Page 1

เอกสารวิชาการ

วัสดุชาง

กรมอูทหารเรือ (จัดพิมพเมื่อ ตุลาคม ๒๕๔๙)


สารบัญ หนา บทที่ 1 บทนํา 1.1 วัตถุประสงค 1.2 วัสดุชาง 1.3 การเลือกใชวสั ดุ

1 2 5

บทที่ 2 เคมีเบื้องตนและการกัดกรอน 2.1 ความสัมพันธระหวางฟสิกสกับเคมี 2.2 ธาตุประกอบและสารผสม 2.3 ธาตุและสารประกอบบางชนิด 2.4 กรด ดาง และเกลือ 2.5 อากาศ 2.6 น้ํา 2.7 น้ําเลี้ยงเขาหมอ 2.8 ลักษณะสําคัญของน้ําเลี้ยง 2.9 การกัดกรอน

7 7 14 22 25 27 28 28 30

บทที่ 3 กรรมวิธีการถลุง สกัด และการแปรรูป 3.1 การถลุงโลหะเหล็ก 3.2 การถลุงโลหะที่ไมใชเหล็ก

65 77

บทที่ 4 ระบบผลึกของโลหะ 4.1 ระบบผลึกของโลหะ 4.2 สเปสแลททิช 4.3 รูปแบบของสเปสแลททิช 4.4 ระบบผลึก 4.5 โครงสรางผลึก 4.6 ระบบผลึกของสารละลายของแข็ง

85 86 88 90 92 97

บทที่ 5 คุณสมบัติของวัสดุ 5.1 คุณสมบัติทางกลของวัสดุ 5.2 คุณสมบัติทางความรอนของวัสดุ

104 146


5.3 คุณสมบัติทางเคมีของวัสดุ

148

บทที่ 6 การเลือกใชพัสดุทางชาง 6.1 บทนํา 6.2 พัสดุทางชางประเภทโลหะและการนําไปใชงาน 6.3 การเบิกและการจัดหา

152 152 170

บทที่ 7 แผนภาพสมดุลยภาค 7.1 แผนภาพสมดุล (Phase Equilbrium Diagram) 7.2 เฟส (Phase) 7.3 เสนโคงการเย็นตัว (Cooling curve) 7.4 การเย็นตัวของโลหะบริสุทธิ์ 7.5 การเย็นตัวของโลหะผสม 7.6 เสนโคงการเย็นตัวของโลหะที่สวนผสมตาง ๆ มาประกอบกันเปนแผนภาพสมดุล 7.7 แผนภาพสมดุลของระบบสองธาตุ (Binary Alloy) 7.8 ปฏิกิริยา Eutectoid 7.9 ปฏิกิริยา Peritectoid 7.10 โครงสรางภายในของโลหะผสม 7.11 แผนภาพสมดุลของเหล็ก – คารบอน

172 176 177 178 178 180 172 187 189 192 206

บทที่ 8 กรรมวิธีทางความรอนของเหล็กกลา 8.1 Hardening 8.2 Tempering 8.3 Annealing 8.4 Normalizing 8.5 Spheroidizing 8.6 เหล็กกลาผสม (Alloy Steels) 8.7 ธาตุผสม (Alloying element)

212 217 221 221 222 224 224

บทที่ 9 เหล็กหลอ/เหล็กเครื่องมือ/มาตรฐานเหล็ก/เหล็กกลาคารบอน 9.1 เหล็กดิบและการผลิตเหล็กดิบ 9.1.1 สินแรเหล็ก 9.1.2 แหลงสินแรในประเทศไทย 9.1.3 การผลิตเหล็กดิบ 9.1.4 เตาสูง

226 226 226 226 227


9.1.5 วิธีการถลุง 9.1.6 ชนิดของเหล็กดิบ 9.1.7 บทบาทสําคัญของธาตุที่ผสมอยูในเหล็กดิบ 9.2 เหล็กหลอและการผลิตเหล็กหลอ 9.2.1 เตาคิวโปลา 9.2.2 วิธีการหลอหลอมเหล็กหลอ 9.2.3 ชนิดของเหล็กหลอ 9.3 เหล็กกลาและการผลิตเหล็กกลา 9.3.1 เหล็กออน 9.3.2 เหล็กกลาคารบอน 9.3.3 เหล็กกลาผสม 9.3.4 ธาตุผสมและอิทธิพลที่มีตอเหล็ก 9.3.5 การผลิตเหล็กกลา 9.3.6 อินกอท 9.3.7 เหล็กกึ่งสําเร็จรูป 9.3.8 เหล็กสําเร็จรูป 9.4 เหล็กทําเครื่องมือ 9.4.1 การแบงชั้น 9.4.2 เหล็กเครื่องมือชุบแข็งดวยน้ํา 9.4.3 เหล็กเครื่องมือตานทานแรงชอค 9.4.4 เหล็กเครื่องมือแปรรูปเย็น 9.4.5 เหล็กเครื่องมือสําหรับงานแปรรูปรอน 9.4.6 เหล็กกลาไฮสปด บทที่ 10 โลหะที่ไมใชเหล็ก (อลูมิเนียม, ทองแดง) 10.1 โลหะหนัก 10.1.1 ทองแดงและทองแดงประสม 10.1.2 นิคเกิลและโลหะประสมนิคเกิล 10.1.3 ตะกัว่ และตะกัว่ ประสม 10.1.4 ดีบุกและดีบกุ ประสม 10.1.5 สังกะสีและสังกะสีประสม 10.1.6 โลหะแบริ่ง 10.1.7 โลหะมีคา

228 228 229 229 230 231 232 234 234 235 237 237 240 246 247 249 250 250 252 252 253 254 256 258 258 261 262 263 263 264 264


10.1.8 ทานทาลั่ม 10.1.9 โมลิบดินั่ม 10.1.10 วานาเดี่ยม 10.1.11 โคบอลท 10.1.12 โครเมี่ยม 10.1.13 แคดเมี่ยม 10.1.14 ปรอท 10.2 โลหะเบา 10.2.1 อลูมิเนียมและโลหะประสมอลูมิเนียม 10.2.2 แมกนิเซียมและแมกนิเซียมประสม 10.2.3 ติตาเนียม 10.2.4 เซอรโคเนียม 10.2.5 เบอรริลเลี่ยม

265 265 265 265 265 265 265 266 266 269 271 271 271

บทที่ 11 พลาสติก และวัสดุชางอืน่ ๆ วัสดุหลอลื่น และหลอเย็น 11.1 พลาสติก 11.2 วัสดุหลอลื่น และหลอเย็น

272 295

บรรณานุกรม

301


1

บทที่ 1 บทนํา 1.1 วัตถุประสงค เอกสารฉบับนี้ไดรับการจัดทําขึ้นโดยการรวบรวมเอาเนื้อหาวิชาที่เกี่ยวของกับวัสดุทางชาง จากเอกสารอางอิงตาง ๆ หลาย ๆ เลม เพื่อประโยชนในการอางอิง ดังนี้ 1. เพื่อความสะดวกในการอางอิงในการปฏิบตั ิงาน 2. เพื่อใชอางอิงในการสอบเลื่อนฐานะของขาราชการทหารของกรมอูทหารเรือ 3. เพื่อใชอางอิงในการเรียนการสอนในหลักสูตรตาง ๆ ภายในกรมอูทหารเรือ


2

1.2 วัสดุชาง (Engineering Materials) วัสดุในงานวิศวกรรมที่ใชในดานงานชางอุตสาหกรรมหรืองานทั่ว ๆ ไป สวนใหญโลหะ เกือบทุกชนิดจะมีกําเนิดมาจากแร (Mineral) ซึ่งอยูในรูปของสารประกอบ (compound) มีโลหะ บางชนิดเหมือนกันที่เกิดในรูปของโลหะบริสุทธิ์ (Pure Metal) เชน ทอง และทองแดง ตลอดจน ในลูกอุกาบาท และดาวนพเคราะหบางดวงที่ตกมายังพื้นโลกเทานัน้ แตก็มีนอยมากโดยทั่วไปเรา อาจจะแบงวัสดุเหลานี้ออกเปนประเภทใหญ ๆ ได 2 กลุม คือ 1.2.1 ประเภทโลหะ (Metallic) ซึ่งยังแบงยอยออกเปน 2 ชนิด คือ 1.2.1.1 โลหะที่เปนเหล็ก (Ferrous metal) ไดแก เหล็กกลา (Steel) เหล็กหลอ (cast - iron) และพวกโลหะเหล็กอืน่ ๆ ที่มีธาตุเหล็ก (Iron) เปนองคประกอบ (Iron – base) เปน โลหะหลัก (Base metal) หรือโลหะแม (Parent metal) หรือที่เรียกกันอีกอยางหนึ่งวาโลหะมูล และมีธาตุคารบอนผสมอยูดว ย เปนธาตุผสม (Alloying element) เชน เหล็กกลาไรสนิม (Stainless steel) เหล็กกลาผสม (Alloy steel) เปนตน 1.2.1.2 โลหะที่ไมใชเหล็ก (Non – Ferrous metal) คือโลหะที่ไมมธี าตุเหล็ก (Iron) เปนองคประกอบหลัก เชน ทองแดง (Copper) สังกะสี (Zinc) ดีบุก (Tin) อลูมิเนียม (Aluminium) แมกนีเซียม (Magnisium) รวมถึงพวกโลหะผสมของโลหะเหลานีอ้ ีก เชน ทองเหลือง (Brass) บรอนซ (Bronze)


3

ตารางที่ 1 แสดงแผนภูมิของวัสดุประเภทโลหะ metallic material (วัสดุประเภทโลหะ)

Ferrous (โลหะเหล็ก) - เหล็กหลอ - เหล็กกลา - เหล็กไรสนิม - เหล็กกลาผสม - และพวกโลหะอื่นๆ ที่มีเหล็กเปนองประกอบหลัก

Non – Ferrous (โลหะที่ไมใชเหล็ก) - ทองแดง - สังกะสี - อลูมิเนียม - ดีบกุ - แมกนีเซียม และรวมถึงโลหะผสมของ โลหะที่ไมใชเหล็ก เชน บรอนซ ทองเหลือง เปนตน

จากตารางวัสดุประเภทโลหะที่ไมใชเหล็ก (Non – Ferrous metal) ยังแบงแยกออกไดอีกสอง ชนิด คือ โลหะหนัก (Heavy metal) หมายถึง โลหะที่มีความหนาแนนสูงกวา 4 กก / ดม3 (4 กรัม ตอ ซม3) เชน ทองแดง สังกะสี ตะกัว่ ดีบุก แมงกานีส ทองคําขาว ทังสะเตน เปนตน รวมทั้ง โลหะมีราคา เชน ทอง เงิน และทองคําขาว โลหะเบา (Light metal) หมายถึง โลหะที่มีความหนาแนนต่ํากวา 4 กก / ดม3 (4 กรัม ตอ ซม3) เชน อลูมิเนียม แมกนีเซียม และลิเธียม เปนตน หมายเหตุ แมกนีเซียม เปนโลหะที่เบาที่สุด ที่ใชในงานวิศวกรรม แตลิเธียม (Li) เปนโลหะ ที่เบาที่สุดในโลก 1.2.2 ประเภทอโลหะ (Non – Metallic) ซึ่งยังแบงยอยออกเปน 2 ชนิด คือ 1.2.2.1 อินทรียสาร (Organic) ซึ่งไดมาจากพวกสิง่ มีชีวิตทั้งหลาย เชน พวกพืชสัตว และตนไม เปนตน 1.2.2.2 อนินทรียสาร (Inorganic) ซึ่งไดมาจากพวกแรธาตุและสิ่งตาง ๆ ที่ไมมีชีวิต ดังแสดงในแผนภูมิตอไปนี้


4

ตารางที่ 2 แสดงแผนภูมิของวัสดุประเภทอโลหะ NON – METALLIC MATERIAL (วัสดุประเภทอโลหะ)

Organic (อินทรียสาร) Naturral (สารธรรมชาติ) - component of natural (สวนประกอบธรรมชาติ) - Wood (ไม) - Leather (หนัง) - Natural fibers (ใยธรรมชาติ) - Natural resin (ยางสนธรรมชาติ)

Syntetic (สารสังเคราะห) - Paper (กระดาษ) - Cellulose เยื่อไม ธาตุที่เปน สวนสําคัญของเนื้อไม และฝาย - Artificial Leather (หนังเทียม) - Artificial rubber (ยางเทียม) - Synthetic fibers (ใยสังเคราะห) - Plastic (พลาสติก)

Inorganic (อนินทรียสาร) Naturral (สารธรรมชาติ) - Stone (หิน) - Mineral & Ore - Clay (ดินเหนียว) - Gypsum (ยิบซั่ม) - etc. อื่น ๆ

Syntetic (สารสังเคราะห) - Cement (ซีเมนต) - Concrete (คอนกรีต) - Plaster (พลาสเตอร) - Glass (แกว) - Ceramics (เซรามิคส) - Brick (อิฐ) - Graphite (กราไฟท) - Carbides (คารไบด)


5

1.3 การเลือกใชวัสดุ (Selection of materials) การเลือกวัสดุ (Selection of Material) การเลือกวัสดุที่จะนํามาทําชิน้ สวนหรือสวนประกอบตาง ๆ ของเครื่องจักร หรือนํามาใชงาน ใด ๆ นั้น โดยทั่วไปมีหลักเกณฑในการพิจารณาดังนี้คือ 1. พิจารณาในดานการใชงานโดยตรง (Service requirement) คืองานนั้นตองการคุณสมบัติทางดานใดบาง ซึ่งคุณสมบัติตาง ๆ เหลานี้ ไดแก 1.1 ทนตอความรอน (Heat resistance) 1.2 ทนตอการกัดกรอน (Corrosion resistance) 1.3 ความแกรง (Toughness) 1.4 ความยืดหยุน (Elasticity) 1.5 ความแข็ง (Hardness) 1.6 ความแข็งแรง (Strength) 1.7 การขยายตัวเนือ่ งจากความรอน (Thermal expansion) 1.8 คุณสมบัติทางดานไฟฟา (Electrical properties) 1.9 คุณสมบัติทางดานแมเหล็ก (Magnetic properties) 1.10 การนําความรอน (Thermal conductivity) 1.11 ความลา (Fatique) 2. พิจารณาในดานกรรมวิธีการผลิต – การประกอบ (Fabrication requirement) คือตองการวัสดุที่ผลิตจากขบวนการใด และสามารถแปรรูปไดโดยขบวนการตาง ๆ ได กวางขวางเพียงใด ซึ่งจะพิจารณาถึงองคประกอบตาง ๆ ดังนี้ คือ 2.1 ออนสามารถจะดัดไดงาย (Malleability) 2.2 สามารถตกแตงดวยเครื่องจักรได (Machinability) 2.3 ความเหนียว (Ductility) 2.4 สามารถนําไปหลอหลอมได (Castability) 2.5 สามารถนํามาเชื่อมได (Weldability) 2.6 สามารถจะทําการอบชุบดวยความรอนได (Heat treatment) 3. พิจารณาเกีย่ วกับราคา (Economic requirement) ซึ่งจะคํานึงถึงสิ่งตาง ๆ เหลานี้คือ 3.1 ราคาวัสดุ (Cost of Material) 3.2 ราคาเครื่องจักร (Cost of Machining) 3.3 ราคาของการประกอบใหเปนรูปราง (Cost of Joining) 3.4 แรงงานทีใ่ ช (Cost of Working)


6 Chart 1 Selection of material

Heat Resistance Corrosion Resistance Toughness

Elasticity Hardness Strength

Thermal Expansion Electrical Properties SERVICE REQUIREMENT

Suitable Weight Magnetic Properties Fatique Resistance Greep Resistance Bearing Properties Thermal Conductivity

SELECTION

ECONOMIC REQUIREMENT FABRICATION REQUIREMENT

Malleability Machinability Ductility Castability Ease of Joining Respon of heat – treatment

Cost of Material Cost of Machining Cost of Joining Cost of Casting of Working


272

บทที่ 11 พลาสติก และวัสดุชางอื่น ๆ วัสดุหลอลื่น และหลอเย็น 11.1 พลาสติก “ความหมายของคําวา พลาสติก โดยทั่วไป หมายถึง วัสดุที่ประกอบดวยสารหลายอยาง ซึ่งเมื่อ ใหความรอนแลว สามารถที่จะฟอรมขึ้นเปนรูปรางตาง ๆ ได โดยโมลดการหลอหรือการอัดขึน้ รูป” องคประกอบที่สําคัญของพลาสติก คือ สารอินทรียหรือยาง และปกติจะประกอบดวยออกซิเจน คารบอน ไฮโดรเจน และบางครั้งก็มีวสั ดุอื่น ๆ ผสมอยูดวย ในทางเทคนิค ของผสมอินทรียชนิดนี้ เรียกวา โพลีเมอร (POLYMERS) 1. วัตถุดิบที่นํามาทําพลาสติกรวมถึงแกส ถานหิน ปโตรเลียม กํามะถัน หินปูนและซิลิกา ดังรูป วัสดุอื่น ๆ เชน สารละลาย สารหลอลื่น ผงสี วัสดุเจือ ลวนแตเปนสวนผสมเพิ่มเติมทางอุตสาหกรรม วัสดุเจือโดยทัว่ ไป คือ แปงสาลี ฝาย ขี้เลื่อย เศษไฟเบอร แอสเบสทอส แกว ดินเหนียวหรือโลหะผง สารเหลานี้จะชวยใหทนความรอน เพิ่มความแข็งแรงและลดการหดตัวของผลิตภัณฑพลาสติก

รูป 11.1 วัสดุดิบที่ใชเปนสวนผสมทําพลาสติก


273 11.1.1 ประวัติความเปนมา อุตสาหกรรมพลาสติกสมัยใหม ไดถูกพัฒนาอยางกวางขวาง ชารล กูดเยียร ไดคนพบ อิโนไนท (Elxalile) หรือยางแข็ง ในป ค.ศ.1839 ตอมาในป ค.ศ.1869 ชางพิมพชาวอเมริกันชื่อ เจ ดับบลิว ไฮแอท ไดคนพบพลาสติกชนิดแรกชื่อ เซลลูลอยด (Celluloid) โดยการนําเอาไพรอกซีลีน (Pyroxilin) ซึ่งทําจาก ฝายกับกรกไนตริก ผสมกับการบูร ทําเปนลูกบิลเลียด ประมาณป 1909 คลิกเตอรแอล เอช เมดีแลนดและผูรว มงานไดคนพบฟบอล ฟอรมาเดลไฮด (Phenol - formaldeiyde) พลาสติกชนิดนี้เรารูจักกันดีในชื่อของ เบเคอรไรท (Bakelile) นับตั้งแตนั้นมา วัสดุสังเคราะหมากมายที่ เกิดเพิ่มมากขึน้ จักใหอุตสาหกรรมพลาสติก เปนอุตสาหกรรมที่ใหญที่สุดในโลก 11.1.2 คุณสมบัติพลาสติก พลาสติกเปนวัสดุที่มีคุณสมบัติพิเศษกวาวัสดุอนื่ ๆ ดังนั้นในปจจุบัน พลาสติกจึงถูกนํามาใช แทนวัสดุอนื่ ๆ เกือบทั้งหมด คุณสมบัติเหลานี้ไดแก 1. เบา 8. ทบตอการสึกกรอน 2. ทนความรอน 9. ทนสารเคมี 3. แข็ง 10. ทําเปนสีตาง ๆ ได 4. ออนตัว 11. ใส 5. ยืดตัว 12. ทึบ 6. กันน้ํา 13. หลอลื่นในตัว 7. เปนฉนวนไฟฟา ฯลฯ เราจําแนกคุณสมบัติของพลาสติกตามลักษณะการใชงานไดดังนี้ คุณสมบัติทางเชิงกล (Mechanical) มีความแข็งแรง เหนียว ยืดหยุน ตัว คุณสมบัติทางไฟฟา เปนฉนวนไฟฟา คุณสมบัติทางเคมี ทนตอกรด ดาง และทนตอสารเคมีอื่น ๆ 11.1.3 ชนิดของพลาสติก พลาสติกแบงออกเปนชนิดใหญ ๆ ได 2 ชนิดคือ 1. เทอรโมเซตติ้ง (The rmosetting) 2. เทอรโมพลาสติก (Thermoplastic) เทอรโมเซตติ้งหรือพลาสติกแข็ง เปนพลาสติกที่สามารถขึ้นรูปไดดวยความรอนและจะใช แรงดันหรือไมใชแรงดันก็ได ความรอนที่ใหในเบื้องตน จะทําใหวสั ดุชนิดนี้ออนตัว แลวเติมสารเคมี พิเศษลงไปในพลาสติก มักจะเกิดการเปลีย่ นแปลงทางเคมีขึ้นทําใหพลาสติกแข็ง ตัวอยางถาวร เราเรียก การเปลี่ยนแปลงทางเคมีนี้วา โพลีเมอไรเซชั่น ( Polymeri Zation)


274 โพลีเมอไรเซชั่น หมายถึง ของผสมที่เปลี่ยนแปลงเปนของผสมอีกชนิดหนึง่ โดยที่ธาตุยังคง เปนธาตุเดิม แตโมเลกุลจะใหญขึ้น มีน้ําหนักมากขึ้นและคุณสมบัติทางฟสิคส เปลี่ยนไป พลาสติกชนิด นี้จะไมสามารถนําไปหลอมละลายไดอีก เทอรโมพลาสติกหรือพลาสติกออน จะไมมีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในขณะใหความรอน ดังนั้นพลาสติกชนิดนี้ จึงไมแข็งตัวอยางถาวร เมื่อใหความรอนและแรงอัดกับมัน แตจะยังคงออนตัวที่ อุณหภูมิสูงและจะทําใหแข็งตัวไดโดยปลอยใหมนั เย็นตัวลงพลาสติกออนสามารถนํากลับมาหลอมละลาย ใหมไดอกี 11.1.3.1 เทอรโมเซตติ้งหรือพลาสติกแข็ง เทอรโมเซตติ้งมีอยูดวยกันหลายชนิดที่สาํ คัญ และใชอยูทั่ว ๆ ไป มีดังนี้ <1> อีพอกซี่ (Epoxy) <2> ฟโนลิค (Phenolic) <3> ฟูราน (Furane) <4> ชิลิโคน ( Silicones) <5> อมิโน (Amino) - ยูเรีย ฟอรมาเคลไฮด - เมลามีน ฟอรมาเดลไฮด < 6 > โพลีเอสเตอร ( Polyester) < 7 > ยูรีเทน (Urethane) 1. อีพอกซี่ เปนวัสดุทใี่ ชกันมากในอุตสาหกรรมเคลือบผิว และผลิตภัณฑไฟเบอรกลาส สารเคลือบที่ทํา จากวัสดุชนิดนี้จะมีคณ ุ สมบัติเหนียว ยืดหยุนไดดี เกาะยึดแนน และ ตานทานตอปฏิกิริยาเคมีไดสูง ซึ่ง คุณสมบัตินี้ยังไมเคยพบในวัสดุเคลือบผิวชนิดอื่นมากอน อีพอกซี่แผนสามารถนํามาใชในงานทีม่ ีแรง กดดันสูงและแรงกดดันต่ําไดดี ในงานอุตสาหกรรม อีพอกซี่ถูกนํามาใชสรางชิ้นสวนของเครื่องบินเจต กาวอีพอกซี่ เปนกาว ที่มีความเหนียวมาก ใชในงานอุตสาหกรรมเครื่องบิน รถยนต และถูกนํามาใชในบานเรือน คุณสมบัติของอีพอกซี่ 1. มีการหดตัวนอย 2. ทนตอการกัดกรอนทางเคมี 3. เปนฉนวนไฟฟาไดดี มีความถวงจําเพาะ ระหวาง 1.11 - 1.8


275 2. ฟโนลิค พลาสติกชนิดนี้รูจักกันในภาษาตลาดวา เบเคอรไรท เปนวัสดุทมี่ ีอายุการใชงานไดยาวนาน กวาพลาสติกสังเคราะหอื่น ๆ เมื่อถูกผลิตเพื่อใชงานเฉพาะ มันจะใหผลในดานความแข็ง ความแกรง ทนตอความรอน ทนตอการกัดกรอน และมีคุณสมบัติเปนฉนวนไฟฟา เบเคอรไรทขึ้นรูปไดทั้งในสภาพ แข็งและออนตัว ผงละเอียดของพลาสติกชนิดนี้ จะถูกนํามาใชกับอุตสาหกรรมทําแบบหลอโลหะ นอกจากนี้ยัง ใชผงฟโลลิคผสมกับแอสเบสทอสไฟเบอร อัดขึ้นรูปเปนแผนบาง ๆ แลวใหความรอนกอนทีแ่ ผนวัสดุ ชนิดนี้จะเย็นตัวลง จะถูกนําไปตัดขึ้นรูป เปนผาเบรค ดังรูป 11-.2 ฟโนลิคที่ขึ้นรูปดวยโมลดหรือที่เปน แผนบาง ๆ เปนวัตถุดิบที่มบี ทบาทสําคัญ ในการผลิตโครงของอาวุธเปนแบบใหม ๆ ทั้งนี้เพราะทน ความรอนไดสงู มาก มากกวา 15,000 ฟ ซึ่งภายใตสภาวะนี้โลหะจะกลายเปนไอและเซรามิคจะหลอม ละลาย แตฟโ นลิคจะเปนถาน เทานั้น ผลิตภัณฑที่ทําจากวัสดุชนิดนีไ้ ดแก อุปกรณไฟฟา โครงตูวิทยุ ดามมีด ฝาขวด หนาปทม หูโทรศัพท ฯลฯ คุณสมบัติของฟโนลิค 1. ทนความรอน 2. ทนตอการกัดกรอนไดสูง 3. เปนฉนวนไฟฟา 4. ทนตอกรดและดางชนิดออน มีความถวงจําเพาะ 1.25 - 1.55

รูปที่ 11.2 เบรคทําจากฟโนลิค


276

รูป 11.3 ชิ้นสวนที่สําคัญในโครงสราง ยานอพอลโล ทําจากฟโนลิค 3. ฟูราน พลาสติกชนิดนี้ผลิตขึ้นดวยกรรมวิธีทางเคมี จากกรดกับเมล็ดฝายและแกลบ เปนวัสดุที่ไม เหมือนกับพลาสติกแข็งชนิดอื่น เพราะจะยังคงสภาพเหลวจนกวา จะถูกนําไปใชงานวัสดุชนิดนี้ นําไปใชกับอุตสาหกรรมผลิตลอหินเจียระไนไดดี เพราะใหผลในดาน ทนตอการกัดกรอนของน้ํา ฟูราน ยังถูกนําไปทําไสแบบในงานหลอ และตัวประสานในทรายหลอ อีกทั้งยังเปนวัสดุที่ทําใหยิบซั่มแข็งตัว


277

รูป 11.4 หินเจียระไนใชฟูราน เปนตัวประสาน (กาว)

4. ชิลิโคน ชิลิโคนเปนพลาสติกที่ทนตอสภาวะความรอนและความเย็นไดสูงมาก คุณสมบัติเดนของพลาสติกชนิดนี้ก็คือ 1. ตานทานตอออกซิเคชั่น 2. มีคุณสมบัติทางไฟฟาดีเยี่ยม (ทนความรอนและเปนฉนวน) 3. ทนตอการกัดกรอนของน้ําไดดี มีความถวงจําเพาะ ระหวาง 1.6 - 2.0 วัสดุชนิดนี้มีประโยชนตออุตสาหกรรมผลิตอยางกวางขวาง ไดแก ไขจาระบี น้ํามัน กาว และ ยางผสม ซิลิโคนเหลวชนิดพิเศษ ยังถูกนํามาผสมทําเครื่องสําอาง ซึ่งไมมีกลิ่น และ ไมทําอันตรายตอผิว ของผูใชอีกดวย นอกจากนี้ซิลิโคนยังใชกับงานเฟอรนิเจอร รถยนต รองเทา ยางซิลิโคน มีลักษณะคลายกับยางธรรมชาติ ใชทําทอสายยาง ฉนวนหุมสายเคเบิ้ล ไฟฟา เปนตน 5. อมิโน แบงออกเปนชนิดใหญ ๆ ได 2 ชนิด คือ 5.1 ยูเรีย ฟอรมาเดลไฮด 5.2 เมลามีน ฟอรมาเดลไฮด พลาสติ ก ชนิ ด นี้ เ ป น ที่ ย อมรั บ ในคุ ณ สมบั ติ ที่ ท นต อ ความร อ น ทนต อ ปฏิ กิ ริ ย าทางเคมี แ ละ สารละลาย มี ผิ ว หน า ที่ แ ข็ ง ปราศจากสี แ ละยั ง คงความไม มี สี อ ยู ไ ด น าน พลาสติ ก ชนิ ด นี้ มี ค วาม ถวงจําเพาะ 1.47 - 1.55 จึงมีน้ําหนักมากกวาพลาสติกทั่ว ๆ ไป เล็กนอย


278 ยูเรีย – ฟอรมาเดลไฮดชนิดเหลวใชทํากาวไมอัดและซิบบอรด น้ํายาเคลือบผิว อุตสาหกรรม ทอผา อุปกรณไฟฟา ตูวิทยุ ดามเครื่องมือ ฯลฯ มาลามีน – ฟอรมาเดลไฮด มีคุณสมบัติหลายขอคลายกับยูเรีย เมลามีน ทนตออุณหภูมิไดสูง ทนตอแรงกระแทกไดดี มีผิวแข็งและทนตอสารละลาย ยอมไดทุกสี ผลิตภัณฑที่ไดจากพลาสติกชนิดนี้ ไดแก ถวยชามชนิดตกไมแตก ชิ้นสวนไฟฟา ชิ้นสวนจุดติดไฟ

รูป 11.5 ถวยชามเมลามีน ผลิตโดยศรีไทยซุปเปอรแวร 6. โพลีเอสเตอร เรารูจักโพลีเอสเตอรดีในรูปของผลิตภัณฑไฟเบอรกลาส โพลีเอสเตอรมีหลายชนิด มีทั้ง เทอรโมเซตติ้ง และเทอรโมพลาสติก แตเกือบทั้งหมดที่ใชเปนเทอรโมเซตติ้ง โพลี เ อสเตอร ชนิ ด เทอร โ มเซ็ต ติ้ ง นิ ย มใช ทําสี แ ลคเกอร น้ํา ยาเคลื อบผิ ว ชนิ ด เทอร โ ม พลาสติกนิยมใชทําเปนเสนใย ทอเปนเสื้อผา และทําฟลม


279 โพลีเอสเตอรมีความถวงจําเพาะ 1.3 หากเปนผลิตภัณฑไฟเบอรกลาส จะมีความถวงจําเพาะ 1.5 - 2.28 และโดยปกติโพลีเอสเตอรนิยมใชทําเปนผลิตภัณฑไฟเบอรกลาสมากที่สุด เชน ชิ้นสวน เครื่องบิน ถังบรรจุของเหลว เรือ โครงหลังคารถยนต เฟอรนิเจอร แผงกันแดด ฯลฯ คุณสมบัติ 1. รับแรงดึง แรงอัด แรงบิดงอไดดี 2. เปนฉนวนไฟฟาไดดี 3. มีความหดตัวนอย 4. ทนกรด ดางชนิดออนได แตไมทนตอสารละลายบางชนิด

รูป 11.6 เรือทําจากไฟเบอรกลาส 7. ยูรีเทน ยูรีเทนมีทั้งในรูปแข็งตัว ฟองน้ําและของเหลว ยูรีเทนในรูปแข็งตัว ทนตอการกัดกรอนไดดี เหนียวทนทาน ทนตอสารเคมี เปนฉนวนไฟฟาไดดี ทนความรอน และไมตดิ ไฟงาย ในรูปโฟม เก็บ เสียงและรับแรงสั่นสะเทือนไดดี ทนความรอนเย็นไดดี ในชวงอุณหภูมิ ในปจจุบนั ยูรีเทนถูกนํามาใชในรูปโฟมมาก เชน ใชทําเบาะรถยนต เบาะเฟอรนิเจอร ที่นอน โฟมชนิดแข็งใชฉดี เขาไปในปกเครื่องบิน ทองเรือ ผนังตูเย็น นอกจากนี้ยังใชทําน้ํายาเคลือบผิว วัสดุตาง ๆ เชน ไม โลหะ ยาง ผา คอนกรีต ฯลฯ


280

รูป 11.7 เบาะรถยนตทําจากโฟม ยูรีเทน 11.1.3.2 เทอรโมพลาสติก หรือพลาสติกออน ที่ใชกันอยูทั่วไป มีดังนี้ 1. ไนลอน (Nyron or Polymides) 2. โพลีเอททีลีน (Polyethylene) 3. โพลีสไทลีน (Polystyrone) 4. โพลีโพรไพลีน (Polypropyrene) 5. โพลีคารบอเนต (Polycarbonate) 6. อะคริลิค (Acrylic) 7. เซลลูโลส (Cellolose) 8. ไวนีล (Vinyi) 9. โพลีไอไมค (Polyimide) 1. ไนลอน พลาสติกชนิดนี้พัฒนาขึ้นโดย ดับบลิว เอช คาโรเธอร ออกเผยแพรสูตลาด เมื่อป ค.ศ.1938 ในรูปของสิ่งทอ เพื่อใชเปนวัสดุทดแทนเสนไหมในอุตสาหกรรมทําถุงเทา ไนลอนเปนวัสดุที่มี คุณสมบัติตามธรรมชาติ มีน้ําหนักเบา รับแรงดึงแรงอัดไดดี ทนการขีดขวน เปนฉนวนไฟฟาไดดี แต ไมเหมาะสมสําหรับไฟฟาแรงสูง ทนกรดชนิดออนและดางไดดี เนื้อของไนลอนมีความโปรงแสง ในรูป ของเสนใยจะโปรงใส สามารถยอมเปนสีตาง ๆ ได ผลิตภัณฑที่ทาํ จากไนลอน ไดแก รมชูชพี ถุงเทา เสื้อผา คอนพลาสติก วารว ทอ สงน้ํามัน แบริ่ง บูช ฯลฯ


281 2. โพลีเอททีลีน เปนพลาสติกทีถ่ ูกผลิตขึ้นใชมากกวาพลาสติกชนิดอืน่ ๆ โพลีเอททีลีน แบงออกเปน 4 ชนิด คือ 1. ชนิดความหนาแนนต่ํา (LDLPE) 2. ชนิดความหนาแนนปานกลาง (MDPE) 3. ชนิดความหนาแนนสูง (HDPE) 4. โคโพไลเมอร (Copolymer) โพลีเอททีลีนชนิดความหนาแนนต่ําถูกน้ํามาใชผลิตถังน้ํา ถังทิ้งขยะ ภาชนะบรรจุตาง ๆ ชนิด ความหนาแนนปานกลางใชผลิตเครื่องถวยชาม ชนิดความหนาแนนสูงใชผลิตชิ้นสวนในงาน อุตสาหกรรม และโดโพลีเมอรใชผลิตเครื่องใชในครัวเรือน ที่ตองการความแข็งแกรง นอกจากนี้ โพลีเอททีลีนยังถูกนํามาใชในรูปของฟลมเคลือบ เกินกวา 75 % ของฟลมเคลือบที่ผลิตจะนํามาใชในงาน หอหุมอาหาร สินคาที่มีความออน ของเลนและสารเคมี คุณสมบัติของโพลีเอททีลีน 1. เปนฉนวนไฟฟาไดดี 2. ทนตอปฏิกิริยาเคมี 3. ไมอมน้ํา 4. เหนียวและโคงงอไดดี ความถวงจําเพาะ 0.92

รูป 11.8 ผลิตภัณฑทที่ ําจากโพลีเอททีลีนชนิดความหนาแนนต่ํา


282 3. โพลีสไทลีน พลาสติกชนิดนี้ถูกนํามาใชครั้งแรก ในป ค.ศ.1935 เปนพลาสติกที่มีปริมาณการผลิตมากที่สุด อีกชนิดหนึ่ง โพลีสไทลีน มีน้ําหนักเบา มีความถวงจําเพาะ 0.89 - 1.1 หดตัวนอยมาก คุณสมบัติของ พลาสติกชนิดนี้ ก็คือ มีลักษณะใส ไมมสี ี สามารถยอมใหเปนสีตาง ๆ ไดมีคุณสมบัติทนตอกรด ดาง และเกลือไดดี แตไมทนตอน้ํามันเบนซินและสารละลาย อีกทั้งผิวยังเปนรอยขีดขวนไดงาย และใชไป นาน ๆ อาจดูขุน ตัวอยางผลิตภัณฑจากพลาสติกชนิดนี้ไดไมบรรทัดพลาสติก ขวดใสยาเม็ด หมวก กันนอค ถาดอาหาร 4. โพลีโพรไพลีน โพลีไพรไพลีนเปนพลาสติกที่มีน้ําหนักเบาที่สุด มีความถวงจําเพาะ 0.905 ขอดีของพลาสติก ชนิดนี้ก็คือ 1. มีน้ําหนักเบา ทําใหประหยัดราคามากกวาพลาสติกอื่น ๆ ที่มีราคาเดียวกัน 2. สะดวกสําหรับผูซื้อ เพราะมีน้ําหนักเบา พลาสติกชนิดนี้ถูกนํามาใชในงานผลิตมากมาย เชนชิ้นสวนของเครื่องซักผา เครื่องมือแพทย เข็มฉีดยาถวยใสยา ชั้นวางของ พวงมาลัยรถยนต เปนตน โพลีไพรไพลีน ทนตอความรอนไดดี ปลอดภัยในดานความแข็งแรงและมีน้ําหนักเบา 5. โพลีคารบอเนต โพลีคารบอเนตเปนพลาสติกใสที่มี ความแข็งแรงมากที่สุด ทนตอแรงกระแทก ไดสูง มีความเหนียว ใชทาํ อุปกรณสื่อสาร โคมไฟสาธารณะ ชองมองหนาหมวกนักบิน อวกาศ รูป 11.9 เครื่องมือแพทยทําจากโพลีโพรไพลีน พลาสติกชนิดนี้ทําเปนสีตาง ๆ ได มีความใสและสามารถทําใหผลิตภัณฑที่มคี ุณภาพตามทีต่ องการได ดวยเหตุผลเหลานี้ โพลีคารบอเนต จึงถูกนํามาใชในงานผลิตทางทหารมากมาย ซึ่งชิ้นสวนเหลานี้ถูกนํามาใชงานในชวงอุณหภูมิ 6๐ ถึง 180๐ ฟ


283 6 อะคริลิค เปนพลาสติกที่ใช ในงานสงกําลังเบา ๆ ไดดี งายตอการขึ้นรูปและทนความชื้นได อะคริลิคมีชื่อ เรียกในทองตลาดวา เพลกชิกลาส (Plexiglas) และ ลูไซท (Lucite) มีคุณสมบัตดิ ีมากในเรื่องโปรงแสง ใชทําฝาครอบเครื่องบิน หนาปทมเครื่องมือวัด หนาปทมนาฬิกา แวนตาพลาสติก ปายโฆษณา ปาย รานคา และดามเครื่องมือตาง ๆ นอกจากนี้ ยังใชใน งานผลิตชิ้นสวนรถยนตอกี ดวย รูปที่ 11.10 ชั้นวางของทําจาก โพลีโทรไพลีน

รูป 11.11 พวงมาลัยรถยนต ทําจากโพลีไพรลีน

รูป 11.12 ดามเครื่องมือทําจากเฟลกซิกลาส

รูป 11.13 ดามไขควงทําจากอะคริลิค


284 7. เซลลูโลส เซลลูโลสเปนพลาสติกที่ทํามาจากเยื่อไมและฝาย เปนพลาสติกพวกแรก ซึ่งถูกคิดคนนํามาใช งานดานอุตสาหกรรม ที่รูจกั กันดีในชื่อ เซลลูลอยด เซลลูลอยด แบงออกเปน 5 ชนิด คือ 7.1 เซลลูโลส ไนเตรต (Cellulose Nitrate) C/N เปนพลาสติกที่ไดจากปฏิกริ ิยาระหวางเซลลูโลส และกรดไนตริค แบงออกเปนหลายเกรด ทั้งนี้ขึ้นอยูกับไนโตรเจนที่ผสมอยู เซลลูโลสไนเตรตเปน พลาสติกที่เหนียวที่สดุ ในบรรดาพลาสติกดวยกัน มีเสถียรภาพดีมาก ยืดหยุนไดดีและดูดซึมน้ํานอย เซลลูโลสไนเตรตนี้ไวไฟมากเวลาใชตองระมัดระวังใหดที ี่สุด ประโยชนที่ใชมากมายแลกจากทําฟลม ภาพยนตแลว ก็คือใชทําดินระเบิด ทําแลคเคอรรถยนต 7.2 เซลลูโลส อะซีเคต (Cellulose Acetate) C/A ทนสารเคมีไดดี ไมควรวางใกลแอลกอฮอล และพวกดาง พลาสติกชนิดนี้ไมมีกลิ่น ไมมีรส ทนชื้น ใชผลิตชิ้นสวนทางไฟฟา ของเด็กเลน ดามมีด ฯลฯ เซลลูโลสอะซีเคตแผน ถูกนํามาใชหอหุม วัสดุ เปนฉนวนไฟฟา และฟลมถายรูป 7.3 เซลลูโลส อะซีเคต ยูไทเรต (Cellulose Acetatee Butyrate) CA พลาสติกชนิดนี้มีหลายชนิด ตั้งแตขาวใสจนถึงขุน และสามารถนํามายอมสีไดเกือบทุกสี และลําดับชั้นของสี เปนฉนวนไฟฟาที่ แข็งแรง และนําความรอนต่าํ ผลิตภัณฑทไี่ ดจากพลาสติกชนิดนี้คือ ดามเครื่องมือ สายพาน กรอบแวน หมวกอเมริกันฟุตบอล ฯลฯ 7.4 เซลลูโลส โพรฟโอเนล (Cellulose Propionate) C/P เปนพลาสติกที่มีความเหนียวและทนตอ แรงอัดกระแทกได ผลิตภัณฑจากพลาสติกชนิดนี้ไดแก ชิ้นสวนรถยนต ปากกา ดินสอ หูโทรศัพท ของเด็กเลน ชิน้ สวนวิทยุ โทรศัพท ฯลฯ 7.5 เอซีล เซลลูโลก (Ethyl Cellulose) E/C เปนพลาสติกที่แข็งที่สุดในกลุมเซลลูโลส ไมทนตอ กรด ดาง และควรวางไวใหหางจากน้ํามัน และสารละลายอื่น ๆ พลาสติกชนิดนี้ นิยมนํามาทําขอบโตะ อุปกรณไฟฟา และกระบอกไฟฉาย ฯลฯ 8. ไวนีล พลาสติกชนิดนี้ ถูกนํามาใชในงานอุตสาหกรรมประมาณหนึง่ รอยปมาแลวโดยนิยมนําไปใชเปน วัตถุเคลือบผิว กระปองดีบุกอยางกวางขวาง ไวนีลแบงออกเปน 7 ชนิด ดวยกัน แตที่นยิ มและใชกันแพรหลายที่สุด ก็คือโพลีไวนีลคลอไรด หรือ PVC PVC มีคุณสมบัติ ทนทานตอปฏิกิริยาเคมี ทําความสะอาดงายไมเกาะติดสิ่งสกปรก เหนียวและ ทนทาน ผลิตภัณฑทที่ ําจาก PVC ไดแก ทอน้ํา สายไฟฟา ถุงมือ กระเบื้องยาว ถวยและถาดบรรจุ อาหาร ถุงพลาสติก วงกบประตูและหนาตางๆ ฯลฯ


285

รูป 11.14 ทอพีวีซี 9. โพลีไอไมด โพลีไอไมดเปนพลาสติกชนิดไมหลอมละลาย แมวาจะอยูในประเภท เทอรโมพลาสติด แตก็มี คุณสมบัติคลายกับเทอรโมเซลติ้ง พลาสติกชนิดนี้ทนความรอน ไดถงึ 750๐ ฟ เปนฉนวนไฟฟาไดดี ทนทานและทนตอการสึกกรอน โพลีไอไมด ใชทาํ ชิ้นสวนยานอวกาศ ทอยาง น้ํายาเคลือบลวดไฟฟามิเตอร วัดน้าํ แหวน ลูกสูบ ฯลฯ


286 11.1.4 อุตสาหกรรมพลาสติกในประเทศไทย ในปจจุบนั อุตสาหกรรมผลิตภัณฑพลาสติกของไทย มีแนวโนมขยายตัวรวดเร็วมากในป พ.ศ.2514 มีโรงงานพลาสติกประมาณ 30 รายเทานั้น จากการสํารวจ ในป พ.ศ.2524 พบวามีผูผลิตเพิ่ม มากขึ้นเปน 1,325 ราย แตสวนใหญเปนอุตสาหกรรมขนาดเล็กหรือขนาดยอม และเปนโรงงานที่ผลิต ผลิตภัณฑประเภทเครื่องเรือน เครื่องใชและภาชนะบรรจุเสียเปนสวนใหญ การนําเขาพลาสติก ในป พ.ศ.2524 ประเทศไทยไดสั่งนําเขาพลาสติกเปนมูลคา 624 ลานบาท ผลิตภัณฑนําเขา ไดแก แผนกระเบื้องปูพื้น PVC หลอด ทอและกระเปาพลาสติก ซึ่งผลิตภัณฑที่นําเขาสวนใหญมาจาก ประเทศญี่ปุน สหรัฐอเมริกา สาธารณรัฐเกาหลี ไตหวัน อังกฤษ และ สิงคโปร การสงออก การสงออกผลิตภัณฑพลาสติกของไทย ในป พ.ศ.2524 ปรากฏวามีมลู คาทั้งสิ้น 702 ลานบาท ผลิตภัณฑที่ทาํ รายไดใหแกประเทศ ไดแก กระเปาพลาสติก เครื่องใชบนโตะอาหาร ของเด็กเลน เทปกาว และเสื้อฝน โดยสงออกไปจําหนายยังประเทศฮองกง สิงคโปร บริษัทศรีไทยพลาสติก เปนบริษัทหนึ่งที่มปี ริมาณการผลิตติดอันดับโลก ผลิตภัณฑที่มีชื่อเสียง สวนใหญคือเครื่องใชบนโตะอาหาร ที่เรียกวา ซุปเปอรแวร นอกจากนี้บริษัทไทยทอย (THAI TOY) ซึ่งเปนบริษัทที่ไดรับการสงเสริมการลงทุนจากภาครัฐบาล ไดผลิตของเด็กเลนสงออก มีมูลคาปละ 70 ลานบาท ของเด็กเลนสวนใหญสงไปขายในประเทศ แถบยุโรป และอเมริกา แตเปนที่นาเสียดายอยาง หนึ่งวา ผลิตภัณฑเหลานี้ไมอนุญาตใหขายในประเทศไทย


