดลองนนมอณหภมต ากวาอณหภมการเกดปฏกรยาของสารตงตน

ขณะระหวางเกดปฏกรยาท าใหทอโลหะรอนแดงเสยรปทรงในลกษณะของการยบตวหรอบดเบยว

ดงรปท 3.21 และ 3.22

รปท 3.23 แสดงชนเคลอบผวทอแนวตดขวางบรเวณทยงไมเสยรปทรงมาท าการ

วเคราะห จะเหนไดวาระบบสารตงตนทมปรมาณเหลก (Fe) และอะลมเนยม (Al) เพมขนจะม

ปรมาณการกอรปเฟสผลตภณฑของเหลกอะลมไนด (Fe3Al) - ไทเทเนยมไดบอไรด (TiB2) เพมขน

เชนกน แตยงคงเกดรพรนขนและมเฟสอะลมนา (Al2O3) แทรกตวอยบรเวณรอยเชอมตอระหวางผว

ทอและเฟส Fe3Al อกดวย สนนษฐานไดวาเฟสอะลมนาและรพรนไมสามารถลอยตวและถกก าจด

ออกจากเฟสทมความหนาแนนไดกอนทผลตภณฑจะเยนตวและเมอแขงตวลงจงท าใหเกด

ขอบกพรองของชนผวเคลอบดงกลาวแสดงในรปท 3.24

83

รปท 3.21 ลกษณะทอโลหะหลงการสงเคราะหทเสยรปทรง

รปท 3.22 ภาพแสดงบรเวณชนผวเคลอบผลตภณฑบรเวณททอเสยรปทรง

บรเวณทเกดการเสยรป

ผวเคลอบหลดรอนบรเวณทอ

ทเสยรปเนองจากความรอน

84

(a) (b) รปท 3.23 ภาพแนวตดขวางของชนผวเคลอบทอโลหะทไดจากการสงเคราะหทระบบสารตงตนตางกน (a) FeTiO3 + 7Al + B2O3 + 1.5Fe2O3 และ (b) FeTiO3 + 8Al + B2O3 + 2Fe2O3 (ทระดบความเรวรอบ 2250 rpm และเตม CaF2 รอยละ 1 โดยน าหนก)

(a) (b) รปท 3.24 ภาพถายจากลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาดของผลตภณฑในอตราสวนโมล ของสารตงตนทตางกน (a) FeTiO3 + 7Al + B2O3 + 1.5Fe2O3 และ (b) FeTiO3 + 8Al + B2O3 + 2Fe2O3

Fe3Al-TiB2

Al2O3

Fe3Al-TiB2

Al2O3

Pipe Pipe

Fe3Al-TiB2 Fe3Al-TiB2

Al2O3 Al2O3

85

จากรปท 3.25 เปนการเปรยบเทยบขนาดเกรนของเฟสไทเทยมไดบอไรด (TiB2) ทกระจายตวท าหนาทเสรมแรงใหกบเฟสเหลกอะลมไนด (Fe3Al) ในระบบสารตงตนFeTiO3 + 7Al + B2O3 + 1.5Fe2O3 และ FeTiO3 + 8Al + B2O3 + 2Fe2O3 จะเหนไดวา เกรนของไทเทยมไดบอไรด (TiB2) ของทงสองระบบมลกษณะเปนรปทรงสเหลยมทมขนาดเลกและใหญปะปนกน ซงใน FeTiO3 + 7Al + B2O3 + 1.5Fe2O3 หากดในภาพรวมของไทเทยมไดบอไรด (TiB2) จะกระจายอยทว ๆ ในเนอพนของเฟสเหลกอะลมไนด แตไทเทยมไดบอไรด ในระบบ FeTiO3 + 8Al + B2O3 + 2Fe2O3 จะมลกษณะเกาะกลมกนเปนสวนใหญ อาจเปนเพราะอณหภมและการหมนดวยความเรวรอบทสงจงเปนผลให ไทเทยมไดบอไรดเกาะกลมรวมตวกนไดด

รปท 3.25 ภาพถายจากลองจลทรรศนอเลกตรอนแบบสองกวาดแสดงขนาดของเกรนของ TiB2 ในระบบสดสวนสารตงตนทตางกน (a) FeTiO3 + 7Al + B2O3 + 1.5Fe2O3 และ (b) FeTiO3 + 8 Al + B2O3 + 2Fe2O3

(a) (b)

2000x

Fe3Al

TiB2 Fe3Al

TiB2

2000x

4000x

TiB2

Fe3Al

4000x

TiB2

Fe3Al

86

3.7 ผลการทดสอบความแขงจลภาค ชนผวเคลอบสงเคราะหภายในผวทอโลหะประกอบดวย 2 เฟส คอ เฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al กบสวนเสรมแรง TiB2 และเฟสเซรามก Al2O3 ทดสอบความแขงจลภาคแตละเงอนไขของการสงเคราะหผวเคลอบ ซงจะแบงออกเปน 2 สวน คอ กราฟความแขงของเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 และกราฟความแขงเฟส Al2O3 จากรปท 3.26 - 3.29 แสดงกราฟคาความแขงของเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 ของความเรวรอบของการแรงเหวยงหนศนยกลาง การเตมแคลเซยมฟลออไรด (CaF2) และอตราสวนผสมของสารตงตนตางกน แตเมอท าการบดละเอยดลดขนาดของสนแรอลเมไนต (FeTiO3) ท าใหไทเทเนยมทอยในสนแร FeTiO3 มขนาดอนภาคเลกลงจงสามารถกระจายตวและท าปฏกรยากบโบรอนไดมากขน จงท าใหคาความแขงทจงเพงสงขนตามล าดบของเวลาการบดละเอยดของอลเมไนต ซงทเวลาการบดละเอยด 3 ชวโมง มคาความแขงเฉลยสงสด 688.6 HV และจากรปท 3.30 - 3.33 แสดงกราฟคาความแขงของเฟสเซรามก Al2O3 ของความเรวรอบของการแรงเหวยงหนศนยกลาง การบดละเอยดของสนแรอลเมไนต (FeTiO3) การเตมแคลเซยมฟลออไรด (CaF2) และอตราสวนผสมของสารตงตนตางกน มคาความแขงเฉลย 797.2 - 1391.9 HV

รปท 3.26 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 ทระดบความเรวรอบตางกน

0

200

400

600

800

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hard

ness

(HV)

Position

1500 rpm

1750 rpm

2000 rpm

2250 rpm

87

รปท 3.27 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 ทเวลาบดของ FeTiO3 ตางกน

รปท 3.28 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 ทการเตมปรมาณรอยละของ CaF2 ตางกน

0

200

400

600

800

1000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hard

ness

(HV)

Position

0 hr.

1 hr.

2 hr.

3 hr.

0

200

400

600

800

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hard

ness

(HV)

Position

0%

1%

3%

5%

88

รปท 3.29 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟสสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 ทอตราสวนผสมของสารตงตนตางกน

รปท 3.30 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟส Al2O3 ทระดบความเรวรอบตางกน

0

200

400

600

800

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hard

ness

(HV)

Position

1 : 6 :1 : 1

1 : 7 : 1 : 1.5

1 : 8 : 1 : 2

0

400

800

1200

1600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hard

ness

(HV)

Position

1500 rpm

1750 rpm

2000 rpm

2250 rpm

89

รปท 3.31 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟส Al2O3 ทเวลาบดของ FeTiO3 ตางกน

รปท 3.32 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟส Al2O3 ทการเตมปรมาณรอยละของ CaF2 ตางกน

0

400

800

1200

1600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hard

ness

(HV)

Position

0 hr.

1 hr.

2 hr.

3 hr.

0

500

1000

1500

2000

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hard

ness

(HV)

Position

0%

1%

3%

5%

90

รปท 3.33 กราฟแสดงความสมพนธระหวางต าแหนงบนชนงานและคาความแขงของชนผวเคลอบเฟส Al2O3ทอตราสวนผสมของสารตงตนตางกน

0

600

1200

1800

2400

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Hard

ness

(HV)

Position

1:6:1:1

1:7:1:1.5

1:8:1:2

91

บทท 4

บทสรปและขอเสนอแนะ 4.1 สรปผล โครงการวจยนเปนการศกษาและสงเคราะหของวสดผสมเหลกอะลมไนด -ไทเทเนยมไดบอไรด - อะลมนา ส าหรบเคลอบผวทอโลหะดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลางโดยอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง โดยตวแปรทท าการศกษา คอ ระดบความเรวรอบของแรงเหวยงหนศนยกลาง เวลาบด FeTiO3 ผลการของเตมแคลเซยมฟลออไรดในระบบสารตงตน อตราสวนผสม และท าการศกษาสมบตทางกายภาพและเชงกล คอ ความแขงจลภาค (Hardness) ผลของการศกษาสามารถสรปไดดงน 4.1.1 จากการทดลองในงานวจยน สามารถสงเคราะหวสดผสมเหลกอะลมไนด - ไทเทเนยมไดบอไรด - อะลมนา (Fe3Al - TiB2 - Al2O3) ส าหรบเคลอบผวทอโลหะดวยเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลางโดยอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสง โดยใชสารตงตนทมโมล ของอะลมเนยม (Al) และเหลกออกไซด (Fe2O3) ตางกน ในสามระบบ คอ ระบบท 1 : อลเมไนต (FeTiO3) + อะลมเนยม (6Al) + โบรอนออกไซด (B2O3) + เหลกออกไซด (Fe2O3) ระบบท 2 : อลเมไนต (FeTiO3) + อะลมเนยม (7Al) + โบรอนออกไซด (B2O3) + เหลกออกไซด (1.5Fe2O3) ระบบท 3 : อลเมไนต (FeTiO3) + อะลมเนยม (8Al) + โบรอนออกไซด (B2O3) + เหลกออกไซด (2Fe2O3) 4.1.2 การสงเคราะหชนผวเคลอบวสดผสมวสดผสมเหลกอะลมไนด - ไทเทเนยมไดบอไรด - อะลมนา (Fe3Al - TiB2 - Al2O3) โดยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสงรวมกนกบเทคนคการหมนเหวยงหนศนยกลาง ซงในขณะทสารตงตนหลอมละลายรวมเขาดวยกน สวนท

92

เปนผลตภณฑโลหะผสมทมความหนาแนนมากกวาจะถกเหวยงไปแนบตดกบผวทอดานในสด และเฟสทมความหนาแนนนอยจะถกผลกใหออกมาอยในชนผวเคลอบดานนอก 4.1.3 ระดบความเรวรอบของแรงเหวยงหนศนยกลางทเพมขน (1500 1750 2000 และ 2250 rpm) ระดบความเรวรอบทเพมมากขนสงผลใหการแยกเฟสของชนผวเคลอบ ความเรยบและความหนาแนนไดดขน ตลอดปรมาณรพรนของชนผวเคลอบทลดลง ตามล าดบ 4.1.4 เวลาบดละเอยดลดขนาดอนภาคของ FeTiO3 ทเพมขน (0 1 2 และ 3 ชวโมง) ท าใหอนภาคของ FeTiO3 มขนาดเลกลง มผวสมผสและการกระจายตวของอนภาคเพมขน 4.1.5 เตมแคลเซยมฟลออไรด (CaF2) ในระบบสารตงตน (ปรมาณรอยละ 0 1 3 และ 5 โดยน าหนก) เพอท าใหสารตงตนในขณะทเกดการหลอมเหลวสามารถไหลตวแยกชนการกอรปของเฟสผลตภณฑไดมากขน และชวยก าจดสงแปลกปลอมออกจากผลตภณฑชนผวเคลอบ 4.1.6 คาความแขงของชนผวเคลอบสารประกอบเชงโลหะ Fe3Al-TiB2 จะมคาเฉลยสงสด คอ 688.6 HV ทเงอนไขเวลาบดละเอยดของ FeTiO3 เปนเวลา 3 ชวโมง และคาความแขงของชนผวเคลอบเซรามก Al2O3 จะมคาเฉลยสงสด คอ 1391.9 HV ทเงอนไขระบบสารตงตน FeTiO3 + 8Al + B2O3 + 2Fe2O3 เตม CaF2 รอยละ 1 4.2 ขอเสนอแนะ 4.2.1 อตราสวนผสมสารตงตนทมโมลของอะลมเนยม (Al) และเหลกออกไซด(Fe2O3) เพมขน ท าใหอณหภมของปฏกรยาเพมสง ความรอนจะของปฏกรยาทสงถายไปยงทอโลหะจนทอมลกษณะทรอนแดงจนเกดการเสยรป ขณะเกดปฏกรยาของสารตงตนจนมเปลวไฟพงออกจากทอโลหะอยางรนแรงไมปลอดภย ดงนนระบบอตราสวนผสมของสารตงตนทเหมาะสมแกการสงเคราะหเคลอบผวทอโลหะจงควรค านงและพจารณาถงอณหภมแอเดยแบตกและอณหภมจดหลอมเหลวของทอโลหะทใชทดลองดวย 4.2.2 การตดตงทอโลหะเขากบเครองใหแรงเหวยงหนศนยกลาง ควรขนนอต บรเวณปากจบใหแนนเพอปองกนการหลดเหวยงออกจากตวปากจบขณะทตวเครองยงมการคงท างานอย เมอมการปรบแรงหมนเหวยงเพมขนยอมเกดความไมปลอดภยสงขนดวย 4.2.3 เนองจากการสงเคราะหผวเคลอบทอโลหะโดยอาศยปฏกรยากาวหนาดวยตวเองทอณหภมสงรวมกบเทคนคแรงเหวยงหนศนยกลาง ภายในชนผวเคลอบยงคงเกดรพรนดงนนขณะการทดลองจงควรใหระยะเวลาการสงเคราะหทสม าเสมอ