287 11.1.5 วิธีตรวจสอบพลาสติก เอาพลาสติกลนไฟ

ออนตัวละลายแลวหยด

จะไหมกลายเปนเถาหรือแตกไมออนตัว เปนพวกเทอรโมเซตติ้ง

เปนพวกเทอรโมพลาสติก ไฟจะดับลง PVC ไนลอน

ยังคงลุกติดไฟ อะคริลิค C.A C.N

ยึดและพับได

แข็งตัวยึดพับไมได

ดับไฟในตัว

ดับไฟในตัว

ซิลิโคน ยูรีเทน โพลีเอสเตอร

ชนิดพลาติก พี.วี.ซี ไนลอน อะคริลิค

ลักษณะเปลวไฟ เปลวสีเหลือง สีน้ําเงินและมีสีเหลืองที่ปลาย สีน้ําเงินกับสีเหลืองมีควันที่ ปลายเปลวเล็กนอย สีเหลืองและควันดํา สีเหลืองสด เปลวสีเหลืองและขาว เปลวสีเหลืองมีควัน

เซลลูโลส อซีเตต เซลลูโลส ไนเตรต ซิลิโคน ยูรีเทน โพลีเอ สเตอร อีพอกซี่ สีเหลืองและมีควัน ที่มา พิชิต เลี่ยมพิพัฒน พลาสติก 2521

อีพอกซี่

กลิ่น มีรสเปรี้ยว เหมือนผสมไหม เหมือนผลไม

คุณสมบัติในการเผาไหม หลอมและเปนหยด จะหลอมและกรอบ จะหลอมและมีฟอง

กลิ่นฉุนเหมือนน้ําสม กลิ่นเหมือนการบูร กลิ่นไหมเหมือนยาง

จะหลอมและเปนหยด ไหมอยางรวดเร็ว ไหมเหลือแตขี้เถา เปนของเหลวสีดําและ กลายเปนขี้เถา สีดําและออนลง

กลิ่นเหมือนคั่วแปง


288 11.1.6 วัสดุชางอืน่ ๆ 1. ยางธรรมชาติ ยางพาราเปนพืชเขตเมืองรอน มีตนกําเนิดในประเทศบราซิล ปจจุบันยางพาราปลูก มากในมาเลเซีย ศรีลังกา อินโดนีเซีย และประเทศไทย สําหรับประเทศไทยสามารถผลิตยางพาราได เปน อันดับ 3 ของโลก สวนใหญมีพนื้ ทีป่ ลูกในจังหวัดภาคใต และภาคตะวันออก เชน จันทบุรี ตราด ระยอง สุราษฎรธานี นครศรีธรรมราช ระนอง พัทลุง สงขลา ฯลฯ น้ํายางพาราไดมาจากการกรีดตนยางพารา ซึง่ ตนยางจะตองมีอายุอยางนอยที่สุด 4 ป แตโดยทัว่ ไปจะมีอายุระหวาง 6 - 7 ป จึงจะกรีดได และจะสามารถกรีดเรื่อย ๆ ไป จนกระทั่งตนยาง อายุประมาณ 30 ป น้ํายางที่กรีดได จะมีเนื้อยางอยูประมาณ 30 - 50 เปอรเซ็นต ในการกรีดยางจะตอง เติมกรดน้ําสมลงไปในน้ํายาง เพื่อใหน้ํายางมีความขนเหนียวมากขึน้ แลวจึงนําไปรีดเปนแผนบาง ๆ ตอจากนั้นจึงนําไปอบดวยความรอนประมาณ 45˚ซ ยางแผนที่ผานการอบแลว เรียกวา ยางรมควัน ยางรมควันที่ไดนี้ จะถูกสงไปขายยังตางประเทศ เชน ญี่ปุน สหรัฐอเมริกา ฯลฯ ที่ นํามาใชประโยชนภายในประเทศนั้นมีนอยมาก ไมเกิน 5% จากผลผลิตที่ผลิตไดทั้งประเทศ ยางดิบที่ถูกนํามาผลิตเปนผลิตภัณฑยางสําเร็จรูปนั้น จําเปนตองผสมวัสดุตาง ๆ ลงไป เชน ผงคารบอน และกํามะถัน เปนตน เพื่อใหยางสําเร็จรูปทนความรอน ไดสูงมากขึ้น ทนตอการสึก หรอ มีความยืดหยุน ทนตอสภาพดินฟาอากาศ ทนตอสารเคมีตาง ๆ ไดดีขึ้น กรรมวิธีผสมวัสดุลงไป ในเนื้อยางนี้ เรียกวา วัลคาไนเซชั่น (Valcanization) ซึ่ง กรรมวิธีนี้คิดคนขึ้นโดย นายชาลส กูดเยียร เมื่อประมาณ 150 ป มาแลว วัสดุชางที่ทํามาจากยาง จะตองผานกรรมวิธีวลั ดาไนเซชั่น ทั้งสิ้น ยางเปนตัวนําไฟฟา และความรอนที่เลว ไมทนตอน้ํามันเบนซิน น้ํามันหลอลื่น และน้ํามันแร ดังนั้นเวลาใชงานจึงตอง ระมัดระวังเพราะสิ่งเหลานีจ้ ะทําใหยางเกิดการบวม ทําใหอายุการใชงานลดลง ยางรถยนต เปนยางสีดํา เนื่องมาจากผสมคารบอนและกํามะถันไวมาก จึงแข็งยึดตัว นอย ทนตอการสึกหรอ และเหนียวมากขึ้น ในปจจุบันไดมีการปรับปรุงคุณภาพของยางรถยนต โดย การเติมสารเคมีบางชนิดลงไป เชน สังกะสีออกไซด และเสริมเสนลวดเหล็กและเชือกเขาไป เพื่อใหมี ความแข็งแรงมากขึ้น ตัวอยางผลิตภัณฑอื่น ๆ ที่ทําจากยางธรรมชาติ คือ รองเทา ทอยาง สายพาน เสื้อคลุม ปะเก็นยาง กาวยาง ทีน่ อนยาง ถุงมือยาง เปนตน


289

รูป 11.15 ผลิตภัณฑที่ทําจากยางธรรมชาติ 2. ยางเทียม ในสมัยสงครามโลกครั้งที่สอง ยางธรรมชาติซึ่งถือวาเปนยุทธปจจัย เกิดการขาดแคลนและ เนื่องจากประเทศในแถบยุโรปและอเมริกาไมมียางธรรมชาติ จึงทําใหมีการคิดคนผลิตยางเทียมขึ้นมาจาก ผลผลิตของการกลั่นน้ํามันโดยอาศัยปฏิกริยาเคมีชนิดที่ผลิตพลาสติก จากผลการคนควาดังกลาว จึงได ยางเทียมขึน้ มาซึ่งมีลักษณะใกลเคียงกับยางธรรมชาติหลายแบบหลายชนิดดวยกันคือ 2.1 ยางบูทิล (ButyI Robber) เปนผลิตภัณฑที่ไดมาจากปโตรเลียม เปนยางที่มีคุณสมบัติ หลายขอ คลายกับยางธรรมชาติ คุณสมบัติเดนก็คือ ซึมซับแรงกระแทกไดดี ยางบูทิลเปนยางที่มีเนื้อ


290 แนน แกสซึมผานไดยาก ใชทํายางในรถยนต ยางลอเครื่องบิน ฯลฯ ยางชนิดนี้ทนตอแรงดึง แรงเฉือน ไดดีมาก 2.2 ยางซิลิโคน (Sillicone Rubber) เปนยางเทียมทีผ่ ลิตขึ้นจากซิลิโคน ออกซิเจน ไฮโดรเจนและคารบอน ยางซิลิโคนชนิดนี้มีลักษณะ คลายคลึงกับยางธรรมชาติ ทนตอความรอน แสงแดด สารละลายกรดและทนตอน้ํามันเครื่องไดดี ใชทําทอยาง แผนประเก็น ฯลฯ 2.3 ยางบูนา(Buna Rubber) เปนยางที่มีคุณสมบัติดีกวายางธรรมชาติหลายประการ คือ เก็บไดนานกวา เนื้อแนน แกสซึมผานไดยาก ทนตอน้ํามันแร สารละลาย และสารเคมีบางชนิดไดดี แต มีขอเสียที่วา เนื้อไมเหนียวเทายางธรรมชาติ และฉีกขาดไดงายกวา ใชทําทอสายยางในเครื่องบิน สาย เคเบิล ทอสงน้ํามัน ถังน้ํามันเชื้อเพลิงในเครื่องบิน เปนตน 2.4 ยางจีอาร – เอส (GR – S) ผลิตขึ้นจากถานหิน หินปูน เกลือและน้ําเปนยางเทียม ที่ถูกนํามาใชผลิตยางรถยนตเปนปริมาณทีส่ ูงมาก 2.5 ยาง Thiokols เปนยางเทียมที่ไดจากสวนผสมของสารอินทรียโพลีซัลไฟดและสาร ที่ตานทานตอน้ํามันและสีชนิดตาง ๆ ยางเทียมชนิดนี้ใชทําทอยาง สนรองเทา วัสดุที่เปนฉนวนเคลือบ 2.6 ยางไนทริล (Nitrile Robber) เปนยางที่ทนตอการกัดกรอนของน้ํามัน ดังนั้นมันจึง ถูกนํามาใชทําทอยางน้ํามัน ประเก็น ไดอะแฟรมในหูโทรศัพท เปนตน ในปจจุบันยางเทียมที่มีตนกําเนิดมาจากปโตรเลียม มีราคาสูงขึ้น ทั้งนี้เนื่องจากราคา น้ํามันดิบถีบตัวสูงขึ้นนั่นเอง จึงทําใหยางธรรมชาติมีแนวโนมในการใชมากขึ้นในอนาคต ถาหากรัฐบาล ไดมีการสนับสนุน ในการเพิ่มโรงงานอุตสาหกรรมยางสําเร็จรูป เชน โรงงานทํายางรถยนต โรงงานทํา รองเทา ฯลฯ และสนับสนุนใหมกี ารปลูกยางพารา ในภาคตาง ๆ ของประเทศ ใหมากขึน้ ก็จะทําให รายไดจากยางธรรมชาติเขาสูประเทศเพิ่มสูงขึ้น และยังชวยใหประชากรมีงานทําเพิม่ มากขึ้นอีกดวย 3. สี (Paint) สีเปนวัสดุชางที่มีความสําคัญ เราจะเห็นไดวารอบ ๆ ตัวเรา ไมวาจะเปนตึกรวมบานชอง รถยนต เฟอรนิเจอร เครื่องจักรกล อุปกรณตาง ๆ เครื่องใชไฟฟา ฯลฯ ลวนแตเคลือบผิวดวยสีทั้งสิ้น การเคลือบสีบนผิวผลิตภัณฑ นอกจากจะทําใหดูสวยงามแลว ยังใชปอ งกันเหล็กไมใหเกิดสนิม 3.1 ลักษณะของสี สีที่เราใชทาเคลือบผิวผลิตภัณฑตาง ๆ นั้น มีวัตถุประสงคเพื่อปกปด ผิวชิ้นงานมิใหกระทบแกบรรยากาศเพื่อปองกันการกัดกรอน และเพือ่ ใหผิวมีความสวยงาม สีที่ทาจะตอง แกะสนิมกับผิวงานหลุดออกใหขาว ในเนื้อของสีจะประกอบไปดวยองคประกอบ 4 ตัวดวยกัน คือ 3.1.1 ผงพื้นสี (Hase) เปนผงวัสดุที่ทําใหสีเกาะสีผิวงาน โดยทั่วไปจะใชผงตะกั่ว ผงสังกะสี และผงสี


291 3.1.2 ผงแมสี (Pigameist) เปนตัวทําใหเกิดฟลมเคลือบเกิดเปนสีตาง ๆ ตามที่ตองการ สวนใหญไดมาจากแร เชน สีแดง ไดจากตะกัว่ แดง และออกไซดของเหล็ก สีน้ําเงินไดจากโคบอลห สี ดําไดจากแกรไฟต 3.1.3 น้ํามันชักแหง (Drier) เปนน้ํายาที่ทําใหสีนั้นแหง โดยทั่วไปน้ํายาซักแหงทําจาก สารละลายผสมแมงกานีส โดยออกไซดหรือสังกะสีซัลเฟต 3.1.4 ตัวละลายสี เปนสารละลายที่เปนตัวชวยผสมผงสีและผงแมสีเขาดวยกัน ทั่วไป มักจะใชทินเนอร น้ํามันสน น้ํามันลีนสี เปนตน 3.2 ชนิดของสี ในปจจุบันชนิดของสีมีใหเลือกใชอยางมากมาย แลวแตประเภทของงาน ซึ่ง สามารถจําแนกประเภทของสี ดังนี้ 3.2.1 สีที่ใชสําหรับงานไม มีทั้งสีที่เปนสีรองพื้นและทาทับ ไดแก - สีอลูมิเนียมรองพื้นไม ( ALUMINIUM WOOD PRIMER) เปนสีรองพื้นไม ที่มีผงอลูมิเนียมเปนองคประกอบ โดยทัว่ ไปใชสําหรับรองพื้นครั้งแรก บนพื้นไมทกุ ชนิด ชวยปองกัน ยางไม หรือน้ํายารักษาเนื้อไมที่เคยทาไวกอ น ไมใหซึมออกมาผสมกับสีชั้นนอกได เนื้อสีจะมีความมัน เล็กนอย และทนตอการขัดถูพอใช - สีรองพื้นน้ํามัน หรือพวกสีน้ํามันที่ทําจากใยสังเคราะห เปนสีที่มีเนื้อสีมากมี ความลื่น แหงเร็ว เหมาะสําหรับทาทับบนสีรองพื้นชั้นแรกหรือทาทับผิวไม, โลหะ และผนังอิฐกอ ตาง ๆ ที่เคยทาสีมากอน สีชนิดนี้มักทําเปนสีขาว และมีความมันเล็กนอย สามารถทนตอการขูดถูไดดี ผสมใหเจือจางดวยทินเนอร - สีน้ํามัน สวนใหญทําจากใยสังเคราะห เนือ้ สีเมื่อทาแลวจะมีความมันเปนเงางาม และมีประสิทธิภาพสูงในการตอตานเชื้อรา มีใหเลือกหลายสี นอกจากนีย้ ังมีคุณสมบัติตอการขัดถูไดดี บางชนิดทนความรอนถึง 93 องศาเซลเซียส ทําใหเจือจางโดยผสมทินเนอร ทําความสะอาดดวยทินเนอร หรือน้ํามันสนอยางดี 3.2.2 สีที่ใชกับงานคอนกรีต ไดแก - สีรองพื้นที่ทําจากสวนผสมของอะคริลิค ซึ่งจะชวยในการปองกันเชื้อเราใช สําหรับทารองพื้นตาง ๆ เชน ผนังปูนอาบ ผนังอิฐ ซีเมนต หรือไมที่แหงแลวทนตอการขัดถูได พอสมควร สีประเภทนี้ผสมใหเจือจางดวยน้ํา - สีรองพื้นพื้นที่มสี วนผสมของดาง (ALKALI) จะชวยปองกันเชื้อรา และจะ ชวยปองกันไดดีกวาสีรองพื้นปูนประเภทอะคริลิค โดยทั่วไปจะใชทารองพื้นครั้งแรกบนผนังปูน หรือ ผลิตภัณฑรถยนตทุกชนิด เชน กําแพง ปูนฉาย กระเบือ้ ง กระดาษ วัสดุกุผนังตาง ๆ เปนตน


292

รูปที่ 11.16 ผลิตภัณฑสี - สีน้ําพลาสติก เปนสีที่ใชทาสีตึกหรืออาคารที่มีผนังเปนรูป มีองคประกองสําคัญ คือ พลาสติกชนิดโพลีไวนีล อะซีเตต (PVA) พลาสติกชนิดนี้มีคุณสมบัติคลายกาว ละลายน้ําได นอกจากนี้ ยังมีสวนผสมที่จะชวยแดนตอตานเชื้อรา และคงทนตอสภาพดินฟาอากาศเมืองรอน ใชสําหรับตกแตง ผนังทั้งภายนอก ภายใน มีสีใหเลือกมากมาย มีความเปนเงาเล็กนอย สามารถทําความสะอาดไดงาย ผสมใหเจือจางดวยน้ํา ตามอัตราสวนของแตละยีห่ อของสีที่กําหนดให 3.2.3 สีสําหรับใชทาผิวโลหะ ไดแก - สีรองพื้นโลหะ ประกอบดวยผงสี สังกะสี โคเมต ใชสําหรับทาผิวโลหะ ประเภท เหล็ก หรือโลหะอื่น ๆ ที่รบั งานชั่วคราว เชน ทาทิ้งไวไมเกิน 3 เดือน ผสมเจือจางดวยทินเนอร - สีรองพื้นประเภททีท่ ําจากอีพอกซี่ ใชทารองพื้นสําหรับงานโครงสรางทั่ว ๆ ไป เพื่อ ปองกันการกัดกรอน สีชนิดนี้ไมเหมาะสมกับผิวงานที่รอน ผิวอลูมิเนียมและโลหะทีไ่ มใชเหล็ก ผสมให เจือจางดวยทินเนอร และไมควรใชวิธีพน


293 นอกจากนี้ยังมีสีชนิดตาง ๆ ที่ผลิตขึ้นมาเปนพิเศษเพื่อใชงานที่แตกตางกันออกไป โดยคํานึงถึงคุณสมบัติในการปองกันการผุกรอน และความสวยงาม ซึ่งคุณสมบัติเหลานี้ขึ้นอยูก บั บริษัท ผูผลิตสีนั้น เชน - สีซิลิโคน ของ ICI ทําจากซิลิโคน เรซิน ผลิตขึ้นเพื่อใชปอ งกัน การซึมของน้ําบน ผนังทุกชนิด ใชทาผิวซึ่งอยูเหนือพื้นเพื่อปองกันไมใหน้ําซึมเขาไปในผิวนั้น ๆ เชน กําแพงกออิฐโชว แนวไมฉาบ คอนกรีตเปลือย วัสดุอื่น ๆ ที่ตองการโชวผิวของมันเอง และไมตองการทาสี สีชนิดนี้เนื้อสี จะใส มีความตึงผิวหนาต่ํา ทาดวยแปรงหรือพนก็ได - สีอลูมิเนียมทนความรอน ทําจากผงอลูมิเนียมและใยสังเคราะห ทนความรอนไดสูง 400 องศาเซลเซียส ใชสําหรับทาปลองไฟ ทอไอเสีย หรือพื้นผิวโลหะ ที่ตอ งการความคงทนตอ อุณหภูมิสูง ผสมใหเจือจางโดยใชทินเนอร - สีซิกมันโต ของซิกมา เปนสีพนลายที่มีความงามแกพื้นผิว ใชกับผนังภายในไมวาจะ เปนผนังปูนปลาสเตอร คอนกรีต ไม หรืออิฐ มีความทนทานพอสมควร เนื้อสีแนนและทนตอการขีด ขวน ทําความสะอาดไดงาย สีชนิดนี้ใชไดกับเครื่องพนสีเทานั้น 4. เซรามิค (Ceramics) เซรามิค เปนวัสดุที่มีความสําคัญตองานอุตสาหกรรมทางดานวิศวกรรมเปนอยางมากอีกชนิด หนึ่ง ในระยะเวลาไมกี่ปที่ผา นมา เซรามิคไดถูกพัฒนาและถูกนําไปใชงานอยางกวาง โดยเฉพาะอยางยิ่ง ในงานอุตสาหกรรมไฟฟา อิเลคโทรนิกส และในงานอุตสาหกรรมเคมี ตัวอยางงานไดแกชุดถวยจาน เซรามิคสําหรับบุผนังเตาหลอม กระเบื้อง มุงหลังคา วัสดุทนไฟ สารเชิงทรายสําหรับทําหินเจียระไน ถวยสําหรับงานเคมี กาตมน้าํ รอยเซรามิค ฟวสลูกถวยที่ใชตามบานเรือน ฯลฯ 4.1 การแบงชัน้ เซรามิค เซรามิคเปนวัสดุที่ผลิตขึ้นจากดินเหนียว และสารอนินทรีย โดย การเผาที่อุณหภูมิ ๆ สารอนินทรียที่ใชเปนวัสดุเซรามิคประกอบดวย วัสดุโลหะและวัสดุอโลหะ วัสดุ เหลานี้ถูกนํามาใชกันอยางกวางขวางที่สําคัญมากก็คือ วัสดุที่มีบนพืน้ โลก เชน อลูมินา (ออกไซดของ อลูมิเนียม) ควอทช ทัลช (แรที่นํามาใชทําแปง) แมกนีไซท เฟลสปาร เปนตน เมื่อวัสดุเหลานี้ถูก นํามาใชกับดินเหนียวก็จะไดเซรามิคแตกตางกันออกไป ดังนั้นเราจึงแบงเซรามิคออกไดเปน 3 ชนิด ดวยกันคือ 1. Insulator Porcelain ประกอบดวยดินเหนียว ควอทช เฟลสปาร 2. High Freguency Porcelain ประกอบดวยดินเหนียว ควอทช แบเรี่ยมคารบอเนต (Baco3 ) 3. Steatitic ประกอบดวย ดินเหนียว ทัลช แมกนิไซท


294 ชนิดของเซรามิคอื่น ๆ ที่ถูกนํามาใชในงานวิศวกรรม แบงชั้นออกไดดังนี้ 1. ชนิดทําถวยจาน 2. อิฐ 3. ออกไซด เซรามิค (ใชทําเครื่องมือตัด) 4. แกว 5. ถวยกระเบื้อง 6. สารเชิงทราย (Abrasive) 7. ฉนวนเซรามิค 8. เซรามิคกึ่งตัวนํา 9. แมเหล็กเซรามิค 10. เซรามิคสําหรับงานพิเศษ 4.2 ขอดีของเซรามิค 1. มีความแข็ง แข็งแรงและมีความหนาแนนสูง 2. เซรามิค ไมมีผลตอปฏิกิริยาเคมี ยกเวน กรดและดางที่มคี วามเข็มขน 3. มีเสถียรภาพทีอ่ ุณหภูมิสูง จึงถูกนํามาใชในงานวิศวกรรม 4. มีความแข็งแรงในดานทนตอแรงกดอัด 5. มีคุณสมบัติเปนฉนวนดีเลิศ 5. วัสดุชางไฟฟา วัสดุไฟฟา หมายถึง วัสดุทถี่ ูกนํามาใชประโยชนในงานอุตสาหกรรมไฟฟา ซึ่งมีมากมายหลาย ชนิดดวยกัน ที่สําคัญไดแก วัสดุสื่อไฟฟา วัสดุฉนวนไฟฟา วัสดุกึ่งตัวนํา วัสดุแมเหล็ก วัสดุตัว ตานทาน เปนตน วัสดุสื่อไฟฟา หมายถึง วัสดุที่ยอมใหไฟฟาไหลผานได โลหะสวนใหญมักจะเปนสื่อไฟฟา เชน ทองแดง เงิน อลูมิเนียม ฯลฯ เงินเปนตัวนําไฟฟาที่ดีที่สุด แตมีราคาแพงจึงไมนยิ มใชมากนัก ทองแดงเปนสือ่ ไฟฟาที่ดีอีกชนิดหนึง่ มีราคาไมแพงนัก เปนวัสดุที่ถูกนํามาใชงานทางดานไฟฟา มากที่สุด ใชทําสายไฟ ทําชิ้นสวนไฟฟา ฯลฯ อลูมิเนียม นิยมนํามาใชทําสายไฟฟาแรงสูง เพราะมีน้ําหนักเบาและมีราคาถูกกวาทองแดง แตมีคุณสมบัติในการนํา ไฟฟาไดเปน 2 ใน 3 ของทองแดงเหลานั้น วัสดุฉนวนไฟฟา หมายถึง วัสดุที่มีความตานทานมาก เปนตัวนําไฟฟาที่เลวหรืออาจจะเรียกวา เปนตัวกั้นไฟฟา วัสดุที่ถูกนํามาทําฉนวนไฟฟาสวนมาก ไดแก เซรามิค พลาสติกชนิดพีวีซี แลว ใยหิน แอสเบตอส ไมกา เปนตน ซึ่งแตละชนิดจะมีคุณสมบัติในการใชงานแตกตางกันออกไป รวมถึงราคา ของมันดวย ในปจจุบนั ฉนวนไฟฟาสวนใหญมกั จะทําจากพลาสติก เพราะมีราคาถูก ตัวอยางไดแก เปลือกสายไฟฟา ปลั๊ก สวิทชไฟฟาตาง ๆ


295 วัสดุกึ่งตัวนํา หรือที่เรียกวาเซมิคคอนดักเตอร (Seml Conductor) เปนวัสดุทใี่ ชในการทํา ทรานซิสเตอร ทรานซิสเตอรเปนอุปกรณที่มีคุณสมบัติในการขยายสัญญาณ หรือควบคุมการไหลของ กระแสไฟฟาในวงจร ทรานซิสเตอรเหลานี้ เมื่อนํามาประกอบตอเปนวงจรสําเร็จรูป เรียกวา วงจรอินทิเกรด ซึ่งเปนชิ้นสวนสําคัญที่ใชกบั อุปกรณอิเล็กทรอนิกสตาง ๆ เชน โทรทัศน วิทยุคอมพิวเตอรและเครื่องใช อิเล็กทรอนิกสอื่น ๆ วัสดุกึ่งตัวนําสวนใหญทาํ มาจากเยอรมันเนียมและซิลิโคนผสมกับธาตุบางชนิด เชน ฟอสฟอรัส พลวง โบรอน อลูมิเนียม ฯลฯ วัสดุแมเหล็ก หมายถึง โลหะที่สามารถทําเปนแมเหล็กได มีอยูดวยกัน 2 ชนิด คือแมเหล็ก ชั่วคราวและแมเหล็กถาวร แมเหล็กชัว่ คราว เกิดจากการนําเหล็กออนหรือเหล็กกลาคารบอนต่ํา มาเหนีย่ วนําทําให เปนแมเหล็ก อํานาจแมเหล็กที่เกิดขึน้ นี้จะหมดสะภาพไปทันทีเมื่อออกเมื่อถอนอํานาจเหนี่ยวนํานั่นออก แมเหล็กถาวร สวนใหญทําจากโลหะอัลนิโก (Alnico) เหล็กโครเมี่ยม โดบอลด และ แบเรี่ยมฟอรไรท แมเหล็กถาวรจะมีความเขมของสนามแมเหล็ก และจะคงสภาพความเปนแมเหล็กอยู ไดนาน 11.2 วัสดุหลอลื่นและหลอเย็น 11.2.1 วัสดุหลอลื่น เครื่องจักรกลที่มี การหมุนหรือการเคลื่อนตัว เชน เครื่องไส เครื่องกลึง เครื่องเจาะ เครื่องตัด และเครื่องยนต ฯลฯ ชิ้นสวนที่หมุนหรือเคลื่อนที่เหลานี้ ยอมจะตองมีการเสียดสีกันอยูเสมอ การเสียดสีจะทําใหเกิดความรอนและความรอนนั้น จะทําใหเกิดการขยายตัว ซึ่งเปนผลใหชิ้นสวนนั้น เกิดการพัดตัว ทําใหเคลื่อนตัวหรือหมุนไมสะดวก ทั้งยังเปนผลใหเกิดการสึกหรออีกดวย ถาเกิดความ รอนสูงอาจทําใหชิ้นสวนนัน้ เชื่อมตัวติดกัน วัสดุหลอลื่น สามารถชวยแกปญหาเหลานี้ได วัสดุหลอลื่น เปนวัสดุที่ใชหลอลื่นผิวโลหะ ชวยทําใหความฝดลดนอยลง ลดการสึกหรอ ลดความรอนที่เกิดจากการเสียดสี และยังชวยทําใหชิ้นสวนหมุนหรือเคลื่อนที่ไดคลอง ไมกินกําลัง ผิวของโลหะ ไมวาจะผานการแปรรูปบนเครื่องจักรชนิดใดก็ตามจะยังคงมีความขรุขระอยู แมวาจะดูดวยสายตาแลววาเรียบ ที่ชุดก็ตาม ถานําไปสองดูดวยกลอง ก็จะพบวา ยังมีความขรุขระอยู ซึ่ง ความขรุขระของผิวนี้เมื่อถูกเมื่อถูกนํามาชนกันหรือหมุนถูกันตลอดเวลา ก็จะทําใหเกิดความเสียดทาบ และความรอน หากผิวนั้นมีฟลมน้ํามันเคลือบอยู ก็จะชวยลดปญหาลงไดบาง


296

รูป 11.17 ภาพขยายผิวของวัสดุชิ้นงาน 2 ชิ้นที่วางทาบกัน 1. คุณสมบัตขิ องวัสดุหลอลื่น วัสดุหลอลื่นที่ดี ควรจะมีคุณสมบัติดงั ตอไปนี้ 1. จะตองมีความลื่น ติดผิวอยูไ ดนาน 2. จะตองไมจุดติดไฟไดงาย 3. จะตองมีความหนืดหรือความขนใส เหมาะสมกับอุณหภูมิใชงาน 4. ชวยลดการเสียดสีและการสึกหรอของชิ้นสวนไดดี ไมเกิดการสลายตัวหรือแปรสภาพ ไดงาย คุณสมบัติความลื่นของวัสดุยังไมมีมาตรฐานวัดทีแ่ นนอน แตเราก็สามารถจะทราบไดวาวัสดุ ชนิดใด หลอลื่นไดดี โดยการทดสอบหรือทดลอง ในหองปฏิบัติการ สําหรับความหนืดหรือความขน ใสนั้น สมาคมวิศวกรรมรถยนตแหงสหรัฐอเมริกา (SAE) ไดกําหนดนัมเบอรมาตรฐานไว โดยมัม เบอรนอย (SAE, 10) จะมีความหนืดนอยกวานัมเบอรมาก (SAE 50) เชน นัมเบอร SAE, 10 ใชหยอดจักรและทาเครื่องมือปองกันสนิม นัมเบอร SAE 20 – 40 ใชสําหรับรถยนตและเครื่องจักรทั่วไป ถาเปนเครื่องใหมใหใชนัมเบอรนอย นัมเบอร SAE 50 มีความขนมากใชกับเครื่องยนต เครื่องจักรเกาที่มีสภาพหลวม


297 2. ชนิดของวัสดุหลอลื่น วัสดุหลอลื่นแบงเปนประเภทใหญ ๆ ได 2 ประเภทคือ ก. วัสดุหลอลื่นประเภทของเหลว ไดแก น้ํามันเครื่อง น้ํามันพืช น้ํามันจารบี เปนตน ข. วัสดุหลอลื่นประเภทของแข็ง ไดแก ผงแกรไฟต ผงโมลิบดินั่ม ซัลไฟด ผงหินสบู เปนตน 2.1 น้ํามันหลอลื่น เปนวัสดุหลอลื่นไดจากการกลั่นน้ํามันปโตรเลียม วัสดุหลอลื่นชนิดนี้ นิยมใชกัน มากที่สุด เพราะมีคุณภาพสม่ําเสมอ ราคาไมแพง และมีใหเลือกหลายเกรด ตามความตองการของการ ใชงาน สวนใหญจะใชกับรถยนต และเครื่องจักรกล 2.2 น้ํามันแร เปนวัสดุที่นิยมใชกันแพรหลายอีกชนิดหนึง่ มีจุดเดือดและจุดวาบไฟสูง อีกทั้งยังมี ราคาถูก น้ํามันแรเกรดทีใ่ สสุดเรียกวา SPINDLE OIL ใชหลอลื่นจักรเย็บผา ชนิดความขนสูงใชหลอ ลื่นแบริ่งในเครื่องจักรกล ชุดเฟองทด หลอลื่นคอมเพรสเซอรในเครื่องทําความเย็น ฯลฯ 2.3 น้ํามันพืช เปนวัสดุหลอลื่นที่ไดจากละหุง มะพราว ปาลมน้ํามัน ฯลฯ น้ํามันพืชมีคณ ุ สมบัติใน การหลอหื่นไดดีมาก แตมีขอ เสียวา เมื่อใชไปนาน ๆ จะยิ่งขนมากขึ้น เหม็นหืนหรือกลัดโลหะ 2.4 น้ํามันสัตว วัสดุหลอลื่นที่ไดจากสัตวไดแก ไขปลาวาฬ น้ํามันหมู ไขวัวขี้ผึ้ง เปนตน น้ํามัน สัตวมีคุณสมบัติในการใชงานคลายกับน้ํามันพืช 2.5 แกรไฟด แกรไฟดเปนวัสดุหลอลืน่ ชนิดหนึ่ง มีลักษณะเปนผง ลื่นเกราะติดผิวงานไดแนนและ ทนหาย โดยปกติมักจะใชปนอยูกับจารบี หรือน้ํามันเครื่อง ในการหลอลื่น แบริ่ง บุช และชุดเฟองที่ ขับกัน 2.6 จารบี เปนวัสดุหลอลื่นที่สําคัญมากชนิดหนึ่ง มีลักษณะเปนไขมัน ทําจากปโตรเลียมผสมสบู ซึ่ง มีอยูดวยกันหลายชนิดมีทั้งละลายน้ําและไมละลายน้ํา ที่นิยมใชคือ 2.6.1 จารบีผสมสบูแคลเซียม (Calcium-Base) มีลักษณะคลายเนย ทนน้ํา และอยูใ นที่เปยกชื้น ไดดี แตทนความรอนไดไมสูง ใชหลอลื่นทั่ว ๆ ไป ในโรงงาน 2.6.2 จารบีผสมสบูโซเดียม (Sodium-Base) จารบีชนิดนี้ละลายน้ําได ทนความรอนไดสูง ใช หลอลื่นแบริ่งที่ใชความเร็วรอบต่ํา 2.6.3 จารบีผสมสบูลิเทียม (Lithium Base) ทนน้ํา ทนความรอนสูง ใชอัดฉีดชิ้นสวนเครื่องบิน อุณหภูมิใชงานตั้งแต – 70° ถึง 150° ซ. 2.6.4 จารบีผสมสบูอลูมิเนียม (Aluminium Base) มีสีใส ทนน้ํา เหมาะสําหรับหลอลื่นใน ตําแหนงที่ตองรับแรงเหวีย่ ง เกาะผิวงานไดเหนียวมาก


298 11.2.2 วัสดุหลอเย็น 1. ความสําคัญของการหลอเย็น ในการแปรรูปชิ้นงาน ใหมีรูปรางตาง ๆ บนเครื่องจักร ไมวาจะเปนการตัด การเจาะ การกลึง ฯลฯ ก็ตาม ยอมจะเกิดความเสียดทานระหวางชิ้นงานกับเครื่องมือตัด และทําใหเกิดความรอน ขึ้น ซึ่งมีผลใหอายุการใชงานของเครื่องมือตัดลดลง ชิ้นงานเกิดการขยายตัว หรือผิดรูปไปและอาจเปน อันตรายตอผูปฏิบัติงานได การหลอเย็นจึงมีความสําคัญ และมีจุดมุงหมายดังตอไปนี้

รูป 11.18 แสดงการจายน้ําหลอเย็นบนเครื่องจักรชนิดตาง ๆ 1. ลดความรอน ซึ่งมีผลตอความเทียงขนาดของชิ้นงาน 2. ชวยหลอลื่นบริเวณผิวสัมพัสของชิ้นงานกีบเครื่องมือตัดและมีผลใหผิวงานเรียบกวา 3. ชวยซะลางเศษโลหะ และความคุมผงฝุนอันเกิดจากการแปรรูป 4. ชวยปองกันผิว ชิ้นงานไมใหเกิดสนิมไดงาย 5. ทําใหอายุการใชงานของเครื่องมือตัด ยาวนานขึน้ 6. เพิ่มอัตราการผลิต กลาวคือ การหลอเย็นจะชวยลดความรอน และความเสียดทาน จึง สามารถใชความเร็วไดสูงกวาปกติทําใหชนิ้ งานเสร็จเร็วกวา 2. ลักษณะของวัสดุหลอเย็นที่ดี 1. มีแรงดึงที่ผิวหนาต่ํา เพื่อใหสิ่งสกปรกแยกตัวออกและตกตะกอน


299 2. ควรมีความใสมากที่สุด 3. ชวยปองกันสนิมบนผิวงานและเครื่องจักรไดดี 4. ตองมีองคประกอบที่ไมทําใหเกิดการบูดเนาอันเปนตนเหตุใหเกิดเชื้อโรคและกลิ่น 5. ตองมีคุณสมบัติชวยใหผิวงานเรียบมากที่สดุ 6. ตองผสมเขากับน้ําไดงาย 3. ชนิดของวัสดุหลอเย็น 1. น้ํายาหลอเย็นโซลูเบิล (Soluble Oil) เปนน้ํามันแร ที่มีสวนผสมของสบู เมื่อนํามาผสม ลงในน้ํา จะอยูในสภาพสารละลาย มีสีขาว น้ํายาหลอเย็นชนิดนี้ มีคุณสมบัติในการหลอเย็นเปนเลิศ ใหการหลอลื่นและปองกันการเกิดสนิมไดดี 2. น้ํายาหลอเย็นสังเคราะห เปนน้ํายาหลอเย็นที่มีสวนผสมทางเคมี ซึ่งสารเคมีที่ใชจะให คุณสมบัติแตกตางกันออกไป เชน ฟอสฟอรัส คลอรีน กํามะถัน โซเดียมคารบอเนต ฯลฯ 3. น้ํา เปนตัวหลอเย็นที่ระบายความรอนไดดี แตมีขอเสียคือทําใหผิวงานเกิดสนิมไดงาย จะใชในกรณีที่จําเปนเทานัน้ 4. น้ําสบู น้ําสบูธรรมดามีแรงดึงที่ผิวหนาสูง ไมสามารถทําใหอนุภาคของเศษโลหะ ตกตะกอนหรือแยกตัวออกได และยังทําใหผิวงานเปนเมือกอีกดวย 5. ลม ใชเปนตัวระบายความรอนไดดีพอสมควร แตไมดีเทากับน้าํ หรือน้ํายาหลอเย็น อื่น ๆ สวนมากจะใชระบายความรอนในรถยนต นอกจากนี้ยังใชระบายความรอนกับโลหะบางชนิด เชน เหล็กหลอ 4. น้ํามันตัด (Cutting Oil) น้ํามันตัดเปนน้ํามันที่ชวยใหติดผิวโลหะไดเรียบ ชวยใหอายุการใชงานของเครื่องมือตัด เชน มีดกลึง มีดไส ดอกสวาน ฯลฯ ยาวนานขึ้น อีกทัง้ ยังชวยควบคุมอุณหภูมิอีกดวย น้ํามันตัดมีหลาย ชนิด ทําจากน้าํ มันพืช น้ํามันสัตว หรือน้ํามันแร น้ํามันตัดแตกตางกับน้ํายาหลอเย็นที่วา จะใชหยอดลงบนผิวงานโดยตรง ไมตองผสมกับ น้ําที่สําคัญคือ 1. น้ํามันแรซลั ฟูไรซ มีสวนผสมของกํามะถัน 0.5 – 0.8 % มีลักษณะใส หลอลื่นไดดี น้ํามันตัดชนิดนี้ ใชกับเหล็กกลา คารบอนต่ําและวัสดุเหนียว 2. น้ํามันแรซัลโฟ - โครลิเนท (Solfo – Chlorinated) มีสวนผสมของกํามะถัน 3 % และ คลอรีน 1 % ชวยรักษาคมติดของเครื่องมือตัดไดดี เหมาะกับเหล็กกลาคารบอนต่ํา และเหล็กกลาประสม โครเมี่ยม


7

บทที่ 2 เคมีเบื้องตนและการกัดกรอน 2.1 ความสัมพันธระหวางฟสิกสกับเคมี วิชาวิทยาศาสตร 2 แขนง ที่จําเปนตอนักเรียนชางทุก ๆ คน คือ ฟสิกส และเคมี วิชาฟสิกสนั้น กลาวถึงลักษณะใชงานของสารและวัสดุชา งตาง ๆ สวน วิชาเคมีกลาวถึงเนื้อของสาร เชน จากวิชา ฟสิกส เราทราบวา เหล็กหลอมีคุณสมบัติเปราะกวาเหล็กเหนียวแตหลอมใหละลายแลวเทลงแบบ เพื่อหลอชิ้นเปนรูปทรงตาง ๆ ได ณ อุณหภูมิที่ต่ํากวาเหล็กเหนียวมาก ที่เปนดังนั้น วิชาเคมีอธิบายวา เพราะในเนื้อเหล็กมีถานคารบอนผสมอยู และมีสารประกอบระหวางเหล็กและคารบอนปรากฏอยู สารประกอบนี้เองมีจุดหลอมเหลวต่ํากวาเหล็กจึงทําใหเหล็กหลอหลอมละลายไดงายกวาเหล็กเหนียว ฟสิกส เปนวิชาวิทยาศาสตรที่วาดวยคุณสมบัติทางกายภาพของสาร ไดแก จุดแข็ง จุดเดือด การ ขยายตัวของวัตถุเมื่อไดรับความรอน หรือการหดตัวเมือ่ เย็นลง ความเคนแรงดึง ความเคนแรงอัด ความเคนแรงเฉือน ตลอดจนความหนาแนนและความถวงจําเพาะ และคุณสมบัติทางกายภาพอืน่ ๆ อีก เคมี เปนวิชาวิทยาศาสตรที่วาดวยคุณสมบัติ องคประกอบของสารตาง ๆ วามีองคประกอบเปน ธาตุอะไรบาง และมีกรรมวิธีเปลี่ยนแปลงทางเคมีในลักษณะใดบาง วิชาเคมีชวยใหชางทุกคนมีความ เขาใจในวัสดุชางไดดยี ิ่งขึ้น ทําใหสามารถใชวัสดุนั้น ๆ ไดถูกตองตามลักษณะงานและมีความคงทน เชนเหล็กธรรมดาหากทิ้งไวในอากาศ จะปรากฏเปนสนิม นานเขาขุมสนิมจะลึกมากขึ้นทุกที ทีส่ ุดจะ ผุพังไปทั้งแทง ชางที่มีความเขาใจในวิชาเคมี จะสามารถหาวิธีปองกัน เชน อาจใชสีทา หรือใช น้ํามันชโลมไวก็ได จําเปนอยางยิ่งที่ชางทุกคนควรมีความรูความเขาใจในเรื่องเคมี และวัสดุชางดี พอสมควร 2.2 ธาตุประกอบและสารผสม สารตาง ๆ ที่ปรากฏอยูในโลกนี้ จําแนกโดยวิธีทางเคมีได 3 ชนิด คือ ธาตุ สารประกอบ และ สารผสม ทั้งนี้หมายความวา สารตาง ๆ เหลานั้น มีเกิดในธรรมชาติในลักษณะที่เปนธาตุก็มบี าง บางธาตุที่เกิดเปนสารประกอบก็มีอีกมาก และที่เกิดเปนสารผสมก็มีไมนอย 2.2.1 ธาตุ (Element) ธาตุ คือ สารที่มีเชิงเดียว และเปนสารที่ไมสามารถแบงแยกออก หรือสรางขึ้นใหมไดจาก สารอื่นดวยวิธเี คมีอีกแลว ธาตุที่ปรากฏในธรรมชาติ มีอยู 92 ธาตุ (ไมนับอีก 10 ธาตุ ที่เกิดจากการแบงแยกและ เปลี่ยนแปลงภายในโครงสรางของอะตอม กลายเปนธาตุใหม) ในวงการชางของเรา ธาตุตาง ๆ เหลานี้ จําแนกไดเปน 2 พวกใหญ ๆ คือธาตุที่เปนโลหะ พวกหนึ่ง และอโลหะ อีกพวกหนึ่ง


8

ธาตุทุกธาตุ หากจะแบงสวนออกใหไดสวนที่เล็กที่สุดดวยวิธีใดก็ตามจะแบงไดถึงอะตอม ของธาตุนั้น ๆ

รูป 2.1 อะตอมไฮโดรเจนและอะตอมคารบอน “อะตอม” ตามรูปศัพท แปลวา สวนเล็กที่สุดที่ไมสามารถแบงใหเล็กตอไปอีกได (อยางไรก็ตาม วิชาฟสิกสแผนใหม ไดพิสจู นแลววา ในอะตอมหนึ่ง ๆ นั้น จะตองมีองคประกอบเปน โปรตรอน อีเลคตรอน และนิวตรอน และทุกครั้งที่อะตอมแยกหรือแตกตัว จะปรากฏมีพลังงานนิวเคลียร จํานวนมหาศาล เกิดขึ้นดวยเสมอ) อะตอมตางกับ “โมเลกุล” โมเลกุล คืออนุภาคที่เล็กที่สุดยังคงมีคุณสมบัติของสารเดิมติดอยู โมเลกุลประกอบดวยอะตอมหลายอะตอม อะตอมอาจเปนอุตอมของธาตุเดียวกันหรือตางกันก็ได เชน แกสออกซิเจน (O2) หนึ่งโมเลกุลประกอบดวยอะตอมออกซิเจน 2 อะตอม แกสอะซิติลีน (C2H2) หนึ่งโมเลกุลประกอบดวยคารบอน 2 อะตอม และไฮโดรเจน 2 อะตอม ทั้งออกซิเจน คารบอน และไฮโดรเจนเหลานี้เปนธาตุในจํานวนธาตุทั้งหมด 92 ธาตุนี้ มีเพียงประมาณ 30 ธาตุ เทานั้น ที่นักเรียนชางจําเปนจะตองทราบและคุนเคยเปนอยางดี ธาตุเหลานี้อยูใ นตารางขางลาง ให นักเรียนจงสังเกตและจําสัญลักษณธาตุตาง ๆ ทั้งชื่อในภาษาไทยและภาษาอังกฤษไวใหดดี วย


9

ธาตุที่สําคัญที่เปนโลหะ ธาตุ (Elements) เหล็ก ทองแดง ดีบุก ตะกัว่ สังกะสี แอนติโมนี่ แมงกานีส นิคเกิล โครเมี่ยม วานาเดี้ยม โคบอลท แคดเมี่ยม

Iron Copper Tin lead Zince Antimony Manganese Nickel Cromium Vanadium Cobalt Cadmium

สัญลักษณ Symbol Fe Cu Sn Pb Zn Sb Mn Ni Cr V Co Cd

ธาตุ (Elements) ทังสะเตน โมลิบดีนั่ม โปแตสเซี่ยม โซเดียม ไทตาเนี่ยม ปรอท บิสมัท เงิน ทอง ทองคําขาว อลูมิเนียม แมกนีเซีย่ ม

Tungsten Molybdenum Potassium Sodium Titanium Mercury Bismuth Silver Gold Platinum Aluminium Magnesium

สัญลักษณ Symbol W Mo K Na Ti Hg Bi Ag Au Pt Al Mg

ธาตุที่สําคัญที่เปนอโลหะ ธาตุ (Elements) คารบอน ซิลิคอน ฟอสฟอรัส กํามะถัน คลอรีน ฟลูโอรีน

Carbon Silicon Phosphorus Sulfur Chlorine Fouorine

สัญลักษณ Symbol C Si P S Cl F

ธาตุ (Elements) ออกซิเจน ไนโตรเจน ไฮโดรเจน อารกอน นีออน ฮีเลี่ยม

Oxygen Nitrogen Hydrogen Argon Neon Helium

สัญลักษณ Symbol O N H Ar Ne He

2.2.2 สารประกอบ (Compound) สารประกอบคือสารที่เกิดจากการรวมตัวกันทางเคมีของธาตุตาง ๆ การรวมตัวนัน้ เปนไป โดยกฎเกณฑมีสัดสวนและพิสูจนได สารประกอบนี้เมือ่ แบงเปนอนุภาคที่เล็กที่สุด จะแบงลงไดถึง โมเลกุล สารประกอบ 1 โมเลกุลนี้ เขียนเปนสูตรทางเคมีได เชน น้ํา เขียนเปนสูตรทางเคมีได คือ


10

H2O ซึ่งหมายความวา น้ํา 1 โมเลกุล ประกอบตัวดวยธาตุไฮโดรเจน 2 อะตอม และธาตุออกซิเจน 1 อะตอม สูตรโมเลกุลของน้ําจะเปน H2O เสมอไป ไมวาน้ํานั้นจะเปนน้ําในแมน้ําเจาพระยา หรือ แมน้ํามิสซิสซิปป หรือจะเปนหยดน้ํา ไอน้ํา น้ําแข็ง หรือหิมะก็ตาม

รูป 2.2 ลักษณะโมเลกุลของน้ํา กรดกํามะถัน จัดวาเปนสารประกอบ ซึ่งเขียนเปนสูตรโมเลกุลไดคือ H2SO4 แสดงวากรด กํามะถัน 1 โมเลกุลนั้น ประกอบดวย ธาตุไฮโดรเจน 2 อะตอม ธาตุกํามะถัน 1 อะตอม และธาตุ ออกซิเจน 4 อะตอม สารประกอบทุกสาร สามารถเขียนเปนสูตรโมเลกุลไดทั้งสิ้น ตัวอยาง สูตรโมเลกุลสารประกอบ ที่นกั เรียนควรทราบคือ น้ํา H2O Water กรดกํามะถัน H2SO4 Sulfuric Acid กรดดินประสิว HNO3 Nitric Acid กรดเกลือ HCI Hydrochloric Acid Sodium carbonate โซดา Na2CO3 โซดาไฟ NaOH Sodium hydroxide Ammonia แอมโมเนีย NH3 แกสอะซิติลีน C2H2 Acetylene แกสคารบอนไดออกไซด CO2 Carbon dioxide เกลือแกง NaCl Sodium chloride หินปูน CaCO 3 Calcium carbonate Calcium carbide กอนแคลเซี่ยมคารไบด CaC2 2.2.3 การสังเคราะหและการวิเคราะหสารประกอบ การสังเคราะหสารประกอบ คือ การสรางสารประกอบขึ้น โดยใหสารสองสิ่ง หรือ มากกวาขึน้ ไป ทําปฏิกิริยาเคมีรวมตัวกัน เชน หากเราผสมผงเหล็ก (Fe) 56 หนวยน้ําหนัก เขากับ


11

ผงกํามะถัน (S) 32 หนวยน้ําหนัก คลุกเคลาใหเขากันดีแลวเผา จะลุกติดเปนไฟ เหล็กจะรวมกับ กํามะถัน ไดสารประกอบใหมขึ้นมาเปนเหล็กซัลไฟด (FeS) ซึ่งเปนสารสังเคราะห ผงเหล็กและกํามะถันกระทําปฏิกิริยา รวมตัวกันอยางรวดเร็ว Fe + S → Fe S

รูป 2.3 ปฏิกิริยาระหวางเหล็กกับกํามะถัน การสังเคราะหใหม ๆ ที่เปนผลิตภัณฑอุตสาหกรรมขนาดใหญ ๆ ในเวลานี้มอี ยูหลายสิ่ง เชน พลาสติกทุกชนิด ใยผาสังเคราะห ยางเทียม และอื่น ๆ อีกมากสารสังเคราะหเหลานี้ มี กรรมวิธีผลิตโดยอาศัยวิชาเคมีชั้นสูง เกินกวาที่จะอธิบายไดในหนังสือเลมนี้ การวิเคราะหสารประกอบ คือ การแยกสารประกอบนั้นออก วามีอะไรเปนองคประกอบบาง ตัวอยางเชน หากเราเผาผงโปแตสเซียมคลอเรตจํานวนหนึ่ง ผงนีจ้ ะคายแกสออกซิเจนออกมา ซึ่งกัก ไวไดโดยใชวธิ ีแทนที่น้ํา (ดูรูป 2.4) ที่ทราบวาเปนแกสออกซิเจน ทดสอบไดงาย ๆ โดยจุมสะเก็ด ไมที่ติดไฟลงไปในกระบอกเก็บแกสนั้น จะปรากฏชัดเจนทีเดียววา สะเก็ดไมจะลุกติดเปนไฟได มากขึ้น โชติชวงสวางกวาเดิมทีเดียว ผลการวิเคราะห แสดงวาโปแตสเซี่ยมคลอเรตนั้น มีออกซิเจน เปนองคประกอบคัวหนึ่ง

รูป 2.4 วิธีเตรียมออกซิเจนโดยการเผา KCIO3


12

การวิเคราะหสาร มีบทบาทมากในทางเทคนิค เชน ในการเตรียมน้าํ เลี้ยงหมอขนาดใหญ ๆ ที่มีความกดดันมาก ๆ จะตองใชน้ําเลี้ยงทีส่ ะอาด ปราศจากแกสละลายสารละลายและไอออนตาง ๆ น้ําธรรมดากอนที่จะถูกเปลี่ยนเปนน้ําเลีย้ ง จะตองไดรับการวิเคราะหเสียกอนวา มีอะไรละลายอยูใน น้ํานั้นบาง จะไดสะดวกตอการเปลี่ยนใหเปนน้ําเลี้ยงไดรวดเร็วและประหยัด การวิเคราะหน้ําดวยไฟฟา เปนตัวอยางงานวิเคราะหที่มีบทบาทมากงานหนึ่งกรรมวิธีแยก หรือวิเคราะหดวยไฟฟา เชนนี้เรียกวา อีเล็คโตรลิซิส (Electrolysis of water)

น้ํากับกรดกํามะถันเพียงเล็กนอย เพื่อชวยใหนําไฟฟาไดดีเทานั้น

รูป 2.5 วิธีวิเคราะหน้ําดวยไฟฟา น้ําโดยธรรมชาติ ไมเปนตัวนําไฟฟาที่ดีนัก เพือ่ ประโยชนแกการทดลองใหเติมกรด กํามะถันลงไปนิดหนึ่ง ทันทีที่จะปลอยกระแสไฟตรงเขาไปในน้ํา จะแลเห็นวา มีฟองแกสปรากฏ บนผิวแผนอีเลคโตรดทั้งขั้วบวกและขั้วลบ และเมื่อวิเคราะหตอไปนานเขา แกสเหลานี้จะลอยขึ้นไป เก็บตัวอยูบนหลอดแกวเบื้องบนโดยแทนที่น้ํา เมื่อสังเกตดูจะเห็นไดชัดเจนวา ปริมาณของแกสไฮโดรเจนที่มีอยูใ นหลอดแกวเหนือขั้วลบ จะมีเปนสองเทาของปริมาณแกสออกซิเจนเหนือขั้วบวก แสดงวาน้ํานั้นประกอบดวยไฮโดรเจน 2 สวน และออกซิเจน 1 สวน โดยปริมาตรนั่นเอง ของเหลวใดที่เปนตัวนําไฟฟา สารนั้นมีชอื่ เรียกอีกอยางหนึ่งวาเปนอีเลคโตรไลต น้ําเกลือ เปนอีเลคโตรไลตไดดีกวาน้าํ ธรรมดา เพราะมีเกลือละลายอยูใ นตัวอยางงานอีเลคโตรลิซิสขางบน น้ํายังเปนอีเลคโตรไลตที่ยังไมดีพอ เราจึงเติมกรดกํามะถันลงไปเล็กนอยทําใหนา้ํ มีคุณสมบัติเปน อีเลคโตรไลตดีขึ้นมาก 2.2.4 สารผสม (Mixer) สารผสมเกิดจากการที่นําสารตาง ๆ มาผสมกันและมิไดมีปฏิกิริยาเคมีเกิดเปนสารใหม แตอยางใด คุณสมบัติของสารผสมนี้อยูกับจํานวนและชนิดของสารตาง ๆ ที่นํามาผสมกันนั่นเอง


13

อากาศเปนสารผสมระหวาง แกสธาตุไนโตรเจนและออกซิเจน ในอัตราสวน 79.21 โดยปริมาตร แรตาง ๆ ที่พบในธรรมชาติ สวนมากเกิดในสภาพสารผสมทั้งสิ้น เชน สินแรเหล็กที่ เปนเหล็กออกไซดรอยละ 15 หมายความวาสินแรเหล็กนั้น เปนสินแรจริง ๆ 15 หนวยน้ําหนัก และเปนหินหรือดินเสีย 85 หนวยน้ําหนัก เปนตน น้ําทะเล ก็เปนสารผสม เพราะมีเกลือละลายอยูใ นน้ํา เกลือสวนใหญ คือเกลือแกง น้ําทะเลเมื่อแหงกลายเปนไอไปจะเหลือผงขาว ๆ ซึ่งเปนผงเกลือเหลืออยู วิธีที่จะแยกสวนผสมตาง ๆ ออกจากสารผสม มักจะทําไดงายและเปนกรรมวิธีทางฟสิกสทั้งสิ้น เชน แยกน้ําดวยวิธีตม กลั่น กรอง หรือเหวี่ยงออกใหแยกจากกัน เปนตน แอลกอฮอลผสมน้ําก็เปนสารผสม วิธีแยกแอลกอฮอลออกมา กระทําไดดว ยกรรมวิธี กลั่นแอลกอฮอลมีจุดเดือดต่าํ กวาน้ํา เมื่อใหความรอนแกสารผสมแอลกอฮอล – น้ํา แอลกอฮอลจะ ระเหยออกมาเปนไอกอนน้ํา หากรีบดักไอน้ําไว และรีบทําใหกลั่นตัวโดยเร็ว ก็จะไดแอลกอฮอล

รูป 2.6 วิธีกลั่นในหองทดลอง

รูป 2.7 หมอกรองน้ํา


14

แรกในการทําน้ําประปา ก็คือ กรรมวิธกี รองเพื่อแยกสารแขวนตะกอนเหลานี้ออกกอนนั่นเอง

รูป 2.8 ผังการทําน้ําประปา โลหะหลายชนิดที่ใชมากในงานชาง เชน ทองเหลือง นาก เหล็กไรสนิม และโลหะเจือ เปนสารผสมทั้งสิ้น กลาวคือ เปนโลหะที่เกิดจากโลหะและธาตุอื่น ๆ ผสมกัน เรื่องโลหะวัสดุชางนี้ นักเรียนจะตองทราบอยางละเอียดในอนาคตอันใกลนี้ 2.3 ธาตุและสารประกอบบางชนิด 2.3.1 ออกซิเจน (O2) ออกซิเจน (Oxygen) เปนแกส ไมมีสี ไมมีกลิ่น และไมมรี ส ธาตุออกซิเจนมีคุณสมบัติพิเศษ คือ ชวยใหเกิดการสันดาปทําใหเชื้อเพลิงลุกไหมติดไฟได การสันดาป คือ การที่เชื้อเพลิงกระทํา ปฏิกิริยาเคมีกบั ออกซิเจนในอากาศ โดยลุกไหมเปนไฟ การสันดาปทุกครั้งจะมีความรอนเกิดขึ้น ถามีการสันดาปในเตา เชน เตา หมอน้ํา ความรอนจากการสันดาปก็จะทําใหน้ําเลี้ยงกลายเปนไอน้าํ ใชหมุนกังหันไอน้ํา ขับเครื่องกําเนิดไฟฟา หรือจะใชไอน้าํ นั้นเปนตนความรอนในงานตมก็ได ถาการสันดาปนั้นเกิดขึ้นในที่จํากัด เชน ภายใน หองสูบ พลังงานความรอนจะทําใหแกสขยายตัว มีกําลังขับเครื่องยนตใหหมุนได เชน เครื่องยนต เบนซิน และเครื่องยนตดีเซล ดวยเหตุนี้เองออกซิเจนมีบทบาทมากมายในงานชาง ออกซิเจนยิ่งบริสุทธิ์ จะยิ่งทําใหเกิดการสันดาปเปนไปไดงาย และรวดเร็วขึน้ มาก แมวา ตัวเองนัน้ จะจุดไฟไมตดิ คุณสมบัติในการชวยใหไฟติดของออกซิเจนนี้สาธิตได วิธีเตรียมออกซิเจน ดวยวิธเี คมีงาย ๆ คือ เผาผงโปแตสเซี่ยมคลอเรต (ดูรูป) หรือจะใช ชอนตักไฮโตรเจนเปอรออกไซดลงบนจานแกวสัก 2 – 3 ชอน เสร็จแลวใชมีดตักเทผงดางทับทิม ลงไป ออกซิเจนจะเกิดขึ้นทันทีเปนฟองปุด ๆ คราวนีจ้ ากทดลองน้ําเอาเศษไมติดไฟแหยเขาไปดู ไฟ จะลุกสวางขึ้นโชติชวงมากกวาเดิมแลเห็นไดชัดเจน แมวา จะดึงเศษไมออกมาแลวเปาใหดับ เมื่อแหย ลงไปใหม ไฟจะกลับลุกติดใหมอีก


15

รูป 2.9 ออกซิเจนชวยใหไฟติด ออกซิเจนโดยธรรมชาติ สามารถรวมตัวไดกับธาตุอื่น ๆ ไดมากมายหลายธาตุ เชน รวม กับเหล็ก เปนเหล็กออกไซด หรือที่รูจักทัว่ ๆ ไป สนิมเหล็ก การที่เหล็กเปนสนิมไดนี้เรียกวา เหล็ก ถูกเติมออกซิเจน สนิมเหล็กเปนสารประกอบอันใหม ไมมีคุณสมบัตเิ หมือนเหล็กหรือออกซิเจนเลย แตอยางใด กลาวคือ เหล็กมีแววโลหะขาวเปนมัน เมื่อเคาะจะมีเสียงกังวาน สนิมเหล็กไมมีคุณสมบัติ ดังกลาวเหลืออยูเลย สวนออกซิเจนเปนแกสไมมีสี ไมมีกลิ่น ไมมรี ส แตสนิมเหล็กเปนของแข็ง มีสีและมีกลิ่น การรวมตัวของออกซิเจนกับสารอื่น มักใหความรอนจํานวนมากเสมอ แกสทีใ่ ชใน งานเชื่อม เชน แกสจากเหมืองน้ํามัน แกสไฮโดรเจน หรือ แกสอะซิติลีน เมื่อสันดาปกับออกซิเจน ใหความรอนสูงมากประมาณ 2000 ถึง 3200 °C ออกซิเจนใชไดทงั้ งานเชื่อมโลหะและตัดโลหะ ออกซิเจนเปนธาตุที่จําเปนตอชีวิตทั้งคนและสัตว หากปราศจากออกซิเจนหายใจเสียแลว มนุษยและสัตวจะดํารงชีวิตอยูไมไดเลย ออกซิเจนมีอยูม ากมายในโลก ทั้งที่เกิดเปนธาตุออกซิเจนแหง และเกิดรวมเปน สารประกอบกับธาตุตาง ๆ บนผิวโลกนี้ เชน เกิดอยูใ นน้ํา ในหิน สินแร ดิน สัตวและพืชตาง ๆ ที่ เกิดเปนแกสออกซิเจนแท ๆ คือ เกิดอยูใ นอากาศนี้เอง ซึ่งมีออกซิเจนอยู 21 % โดยปริมาตร ออกซิเจนบริสุทธิ์เตรียมไดจากการแยกน้าํ ดวยไฟฟา ดวยวิธีเคมี โดยเผาสารที่สามารถ คายแกสออกซิเจนออกมาได และเตรียมไดจากอากาศ โดยอัดอากาศใหเปนอากาศเหลวแลวกลั่น แกสออกซิเจนออกมา แกสออกซิเจนที่พบในตลาดการคานี้ ทุกวันนี้สวนมากใชในงานเชื่อมแกสและโรงพยาบาล ประเทศอุตสาหกรรมบางประเทศใชแกสออกซิเจนบริสุทธิ์แทนอากาศในการถลุงเหล็ก วิธีนที้ ําให ปริมาณการผลิตเหล็กดิบของเตาถลุงที่มีขนาดเทา ๆ กันสูงขึ้นอีกหลายเทา วิธีทําออกซิเจน เพื่อบรรจุลงในขวดเหล็กนั้น จะตองทําอากาศใหเปนอากาศเหลวเสียกอน เมื่ออากาศเหลวเริ่มรอนขึ้น ก็จะเริ่มกลายเปนไอ เมื่อรอนขึ้นมาถึง – 196°C แกสไนโตรเจน จะ ระเหยออกมากอน เพราะอุณหภูมินี้เปนจุดเดือดของแกสไนโตรเจน ตอมาเมื่ออากาศเหลว รอนขึ้น ถึง - 183°C ออกซิเจนจึงจะเริ่มระเหยออกมา หากจับแกสที่ระเหยออกมานี้ไว ณ ความกดดัน 150 เหนือบรรยากาศก็จะบรรจุลงขวดเหล็กได


16

ขวดออกซิเจนเปนขวดเหล็กสีน้ําเงิน ที่ลิ้นตัวขวดจะตองมีเกลียวทอวิตเวอตขนาด ¾ นิ้ว และเปนเกลียวขวาติดอยู ความกดดัน บรรจุแกส 150 บรรยากาศ

รูป 2.10 ขอควรจํา ทุกครั้งที่ทํางานกับขวดออกซิเจน ระวังอยาใหลิ้นหัวขวดและลิ้นลดความดันตองเปรอะ เลอะน้ํามันหรือไขใด ๆ โดยเด็ดขาด แมแตมือนักเรียนตองเปนมือสะอาดไมเปรอะน้ํามัน ขอนี้ตอ ง ระวังอยางมาก มิฉะนั้น อาจมีการระเบิดเกิดขึ้นได การเติมและลดออกซิเจน (Oxidation and Reduction) การเติมออกซิเจน คือการทีส่ ารทําปฏิกิริยาเคมีกับออกซิเจน แลวกลายเปนออกไซด เชน ถานเมื่อเผาไหม กลายเปน แกสคารบอนไดออกไซด ถาน ( C ) 1 โมเลกุล ทําปฏิกิริยากับ ออกซิเจน (0) 1 โมเลกุล หรือ 2 อะตอม ใหแกสคารบอนไดออกไซด 1 โมเลกุล ( CO2) การลดออกซิเจน คือการลดออกซิเจนออกจากโมเลกุล เชน ในการถลุงเหล็กแรเหล็ก คือ เหล็กออกไซด วิธีถลุง ตองเอาคารบอนเขาไปลอออกซิเจนในสินแร เหล็กจะเขามารวมตัวกับถาน คารบอน กลายเปน แกสคารบอนไดออกไซดหนีไปเหลือเหล็กดิบทิ้งไว 2.3.2 ไฮโดรเจน (H2) ไฮโดรเจน เปนแกสไมมีสี ไมมีกลิ่น และไมมีรส ไฮโดรเจนเปนธาตุที่เบาที่สุดในโลก (1 ลิตร หนักเพียง 0.09 กรัม) แกสไฮโดรเจนเปนแกสที่ติดไฟงาย ตรงกันขามกับออกซิเจน ซึ่ง ชวยใหไฟติด แกสไฮโดรเจนที่ฟุงไปในอากาศเปนอันตรายอยางยิ่ง เพราะระเบิดไดงายเพียงแตมี ประกายไฟนิดหนอยแกสไฮโดรเจนที่ฟุงอยูจะทําปฏิกิรยิ าเคมีกับออกซิเจนในอากาศทันที ปฏิกริ ิยาเคมีอันนี้รุนแรงมาก มีความรอน และพลังงานสูง ไฮโดรเจน ไมมีปรากฏเปนแกสเกิดในธรรมชาติ แตจะเกิดเปนสารประกอบรวมกับธาตุ อื่น โดยเฉพาะอยางยิ่ง เกิดอยูในน้ํา น้ํามีอยูทั่วไปทุกหนทุกแหงในโลก วิธีเตรียมไฮโดรเจนจากน้ํา กระทําไดโดยแยกน้ําดวยไฟฟา แกสไฮโดรเจน ทีใ่ ชกันในวงการอุตสาหกรรม เตรียมขึ้นไดหลายวิธี วิธีที่หนึ่งคือ แยกน้ํา ดวยไฟฟา วิธีนี้ตองใชพลังงานไฟฟามาก ถาราคาไฟฟาแพงวิธีนกี้ ็ไมประหยัด อีกวิธีหนึ่งเปน วิธี


17

เตรียม Water Gas ซึ่งเปนแกสที่ประกอบดวย ไฮโดรเจน และคารบอนมอนออกไซด วิธีเตรียม ใหผานไอน้ํา เขาไปทําปฏิกิริยากับถายโคก ที่กําลังรอนแดง แกสไฮโดรเจน ใชในงานเชื่อม ทําปุยแอมโมเนียและใชในกรรมวิธีอตุ สาหกรรมเคมีตาง ๆ อีกมากมาย ขวดไฮโดรเจนเปนขวดเหล็กทาสีแดง ที่ลิ้นหัวขวดจะตองมีเกลียววิตเวอตขนาด W 21.8 ม.ม. / ¼ และเปนเกลียวซายติดอยู ความกดดันบรรจุแกส 150 บรรยากาศ 2.3.3 ไนโตรเจน (N2) ไนโตรเจนเปนแกสไมมีสี ไมมีกลิ่น ไมชวยในการเผาไหม ใชดับไฟได ไนโตรเจนเกิด ในอากาศ สารประกอบของไนโตรเจนพบในสัตวและตนไม ไนโตรเจนเตรียมไดจากอากาศเหลว ในงานชาง ไนโตรเจนใชเปนแกสปกปด (Protective Gas) ในงานเชื่อมบรรจุหลอดไฟ บรรจุขอตอสารเคเบิลโทรคมนาคม และทําปุยแอโมเนีย 2.3.4 คารบอน (C) คารบอน เปนธาตุองคประกอบสําคัญในถานหิน ถานไม และพืชพันธุตนไมตาง ๆ เพชร และกราฟไฟต เปนคารบอนบริสุทธิ์ ที่เกิดเองเปนธรรมชาติ เพชร มีความแข็งมาก ใชสาํ หรับตัดกระจก ในงานโลหะของเรา เพชรใชเปนวัสดุคมมีด ชนิดหนึง่ ผงเพชรเปนผงสารเชิงทราย ที่ดที ี่สุดที่เรามี ใชแตงหนาหินเจียระไนไดราบเรียบมาก

รูป 2.11 วิธีแตงหนาหินเจียระไนดวยเพชร กราฟไฟต นัน้ ลอน แตมีแววมันระยับ มีคุณสมบัติพิเศษดีมากในดานการนําไฟฟา จึงนิยม ใชเปนวัสดุชางไฟฟาอยางแพรหลาย เชน ใชเปนแปรงถาน เปนตน กราฟไฟตไมหลอมละลายเมื่อ ไดรับความรอน เมื่อผสมกับดินแลวปน ขึน้ รูป จะใชเปนฉนวนกันความรอนไดดีมาก ผงกราฟไฟต ที่แขวนอยูในน้ํามัน จะใหน้ํามันหลอลื่นชนิดดีเยี่ยม เพราะกราฟไฟตเปนวัสดุหลอลื่นที่ดีทสี่ ุด อยางหนึ่ง ถานไม และถานโคก เปนถานที่ผลิตขึ้นดวยวิธีอุตสาหกรรม ดวยการกลั่นทําลายไมและ ถานหินตามลําดับ ในที่จํากัดโดยจํากัดอากาศ ทั้งถานไมและถานโคก เปนถานคารบอน


18

ถานคารบอน เปนตัวลดออกซิเจนใชในการถลุงแรไดดี เชน แรเหล็ก และแรตะกัว่ ซึ่งเปน เหล็กออกไซดและตะกั่วออกไซด ณ อุณหภูมิถลุงคารบอนจะดึงออกซิเจนออกจากแรเหล็ก และ แรตะกัว่ มาทําปฏิกิริยากับตนเองไดแกสคารบอนมอนนอกไซด และคารบอนไดออกไซดหนีออกไป ทิ้งเหล็กดิบและตะกั่วดิบหลอมไวในเบาเตาถลุงนั้นเอง 2.3.5 สารประกอบเชิงคารบอน คารบอน รวมกับธาตุอื่น ๆ ไดดี โดยเฉพาะอยางยิ่งกับไฮโดรเจนและออกซิเจน ไดเคยมีผู อนุมานจํานวนสารประกอบเชิงคารบอนเหลานี้ไววา มีจํานวนไมต่ํากวา 300,000 ชนิด ในบรรดา สารประกอบเหลานี้ สารที่สําคัญที่สุดไดแก ก. คารบอนมอนนอกไซด คารบอนมอนนอกไซด เกิดจากปฏิกิริยาเคมีการสันดาปของคารบอนและสารเชิง คารบอนที่สันดาปไมหมด เพราะออกซิเจนไมพอ คารบอนมอนนอกไซด เปนแกสไมมีสีและไมมี กลิ่น แตทวาเปนแกสพิษอยางแรง ในตางประเทศโดยเฉพาะอยางยิ่งในฤดูหนาว ผูร ูเทาไมถึงการณ ตองเสียชีวิตคงเปนจํานวนมากเพราะแกสนี้ บางก็สตารทรถยนตในโรงเก็บที่ปดมิดชิด และบางก็ สตารทเครื่องยนตเดินเครื่องหยุดรถนิ่งอยูก ับที่ กระจกทุกบานปดหมดเพราะหนาว แกสคารบอน มอนนอกไซด ไมสามารถฟุงกระจายออกไปใหเจือจางลงได จึงเกิดเปนอันตรายแกผูที่สูดหายใจ แกสพิษนี้เขาไปในปอด แกสคารบอนมอนนอกไซดทาํ ใหเลือดแข็งตัวอุดทางไหลของกระแสโลหิต โดยเฉพาะอยางยิ่ง ณ บริเวณลิ้นหัวใจ ทีส่ ุดก็เปนอันตรายตอชีวิต แกสคารบอนมอนนอกไซด มีมากในไอเสียจากเครื่องยนต และมีในแกสหุงตมซึ่งเดินมา ตามทอที่จําหนายตามบานฝรั่งในตางประเทศ ขอควรจํา อยาเดินเครื่องยนต และอยาปลอยไอเสียในหองขนาดจํากัดเปนอันขาด แกสคารบอนมอนนอกไซด จัดวาเปนแกสเชื้อเพลิงอยางหนึ่ง เมือ่ ติดไฟจะไดเปลวไฟ สีน้ําเงิน เปลวไฟนี้รอ นมาก ข. คารบอนไดออกไซด (CO2) คารบอนไดออกไซด เปนแกสที่เกิดจากปฏิกิริยาการสันดาปของคารบอนและสารเชิง คารบอนที่สันดาปไดหมด แกสคารบอนไดออกไซด เปนองคประกอบสวนหนึ่งของอากาศ ไมเปน แกสพิษ ไมชวยในการหายใจของมนุษยและสัตว และไมสนับสนุนการสันดาปแตอยางใด ตรงกันขามกลับเปนตัวยาที่ทาํ ใหไฟดับไดดีและรวดเร็วเสียอีก ไฟไหมที่เกิดจากน้ํามันลุกเปนไฟนั้น ใชน้ําดับไมได แตจะดับไดดวยแกสคารบอนไดออกไซดนี้เอง เพราะคารบอนไดออกไซดจะทําให บังเกิดเปนมานแกสกัน้ มิใหออกซิเจนในอากาศเขาไปถึงเปลวไฟได ไฟจึงดับ


19

รูป 2.12 หมอดับเพลิงดวย CO2 แกสในทอไอเสียจากเครื่องยนต มีคารบอนไดออกไซดปนอยูดว ยจํานวนหนึ่ง คารบอนไดออกไซด หนักกวาอากาศมักกองอยูเบื้องลางในหลุมลึก ๆ หรือในเหมืองลึก ขอนี้อาจเปนอันตรายถึงแกชวี ิต เพราะไฟที่จุดสองสวางไว จะเผาไหมเกิดเปนแกส CO2 ซึ่งไมลอย ฟุงขึ้นมา แตจะกองอยูทกี่ นหลุม ทําใหออกซิเจนที่จําเปนตอการหายใจ มีจํานวนนอยลงทุกทีในที่สุด ผูที่อยูเบื้องลางของหลุมก็จะหายใจไมออก หมดสติ หากแกไขไมทันจะเสียชีวิตไปเลย ชางเชื่อมที่ลง ไปเชื่อมที่กนถังบรรจุขนาดใหญ ๆ จะตองระวังและสังวรอันตรายขอนี้ใหมาก คารบอนไดออกไซด เมื่ออัดใหมีความกดดันสูงถึง 35 เหนือบรรยากาศ จะเปนของเหลว มีอุณหภูมิ 0°C แก็สคารบอนไดออกไซด อัดบรรจุลงขวดเหล็กได คารบอนไดออกไซดแข็ง หรือ น้ําแข็งแหง คือ แกสคารบอนไดออกไซดที่อัดดวยความ กดดันสูงมาก มีอุณหภูมิเย็นจัดมากถึง – 80°C ที่เรียกวาน้ําแข็งแหงก็เพราะวาเปนของแข็งเหมือน น้ําแข็งแตเย็นกวา และเมื่อละลาย จะไมบังเกิดเปนน้ําเลย คือจะระเหิดเปนแก็สคารบอนไดออกไซด ทําใหไมเปยกเลอะเทอะ และเปนประโยชนมากในการขนสงทางอากาศ น้ําอัดลมตาง ๆ ที่จําหนายอยูในตลาดเวลานี้ ตลอดจนกระทั่งเบียร จะตองอัดแกส คารบอนไดออกไซดนี้ไวในน้ําดวย เพือ่ ชวยใหรสซาบซา คารบอนไดออกไซดละลายน้ําไดมาก ณ ความกดดันสูง ๆ ทันที่จุกถูกเปดออก ความกดดันภายในขวดลดลงมาเปน 1 บรรยากาศ ณ ความ กดดันนี้ คารบอนไดออกไซด ละลายน้าํ ไมมาก ผลคือ แกสจะปุดออกมาไมละลายในน้ําอีกตอไป สังเกตไดชัดเจน ค. อะซิตีลีน อะซิตีลีน เปนสารประกอบประเภทไฮโดรคารบอน ซึ่งเปนแกสเชื้อเพลิงอยางดีให ความรอนสูงมาก เหมาะสําหรับใชเปนแกสเชื่อม แกสอะซิตีลีนเมื่อเผาไหมใหเปลวไฟสีเหลืองแก วิธีเตรียมแกสนี้ เตรียมไดโดยใหน้ําทําปฏิกิริยากับแคลเซี่ยมคารไบด (CaC2) แคลเซี่ยมคารไบด เตรียมไดในเตาหลอมไฟฟา โดยหลอมปูนขาวกับถานโคก ใหทําปฏิกิรยิ ากัน


20

แกสอะซิตีลีน ที่ใชในงานเชื่อม อาจเตรียมขึ้นใชเองดวยหมอกําเนิดแกส โดยใหน้ํา ทําปฏิกิริยากับแคลเซี่ยมคารไบดนั้นวิธีหนึง่ หรือจะใชแกสที่บรรจุไวในขวดก็ไดอีกวิธีหนึ่ง ขอที่ นักเรียนควรทราบก็คือ แกสที่ออกมาจากในขวดนั้น มิไดเปนอะซิตีลีนอยางเดียว เพราะอะซิตีลีน อยางเดียวนั้น จะอัดใหมคี วามกดดันมากไมได เพราะระเบิดไดงา ย วิธีบรรจุอะซิตีลีนลงขวด จะตองใชอะซีโตน (Acitone) เปนสารละลายแกสอะซิตีลีนอีกทีหนึ่ง จึงจะอัดเขาขวดจํานวน มากกวาปกติได

รูป 2.13 หมอผลิตอะซิตีลีน นอกจากนี้ แกสอะซิตีลีนยังเปนวัตถุดิบสําคัญ ในอุตสาหกรรมเคมีอกี มากสิ่งโดยเฉพาะ อยางยิ่งในกรรมวิธีผลิตพลาสติคชนิด PVC (โปลีไวนิลคลอไรด) แอลกอฮอล กรดน้ําสม และสาร สังเคราะหอื่น ๆ อีกเปนจํานวนมาก ง. สารคารไบด สารคารไบด เปนสารประกอบที่ไดจากคารบอน รวมกับโลหะ เชน เหล็กคารไบด (Fe3C) ซึ่งเปนสารทําใหเหล็กแข็งกวาเหล็กธรรมดา ทังสเตนคารไบด (WC) เปนโลหะแข็ง ใชเปนวัสดุมดี ปาดผิวโลหะ แคลเซี่ยมคารไบด (CaC2) ใชเปนวัตถุดิบผลิตอะซิตีลีน ซิลิกอนคารไบด (SiC) เปนโลหะแข็งอีกชนิดหนึ่ง ใชเปนสารเชิงทรายและวัสดุมีด บอรอนคารไบด (B4C) แข็งกวาซิลิกอนคารไบด 2.3.6 กํามะถัน (S) กํามะถัน เปนธาตุอโลหะมีเกิดตามธรรมชาติ ในบริเวณใกลเคียงกับภูเขาไฟ สหรัฐอเมริกา เปนประเทศทีผ่ ลิตกํามะถันมากที่สุดในโลก กํามะถันเกิดอยูลึกมาก อยูใตพื้นดิน วิธีทําเหมือง


21

กํามะถัน มีหลักเกณฑงาย ๆ คือ สงไอน้ําลงไปตามทอเพื่อทําใหกํามะถันหลอม และแรงดันจากไอ น้ําจะดันกํามะถันขึ้นมาบนพืน้ ดิน

รูป 2.14 เหมืองกํามะถัน นอกจากเกิดเปนกํามะถันตามธรรมชาติแลว กํามะถันยังเกิดรวมกับโลหะอื่นในแรอีกมากมาย สารประกอบระหวางโลหะกับกํามะถัน เรียกวา ซัลไฟต แรซัลไฟต ที่สําคัญ ๆ ไดแก แรเหล็ก ไพไรต (Pyrite) ซึ่งก็คือ FeS2 และแรตะกัว่ ซัลไฟต Pbs เปนตน ทั้ง 2 แรดังกลาวนี้ เปนแร วัตถุดิบสําคัญในการถลุงเหล็ก และตะกั่วตามลําดับ กํามะถัน สันดาปกับออกซิเจนในอากาศ ใหแกสซัลเฟอรไดออกไซด (SO2) ซึ่งมีกลิ่นฉุน รุนแรง กัดเยื่อจมูก มีฤทธิ์ฆาเชื้อโรคไดดี และใชเปนตัวฟอกสี เชน ฟอกเยื่อกระดาษจาก แกสซัลเฟอรไดออกไซด เรามีกรรมวิธีเปลี่ยนเปนกรดกํามะถัน (H2SO4) ซึ่งเปนสารเคมีที่มี ความสําคัญอยางยิ่ง ในวงการอุตสาหกรรม กรดกํามะถันเปนไมเมตรวัดความเจริญของอุตสาหกรรม ในประเทศตาง ๆ ไดดี ประเทศใดทีใ่ ชกรดกํามะถันมาก ประเทศนั้นนับวาอุตสาหกรรมเจริญมาก ประเทศสหรัฐอเมริกา หรือประเทศญี่ปุน ตองใชกรดกํามะถันวันหนึ่ง ๆ เปนพัน ๆ ตัน ประเทศ ไทยเพียงสิบ ๆ ตัน เทานั้น


22

2.3.7 ซิลิกอน (Si) ซิลิกอน เปนธาตุอโลหะ ไมมีพบในธรรมชาติ เปนธาตุแท แตเกิดเปนสารประกอบรวม กับออกซิเจน ที่เรียกวา Silica เชน ทรายและหินควอต เปนตน Silica เปนสารประกอบที่มีมาก ที่สุดในโลก ถึง 2.4 % ของจํานวนเปลือกโลกทั้งหมด ซิลิกอนใชเปน Semi – Conductor ซึ่งเหมาะสําหรับใชเปนวัสดุแปลงกระแสสลับเปน กระแสตรง และวัสดุทรานซิสเตอร สารประกอบของซิลิกอนอื่น ๆ ที่สําคัญ ๆ ไดแก ซิลิโคน และ ซิลิกอนคารไบดซึ่งแข็งและคมมาก 2.4 กรด ดาง และเกลือ สารประกอบสําคัญ ๆ ในวิชาเคมีเบื้องตนนี้ จําแนกไดเปน กรด ดาง และเกลือ 2.4.1 กรด กรดมีฤทธิ์กัด กรดกัดโลหะใหกัดกรอนไดรวดเร็ว กรดเตรียมไดโดยละลายออกไซดของ อโลหะลงในน้ํา เชน กรดดินประสิว (กรดไนตริก) ไนโตรเจนออกไซด + น้ํา กรดกํามะถัน ซัลเฟอรไดออกไซด + น้ํา กรดมีรสเปรี้ยว กรดมีมากมายหลายชนิด บางก็เปนกรดแก บางก็เปนกรดออน กรดแก ไมเหมาะแกการบริโภคเลย เชน กรดกํามะถัน กรดแก ๆ เชนนี้ แมจะละลายน้ําใหเจือจางมาก ฤทธิ์ กัดก็ยังมีมากอยู เปนอันตรายตอหลอดอาหาร และลําไสอยางมาก กรดที่เหมาะแกการบริโภคตอง เปนกรดออน เชน กรดน้ําสม (Acetic Acid) และกรดมะขามเปยก (Tartaric Acid) หรือกรด มะนาว (Citric Acid) กรดเปลี่ยนกระดาษลิตมัสจากสีน้ําเงินเปนสีแดง ก. กรดกํามะถัน Sulfuric Acid (H2SO4) ดังกลาวมาแลว กรดกํามะถันเปนกรดแก สามารถทําปฏิกิริยากับโลหะไดเกือบทุกชนิด เมื่อทําปฏิกิริยาจะคายแกสไฮโดรเจนออกมาและไดโลหะซัลเฟต กรดกํามะถันทีเ่ ขมขนมาก ๆ แลดู ขนเหมือนน้ํามัน ไมมีสี และมีน้ําหนักมาก คุณสมบัติพิเศษของกรดกํามะถันเขมขนคือ มี ความสามารถในการดูดเก็บน้ําจากอากาศที่มีความชื้นมาก เพียงแตผา นอากาศชื้นเขาในกรดกํามะถัน เขมขน ไอน้ําในอากาศก็จะถูกดูดออกมา ทําใหอากาศแหง แตกรดจะเจือจางลงและในขณะเดียวกัน จะมีความรอนเกิดขึ้นเปนจํานวนมาก ในขณะกรดละลายน้ํา ขอควรจํา ในการเจือจางน้ํากรดกํามะถันเขมขน จําไววาอยาเติมน้ําลงในกรดแตใหเติม กรดลงในน้ําแทนการเติมน้ําลงในกรด เพราะเมื่อน้ํานอยกวากรด ความรอนที่เกิดขึน้ มีมาก จะทําให น้ําเดือดกระเด็น พาใหกรดกํามะถันกระเด็นติดไปดวย ซึ่งเปนอันตรายอยางยิ่ง


23

กรดกํามะถัน ใชเติมแบตเตอรี่รถยนต ใชกัดและขัดผิวโลหะใหสะอาดปราศจากสเกล กอนที่จะอาบสังกะสีหรือเคลือบผิวโลหะ นอกจากนีย้ งั เปนวัตถุดิบสําคัญกับอุตสาหกรรมเคมีตาง ๆ อีกเปนจํานวนมาก เชน ใชทําผงซักฟอก ดายทอผา และใชในอุตสาหกรรมน้ํามัน ข. กรดดินประสิว (HNO3) กรดดินประสิว หรือกรดไนตริก เปนกรดแก เมือ่ บริสุทธิ์จะใส ไมมีสี มีกลิ่นฉุน รุนแรง ฟุงไปในอากาศ กรดไนตริกเขมขน ณ อุณหภูมิสูง ๆ จะทําปฏิกิริยากับโลหะไดหมดทุก ชนิด ยกเวน ทอง และทองคําขาวเทานัน้ กรดนีจ้ ึงเปนกรดทีใ่ ชทดสอบแยกโลหะเงินจากทอง เงินนั้นละลายในกรดไนตริก และทองไมละลาย วิธีเตรียมกรดดินประสิว เตรียมไดจากอากาศ คือ ทําใหไนโตรเจนและออกซิเจนใน อากาศทําปฏิกิริยาตอกัน ไดไนโตรเจนออกไซด ซึ่งเมื่อละลายน้ําจะใหกรดไนตริก กรดไนตริก ในวงการอุตสาหกรรมใชเปนตัวเติมออกซิเจน ทําวัตถุระเบิด ทํา เซลลูโลสไนเตรต ซึ่งเปนวัตถุดิบในการทําแลคเกอรและฟลมตาง ๆ ค. กรดเกลือ (HCI) กรดเกลือ เปนกรดแก กรดเกลือเขมขนที่ไมบริสุทธิ์ มีสีเหลือง แตถาบริสุทธิ์จะขาว ไมมีสี และมีกลิ่นฉุนฟุงไปในอากาศ กรดเกลือสามารถทําปฏิกิริยากับโลหะไดเกือบทุกชนิด ในงาน ชางกรดเกลือเจือจางใชสําหรับขัดผิวโลหะใหสะอาด เพื่อเตรียมงานบัดกรี ชวยใหบัดกรีประสาน แผนโลหะติดกันไดแนน ง. กรดกัดทอง กรดกัดทอง เปนกรดที่ไดจากผสมกรดเกลือ 3 สวน กับกรดไนตริก 1 สวน กรดนี้ มีคุณสมบัตพิ ิเศษ คือ กัดละลายทองได ขอควรระวัง น้ํากรดทุกชนิดจะตองเก็บไวในภาชนะกรด มีปายบอกชื่ออยาสะเพราเก็บ ไวในภาชนะบริโภคเปนอันขาด เชน ขวดน้ํา หรือแกวน้ําดื่ม 2.4.2 ดาง ดางเกิดจากออกไซดของโลหะรวมตัวกับน้ํา ดางเมื่อจับดูจะรูสึกลื่นมือและมีฤทธิ์กัด ดาง เมื่อทําปฏิกิริยากับไขหรือน้ํามันพืชจะใหสบู ดางละลายน้ําได ใชสําหรับตมลางไขออกจากผิวโลหะกอนทาสี หรือใชเปนสารฆา เชื้อโรคไดดวย ดางที่สําคัญ ๆ ไดแก โซดาไฟ Caustic (NaOH) ดางโปแตช (KOH) น้ําปูนขาว Ca (OH)2 และน้ําแอมโมเนีย (NO4 OH) ดางเปลี่ยนกระดาษลิตมัสจากสีแดงเปนสีน้ําเงิน ดางทําปฏิกิริยากับกรด ฆาฤทธิ์กันเสมอ เกิดเปนเกลือกับน้ํา