93

บรรณานกรม

สธรรม นยมวาส. (2552), การสงเคราะหวสดอนทรย, หนวยโสตทศนศกษา คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยสงขลานครนทร., สงขลา.

ธวช ชนะด. (2553), การสงเคราะหและศกษาคณลกษณะของวสดผสมไทเทเนยมไดบอไรด – ม ล ไ ล ต โ ด ย ก ร ะ บ ว น ก า ร SHS, ว ท ย า น พ น ธ ม ห า บ ณ ฑ ต มหาวทยาลยสงขลานครนทร., สงขลา.

Gokcen, N.A., and Reddy, R.G. (1996). Thermodynamics, Plenum Press., New York. Shahbahram, B., Maamoori, R., and Ehsani, N. (2007). “Self-spreading high-temperature

synthesis of TiB2 Powder.” Mater. Sci. Poland., 25(3), 719-731. Will, G. (2004). “Electron deformation density in titanium diboride chemical bonding in TiB2.”

J.Solid.State.Chem., 177, 628-631. Niyomwas, S., Chaichana, N., Memongkol, N., and Wanasin, J. (2008). “The effect of milling

time on the synthesis of titanium diboride powder by self-propagating high temperature synthesis.” Songklanakarin J. Sci Tecnol., 30(2), 233-238.

Moore, J., and Feng, H. (1995). Combustion synthesis of advanced materials: Part I reaction parameter. Prog. Matter. Sci., 39, 243-273.

Niyomwas, S. (2010). “Preparation of aluminum reinforced with TiB2-Al2O3-FexAly composites derived from natural ilmenite.” Int. J. Self. Prog. High. Temp. Synth., 19, 2, 150- 156.

Pignocco, A., and Kachik, R. (1978). “Refractory lined cylindrical article”. United State Patent., 19, 4, 117, 868.

Odawara, O. (1982). “Method for providing ceramic lining to a hollow body by thermit reaction”. United State Patent., 19, 4, 363, 832.

Puszynzki, J., Miao S., Stefanssin, B., and Jagarlanmudi, S. (1997). “In-situ densification of combustion synthesized coating.” Ceram. Proc., 43(11A), 2751-2759.

Hua, W., Cheng, L., and Lianbo, W. (1999). “Technological design of metal/ceramic composite tubes.” Mater. Design., 20, 229-232.

94

Xi, W., Yin, S., and Lai, H. (2003). “Microstructure and mechanical properties of stainless steel produced by centrifugal-SHS process.” J. Mater. Proc. Technol., 137, 1–4.

Du, Z., Fu, H., and Xiao, Q. (2005). “A study of ceramic-lined compound copper pipe produced by SHS–centrifugal casting.” Mater. Letts., 59, 1853-1858.

Menga, Q., Chen, S., Zhao, J., Zhang, H., Zhang, H., and Munir, Z. (2007). “Microstructure and mechanical properties of multilayer-lined composite pipes prepared by SHS centrifugal-thermite process.” Mater. Sci. Eng., 456, 332-336.

Niu, L., Xu, Y., and Wang, X. (2010). “Fabrication of WC/Fe composite coating by centrifugal plus in-situ synthesis techniques.” Surf. Coat. Tech., 205, 551-5.

Antsiferove, V.N., Cherepanova, T.G., and Gubareva, E.M. (1997). “Effect of calcium fluoride upon the structural heterogeneity of sintered chromium – molybdenum steels.” Plenum Publishing Co., New York, 7(175), 81-85.

Fathi, H., Johnsons, A., Noort, R.V., and Ward, J.M. (2005). “The influence of calcium fluoride (CaF2) on biaxial flexural strength of apatite-mullite glass-ceramic materials.” Dent. Mate ., 21, 846-851.

Karmarkar, S.O. (1991). “Centrifugal casting of composites”. United State Patent., 19, 5, 025, 849.

Kumar, S., Subramaniya Sarma, V., Murty, B.S. (2010). “Functionally graded Al alloy matrix in- situ composite.” Metal. and Mater. Trans. 41, 242-254.

Momentive Performance Materials Inc. (2006). “Ceramics.” Titanium Diboride Powder, <http:// www.monmentive.com/momentiveInternetDoc/Internet/Static%20Files/Docume nt4%20Color%20Brochures/81510.pdf> (Jul. 8, 2008)

Watanabe, Y., Watanabe, S., and Matsuura, K. (2004). “Nickel-aluminide/steel clad pipe fabricated by reactive centrifugal casting method from liquid aluminium and solid nickel.” Matall. Mater. Trans. A., 35, 1517-1524.

Lee, J., Le, M., and Chung, H.S. (2007). “Physical properties of ceramic layer prepared by SHS in centrifugal Field.” Mater. Trans., 48(11), 2960-2963.

95

Fedorchenko, I.M., Shevchuk, Yu.F., Miroshnikov, V.N., and Borisenko, V.A. (1976). “Elevated-temperature mechanical properties of sintered iron-base materials containing calcium fluoride additions.” Plenum Publishing Co., New York, 3(159), 96-101.

96

ภาคผนวก ก.