24

2.4.3 เกลือ เกลือไดจากปฏิกิริยาระหวางกรดและดาง โมเลกุลของเกลือประกอบดวยโลหะและ อนุมูลกรด (อนุมูลกรดไดแก ซัลเฟต คลอไรด และไนเตรต เปนตน) ตัวอยางเกลือเคมี ไดแก เกลือแกง - Dodium chloride (NaCI) : เกลือสมุทรหรือเกลือสินเธาว โซเดียมซัลเฟต - Sodium sulfate (Na2SO4) : ยาถาย สังกะสีคลอไรด - Zinc chloride (ZnCL2) : ฟลักซงานบัดกรี แอมโมเนียไนเตรต - Ammonium nitrate (NH NO3) : ปุยเคมีอยางหนึ่ง เมื่อทั้งโลหะสังกะสีลงในกรดเกลือ สังกะสี (Zn) จะทําปฏิกิริยากับกรดไดเกลือสังกะสี คลอไรด (ZnCL2) และแกสไฮโดรเจน Zn + 2 HCL ZnCL2 = H2 เกลือเคมีนั้นมีอยูมากมาย เกลือแตละตัวมีลักษณะใชงานแตกตางกันตามแตลักษณะอาชีพ ปูนยิบซั่มหรือ Plaster of Paris ซึ่งเปนวัสดุกอสราง ทีน่ ิยมกันมากมายในนานาประเทศ ก็คือ เกลือแคลเซียมซัลเฟต (CaSO4) ปูนชนิดนี้ทําปฏิกริ ิยากับน้ํา แข็งตัวได ใชเปนปูนโบกกําแพง ไดดี และสวยงามอยางยิ่ง ในดานงานชางกล เชนงานบัดกรี กอนบัดกรีประสานแผนโลหะตองทําความสะอาดผิว งานเสียกอน ตัวชวยทําความสะอาดผิว เรียกวา ฟลักซ ฟลักซทใี่ ชคือ สังกะสีคลอไรด หรือ แอมโมเนียคลอไรด ซึ่งเปนเกลือเคมีดว ยกันทั้งคู และทั้งสองตัวนี้ใหอนุมูลกรดคลอไรด ทําผิว โลหะใหสะอาดไดดี แผนแบตเตอรีร่ ถยนตเปนแผนตะกัว่ แชอยูในอีเลคโตรไลดน้ํายากรดกํามะถัน ปฏิกิริยา เคมีระหวางแผนตะกัว่ กับกรดกํามะถันเปนตนกําเนิดกระแสไฟเมื่อผลิตไฟไปนาน ๆ ตะกัว่ ก็จะ กลายเปนเกลือตะกัว่ ซัลเฟต PbSO4 มากขึ้นทุกที ถาแผนตะกั่วกลายเปนตะกัว่ ซัลเฟตหมดทั้งแผน ไฟก็จะหมดหมอตองอัดไฟเขาหมอใหม ในขณะที่อดั ไฟเกลือตะกั่วซัลเฟตจะกลับคืนไปเปนตะกั่ว อยางเดิมพรอมที่จะทําปฏิกริ ิยากับกรดกํามะถันใหกระแสไฟไดใหมตอไปอีก

รูป 2.15 ปรากฏการณในแบตเตอรี่รถยนต


25

ในขณะที่นกั เรียนใหบริการแบตเตอรี่รถยนต นักเรียนจะสังเกตุวาที่สายตอขั้วบวกของ แบตเตอรี่มักจะมีตะกรันสีเขียว ๆ จับอยูด ูสกปรก กะกรันนั้นก็คือ เกลือเคมีอยางหนึ่งลางละลาย ออกไดดว ยน้ํา ตะกรันเกิดจากกรดกํามะถันภายในหมอแบตเตอรี่ซึมออกมาและทําใหหวั สายตอขั้ว แบตเตอรี่นั้นถูกกัดกรอนได ลวดเหล็กมวนยาว ๆ ที่ผูผลิตไมประสงคใหเปนสนิมไดงาย ๆ ปองกันไดโดยจุมลวดเหล็ก นั้นลงในน้ํายาจุนสี หรืออีกชื่อหนึ่งคือ น้ํายาเกลือทองแดงซัลเฟต (CuSO4) ทองแดงจากน้ํายาจะ แยกตัวออกมาเคลือบบนผิวเหล็ก ทําใหเหล็กไมมีโอกาสแตะตองกับออกซิเจนในอากาศและจะไม เปนสนิม 2.5 อากาศ อากาศเปนสิ่งที่มีอยูรอบ ๆ ตัวเรา อากาศเปนสารผสมซึ่งประกอบดวยแกสไนโตรเจน 78 % ออกซิเจน 21 % และแกสเฉื่อยอื่น ๆ อีกหลายชนิดรวมกันประมาณ 1 % แกสเฉื่อยตาง ๆ เหลานี้ ไดแก แกสอารกอน นีออน ฮีเลียม คารบอนไดออกไซด และไอน้ํา อากาศจํานวน 1 ลิตร วัด ณ 0°C และความกดดันปกติ จะมีน้ําหนัก 1.29 กรัม มนุษยและสัตวใชอากาศหายใจ ซึ่งตองหายใจนําออกซิเจนเขาไปในรางกาย เพือ่ ทําปฏิกิริยา เผาไหมกับคารบอนและไฮโดรเจน เปลี่ยนเปนคารบอนไดออกไซดและไอน้ํา ดังปรากฏในลมหายใจ ขาออก ที่เราทราบวาในลมหายใจขาออกนั้นมีทั้งคารบอนไดออกไซดและไอน้ํา พิสูจนไดงาย ๆ โดย ก. หายใจออกผานทอลงไปในน้ําปูนใส น้ําปูนใสนัน้ จะขุนเกิดเปนตะกอนหินปูนแสดงวามี แกสคารบอนไดออกไซดผานเขาทําปฏิกิริยาจึงเกิดเปนหินปูนขึ้น (ดูรูป 1.16) ข. หายใจออกใหลมหายใจผานลงบนแผนกระจกเย็น ๆ กระจกจะฝา เพราะไอน้ําใน ลมหายใจขาออกกลั่นตัวเปนหยดน้ํา

รูป 2.16 ในลมหายใจออกมีแกสคารบอนไดออกไซดปนอยูดว ย


26

อากาศเปนวัตถุดิบในการเตรียมแกสออกซิเจน เพื่อบรรจุลงขวดเหล็กใชในงานเชื่อมและใช ใหแกสออกซิเจนแกคนเจ็บตามสถานพยาบาลตาง ๆ อากาศทําเปนอากาศเหลวได โดยใชกรรมวิธี ของลินเดอร (Linde Process) อัดอากาศใหมีความกดดันสูงถึง 200 บรรยากาศ อากาศเหลวมี อุณหภูมิต่ํามากถึง - 200°C เปนตัวใหความเย็นอยางดี จากอากาศเหลวนีจ้ ะกลั่นแกสออกซิเจน ออกมาบรรจุขวดก็กระทําได ออกซิเจนในอากาศเปนตัวเสริมใหมีสันดาป เครื่องยนตทุกแบบจะทํางานไมไดเลยหากใน อากาศไมมีออกซิเจน เพราะเครือ่ งยนตทุกเครื่องตองใชเชื้อเพลิง น้ํามันหรือแกสสันดาปกับ ออกซิเจนในอากาศภายในหองสูบ เกิดเปนกําลังงานดันลูกสูบลงไปขับเพลาขอเสือ ทําใหผลิต ตนกําลังได จรวดทีย่ ิงขึ้นไปสูง ๆ จําเปนจะตองพกออกซิเจนติดตัวขึ้นไปดวย เพราะขางบนนั้น ออกซิเจนจางมากหรือไมมีเลยยิ่งถาหากเลยเขตธรณีของโลกออกไป ออกซิเจนที่พกไปคือ ออกซิเจน เหลว (ไมใชอากาศเหลว) วิธีที่จะทดลองวาออกซิเจนสนับสนุนการสันดาป สาธิตไดโดยวางเกล็ดฟอสฟอรัสไวในขวด บนผิวน้ํา (ดูรูป 2.17) ขวดนี้เปนขวดมีจุกปด จํากัดจํานวนอากาศไวภายในขวด ฟอสฟอรัสมี คุณสมบัติพิเศษ คือสามารถลุกติดเปนไฟในอากาศไดเอง ขณะลุกติดไฟก็จะดึงออกซิเจนเขามาหาตัว เมื่อเผาไหมหมดระดับน้ําในขวดจะสูงขึน้ แสดงวาแกสบางสวนในอากาศที่ถูกจํากัดไวภายในขวด หายไป แกสที่เหลืออยูก ็คือแกสไนโตรเจนเปนสวนมาก ฟอสฟอรัสทําปฏิกิริยากับออกซิเจน ใหฟอสฟอรัสออกไซดซึ่งละลายในน้ําไดดี ปริมาตรของแกสที่เหลืออยูจะมีปริมาตรประมาณ 4/5 เทา ของปริมาตรเดิม

รูป 2.17 ฟอสฟอรัสลุกไหมรวมกับออกซิเจนในอากาศไดเอง นักเรียนคงจะสงสัยวา ก็เมือ่ มนุษยจํานวนพัน ๆ ลานคน สัตวอีกหลายพันลาน และ เครื่องยนตกลไกตาง ๆ ในโลกนี้ก็มีไมนอย ออกซิเจนก็จะตองถูกใชหมดไปเปนจํานวนมาก คงจะมี วันหนึ่งกระมังที่ออกซิเจนจะหมดไปจากโลก ขอนี้อธิบายไดวา ออกซิเจนไมมีทางหมดไปจากโลก


27

เพราะอากาศนัน้ มีประมาณในโลกอยูมากมายเหลือเกินอยางหนึ่ง และอีกอยางหนึง่ ธรรมชาติมีวิธี ปองกันเรื่องนีไ้ วอยางดีดว ย กลาวคือ ตนไม และพืชแทบทุกชนิด เปนตัวผลิตแกสออกซิเจนใหแก โลกทั้งนั้น อากาศเปนวัตถุดิบที่สําคัญอยางหนึ่ง ในวงการอุตสาหกรรม อากาศใชเปนตัวหลอเย็นใน เครื่องผลักความรอน (Heat Exchanger) ตาง ๆ ไดดี เชนเครื่องยนตที่หลอเย็นดวยอากาศ เปนตน ในปจจุบนั อากาศเหลวซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 200°C กําลังมีบทบาทมากในตางประเทศ รถไฟก็ดี รถบรรทุกที่ดีก็ตองมีหองเย็นเก็บอาหารสด หรือสิ่งอื่น ๆ ที่ตองเก็บ ณ อุณหภูมิเย็นจัด ๆ กําลังหัน มาใชอากาศเหลวแทนการใชเครื่องทําเย็น เพราะสะดวกกวาไดความเย็นมากเทากัน และที่สะดวก ที่สุดก็คือ ไมมีชิ้นสวนใดตองหมุนและกระเทือนหนัก วิธีบํารุงรักษาสะดวกมาก 2.6 น้ํา น้ําที่เกิดตามธรรมชาติ ไมเปนน้ําบริสุทธิ์เลย น้ําตามแมน้ําลําคลองจะมีดินโคลน และ ทรายละเอียดติดมาทําใหน้ําดูเปนสีน้ําตาล ยิ่งกวานัน้ ยังมีสารแขวนตะกอนอืน่ ๆ สารอินทรียตาง ๆ เชน เศษซากสัตว เศษผาเนา และเกลือละลาย เชน หินปูนตาง ๆ ติดมาดวยอีกจํานวนมาก การทํา น้ําใหบริสุทธิ์ จึงตองใชกรรมวิธีลักษณะตาง ๆ ใหแยกสารสกปรกและสารตาง ๆ ที่ตดิ มากับน้ํา ออกไปได แมแตน้ําฝน ซึง่ คนไทยนิยมดื่มเพราะสะอาดตอการบริโภค แตในแงวชิ าเคมีแลว น้าํ ฝน ก็ยังไมใชน้ําบริสุทธิ์ เพราะมีฝุนละออง และแกสคารบอนไดออกไซดละลายปนอยูด ว ยไมมากก็นอย น้ําบริสทุ ธิ์เตรียมไดโดยวิธกี ลั่น น้ําประปา ไมใชน้ําบริสุทธิ์ แตเปนน้ําที่สะอาด เหมาะแก การบริโภค เพราะไดขจัดสิ่งโสโครก หินดินละลายตาง ๆ โดยวิธีกรองออกหมด ตลอดจนไดฆา เชื้อโรคแลวอีกดวยแกสคลอรีน น้ํากลั่น เปนน้ําบริสุทธิ์ เพราะในขณะกลั่นเราตองใหความรอนแกน้ํา สวนที่เปนน้ํา จะระเหยเปนไอไป ทิ้งสิ่งตาง ๆ ที่อยูใ นน้าํ ไวเบื้องหลัง ไอน้ําที่ระเหยพนไป ก็จะผานมาถึงหมอดับ ไอกลั่นตัวใหม เปนหยดน้ําอีกหนหนึ่งจึงไดน้ําบริสุทธิ์ วิธีกลั่นน้ําเชนนี้ เปนปรากฏการณธรรมชาติดวยอยางหนึ่ง เหมือนกันความรอนจาก ดวงอาทิตย ทําใหน้ําในทะเล แมน้ําลําคลองตาง ๆ กลายเปนไอลอยขึ้นขางบน กลายเปนเมฆและ ปรากฏเปนฝนตก กลับลงสูพื้นโลกใหมอกี ครั้งหนึ่ง การกลั่น เปนกรรมวิธีที่ทําใหเราแยกน้ําออกจากของเหลวชนิดอื่น ๆ ไดอีกดวย เชน การ กลั่นแอลกอฮอล เปนตน น้ํานั้น ณ อุณหภูมิปกติ เปนของเหลวใส ไมมีสี ไมมีรส ไมมีกลิ่น มีจุด แข็ง 0°C และจุดเดือด 100°C สวนแอลกอฮอลมีจุดเดือดประมาณ 80°C เมือ่ เรากลั่นสารผสม แอลกอฮอล – น้ํา วิธีกลั่นคือ ใหความรอนแกสารผสม เมื่อรอนใกล 80°C แอลกอฮอลจะระเหย เปนไอออกมากอน ถาเราดับไออันแรกนี้เราก็จะไดแอลกอฮอล ดวยวิธีนี้เองกรรมวิธีการกลั่นจึงมี บทบาทอยางมากในวงการอุตสาหกรรม ที่ตองมีการแยกของเหลวตางชนิดกันออกจากกัน


28

น้ําเมื่อกลายเปนน้ําแข็ง จะมีปริมาตรมากขึ้น น้ําปริมาตร 10 สวน เมื่อกลายเปนน้ําแข็งจะมี ปริมาตร 11 สวน ดวยเหตุนี้เอง น้ําแข็งจึงลอยน้ํา เพราะน้ําแข็งมีความหนาแนนนอยกวาน้ํา การที่ ปริมาตรของน้ํากับน้ําแข็งแตกตางกันเชนนีท้ ําใหมีบทบาททางงานชางเปนอยางมาก ถาเราเก็บน้ําไว ในภาชนะปด และภาชนะนัน้ บรรจุน้ําไวเต็มพอดี หากน้ําภายในภาชนะนัน้ แข็งตัว ภาชนะจะระเบิด ออกไดเพราะแรงขยายตัวของน้ํานั่นเอง แรงขยายตัวเพราะปริมาตรนี้รุนแรงมาก น้ําไมจัดวาเปนอาหารของมนุษยหรือสัตว แตตองจัดวาเปนสารละลายที่จําเปนที่สดุ ตอชีวิต ชีวิตที่ปราศจากน้ําจะเปนชีวติ อยูไมไดเลย ในวงการอุตสาหกรรม น้ําก็มีบทบาทอยูม าก ทั้งเปนวัตถุดิบ และวัตถุชวยงานตั้งแตระบบ น้ําเลี้ยงหมอน้าํ น้ําหลอเย็น ตลอดจนกระทั่งน้ําที่ตองใชในกรรมวิธีตาง ๆ 2.7 น้ําเลี้ยงเขาหมอ น้ําเลี้ยงหมอน้าํ คือ น้ําทีป่ อนเขาหมอน้ํา เพื่อตมใหเดือนเปลีย่ นสภาวะเปนไอน้ํา ใชเปน พาหนะสงพลังขับ และพลังความรอนภายในโรงงาน น้ําเลี้ยง โดยปกติเปนน้ําผสมระหวางน้ําเลี้ยงกลั่น (Condensate) กับน้ําเลี้ยงดิบ (Raw Feedwater) น้าํ เลี้ยงกลั่น คือน้ําที่กลั่นตัวจากไอน้ํา สวนน้ําเลี้ยงดิบ คือ น้ําเลี้ยงใหม ที่ใชผสมลงไป เพื่อรักษาปริมาณน้ําเลี้ยงใหคงที่สม่ําเสมออยูตลอดเวลา น้ําเลี้ยงหมอน้าํ จะตองสะอาด เปนน้ําออน ไมกระดาง มีความเปนดางภายในพิกัด น้ําเลี้ยงที่ ผิดลักษณะจะทําใหบังเกิดปญหาตาง ๆ ดังนี้ 1. หากมีความกระดางมาก หรือมีสารละลายในน้ําเลี้ยงเกินพิกดั จะทําใหเกิดตะกรันติดบนแผน สเกลกับผนังทอไอน้ําในหมอน้ํา ผลคือ ทอจะหนาขึ้น และกัน้ ความรอนมิใหผานไปถึงน้ําไดมาก เชนเดิม ปริมาณผลิตไอน้ําจะลดลง 2. อาจทําใหเกิดการกัดกรอนภายในหมอน้ําเร็วเกินควร 3. อาจเดือดเปนไปในลักษณะที่เกิดฟองมากเกินควร 2.8 ลักษณะสําคัญของน้าํ เลี้ยง โรงงานอุตสาหกรรมที่ไดมาตรฐานทุกโรง จะตองมีระบบผลิตน้ําเลี้ยงหมอน้ําแทนที่จะสงน้ํา ดิบ ๆ เขาหมอน้ําโดยตรง วิธีผลิตน้ําเลี้ยงโดยพิสดารนัน้ เกินขอบเขตของวิชานี้ และจะไมขอกลาวถึง แตลักษณะสําคัญ ๆ ของน้ําเลี้ยงที่นักเรียนควรทราบมีดังนี้ 1. น้ําเลี้ยงหมอน้ําความกดดันสูง ๆ จะตองทําใหสะอาดหมดจดมากกวาน้ําเลี้ยงหมอน้ําความ กดดันต่าํ 2. น้ําเลี้ยงจะตองเปนน้ําออน ยิ่งออนที่สุดยิ่งดี ความกระดางของน้ําดูไดงาย ๆ จากรายการวิเคราะหน้ํา ความกระดางอานไดจาก Total hardness ซึ่งมักเขียนบอกไวเปนจํานวน ppm ของ CaCo (1 ppm = 1 part per million = 1 mg / liter) แลวเทียบกับตารางขางลางนี้


29

ความกระดางของน้ํา Total Hardness (ppm, CaCO3) ชนิดของน้ํา นอยกวา 15 น้ําออนมาก ๆ 15 – 60 น้ําออนธรรมดา 61 – 120 น้ํากระดางปานกลาง 121 – 180 น้ํากระดาง มากกวา 180 ขึ้นไป น้ํากระดางมาก ๆ 3. น้ําเลี้ยงตองเปนดางนิดหนอย การทําน้ําเลี้ยงใหเปนดาง กระทําไดโดยเติมโซเดียมคารบอเนต หรือโซเดียมฟอสเฟตละลาย ลงในน้ํา โดยมีสัดสวนภายในพิกดั มิฉะนั้นจะเปนดางมากเกินไปซึ่งกลับกลายเปนโทษ การที่น้ําเลี้ยงเปนดาง จะชวยใหการสเกลที่ผนังทอลดนอยลงไดมาก เพราะสเกลที่เกิดคือ CaCO3 ซึ่งจะไมมีบทบาทมากเลย หากน้ําเลี้ยงเปนดาง วิธีทําน้ําเลี้ยงดวยเปอรมิวทิต

รูป 2.18 เครื่องผลิตน้ําออนดวยเปอรมิวทิต วิธีทําน้ําเลี้ยงที่แพรหลายทีส่ ุดคือใช เปอรมิวทิต (Permutil) เปอรมิวทิตเปนสารพิเศษที่มี อํานาจแลกเปลี่ยนไอออน ions กับน้ํากระดางได น้ํากระดางนั้นกระดางไดเพราะมีไอออน Ca++ และ Mg++ อยูในน้ํา ซึ่งอาจจะตกตะกอนกลายเปน CaCO3 หรือ MgCO3 ได สารเปอรมิวทิตมี อนุมูลโซเดียม Na++ อยูในตัวเมื่อมีน้ํากระดางและ Ca++ ผานมา เปอรมิวทิตจะแลก Na++ ออกไป ใหน้ําและดึง Ca++ กับ Mg++ ออกมาจากน้ํา น้ําเมื่อหมด Ca++ และ Mg++ ไป ก็กลายเปนน้ําออน ใชเปนน้ําเลี้ยงไดทันที


30

เปอรมิวทิต เมือ่ ใชไปนาน ๆ ก็จะหมดคุณภาพ เพราะมีแต Ca++ ไมมี Na+ ดังเดิม เมื่อถึง สภาวะเชนนีเ้ ราสามารถกลับคุณภาพเดิมได โดยผานน้าํ เกลือมีเกลือ NaCI ละลายอยูมากเขาไปแทน Na+ จากน้ําเกลือก็จะไปแลก Ca++ ออกมาจากเปอรมิวทิต 2.9 การกัดกรอน (Corrosion) การกัดกรอน คือ ปฏิกิริยาทางเคมี หรือ ปฏิกิริยาทางไฟฟาเคมีระหวางโลหะกับสิ่งแวดลอม - การเกิด corrosion จะเกิดขึน้ ทุกทีท่ ี่มีการใชโลหะ เพียงแตอัตราการกัดกรอนจะมาก หรือนอยขึ้นอยูกับสิ่งแวดลอม - ‘Motto’ ภาษิตของ Corrosion To have the right metal used in the right way in the right place

รูปแสดง Metallurgy in recerse - การกัดกรอนเปนปรากฏการณทางธรรมชาติอยางหนึ่ง กลาวคือ สินแรตา ง ๆ ที่มีอยูบนพื้น โลกเปนสภาพที่มีเสถียรภาพอยูแลว เมื่อนําสินแรนั้นมาถลุงเปนเนื้อโลหะบริสุทธิ์ ทําใหเกิดความไม มีเสถียรภาพขึน้ ฉะนั้นโลหะที่ไมมเี สถียรภาพเหลานัน้ จึงพยายามกลับคืนสูสภาพเดิมซึ่งมีเสถียรภาพ ถลุง Fe2O3 Fe + คารบอน สินแรธรรมชาติ โลหะ เติมสาร ∴ Oxide ของ Fe เปนสภาพ stable กวาตัวโลหะ Fe - ถาโลหะมีโอกาสกลับกลายเปน Oxide ก็คือ การเกิด Corrosion คา Electro - chemical potential Metal oxide คาสูง, stable Metal คาต่ํา, unstable - King of Metals หรือ Metal of Kings คือ ทอง (Gold) เพราะตัวโลหะทอง (Au) จะมีคา E.P. สูงกวา oxide ของมันเอง (Au2O) ∴ ทองจะเงางามตลอดเวลาโดยไมเกิดสนิม

สูงกวา เชน


31

Condition 3 ขอของการเกิด Corrosion : 1. สภาพแวดลอมเปน Electrolyte ที่มี iron เพื่อให electron วิ่งครบวงจร เชน อากาศ, ความชื้น 2. มี Anode และ Cathode 3. มี Metallic path ซึ่งโลหะเปนตัวนําที่ดีอยูแลว e′ สามารถวิ่งไดครบวงจร ∴ เมื่อมีสภาพครบทั้ง 3 ขอ จะทําใหสามารถเกิด Corrosion ขึ้นได กระบวนการทางไฟฟาเคมีของการกัดกรอน

การกัดกรอนของโลหะที่อยูในสารละลายนัน้ มีลักษณะการเปลี่ยนแปลงซึ่งประกอบดวย ปฏิกิริยา Oxidation และ Reduction Oxidation : เกิดที่ขั้ว Anode สมการ M Mn + + ne′ สูญเสีย e′ ; โลหะเกิดการกัดกรอน Reduction : เกิดที่ขั้ว Cathode 2 M2O สมการ 4 M+ + O2 + 4 e′ รับ e′ ; โลหะคงสภาพเดิม


32

ตารางที่ 1 Standard Emf Series ของโลหะ Metal – metal ion equilibrium Au - Au 3+ Pt - Pt 2+ Pd - Pd 2+ AG - AG + Hg - Hg 2+ Cu - Cu 2+ H - H+ Pb - Pb 2+ Sn - Sn 2+ Ni - Ni 2+ Co - Co 2+ Cd - Cd 2+ Fe - Fe 2+ Cr - Cr 3+ Zn - Zn 2+ Al - Al 3+ Mg - Mg 2+

Electrode potential St 25°C, Volts + 1.498 + 1.2 + 0.987 + 0.799 + 0.788 + 0.377 0.000 - 0.126 - 0.136 - 0.250 - 0.277 - 0.403 - 0.440 - 0.744 - 0.763 - 1.662 - 2.363

หมายเหตุ : Emf serier คือ Electromotive Force Series ตาราง Standard Emf Series เปนตารางแสดงคุณสมบัติการเปนโลหะมีตระกูล (Noble metal) และโลหะไมมีตระกูล (Active metal) โดยพิจารณาจากคาความตางศักยเมื่อเทียบกับคาความ ตางศักยมาตรฐานที่มีคาเปนศูนย (ใช hydrogen electrode เปนมาตรฐาน ความตางศักยมาตรฐานที่ 25°C ในกรณีไฮโดรเจนจะมีคาเทากับศูนย)


33

Galvanic Effect ถาเปนโลหะแผนเดียวกันก็เกิด Galvanic effect ไดเหมือนกัน

∴ ในตัวมันเองจะมีการสราง Anode และ Cathode ขึ้น จึงสามารถกัดกรอนกันเองได และในกรณีของเหล็กกลา (Steel) ที่มีโครงสรางเปน Ferrite และ Cementite ตัว Ferrite ทําตัวเปน Anode และตัว Cementite ทําตัวเปน Cathode จึงสามารถทําใหเกิด Corrosion ได โลหะ 2 ชนิดมาตอกัน ตอกันอยางไรจึงจะเกิด Corrosion นอยสุด ตัวอยาง : Fe, Zn, Al คา E.P. สูง ต่ํา กรณีที่ 1 ∴ ตองเปลี่ยน 2 แผน


34

กรณีที่ 2 ∴ เปลี่ยนเพียง 1 แผน

แผนเหล็กอาบสังกะสี สังกะสีจะคลุมแผนเหล็กไวอยางสมบูรณและเหล็กจะเปน Cathode ซึ่งไมถูกกัดกรอน แตการกัดกรอนนัน้ จะปรากฏขึ้นที่สังกะสี แมวาถาสังกะสีถูกขีด (Scratch) ก็ตาม มันก็ยังเปนตัวปองกันการกัดกรอนของเหล็กอยู

ในทางตรงกันขาม แผนเหล็กอาบดีบุก ดีบุกจะคลุมแผนเหล็กไวอยางสมบูรณและจะเปนตัว ปองกันการกัดกรอนของเหล็ก แตถาหากวาดีบุกถูกขีดเปนรอยเขาลึก (Scratch) ก็จะทําใหเหล็ก ถูกกัดกรอนจากสภาพแวดลอม (เชน อากาศซึ่งมีออกซิเจนหรือน้ํา) โดยดีบุกจะทําหนาทีเ่ ปนตัว Cathode แตเหล็กจะเปนตัว Anode ซึ่งเหล็กจะถูกกัดกรอนไป


35


36

Metal Corrosive Combination คือการที่โลหะและสภาพแวดลอมชุดหนึ่ง เมื่อใชงานไปแลว โลหะจะมีความตานทานตอ การกัดกรอน (Corrosion resistance) ดีทสี่ ุด และมีราคาถูกที่สุด (Economic) Metal 1. Stainless steel 2. Ni และ Ni - Alloy 3. Moncl 4. Mastelloy 5. Steel 6. Pb 7. Al 8. Sn 9. Ti หรือ Stainless steel ที่มี Mo 6 % 10. Ta

Corrosive HO3 Na OH HF HCl H2 SO4 เขมขน (98 %) H2 SO4 เจือจาง (5 - 10% ) บรรยากาศทั่ว ๆ ไป น้ํากลั่น น้ําทะเล ใชงานไดทกุ สภาวการณ

Passive และ Protective film ออกซิเจนทําใหเกิด Corrosion และมีผลให corrosion rate สูงขึ้นแตบางกรณีเมื่อ O2 เพิ่มขึ้น จะทําใหเกิด Protective film ขึ้นมาปกคลุมผิวของโลหะเอาไว โลหะนั้นจะอยูในสภาพ เฉื่อย (Passive state) ทําใหไมเกิดปฏิกิรยิ าการกัดกรอนตอไป หรืออัตราการกัดกรอนชามาก เรา เรียกวา Passive เชน ในอลูมิเนียมจะเกิด Al2 O3 film, เหล็กกลาไรสนิม จะเกิด Cr2 O3 film แตในกรณีของเหล็กกลา (Steel) จะเกิด film ของออกไซด ซึ่งก็คือสนิมเหล็ก (Fe2 O3) เปน film oxide ที่หลุดออกงาย ๆ ไมเกาะติดอยางเหนียวแนนกับผิวเหล็ก จึงทําใหเกิดการกัดกรอน ตอไปไดเรื่อย ๆ เราเรียกวา สภาพวองไว (Active state)


37

รูปแบบของการกัดกรอน (Eight Forms of Corrosion) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

มี 8 รูปแบบคือ : Uniform corrosion หรือ General attack Galvanic corrosion หรือ Two metal corrosion หรือ Bimetallic corrosion Crevice corrosion Pitting corrosion Intergranular corrosion Selective leaching หรือ Dealloying หรือ Parting Erosion corrosion Stress corrosion cracking


38


39

1. Uniform corrosion

รูปที่ 2.19 การกัดกรอนอยางสม่ําเสมอ เปนแบบของการกัดกรอนที่พบมากที่สุด การกัดกรอนจะเกิดตลอดแนวผิวหนาของโลหะ โดยสม่ําเสมอ ไมไดเกิดเจาะจงในบริเวณใดบริเวณหนึ่ง ไมสามารถจะแยกออกไดวาบริเวณใดของ ชิ้นโลหะมีสภาพเปน Anode หรือ Cathode การกัดกรอนแบบนี้เกิดจากการสัมผัสกับสารละลายที่มี ฤทธิ์กัดกรอน กลาวคือ โลหะไมถูกกับสภาวะสิ่งแวดลอมที่ใชงาน - เปนการกัดกรอนที่ไมนาเปนหวง เพราะเราสามารถควบคุมได กลาวคือ เราสามารถดู ความหนาของโลหะไดวาถูกกัดกรอนไปมากนอยเพียงใด เชน เหล็กกลา (Steel) เปน Metal Corrosive Combination กับ H2 SO4 เขมขน แตถานําเอาเหล็กกลาไปใชกับ กับ H2 SO4 เจือจาง จะเกิด corrosion กัดกรอนไปทุก ๆ จุดอยางสม่ําเสมอ - รถยนตเปนสนิม, สีปูดขึ้นมา ก็จัดเปน Uniform corrosion การปองกัน 1. ใชโลหะใหถูกตองกับงานนั้น ๆ (Metal Corrosive Combination) To have the right metal used in the right way in the right place 2. ใชพวก coating เชน metallic coating, organic coating 3. ใชสารยับยั้ง (Inhibitor) เปนน้ํายาทีใ่ สลงไปในสารละลายเพื่อทําใหโลหะถูกกัดกรอน นอยลง 4. ใชวิธี Cathodic protection


40

2. Galvanic corrosion

รูปที่ 2.20 การกัดกรอนแบบกัลวานิก เปนการกัดกรอนที่เกิดเนื่องจากโลหะสองชนิดมีคาความตางศักยแตกตางกันอยูใ กลกนั และ อยูใน Electrolyte ดวย สภาวะที่ทําใหเกิด Galvanic corrosion 1. โลหะ 2 ชนิด อยูด วยกัน 2. มี Anode และ Cathode 3. มี Electrolyte 4. มี Metallic path - ถาเอาโลหะ 2 ชนิดมาอยูติดกัน แตไมมี Electrolyte เชน ในอวกาศ จะไมเกิด corrosion ขึ้น ขอควรสังเกต 1. โลหะ 2 ตัว ถายิ่งหางกันมากใน Galvanic series จะทําให corrosion rate สูงมาก เชน Mg กับ Au 2. บริเวณที่ตดิ กันของโลหะ 2 ตัว จะเกิด corrosion มากกวาบริเวณที่หางออกไป 3. อัตราสวนของพื้นที่ของ Anode กับ Cathode ถาพื้นที่ Cathode มาก และโดยที่มพี นื้ ที่ของ Anode นอย อัตราการกัดกรอนก็จะสูง เนื่องจากมีตวั รับ electron มาก เพราะการผลิต electron ทําใหเกิดการละลายของเนื้อโลหะเร็วขึ้น ทําใหอัตราการกัดกรอนสูง แตถาพื้นที่ของ Cathode นอย และพื้นที่ของ Anode มาก จะเกิด corrosion ชามาก


41

ตัวอยาง : ในกรณีของหมุดย้ํา (Riset), Cu มีคาความตางศักยสูงกวา Fe Cathode Anode Cu OOOOOOO Cathode เล็ก เหล็ก (Fe) O Fe O Anode ใหญ จะถูกกัดกรอนเล็กนอย OOOOOOO Fe OOOOOOO O Cu O OOOOOOO

Cathode ใหญ Anode เล็ก

หมุดย้ําที่ทําดวยเหล็ก (Fe) จะถูกกัดกรอนไป หมดเลย

ตัวอยาง : การเชื่อม (Welding) เวลาเชื่อมตองใชลวดเชื่อมที่ grade สูงกวาโลหะ ชิ้นงาน เพื่อจะใหรอยเชื่อมเปน Cathode (Cathode เล็ก, Anode ใหญ) เวลาเชื่อมถาใชลวดเชื่อมที่มี grade ต่ํากวาโลหะ ชิ้นงาน รอยเชื่อมจะเปน Anode ซึ่งถือวาไมดี (Cathode ใหญ, Anode เล็ก) การทาสี(Painting) (Painting)โลหะ โลหะ ๒2 ตัตัววตตอกัน ตัวตัอยวอย าง า:ง :การทาสี เวลาทาสีควรทาที่ Cathode เพราะเมื่อตรง Cathode ถูกกระเทาะเปนรอยเล็ก ๆ จะเกิดเปน Cathode เล็ก, Anode ใหญ ซึ่ง Corrosion เกิดนอย เพราะเมื่อตรง แตถาทาสีที่ Anode จะไมดี Anode ถูกกระเทาะเปนรอยเล็ก ๆ จะเกิดเปน Cathode ใหญ, Anode เล็ก ซึ่ง Corrosion เกิดมาก


42

Table 11 – 1 Galvanic Series of Some Metals in Seawater Magnesium and magnesium alloys CB 75 aluminum anode alloy Zinc B605 aluminum anode alloy Galvanized steel or galvanized wrought iron Aluminum 7072 (cladding alloy) Aluminum 5456, 5086, 5052 Aluminum 3003, 1100, 6061, 356 Cadmium Anodic 2117 aluminum rivet alloy Or Least Noble Mild steel - Active Wrought iron Cast iron Ni-Resist 13 % chromium stainless steel, type 410 (active) 50-50 lead tin solder 18-8 stainless steel, type 304 (active) 18-8 3% NO stainless steel, type 316 (active) Lead Tin Muntz metal Manganese bronze Naval brass (60% coper - 39% zinc) Nickel (active) 78% Ni – 13.5% Cr – 6% Fe (Inconel) (active) Yellow brass (65% copper – 35% zinc) Admiralty brass Aluminum bronze Red brass (85% copper – 15% zinc) Copper Silicon bronze Cathodic 5% Zn – 20% Ni – 75% Cu or Most Noble 90% Cu – 10% Ni - Passive 70% Cu – 30% Ni 88% Cu – 2% Zn – 10% Sn (composition G-bronze) 88% Cu 3% Zn – 6.5% Sn – 1.5% Pb (composition M-bronze) Nickel (passive) 78% Ni – 13.5% Cr – 6% Fe (Inconel) (passive) 70% Ni – 30% Cu 18 – 8 stainless steel type 304 (passive) 18 – 8 3% Mo stainless steel, type 316 (passive) Hastelloy C Titanium Platinum From F. L. Le Que, “Introduction to Corrosion,” National Association of Corrosion Engineers, Houston, Texas, 1970, p. 2. 7.


43

การปองกัน : อาจจะใชเพียง 1 วิธี หรือหลายวิธีรวมกันไดโดย 1. เลือกวัสดุใหมีคาความตางศักยใกลเคียงกัน เชน Au กับ Pt 2. หลีกเลี่ยงอัตราสวนของพื้นที่ของ Cathode กับ Anode โดยปรับใหพื้นที่ทั้งสอง ใกลเคียงกัน 3. ใชฉนวนกัน้ ในบริเวณทีใ่ ชโลหะตางชนิดมาสัมผัสกัน ดังรูป

4. เติมสารยับยั้ง (Inhibitor) ลงไปใน Electrolyte เพื่อลดความรุนแรงของสิ่งแวดลอม 5. เลือกและออกแบบใหโลหะมีความหนามากขึ้น หรือทําใหชิ้นงานที่เปน Anode นั้น สามารถทําการเปลี่ยนไดงาย เพื่อสะดวกในการบํารุงรักษา 6. ใชวัสดุตัวที่สาม ซึ่งทําตัวเปน Anode กับตัวโลหะทั้งสอง เพื่อใหเกิดการกัดกรอนแทน กันได (Cathodic protection ซึ่งแบงออกเปน 2 วิธี คือ 1. Sacrificial anodes 2. Impressed current)


44

3. Crevice corrosion เปนการกัดกรอนบริเวณอับ มักเกิดการกัดกรอนแบบนีใ้ นบริเวณที่สัมผัสกับน้ําหรือของเหลว เชน บริเวณรอบตะเข็บเชื่อม, บริเวณหนาแปลนติดกับปะเก็น และบริเวณหมุดย้ํา การกัดกรอน แบบนี้เกิดจากบริเวณดังกลาวมีสารละลายอยูในปริมาณความเขมขนสูง ซึ่งอาจจะมีฤทธิ์เปนกรดหรือ ดาง ทําใหเกิดการกัดกรอนขึน้ ได


45

กลไกของการเกิดปฏิกิริยาเกิดจากความแตกตางของความเขมขนของโลหะอิออน ความเขมขนของออกซิเจน ระหวางบริเวณชองวาง (Crevice) และสิ่งแวดลอมใกลเคียง ปฏิกิริยาตัวอยางไดแก เหล็กจุมในน้ําทะเล

หรือ

M + + e′ เกิดขึน้ ที่ Anode

Oxidation : M ปฏิกิริยาการกัดกรอน

Reduction : O2 + 2 H2O + 4 e′

4 OH- เกิดขึ้นที่ Cathode

ตอนแรก ปฏิกิริยาเกิดขึ้นทัว่ ไปตลอดพืน้ ที่ e′ จะกระจายทั้งในโลหะและสารละลาย พอ เวลาผานไปออกซิเจนที่ชองแคบ (Crevice) จะถูกใชหมดไป ทําใหปฏิกิริยา reduction ในบริเวณนี้ หยุดลง ถาพื้นที่นั้นเล็กมากเทียบกับพืน้ ที่ภายนอก อัตราเร็วของการกัดกรอนภายในและภายนอก ชองแคบเกือบเทากัน ปฏิกริ ิยารวมเกือบจะไมเปลีย่ น ปฏิกิริยา reduction จะหยุด แลวปฏิกริ ิยา oxidation คือการละลายของโลหะจะยังดําเนินตอไป ไดรับโลหะอิออน M + มากขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อที่จะใหเกิดสภาวะสมดุลจะมีการเคลือ่ นที่ของคลอไรดอิออน (Cl - ) เขาไปรับ e′ เพราะการ เคลื่อนที่ของคลอไรด (Cl - ) ไวกวา ไฮดรอกไซด (OH – ) เปนผลใหไดโลหะคลอไรด (MCl) สูงขึ้น แตพวกเกลือของโซเดียมและโปแตสเซี่ยม หรือเกลือของโลหะของคลอไรดและซัลเฟต สามารถจะแตกตัวในน้ําใหปฏิกิริยาดังนี้ สมการ M + Cl - + H2 O

MOH

+ H + Cl Free acid

ตกตะกอน

ตัวทําลาย

จากโลหะคลอไรดจะใหพวกไฮดรอกไซดตกตะกอนออกมาและไดกรดอิสระ ตัว Free acid (HCl) จะไปเรงปฏิกิริยาการกัดกรอนใหเร็วขึ้น ทําใหชอ งแคบเกิดการกัดกรอนไดรวดเร็ว


46

วิธีปองกัน 1. ถามีการยึดโลหะ 2 แผนเขาดวยกันควรใชการเชื่อมมากกวา bolt and nut 2. ปดพวกมุมอับหรือพื้นที่อบั หรือรอยแยกตาง ๆ ดวยการเชื่อมปด 3. การออกแบบภาชนะพยายามใหมกี ารถายเทของเสียไดงาย หลีกเลีย่ งมุมฉากหรือพื้นที่อับ เพราะจะทําใหปองกันการตกตะกอนของพวกของแข็งตาง ๆ ที่กนภาชนะ 4. ตรวจตราเครื่องมือ, อุปกรณ และหมัน่ ทําความสะอาดเพื่อกําจัดสารตกคางออกใหหมด 5. ออกแบบใหเกิดสิ่งแวดลอม, สารละลายมีความเขมขนเสมอกันทุกจุด ไมมกี ารไหล ยอนกลับ หรือบางสวนมีความเขมขนกวาสวนอื่น 6. เลือกใช gasket ที่ไมดดู ขับของเหลว เชน Teflon, ยางแข็ง


47


48

4. Pitting corrosion เปนการกัดกรอนแบบเปนหลุมที่ลึกเขาไปในเนื้อโลหะจนเปนรู หลุม หรือบอเล็ก ๆ เกิด เนื่องจากชัน้ ปกคลุมที่ปองกันการกัดกรอน (Protective layer) บนพืน้ ผิวโลหะเสื่อมสลายตัว จึงทํา ใหเกิดการกัดกรอนเฉพาะแหงขึ้น บริเวณใดที่ชนั้ ปกคลุมแตกและแยกออก จะมีสภาพเปน Anode บริเวณที่ชนั้ ปกคลุมยังมีสภาพดีจะมีสภาพเปน Cathode ดังนั้น ในบริเวณที่เปน Anode ก็จะเกิด การกัดกรอน ถูกกัดลึกลงไปเรื่อย ๆ

รูป 2.21 การกัดกรอนแบบเปนหลุม

ขบวนการเกิด Pitting สามารถอธิบายดวยทฤษฎีของ Crevice corrosion นั่นคือ เมื่อเกิดรู (Pit) บนเนื้อโลหะ การเกิด corrosion จะเปนเชนเดียวกันกับ Crevice corrosion ดังรูป


49

วิธีปองกันการเกิด Pitting corrosion : 1. เลือกใชโลหะที่มี Pitting resistance สูง ขอแนะนําของการเลือกวัสดุที่ใชปองกัน Pitting corrosion นอย การเพิ่มความตานทาน การกัดกรอนแบบ Pitting มาก 2. ใชสารยับยั้ง (Inhibitor) ชวย

SS. 094 SS. 316 (มี Mo = 2%) Hastelloy SS. (มี Mo > 6%) Titanium


50


51


52

5. Intergranular corrosion เปนการกัดกรอนตามขอบเขตเกรน ถาโลหะเกิดการกัดกรอนตรงบริเวณขอบเกรนจะวองไว กวาในบริเวณภายในเกรน บางสภาวะตรงบริเวณขอบเกรนจะวองไวตอปฏิกิริยาแลวเกิดการกัดกรอน แบบ intergranular corrosion ขึ้น ทําใหโลหะนัน้ เกิดการสูญเสียคุณภาพ ตลอดจนความแข็งแรง ของวัสดุ สาเหตุ Intergranular corrosion เกิดจากสิ่งแปลกปลอมที่ขอบเกรนหรือการที่มีปริมาณของโลหะ ผสมมากหรือนอยไมสม่ําเสมอในบริเวณขอบเกรน เชน ปริมาณของเหล็กในอลูมิเนียม ทําใหเกิด การแยกตัวที่บริเวณขอบเกรน มีผลใหเกิด intergranular corrosion หรือในกรณีทเี่ หล็กกลาไรสนิม มีปริมาณโครเมียมตางกันตรงบริเวณขอบเกรนและภายในเกรนเปนผลใหเกิด intergranular corrosion ในเหล็กกลาไรสนิม

Austenitic Stainless Steel เหล็กกลาไรสนิมจะเกิดการเสื่อมสภาพเมื่อนําไปใชงานในชวงอุณหภูมิ 950° - 1,450°F (Sensitized temperature) จะเกิด intergranular corrosion ไดงายที่สดุ


53

วิธีแกไขหรือปองกันการเกิด Intergranular corrosion : 1. การอบชุบ (Heat Treatment) โดยกอนนําชิ้นงานที่ผานการหลอหรือขึ้นรูปมาเผาที่ 10,000°C เพื่อใหโครเมียมคารไบด (Cr23 C6) สลายตัวและกลายเปนสารละลายของแข็ง (Solid solution) ในโครงสราง Austenite จากนั้นทําใหเย็นโดยรวดเร็วโดยการชุบในน้ํา (Watrer quenching) เพื่อไมใหโครเมียมและคารบอนมีโอกาสรวมตัวกันเปนคารไบดไดอีก 2. ควรหลีกเลี่ยงการอบคืนตัว (Tempering) หรือเผาเหล็กในชวงอุณหภูมิ 650° - 700°C เพราะจะทําใหอะตอมของคารบอนสามารถเคลื่อนไหวแพรซึม (Diffusion) ไปรวมกับโครเมียมเกิด โครเมียมคารไบด (Cr 23 C 6) ตามบริเวณขอบเกรนได 3. ลดปริมาณของคารบอนในเหล็กใหตา่ํ จนถึงปริมาณ 0.03% เพื่อใหคารบอนละลายเปน สารละลายของแข็ง (Solid solution) ไดหมด ไมมีสวนเกินมารวมกับโครเมี่ยมเปนโครเมียมคารไบด 4. เพิ่มปริมาณโครเมียมใหสูงมาก ๆ อาจจะสูงถึง 18 – 20 % Cr เพือ่ ใหมีโครเมียมเหลืออยู ไมต่ํากวา 12% Cr ตามขอบเกรน 5. ผสมธาตุบางตัวลงไป เชน Ti, Nb, Mo, W และ V ลงไปดึงคารบอนเสียเพื่อจะได ไมไปรวมกับโครเมียม ธาตุดังกลาวจะเปนธาตุที่มีการรวมตัวสัมพันธ (Affinity) กับคารบอนสูง มากกวาโครเมียม Weld decay เปนการผุที่รอยเชื่อม เปนกรณีหนึ่งของ Intergranular corrosion ที่เกี่ยวของกับการเชื่อม เรียกวา Weld decay ในงานเชื่อมเหล็กกลาไรสนิม เราจะพบวาบริเวณหางจากรอยเชื่อมประมาณ 25 มม. จะเกิด เปนแนวกวาง (Band) ซึ่งจะถูกกัดกรอนไดงายเมื่อนําไปใชงาน เนื่องจากบริเวณนี้จะมีอุณหภูมิอยู ในชวง 650°- 700°C ทําใหเกิด (Cr 23 C 6) ดังนั้นงานที่ตองการเชื่อมจะตองนําไปทําการอบชุบ ดวยความรอนภายหลังการเชือ่ มกอนที่จะนําไปใชงาน ถาทําการอบชุบความรอนยากลําบากเพราะ ชิ้นงานโตจะตองเลือกเหล็กชนิดที่มีปริมาณโครเมียมสูง หรือคารบอนต่ํา หรือประเภทที่ผสม Ti หรือ Nb เพื่อปองกันการเกิด intergranular corrosion ภายหลัง


54

6. Selective leaching เปนวิธีกําจัดสารตัวหนึ่งออกจากโลหะผสม (Alloy) โดยใชขบวนการทางการกัดกรอน หรือบางทีเรียกวา Dealloying คือปรากฏการณที่ธาตุใดธาตุหนึ่งโดยเฉพาะละลายหลุดออกมาจาก โลหะผสม (Alloy) หรือบางทีก็เรียกวา Parting ตัวอยางที่รูจักดีคือในทองเหลือง (Cu – Zn) ใน กรณีที่ธาตุหลุดออกมา คือ สังกะสีทอี่ ยูในโลหะผสมของทองเหลือง ผลที่ตามมาก็คือ ทําให ทองแดงที่เหลืออยูมีลักษณะเปนรูพรุนเต็มไปหมด (Spongi) ปรากฏการณที่เกิดกับโลหะผสมของ ทองเหลืองนี้เรียกวา Dezincification ซึ่งเกิดขึ้นกับทองเหลืองชนิด Yellow brass ซึ่งมี 70% Cu และ 30% Zn

Figure 11 – 15. Dealloying in the form of dezincification of a brass valve stem; zinc has been removed from the surface, leaving weak copper.

กลไกของปรากฏการณ Dezincification สามารถอธิบายได 2 แบบ คือ วิธีที่ 1 : โลหะทั้ง 2 ตัวคือ Cu, Zn ละลายเขาไปใน Electrolyte และตอมา Cu กลับเขามาฝง ตัวใหม (Redeposit) เพราะ Cu มี E.P. มากกวา Zn วิธีที่ 2 : ใหเปรียบเทียบ E.P. ของ Cu, Zn ตอนที่เปนโลหะผสม Zn มี E.P. ต่ํากวา จึงเปน Anode ถูกละลายกัดกรอน และทิ้ง Cu บริสุทธิ์เหลือเอาไวมีลักษณะเปนรูพรุน จึงทํา ใหขาดความแข็งแรงไป วิธีปองกัน 1. ปองกันโดยพยายามลดความรุนแรงของสารละลายหรือสิ่งแวดลอม เชน กําจัด O2 หรือ โดยวิธี Cathodic protection 2. มีการปรับปรุงทองเหลืองโดยการเติม 1% ดีบุกเขาไปในทองเหลือง (70 - 30) และมีการ เติมพวกสารหนู (As), พลวง (Sb) หรือฟอสฟอรัส (P) ซึ่งเปนพวกสารยับยั้ง ยกตัวอยาง เชน Arsenial Admiralty Brass ประกอบดวย 70% Cu, 29% Zn, 1% Sn และ 0.04% As เปนพวก สารยับยั้งจะไปเคลือบผิวของโลหะผสมในลักษณะของฟลม (Protective film)


55

7. Erosion corrosion เปนการกัดกรอนแบบกัดเซาะที่เกิดจากการที่ของเหลวไหลผานดวยความเร็วสูงจนทําใหเกิด การกัดเซาะเขาไปในเนื้อโลหะที่ของเหลวไหลผานในบางครั้งเกิดการกัดเซาะเนื่องจากผิวหนาโลหะ ไมเรียบ

รูป 2.22 การกัดกรอนแบบกัดเซาะ

สาเหตุ : Erosion corrosion เกิดจากการเคลื่อนไหวของ corrosive fluid โดยที่ corrosion product จะเกิดขึน้ กอนเปนฟลม ปกปอง (protective film) แตตอมาถูก corrosive fluid ที่เคลื่อนไหวอยางรุนแรง มีผลใหพัดเอา Protective film หลุดออกไป ตัวอยาง เชน Pb เปน Metal Corrosive Combination กับ H2 SO4 เจือจาง กรณีที่ 1

ในกรณีที่กรด H2 SO4 เจือจางไหลภายในทอ Pb อยางธรรมดา จะทําใหเกิด Protective film ของ Pb SO4 ซึ่งมีเสถียรภาพดี ปกปองไมใหเกิดการ กัดกรอนตอไป

กรณีที่ 2

ในกรณีที่กรด H2 SO4 เจือจางไหลภายในทอ Pb อยางรุนแรงโดยมี Pump ชวยเมื่อเกิด Protective film ของ Pb SO4 แลว ความแรงของ กระแสของไหลจะทําให film หลุดออกไป แลวเกิด film Pb SO4 อีก สลับไปเรื่อย ๆ จน ทําใหเกิด Erosion corrosion


56

ตัวแปรที่มีอิทธิพลตอการกัดกรอนแบบ Erosion corrosion : 1. Surface film film ที่เกิดขึ้นนี้เปน corrosion product ถามีความแข็งแรงและหลุดยาก โลหะนัน้ จะทนตอ Erosion corrosion ไดดี film ที่ผิวของชิ้นงานจะมีลักษณะของ protective film พวกโลหะที่มีความสามารถทนตอ การกัดกรอนโดยการสรางเปน film ขึ้นนั้น จะตองขึน้ อยูกับความเร็ว หรือความรวดเร็วทีจ่ ะสราง film เมื่อสัมผัสกับสิ่งแวดลอมพวก film ที่แข็ง, ความหนาแนน และเกาะติดแนนอยางดีจะปองกัน ไดดีกวา film ที่ถูกทําลายไดโดยงาย สําหรับพวกตะกัว่ จะสรางฟลมเปนพวกตะกัว่ ซัลเฟตออกไซด (Pb SO4) เปนฟลมปองกัน (Protective film) ในพวกสารละลายของกรดกํามะถัน แตถาในกรดที่แรง ๆ พวก Pb SO4 ก็จะ ละลาย ดังนั้น film ก็จะปองกันการกัดกรอนที่จะเกิดขึน้ ไมได สําหรับเหล็กกลาคารบอน (Plain Carbon Steel) เมื่อสัมผัสกับความชื้น, น้ํา, ออกซิเจน จะถูกกัดกรอนไดอยางมาก แตนํามาใชเปนทอของหมอน้ํา (Boiler tube) เนื่องจากภายในทอซึ่งน้ําวิ่ง จะเกิด film ของ Magnetite Fe3 O4 ขึ้นบนผิวของทอเหล็ก เปน Protective film ปองกันการ กัดกรอน สภาพที่จะทําใหเกิด Fe3 O4 film คือน้ําใน Boiler ตองมีสภาพเปนดาง, PM ขึ้นอยูก ับ ความดัน (Pressure) ที่ใชงาน และมีออกซิเจนละลายอยูนอยกวา 0.007 ppm จะชวยทําใหเกิด Fe3 O4 film ขึ้นได Titanium เกิด film ของ Ti O2 เปน Protective film ที่มีเสถียรภาพดีมาก เพราะฉะนั้นจึงเปนโลหะที่มคี วามตานทานตอการกัดกรอนแบบ Erosion ไดดี โดยเฉพาะเมื่อใช งานในน้ําทะเล, สารละลายคลอไรด, ไอของ MNO3 เปนตน 2. Flow velocity เมื่อความเร็วสูงขึ้น อัตราการกัดกรอนก็จะสูงขึ้นดวย


57

3. Turbulence (ความปนปวน)

การไหลอยางรุนแรง (Turbulence flow) จะเปนตัวกอใหเกิดการกวนอยางรุนแรงที่ผิวของ โลหะมากกวาการไหลอยางราบเรียบ (Laminar flow) การไหลแบบปนปวนจะทําใหเกิดการสัมผัส ระหวางสิ่งแวดลอมกับโลหะแบบใกลชิดกันมาก ชิน้ งานที่เกีย่ วของกับสภาวะการปนปวน เชน impeller, propeller 4. Impingement (การชนกระแทก)

การชนกระแทกของของไหลจะทําใหเกิดการกัดกรอนดีขนึ้ 5. Galvanic effect ในบางครั้งโลหะบางตัวจะทนไดในสภาพของ fluid ที่ใชงานอยู แตถามีโลหะตัวอืน่ มาทํา ใหเกิด Galvanic effect แลว Erosion corrosion จะทวีความรุนแรงขึ้น เชน SS. 316 ถาอยูใน H2 SO4 ที่เคลื่อนดวยความเร็วสูงจะสามารถทนได แตถาในระบบมี Pb อยูดวย จะพบวา SS. 316 จะมีผลของ Galvanic จากตะกัว่ และผลของ Erosion ดวย


58

วิธีการปองกันหรือบรรเทาความรุนแรงใหนอยที่สุดของการเกิด Erosion : 1. เลือกใชวัสดุโลหะที่เหมาะสม โดยใชวัสดุที่มีความตานทานตอการกัดกรอนแบบ Erosion corrosion 2. การออกแบบระบบการไหลใหดี หลีกเลี่ยง Turbulence และ Impingement เชน ขยายขนาด เสนผาศูนยกลางของทอเพื่อลดความเร็วลง, เปลี่ยนจากการไหลแบบปนปวนเปนการไหลแบบ ราบเรียบ 3. เปลี่ยนสภาพของสารละลาย เชน กรองสารแขวนลอย (Suspended particle) ในของไหล (Fluid) 4. การเติมสารยับยั้ง (Inhibitor) 5. การลดอุณหภูมิ 6. การเคลือบผิว (Coating) ใชการเคลือบผิวปองกันเนื้อโลหะ (Fresh) ที่สัมผัสกับสารละลาย ถา มีการเสียหายก็สามารถซอมแซมไดดว ยการเชื่อม (Mard - facing)


59

8. Stress corrosion Cracking (S.C.C.) เปนการกัดกรอนเนื่องจากแรงเคนภายใน ซึ่งการกัดกรอนของโลหะในบริเวณที่มีเคนสะสม อยูภายในเนื้อโลหะจะมากกวาบริเวณอื่น ๆ ซึ่งบริเวณนี้จะถูกกัดกรอนไดงายที่สุด เพราะภายในเนื้อ เหล็กมีสภาพตึงเครียดจากแรงเคนที่ไดรับอยางเปนประจํา อิออนบางชนิดผสมคลอไรดอิออน ทําให เกิดการกัดกรอนชนิดนีไ้ ด

S.C.C. เปนการกัดกรอนแบบหนึง่ ซึ่งมีผลมาจาก combination ระหวาง stress กับ corrosive media stress ที่วามานี้มักจะไมมากนักและมักจะต่ํากวา citical design stress แตอยูใน corrosive media ลักษณะของการแตกจะเปนแบบแตกเปราะ (Brittle fracture) ซึ่งอาจจะเปน แตกผานเกรน (Transgranular) หรือแตกตามขอบเกรน (Intergranular)

stress ในที่นี้ไมจําเปนตองเปน External stress อาจจะเปน Internal stress หรือ residual stress (Working)


60

กลไกของ S.C.C. กลาวคือ corrosive media ไปทําใหโลหะเกิด micro crack กอนแลว stress ที่มีอยูจะไป ทําให micro crack เติบโตขึ้น จะกระทั่งทําใหเกิดการแตกหักในที่สุด (Fracture)

วิธีการปองกัน 1. ทําการลดให stress ต่ํากวา Critical stress ของโลหะนัน้ ๆ ใน corrosive media นั้น ๆ 2. หลีกเลี่ยง corrosive media ที่จะทําใหเกิด Stress corrosion ได 3. เปลี่ยนชนิดของโลหะผสม 4. ทํา Cathodic protection 5. การเติมสารยับยั้ง (Inhibitor) การปองกันการกัดกรอน (Corrosion Control) การปองกันการกัดกรอนโดยทั่วไป อาจจะทําไดโดยวิธีตา ง ๆ ดังนี้ ก. วิธีเพิ่มความตานทานการกัดกรอนใหกบั วัสดุ เชน การทําเคลือบผิวในของภาชนะบรรจุ ข. การขจัดองคประกอบในการกัดกรอนในสภาวะแวดลอมใหหมดไปหรือลดลง ค. การออกแบบปองกัน และการเลือกใชวัสดุใหเหมาะสม 1. การปองกันการกัดกรอนโดยการปรับสภาวะแวดลอม มี 2 วิธี 1. วิธีการขจัดตัวประกอบที่จะเรงการกัดกรอน 2. วิธีเติมตัวประกอบที่จะควบคุมการกัดกรอน


61

1.1 การขจัดตัวประกอบที่จะเรงการกัดกรอน ก. การขจัดความชื้น ข. การขจัดสวนประกอบที่เปนอันตรายในอากาศ (O2) และออกซิเจนในน้ํา ค. การปรับ pH 1.2 การใชสารยับยั้งการกัดกรอน ก. Anodic inhibitor ข. Cathodic inhibitor ค. Adsorption inhibitor 2. การแยกโลหะจากสภาวะแวดลอมเพื่อปองกันการกัดกรอน 2.1 การเคลือบดวยโลหะ 2.2 การเคลือบดวยสารอนินทรีย 2.3 การเคลือบดวยสารอินทรีย 3. การปองกันโดยใชไฟฟา 3.1 Cathodic protection การปองกันการกัดกรอนแบบ Cathodic แบบนี้ คือ ทําใหโลหะหรือโครงสรางที่ ตองการปองกันการกัดกรอนแทนทีจ่ ะเปน Anode ซึ่งจะเกิดการกัดกรอนไดก็เปลี่ยนเปน Cathode แทน วิธีการทําได 2 วิธี คือ 1. Sacrificial anodes หาโลหะอื่นทีว่ องไว (Active) มากกวา หรือมีคาความตางศักยต่ํากวาในตาราง Emf มา สัมผัสไวกับโลหะที่ตองการปองกัน เมื่อทําใหครบวงจรแลว โลหะที่ตองการปองกันก็จะทําหนาที่ เปน Ca thode แทน และโลหะที่นํามาเกาะไวกจ็ ะเปน Anode ซึ่งเกิดการกัดกรอนไดแทน 2. Impressed current ใหกระแสไฟฟาจากภายนอกบังคับใหโลหะที่ตองการปองกันเปน Cathode โดยปริมาณ กระแสไฟฟาจะตองสูงมากพอที่จะเอาชนะความตางศักยของโลหะนั้น ๆ 3.2 Anodic protection อาศัยหลักการใชกระแสจากภายนอกทําใหโลหะที่ตองการปองกันเปน Anode และเกิด ฟลมปองกัน (Protective film) บนผิวของ Anode เพื่อใหลดอัตราการกัดกรอนใหนอ ยลง


62


63


64


65

บทที่ 3 กรรมวิธีการถลุง สกัด และการแปรรูป 3.1 การถลุงโลหะเหล็ก โลหะเหล็กเปนโลหะที่สําคัญยิ่งตออุตสาหกรรมชนิดตาง ๆ โลหะเหล็กเปนโลหะที่มีการ นํามาใชผลิตชิ้นงานตาง ๆ อยางแพรหลาย โลหะเหล็กถูกพบโดยทั่วไปในทุก ๆ พื้นที่ของโลกในรูป ของแรธรรมชาติ แรเหล็กที่ถูกคนพบแบงออกตามคุณภาพของแรเหล็กไดดังนี้ 1. แรเหล็กแมกนีไทต (magnetite) มีสูตรเคมีคือ Fe3O4 มีปริมาณเหล็ก 45 ถึง 70 % 2. แรเหล็กเฮมาไทต (hematite) มีสูตรเคมีคือ Fe2O3 มีปริมาณเหล็ก 40 ถึง 65 % 3. แรเหล็กไลโมไนต (limonite) มีสูตรเคมีคือ Fe2O3nH2O มีปริมาณเหล็ก 40 ถึง 60 % 4. แรเหล็กไพไรต (pyrite) มีสูตรเคมีคือ FeS2 มีปริมาณเหล็ก 60 ถึง 65 % 5. แรเหล็กไซเดอไรต (siderite) มีสูตรเคมีคือ FeCO3 มีปริมาณเหล็ก 25 ถึง 40 % ในการถลุงแรเหล็กเพื่อที่จะไดโลหะเหล็กมีการถลุงทางตรงและการถลุงทางออม การถลุงแร เหล็กทางตรงจะไดเหล็กดิบที่มีชื่อวาเหล็กพรุน (sponge iron) และการถลุงแรเหล็กทางออมจะได เหล็กดิบที่เรียกวาพีกไอรอน (pig iron) เหล็กดิบที่ไดจากการถลุงทั้งสองวิธียังเปนเหล็กที่มีคุณภาพต่ํา เนื่องจากยังมีสารเจือปนอยูอ ีกมาก ไมมีความเหมาะสมที่จะนําไปผลิตเปนชิ้นงาน จึงตองนําไปหลอม ใหมเพื่อกําจัดสารเจือปนที่ไมตองการออกพรอม ๆ กับการเติมธาตุชนิดตาง ๆ เขาไปเพื่อเพิ่มคุณภาพ ของเหล็ก แลวจึงนําไปผลิตเปนชิ้นงานดวยกรรมวิธีตาง ๆ 3.1.1 การถลุงแรเหล็กทางตรง โดยการนําเอาแรเหล็กที่ไดผานการแยกแรแลวผสมกับฟลักซ (flux) ไดแก หินปูนใสเขาไป ในเตาแลวใหความรอนแกแรเหล็ก เชื้อเพลิงที่ใชอาจจะเปนถานโคก (ถานโคกคือถานหินที่ถูกเผาไล กาซออกซิเจนออกแลวใชเปนเชื้อเพลิง) กาซธรรมชาติ น้ํามันเชื้อเพลิงที่อุณหภูมิเตาต่ํากวาจุดหลอม ละลายของเหล็กดิบ ออกซิเจนจะถูกดึงออกจากเหล็กดิบแตไมหมดเมื่อนําเอาแรเหล็กออกมาจากเตา จะไดเหล็กพรุนแข็งที่มีคารบอนประมาณ 1.5 % และจะนําเอาเหล็กพรุนมาคัดแยกดวยแมเหล็ก เหล็ก พรุนที่ผานการคัดแยกแลวจะถูกนํามาบดเปนผงดวยเครื่องบดแลวนํามากดอัดเปนแทง ถาเหล็กพรุน ถลุงจากแรเหล็กที่มีคุณภาพสูงจะนําไปหลอมละลายเปนเหล็กเหนียวและเหล็กกลาตอไปในเตาโอ เพน – ฮารท (open hearth ) หรือเตาไฟฟา (electric furnace ) แตถาเหล็กพรุนถลุงจากแรเหล็กที่มี คุณภาพต่ํา ก็อาจนําไปถลุงอีกครั้งโดยทางออมในเตาสูง (blast furnace ) ดังแสดงในรูป 3.1


66

รูป 3.1 กระบวนการถลุงแรเหล็กทางตรงเพื่อผลิตเหล็กพรุนจากแรเหล็ก 3.1.2 การถลุงแรเหล็กทางออม ความเจริญกาวหนาทางเศรษฐกิจและทางเทคโนโลยีทําใหมีความตองการผลิตภัณฑที่ไดจาก เหล็กเพิ่มขึ้นเปนจํานวนมาก การถลุงแรเหล็กทางตรงซึ่งเปนวิธีการที่เคยใชกนั มาในสมัยแรก ๆ ไม สามารถใหความคุมคาแกการลงทุนทางเศรษฐกิจ ปจจุบันจึงนิยมถลุงแรเหล็กทางออม ซึ่งคุมคาแก การลงทุนทางเศรษฐกิจมากกวา การถลุงแรเหล็กทางออมจะถลุงแรเหล็กในเตาสูง ซึ่งจะทําใหได เหล็กดิบพีกไอรอน และจะนําเหล็กดิบพีกไอรอนไปถลุงอีกครั้งในเตาเบสเซเมอร (bessemer furnace) เตาโอเพน – ฮารท และเตาไฟฟา ซึ่งจะไดเหล็กเหนียวและเหล็กกลา และเมื่อนําไปถลุงในเตาคิวโพลา (cupola furnace) จะไดเหล็กหลอ 3.1.3 เตาสูง เตาสูง (blast furnace) จะมีลักษณะเปนปลองสูง ตอนบนของเตาเสนผานศูนยกลางจะเล็ก และจากตอนบนลงมายังตอนลางตัวเตาก็จะกวางออกเรื่อย ๆ และจะเรียวเล็กลงอีกเมือ่ ถึงฐานตอนลาง ตัวเตาจะมีความกวางประมาณ 8 เมตร และสูงประมาณ 60 เมตร (ดูรูป 3.2) มีการถลุงแรเหล็กอยู


67

ตลอดเวลา และจะไดเหล็กดิบประมาณวันละ 700 ถึง 1,600 เมตริกกรัม ตัวเตาสูงจะประกอบดวยสวน ตาง ๆ ดังนี้ 1. สวนบนของเตา เปนปลองที่มีฝาครอบรูปกรวย 2 ชั้น เปนที่สําหรับเทแรเหล็กฟลักซ และ ถานโคกลงไปในเตา สวนบนของเตานี้ยังเปนสวนที่ใหกาซรอนที่เกิดจากปฏิกิริยาภายในเตาออกไป จากเตา กาซรอนนี้จะถูกนําไปอุนอากาศที่จะบรรจุเขาไปในเตาใหรอนประมาณ 700 ถึง 1,000 องศา เซลเซียส เพื่อเปนการประหยัดเชื้อเพลิง สวนบนของเตานี้ภายในจะเรียงดวยอิฐทนไฟที่มีความแข็ง มาก เพื่อรับแรงกระแทกจากการเทแรเหล็ก ถานโคกและหินปูน 2. ปลองเตา สวนนี้จะมีเสนผานศูนยกลางกวางขึ้น โครงเปลือกดานนอกทําดวยเหล็ก ภายใน เรียงดว ยอิฐทนไฟ สวนปล องเตาเปนส วนที่แร เหล็ก ถานโคก และฟลั กซ เริ่มไดรับความรอน มี อุณหภูมิประมาณ 200 ถึง 480 องศาเซลเซียส 3. สวนแรเหล็กเริ่มหลอมละลาย สวนนี้จะมีเสนผานศูนยกลางโตที่สุด แรเหล็กถานโคก และฟลักซไดรับความรอนเพิ่มมากขึ้น มีอุณหภูมิประมาณ 480 ถึง 1,500 องศาเซลเซียส 4. สวนหลอมละลาย เปนบริเวณที่ไดรับความรอนมากที่สุด เปนบริเวณที่เกิดการหลอม ละลายของแรเหล็ก ถานโคก และฟลักซ สวนนี้รูลมจะผานเขามาภายในเตาเพื่อเผาไหมเชื้อเพลิง บริเวณนี้จะเรียงดวยอิฐทนไฟชนิดพิเศษที่ทนอุณหภูมิไดสูง (1,930 องศาเซลเซียส) บริเวณนี้จะมีการ ใชน้ํามาระบายความรอนเพื่อไมใหอุณหภูมิของเตาสูงเกินไป 5. กนเตา เปนบริเวณที่รองรับน้ําเหล็กดิบและกากโลหะ (slag) โดยกากโลหะจะลอยอยูเหนือ น้ําเหล็กดิบ และที่กนเตาจะเจาะรูไว 2 รู รูที่อยูสูงกวาเปนรูสําหรับเอากากโลหะออก และรูที่อยูต่ํากวา เปนรูสําหรับเอาน้ําเหล็กดิบออก 6. พื้นเตา เปนบริเวณที่กอดวยอิฐทนไฟสูงจากฐานรากขึ้นมา เปนสวนที่ปดกั้นตัวเตา 7. ฐานราก เปนสวนที่ตองสรางใหแข็งแรงที่สุด เพราะจะตองรับน้ําหนัก ตัวเตาแรเหล็ก ถาน โคก หินปูนประมาณวันละ 7,000 ตัน สรางดวยคอนกรีตเสริมเหล็ก ตีเสาเข็มฝงลึกลงไปในพื้นเตาดิน และโผลพนพื้นดิน และโผลพนพื้นดินขึ้นมา ดังแสดงในรูปที่ 2.2 8. เตาเผาอากาศ อากาศที่จะเขาไปในเตาสูงจะตองถูกเผาใหรอนกอน โดยใชกาซรอนที่ ออกมาจากปากปลองของเตาที่มีกาซคารบอนมอนอกไซด เพื่อเปนการประหยัดเชื้อเพลิง ดังแสดง ในรูปที่ 2.2 9. อุปกรณบรรจุและลําเลียง เปนอุปกรณที่บรรจุแรเหล็ก ถานโคก และฟลักซสงผานสาย ลําเลียงขึ้นไปยังสวนบนของเตาและเทลงไปในเตา ดังแสดงในรูปที่ 2.2


68

รูป 3.2 ภาพตัดของเตาสูงและอุปกรณควบคูเตาเพื่อชวยในการทํางานของเตาสูง 3.1.3.1 การเตรียมแรเหล็ก ถานโคก และฟลักซ แรเหล็กที่ขุดไดสวนใหญจะยังมีสิ่งเจือปนมากับแรเหล็กอยูมาก ทําใหเปนแรเหล็กที่มี คุ ณ ภาพต่ํา อยู จึ งยั ง ไม ส ามารถใส เ ข า ไปในเตาสูง ได เพราะจะทํ า ให เ กิ ด การสิ้ น เปลื อ งพลั ง งาน เนื่องจากจะไดปริมาณเหล็กดิบนอยและไมมีคุณภาพ จึงตองมีการเตรียมแรเหล็กใหเปนแรเหล็กที่มี คุณภาพมากที่สุดกอนใสเขาไปในเตา โดยการยอยแรเหล็กใหเปนกอนเล็ก ๆ ดวยเครื่องบดและยอย ใหเปนผงอีกครั้งหนึ่ง แลวนําแรเหล็กไปผานเครื่องแยกแรดวยแมเหล็ก แมเหล็กจะดูดผงแรเหล็ก เอาไว สวนที่ไมใชแรเหล็กก็จะปลอยทิ้งแยกออกไป นําผงแรเหล็กไปผสมกับถานโคกและฟลักซ (หินปูน) ที่ถูกบดเปนผงแลวเชนกันเขาเครื่องกดอัดเปนกอน จะไดแรเหล็กที่พรอมจะใสเขาไปในเตา สูง ฟลักซโดยทั่วๆ ไปที่ใสเขาไปในเตาจะเปนหินปูน ฟลักซทําหนาที่กําจัดสารเจือปนที่มากับแร เหล็กรวมทั้งกํามะถัน แลวรวมตัวกับกากโลหะที่เกิดจากการเผาไหมของถานโคกในรูปของกากโลหะ ลอยอยูเหนือน้ําเหล็กดิบ ดังแสดงในรูป 3.3


69

รูป 3.3 การควบคุมเตาสูงถลุงเหล็กดวยคอมพิวเตอร 3 Fe2O3 + CO Fe3O4 + CO FeO + CO

3Fe2O3 + CO2 3FeO + CO2 Fe + CO2

ในชวงตอนลางของเตาเปนชวงการอาบคารบอน (carburization zone) ชวงนี้แรเหล็กจะ หลอมละลายกลายเปนเหล็กคารไบด (Fe3C) มีอุณหภูมิประมาณ 900 ถึง 1,100 องศาเซลเซียส เกิดปฏิกิริยาเคมีดังนี้ 3Fe

+ 2CO

Fe3C + CO2

ในตอนกนของเตาสูงจะเปนชวงการหลอมละลายของเหล็กดิบ ไดเหล็กดิบที่หลอมละลาย รวมตัวกันที่กนของเตาสูง โดยจะมีกากโลหะลอยอยูขางบน ตัวเตาสูงจะมีรูสําหรับเอากากโลหะออก อยูสูงกวารูเอาน้ําเหล็กดิบออก และอยูดานตรงกันขามกัน ในการนําเอาน้ําเหล็กดิบออกจะตองเจาะรู กากโลหะ ปลอยใหกากโลหะออกกอน (กากโลหะสามารถนําไปทําปูนซีเมนต ทําถนน) แลวจึงเจาะรู น้ําเหล็กดิบ น้ําเหล็กดิบจะถูกเทลงภาชนะรูปทรงกระบอกหรือถูกหลอเปนแทงเหล็ก (ingot) หรือ นําไปหลอมผลิตเปนเหล็กหลอ เหล็กเหนียว และเหล็กกลาตอไป ดังแสดงในรูป 3.4


70

รูป 3.4 เหล็กที่หลอมละลายจะถูกเทลงในระบบแทง (ingot) 3.1.3.2 การหลอมละลายของแรเหล็กในเตาสูง วัสดุที่จะใชใสเขาไปในเตาจะประกอบดวยถานโคก หินปูน และสินแรเหล็กที่ได เตรียมไวแลวดวยอุปกรณบรรจุและลําเลียงไปตามราง เทลงในเตาสูงทางตอนบน อุปกรณพนลมพน ลมรอนเขาไปภายในเตาสูง โดยผานทอลมขนาดใหญทตี่ ิดอยูรอบ ๆ เตาทางตอนลาง จากนั้นจะสง ตอไปยังทอลมเล็กที่ติดตั้งอยูรอบ ๆ เตา เพื่อใหลมรอนผานเขาไปเผาไหมภายในเตาสูงอยางทั่วถึง อากาศรอนที่พนเขาไปในเตาสูงไดมาจากเตาเผาอากาศที่มีโครงสรางเปลือกชั้นนอก ทําดวยเหล็กแผน ชั้นในกอดวยอิฐทนไฟ ภายในจะมีชองกาซรอนเขาทางดานลาง ผานขึ้นมาทาง ดานบนและไหลกลับลงมาทางดานลาง แลวไหลกลับขึ้นทางดานบนเพื่อเผาอากาศใหรอนเมื่อเตาเผา อากาศทํางานกาซรอนจากเตาสูงจะผานเตาเผาอากาศเพื่อเผาอิฐทนไฟใหรอนประมาณ 700 ถึง 1,400 องศาเซลเซียส ในขั้นตอนแรก กาซรอนจากเตาสูงจะมีความรอนไมสูงพอ จึงตองใชเชื้อเพลิงและ อากาศพนเขาไปในเตาเผาอากาศ เพื่อชวยใหอุณหภูมิภายในเตาเผาอากาศสูงเพิ่มขึ้นจนอิฐทนไฟรอน แดงจึงปด (1,100 ถึง 1,300 องศาฟาเรนไฮต) แลวจึงเปดใหอากาศเย็นผานเขาไปในเตาเผาอากาศ อากาศเย็นจะถูกเผาเพื่อใหเปนอากาศรอนแลวเปาเขาเตาสูง ในทางปฏิบัติจะมีการใชเตาเผาอากาศ หลายชุดเพื่อทํางานสลับกัน ดังแสดงในรูป 3.2


71

เมื่อลมรอนเขาไปในเตาสูง จะทําใหเกิดปฏิกิริยาภายในเตาสูง ซึ่งจะเปนปฏิกิริยาการ ลดออกซิเจน (reduction ) ซึ่งถานโคกจะเปนทั้งเชื้อเพลิงและเปนตัวชวยลดออกซิเจนในสวนบนของ เตาแรเหล็กเมื่อไดรับความรอน ไอน้ําจะระเหยออกจากแรเหล็กโดยใชความรอนจากอากาศรอนและ ถานโคก เกิดปฏิกิริยาทางเคมีดังนี้ CaO + CO2 CaCO3 FeCO3 FeO + CO2 ในชวงที่ต่ํากวาตอนบนของเตาลงมาเปนชวงของการลดออกซิเจน ปฏิกิริยาการลด ออกซิเจนเกิดจากกาซคารบอนไดออกไซดรวมตัวกับออกซิเจนในอากาศรอนที่พนเขาไปในเตาสูง (กาซคารบอนไดออกไซดเกิดจากคารบอนในถานโคกรวมตัวกับออกซิเจน) ทําใหออกซิเจนในแร เหล็กลดนอยลงจนมีอุณหภูมิประมาณ 900 องศาเซลเซียส เหล็กจะเริ่มมีสภาพเริ่มหลอมเหลว เกิดปฏิกิริยาทางเคมีดังนี้

รูป 3.5 ภาพตัดแสดงสวนตาง ๆ ของเตาคิวโพลา


72

3.1.4 เตาคิวโพลา เหล็กดิบที่ไดจากเตาสูงและชิ้นสวนเศษเหล็กที่ไมใชงานแลวจะถูกนําไปหลอมละลายใหม ในเตาคิ ว โพลา ซึ่ ง จะทํา ให ไ ดเ หล็ก หล อ เตาคิว โพลา เปน เตาที่มีโ ครงสร างง าย ๆ และประหยั ด พลั ง งานในการผลิ ต สามารถหลอมละลายเหล็ ก หล อ ได อ ย า งต อ เนื่ อ ง และมี ค า ใช จ า ยในการ บํารุงรักษาต่ํา โครงสรางของเตาคิวโพลาจะประกอบดวยปลองไฟในแนวดิ่ง กอดวยอิฐทนความรอนเตา คิวโพลาจะเปนปลองไฟทรงกลมเรียว ดานลางของเตาจะมีประตูบานพับปด / เปดในแนวนอนตรง กึ่งกลางของเตาจะมีประตูสําหรับใสเหล็กดิบ ถานโคก และหินปูน และสวนบนสุดของเตาจะมีโครง หลังคาครอบอยู หรืออาจจะมีการติดตั้งเครื่องควบคุมมลภาวะเปนพิษ อากาศจะเขาทางทอลมทางดาน ลางของเตาไปกระทบกับถานโคกโดยตรง ในการอุนอากาศ จะนํากาซรอนที่บริเวณใตประตูใส วัตถุดิบ ซึ่งมีอุณหภูมิประมาณ 300 องศาเซลเซียสอุนอากาศใหรอนและอากาศที่รอนจะเขาไปทาง ชองลมของเตาคิวโพลา น้ําโลหะเหล็กจะไหลผานรูเทไปยังรางเทน้ําโลหะเหล็ก กากโลหะจะไหล ผานออกอีกทางหนึ่งของเตา ซึ่งจะอยูสูงกวารูเทน้ําโลหะเหล็กดังแสดงในรูป 3.5 ในการทํางาน ถานโคกและเหล็กดิบ (อัตราสวนถานโคกและเหล็กดิบ 1 ตอ 8 ถึง 10 สวน โดยน้ําหนัก) จะถูกใสเขาไปในเตา ฟลักซจะใชหนิ ปูน (CaCO3) ฟลูออสปาร (CaF2 ) หรือโซดาเอต (Na2CO3) จะถูกเติมเขาไปเพื่อปองกันเหล็กดิบเกิดการออกซิเดชั่น หินปูนถูกเติมเขาไป 40 กิโลกรัม ทุก ๆ เมกะกรัมของเหล็กดิบ จํานวนของอากาศที่ใสเขาไปในเตาขึ้นอยูกับคุณภาพของถานโคกและ อัตราสวนของถานโคกกับเหล็กดิบ แรงดันของเตาจะขึ้นอยูกับขนาดของเตา จํานวนของวัตถุดิบที่ใส เขาไปในเตา ชนิดของเหล็กดิบที่หลอมละลายและอุณหภูมิ ถาเตาเล็กอาจใชแรงดันเพียง 1,200 ถึง 2,000 ปาสคาล เตาคิวโพลาเตาหนึ่ง ๆ จะไดเหล็กหลอประมาณ 25 เมกะกรัมตอวัน และอุณหภูมิหลอม ละลายของเหล็กหลอประมาณ 1,540 องศาเซลเซียสขึ้นไป ดังแสดงในรูป 3.5 3.1.5 เตาโอเพน- ฮารท เตาโอเพน- ฮารท (open – hearth furnace) เปนเตาที่ใชหลอมเหล็กดิบพีกไอรอนทั้งที่เปน ของแข็ง ของเหลวและเศษเหล็กกลา ซึ่งจะไดเหล็กกลาที่มีคุณภาพ ลักษณะของเตาจะกอดวยเหล็ก ทนไฟรูปกระทะกวางประมาณ 15 ถึง 40 ฟุต และลึกประมาณ 2 ฟุต และมีความจุน้ําเหล็กถึงประมาณ 150 ตัน ความรอนที่ใหแกเตาไดจากการเผาไหมของกาซหรือน้ํามันเชื้อเพลิงกับอากาศ ผานเหนือ เหล็กดิบและเศษเหล็กเหนียวจนทําเหล็กดิบและเศษเหล็กกลาหลอมละลาย กาซที่ไดจากการเผาไหม จะไหลผานออกอีกขางหนึ่งของเตา ผานอิฐทนไฟจนมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น ก็จะมีการสลับเปลี่ยนดานการ ใหความรอนแกเตา เตาโอเพน- ฮารทจะมีการใชงาน 2 แบบดวยกัน คือ เตาที่ใชวัสดุที่ทําเตามีสภาพเปนดาง (อิฐทนไฟทําดวยแมกนีไซด) และเตาที่ใชวัสดุทําเตามีสภาพเปนกรด (อิฐทนไฟทําจากทรายซิลิกา)


73

ซึ่งสวนมากจะใชเตาโอเพน- ฮารทแบบดาง เพราะสามารถดึงเอาฟอสฟอรัส กํามะถัน ซิลิคอน แมงกานีส และคารบอนออกจากน้ําเหล็กไดดี แลวรวมตัวกันลอยอยูเหนือน้ําเหล็กในรูปของกาก โลหะ แตเตาโอเพน- ฮารทแบบกรดจะดึงไดแตเพียงซิลิคอน แมงกานีส และคารบอนออกจากน้ํา เหล็กเทานั้น ในการหลอมละลายเศษเหล็กกลาและเหล็กพีกไอรอนที่เปนของแข็ง จะเริ่มหลอมละลาย ภายใน 2 ถึง 3 ชั่วโมง และจะหลอมละลายทั้งหมดอีกภายใน 6 ถึง 7 ชั่วโมง หลังจากน้ําโลหะเดือด ก็จะเติมฟลักซลงไป ประมาณ 10 ชั่วโมงขึ้นไปจึงจะมีการเทกากโลหะและน้ําโลหะออกจากเตา เวลาที่ใชหลอมโลหะอาจจะลดลงประมาณ 25 % เมื่อมีการเติมออกซิเจนเขาไปในเตาเพื่อ ชวยในการเผาไหมของเชื้อเพลิงหลังจากเหล็กดิบหลอมละลาย และราคาตนทุนจะลดลงประมาณ 30 % ดังแสดงในรูป 3.6

รูป 3.6 ภาพตัดของเตาโอเพน- ฮารท 3.1.6 เตาเบสเซเมอร เซอรเฮนรี่ เบสเซเมอร (Sir Henry Bessemer) ชาวอังกฤษเปนผูคนพบวิธีนี้ขึ้นในป พ.ศ.2398 เตาเบสเซเมอรจะใชหลอมเหล็กดิบที่ยังเปนของเหลวอยู โดยการเปาอากาศเขาไปในเตา โดยตรง ซึ่งคารบอนจะทําปฏิกิริยากับกาซออกซิเจนอยางรวดเร็ว ทําใหเกิดความรอนขึ้นอยางตอเนือ่ ง จึงไมตองใชเชื้อเพลิง เนื่องจากเตาเบสเซเมอรตองใชเหล็กดิบพีกไอรอนจากเตาสูงจะถูกใสเขาไปใน เตาเบสเซเมอรโดยตรง เตาเบสเซเมอรเตาหนึ่ง ๆ จะบรรจุน้ําเหล็กดิบพีกไอรอนประมาณ 25 ตัน ความรอนเกิดขึ้นจากการเติมอากาศเขาไปในเตา ทําใหเกิดเหล็กออกไซดดึงซิลิคอนและ แมงกานีสออกจากน้าํ เหล็กเปนกากโลหะลอยอยูขางบน แตปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นภายในเตาไมสามารถดึง ฟอสฟอรัสและกํามะถันออกจากน้าํ เหล็กได ในการเปาอากาศเพื่อใหไดน้ําเหล็กทีบ่ ริสุทธิ์จะใชเวลา ประมาณ 10 ถึง 14 นาที และในขณะกําลังหลอมน้ําเหล็กดิบจะตองไมมีการหยุดหรือขาดตอน ทําให ไมสามารถตรวจวิเคราะหผลทางเคมีได จึงตรวจดูการออกซิเดชั่นจากสีและเปลวไฟโดยชางผูชํานาญ


74

แตในปจจุบันจะสามารถตรวจสอบโดยการใชเครื่องมือพิเศษ เมื่อกระบวนการออกซิเดชันสมบูรณจะ เทน้ําเหล็กกลาลงในแบบ (ingot molds) เหล็กกลาที่ไดจากเตาเบสเซเมอรจะมีเหล็กออกไซด ฟอสฟอรัส และกํามะถันมากกวาที่ได จากเตาโอเพน – ฮารทแบบดาง จึงมีการประยุกตทั้งสองวิธีเขาดวยกัน โดยการนําน้ําเหล็กพีกไอรอน ใสเขาไปในเตาเบสเซเมอร ทําใหซิลิคอน แมงกานีสและคารบอนถูกดึงออกจากน้ําเหล็ก แลวนําน้ํา เหล็กจากเตาเบสเซเมอรใสไปในเตาโอเพน – ฮารท โดยใชเวลาเพียงสั้น ๆ จะทําใหสามารถดึงเอา กํามะถันและฟอสฟอรัสออกจากน้ําเหล็ก น้ําเหล็กในเตาโอเพน – ฮารทสามารถที่จะนํามาวิเคราะห และปรับแตงผลทางเคมีได ซึ่งผลจากการรวมทั้งสองวิธีเขาดวยกันทําใหไดเหล็กกลาที่บริสุทธิ์ และมี คุณาภาพสูงขึ้น ดังแสดงในรูป 3.7

รูป 3.7 ขั้นตอนตาง ๆ ในการผลิตเหล็กกลาโดยเตาพนออกซิเจนแบบดาง เตาพนออกซิเจนที่มีขนาดสูง 26 ฟุต และกวาง 18 ฟุต จะมีความจุน้ําเหล็กประมาณ 100 ตัน เตาพนออกซิเจนจะลงทุนนอยกวาเตาโอเพน - ฮารท และตองมีการพิจารณาคุณภาพของน้ํา เหล็กดิบ ดังนั้นจึงตองจํากัดจํานวนของเศษเหล็กกลาที่จะใชใสเขาไปในเตา ซึ่งจะประมาณไมเกิน 30 % ดังแสดงในรูป 3.8


75

รูป 3.8 ภาพตัดแสดงการทํางานของเตาเบสเซเมอร 3.1.7 เตาพนออกซิเจนแบบดาง เตาพนออกซิเจนแบบดาง (basic – oxygen furnace ) นี้จะมีลักษณะและโครงสรางคลาย ๆ กับเตาเบสเซเมอร โดยตัวเตาจะกอดวยอิฐทนไฟชนิดตาง ๆ กระบวนการทางเคมีจะเกิดขึ้นจากการ เปาออกซิเจนเขาไปทําปฏิกิริยากับน้ําเหล็กพีกไอรอนและเศษเหล็กกลาโดยตรง เมื่อเทน้ําเหล็กดิบพีกไอรอนและเศษเหล็กกลาเขาไปในเตาแลว จะหมุนตัวเตาในตําแหนง แนวดิ่ง แลวจะเทหินปูนและฟลูออสปารลงไปในเตา ขณะเดียวกัน ทอออกซิเจนที่ยื่นเขาไปในเตาสูง จากผิวน้ําเหล็กประมาณ 1 ถึง 3 เมตรก็จะพนออกซิเจนบริสุทธิ์ที่ผานการหลอเย็นดวยน้ําเขาไปในน้ํา เหล็กดิบภายใตการควบคุมแรงดันที่เหมาะสม ออกซิเจนจะทําปฏิกิริยากับน้ําเหล็กดิบอยางรุนแรง ฟอสฟอรัสและกํามะถันจะถูกดึงออกจากน้ําเหล็กดิบกลายเปนกากโลหะ อุณหภูมิจุดเดือดประมาณ 1,650 องศาเซลเซียส กระบวนการพนออกซิเจนจะใชเวลาประมาณ 27 นาที และจะเสร็จสิ้นสมบูรณภายใน 50 นาที ผูควบคุมที่ชํานาญการจะพิจารณาปฏิกิริยาที่เสร็จสิ้นสมบูรณจากการลดลงของเปลวไฟ สีของ เปลวไฟ และการเปลี่ยนแปลงระดับเสียงภายในเตา เหล็กกลาที่ไดจะมีคุณภาพเทากับเหล็กกลาที่ได จากเตาโอเพน – ฮารท 3.1.8 เตาไฟฟา เตาไฟฟา (electric furnace) เปนเตาที่ใชหลอมละลายเหล็กอินกอต เหล็กกลาไรสนิม เหล็กกลาทนความรอน เหล็กกลาเครื่องมือ และเหล็กกลาผสมชนิดตาง ๆ แตจะไมใชหลอมละลาย