ขอมลดบส าหรบการทดลอง

97

ตารางการชงน าหนกสารตงตนในระบบตาง ๆ


Reactant FeTiO3 Al B2O3 Fe2O3 รวม Molar Ratio 1 6 1 1 7.7989

Wt, Ratio (g) 2.1797 2.3254 1.0000 2.2938 17.9512 Wt. (140 g) 39.1278 41.7442 17.9512 41.1770 140

ระบบ : FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3, เตม CaF2 รอยละ 1 โดยน าหนก

Reactant FeTiO3 Al B2O3 Fe2O3 CaF2 รวม Molar Ratio 1 6 1 1 - 7.7989

Wt, Ratio (g) 2.1797 2.3254 1.0000 2.2938 - 17.9512

Wt. (140 g) 39.1278 41.7442 17.9512 41.1770 1.4 141.4



Wt, Ratio (g) 2.1797 2.3254 1.0000 2.2938 - 17.9512

Wt. (140 g) 39.1278 41.7442 17.9512 41.1770 4.2 144.2



Wt, Ratio (g) 2.1797 2.3254 1.0000 2.2938 - 17.9512

Wt. (140 g) 39.1278 41.7442 17.9512 41.1770 7.0 147

98

ระบบ : FeTiO3+8Al+B2O3+2Fe2O3, เตม CaF2 รอยละ 1 โดยน าหนก Reactant FeTiO3 Al B2O3 Fe2O3 CaF2 รวม

Molar Ratio 1 8 1 2 - 10.8680

Wt, Ratio (g) 2.1797 3.1006 1.0000 4.5877 - 12.8819 Wt. (140 g) 28.0784 39.9416 12.8819 59.0982 1.4 141.4

ระบบ : FeTiO3+7Al+B2O3+1.5Fe2O3, เตม CaF2 รอยละ 1 โดยน าหนก Reactant FeTiO3 Al B2O3 Fe2O3 CaF2 รวม

Molar Ratio 1 7 1 1.5 - 9.3334

Wt, Ratio (g) 2.1797 2.7130 1.0000 3.4408 - 14.9999 Wt. (140 g) 32.6948 40.6946 14.9998 51.6106 1.4 141.4

99

ขอมลดบจากการวดคาความแขงของชนผวเคลอบเฟส Fe3Al-TiB2

ระบบ : FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3, ตวแปร : ความเรวรอบ (rpm)

ต าแหนง 1500 1750 2000 2250 ผวทอ 1 403.4 540 451.1 513.7 221.4 2 459.8 458.4 468.4 502.5 228.4 3 397.5 390.6 465.3 489.1 194.5 4 461.3 464.2 501.2 490.3 210.3 5 390.4 435.1 545.7 442.6 187.4 6 412.3 420.9 452.4 451.6 189.3 7 405.1 441.6 442.1 453.1 192.9 8 398.6 406.8 389.4 432.2 210.2 9 415.4 429.4 369.2 421.7 199.4 10 411.8 410.2 404.3 401.9 186.2

คาเฉลย 415.6 439.7 448.9 459.9 202.0

ระบบ : FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3, ตวแปร : เวลาบดละเอยดของ FeTiO3 (ชวโมง) ต าแหนง 1 2 3 ผวทอ

1 522.9 465.7 655.2 215 2 527.3 534.5 687.1 206.2 3 515.1 493.4 631.2 201.6 4 512.5 455.5 624.3 201.3 5 473.2 473.2 741.7 206.9 6 410 506.6 691.1 240.7 7 595.5 523.8 718.5 235 8 510.8 558.9 679.2 231.9 9 464.2 515.1 721.4 226.9 10 438.2 660.1 735.8 229.5

คาเฉลย 497.0 518.7 688.6 219.5

100

ตวแปร : อตราสวนผสมสารตงตน (โมล)

ต าแหนง FeTiO3+7Al+B2O3+1.5Fe2O3 FeTiO3+8Al+B2O3+2Fe2O3 ผวทอ 1 487.1 462.8 241.2 2 408.8 459.8 234.7 3 527.3 429.6 196.5 4 540.0 425.7 137.6 5 470.2 437.5 190.3 6 457.7 412.4 201.7 7 548.4 430.9 198.9 8 574.7 405.7 214.5 9 522.0 465.7 221.1 10 529.0 464.2 213.1

คาเฉลย 506.5 439.4 205.0

ระบบ : FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3, ตวแปร : ปรมาณตวเตม CaF2 (รอยละ)

ต าแหนง 1 2 3 ผวทอ 1 390.2 327.3 353.6 216.7 2 350.5 311.4 416.5 203.9 3 397.4 335.7 366.3 145.5 4 372.9 420.4 383.1 139.9 5 468.2 319.2 445.5 225.1 6 495.2 347.5 386.6 147.1 7 458.9 330.1 422.5 145.3 8 367.9 388.4 390.2 201.6 9 468.2 302.7 404.9 205.3 10 492.7 301.5 314.6 231.2

คาเฉลย 426.2 338.4 388.4 186.2

101

ขอมลดบจากการวดคาความแขงของชนผวเคลอบ Al2O3

ระบบ : FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3, ตวแปร : ความเรวรอบ (rpm)

ต าแหนง 1500 1750 2000 2250 ผวทอ 1 989.0 926.0 868.7 843.0 221.4 2 982.2 758.3 835.9 707.3 228.4 3 841.2 846.6 828.8 825.3 194.5 4 966.6 921.8 1340.0 962.2 210.3 5 830.6 811.6 683.1 786.7 187.4 6 893.7 741.7 932.2 727.1 189.3 7 786.7 878.2 911.6 772.3 192.9 8 993.6 907.6 1051.2 861.3 210.2 9 818.4 940.6 940.6 730.0 199.4 10 775.5 913.7 820.1 756.8 186.2

คาเฉลย 887.8 864.6 921.2 797.2 202.0

ระบบ : FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3, ตวแปร : เวลาบดละเอยดของ FeTiO3 (ชวโมง) ต าแหนง 0 1 2 3 ผวทอ

1 843.0 1097.7 1225.4 1369.0 215.0 2 707.3 936.4 1136.1 1130.5 206.2 3 825.3 913.7 1284.2 1147.4 201.6 4 962.2 811.6 1124.9 1058.7 201.3 5 786.7 850.2 1074.1 1076.7 206.9 6 727.1 1103.1 1197.6 1173.6 240.7 7 772.3 861.3 1061.3 1531.2 235.0 8 861.3 1066.4 1227.4 1188.5 231.9 9 730.0 1173.6 1203.7 1156.1 226.9 10 756.8 1002.9 1161.9 1136.1 229.5

คาเฉลย 797.2 981.7 1169.7 1196.8 219.5

102

ระบบ : FeTiO3+6Al+B2O3+Fe2O3, ตวแปร : ปรมาณตวเตม CaF2 (รอยละ)