76

เหล็กพีกไอรอน เตาไฟฟาจะใหอุณหภูมิภายในเตาไดสูง สูงกวาเตาชนิดอื่น ๆ และเตาไฟฟายังไมทํา ใหสภาวะแวดลอมเสียหาย เตาไฟฟาจะมี 3 ชนิด คือ เตาไฟฟาชนิดเกิดประกายไฟโดยออม (indirect arc furnace) เตาไฟฟาชนิดเกิดประกายไฟโดยตรง (direct arc furnace) และเตาไฟฟา ชนิดเหนี่ยวนําไฟฟา (induction furnace) 3.1.8.1 เตาไฟฟาชนิดเกิดประกายไฟโดยออม ตัวเตาจะมีแทงอิเล็กโทรด 2 แทง ทําดวยแกรไฟต ทําใหเกิดประกายไฟ ตอเนื่องกันเหนือเหล็ก ความรอนที่เกิดจากประกายไฟจะถูกสงผานไปยังเหล็กในลักษณะของการแผ รังสีความรอนจนอุณหภูมิของเหล็กสูงขึ้นถึงจุดหลอมละลาย ซึ่งเตาไฟฟาชนิดนี้มีใชกันนอย 3.1.8.2 เตาไฟฟาชนิดเกิดประกายไฟโดยตรง เตาแบบนี้กระแสไฟจะไหลผานแทงอิเล็กโทรดที่อยูสูงเหนือเหล็ก และพยายามจะ ไหลผานเหล็กในเตา ทําใหเกิดประกายไฟระหวางปลายของแทงอิเล็กโทรดกับผิวของเหล็ก ความ รอนที่เกิดขึ้นจะสูงมาก สูงจนทําใหเหล็กหลอมละลาย แทงอิเล็กโทรดจะถูกปรับความสูงต่ําหางจาก เหล็กโดยอัตโนมัติ ตัวเตาอาจจะกอดวยอิฐทนไฟชนิดดางหรือชนิดกรด เตาชนิดดางจะใชอิฐทนไฟ แมกนีไซตและอะลูมินา ใชหลอมเหล็กกลาหรือเหล็กกลาผสม และจะสามารถควบคุมฟอสฟอรัส ลด กํามะถัน ควบคุมอุณหภูมิ และตรวจวิเคราะหได สวนเตาชนิดกรดจะใชอิฐทนไฟซิลิกา ใชหลอม เหล็กกลาคารบอนต่ํา เหล็กกลาผสมคารบอนต่ํา เตาไฟฟาที่ใชกระแสไฟฟาแบบ 3 เฟส จะมีแทงอิเล็กโทรดที่ทําใหเกิดประกาย 1 แทงกระทํากับเหล็ก และจะเกิดประกายไฟยอนกลับจากเหล็กเขาแทงอิเล็กโทรดที่เหลือ เตาไฟฟา แบบนี้จะใชแรงเคลื่อนไฟฟาประมาณ 40 โวลต และกระแสไฟฟาอาจมากกวา 12,000 แอมแปร ดังแสดงในรูป 3.9

รูป 3.9 ภาพตัดของเตาไฟฟาแสดงผนังชนิดกรดและชนิดดาง


77

3.1.8.3 เตาเหนี่ยวนําไฟฟา เตาแบบนี้อาศัยคลื่นสนามแมเหล็กที่มีความถี่สูงมาก ทําใหเหล็กไดรับความรอน จนถึงอุณหภูมิหลอมละลาย เตาจะใชกระแสไฟฟาความถี่สูง สูงกวา 1,000 เฮิรตซ จายใหกับขดลวด ทองแดงซึ่งมีน้ําหลอเย็นอยูภายในและพันอยูรอบ ๆ เตา และเนื่องจากมีความตานทานภายในเตา จึง ตองใชเวลาประมาณ 50 ถึง 90 นาทีที่ความจุของเตาประมาณ 3.6 เมกะตัน เหล็กจึงจะหลอมละลาย เตาเหนี่ยวนําไฟฟาสามารถใชหลอมละลายเหล็กตั้งแต 2 กิโลกรัมถึง 3.6 เมกะกรัม เตาเหนี่ยวนําไฟฟามีราคาตนทุนต่ํา ไมมีเสียง และสูญเสียความรอนนอย อุณหภูมิที่ไดจะไมสูงกวา อุณหภูมิหลอมละลาย เศษโลหะผสมสามารถนํามาหลอมใหมไดโดยไมเกิดการเผาไหม เตาเหนี่ยวนํา ไฟฟาใชสําหรับผลิตเหล็กกลาผสมคุณภาพสูง ดังแสดงในรูป 3.10

รูป 3.10 ภาพตัดแสดงสวนตาง ๆ ของเตาเหนี่ยวนําไฟฟา 3.2 การถลุงโลหะที่ไมใชเหล็ก โลหะที่ไมใชเหล็กมีใชงานในทางอุตสาหกรรมประมาณ 20 % ของการใชโลหะทั้งหมด โลหะที่ ไมใชเหล็กในรูปของโลหะบริสุทธิ์จะไมพบบอยครั้งนัก เนื่องจากมีโครงสรางที่ไมคอยแข็งแรง ใน การใชงานจึงมีการผสมธาตุอื่น ๆ เขาไป 1 ธาตุหรือมากกวา 1 ธาตุขึ้นไปกลายเปนโลหะผสมทําใหมี คุณสมบัติตานทานการกัดกรอนและนําไฟฟาไดดี โลหะที่ ไ ม ใ ช เ หล็ ก สามารถแบ ง ออกเป น โลหะหนั ก และโลหะเบา โดยโลหะเบา ได แ ก อลูมิเนียม และแมกนีเซียม นอกนั้นจะเปนโลหะหนักทั้งหมด 3.2.1 อะลูมิเนียม แรอลูมิเนียมจะถูกพบกระจัดกระจายทั่ว ๆ ไป ในเปลือกโลกหลายชนิด แตมีเพียงแร บอกไซดเทานั้นที่มีความคุมคาทางเศรษฐกิจในการนํามาถลุงเอาอะลูมิเนียม ออกไซดของอะลูมิเนียม คือ อะลูมินา ซึ่งมีอุณหภูมิหลอมละลายสูงถึง 3,720 องศาฟาเรนไฮต ทําใหไมสามารถหลอม อะลูมิเนียมดวยเตาหลอมแรเหล็กได


78

กรรมวิธีการแยกอะลูมินาออกจากแรบอกไซดที่นิยมไดแกกรรมวิธีเบเออร (Bayer process ) ซึ่งถูกคนคิดโดยนักเคมีชาวเยอรมันชื่อ นายคารล โจเชฟ เบเออร (Karl Josef Bayer ) ซึ่งเปนวิธีที่ได อะลู มิ น า บริ สุ ท ธิ์ โดยนํ า แร บ อกไซด ที่ แ ห ง ละเอี ย ดใส ไ ปในถั ง ที่ บ รรจุ ส ารละลายโซดาไฟ (NaOH)ภายใตแรงดันและอุณหภูมิที่สูงกวาจุดเดือด สารละลายจะทําปฏิกิริยากับแรบอกไซดเปลี่ยน สภาพเปนโซเดียมอะลูมิเนต ซึ่งอยูในรูปของสารละลายของเหลว

รูป 3.11 ถังแยกอะลูมิเนียมดวยกระแสไฟฟาในโรงงาน 3.2.2 แมกนีเซียม แมกนี เ ซี ย มเป น โลหะที่ มี น้ํ า หนั ก เบาที่ สุ ด ของโลหะทั้ ง หมด (ความถ ว งจํ า เพาะ 1.75) แมกนี เ ซี ย มสามารถผลิ ต โดยการแยกสารประกอบทางเคมี ด ว ยกระแสไฟฟ า ของสารละลาย แมกนีเซียมคลอไรด โดยแมกนีเซียมคลอไรดจะไดมาจากน้ําทะเล และ 90 % ของแมกนีเซียม ทั้งหมดจะผลิตจากน้ําทะเล ในการผลิตแมกนีเซียมจากน้ําทะเล เปลือกหอยจะถูกเผาที่มีอุณหภูมิประมาณ 1,320 องศา เซลเซียสจนไดปูนขาว แลวนําปูนขาวและน้ําทะเลใสเขาไปในถัง ปลอยใหทําปฏิกิริยาตอกัน ไดสาร แมกนีเซียมไฮเดรตรวมตัวกันที่กนถัง แมกนีเซียมไฮเดรตจะมีความเขมขนประมาณ 12 % หลังจาก นั้นแมกนีเซียมไฮเดรตจะถูกเปลี่ยนเปนแมกนีเซียมคลอไรดโดยกาซคลอรีน แลวนําแมกนีเซียมคลอ ไรดผานชุดกรองและอุปกรณที่ทําใหแหง จะไดแมกนีเซียมคลอไรดที่มีความเขมขน 68 % ดังแสดง ในรูป 3.12 หลังจากที่เกิดปฏิกิริยาสมบูรณแลว แรงดันจะถูกลดลง กากซึ่งประกอบดวยเหล็ก


79

ซิลิคอนไทเทเนียม และสารที่ไมบริสุทธิ์อื่น ๆ จะถูกดันออกจากถังผานตัวกรองและทิ้งไป สวนใน สารละลายของเหลวจะมี อ ะลู มิ น า เข ม ข น ในรู ป ของโซเดี ย มอะลู มิ เ นต ซึ่ ง จะถู ก ดู ด ใส ไ ปในถั ง ตกตะกอน ในถั ง ตกตะกอน ผลึ ก ละเอี ย ดของอะลู มิ นั ม ไฮดรอกไซด จ ะถู ก เติ ม ลงไปในสารละลาย โซเดียมอะลูมิเนต ทําใหผลึกของงอะลูมินัมไฮดรอกไซดเพิ่มขนาดขึ้น โดยเกิดจากการแยกตัวออก จากสารละลายของเหลว และผลึกงอะลูมินัมไฮดรอกไซดนั้นจะถูกแยกออกจากสารละลายของเหลว โดยการกรอง แลวนํามาเผาจนขาวในเตาไฟที่อุณหภูมิสูงกวา 980 องศาเซลเซียส ทําใหไดอะลูมินา บริสุทธิ์ เหมาะแกการนําไปหลอมละลายเปนโลหะอลูมิเนียมตอไป ในป พ.ศ. 2429 นายชารล เอ็ม.ฮอลล (Mr.Charles M. Hall) คนพบการแยกอะลูมิเนียมโดย กรรมวิธีการแยกสารประกอบทางเคมีดวยกระแสไฟฟา (electrolytic) ในกรรมวิธีนี้อะลูมินาบริสุทธิ์ จะถูกละลายในสารละลายโซเดียมอะลูมินัมฟลูออไรตในเตาแยกสารประกอบเคมีดวยกระแสไฟฟา ขนาดใหญ โดยมีขั้วแอโนดทําดวยคารบอนแขวนไวในสารละลายและขั้วแคโทดทําดวยคารบอน เชนกันที่อยูกนถัง ความรอนที่เกิดขึ้นจากกระแสไฟฟานี้จะถูกระบายไปกับสารละลาย ดังนัน้ อะลูมนิ า สามารถเติมเขาไปเทาที่จําเปนเพื่อใหกรรมวิธีมีการตอเนื่อง เมื่อหยุดการทํางาน อะลูมิเนียมจะถูกดูดออกจากถังและนําไปหลอมละลายในเตาหรือหลอ เปนแทงรูปตาง ๆ เพื่อนําไปผลิตเปนชิ้นงานตอไป ในการผลิตอะลูมิเนียม 1 กิโลกรัมตองการอะลูมิ นา 2 กิโลกรัม คารบอน 0.6 กิโลกรัม (อะลูมินา 2 กิโลกรัมไดจากแรบอกไซด 4 กิโลกรัม) และใช พลังงานไฟฟา 8 กิโลวัตตตอชั่วโมง ดังแสดงในรูปที่ 3.1 แมกนีเซียมคลอไรดเม็ดเล็ก ๆ จะถูกเทลงไปในถังน้ํายาอิเล็กโทรไลซิส (กรดเกลือ) ที่มี อุณหภูมิประมาณ 700 องศาเซลเซียส ซึ่งมีแทงแกรไฟตเปนขั้วแอโนด และตัวถังเปนขั้วแคโทดปลอย ไฟฟากระแสตรง 60,000 แอมแปรผานน้ํายาอิเล็กโทรไลซิส จะทําใหแมกนีเซียมคลอไรดแยกสลาย ไดโลหะแมกนีเซียมลอยขึ้นขางบนของถัง ในขณะเกิดปฏิกิริยาจะไดกาซคลอรีน ซึ่งจะนําไปใชใน การเปลี่ยนแมกนีเซียมไฮเดรตเปนแมกนีเซียมคลอไรด ดังแสดงในรูปที่ 3.2


80

รูปที่ 3.12 กระบวนการผลิตแมกนีเซียมจากน้ําทะเล 3.2.3 ทองแดง แรที่ใชในการถลุงเพื่อเอาโลหะทองแดงที่นิยมไดแก แรคาลโคไพไรต(chalcopyrite) ซึ่งสวน ใหญจะประกอบดวยทองแดง กํามะถัน และทองแดง เหล็ก กํามะถัน ในการถลุงโลหะทองแดง จะนําแรมาบดและผสมกับหินปูน แลวเทลงในถังเก็บแร แรในถัง เก็บจะถูกนําเขาไปในเตาเผา เผาจนแรอยูใ นสภาพของ FeS , FeO , SiO และ CuS แลวผสมกับหินปูน ใสเขาไปในเตาแบบนอน แรเหล็กจํานวนมากจะถูกดึงออกมาในรูปของกากโลหะ และจะเหลือเหล็ก และทองแดงรวมกันเปนกอน ๆ นํากอนทองแดงและเหล็กที่ไดเทลงไปในเตาที่มีรูปรางคลายกับเตา เบสเซเมอร หลังจากนั้นอากาศจะถูกเปาพนเขาไปในเตาเปนเวลา 4 ถึง 5 ชั่วโมง ความรอนจากการ ออกซิเดชันจะทําใหกอนทองแดงหลอมละลาย และทองแดงซัลไฟดจะเปนทองแดงออกไซดหรือ


81

ทองแดงซัลเฟต เหล็กจะถูกแยกออกมาเปนกากโลหะ เมื่อหยุดเปาอากาศเขาไปในเตา ออกไซดของ ทองแดงและซัลไฟดของทองแดงจะทําปฏิกิริยากันกลายเปนกอนทองแดงที่มีผิวขรุขระและกาซ ซัลเฟอรไดออกไซด กอนทองแดงนี้จะบริสุทธิ์ 98 ถึง 99 % ดังแสดงในรูป 3.13

รูป 3.13 กระบวนการหลอมละลายทองแดง 3.2.4 ตะกั่ว ตะกั่วสวนมากจะผลิตออกมาใชงานในรูปของตะกั่วบริสุทธิ์มากกวาเปนตะกั่วผสมตะกั่ว เปนวัสดุตานทานการกัดกรอนที่ดี ตะกั่วจะใชเปนแผนธาตุในแบตเตอรี่ ทําสี หุมสายเคเบิล และวัสดุ ปองกันการแผรังสี ในการผลิตตะกั่ว จะนําแรตะกั่วที่มีโลหะตะกั่ว 65 ถึง 80 % ใสไปในเตาอบเพื่อไลซัลไฟด ออกไป แรตะกั่วจากเตาเผาจะถูกใสเขาไปในเครื่องผสม ผสมกับหินปูน ทราย กากโลหะ และแรเหล็ก แลวใสเขาเครื่องบดยอย ขณะทําการบดยอย จะเกิดกาซซัลเฟอรไดออกไซดขึ้น และกาซซัลเฟอรได ออกไซดจะถูกนําไปทํากรดกํามะถัน


82

จากเครื่องบดยอย แรตะกั่วจะถูกใสเขาไปในเตาสูงรวมกับเชื้อเพลิงที่เปนถานโคก ปฏิกิริยา ภายในเตาสูงจะเกิดกาซที่ประกอบดวยคลอไรดของแคดเมียม ซึ่งจะถูกนําไปผลิตโลหะแคดเมียม นํา โลหะที่ไดจากเตาสูงเทลงในถังตะกอนใบที่ 1 ในถังตกตะกอนใบที่ 1 น้ําโลหะที่เบากวาซึ่งไดแกสาร ทองแดงจะปลอยใหไหลไปยังถังตกตะกอนใบที่ 2 รวมตัวกับซัลเฟอรเพื่อที่จะสกัดเอาโลหะทองแดง และน้ําโลหะที่อยูกนของถังตกตะกอนใบที่ 1 จะถูกปลอยลงในเตาออกซิเดชัน และสวนผสมของ ตะกั่วเหลวจะถูกออกซิไดซในเตา กากโลหะซึ่งลอยอยูขางบนในเตาออกซิเดชันจะถูกนําไปแยกเอาโลหะพลวง (antimony) และสารหนู (arsenic) น้ําโลหะที่หนักและอยูกนเตาออกซิเดชันจะเทไปยังถังแยกเงินและทอง ซึ่ง สังกะสีก็จะถูกเติมไปในถังแยกเงินและทองดวย ทองและเงินจะละลายกับสังกะสี สังกะสีผสมจะถูก นําเขาไปในถังควบแนน ไอสังกะสีจะถูกควบแนนเปนสังกะสีแข็ง และของเหลวที่ตกคางในถังกลั่น ตัวจะถูกนําไปแยกสารประกอบทางเคมีดวยไฟฟาไดทองและเงิน ตะกั่วจากถังแยกทองและเงินจะถูก ทําใหเปนละอองตะกั่วรอนโดยการยิงเขาไปในหองสุญญากาศซึ่งจะทําใหสังกะสีที่ยังมีในตะกั่ว กลายเปนไอ ไอสังกะสีจะถูกนําเขาไปในหองควบแนน ไดสังกะสีแข็ง แลวตะกั่วจะถูกใสไปในถัง ใบที่ 3 ผสมกับโซดาไฟ ซึ่งจะทําใหไดตะกั่วที่บริสุทธิ์ ดังแสดงในรูป 3.14


83

รูป 3.14 กระบวนการผลิตตะกั่ว 3.2.5 สังกะสี สังกะสีสวนมากจะผลิตจากแรซัลไฟด (สินแรสังกะสี) แรจะถูกเผาจนไดสังกะสีออกไซด และออกไซดจะถูกขจัดออกไปในเตาหลอมละลาย หรือกระบวนการวิเคราะหสารประกอบทางเคมี ดวยกระแสไฟฟา ในกระบวนการเตาหลอมละลาย สวนผสมของสังกะสีออกไซดและถานโคกจะถูก เผาจนสังกะสีกลายเปนไอ และถูกควบแนนเปนของเหลวในชุดควบแนน


84

ในกระบวนการทางไฟฟาเคมี แรที่ถูกเผาจะใสเขาไปละลายในกรดกํามะถัน สารละลายจะถูก ทําใหบริสุทธิ์โดยการแยกดวยไฟฟาเคมี สังกะสีจะถูกแยกออกจากสารละลายไปเกาะที่ขั้วลบ สังกะสี บริสุทธิ์ที่ไดจะมีความบริสุทธิ์ถึง 98 % 3.2.6 ไทเทเนียม ไทเทเนียมเปนโลหะที่ผลิตไดยาก ไทเทเนียมจะผลิตโดยการใสไทเทเนียมเตตระคลอไรด (titanium tetrachacoride ) กับแมกนีเซียมในหองที่มีกาซฮีเลียม ผลลัพธจะไดแมกนีเซียมคลอไรดและ แมกนีเซียมจะถูกลางออกดวยกรดเกลือ ทําใหไดผงไทเทเนียม ผงไทเทเนียมจะถูกหลอมละลายใน หนวยสูญญากาศ และถูกทําใหเย็นกลายเปนโลหะไทเทเนียมแข็ง ไทเทเนียมมีความสําคัญทางดานการคา ตั้งแตป พ.ศ. 2493 ไทเทเนียมมีคุณสมบัติที่อยู ระหวางเหล็กกลาและอลูมิเนียม มีความสําคัญในการเพิ่มความแข็งแกรงของโลหะ ไทเทเนียมมีคา ความถวงจําเพาะ 4.5 คายีลสแตรง (yield strength) เกือบถึง 60,000 ปอนดตอตารางนิ้ว ซึ่งสามารถ เพิ่มขึ้นถึง 190,000 ปอนดตอตารางนิ้ว เมื่อเปนโลหะผสมและคงความแข็งแรงที่อุณหภูมิ 600 องศา ฟาเรนไฮต ไทเทเนียมมีความสําคัญมากในการผลิตอากาศยานและยานอวกาศ 3.2.7 แกรไฟต แกรไฟตเปนวัสดุเกาแกที่มีความเหมาะสมที่จะเปนวัสดุทางวิศวกรรม แกรไฟตมีคุณสมบัติที่ จะเพิ่มความแข็งแรงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น แกรไฟตถูกใชเปนขั้วอิเล็กโทรดในเตาไฟฟาและมีการเติมบอ ไรด (borides) คารไบด (carbides) ไนไตรด (nitrides) และซิลิไคด(silicides) จํานวนเพียงเล็กนอยลง ไปในแกรไฟต จะทําใหแกรไฟตเกิดการออกซิเดชันที่ต่ํามากขณะเมื่อมีอุณหภูมิสูง และทําใหความ แข็งแรงทางกลดีขึ้นอีกดวย 3.2.8 โลหะพิเศษ โลหะที่แปลกหลาย ๆ ชนิดมีความสําคัญที่ทําใหเทคโนโลยีใหม ๆ ประสบความสําเร็จได โลหะฮาฟเนียม (hafnium) โลหะทอเรียม (thorium) และโลหะเบริลเลียม (beryllium) ถูกใชงานใน เครื่องปฏิกรณปรมาณู โลหะรีเนียม (rhenium) มีจุดหลอมละลายสูง สูงกวา 2 เทาของโลหะทั้งหมด (5,740 องศาฟาเรนไฮต) ดังนั้นมันจึงถูกใชเปนวัสดุเพื่อใหเกิดความตางศักยในทออิเล็กตรอนแทน โลหะทังสเตน โลหะเซอรโคเนียม (zirconium) มีความตานทานการกัดกรอนในกรดทุกชนิด คลอไรด และกรดอินทรีย เมื่อมีการผสมโลหะฮาฟเนียมเพียงเล็กนอยในเหล็ก จะทําใหมีคายีลสแตรงเกือบถึง 84,000 ปอนดตอตารางนิ้ว และความแข็งแรงตอแรงดึงเกือบถึง 90,000 ปอนดตอตารางนิ้ว การวิจัยและพัฒนางานที่ใชวัสดุโลหะพิเศษเหลานี้นําไปสูการพัฒนาโลหะผสมใหม ๆ สําหรับการทําจรวดนิวเคลียร และอุปกรณอิเล็กทรอนิกส


85

บทที่ 4 ระบบผลึกของโลหะ 4.1 ระบบผลึกของโลหะ (Crystallographic system of metals)


86 4.2 สเปสแลททิซ

Fig. 4.1 A space lattice การที่โลหะถูกจัดเปนวัสดุทมี่ ีระบบผลึกแนนอน ก็เพราะวาลักษณะของอะตอมที่ประกอบ ขึ้นเปนโลหะมีการยึดจับตัวเรียงกันเปนระเบียบแนนอนในทุกทิศทาง ถามีเสนสมมุติลากผานตําแหนงที่ อะตอมเหลานีอ้ ยูแลวก็จะไดรูปทรงทางเรขาคณิตที่มีระเบียบแนนอน กระจายอยูเต็มไปหมดในเนือ้ โลหะ ชิ้นนั้น เราเรียกรูปทรงทางเรขาคณิตนี้วา สเปสแลททิซ (space lattice) เพื่อความสะดวกและความเขาใจตรงกัน ในการศึกษาระบบผลึกของวัสดุจะขอแทน ตําแหนงที่อะตอมอยูใน space lattice ดวยวงกลมเล็ก ๆ หรือแทนดวยจุด และมีเสนตรงเชื่อมระหวาง อะตอมเพื่อจะไดเห็นรูปแบบของ space lattice ไดชัดเจน


87 หนวยเซล (Unit cell)

Fig. 4.2 A unit cell ใน space lattice หนึ่ง ๆ จะประกอบดวยหนวยยอย ๆ มากมายหลายหนวย และในแตละ หนวยจะประกอบขึ้นดวยกลุมของอะตอมเกาะเรียงตัวเปนรูปทรงที่เหมือนกัน ระบบการเรียงตัวของ อะตอมในแตละหนวยสามารถแทนการเรียงตัวของอะตอมใน space lattice ได เราเรียกวา 1 หนวยยอย ของ space lattice ที่มีลักษณะดังกลาวนีว้ า 1 หนวยเซล ( A unit cell)


88 4.3 รูปแบบของสเปสแลททิซ (Space lattice systems) รูปแบบของ Space lattice ของวัสดุที่เปนไปไดมีทั้งหมด 14 แบบ ดังรูป

Fig. 4.3 The Fourteen space (or Bravals) lattices as shown by their unit cells


89 เพื่อใหงายตอการเขาใจจะใชแกนอางอิง 3 แกน โดยมีจุดกําเนิด 0 (Origin) อยูตรงตําแหนง อะตอมหนึ่ง ๆ ของหนวยเซลหนึ่ง แกนอางอิงทั้งสามคือ ox , oy และ oz เรียกวา แลททิซเวคเตอร (Lattice vector) ถูกวางทานใหขนานกับดานยาว, ดานกวาง และดานสูงของหนวยเซลนั้น ๆ ดังรูป

Fig. 4.4 Crystal axes. ระยะระหวางอะตอมที่อยูติดกันตาม lattice vector เรียกวา 1 หนวยเวคเตอร (Unit vector) หนวยเวคเตอรทวี่ ัดตามแกน ox , oy และ oz จะแทนดวยสัญลักษณ a , b และ c ตามลําดับ มุมที่อยูระหวาง oy กับ oz ในระนาบที่ประกอบดวยแกน oy และ oz แทนดวย สัญลักษณ ∝ มุมที่อยูระหวาง oz กับ ox ในระนาบทีป่ ระกอบดวยแกน oz และ ox แทนดวย สัญลักษณ β มุมที่อยูระหวาง ox กับ oy ในระนาบที่ประกอบดวยแกน ox และ oy แทนดวย สัญลักษณ γ Table 4-1 The crystal systems Systems Triclinic Monoclinic Orthorhornbic Tetragonal Cubic Hexagonal Rhombohedral

a a a a a a a

Parafacters ≠ b ≠ c ≠ b ≠ c ≠ b ≠ c = b ≠ c = b = c = b ≠ c = b = c

Interxial angles ∝ ≠ β ≠ ∝ = = ∝ = β = ∝ = β = ∝ = β = ∝ = β = ∝ = β =

900

≠ β

= = = 900 , ≠

900 900 900 = 1200 900


90 4.4 ระบบผลึก (Crystal system) ระบบผลึกทั้งหมดที่เปนไปได และสอดคลองกับ Space lattice ทั้ง 14 แบบ นั้น มีเพียง ระบบผลึก 7 ระบบ ดังตาราง Table 4 - 2 CLASSIFICATION OF THE SPACE LATTICE BY CRYSTRAL SYSTEM Crystal System Cubic Tetragonal Orthorhornbic

Rhombohedral Hexagonal Monoclinic Triclinic

Axial lengths and interaxial angles Three equal axes at right angles: a = b = c , ∝ = β = γ= 900 Three axes at right angles, two equal: a = b ≠ c, ∝ = β = γ = 900 Three unequal axes at right angles: a ≠ b ≠ c, ∝ = β = γ = 900 Three equal axes, Equally inclined : a = b = c , ∝ = β = γ ≠ 900 Two equal axes at 1200, Third axes at right angles, a = b ≠ c, ∝ = β =900,γ = 1200 Three equal axes, One pair not at right angles, a ≠ b ≠ c, ∝ = γ = 900 ≠ β Three unequal axes, unequally inclined and none at right angles : a ≠ b ≠ c, ∝ ≠ β ≠ γ ≠ 900

Space lattice Simple cubic Body – centered cubic Face – centered cubic Simple Tetragonal Body – centered tetragonal Simple Orthorhornbic Body–centered orthorhornbic Base–centered orthorhornbic Face–centered orthorhornbic Simple rhombohedral Simple hexagonal Simple monoclinic Face – centered monoclinic Simple triclinic


91 Table 4.3 Crystal Systems and Lattices (The symbol ≠ means thas equality is not required by sysmmetry. Accidental equality may occur, as shown by an example in Sec. 2-4) Brovuit lattice Cubic Three euqual axes at right angles Simple Body - centered A = b = c , ∝ = β = γ= 900 Face - centered Tetragonal Three axes at right angles, two equal Simple Body - centered A = b ≠ c, ∝ = β = γ = 900 Orthorhornbic Three unequal axes at right angles Simple Body - centered A ≠ b ≠ c, ∝ = β = γ = 900 Base - centered Face - centered Rhombohedral Three equal axes, Equally inclined Simple a = b = c , ∝ = β = γ ≠ 900 Hexagonal Two equal axes at 1200, Third axes Simple At right angles, a = b ≠ c, ∝ = β =900, γ = 1200 Monoclinic Three equal axes, Simple One pair not at right angles, Base – centered a ≠ b ≠ c, ∝ = γ = 900 ≠ β Triclinic Three unequal axes, unequally Simple inclined and none at right angles a ≠ b ≠ c, ∝ ≠ β ≠ γ ≠ 900 System

Arial lengths and cogles

Lattices symbol P B F P I P I C F R P

P C P


92

4.5 โครงสรางผลึก (Crystal structure) Space lattice มีอยูทั้งหมด 14 แบบ แตสรุปลงไดเปนกลุมใหญ ๆ เพียง 7 กลุม คือ 1.) Cubic system : แกนทุกแกนยาวเทากัน และตั้งฉากซึ่งกันและกัน 2.) Tetragonal system : แกนทุกแกนตั้งฉากซึ่งกันและกัน แตแกน ๆ หนึ่งจะสั้นกวาอีกสองแกน ซึ่งเทากัน 3.) Orthorhombic system : แกนทุกแกนตั้งฉากซึ่งกันและกัน แตทั้งสามแกนจะยาวไมเทากัน


93 4.) Monoclinic system : แกนทั้งสามยาวเทากันหรือไมเทากันก็ได และแกนสองแกนจะตั้งฉากซึ่ง กันและกัน แตแกนที่สามจะไมตั้งฉาก 5.) Triclinic system : แกนทั้งสามยาวเทากันหรือไมเทากันก็ได แตตางก็ไมตั้งฉากซึ่งกันและกัน 6.) Rhombohedral system (Trigonal system) : แบบนี้มีแกนสามแกนเทากัน มุมทั้งสามเทากัน แตไม เปน 90 องศา 7.) Hexagonal system : แบบนีต้ างจากแบบทีก่ ลาวมาแลว คือ มีแกน 3 แกนในระนาบ (Plane) เดียวกัน ตางทํามุม 120 องศาตอกัน และแกนที่สี่ตงั้ ฉากกับแกนที่สาม แกนสามแกนเทากัน แตไม เทากับแกนทีส่ ี่ โลหะสวนมากจะมีโครงสรางอยูใน Space lattice เพียง 3 แบบ คือ


94 1.) Body - centered cubic (B.C.C) ไดแก แบเลียม, โครเมียม, โคลัมเมียม, เหล็ก, โมลิบดินัม, แทนทาลัม, วาเนเดียม (ขณะอุณหภูมิปกติ) 2.) Face - centered cubic (F.C.C) ไดแก อลูมิเนียม, แคลเซียม, ทองแดง, ทองคํา, ตะกั่ว, นิเกิล, เงิน (ขณะอุณหภูมิปกติ) 3) Mexagonal close - packed (M.C.P) ไดแก แบริเลียม, แคดเมียม, โคบอลท, แมกนิเซียม, ไทเทเนียม, สังกะสี (ขณะอุณหภูมิปกติ) หมายเหตุ : ขณะอุณหภูมิปกติโลหะจะมีระบบผลึกชนิดหนึ่ง แตมีโลหะบางชนิดเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง จะทําใหเกิดระบบผลึกอีกชนิดหนึ่งขึ้นได ซึ่งคุณสมบัติของโลหะนี้ เราเรียกวาPolymoryphism หรือ Allotropy ซึ่งจะไดศึกษาถึงรายละเอียดกันในบทตอไป Table 4 -4 Crystal structures of some elements

Element

Crystal structure

Aluminum Barium Beryllium Cadmium Calcium

FCC BCC HCP HCP FCC

Chromium

BCC HCP FCC FCC FCC

Cobalt Copper Gold

Closese Lactice interatormic parameters distance a (Angstroms) (Angstroms) 2.862 4.049 4.35 5.025 2.225 2.285 2.979 2.979 3.94 5.57 2.498 2.506 2.511 2.556 2.884

2.884 2.507 3.552 3.615 4.078

------1.57 1.38 ----

Temperature of measurement, 0 C 20 20 20 20 20

---1.62 ----------

20 20 room 20 20

Axial ratio c/a


95 Table 4 -4 Crystal structures of some elements (ตอ) Element

Indium

Crystal structure

Closese Lactice interatormic parameters distance a (Angstroms) (Angstroms) 2.714 3.8390 2.481 2.866 2.585 3.656 3.499 4.950 3.039 3.509

----------------

Temperature of measurement, 0 C 20 20 950 20 20

Axial ratio c/a

Lead Lithium

FCC BCC FCC FCC BCC

Magnesium Molybdenum Nickel Platinum Potassium

HCP BCC FCC FCC BCC

3.196 2.725 2.491 2.775 4.627

3.209 3.147 3.524 3.924 5.344

1.62 -----------------

20 20 20 20 20

Rhodium Rubidium Silver Sodium Strontium

FCC BCC FCC BCC FCC

2.689 4.88 2.888 3.715 4.31

3.803 5.63 4.086 4.291 6.087

---------------------

20 - 173 20 20 20

Tantalum Thorium

BCC FCC

2.860 3.60

3.303 5.088

---------

20 20

Iron


96 Table 4 -4 Crystal structures of some elements (ตอ) Element

Titanium Tungsten

Crystal structure HCP BCC BCC BCO

Uranium

Vanadium Zinc Zirconium

Closese Lactice interatormic parameters distance a (Angstroms) (Angstroms) 2.89 2.950 2.89 3.33 2.739 3.165 2.762

Tet BCC BCC HCP HCP BCC

3.02 2.632 2.664 3.17 3.13

a = 2.854 b = 5.869 c = 4.956 a=b = 10.763 c = 5.652 3.524 3.039 2.664 3.230 3.62

1.60 ---------

Temperature of measurement, 0 C 25 900 20

----------------------------1.86 1.59 -----

25 --------720 ----805 20 --------867

Axial ratio c/a


97 4.6 ระบบผลึกของสารละลายของแข็ง (Solid solution lattice)

Fig. 4.6 Substitutional and interstitial solid-solution lattice. (a) Substitutional Alloy has some solute atoms (dark) subatituted for solvent atoms. Solute and solvent atoms are normally not the same size; therefore the lattice becomes distorted by alloy additions. (b) Interstitial alloys may be formed when the solute atoms ate much smaller than the solvent atoms allowing the solute to 6t within open spaces of the solvent lattice.


98 การหา Packing factor ของโครงสรางผลึกแบบ B.C.C. หนวยเซลของ B.C.C. มีอะตอมอยูตามมุมทั้ง 8 ของรูปลูกบาศก แตละอะตอมใน รูปแบบนี้อยูตดิ กับอะตอมขางเคียงอีก 8 อะตอม จํานวนอะตอมทั้งหมดที่ถูกบรรจุอยูใน 1 หนวยเซล จริง ๆ คือ อยูที่มุมของหนวยเซลมุมละ 1 อะตอม x 8 มุม = 1 อะตอม 8 อยูที่ใจกลางของหนวยเซล = 1 อะตอม ∴ รวม = 2 อะตอม

a

3

= 4r

a =

4 3

r

รูปที่ ก.1 แสดงความสัมพันธระหวางรัศมีของอะตอม ( r ) กับหนวยความยาวของรูปผลึก ( a ) สมมติรัศมีของอะตอม = r และ 1 หนวยเซลจริง ๆ มี 2 อะตอม ปริมาตรของอะตอมทั้งหมดใน 1 หนวยเซล

= =

ปริมาตรของ 1 หนวยเซล

= = =

⎛4 ⎞ 2⎜ π r 3 ⎟ ⎝3 ⎠ 8 3 πr 3 a3

⎛ 8r ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ 3⎠ 64r 3 3 3

3


99 จากสูตร Packing factor

=

ปริมาตรของอะตอม ปริมาตรของหนวยเซล

=

8 3 πr 3 64 r 3 3 3

=

3 π 8

= 0.68 การหา Packing factor ของโครงสรางผลึกแบบ F.C.C. หนึ่งหนวยเซลของ F.C.C. มีอะตอมอยูตามมุมทั้ง 8 ลูกบาศก และที่ใจกลางของผิว ลูกบาศกทั้ง 6 ดานนั้นมีอะตอมอยูอีก 6 อะตอม

a 2

=

4r

a

=

2 2r

รูปที่ ก.2 ความสัมพันธระหวางรัศมีของอะตอม ( r ) กับหนวยความยาวของรูปผลึก ( a ) จํานวนอะตอมทีบ่ รรจุอยูใน 1 หนวยเซล มีดังนี้


100 อยูที่มุมทั้ง 8 ของรูปลูกบาศก มุมละ 1 อะตอม ที่ใจกลางของดานลูกบาศก 6 ดาน ๆ ละ 1 อะตอม ∴ รวม เราสามารถคํานวณหาปริมาตรของอะตอมทั้งหมดไดดังนี้ สมมติรัศมีของอะตอม = r และ ปริมาตรของอะตอมทั้งหมดในหนวยเซล = ปริมาตรของ 1 หนวยเซล

จากสูตร Packing factor

= = =

1 หนวยเซลจริง ๆ มี 4 อะตอม

⎛4 ⎞ 4 x ⎜ π r3 ⎟ ⎝3 ⎠

=

a3

=

(2

=

16 2 r 3

=

= = =

1 อะตอม 3 อะตอม 4 อะตอม

2r

)

3

ปริมาตรของอะตอม ปริมาตรของ หนวยเซล

16 3 πr 3 16 2 r 3

π 3 2

0.74

หมายเหตุ : โครงสรางผลึกแบบ F.C.C. มีเนื้อแนนกวาแบบ B.C.C. การที่ระบบ F.C.C. มีความอัดแนนของอะตอมมากกวาระบบ B.C.C. เปนสาเหตุ สําคัญที่โลหะที่เปนแบบ F.C.C. มีความเหนียว และขึ้นรูปไดงายกวาโลหะที่เปนแบบ B.C.C. นอกจากนี้ การเปลี่ยนแปลงรูปแบบของ Lattice จาก B.C.C. ไปเปน F.C.C. จะทําใหปริมาตรของ โลหะลดลงเล็กนอยดวย


101 เหล็กบริสุทธิ์ (Pure iron)

B. C. C. F. C. C.

หดตัว → F. C. C. ขยายตัว → B. C . C.


102

บทที่ 5 คุณสมบัติของวัสดุ (Properties of Materials) 1. คุณสมบัติทางเคมี (Chemical properties) เปนคุณสมบัติที่เกี่ยวกับ ปฏิกิริยาเคมีทั่วไป เชน ปฏิกิริยาและลักษณะของการเกิดสนิม เปนตน 2. คุณสมบัติทางกายภาพหรือคุณสมบัติทางฟสิกส (Physical properties) ซึ่งแบงเปน 2 ชนิด คือ : 2.1) คุณลักษณะเฉพาะของวัสดุ : ซึ่งไมเกี่ยวของกับปฏิกิริยาใด ๆ เชน - จุดหลอมตัว (Melting point) - ความหนาแนน (Density) - โครงสรางผลึก (Crystal structures) - คุณสมบัติทางความรอน (Thernal properties ) - คุณสมบัติทางไฟฟา (Electrical properties) - คุณสมบัติทางแมเหล็ก (Magnetic properties) 2.2) คุณสมบัติทางกล (Mechanical properties) เปนคุณสมบัติที่เกิดขึ้นในลักษณะที่มีแรงภายนอกเขามาเกี่ยวของ ดวยโดยคุณสมบัติทางฟสิกสที่สําคัญ ซึ่งเกี่ยวของกับการใชงานของเหล็กโดยตรง และคุณสมบัติ ทางกลนี้เองที่มีความสัมพันธกับโครงสรางภายในของโลหะ (Microstructure) เปนอยางมาก มีดังนี้ : - ความแข็งแรง (Tensile strength) - ความแข็ง (Hardness) - ความเหนียว (Ductility) - ความแกรง (Toughness) - การยืดตัวทีอ่ ุณหภูมิสูง (Creep) - ความลา (Fatique) หมายเหตุ : Mechanical properties ตางจาก Physical properties กลาววา Physical properties นัน้ ไมวาจะวัดโดยวิธใี ดก็จะมีคาเทากัน อาจจะแตกตางกันตรงที่หนวยวัดเทานั้นแต Mechanical properties นัน้ เราจะตองกําหนดสภาวะของการทดสอบ (Condition) ใหแนนอน เชน ขนาดของชิ้นตัวอยาง (Strain rate) , อุณหภูมิของการทดสอบ (Temperature ) เปนตน คุณสมบัติ แบงเปน 2 ประเภท


103

วิชาโลหะวิทยาทางกล (Mechanical metallurgy) วิชาโลหะวิทยาทางกล (Mechanical metallurgy) เปนวิชาที่ศึกษาเกี่ยวกับคุณสมบัติทางกล (Mechanical properties) ของโลหะ ซึ่งจะเกี่ยวของกับการตอบสนอง (Response) ของโลหะ เนื่องจากแรงที่มากระทํา เราศึกษาพฤติกรรมของโลหะวามันจะยึด , หด, แตกหักหรือไม และศึกษา ถึงพฤติกรรมของมันระหวางการขึ้นรูป (Forming) นอกจากนี้ยังครอบคลุมถึงความสัมพันธของ โครงสรางภายในของโลหะ (microstructure) กับคุณสมบัติทางกล (Mechanical properties) ดวย นอกจากนี้ยังศึกษาถึงผลของสภาวะ ภายนอก (condition) เชน อุณหภูมิ , รูปรางชิ้นงาน , ขนาดชิ้นงาน และความเร็วของการ ทดสอบที่มีตอโลหะนั้น ๆ นอกจากนี้วิชานี้ยังรวมถึงการศึกษารอยแตกวาเปนการแตกชนิดใด ศึกษากลไกของการ แตกนั้น ๆ และวิธีปองกัน เปนตน จุดมุงหมายของการศึกษาคุณสมบัติทางกล (Mechanical properties) นั้น มีสาเหตุใหญ ๆ 3 ประการคือ ก.) ศึกษาเพื่อทํานายพฤติกรรมของโลหะนั้น ๆ เมื่อนําไปใชงาน และเมื่อทําการขึ้นรูป (Forming) ข.) สามารถหาความสัมพันธของโครงสรางภายในของโลหะ (Microstructure) และ คุณสมบัติทางกล (Mechanical properties) ค.) เพื่อที่จะไดปรับปรุงคุณสมบัติของโลหะที่มีอยูและผลิตวัสดุชนิดใหมขึ้น การแตกหักของวัสดุโลหะ นั้น หากแบงเปนขอใหญ ๆ ก็จะได 2 ประการ คือ 1.) การแตกแบบเหนียว (Ductile fracture) เปนการแตกของโลหะโดยที่โลหะนั้นจะมีการยึดตัวหรือเสียรูป (Deformation) กอน 2.) การแตกแบบเปราะ (Brittle fracture) เปนการแตกแบบไมมีการยึดหรือเสียรูป สวนประกอบเครื่องจักรกลที่เราออกแบบ (design) นั้น เราคงไมตองการใหเกิดการ แตกหักขึ้นไมวาจะเปนชนิดใด แรงเมื่อมากระทบกับเนื้อโลหะนั้นจะเกิดแรงตานขึ้นภายในเนือ้ โลหะ (internal forces) และการเปลี่ยนรูปขึ้น (Deformation) แรงตานภายในที่เกิดขึ้นนี้มีชื่อเรียกวา ความเคน (Stress) และการเปลี่ยนรูปของวัสดุ เนื่องจากแรงภายนอกที่มากระทบนี้มีชื่อเรียกวา ความเครียด (Strain)


104

5.1 คุณสมบัติทางกลของวัสดุ (Mechanical properties) Mechanical Properties

Strength

Formability

Tensile yield Compression Flexural Shear Creep Stress rupture

% elongation % reduction in area Bend radius

Rigidity Modulus of elasticity Flexural modutus

Toughness

Durability

Impact strength Notch sensitivity Critical stress insensity

Hardness Wear resistance Fatigue strength

Figure 5.1 Serviceablility factors and related mechanical properties.

คุณสมบัติทางกลของวัสดุ เชน ความแข็ง (Hardness), ความแข็งแรง (Strength), ความเหนียว (Ductility) ฯลฯ เปนสิ่งที่จะบอกวาวัสดุนนั้ ๆ สามารถที่จะรับหรือทนแรงหรือพลังงาน ทางกลภายนอกที่มากระทําไดดีเลวมากนอยเพียงใด ในงานวิศวกรรมคุณสมบัติทางกลมีความสําคัญ มากที่สุด เพราะเมื่อเรานึกถึงวัสดุใด ๆ ก็ตาม สิ่งแรกที่จะนํามาพิจารณาก็คือ คุณสมบัติทางกลของ มัน การที่เครื่องจักรหรืออุปกรณใด ๆ จะสามารถทํางานไดอยางปลอดภัยขึน้ อยูก บั คุณสมบัติทางกล ของวัสดุที่ใชทําเครื่องจักร, อุปกรณนั้น ๆ เปนสําคัญ ในหัวขอนี้จะกลาวถึงความรูเบื้องตนของ คุณสมบัติทางกลของวัสดุ รวมทั้งการทดสอบที่สําคัญบางประเภท เพื่อเปนพื้นฐานในการศึกษาขั้น ตอไป


105

Mechanical Properties of Materials

ความเคนและความเครียด (Stress and Strain)

Fig.10 Example of stress aand strain


106

ความเคน (Stress) ตามความเปนจริงความเคน หมายถึง แรงตานทานภายในเนื้อวัสดุที่มีตอแรงภายนอกที่มา กระทําตอหนึง่ หนวยพืน้ ที่ แตเนื่องจากความไมเหมาะสมทางปฏิบัติ และความยากในการวัดหาคานี้ เราจึงมักจะพูดถึง Stress ในรูปของแรงภายนอกที่มากระทําตอหนึ่งหนวยพื้นที่ ซึ่งสามารถเขียนเปน สมการไดดังนีค้ ือ สูตร σ =

σ

=

P A

ความเคน (Stress) มีหนวยเปน ปาสกาล (Pa) = 1 M/ m2, Kgf/mm2 , Psi (1b/in2) P = แรงภายนอกทีม่ ากระทํา มีหนวยเปน M, kgf, 1b A = พื้นที่ภาคตัดของที่แรงกระทํา ; mm2 , in2 ลักษณะของ Stress ที่เกิดขึ้นจะเปนไปตามลักษณะของแรงภายนอกทีม่ ากระทํา ดังนี้ คือ 1. Tensile Stress คือ Stress ที่เกิดจากแรงดึงซึ่งจะพยายามดึงเนื้อโลหะใหแยกออกจากกัน คิดเปนแรงดึง (P) ตอพื้นที่ (A) ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางของแรง (ดังรูป) เมื่อ

P

P Tensile Stress (σ X ) =

P A

2. Compressive Stress คือ Stress ที่เกิดจากแรงอัด (Compression) ซึ่งพยายามกดเนื้อ โลหะใหอดั แนนติดกัน ทําใหโลหะสั้นลง คิดเปนแรง (P) ตอพื้นที่ (A) ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางของแรง (ดังรูป) P P Compressive Stress (σ C ) =

P A

3. Shear Stress คือ Stress ที่เกิดจากแรงดึงหรือแรงกดใหโลหะเลือ่ นผานกัน คิดเปนแรง (P) ตอพื้นที่ (A) ซึ่งขนานกับทิศทางของแรง (ดังรูป) P

P

Shear Stress (τ) =

P A


107

คา Stress ที่ไดจากการทดสอบนี้ จะเปนตัวเปรียบเทียบความแข็งแรง (Strength) ของ โลหะ คือโลหะใดมีคา Stress สูง จะนับวาโลหะนัน้ มีความแข็งแรงสูง สําหรับเหล็กนั้น ในการนําไปใชงานตองคํานึงถึง Strength มากที่สุด เพราะในงานทั่ว ๆ ไป มักใชเหล็กในการรับแรงดึง, แรงอัด หรือแรงเฉือน ซึ่งตองพิจารณาจาก Strength ของเหล็กนั้น ๆ เปนหลัก ความเครียด (Strain)

การเปลี่ยนแปลงรูปรางของวัสดุ (deformation) เมื่อมีแรงภายนอกมากระทําเรียกวา Strain (ความเครียด) การเปลี่ยนรูปของวัสดุนี้เปนผลมาจากการเคลือ่ นไหวของภายในเนื้อวัสดุ ซึ่ง ลักษณะของมันสามารถแบงเปน 2 ชนิดใหญ ๆ คือ 1. การเปลี่ยนรูป หรือความเครียดแบบคืนรูป (Elastic deformation or strain) เปนการ เปลี่ยนรูปในลักษณะที่ เมื่อเอา stress ออก atom ที่เคลื่อนไหวไปจากผลของ stress จะเคลื่อน


108

กลับเขาตําแหนงเดิม ทําใหวัสดุคงรูปรางเดิมไวได ตัวอยางไดแก พวกยางยืด ถาเราดึงมันแลว ปลอยมันจะกลับไปมีขนาดเทาเดิม 2. การเปลี่ยนรูป หรือความเครียดแบบคงรูป (Plastic deformation or strain) เปนการ เปลี่ยนรูปที่เมือ่ เอา stress ออก วัสดุจะคงรูปรางตามที่ถูกเปลี่ยนไปนั้นโดย atom ที่เคลื่อนที่ไปแลว จะไมกลับไปตําแหนงเดิม วัสดุทุกชนิดจะมีพฤติกรรมการเปลี่ยนรูปทั้งสองชนิดนี้ขึ้นอยูก ับแรง หรือ stress ที่มา กระทํามีมากนอยเพียงใด หากมีไมมากไมเกินพิกัดการคืนรูป (Elastic limit) แลว วัสดุนั้นก็จะมี พฤติกรรมแบบคืนรูป (Elastic Behavior) แตถา stress เกินกวา Elastic limit แลว วัสดุก็จะเกิด การเปลี่ยนรูปแบบถาวร (Plastic deformation) นั่นก็คอื วัสดุมีพฤติกรรมการเปลี่ยนรูปแบบคงรูป (Plastic behavior) นอกจาก strain ทั้ง 2 ชนิดนี้แลว ยังมี strain อีกประเภทหนึ่งซึ่งพบในวัสดุประเภท polymers เชน plastics เรียกวา Viscoelasticity strain จะมีลักษณะที่เมื่อเอา stress ออก วัสดุ จะมีการคืนรูป แตจะไมกลับไปจนมีลักษณะเหมือนเดิม ความแข็งแรง (Tensile strength)

ความแข็งแรงเปนคุณสมบัติของโลหะที่พิจารณาจากความสามารถในดานตานทานแรงที่มา กระทําหรือ ก็คือ ความแข็งแรงของโลหะ ซึ่งหาไดจากการทดสอบดวยเครื่องทดสอบ (Testing Machine) คาความแข็งแรงนี้วัดเปนแรงทีร่ ับไดตอ 1 หนวยพื้นที่ การพิจารณาความแข็งแรงของโลหะ เมื่อโลหะถูกแรงภายนอกกระทําใหเกิดการ เปลี่ยนแปลงรูปราง อะตอมตาง ๆ ที่ประกอบกันขึน้ เปนโลหะนัน้ จะถูกบีบหรือดึงใหเคลื่อนที่ เปลี่ยนไปจากตําแหนงเดิมซึง่ จะทําใหเกิดแรงภายในเนือ้ โลหะ (Internal Forces) ที่พยายามจะตาน แรงภายนอก เพื่อใหอะตอมของโลหะคงอยูในตําแหนงเดิมแรงภายในทีพ่ ยายามตานทานการเปลี่ยน รูป (Deformation) นี้เรียกวา Stress ซึ่งวัดเปนแรงตอ 1 หนวยพืน้ ที่ คา Stress ที่ไดนี้จะเปน


109

เครื่องชี้ความแข็งแรง (Strength) ของโลหะนั้น ๆ และเพื่อสะดวกในการพิจารณาหาคา จากแรง ภายนอกที่มากระทําแทนแรงตานภายในซึง่ จะมีคาเทากัน ความเหนียว (Ductility)

คือ คุณสมบัติที่วัดความสามารถในการยืดตัวของโลหะ คาของ Ductility คิดเปน เปอรเซ็นตของการยืดตัว (Percentage Elongation) โดยทดสอบจากชิน้ ทดสอบ (Specimen)

จากการทดสอบ ถาโลหะใดมีคา Percentage Elongation สูง แสดงวาโลหะนัน้ มี ความสามารถในการยืดตัว (Ductility) สูง ซึ่งจะเหมาะสําหรับงานดัดโคง ขึ้นรูป และสามารถดึง เปนเสนลวดไดดี หมายเหตุ : คา Strain ที่ไดจากการทดสอบ จะเปนเครื่องชี้ความเหนียว (Ductility) ของโลหะ นั้น ๆ คือโลหะใดมีคา Strain สูง จะนับวาโลหะนั้นมีความเหนียวสูง


110

ความยืดหยุน (Elasticity)

ความยืดหยุน คือ คุณสมบัติของโลหะที่สามารถคืนสูสภาพเดิมไดหลังจากปลอยแรงที่ กระทํา ซึ่งเกิดขึ้นไดดังนี้ เนื่องจากวาเมื่อมีแรงภายนอกมากระทํากับวัตถุ อะตอมของวัตถุนั้นจะ เปลี่ยนตําแหนงไปจากเดิม แตถาเอาแรงที่กระทําออก อะตอมก็จะเลื่อนกลับมาอยูในตําแหนงเดิม ทําใหวตั ถุคงรูปเดิมอยูได (Elastic deformation) ขนาดของ Elasticity เทียบจากขนาดของแรงที่โลหะนั้น ๆ รับได เชน โลหะทีร่ ับแรง ไดมากกวาและสามารถคืนสูสภาพเดิมได หลังจากปลอยแรงที่กระทํา เรียกวา โลหะนี้มีคณ ุ สมบัติ Elasticity สูงกวา ความสัมพันธระหวาง stress กับ strain (Stress - Strain Relationship) ในการแสดงความสัมพันธระหวาง stress และ strain เราจะใช stress - strain curve ซึ่งได จากการทดสอบแรงดึง (Tensile test) เปนหลักโดยจะ plot คาของ stress ในแกนตั้ง และ strain ในแกนนอน ดังรูป 7 -14 การทดสอบแรงดึง นอกจากจะใหความสัมพันธระหวาง stress - strain แลว ยังจะแสดงความสามารถในการรับแรงดึงของวัสดุ (Tensile strength), ความเปราะ (Brittleness) เหนียวของวัสดุ (Ductility) และบางครั้งอาจใชบอกความสามารถในการขึ้นรูปของ วัสดุ (Formability) ไดอีกดวย


111

Fig. 7 – 14 The regions of applicubility of the relation used to calculate plastic deformation of metals subjected to a tension test. The amount of elastic strain shown is greatly exaggerrated . การทดสอบแรงดึง (Tension test)


112

วิธีการ เราจะนําตัวอยางทีจ่ ะทดสอบมาดึงดวยแรง tension อยางชา ๆ แลวบันทึกคาของ stress และ strain ที่เกิดขึน้ ไว แลวมา plot เปน curve ดังรูป ขนาด และรูปรางของชิ้นทดสอบ มีตาง ๆ กัน ขึ้นอยูกับชนิดของวัสดุนั้น ๆ มาตรฐานตาง ๆ เชน ASTM (American Society of Testing Materials), BS (British Standards), JIS (Japanese Industrial Standards) หรือแมแต มอก. (มาตรฐานผลิตภัณฑอตุ สาหกรรมไทย) ไดกําหนดขนาดและรูปรางของชิ้นทดสอบไว ทั้งนี้ เพื่อใหผลของการทดสอบเชื่อถือได พรอมกับกําหนดความเร็วในการเพิ่ม load เอาไวดว ย


113

จากการศึกษา stress – strain curve (รูป 2.4) เราพบวา เมื่อเราเริ่มดึงชิ้นทดสอบอยางชา ๆ ชิ้นทดสอบจะคอย ๆ ยืดออกจนถึงจุดจุดหนึ่ง (จุด A) ซึ่งในชวงนี้ความสัมพันธระหวาง stress - strain จะเปนสัดสวนคงที่ ทําใหเราไดกราฟที่เปนเสนตรง ตามกฎของฮุค (Hook’s law) ซึ่งกลาววา stress เปนสัดสวนโดยตรงกับ strain จุด A นี้เรียกวา proportional limit และภายใตproportional limit นี้ วัสดุจะแสดงพฤติกรรมการคืนรูป (Elastic behavior) นั่นคือ เมื่อปลอย load ชิ้นทดสอบจะ กลับไปมีขนาดเทาเดิม เมื่อเราเพิ่ม stress ตอไปจาก proportional limit เสนกราฟจะคอย ๆ โคงออกจากเสนตรง วัสดุหลายชนิดจะยังคงแสดงพฤติกรรมการคืนรูปไดอีกเล็กนอย จนถึงจุด ๆ หนึ่ง (จุด B) เรียกวา


114

Elastic limit ซึ่งจุดนี้จะเปนจุดกําหนดคา stress สูงสุดที่จะไมทําใหเกิดการแปรรูปคงที่ (Permanent deformation or set) กับวัสดุนั้น เมื่อผานจุดนี้ไปแลว วัสดุจะมีการเปลี่ยนรูปอยางถาวร (Plastic deformation) ลักษณะการเริ่มตนของ plastic strain นี้ เปลี่ยนแปลงไปตามชนิดของวัสดุในโลหะ หลายชนิด เชน พวกเหล็กกลาคารบอนต่ํา (Low carbon steel) จะเกิดการ deform อยางรวดเร็ว โดยไมมีการเพิ่มของ stress (บางครั้งอาจจะลดลงก็ม)ี ที่จุด C ซึ่งเปนจุดที่เกิด plastic yielding จุด C นี้ เรียกวา Yield point และคาของ stress ที่จุดนีเ้ รียกวา Yield stress หรือ Yield strength คา Yield strength นี้ มีประโยชนกับวิศวกรมาก เพราะเปนจุดแบงระหวางพฤติกรรม การคืนรูปกับพฤติกรรมการคงรูป และในกรณีของโลหะจะเปนคา strength สูงสุดที่เราคงใช ประโยชนไดไมเกิดการเสียหาย

วัสดุหลายชนิด เชน Aluminium, Copper จะไมแสดงจุด Yield point อยางชัดเจน แต เราก็มีวิธีที่จะหามันไดโดยกําหนด strain ที่ 0.10 ถึง 0.20% ของความยาวกําหนดเดิม (original gauge length) แลวลากเสนขนานกับกราฟ ชวงแรกไปจนตัดเสนกราฟ ดังรูป 7-13 คา stress ที่ จุดตัดนีจ้ ะนํามาไวแทนคา yield stress ได stress ที่จุดนี้ บางครั้งเรียกวา proof stress หรือ stress ที่ 0.1 หรือ 0.2% offset


115

Fig. 6-2. Typical conventional stress-strain diagrams.

หลังจากจุด yield point วัสดุจะ deform อยาง plastic stress จะคอยเพิ่มอยางชา ๆ หรืออาจจะคงที่ จนถึงจุดสูงสุด (จุด D) คา stress ที่จุดนีเ้ รียกวา Ultimate strength หรือ Tensile strength ซึ่งเปนคา stress สูงสุดที่วัสดุจะทนไดกอนทีม่ ันจะขาดหรือแตกออกจากกัน (Fracture) เนือ่ งจากวัสดุหลายชนิดสามารถ deform อยาง plasti cไดมาก ๆ คา Ultimate strength นี้ สามารถเอามาใชคํานวณใชงานได นอกจากนี้คานี้ยงั ใชเปนเครื่องเปรียบเทียบคุณสมบัติของวัสดุ ไดดว ย


116

ที่จุดสุดทาย (จุด E) ของกราฟ เปนจุดที่วัสดุเกิดการแตกหรือขาดออกจากกัน (fracture) สําหรับโลหะบางชนิด เชน Low carbon steel หรือ ductile metals คา stress นี้ (Rupture strength) จะต่ํากวา Ultimate strength เพราะเมื่อเลยจุด D ไป พื้นที่ภาคตัดขวางของตัวอยาง ทดสอบลดลง ทําใหพื้นทีจ่ ะตานทานแรงดึงลดลงดวย คาของ stress จึงลดลง สวนโลหะอืน่ ๆ เชน โลหะทีผ่ านการขึ้นรูปเย็น (Cold work) มาแลว มันจะ fracture ที่จุด Ultimate strength โดยไมมีการลด cross - sectional area ดังรูป 13-2.1 a ทํานองเดียวกับพวกวัสดุเปราะ (Brittle materials) เชน ceramic ที่มีการ deform อยาง plastic นอยมาก หรือไมมีเลย สวนกรณี ของ plastic จะเกิด fracture โดยที่ตองการ stress สูงขึ้น ดังรูป 13-2.1 b

Figure 13 - 2.1 Fracture. (a) Brittle fracture involves little or no plastic deformation. (b) Ductile fracture requires energy for plastic deformation. Tougnness, the energy requirement, is equal to the area under the s-e curve.


117

Fig. 3-6. Typical tensile stress- strain diagrams.


118

Stress-strain curve นี้ นอกจากจะใชบอกคา yield strength, Ultimate strength และ rupture strength แลว ยังจะใชบอกคาตาง ๆ ไดอีก ดังนี้คือ 1. Ductility (ความเหนียว) คาที่ใชวัดจะบอกเปน Percentage Elongation และ Reduction of Area โดยที่


119

Percentage Elongation (El %) =

Lf - Lo x 100 % Lo เมื่อ Lf = ความยาวของเกจหลังจากดึงจนขาด Lo = ความยาวเกจเริ่มตน Reduction of Area = Ao - Af x 100% Ao เมื่อ Ao = พื้นที่หนาตัดกอนดึง Af = พื้นที่หนาตัดหลังจากดึงจนขาด ในทางปฏิบัติเรามักใชคา El % มากกวา เพราะสะดวกในการวัด Ductility ของ วัสดุนี้จะเปนตัวบอกความสามารถในการขึ้นรูปของมัน คือถาวัสดุมี Ductility สูง (El % สูง) ก็ สามารถนําไปขึ้นรูป เชน รีด, ตีขึ้นรูป, ดึงเปนลวด ฯลฯ ไดงาย แตถามี Ductility ต่ํา (เปราะ = brittle) ก็จะนําไปขึ้นรูปยาก หรือทําไมได เปนตน 2. Modulus of Elasticity or Stiffness ภายใต proportional limit ซึ่งวัสดุมีพฤติกรรม เปน elastic อัตราสวนระหวาง stress ตอ strain จะเทากับคาคงที่ คาคงที่นี้เรียกวา Modulus of elasticity (E) หรือ Young’s modulus

Figure 2-11. Effect of modulus of elasticity on elastic deflection. All beams have the same length and cross section.


120

คา E ของวัสดุแตละชนิดจะมีคาเฉลี่ยคงที่ และเปนตัวบอกความสามารถคงรูป (Stiffness, Rigidity) ของวัสดุ นั่นคือ ถา E มีคาสูง วัสดุจะ deform อยาง elastic ไดนอย แตถา E ต่ํา มันก็จะ deform อยาง elastic ไดมาก คา E นี้ มีประโยชนมากสําหรับงานออกแบบวัสดุที่ตอง รับแรงตาง ๆ ตารางที่ 2.1 จะแสดงตัวอยางคา E ของวัสดุตาง ๆ ไว ตารางที่ 2.1 ตัวอยางคาคงที่ E ของวัสดุชนิดตาง ๆ Modulus of elasticity วัสดุ Aluminium alloy…………………………. Copper…………………………………….. Steel (plain carbon and low alloy) Stainless Steel (18/8)…………………… Titanium…………………………………… Tungsten…………………………………..

6

10 psi 10.5 16.0 29.0 28.0 17.0 58.0


121

การคํานวณ (Calculation)

ความคืบ (Creep)


122

Figure 2 – 21. Creep testing of metals.

วัสดุสวนใหญเมื่ออยูภายใตแรงที่มากระทํา แมวาจะต่ํากวา elastic limit หากทิ้งไวนาน ๆ แลว ก็อาจเกิดการ deform อยาง plastic ได ทั้งนี้ขึ้นอยูกับอุณหภูมิที่ใชดว ย ปรากฏการณเชนนี้ เราเรียกวา creep ปริมาณของ creep ที่เกิดจะขึน้ อยูกับชนิดของวัสดุ, ประมาณของ stress อุณหภูมิและเวลา หากเราให condition ที่เหมาะสมและมีเวลาเพียงพอ creep จะเกิดขึ้นไปไดจนครบ 3 stage ดังที่แสดงในรูป 7- 22

Fig. 7 - 22. Typical creep behavior showing the relation of the useful portion of a creep curve to the eventual fracture of the alloy.

เมื่อเราให load คงที่ จะเกิด strain (OA) ขึ้นทันที ซึ่งคา strain OA นี้ ขึ้นอยูก ับชนิด ของวัสดุ และ condition ที่ให (ปริมาณของ stress, อุณหภูมิ) และมันจะมีความสัมพันธกับคา Modulus of elasticity ของวัสดุนั้น ๆ หลังจากนัน้ วัสดุก็จะเริ่มเกิด creep ใน stage ที่ 1 ซึ่งอัตราการ เกิด strain จะคอย ๆ ลดลง (A B) ใน stage ที่ 2 (B C) strain rate จะคงที่ จากนั้นเมื่อถึง stage ที่ 3 (C D) strain rate จะเพิ่มขึน้ อยางรวดเร็วจนวัสดุขาดหรือแตกออกจากกันที่จุด D


123

ความแกรง (Toughness)

ความสามารถของวัสดุที่จะดูดซึมพลังงานไวไดโดยไมเกิด rupture เรียกวา Toughness ซึ่ง มีความสัมพันธกับคุณสมบัติดาน strength และ ductility ของมัน โดยกําหนดวา Modulus of toughness เทากับ พื้นทีภ่ ายใต stress – strain curve ที่ไดจากการทดสอบ tensile ดังรูปที่ 2.9 คา Modulus of toughness นี้ จะแสดงถึงงานตอหนวยปริมาตรของวัสดุที่ตองการที่จะทําใหเกิด rupture ดวย ขอกําหนดนี้จะแสดงใหเห็นถึงขอแตกตางระหวาง ductile materials และ brittle material ดวย stress-strain curve ดังรูป 2.9 A และ B


124

รูป 2.9 จาก Stress-Strain Diagram จะเห็นวาพืน้ ที่ใต Curve ซึ่งไดจากผลคูณของ Stress กับ Strain ของ Ductile Material มีเนื้อที่มากกวาของ Brittle Material แสดงวา Ductile Material สามารถ Absorb Enery ไดมากกวา ขอสังเกต จาก Stress-Strain Diagram สูงกวา ถาพิจารณาถึง Toughness โลหะตามรูป A จะมีคา Toughness สูงกวา ถาพิจารณาถึง Strength โลหะตามรูป B จะมีคา Strength สูงกวา การวัดคา toughness ที่แนนอนเปนเรื่องคอนขางยาก จึงไดมีผูกําหนดวิธีการทดสอบที่เรียกวา Impact test (การทดสอบแรงกระแทก) วัดคา Impact strength หรือ Impact toughness ซึ่งเปนการวัดประมาณของพลังงานที่วัสดุ จะดูดซึมไวไ ด เมื่อไดรับแรงจากกระแทก (dynamic Impact force) จนหัก วิธีการทดสอบมีอยู 2 ชนิด คือ Charpy Impact test และ Izod Impact test เครื่องมือทดสอบทั้ง 2 ชนิดนี้แสดงไวในรูปที่ 2.10


125

วิธีการทดสอบของทั้ง 2 ชนิดนี้ คลายกัน คือจะวางชิ้นทดสอบไวรับแรงกระแทกจากการ เหวีย่ งของลูกตุมที่น้ําหนักคาหนึ่ง พลังงานนี้ขึ้นอยูก บั มวลของลูกตุม และความเร็วของมันขณะ กระแทกจุดกระแทกจะเปนจุดต่ําสุดของการเหวีย่ ง ซึ่งลูกตุมมีความเร็วมากที่สุด เมื่อลูกตุมกระทบ ชิ้นทดสอบลูกตุมจะเสียพลังงานไปจํานวนหนึ่งในการจะทําใหชิ้นทดสอบหัก พลังงานที่เสียไปนี้ก็ คือคา Impact strength นั่นเอง มีหนวยเปน ft - lb ชิ้นทดสอบจะเปนแทงยาวมีพื้นที่ภาคตัดขวางเปนสี่เหลี่ยมจตุรัส และมีรอยบากอยูตรงกลาง รอยบากนี้จะทําเปนรูปตัว V, U หรือรูปรูกุญแจ ขึ้นอยูก ับชนิดของวัสดุ ซึ่งมีมาตรฐานกําหนดไว ขอแตกตางระหวาง Charpy และ Izod ก็คือ การวางชิ้นทดสอบ Charpy test จะวาง ชิ้นทดสอบไวในแนวระดับ ใหลูกตุมตกกระแทกทีด่ านตรงขามกับรอยบาก สวน Izod จะวางชิ้น ทดสอบไวในแนวตั้ง และใหลูกตุมกระแทกกับดานที่มรี อยบาก


126

อุณหภูมิมีผลตอ toughness อยางมาก วัสดุที่เปน ductile material อาจจะเปลีย่ นเปน brittle materials ได เมื่ออุณหภูมิต่ําลง ถาเรานําคา Impact Energy มา plot กับอุณหภูมิ เราจะ พบวามีอุณหภูมิอยูชวงหนึ่งซึ่งคาของ Impact Energy เพิ่มขึ้นอยางรวดเร็ว ดังรูป 2.11 คา อุณหภูมิในชวงนี้เรียกวา Impact transition temperature, Impact transition temp. นี้ เปนอุณหภูมิ ที่เกิดการเปลีย่ นแปลงจาก ductile มาเปน brittle คือชวงที่มีคา Energy สูง จะเปน ductile และ ชวงที่มีคาต่ําจะเปน brittle

คา Impact energy จะไมนํามาใชโดยตรงในการออกแบบ แตมันมีประโยชนทจี่ ะใชเปน แนวทางในการประเมินคุณสมบัติของวัสดุ เมื่อใชงานที่อุณหภูมิต่ํา โดยเฉพาะพวกเหล็กทีม่ ีคา I.T.T. (Impact Transition Temperature) อยูใกลกับอุณหภูมิหอง


127


128

ความลา (Fatigue)

Figure 2-20. Use of an S-N curve to establish fatigue strength.

เมื่อวัสดุถูกแรงซึ่งต่ํากวาคา Ultimate strength มากระทํากลับไปกลับมาซ้ํา ๆ กัน ก็อาจจะ เกิด fracture ขึ้นได เนื่องจากเกิดความลา หรือ fatigue ขึ้น การเกิดการลาของวัสดุนี้ เปนสาเหตุใหญ ของการเสียหายของชิ้นสวนเครื่องจักรตาง ๆ เพราะตลอดอายุงานของเครื่องจักร เชน เครื่องยนต switch relay ฯลฯ จะตองไดรับ stress สลับไปสลับมาเปนลาน ๆ ครั้ง ทําใหเกิดการลาขึ้นใน ชิ้นสวนตาง ๆ ของมันได ขบวนการเกิด fatigue ที่แทจริงยังไมเปนที่เขาใจดีนัก แตจากการศึกษา พบวา fatigue จะเกิดเปน 2 ระยะ คือ ระยะแรกจะเกิด cracks ขึ้น เมือ่ มี stress concentration ใน


129

บริเวณนั้น และใน stage ที่สอง เมื่อมี stress มากระทําซ้ําไปซ้ํามา cracks นี้ ก็จะโตขึ้นเรื่อย ๆ จน cross-sectional area ของวัสดุลดลง จนกระทั่ง stress ตอ unit area สูงกวาคา ultimate strength วัสดุก็จะแตกจากกัน ดังรูป

ถาเรากําหนดจํานวนรอบของ stress ที่ทําซ้ําไปซ้ํามาแลว (โดยปกติจะใชที่คา 106 รอบ) คา stress ที่จะทําใหวัสดุ fracture ไดที่รอบนั้น ๆ เราเรียกวา fatique strength สําหรับโลหะ โดยเฉพาะพวกเหล็ก จะมีคา stress อยูคาหนึ่ง ซึ่งถาใช stress ต่ํากวานี้แลว ไมวาจํานวนรอบจะเปน เทาใด วัสดุจะไมแตกออก คา stress นี้เรียกวา Endurance limit การทดสอบความลามีอยูหลายวิธี แตโดยหลักการจะเหมือนกันคือ จะให stress เปน cycle กับชิ้นทดสอบ โดยใช stress คาตาง ๆ แลวบันทึกจํานวนรอบ (cycle) ที่วัสดุจะทนไดไว จากนั้นนํามา plet เปนกราฟไดดังรูป 2.12 เรียกวา S - N curve สําหรับพวกโลหะเหล็กเกือบทั้งหมดและโลหะที่ไมใชเหล็กบางชนิด จะมี Endurance limit ดังรูป (a) สวนพวกโพลิเมอรและโลหะที่ไมใชเหล็กหลายชนิดจะไมมี Endurance limit ดังรูป (b) สําหรับโลหะที่มี Endurance limit Endurance limit จะมีความสัมพันธกับคา Ultimate strength สวน โลหะผสมทองแดงจะอยูประมาณ 25 – 50 % ของ Ultimate strength


130

ความแข็ง ( Hardness)

ความแข็ง เปนความตานทานการเจาะทะลุ ( Penetration ) หรือการเสียดสี (Abrasion) ของ วัสดุ ความแข็งของวัสดุเกีย่ วพันกับการจับตัวของ atom และ molecule ภายในเนือ้ วัสดุ เชนเดียวกัน กับ strength ดังนั้น ความแข็งมักจะเพิ่มเมือ่ วัสดุมี strength สูงขึ้น นั่นคือพวกโลหะ และ ceramics จะ แข็งกวาพวกโพลิเมอร


131

การวัดความแข็งมีอยูหลายวิธี แตที่ใชกันมาก คือ 1.) การวัดความแข็งแบบบริเนล (Brinell hardness test ) 2.) การวัดความแข็งแบบวิคเกอร (Vickers hardness test ) 3.) การวัดความแข็งแบบร็อคเวล (Rockwell hardness test ) 4.) การวัดความแข็งแบบชอร ( Shore or Scleroscope test ) เครื่องวัดความแข็งของโลหะเกิดขึ้นจากในครัง้ แรกมนุษยเรา ทดลองเอาวัตถุ 2 ชนิด มา เสียดสีกัน ระหวางการเสียดสีอยูนนั้ วัตถุที่มีความแข็งมากกวาก็จะเสียดสีผิวของวัตถุที่ออนกวาให เปนรอยหรือหลุดออกมา จึงทําใหมีการทดลองกันเรื่อยมา จนกระทัง่ ไดหาวัตถุที่แข็งที่สุดได คือ เพชร นั่นเองเมื่อไดเพชรเปนวัตถุที่แข็งที่สุดแลว ก็ใชเพชรนั้นเปนมาตรฐานของความแข็งและใช เพชรเปนหัวกด (Indentor ) สําหรับเครื่องวัดตาง ๆ และระบบการวัดความแข็งแบบเสียดสีนั้นเรียก ระบบ Mohs และเปนจุดเริ่มการสรางเครื่องทดสอบความแข็งแบบตาง ๆ ดังตาราง


132


133

1. การวัดความแข็งแบบบริเนล ( Brinell hardness test )

Fig.223 Diagram of the Brinell hardness test การทดสอบความแข็งตามวิธีบริเนล (Brinell) นี้ วิศวกรชาวสวีเดน J.A.Brinell ไดนํามาใช กอน ตั้งแตป ค.ศ.1849 โดยเริ่มมาเปนสูตรดังนี้ : ความแข็งตามบริเนล HB = F/A …………………..(1) โดย F = แรงที่ใชทดสอบเปน kp ทําเปน N ได 0.102 N เพราะวา 1 kp = 9.81 N A = พื้นที่ของรอยกดเปน mm2 แทนคาลงในสมการ (1) จะได AB = 0.102 F/A ……(2) A = π .D.h. ………………………………… (3) จากรูป เสนประใช ท.บ.29 (เรขาคณิต) จะได ; 2

2

⎛D ⎞ ⎛D⎞ ⎛d ⎞ ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ + ⎜ − h⎟ ⎝2 ⎠ ⎝2⎠ ⎝2⎠ ⎛D ⎞ ⎜ − h⎟ ⎝2 ⎠ D −h 2

h

2

=

2

⎛D⎞ ⎛d ⎞ ⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝2⎠ 2

2

2

=

⎛D⎞ ⎛d ⎞ ⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝2⎠

=

D − D2 − d 2 2

เอาคา h แทนใน (3) ได : ⎛

A = π.D. ⎜⎜ D − ⎝

D2 − d 2 2

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

2


134

แลวแทนใน (2) จะได ; AB =

0.102(2 F )

(

π .D D − D 2 − d 2

)

ขนาดเสนผาศูนยกลาง D ของลูกบอลเหล็กมีขนาดมาตรฐานคือ 10, 5, 2.5 หรือ 1 มม. การเลือก แรงกดทดสอบตองใหมากพอที่จะเกิดเปนรอยบุม เสนผาศูนยกลาง d = 0.2 x D …0.7 ; D. ทั้งนี้ เพื่อใหไดคาทีแ่ นนอน ในการที่จะปรับคาแรงกดทดสอบใหไดแมนยําใหไดผล จะสามารถทําการเปรียบเทียบผล การทดสอบไดนั้น จะตองมีคา Degree of loading ที่มาตรฐาน คือ 30 , 10 , 5, 2.5 , 1.25 คาความแข็งจะสามารถเปรียบเทียบได เมือ่ ชิ้นทดสอบหลายชิ้นใหคา Degree of loading และเวลาทีใ่ ชกดทดสอบเหมือนกัน Degree of loading =

0.102 F D2

หนวยเปน N/mm2

เวลาที่ใชกดทดสอบนั้นขึ้นกับชนิดของวัสดุ ตัวอยาง สําหรับเหล็กกลา

F=

30 D 2 30 × 100 = 0.102 0.102

ใชลูกบอลเหล็ก ขนาดเสนผานศูนยกลาง D = 10 มม. คา Degree of loading ของเหล็กกลา = 30; F = 29420 N ในการทดสอบความแข็งตามวิธีบริเนลนี้ ผิวชิ้นงานทีจ่ ะทดสอบตองเรียบเปนมันเหมาะสําหรับวัสดุ ที่มีความออนเหนียว, ความหนาของชิ้นงานตองมีขนาดอยางนอยที่สุด 8 เทาของรอยที่ลูกบอลกด ลงไป สัญลักษณการอานคาความแข็งตามวิธีบริเนลมีสวนประกอบดังนี้ 150 HB 5 / 250 /30

คาความ แข็งแรง

อักษรยอของ วิธีการทดสอบ

ขนาดเสนผานศูนยกลาง ของลูกบอลเหล็ก

แรงกดทดสอบ คูณ 9.81 N

เวลาที่ใชแรงกด ทดสอบเปนวินาที

สําหรับเหล็กกลาไมประสมจะมีคาความสัมพันธระหวางคาความเคนแรงดึงกับความแข็งตามบริเนล ดังนี้ OB = 3.5 x HB หนวย N/ mm2


135

ตัวอยาง วิธีการอานสัญลักษณยอของการทดสอบความแข็งแบบบริเนล 350 HB = ความแข็งบริเนล 350 ใชลูกบอล ขนาดเสนผาศูนยกลาง 10 มม. แรงที่ใชกด 29420 N เวลาที่ใชกดแช 10 – 15 วินาที ตามปกติถาไมมีเลขอยูหลัง HB แสดงวาใชเกณฑทดสอบมาตรฐาน คือใชลูกบอลขนาดเสน ผานศูนยกลาง 10 มม. แรงที่ใชกด 29420 N เวลาที่ใชกดแช 10 – 15 วินาที 120 HB 5/250/30 = ความแข็งบริเนล 120 ใชลูกบอลขนาดเสนผานศูนยกลาง 5 มม. แรงที่ใชกด 2450 N เวลาที่ใชกดแช 30 วินาที 170 HB 2.5/62.5 = ความแข็งบริเนล 170 ใชลูกบอลลขนาดเสนผานศูนยกลาง 2.5 มม. แรงที่ ใชกด 613 N ( 62.5 x 9.81 N = 631 N ) ตารางที่ 5.4 : คาความแข็งที่วัดไดสําหรับวัสดุชนิดตาง ๆ กัน Degree of loading คาความแข็ง ที่วัดได HB ใชทดสอบ วัสดุ

30 67 ถึง450 N/ mm2 เหล็กและโลหะ ประสมที่มีความ เคนสูง เหล็กเหนียว , เหล็กกลา,เหล็ก เหนียวหลอ , เหล็กหลอเหนียว เหล็กหลอ, โลหะประสม ไททาเนียม, โลหะประสม นิเกิลและโคบอล ที่ทนความรอน

10 22 ถึง 315 N/mm2

5

2.5

11 ถึง 158 N/mm2

6 ถึง 78 N/mm2

1.25 3 ถึง 39 N/mm2

โลหะไมใชเหล็ก

โลหะเบา, โลหะประสม โลหะเหนียว ประสม,โลหะ ประสมที่หลอ ดวยการฉีด, ทองแดง, บรอนซ,นิเกิล

อลูมิเนียม- โลหะที่ใชทํา ตะกัว่ , บริสุทธิ์, รองเพลา ดีบุก, แมกนีเซียม, (Bearing) โลหะออน สังกะสี, ทองเหลือง หลอ


136

ในการทดสอบความแข็งตามบริเนลนี้ตองใชกลองขยายที่มีสเกลอานคาขนาดรอยบุม d1 , d2 เปน มม. แลวนําคํานวณดวยสูตร หรือนําอานคาจากตารางเปนคา HB โดยเทียบจากขนาดแรงทีใ่ ชกด ( N ) หรือ kp , ขนาดลูกบอลเหล็กที่ใชกดทดสอบ 2. การวัดความแข็งแบบวิคเกอร (Vickers hardness test )

จากรูปที่ 5.31 เพชรรูปปรามิดสี่เหลี่ยมใชทดสอบวัสดุทุกชนิดทีมีความแข็งนอยไปหามาก หรือทีมีความแข็งทุกชนิด (ยังสามารถใชทดสอบความแข็งชิ้นงานทีบ่ างมาก ๆ ได เชน ใบมีดโกน) แรงที่ใชกดจะเริ่มจาก 2 N – 1000N จากพื้นที่ที่ถูกกดเปนรอยและแรงที่ใชกดเขาจะเอามาคํานวณหา คาความแข็งจากสูตรที่พัฒนาโดยบริษัท Metropolitain – Vicker and Co.London. F 0.102 ⋅ F = A A

คาความแข็ง HV =

A = พ.ท.รอยกดบนชิ้นทดสอบ (mm2) คา sin 136° / 2 = a : h;h = 2

คา d =

d1 + d 2 2

a ……………(1) 2. sin 136 o / 2

sin 45° = a/d ; 1/ 2 = a/d a = d/ 2 ; a2 = d2 / 2 …………(2) A ของ

1 รูป =

A ของ

4 รูปใน

1 2

. a (ฐาน) h (ความสูงเอียง) จัตุรัส =

1 ⋅ 4 ⋅ a ⋅ h …….(3) 2

เอา (1) แทนใน (3) ; A =

a2 4⋅a⋅a = 2.2sin 136 o / 2 sin 136 o / 2

รูปที่ 5.31 การทดสอบความแข็งวิธีวิคเกอร


137

เมื่อเอา (2) แทนในสมการจะได ; A =

d2 d2 = 2 sin 136 o / 2 1.854

…………………….(4)

เอา (4) แทนในสูตร HV ได ; HV = HV =

d = A= F = d

0.102 × 1.854 F d2

0.189 ⋅ F d2

หนวยเปน N/mm2

เสนทะแยงมุมเฉลียงของรอยกดเปน มม. = (d1+d2) / 2 พื้นที่รอยกดเปน มม2 แรงที่ใชกดเปน N แรงที่ใชกดนัน้ ขึ้นอยูกับความแข็งแรง และความหนาของชิ้นงานที่จะทดสอบโดย 0.67 ของความหนาของชิ้นงานที่จะทดสอบ คาความแข็ง HV สามารถเปรียบเทียบกับ HB ไดดังสูตรความสัมพันธดังนี้ : HB = 0.95 HV

การคํานวณพืน้ ที่รอยกดนั้นเขาสองขยายดูเสนรอยกดของเสนทะแยงมุมแลวดวยคาละเอียด ได ± 0.002 มม. สําหรับแรงที่ใชกดทดสอบจะเปนมาตรฐานที่ใชกันมาก คือ ตัง้ แต 49 N, 98 N, 196 N, 980 N การทดสอบวิธีนี้เหมาะกับเหล็กกลาชุบกลาชุบแข็งที่มีความลึกของผิวนอย , วัสดุทกุ ชนิดที่ บางมาก ๆ ไดเชน ใบมีดโกน ตัวอยางการอานสัญลักษณยอ ของการทดสอบความแข็งแบบวิคเกอร 640 HV 30 = ความแข็งตามวิคเกอร 640 ใชแรงกด 294 N ใชเวลากด 10 – 15 นาที 180 HV 50/30 = ความแข็งตามวิคเกอร 180 ใชแรงกด 490 N ใชเวลากด 30 วินาที ขอดีอื่น ๆ ที่เหมาะสมกับการทดสอบความแข็งตามวิธีวคิ เกอร 1.) สามารถทําการทดสอบไดรวดเร็ว 2.) มีรอยกดบนชิน้ งานนอยที่สุด 3.) เหมาะสําหรับการทดสอบชิ้นงานสําเร็จรูปในขบวนการผลิตจํานวนมาก ๆ ได


138

3. การวัดความแข็งแบบร็อคเวล ( Rockwell hardness test )


139

c ความลึกของรอยจิก บนผิวงานดวยแรง กดนํา 10 kp

d ความลึกรอยจิก ที่มากที่สุด

1 ปรับใหอยูตาํ แหนงศูนย

2 ตรวจสอบ

คาความแข็งของรอคเวล

= 100 -

e = ความลึกรอยจิก เปน มม. e คาวัดจากนาฬิกา ที่เหลือเศษความลึก = HRC 3 วัดคา e 0.002

ในการทดสอบตามวิธีรอคเวล HRC จะใชเพชรรูปกรวยมีมุม 120 ° หรือตามรอคเวล HRB จะใชลูกบอลลเหล็กกลา เสนผาศูนยกลาง 1/6 “ ตามวิธี HRC จะใชทดสอบกับชิ้นงานที่เปนเหล็กกลา ชุบแข็งและตามวิธี HRB จะใชทดสอบกับเหล็กกลาไมชบุ แข็ง จากรูปขางบนขั้นแรก (ซายสุด) กดหัวเพชรบนชิ้นงานทดสอบดวยแรงกดนํา 10 kp.โดยได ความลึกเปนระยะ = c ตอจากนั้นเขาเขาจะตั้งเข็มนาฬิกาไปที่ศูนย ขั้นที่สอง (รูปกลาง) ใชแรงกดเพิ่มเขาไปอีก 140 kp รวมได 150 kp (แรงกดนํา + แรงกดเพิ่ม) ทําใหหวั เพชรกดเขาไปในชิน้ งานทดสอบได ความลึกเปนระยะ = d เข็มของนาฬิกาวัดจะหมุน ทวนเข็มนาฬิกาจาก 100 ไปยัง (ตัวอยางเชน) ราว ๆ 40 ขั้นที่สาม จะลดแรงกดเพิ่ม 140 kp ออกทําใหเหลือแรงกดนําเพียง 10 kp ดวยเหตุนี้ทาํ ใหเข็ม วัดของนาฬิกาถอยกลับจากราว ๆ 40 มายังราว ๆ 60 ตามตัวเลขที่กลาวมา ครั้งหลังนี้จะเปนคาความ แข็งของรอคเวล : HRC = 60 ในเครื่องทดสอบความแข็งสมัยใหมสามารถอานคาความแข็งรอคเวลที่นาฬิกาไดทันทีแตใน กรณีนี้ จะเอาคาความแข็งจากรอคเวลจากระยะความลึก e ของหัวเพชรตามสูตรคํานวณ (ขางบน) ความลึกรอยจิก e อนุญาตใหไดสูงสุดไมเกิน 1/10 ของชิ้นงานที่จะทดสอบ ดวยเหตุนี้ผิวงานชุบแข็ง บางทีชุบดวยแกสไนโตเจนจึงไมสามารถทําการทดสอบได ตัวอยางการอานสัญลักษณยอ : 45 HRC = ความแข็งตามรอคเวล 45 ตามวิธีรอคเวล C 80 HRB = ความแข็งตามรอคเวล 80 ตามวิธีรอคเวล B การทดสอบความแข็งวิธีรอคเวล โดยใชบอลเหล็ก (HRB) กระทําคลายวิธีใชเพชรรูปกรวย เพียงแตเปลี่ยนรูปกรวยรูปเพชรมาเปนลูกบอลเหล็กชุบแข็ง ใชแรงกดนํา 10 kg. แรงกดที่เพิ่มเติม 90 kg.