ต าแหนง 0 1 3 5 ผวทอ 1 843.0 966.6 923.9 806.5 216.7 2 707.3 1103.1 846.6 835.9 203.9 3 825.3 962.2 942.7 1092.4 145.5 4 962.2 1017.0 928.0 923.9 139.9 5 786.7 1063.8 791.6 798.1 225.1 6 727.1 1066.4 971.0 793.2 147.1 7 772.3 1206.7 1026.6 1071.5 145.3 8 861.3 1247.8 865.0 1002.9 201.6 9 730.0 1455.0 1206.7 832.3 205.3 10 756.8 1257.5 1340.0 756.8 231.2

คาเฉลย 797.2 1134.6 984.2 891.4 186.2

ตวแปร : สารตงตนระบบ FeTiO3 : Al : B2O3 :Fe2O3 (โมล), เตม CaF2 รอยละ 1 โดยน าหนก ต าแหนง 1 : 6 :1 : 1 1 : 7 :1 : 1.5 1 : 8 : 1 : 2 ผวทอ

1 966.6 1562.5 1287.5 241.2 2 1103.1 1087.1 1014.6 234.7 3 962.2 1066.4 1430.8 196.5 4 1017.0 1247.8 1628.0 137.6 5 1063.8 1212.9 1467.3 190.3 6 1066.4 1548.9 1851.2 201.7 7 1206.7 1234.9 1500.9 198.9 8 1247.8 1247.8 1164.8 214.5 9 1455.0 1200.6 1415.0 221.1 10 1257.5 1505.1 1159.0 213.1

คาเฉลย 1134.6 1291.4 1391.9 205.0

103

ภาคผนวก ข.

ผลงานทไดรบการตพมพ

Effect of CaF2 in Precursors on Steel Pipe Lined Fe-Al

Intermetallic-TiB2-Al2O3 Composite Coating by Centrifugal-SHS Process

Pajaree Kerdkool1,3,a and Sutham Niyomwas2,3,b 1Department of Mining and Materials Engineering

2Department of Mechanical Engineering

3Ceramic and Composite Materials Engineering Research Group (CMERG), Materials Engineering Research Center (MERC), Faculty of Engineering, Prince of Songkla University, Hat Yai, Songkhla,

90112 Thailand

[email protected], [email protected]

Keywords: Centrifugal-SHS, Composite pipe, Ceramic-lined pipe, Fe-Al intermetallic-TiB2-Al2O3 composite.

Abstract. Steel pipe lined Fe-Al intermetallic-TiB2-Al2O3 composite were prepared by

centrifugal-self-propagating high temperature synthesis (centrifugal-SHS) process from FeTiO3,

B2O3, Fe2O3, Al and CaF2 as raw materials. The standard Gibbs energy minimization method was

used to calculate the equilibrium compositions of the reacting species. The effect of adding CaF2 to

the precursors on the result product were investigated. The phase separation between less porosity

Fe-Al intermetallics-TiB2 with Al2O3 layer were affected greatly by adding CaF2. The phase

compositions and morphology were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron

microscope (SEM) couple with energy dispersive X-ray (EDX), respectively.

Introduction

A combination of the SHS-method and centrifugation techniques (centrifugal-SHS) to produce a

composite tube by coating a common carbon steel tube with a ceramic liner, depending on the

exothermic reaction (Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe + Q) and the centrifugal force. Products of these

processes have been utilized widely as conduits for cement, oil and coal slurry [1, 2].

The centrifugal-SHS process can be used to coat thick ceramic layers in the inner surface

of metallic pipe or cylindrical vessels, make them better performance of high resistance to corrosion

abrasion, erosion and heat [3]. Synthesis material using SHS have characteristics of low energy

consumption, short synthesis time, high product purity, and no environmental pollution [4].

Titanium diboride (TiB2) is an intermetallic compound with a high melting point (~3220 K), high

hardness (Vickers hardness 15-36 GPa), high elastic modulus (541 GPa), excellent mechanical and

chemical properties, and it can withstand an oxidizing atmosphere up to 1850 K. This make TiB2 and

its composite such as TiB2-SiC and TiB2-Al2O3 useful in a variety of applications including cutting

tool, ware-resistant part, and light-weight armor. Similar composites and TiB2-Al2O3 have been

prepared by SHS, a process noted for its simplicity and feasibility of using low-cost raw materials [5].

SHS is based on systems capable of reacting exothermally to form a self-sustained combustion wave.

Calcium fluoride (CaF2) is a material possessing high chemical and thermal stability and can

improve the fluidity of the molten steel [6].

In the present study, layer coating inside steel pipe by centrifugal-SHS technique from

FeTiO3-Al-B2O3-Fe2O3 system at the different weight ratio of CaF2 to the precursors content on the

microstructure, phases formation and phases distribution of the coating product were studied.

Experimental

The raw materials used in the experiment were FeTiO3 (Sinrae SaKorn Co.,Ltd.), Al (Himedia,

99.7%), B2O3 (Aldrich, 99.0%), Fe2O3 (Riedel-deHaen, 97.0%) and CaF2 (Carlo Erbr, 98.0%)

powders. The experimental setup used in this work is centrifugal-SHS machine and controlled speed

motor as shown in Fig. 1.

Advanced Materials Research Vols. 488-489 (2012) pp 468-472Online available since 2012/Mar/15 at www.scientific.net© (2012) Trans Tech Publications, Switzerlanddoi:10.4028/www.scientific.net/AMR.488-489.468

All rights reserved. No part of contents of this paper may be reproduced or transmitted in any form or by any means without the written permission of TTP,www.ttp.net. (ID: 101.109.101.203-19/03/12,18:41:30)

http://www.scientific.net

http://www.ttp.net

The outer and inner diameters of the steel pipe were Ø 48 and Ø 42 mm, respectively. The length

of steel pipe was 150 mm. Rust and oil film were removed by acetone cleaning solution. The two pipe

ends were plugged with wood-block to hold the liquid during the reaction, and adjustment speed were

2250 rpm. The FeTiO3, Al, B2O3 and Fe2O3 powders were weighted in a stoichiometric molar ratio

(FeTiO3 ; Al : B2O3 : Fe2O3 = 1 : 6 : 1 : 1 ) with varied of CaF2 weight ratio at 0-5%. Reactant powder

were intermixed in a planetary ball mill (250 rpm) for 30 min and enclosed into the steel pipe, which

was then installed into the centrifugal-SHS machine. When the centrifugal revolution speed reached

the required speed (up to 2250 rpm), the sample materials were ignited by an oxygen-acetylene flame.

The combustion reaction took about 10 s, after 5 min the centrifuge was stopped.

Fig.1. The schematic diagram of centrifugal-SHS machine: (1) rotation direction; (2) wood-block;

(3) center rest; (4) steel pipe; (5) gripper; (6) controlled speed motor.

The obtained products were characterized in terms of phases composition and microstructure by

XRD (Philips, Cu-Kα radiation) and SEM (JEOL, JSM-5800 LV) analysis couple with EDX (ISIS

300, Oxford).

Results and Discussion

Thermodynamic Analysis. Thermodynamic calculations for equilibrium concentration of stable

species produced by SHS reaction were performed based on the Gibbs energy minimization method

[7]. The evolutions of species were calculated for a reducing atmosphere and as functions of

temperature in the temperature range of 0-3000°C. Calculation assume that evolved gases are ideal

that they form ideal gases mixture, and condensed phases are pure.

The synthesis of product Fe3Al-TiB2-Al2O3 composite with the centrifugal-SHS process was

performed under the overall reaction as shown in Eq. (1).

FeTiO3 + 7Al + B2O3 + Fe2O3 = Fe3Al +TiB2 + 3Al2O3 Tad = 2587.9 oC (1)

Thermodynamic calculations were performed using computer program based on Gibbs energy

minimization method to determine the most stable phase as a function temperature [7]. It can be seen

in Fig. 2. that TiB2, Al2O3 and Fe-Al alloy are stable phases at the whole temperature range of 25 to

3000 °C

Advanced Materials Research Vols. 488-489 469

Fig.2. Equilibrium composition of Fe3Al-TiB2-Al2O3 system.

Synthesis of Fe-Al Intermetallic– TiB2 – Al2O3 system for lining steel pipe. Figure 3 shows the

schematic represent the cross-section of the metal matrix composite (MMC) lined steel pipe prepared

by centrifugal-SHS process. The figure shows two layers of coating and a base metal layer. The

coating layer compound of MMC Fe-Al intermetallic-TiB2 layer and ceramic phases layer of Al2O3.

Fig.3. Cross section of the ceramic-lined composite pipe

Figure 4 shows the XRD pattern of coating layer that can be identified as Fe3Al -TiB2-Al2O3

composite. It is showing that the main components of all obtained products are Fe3Al, TiB2, and

Al2O3. There is also a small amount of Ti2O3 intermediate phase left in the system. This pattern did

not show the compound of CaF2 due to it was completely decomposed at high temperature SHS

reaction.

Fig.4. X-ray diffraction pattern of FeTiO3-Al-B2O3-Fe2O3 system

470 Key Engineering Materials II

SEM micrograph in Fig.5 (a)-(d) present the results interface of cross-section composite pipe

between steel pipe and (Fe-Al-TiB2) intermetallic layer with varied of CaF2 molar ratio from 0%, to

5%. In the overview, the higher density phases of Fe-Al intermetallic were fall to the bottom which

connects to the steel pipe surface ( =AlFe3ρ 6.06 g/cc), while the lowest density phase of Al2O3 were

float to the top ( =32OAlρ 3.950 g/cc). Meanwhile, TiB2 (

2TiBρ = 4.380 g/cc) has density in between

intermetallic alloy and alumina phase was trapped in the Fe-Al intermetallic alloy. All conditions of

adding CaF2 were resulted in TiB2 hard particle appeared in the area of Fe-Al matrix. The larger TiB2

hard particle were regularly distribution in the Fe-Al matrix when the use of 3 wt% CaF2 (see in Fig.5

(c)), which confirmed by EDX technique in Fig.6. These phenomena may have come from the higher

reaction temperature when increasing weight ratio of CaF2 to the system. It can be proved by bigger

particle size of TiB2 that came from higher temperature and longer time to growth when increase

CaF2 from 0-3 wt%. But when 5 wt% CaF2 was added, ceramic phases were trapped in the Fe-Al

intermetallic layer and the interface with Fe substrate were parted (as shown in Fig.5(d))

Fig.5. SEM micrograph of cross-section intermetallic composite layer varied with CaF2 molar ratio:

(a) 0%, (b) 1%, (c) 3% and (d) 5 %.

Figure 6 presents the results of X-ray mapping of cross-section of the intermetallic coating layer

on the steel pipe. It confirms that the coating layer presence the main element of Fe, Al, Ti and B

which is Fe3Al matrix phase and TiB2 dispersed reinforcement phase as being confirmed by XRD

pattern in Fig.4.

Fig.6. (a) EDX spectrum and (b) elemental mapping of cross-section intermetallic coating layer.

(a)

SE B Al

Ti Fe

(b)

Advanced Materials Research Vols. 488-489 471

The proposed mechanism to form composite lined steel pipe can be expressed in Fig.7.

Fig.7. Schematic Mechanism

Conclusions

Steel pipe lined Fe-Al intermetallic-TiB2-Al2O3 composite coating was successfully produced by

centrifugal-SHS process from the precursor of FeTiO3, B2O3, Fe2O3 and Al. When increased weight

ratio of CaF2 to the precusors from 0% to 3%, the particles size of TiB2 that were trapped in the Fe-Al

intermetallic layer were also increased.

Acknowledgements

The authors are pleased to acknowledge the financial support for this research from Ceramic and

Composite Materials Engineering Research Group (CMERG), Faculty of Engineering, Prince of

Songkla University (PSU).

References

[1] H. Wu, L cheng and W Lianbo: Materials and Design Vol. 20, (1999), p. 229

[2] Q.S. Meng, S.P. Chen, J.F. Zhao, H. Zhang, H.X. Zhang and Z.A. Munir: Materials science and

Engineering A Vol. 456, (2007), p. 332

[3] Y.F. Wang and Z.G. Yang: Materials Science and Engineering A Vol. 460-461, (2007), p. 130

[4] Z.D. Hanguang F.H. Fu and Q. Xiao: Materials Letters Vol. 59, (2005), p. 1853

[5] S. Niyomwas: International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis Vol. 19(2),

(2010), p. 152

[6] W. Xi S. Yin and H. Lai : Materials Processing Technology Vol.137, (2003), p.1

[7] N.A. Gokcen and R.G. Reddy: Thermodynamic (Plenum Press, New York 1996)

[8] Outokumpu HSC Chemistry®

for windows: HSC 4.1 (Outokumpu Research Oy, Finland 1999)

472 Key Engineering Materials II

Key Engineering Materials II 10.4028/www.scientific.net/AMR.488-489

Effect of CaF2 in Precursors on Steel Pipe Lined Fe-Al Intermetallic-TiB2-Al2O3 Composite Coating byCentrifugal-SHS Process

10.4028/www.scientific.net/AMR.488-489.468

http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.488-489

http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.488-489.468

Procedia Engineering 32 (2012) 642 – 648

1877-7058 © 2012 Published by Elsevier Ltd.doi:10.1016/j.proeng.2012.01.1321

Available online at www.sciencedirect.comAvailable online at www.sciencedirect.com

Procedia Engineering 00 (2012) 000–000

ProcediaEngineering

www.elsevier.com/locate/procedia

I-SEEC2011

Preparation of Steel Pipe Lined Fe-Al Intermetallic-TiB2-Al2O3 Composite by Centrifugal-SHS Process

P. Kerdkoola,c and S. Niyomwasb,c*

aDepartment of Mining and Materials Engineering, Faculty of Engineering, Prince of Songkla University, Songkhla, 90112, Thailand

bDepartment of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Prince of Songkla University, Songkhla, 90112, Thailand cCeramic and Composite Materials Engineering Research Group, Materials Engineering Research Center),

Prince of Songkla University, Songkhla 90112, Thailand

Elsevier use only: Received 30 September 2011; Revised 10 November 2011; Accepted 25 November 2011.

Abstract

Steel pipe lined Fe-Al intermetallic-TiB2-Al2O3 composite were prepared by centrifugal-self-propagating high temperature synthesis (centrifugal-SHS) process from FeTiO3, B2O3, Fe2O3 and Al as the raw materials. The standard Gibbs energy minimization method was used to calculate the equilibrium compositions of the reacting species. The effect of molar ratio of precursors and rotating speed on result product were investigated. It was shown that the composites layer had less porosity as higher rotating speed was applied. The phase composite and morphology were characterized by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) couple with Energy dispersive X-ray (EDX), respectively. © 2011 Published by Elsevier Ltd. Selection and/or peer-review under responsibility of I-SEEC2011 Keywords: centrifugal-SHS; Composite pipe; Ceramic-lined pipe; Fe-Al intermetallic-TiB2-Al2O3 composite

1. Introduction

A combination of the SHS-method and centrifugation techniques (SHS-centrifugal) to produce a composite tube by coating a common carbon steel tube with a ceramic liner, depending on the exothermic reaction (Fe2O3 + 2Al → Al2O3 + 2Fe + Q) and the centrifugal force. Products of these processes have been utilized widely as conduits for cement, oil and coal slurry [1, 2].

* Corresponding author. Tel.: +6674 287196; fax: +6674 558830. E-mail address: [email protected].

643P. Kerdkool and S. Niyomwas / Procedia Engineering 32 (2012) 642 – 6482 P. Kerdkool and S. Niyomwas / Procedia Engineering 00 (2012) 000–000

Nomenclature

Tad adiabatic temperature

G the total Gibbs energy for the system

gi° the standard molar Gibbs energy of the species i at P and T

ni the molar number of species i

Pi the partial pressure of species i

Xi the mole fraction of species i

γi the activity of coefficient of species i

The centrifugal-SHS process can be used to coat thick ceramic layers in the inner surface of metallic

pipe or cylindrical vessels, make them better performance of high resistance to corrosion abrasion, erosion and heat [3]. Synthesis material using SHS have characteristics of low energy consumption, short synthesis time, high product purity, and no environmental pollution [4].

Titanium diboride (TiB2) is an intermetallic compound with a high melting point (~3220 K), high hardness (Vickers hardness 15-36 GPa), high elastic modulus (541 GPa), excellent mechanical and chemical properties, and it can withstand an oxidizing atmosphere up to 1850 K. This make TiB2 and its composite such as TiB2-SiC and TiB2-Al2O3 useful in a variety of applications including cutting tool, were-resistant part, and light-weight armor. Similar composites and TiB2-Al2O3 have been prepared by SHS, a process noted for its simplicity and feasibility of using low-cost raw materials. SHS is based on systems capable of reacting exothermally to form a self-sustained combustion wave [5].

In the present study, layer coating inside steel pipe by centrifugal-SHS technique from FeTiO3-Al-B2O3-Fe2O3 system at different rotation speed were studied. The effect of different rotational speeds on the thickness, porosity and density of the coating were studied; the finding was the higher rotational speeds had resulted in the better coating properties.

2. Experimental

Raw material used in the experimental were FeTiO3 (Sinrae SaKorn Co.,Ltd.), Al (Himedia, 99.7 %), B2O3 (Aldrich, 99 %) and Fe2O3 (Riedel-deHaen, 97.00 %) powders. The experimental setup used in this work is centrifugal-SHS machine and controlled speed motor as shown in Fig. 1.

The outer and inner diameters of the steel pipe were Ø 48 and Ø 42 mm, respectively. The length of steel pipe was 150 mm. Rust and oil film were removed by acetone cleaning solution. The two pipe ends were plugged with wood-block to hold the liquid during the reaction, and adjustment speed were 1500, 1750, 2000 and 2250 rpm. The FeTiO3, Al, B2O3 and Fe2O3 powders were weighted in a stoichiometric molar ratio (FeTiO3 ; Al : B2O3 : Fe2O3 = 1 : 6 : 1 : 1 ). Reactant powder were intermixed in a planetary ball mill (250 rpm) for 30 min and enclosed into the steel pipe, which was then installed into the centrifugal-SHS machine. When the centrifugal revolution speed reached the required speed, the sample materials were ignited with an oxygen-acetylene flame. The combustion reaction took more than 10 s, after 5 min the centrifuge was stopped.

The obtained products were characterized in terms of chemical composite and microstructure by XRD (Philips, Cu-Kα radiation) and SEM (JEOL JSM-5800 LV analysis with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX).

644 P. Kerdkool and S. Niyomwas / Procedia Engineering 32 (2012) 642 – 648 P. Kerdkool and S. Niyomwas / Procedia Engineering 00 (2012) 000–000 3

Fig. 1. The Schematic diagram of centrifugal-SHS machine : (1) rotation direction; (2) wood-block; (3) center rest; (4) steel pipe; (5) gripper; (6) controlled speed motor.

3. Result and discussion

3.1 Thermodynamic Analysis

Thermodynamic were calculations for equilibrium concentration of stable species produced by SHS reaction were performed based on the Gibbs energy minimization method [6]. The evolution of species was calculated for a reducing atmosphere and as a function of temperature in the temperature range of 0-3000°C. Calculation assume that evolved gases are ideal that they from an ideal gas mixture, and condensed phases are pure. The total Gibbs energy of the system can be express by the following equation:

G = ∑ni(g i° + RTlnPi) + ∑nig i° + ∑ni(g i° + RTlnxi + RTlnγi) (1) gas condensed solution

The synthesis of product Fe3Al-TiB2-Al2O3 composite with the centrifugal-SHS process was

performed under the overall reaction as shown in Eq. (1).

FeTiO3 + 7Al + B2O3 + Fe2O3 = Fe3Al +TiB2 + 3Al2O3 Tad = 2587.9 oC (2) Thermodynamic calculations were performed using computer program based on Gibbs energy

minimization method to determine the most stable phase as a function temperature [7]. It can be seen in Fig. 2. that TiB2, Al2O3 and Fe-Al alloy are stable phases at the whole temperature range of 25 to 3000 oC

3.2 Synthesis of (Fe-Al) – TiB2 – Al2O3 system for lining steel pipe

Figure 3 shows the schematic represent the cross-section of the metal matrix composite (MMC) lined steel pipe prepared by centrifugal-SHS process. The figure shows two layers of coating and a base metal layer. The coating layer compound of intermetallic layer of Fe-Al and ceramic phases layer of Al2O3-TiB2. Figure 4 shows the effect of rotation speed on morphology of the coating in which the higher rotation speed of 2250 rpm produced smoother and denser coating layer than that of lower rotation speed of 1500 rpm. Even though SHS reaction produced high exothermic heat of reaction but with fast reaction of about 10 s and heat sink of metal base steel pipe, ceramic phases and gas were trapped at the inner layer of the coating. At higher rotation speed, the centrifugal force was also higher that may result in


0 500 1000 1500 2000 2500 30000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

C

mol

Temp

Al2O3Fe

AlTiB2

higher density phase of Fe-Al moving faster to the pipe surface and produced denser coating layer as shown in Fig. 5 and 6.

Fig. 2. Equilibrium composition of Fe3Al-TiB2-Al2O3 system

Fig. 3. Cross section of the ceramic-lined composite pipe : (1) base metal, (2) Fe2O3 layer and (3) TiB2+Al2O3 layer

(a) (b)

Fig. 4. Coating layer of steel pipe at different rotation speed of (a) 1500 rpm, (b) 2250 rpm


Fig. 5. Microstructure cross-section of ceramic line pipe rotation speed 1500 rpm ; A : Base metal, B: MMC

Fig. 6. Microstructure cross-section of ceramic line pipe rotation speed 2000 rpm ; A : Base metal, B: MMC

Figure 7 shows the XRD pattern of coating layer that can be identified as Fe3Al-TiB2-Al2O3 composite. The XRD data show that the main components obtained from the production are Al2O3, TiB2 and Fe3Al and there are also formations of Fe2B and Ti2O3, and intermetallic alloy of FexAly.

Figure 8 shows the EDX pattern of the cross-section of coating layer. It found that the coating layer composed of the elements Al, O, Fe, Ti as major elements and trace element of Si, C and Mn which originated from mineral of ilmenite.


Fig. 7. X-ray diffraction patterns of FeTiO3-Al-B2O3-Fe2O3 composite

Fig. 8. EDX spectrum of cross-section coating layer.


4. Conclusions

Steel pipe lined Fe3Al-TiB2-Al2O3 composite was successfully produced by centrifugal-SHS process from the precursor of FeTiO3, B2O3, Fe2O3 and Al. At high rotation speed, denser and smoother coating layer was obtained. Because of high quenching rate, there is still has some ceramic phases trapped in the intermetallic layer of the coating.

Acknowledgements

These work was supported by Prince of Songkla Graduate Studies Grant, and partial financial support from the Ceramic and Composite Materials Engineering Research Group (CMERG) of the Faculty of Engineering, Prince of Songkla University, Thailand.

References

[1] Wu Hua, L cheng, W Lianbo, Technological design of metal/ceramic composite tubes. Materials and Design. 1999; 20: 229-232.

[2] Q.S. Meng, S.P. Chen, J.F. Zhao, H. Zhang, H.X. Zhang, Z.A. Munir. Microstructure and mechanical properties of multilayer lined composite pipe prepared by SHS centrifugal-thermite process. Materials science and Engineering A. 2007; 456: 332-336.

[3] Yu-Fei Wang, Zhen-Guo Yang. Finite element analysis of residual thermal stress in ceramic-lined composite pipe prepared by centrifugal-SHS. Materials Science and Engineering A.2007; 460-461:130-134.

[4] Zhongze Du, Hanguang Fu, Hanfeng Fu, Qiang Xiao. A study of ceramic-lined compound copper pipe produced by SHS-centrifugal casting. Materials Letters. 2005; 59: 1853-1858.

[5] S. Niyomwas. Preparation of Aluminum Reinforced with TiB2-Al2O3-Fex-Aly Composite Derived from Natural Ilmenite [6] Gokcen N.A, Reddy R.G. Thermodynamic. New York : Plenum Press; 1996, p. 291-294. [7] Outokumpu HSC Chemistry® for windows, HSC 4.1. Finland: Outokumpu Research Oy; 1999.

116

ประวตผเขยน

ชอ-สกล นางสาวปาจรย เกดกล

รหสประจ ำตวนกศกษำ 5310120060

วฒกำรศกษำ

วฒ ชอสถำบน ปทส ำเรจกำรศกษำ วศวกรรมศาสตรบณฑต

(วศวกรรมวสด) มหาวทยาลยสงขลานครนทร 2552

ทนกำรศกษำ (ทไดรบระหวำงกำรศกษำ)

- ทนสนบสนนการท าวจยจากบณฑตวทยาลย มหาวทยาลยสงขลานครนทร

กำรตพมพเผยแพรผลงำน

- Kerdkool, P., and Niyomwas, S. (2012), “Preparation of Steel Pipe Lined Fe-Al

Intermetallic-TiB2-Al2O3 Composite by Centrifugal-SHS Process”. Procedia Engineering, 32,

642-648.

- Kerdkool, P., and Niyomwas, S.(2012), “Effect of CaF2 in Precursors on Steel Pipe

Lined Fe-Al Intermetallic-TiB2-Al2O3 Composite Coating by Centrifugal-SHS Process”.

Advanced Materials Research, 488-489, 468-472.

Documents

Al - TiB - Al O Composite for Metal Pipe · 2017-10-12 · (7) Thesis Title Synthesis and Characterization of Fe 3 Al-TiB 2-Al 2 O 3 Composite for Metal Pipe by Centrifugal Technique