140

ตัวอยาง ตารางคาความแข็งของวัสดุตามรอคเวล ตารางที่ 5.5 วัสดุ ความแข็งตามรอคเวล kg/mm2 เหล็กกลาชุบแข็งดวยเปลวไฟ 54 เหล็กกลาเพิ่มคารบอน 62 เหล็กกลาไนโตร 68 ในการทดสอบโลหะไมใชเหล็กหรือพลาสติก, ฉนวนและปะเก็น เขาจะใชบอลเหล็กกลาขนาดเสน ผานศูนยกลาง 1/8”, 1/4” หรือ 1/2”, โดยขึ้นอยูกับความแข็งของวัสดุแตละชนิดแรงที่ใชทดสอบมี 588 N, 980 N, หรือ 1471 N เชนการทดสอบความแข็งของพลาสติกโดยวิธีทดสอบ HRL ใชบอล เหล็กขนาดเสนผานศูนยกลาง 1/4” แรงกดทดสอบ 588 N สําหรับวัสดุฉนวนและวัสดุปะเก็น ใชวิธี ทดสอบ NRR ใชลูกบอลเหล็กขนาดเสนผาศูนยกลาง 1/2” แรงกดทดสอบ 588 N สวนการทดสอบ ความแข็งตามวิธีรอคเวล HRA ใชทดสอบความแข็งของวัสดุที่แข็งมาก เชน วุลแฟรมคารไบด และ อื่น ๆ วิธีรอคเวล HRB ใชทดสอบวัสดุที่แข็งปานกลาง , เหล็กกลาไมชุบแข็ง , ทองเหลือง , บรอนซ วิธีรอคเวล HRC ใชทดสอบเหล็กกลาชุบแข็ง วิธีรอคเวล HRF ใชทดสอบเหล็กแผนที่ผานการรีดเย็น , ทองแดง, และทองเหลืองทีผ่ านการ อบมาแลว 4. การวัดความแข็งแบบชอร ( Shore or Scleroscope test )

รูปที่ 5.36 แสดงภาพการทดสอบความแข็งแบบกระแทกกระดอนกลับ


141

การวัดความแข็งของโลหะโดยวิธีนี้ นอกจากจะใชไดกับโลหะที่มีผิวหนาราบเรียบเหมือนกับ แบบอื่น ๆ แลว ยังเหมาะสําหรับวัดความแข็งของโลหะที่มีผิวโคงและโลหะที่มีขนาดใหญไดสะดวก กวาวิธีอื่น วิธีการวัดความแข็งของโลหะ มีดังนี้ (1) ใชตุมหนักประมาณ 2.6 กรัม ปกติทาํ ดวยกากเพชรเปนรูปลิ่มหัวมนใหตกจากระยะความ สูงที่กําหนดใหในเครื่องวัด ลงตามแนวดิง่ ตามทอแกวของเครื่อง ขาง ๆ ของทอแกวนี้มีมาตรเปน ขีด ๆ ใชแสดงคาความแข็งของโลหะแบบชอร ตุมจะกระทบบนผิวของโลหะที่ตองการวัดทีว่ างไว เบื้องลาง (2) ภายหลังการกระทบ ตุมนี้จะสะทอนกลับขึ้นในแนวดิ่ง อานตําแหนงความสูงทีส่ ุดที่ตุมนี้ สะทอนกลับขึ้นมาเปนครั้งแรก ซึ่งจะตรงกับคาบนมาตรที่แสดงความแข็ง ก็จะไดคาความแข็งของ โลหะในแบบชอร (Shore scleroscope hardness number ) ตามที่ตองการ สังเกตไดวา โลหะที่มีความแข็งมากตุมจะสะทอนกลับขึ้นไปไดสูง สวนโลหะที่มคี วามแข็ง นอย ตุมจะสะทอนกลับขึ้นไปไดไมสูงนัก เครื่องวัดความแข็งแบบชอรบางเครื่องมีหนาปดแสดงคาความแข็งแบบชอรติดอยูดว ยเข็มบน หนาปดจะหมุนบอกคาความแข็งโดยอาศัยกลไกจากการสะทอนกลับของลูกตุม เครื่องแบบนี้ใหความ สะดวกในการใชงานมาก เพราะไมตองคอยจับจองระดับที่ตุมสะทอนกลับเหมือนเครื่องวัดความแข็ง แบบชอรธรรมดาทั่วไป ขอควรระวังในการวัดความแข็งแบบชอร มีดังนี้ (1) ระหวางการทดสอบ ตองจัดใหเครื่องวัดอยูในแนวดิ่งจริงๆ และตลอดเวลาทั้งนี้โดยดูจาก ฟองอากาศที่ตดิ อยูกับตัวเครือ่ ง เพื่อใหการเคลื่อนที่ขึ้นลงในแนวดิง่ ของตุมเปนไปตามอิทธิพลของ แรงโนมถวงของโลกและพลังงานจลนของตุม ถาเครื่องวัดไมไดอยูในแนวดิ่ง ตุมจะเสียดสีกับทอแกว ทําใหสูญเสียพลังงานไปสวนหนึ่ง และทําใหระดับความสูงของการสะทอนกลับของตุมลดลงกวาที่ ควรจะเปน คาความแข็งของโลหะที่อานไดจึงต่ํากวาคาที่เปนจริง (2) ตองพยายามทําใหตุมตกกระทบผิวโลหะในลักษณะตั้งฉาก เพือ่ ตุมจะไดสะทอนกลับ ทิศทางเดิม ไมหักเหออกนอกทางในชวงแรกของการสะทอนกลับ ซึง่ จะทําใหอานคาความแข็งไดต่ํา เกินไป ถาผิวของโลหะที่ตองการวัดความแข็งเปนสวนโคงของวงกลม ปญหานี้จะไมเกิดขึ้นแตถาผิว โลหะโคงอยางไมเปนระเบียบจะเกิดปญหาขึ้น ทางแก (ถาทําได) คือตองลบรอยโคงนั้นใหราบเรียบ กอนทําการทดสอบหาความแข็ง (3) ถาตองการวัดความแข็งของโลหะชิ้นเดียวกันหลายครั้ง ตองเลื่อนตําแหนงของการวัด เปนตําแหนงใหมทุกครั้ง เพราะการที่ตุมกระแทกลงบนผิวโลหะ มันจะทําใหเกิดรอยบุมบนผิวโลหะ รอยบุมนี้ก็โตพอที่จะทําใหการวัดซ้ําตําแหนงเดิมเกิดความคลาดเคลื่อนได


142

(4) สําหรับโลหะที่มีขนาดเล็ก หรือมีขนาดบางมาก ๆ เชน ใบมีดโกน มวลของโลหะมีนอย เปนผลใหการถายเทพลังงานเมื่อตุมสะทอนกลับมีคานอย ทําใหอานคาไดไมถูกตอง ดังนั้นในการ ทดสอบความแข็งของโลหะจําพวกนี้ จะตองเลือกใชเครื่องวัดที่มีแทนรองรับชิ้นโลหะที่ตองการ ทดสอบ เพื่อเสริมใหโลหะมีมวลมากขึ้น สรุปการทดสอบผิวความแข็งดวยวิธีตาง ๆ ก) ในการทดสอบโดยใช ลู ก บอลล เ หล็ ก แบบใช ก ดบนชิ้ น ทดสอบจะอนุ ญ าตเฉพาะชิ้ น ทดสอบที่ทําดวยเหล็กกลาละมุนหรือโลหะไมใชเหล็ก (หามใชทดสอบกับเหล็กกลาที่ผานการชุบ แข็ง) ในกรณีที่ไมแนใจวาชิ้นทดสอบผานการชุบแข็งมาแลวหรือไม ใหทําการทดสอบโดยวิธีรอดเวล C หรือวิธีวิคเกอร ข) ในการทดสอบจะตองทดสอบชิ้นทดสอบใหเกิดรอย 2 ถึง 3 รอบ (เพื่อหาคาเฉลี่ย) โดย กรณีที่ทดสอบดวยวิธีบริเนลใหระยะหางของขอบรอยกดหางกันอยางนอยที่สุด 4 เทาของรอยบุม, กรณีที่ทดสอบดวยหัวเพชรใหระยะหางของรอยกดหางกันอยางนอยที่สุด 3 มม. ค) ในการทดสอบความแข็งตามวิธีบริเนล ใชเวลากดลูกบอลลเหล็กบนชิ้นทดสอบไมเกิน 30 วินาที

รูปที่ 5.33 การเปรียบเทียบคาความแข็งจากวิธีทดสอบตาง ๆ


143


144


145


146

5.2 คุณสมบัตทิ างความรอนของวัสดุ ในการใชงานวัสดุมักจะมีพลังงานความรอนเขามาเกี่ยวของเกือบเสมอพลังงานความรอนนี้ อาจจะมาจากสิ่งแวดลอมที่อยูนั้น หรืออาจเกิดจากการทํางานของมันเองก็ได นอกจากนี้ยังมีการใช งานวั ส ดุ ที่ต อ งใช ค วามร อ นมาเกี่ ย วข อ งด ว ย เชน การวัด เหล็ ก พลั ง งานความร อนนี้ ค งจะทํ า ให คุณสมบัติตาง ๆ ของวัสดุเปลี่ยนไป ดังนั้น เราจําเปนจะตองรูจักคุณสมบัติความรอนของวัสดุไวบาง เพื่อชวยใหการเลือกใชวัสดุไดถูกตองยิ่งขึ้น 1. Heat Resistance ความทนความรอน หมายถึง ความสามารถของวัสดุที่จะคงสภาพ และ คุณสมบัติเดิมไวเมื่อมีการเปลี่ยนอุณหภูมิ อุณหภูมิที่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นเราเรียกวา Transition หรือ transformation temp. (point) ในพวกโลหะอุณหภูมิหรือจุดเหลานี้มีความสําคัญมาก เพราะเปน จุดที่มีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของมัน เชน ความแข็ง สภาพการเปนแมเหล็ก ฯลฯ ซึ่งจะอธิบายให ชัดเจนยิ่งขึ้นในบทตอไปเรื่อง สิ่งที่สําคัญสําหรับการนําวัสดุใชงาน คือ อุณหภูมิที่จะใชงานจะตองต่ํากวาจุดหลอมเหลว หรือจุดออนตัว (Softening point) ของมัน ในกรณีของพวก crytalline materials (วัสดุที่มีโครงสราง เปนผลึก) จุดหลอมเหลวจะเห็นไดชัด เพราะจะมีการละลายตัวเกิดขึ้น แตในพวกโพลิเมอรจะไมเปน เชนนั้น มันจะเกิดการออนตัวขึ้นกอน (Softening) ซึ่งชวงอุณหภูมิในการออนตัวของมันจะกวางมาก และบางกรณีมันอาจจะเปลี่ยนสภาพ (decompose) ไปกอนที่มันจะละลายเสียอีก จุดออนตัวของ โพลิเมอร เชน พลาสติก จะเปนจุดสูงสุดที่มันจะใชงานได และใชเปนจุดบอกความทนความรอนของ มันวามีมากนอยเพียงใด สวนกรณีของโลหะเราจะใช transition point เปนตัวกําหนด และบางครั้ง อุณหภูมิที่ทําใหโลหะเกิด oxidation ขึ้นอยางมาก (แมวาจะไมเกิดการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติอยางอื่น) ก็เปนตัวกําหนดอุณหภูมิใชงานของมันดวย โดยสรุป เมื่อเราพูดถึงความทนความรอนของวัสดุก็จะ หมายถึงความทนทานของวัสดุตอการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยไมทําใหสภาพภายนอกและภายใน เปลี่ยนไปเกินกวาจะใชงานได 2. Thermal Conductivity and Emissivity ปกติความรอนจะไหลผานวัสดุจากอุณหภูมิสูงไป หาต่ํา และอัตราการไหลของมันเรียกวา Coefficient of thermal conductivity (K) คานี้กําหนดไววา เทากับปริมาณความรอน (เปน Btu) ที่ไหลผานวัสดุที่มีพนื้ ที่หนาตัด 1 ft2 หนา 1 นิ้ว ใน 1 ชม. โดยมี ความแตกตางความรอนระหวางสองหนา 1°F มีหนวยเปน Btu / ft2.hrOF.in จากนิยามเราจะได ความสัมพันธดังสมการ คือ Q

=

KA(t1 − t 2 ) L


147

เมื่อ Q K t1 t2 L A

= ปริมาณความรอนที่ไหลผานใน 1 ชั่วโมง ( Btu / hr ) = Coefficient of thermal conductivity Btu / ft2.hr.F°.in = อุณหภูมิดานที่รอนของวัสดุ ° F = อุณหภูมิดานที่เย็นของวัสดุ ° F = ความหนาของวัสดุ (in) = พื้นที่หนาตัดของวัสดุที่ความรอนไหลผาน ( ft2)

คา K จะเปลี่ยนไปตามชนิดของวัสดุและอุณหภูมิ ในพวกโลหะ คา K จะลดลงเมื่อ อุณหภูมิเพิ่มขึ้น สวนวัสดุอยางอื่นคา K จะสูงขึ้นเมื่อเพิ่มอุณหภูมิ การเลือกใชวัสดุเราจะตองคํานึงถึงการใชงาน ถาตองใชในระบบระบายความรอนของ เครื่องจักรเราจะเลือกวัสดุที่มีการนําความรอนที่ดี (K สูง) สวนกรณีที่ใชเปนฉนวนความรอนเพื่อจะ เก็บรักษาอุณหภูมิ เราจะเลือกใชวัสดุที่มีคา K ต่ํา ซึ่งไดแก พวกที่มีเนื้อเปนรูพรุน เพราะอากาศเปน ตัวนําความรอนที่เลว (พวก ceramic จะมีคุณสมบัติอยางนี้) การสงผานความรอนของวัสดุอาจจะไดดวยวิธีการแผรังสี (radiation) ความสามารถของ วัสดุที่จะ radiate ความรอนนี้เราเรียกวา Emissivity ซึ่งขึ้นอยูกับลักษณะผิวของวัสดุและอุณหภูมิ คา Emissivity จะเทากับปริมาณความรอนที่วัสดุจะ radiate ออกมาได ตอปริมาณความรอนที่ Ideal black body จะ radiate ออกมาไดที่อุณหภูมินั้น ๆ Ideal black body คือวัสดุที่จะดูดซึมความรอนที่มา กระทบไวไดโดยไมมีการสะทอน หรือสงผานออกไป 3. Thermal Stress and Expansion วัสดุจะขยายตัวเมื่อรอนและหดตัวเมื่อเย็น ถึงแมวาการขยายตัวจากความรอนนีจ้ ะไมมาก นัก ( ≈ 5 % ) แตมันก็ทําใหเกิด stress ขึ้นภายในเนื้อวัสดุได และถา stress นี้มีมากพอ (ชิ้นงานขนาด ใหญ) ก็อาจทําใหเกิดความเสียหายได โดยเฉพาะกับวัสดุพวก nonductile material ซึ่งไมสามารถ ปรับตัวไปตาม thermal stress ได เราใชคา thermal expansion coefficient เปนเครื่องบอกวาวัสดุจะขยายตัวมากหรือนอย เพียงใด เมื่ออุณหภูมสิ ูงขึ้น คานี้จะเทากับความยาวที่เพิ่มขึ้นตอความยาวเริ่มตนตอองศาอุณหภูมิมี หนวยเปน in / in / °F หรือ cm / cm / °C คา Thermal expansion coefficient นี้จะเปลี่ยนไปตามอุณหภูมิและโดยปกติจะสูงขึ้นเมื่อ อุณหภูมิสูงขึ้น นอกจากนี้มนั ยังมีความสัมพันธกับคา specific heat และ melting point ของวัสดุดวย โดยทั่วไป plastic ซึ่งมี softening point ต่ํา จะมีคา coefficient of expansion สูงกวาของโลหะมาก


148

5.3 คุณสมบัตทิ างเคมีของวัสดุ สิ่งแวดลอมวัสดุที่กําลังทํางานมักจะมีผลทางเคมีกับวัสดุนั้น สิ่งแวดลอมนีอ้ าจจะเปน ของเหลว เชน สารเคมี, น้ํา, กาซ เชน oxygen, ของแข็ง หรือหลาย ๆ อยาง เปนตน ปฏิกิรยิ าทาง เคมีที่เกิดขึ้นกับวัสดุ เนื่องจากสิ่งแวดลอมเหลานี้เราเรียกวา corrosion ซึ่งมีผลทําใหเสียเนื้อวัสดุไป หรือเกิดความเสียหายกับวัสดุ หรืออาจจะทั้ง 2 อยาง นอกจากนี้มันอาจจะมีผลทําใหคุณสมบัติ บางอยางของวัสดุเปลี่ยนไป เชน wear resistance และ fatique strength ถาจะวัดปริมาณหรือทํานายการเกิด corrosion เปนเรื่องยาก เพราะปฏิกิริยาที่เกิดเกีย่ วของกับ สิ่งตาง ๆ มากมาย เชน สวนประกอบเคมีของ media , ลักษณะที่วัสดุ contact กับ Media (ทั้งหมดหรือ บางสวน, ตลอดเวลาหรือเปนบางขณะ) ระยะเวลาที่สัมผัสกับ media นั้นอุณหภูมิและลักษณะการ เคลื่อนไหวของ media อยางไรก็ตามไดมกี ารกําหนดวิธที ดสอบมาตรฐานไวบางพอสมควร ที่ใชกัน มากก็คือ การวัดน้ําหนักที่เปลี่ยนไปในชวงระยะเวลา (ปกติใช 1 ป) อีกวิธีหนึ่งก็ใชวัดความลึกจากผิว เดิมของวัสดุวา corrosion เกิดลงไปลึกเทาใด นอกจากนี้ในหองทดลองบางแหงจะใชวิธีวัดปริมาณ Oxygen ที่หายไป หรือ Hydrogen ที่เกิดขึ้นเนื่องจากปฏิกริ ิยา ขบวนการเกิด corrosion เปนเรื่องที่ยุงยากสับสนมาก ซึ่งยังไมมีการอธิบายไดอยางแจมแจง แตในทางปฏิบัติการเกิด corrosion แบงเปน 2 ลักษณะคือ 1. Chemical Corrosion เกิดขึ้นในลักษณะงายกวาอีกชนิดหนึ่ง กลาวคือมันจะเกิดเมื่อมีการ สัมผัสโดยตรงกับวัสดุกับของเหลวซึ่งตัวมันละลายไดบาง การเกิด corrosion ในพวก polymers จะ เปนลักษณะนีส้ วนใหญ ตัวอยางเชน พวก polymers สามารถละลายไดในพวกสารละลายอินทรีย (organic solvent ) 2. Electrochemical Corrosion Corrosion ลักษณะนีจ้ ะพบไดมากกวาโดยเฉพาะกับพวก โลหะ รูปที่ 2.13 แสดงใหเห็นการเกิด corrosion แบบนี้อยางงาย ๆ ของเหลวที่อยูลอมรอบโลหะจะทํา ตัวเปน electrolyte นั้นคือ เปนตัวนํากระแสไฟฟาระหวางบริเวณ 2 บริเวณที่มีความตางศักยไฟฟาตาง กับ 2 บริเวณนี้ อาจจะเปนโลหะคนละชนิด หรือวัสดุชนิดเดียวกันแตคนละสวน กระแสจะไหลและ นําวัสดุออกจาก anodic zone ซึ่งมีความตางศักยไฟฟาต่าํ กวา cathodic zone ที่บริเวณที่เปน cathodic จะไมเกิด corrosion ขึ้น การเกิด corrosion ในลักษณะนี้ ขึ้นอยูก ับธรรมชาติของ corrosion ซึ่งคงจะ เปน process ที่ดูดเอาออกซิเจนไป (oxygen – absorption process) หรือ process ที่ให H2 ก็ได (Hydrogen evolution process) กรณีที่เปน oxygen – absorption process, product ที่เกิดจากการ corrosion จะเปน deposite บน cathodic area เชน ในกรณีที่เหล็กเกิดสนิมขึ้นการจะเกิด cathodic และ anodic area ขึ้นในโลหะไดนนั้ มีอยู 3 กรณี คือ 1) Composition Couples เนื่องจาก 2 area มีโครงสรางหรือสวนประกอบทางเคมี ตางกัน ทีพ่ บบอยที่สุดก็คือโลหะตางชนิดกันมา contact กันมาโดยมีของเหลวหรือความชื้นอยูด วย เชน ใช screw หรือ bolt ทําดวยเหล็กไปขับเชื่อมแผน tinplate, screw เหล็กจะสึกไป เพราะเหล็กจะ


149

ทําตัวเปน Anodic ไดมีผูจดั เรียงชนิดของโลหะตามสภาพการเปน cathodic และ Anode สวนตัวลาง จะเปน cathode และถาใชโลหะที่ชื่อในตารางอยูหางกันมาก ๆ มา contact กันกับ Copper เอามาไว ติดกันในน้ํา Al จะสึกไป แตทองแดงจะยังเหมือนเดิม เปนตน Table 2.3 Galvanic Series of Some Commercial Metals and Alloys in Seawater Noble or Cathodic

Active or Anodic

Platinum Gold Grapthite Titanium

Silver Chlorimet 3 (62 Ni , 18 Cr , 18 Mo) Hastelloy C (62 Ni , 17 Cr , 15 Mo) 18 – 8 Mo stainless steel (passive) 18 – 8 stainless steel (passive) Chromium stainless steel 11 – 30 % Cr (passive) Inconel (passive) ( 80 Ni , 13 Cr , 7 Fe ) Nickel (passive) Silver solder Monel ( 70 Ni , 30 Cu ) Cupronickels ( 60 – 90 Cu , 40 – 10 Ni ) Bronzes ( Cu – Sn ) Copper Brasses ( Cu – Sn ) Chlorimet 2 ( 66 Ni , 32 Mo , 1 Fe) Hastelloy B ( 60 Ni , 30 Mo , 6 Fe , 1 Mn) Inconel ( active ) Nickel ( active ) Tin Lead Lead – tin solders 18 – 8 Mo stainless steel (active) 18 – 8 stainless steel , (active) Ni – Resist ( high Ni cast iron ) Chromium stainless steel , 13% Cr , (active) Cast iron Steel or iron 2024 aluminum ( 4.5 Cu , 1.5 Mg , 0.6 Mn ) Cadmium Commercially pure aluminum (1100) Zinc Magnesium and magnesium alloys


150

อีกตัวอยางหนึ่งที่เห็นไดชัดก็คือ กรณีการหายไปของ ในทองเหลืองบางชนิดที่มีการแยก phase ระหวางทองแดงและสังกะสี ซึ่งถา galvanic series ทั้ง 2 ตัวนี้อยูห างกันมาก เมือ่ alloy นี้ อยูใ น สิ่งแวดลอมที่เปนของเหลว สังกะสีจะ corrode หายไปทําให alloy เปนรูพรุนและออนไป Composition Coupling สามารถใชเปนเครื่องปองกันการเกิด corrosion ไดเรียกวา Cathodic protection โดยการนําเอาโลหะที่มีชื่ออยูสูงในตาราง galvanic series ( เชน Mg , Zn) ไปติด ไวกับโลหะตัวที่เราจะปองกันนั้น เชน ในการวางทอสงแกส, น้ํามัน อาจจะใช Mg หรือ Zn ฝงไวดวย เปนชวง ๆ เพื่อปองกันไมใหทอสึกไป 2) Stress Couple เกิดเนือ่ งจากบางบริเวณในโลหะชนิดเดียวกันนี้ internal stress สูงกวา บริเวณขางเคียง ซึ่ง stress นี้ อาจจะเกิดจากการเชื่อม หรือ โลหะสวนนัน้ ผานการแปรรูปเย็น (cold work ) มาแลว บริเวณนั้น ตัวอยางถาเรางอตะปูแลวทิ้งไวในน้ําบริเวณที่งอจะเกิดสนิมขึ้นกอน และจะ เปนมากกวาบริเวณอื่น นอกจากนี้บริเวณรอยตอของ grain ของโลหะ ซึ่งมี stress สูงจะ corrode ได งายกวาสวนกลางของ grain 3) Concentration couples เกิดเมื่อมี concentration ของ corrosive media ตางกัน พบบอยใน กรณีของ crevices เมื่อ media มี metal iron สูง (O2 นอย ) ทําใหบริเวณนั้นเปน anodio เมื่อเทียบกับ บริเวณอืน่ Oxidation วัสดุหลายชนิดรวมทั้งโลหะสวนใหญจะสามารถรวมตัวกับ O2 ในบรรยากาศไดในโลหะ oxidation จะเกิดขึ้นอยางรวดเร็วเมื่อถูกกับอากาศ จนกระทั่งเกิดเปน oxide film หรือสนิมขึ้นมา ปองกัน อัตราการเกิด oxidation ในโลหะขึ้นอยูกับความสามารถในการปองกันของ oxide film จะมี ลักษณะเปนรูพรุน (porous) ทําใหไมสามารถปองกันการเกิด oxidation ได หรือปองกันไดนอย แต ในขณะที่ oxide film ของ Al มีความหนาแนนมาก จึงปองกัน oxidation ไดอยางดี โดยทัว่ ไปอัตรา การเกิด oxidation ของโลหะจะลดลงเมื่อระยะเวลานานขึ้นแตจะเร็วขึน้ เมื่อเพิ่มอุณหภูมิ พลาสติกสวนใหญและยาง จะถูก oxidize ได เมื่อมี oxygen กรณีของยางการเกิด oxidation เรียกวา Aging ซึ่งมีปฏิกิริยาระหวาง O2 กับยางในชวงแรกจะทําให elasticity ลดลงแตความแข็งจะ เพิ่มขึ้น แตเมือ่ นานไปยางก็จะแปรสภาพทําให strength หายไป polymer สวนใหญจะเกิด Aging เชนเดียวกัน แตนอยกวาพวกยาง process การเกิดนี้ขึ้นกับ factor อื่น ๆ ดวย เชน ความรอน อุณหภูมิ ลักษณะของบรรยากาศ ฯลฯ Water absorption การดูดซึมน้ําเปนคุณสมบัตทิ ี่เกี่ยวของโดยตรงกับพวก polymer ซึ่งสวนใหญจะดูดซึมน้ําได โดยมีผลทําใหปริมาณและน้าํ หนักเพิ่มขึ้น นอกจากนี้ยังทําใหมนั เกิดการโกงงอ,บวมและสูญเสีย คุณสมบัติทางกลและไฟฟาไป


151

Electrical Properties คุณสมบัติทางไฟฟาเกีย่ วของโดยตรงกับพฤติกรรมของวัสดุภายใตกระแสไฟฟฟา และโดย หลักการก็คือความสามารถในการสงผานกระแสไฟฟาของมัน Electrical Conductivity ( การนําไฟฟา ) ถาจะพิจารณาความสามารถในการนําไฟฟาของวัสดุ เราสามารถแบงวัสดุเปน 3 ชนิดดวยกัน คือ ตัวนํา, ฉนวน และ semiconductor แตในที่นี้เราจะกลาวถึงเฉพาะตัวนําและฉนวนเทานั้น เราจะพูดถึงการนําไฟฟาในรูปของความตานทานไฟฟาของมัน ซึ่งเปนความตานทานการ ไหลของกระแสไฟฟา ซึ่งกําหนดวาเปนความตานทานตอหนวยความยาวและหนวยพืน้ ที่คาความ ตานทานของโลหะจะบอกเปน ohm – centimetre หรือ ohm – ncl ในกรณีของโลหะมักจะบอกคาการ นําไฟฟาในรูปของ percent เทียบกับคาการนําไฟฟาของทองแดง ซึ่งสมมติใหเทากับ 100 คาความ ตานทานของทองแดงกําหนดโดย International Annealed Copper Standard (IACS) เทากับ 1.7241 microhm – cm ที่ 68 °F Insulation and Dielectric Properties ความสามารถในการปองกันการสงผานพลังงานไฟฟา หรือประจุไฟฟาเราเรียกวา dielectric strength , dielectric strength จะเปนเครือ่ งวัดคุณภาพความเปนฉนวนของวัสดุ ( insulation qualith) โดยที่มันเปนตัวบอกความสามารถของวัสดุที่จะทน electric stress ไดโดยไม breakdown คาของ breakdown electric stress จะบอกเปน voltage ตอหนวยความหนา (volts / mil) Dielectric constant เปนคาใชวัดความจุไฟฟาของวัสดุ ไมมีหนวยกรณีของฉนวนเราตองการ ใหมีคานี้ต่ํา สวนคาสูงใชเปนพวก capacitor Other Properties นอกจากคุณสมบัติสําคัญ ๆ ที่ไดกลาวมาแลว ยังมีคุณสมบัติอื่น ๆ ที่อาจจะตองนํามาพิจารณา เปนบางกรณีได ไดแก 1. Magnetic properties คุณสมบัติการเปนแมเหล็ก 2. ความทึบแสง เกี่ยวของกับพวก polymers เปนสวนใหญโดยเฉพาะพวกสีซึ่งเปนตัวบอก ความสามารถในการบังสีเดิมวาดีหรือไม 3. สีของวัสดุ บางครั้งนอกจากคุณสมบัติใชงานแลว เราอาจจะตองดูถึงความสวยงามในการ ใชดว ย


152

บทที่ 6 การเลือกใชพัสดุทางชาง 6.1 บทนํา พัสดุทางช า งประเภทโลหะที่ ใ ชอยูใ นกรมอูท หารเรือ แบ งออกไดเ ป น หลายประเภทตาม ลักษณะงาน เชน ลักษณะเปนแทง เปนแผน เปนทอ ฯลฯ การนําโลหะแตละชนิดไปใชงานนั้น โดย ปกติผูออกแบบจะเปนผูกําหนดคุณลักษณะเฉพาะของโลหะที่จะใช โดยคํานวณจากคุณสมบัติทางกล ของโลหะเปรี ย บเที ย บกั บ ภาระที่ โ ลหะนั้ น ต อ งการ แต ใ นบางครั้ ง แบบที่ อ อกมาไม ไ ด กํ า หนด คุ ณ ลั ก ษณะเฉพาะของโลหะที่ จ ะใช ง านเอาไว อ ย า งละเอี ย ด เช น อาจจะกํ า หนดเฉพาะว า เป น เหล็กกลา , เหล็กหลอ หรือทองเหลืองแตไมไดระบุออกไปวาจะตองเปนไปตามมาตรฐานอะไร เกรด อะไร ทําใหฝายผลิตหรือฝายซอมตองกําหนดคุณลักษณะเฉพาะของโลหะขึ้นเองจากประสบการณที่ ผานมา โดยดูจากใบสั่งงานเกา ๆ ที่มีลักษณะของงานคลานกัน ซึ่งอาจจะเปนสาเหตุใหมีการเลือกใช วัสดุที่ผิดประเภท ในบางครั้งเมื่อฝายผลิตเสนอความตองการพัสดุขึ้นไปยังฝายจัดหา (ศูนยพัสดุชาง กรมอูทหารเรือ) ฝายจัดการยังตองเปนผูกําหนดคุณลักษณะเฉพาะของโลหะนั้นเอง โดยถามขอมูล จากผูขายโดยผูขายแตละรายจะเสนอขายเฉพาะที่ตัวเองมี โดยใชชื่อทางการคาที่แตกตางกัน ซึ่งจะทํา ใหเกิดปญหาหลายประการ เชน ปญหาในการจัดเก็บโลหะ ปญหาในการจําแนกประเภทโลหะ รวม ไปถึงปญหาของการนําโลหะไปใชงาน กองควบคุมคุณภาพ กรมพัฒนาการชาง กรมอูทหารเรือ ( กคภ.กพช.อร.) ไดเล็งเห็นความสําคัญของปญหาดังกลาว จึงไดจัดทําคําแนะนําทางชางเกี่ยวกับการ เลือกใช, การเบิก และการจัดหาพัสดุขึ้น โดยมีจุดประสงคที่จะใหผูเกี่ยวของ ไดแก ฝายออกแบบ ฝายผลิต และซอม รวมทั้งฝายจัดหา ไดใชเปนคูมือในการเลือกใชพัสดุประเภทตาง ๆ ในการซอมหรือ สรางอุปกรณเครื่องมือกล เพื่อใหไดผลผลิตที่มีคุณภาพ 6.2 พัสดุทางชางประเภทโลหะและการนําไปใชงาน พัสดุทางชางประเภทโลหะที่กรมอูทหารเรือมีความจําเปนตองใชเพื่อปฏิบัติงานอยูเปนประจํา สามารถแบงออกเปน 2 ประเภท ไดแก 6.2.1 โลหะประเภทเหล็กขึ้นรูป (Wrought, Ferrous Alloy) มีรูปรางลักษณะที่แตกตางกัน ขึ้นอยูกับลักษณะของงาน ไดแก เหล็กที่มีลักษณะเปนเสนกลม หกเหลี่ยม และสี่เหลี่ยม เหมาะที่จะ นําไปใชงานที่ตองการกลึง ไส เพื่อนําไปทําอุปกรณตาง ๆ เชน สลัก, เพลา เกียร ฯลฯ สวนเหล็กที่มี ลักษณะเปนแผนเหมาะที่จะนําไปใชในงานประกอบตัวเรือ หรือขึ้นรูปตาง ๆ ตารางที่ 1.1 ถึง ตารางที่ 1.5 แสดงโลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะตาง ๆ กัน ซึ่งภายในตารางประกอบดวย 5 แถว แถวที่ 1 แสดงหัวขอยอยในแตละตาราง


153

แถวที่ 2 เปนชื่อพัสดุทั่วไป ซึ่งเปนชื่อใชเรียกเหล็กประเภทตาง ๆ ที่ใชกันมาแตเดิม เชน เหล็กดีเหนียว เหล็ก Bobler แถวที่ 3 เปนชื่อที่แกไขใหม ซึ่งทาง กคภ.กพช.อร. ไดพิจารณาแลววา ชื่อพัสดุชางที่ใช อยูเดิมนั้นในบางครั้งไมเหมาะสมเพราะบางชื่อเปนชื่อที่กําหนดขึ้นทางการคาของบริษัทผูผลิต ไมใช ชื่อที่ใชเรียกตามมาตรฐานสากล เชน คําวา Bohler, Assab หรือ TEW เปนชื่อทางการคาของเหล็ก ซึ่งแตละบริษัทตั้งขึ้นมาเอง ซึ่งในบางครั้งเหล็กจากทั้ง 2 บริษัทจะเปนเหล็กชนิดเดียวกัน แตมีชื่อ ตางกัน เชน Bohler Vel 140 ตรงกับ Assab 709 หรือมีคุณภาพใกลเคียงกับ Assab 707 จึงเปนสาเหตุ ใหฝายจัดหา ซึ่งไมเขาใจทางดานโลหะจะจัดเก็บเหล็กทั้ง 2 ชนิด เอาไวในที่เก็บตางกัน คําแนะนํา ทางชางฉบับนี้จึงไดแกไขชื่อของเหล็กที่มีใชงานอยูใหเปนแบบสากล ดังแสดงไวในตารางดังกลาว แถวที่ 4 เปนมาตรฐานและเกรดของเหล็กแตละประเภทที่ใชอางอิง มีทั้งมาตรฐานใน กรมอูทหารเรือ กพช.อร. มาตรฐานภายในประเทศ (มอก.) และมาตรฐานตางประเทศ (JIS) แถวที่ 5 เปนตัวอยางการใชงานของเหล็กแตละประเภท ขึ้นอยูกับคุณสมบัติของเหล็ก ประเภทนั้น ๆ ผูปฏิบัติทั้งฝายออกแบบ ฝายผลิตและซอม และฝายจัดหา สามารถนําไปใชเพื่อเปน ประโยชนในการเลือกใชโลหะ 6.2.2 โลหะผสมนอกกลุมเหล็ก (Wrought Non Ferrous Alloy) ที่มีลักษณะเปนเสน เปนแผน และเปนทอ แสดงไวในตารางที่ 2.1 – 2.4 ภายในตารางจะมีรายละเอียด ซึ่งมีความหมายเหมือนกับ ตารางที่ 1.1 – 1.5 ทุกประการ


154

ตารางที่ 1.1 โลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะเปนเสนกลม, แบน, หกเหลี่ยมและสี่เหลี่ยม ขอ 1.

2.

3.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 - เหล็กดีเหนียวเสนกลม - เหล็กดีเหนียวเสนสี่เหลี่ยม - เหล็กดีเหนียวเสนหกเหลี่ยม - เหล็กสี่เหลี่ยม - เหล็กกลาคารบอนปานกลาง เสนกลม - เหล็กกลาคารบอนปานกลาง เสนสี่เหลี่ยม - เหล็กกลาคารบอนปานกลาง เสนหกเหลี่ยม -

ชื่อที่แกไขใหม - เหล็กกลาคารบอน ชั้น 1 Carbon Steel

มาตรฐาน - มพช.อร. 9510-04-33 - JIS G 4051 class S 20 C มาตรฐานที่เทียบเทา AISI (SAE) 1020 - เหล็กกลาคารบอนชั้น 2 - มพช.อร. 9510-04-33 - JIS G 4051 class S 35 C มาตรฐานที่เทียบเทา AISI (SAE) 1035

การใชงาน -ใชกับงานทําอุปกรณอะไหลทั่วไปที่ไมตองการ ความแข็งแรงสูง เชน ลิ่ม, นัต (อบชุบแข็งไมได แตสามารถทําใหผิวแข็งไดดวยการทํา carburizing - ใชทําอะไหลที่ตองการความแข็งแรงสูงและ ความเหนียวดี เชน เพลา, สลักสําหรับงานทั่วไป (อบชุบแข็งและอบคลายใหมีความแข็งแรงสูงได)

- เหล็กกลาคารบอนชั้น 3 - มพช.อร. 9510-04-33 - ใชทําเครื่องมือทั่วไปที่ไมตองการความแข็งมาก - JIS G 4051 class S 50 C เชน เหล็กงัด, ใบพลั่ว ตองผานกรรมวิธีทาง มาตรฐานที่เทียบเทา AISI (SAE) ความรอน 1050 AISI = AMARICAN IRON AND STEEL INSTITURE


155

ตารางที่ 1.1 โลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะเปนเสนกลม, แบน, หกเหลี่ยมและสี่เหลี่ยม (ตอ) ขอ 4.

5.

6.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 ชื่อที่แกไขใหม - เหล็ก Bohler V.C.L. 140 - เหล็กกลาเจือชั้น 1 ชนิดเสนกลม, หกเหลี่ยม Alloy Steel - เหล็ก Assab 709 กลม - เหล็ก Assab 707 หกเหลี่ยม - เหล็ก Chromium Molybdinum เสนกลม - เหล็ก Bohler VCN 150 - เหล็กกลาเจือชั้น 2 เสนกลม, หกเหลี่ยม, สี่เหลี่ยม Alloy Steel - เหล็ก Bohler NNH

-

- เหล็กกลาคารบอน ทําเครื่องมือ (Carbon Tool Steel)

มาตรฐาน - มพช.อร. 9510-02-33 มาตรฐานอื่น ที่เทียบเทา - JIS G 4103 class SNCM 439 - AISI (SAE) 4340 - DIN 34 Ctni 96

การใชงาน - เหล็กทนแรงดึงสูง ใชทําเพลา, สลัก, เฟอง ที่ ตองการแรงดึงสูง และทนแรงกระแทกดี, ขนาด ของชิ้นงานมีพื้นที่หนาตัดปานกลาง

- มพช.อร. 9510-02-33 - JIS G 410 S class SCM 440 - AISI (SAE) 4140 - DIN 34 CrMo 4 BS 703 M 40 - มพช.อร. 3510-01-22 - JIS G 4401 Grade SK 5 หรือ SK 6 - AISI (ASTM) w1 – 8, w1 – 7, - DIN c 80 w 1

- ใชกับงานเชนเดียวกับขอ 4. แตทนแรงดึงและ แรงกระแทกไดดีกวา ชิ้นงานมีพื้นที่หนาตัด มากกวา

(ตองผานกรรมวิธีทางความรอน)

(ตองผานกรรมวิธีทางความรอน) - ใชทําเครื่องมือตาง ๆ เชน ใบเลื่อย, ฆอนหรือ ทําสปริง (ตองผานกรรมวิธีทางความรอน)


156

ตารางที่ 1.1 โลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะเปนเสนกลม, แบน, หกเหลี่ยมและสี่เหลี่ยม (ตอ) ขอ 7.

8.

9.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 ชื่อที่แกไขใหม - Bohler My Extra ชนิดเสนกลม - เหล็กกลาทําเครื่องมือ และหกเหลี่ยม ทนแรงกระแทก shock - Bohler HYAH เสนกลมและ Resisting Tool Steel หกเหลี่ยม - เหล็กเสนกลม TEW 2550 - เหล็ก KL Special - เหล็ก Tenit KL Special - Bohler Special KNL - เหล็กกลาผสมทํา - Bohler Special K เสนกลม, เครื่องมือขึ้นรูปเย็น หกเหลี่ยม (cold working Tool Steel) - เหล็กกลาผสมทํา เครื่องมือขึ้นรูปรอน (Hot working Tool Steel)

มาตรฐาน - มพช.อร. (ไมมี) - JIS G 4404 grade SKS 41

การใชงาน - ใชทําเครื่องมือที่ทนแรงกระแทกสูง เชน Punch สิ่ว ฯลฯ

(ตองผานกรรมวิธีทางความรอน)

- มพช.อร. 9510-07-34 - JIS G 4404 Grade SKD 11 - AISI (ASTM) D 2

- ใชทําแมพิมพปมขึ้นรูปโลหะ เชน blanking die

- มพช.อร. 9510-06-34 - JIS G 4404 Grade SKD 61 - AISI (ASTM) H 13 - DIN X 40 CrMo V 51

- ใชทําแมพิมพฉีดพลาสติก, หลอยางหรือ die cast

(ตองผานกรรมวิธีทางความรอน)

(ตองผานกรรมวิธีทางความรอน)


157

ตารางที่ 1.1 โลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะเปนเสนกลม, แบน, หกเหลี่ยมและสี่เหลี่ยม (ตอ) ขอ 10.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 -

11. - เหล็กกลาไรสนิมเสนกลม หกเหลี่ยม - เหล็ก Bohler As 2 W

12.

-

ชื่อที่แกไขใหม - เหล็กกลาความเร็วสูง (Molybdenum high Speed Tool steel) - เหล็กเสนไรสนิมชั้น 1 Stainless Steel Bar

มาตรฐาน - มพช.อร. 9510-05-34 - JIS G 4403 SYMBOL SKH 54 - AISI (ASTM) M 4 - มพช.อร. 9510-02-34 เหล็กกลา ไรสนิมแบบเสน - JIS G 4303 class SUS 304 - AISI 304 BS 304,515,-DIN x2 Cr Ni 189 - เหล็กเสนไรสนิมชั้น 2 - มพช.อร. 9510-09-34 เหล็กกลา Stainless Steel Bar ไรสนิมแบบเสน - JIS G 4303 class SUS 316L - AISI 316L

การใชงาน - ใชทําเครื่องมือที่ใชงานดวยความเร็วสูง เชน มีดกลึง (ตองผานกรรมวิธีทางความรอน) - ใชทําเพลา, สลักหรือชิ้นสวนทั่วไปที่ใชงานที่มี การผุกรอนสูง

- เหมือนขอ 11. แตสามารถทนตอความรอนไดดี และเชื่อมไดโดยไมเกิดการผุกรอนภายหลัง

- BS 316,512,-DIN X2 Crn : Mo 1810

13. - เหล็ก Bohler KWE

- เหล็กเสนไรสนิมชั้น 3 - JIS G 4303 class SUS 431

- ใชกับงานที่ทนตอการผุกรอนสูง มีความแข็งแรง สูง เชน ทําอะไหลเครื่องจักรกลตาง ๆ


158

ตารางที่ 1.2 โลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะเปนแผนหรือเสนแบน ขอ 1.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 - แผนเหล็กดําธรรมดา - เหล็กดีเหนียวเสนแบน

2.

- แผนเหล็กกลาดําตอเรือ

ชื่อที่แกไขใหม - เหล็กกลาคารบอนชนิด เปนแผนและเสนแบน (Rolled steel for General Structure)

มาตรฐาน - มพช.อร. 9510-10-34 (เหล็กกลา ธรรมดา = Steel for General porposes - JIS G 3101 grade SS 34, - JIS G 3101 grade SS 400 - มอก. 1479 - 2540 - เหล็กตอเรือชนิดแผน - มพช.อร. 9510-10-34 (แผนเหล็ก 1. แผนเหล็กตอเรือธรรมดา ตอเรือและเหล็กรูปพรรณ) (Lloyd‘ s ordinary strengh steel grade A) - LR ; Grade A (ABS ordinary strengh hull tructrual Steel garde A) - ABS ; Grade A - ASTM A 131

การใชงาน - ใชกับงานโลหะแผนทั่วไปที่ไมใชในเรือ เชน งานโยธา

- ใชทําแผนเหล็กตัวเรือและอุปกรณภายในเรือ เชน ถังน้ํา, น้ํามัน


159

ตารางที่ 1.2 โลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะเปนแผนหรือเสนแบน (ตอ) ขอ

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4

3.

- เหล็กแผนอาบสังกะสี - สังกะสีแผนเรียบ

4.

- เหล็กแผนตอเรืออาบ - เหล็กแผนอาบสังกะสี ของอิตาลี - สังกะสีแผนบุเรือ

ชื่อที่แกไขใหม มาตรฐาน 2. แผนเหล็กตอเรือกําลังสูง - มพช.อร. 9515-10-34 (แผนเหล็ก ตอเรือและเหล็กรูปพรรณ) (Lloyd‘ s higher strength steel grade EH 36) - IR, EH 36 - ABS, EH 33 - ABS‘ s higher strength hull structural ssteel grade EH 33) - เหล็กแผนอาบสังกะสี - มพช.อร. (ไมมี) (Galvanized Sheets) - มอก. 50-2528 - JIS G 3302 class SPGC -เหล็กแผนตอเรืออาบ - มพช.อร. (ไมมี) (Galvanized Sheets) - JIS G 3302 class SGH 41

การใชงาน - ใชทําแผนเหล็กตัวเรือที่ทนกําลังสูง

- ใชกับงานบกทั่วไปและแผน, เชน ทอ, ปลองควัน, รางน้ํา - ใชกับอุปกรณบนเรือและแผนเหล็กตอเรือ


160

ตารางที่ 1.2 โลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะเปนแผนหรือเสนแบน (ตอ) ขอ 5.

6.

7.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 - เหล็กขาวไรสนิมแผน

-

- เหล็กขาวไรสนิมเสนแบน

ชื่อที่แกไขใหม - เหล็กเสนไรสนิมชั้น 1 - (Cold rolled stainless stell Sheets and plates)

- เหล็กเสนไรสนิมชั้น 2 - (Cold rolled stainless stell Sheets and plates)

- เหล็กไรสนิมเสนแบน - (Hot rolled stainless steel Strip)

มาตรฐาน การใชงาน - มพช.อร. 9510-08-34 - ใชกับงานโลหะแผนทั่วไปที่ตองการความ (แผนเหล็กกลาไรสนิม) ทนตอการผุกรอนสูง - JIS G 4305 class SUS04 - AISI 304 - GS 304 31.- DIN X2 Cr Ni 1810 - มพช.อร. 9510-08-34 - เชนเดียวกับขอ 5. แตสามารถเชื่อมไดโดย (แผนเหล็กกลาไรสนิม) ไมเกิดการผุกรอนภายหลัง - JIS G 4304 class SUS 316 L - AISI 316 L GS 316 S 12.- DIN X2 Cr MO1810 - มพช.อร. - ใชกับงานโลหะแผนทั่วไป - JIS G 4306 grade SUS 304 - AISI 304


161

ตารางที่ 1.3 โลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะเปนทอ ขอ 1.

2.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 ชื่อที่แกไขใหม มาตรฐาน การใชงาน - ทอเหล็กกลาคารบอนอาบและไมอาบ - มพช.อร. 4710-05-34 - ใชเปนทอสงน้ํา, น้ํามันที่ไมตองการ สังกะสี (ทอเหล็กกลาอาบและไมอาบสังกะสี) การทนกําลังดันเกินกวา 10 BAR เชน (Carbon steel pipes for ordinary piping) - มอก. 26-2506 ทอสงน้ําในอาคารตาง ๆ - JIS G 3452 (1988) - IIS H 0404 2107 - JIS Z 2241 - JIS E 2301, 2302, 2303 - ทอเหล็กกลาคารบอนทนกําลังดัน - มพช.อร. 4701-07-34 - ใชเปนทอสงน้ํา, น้ํามันที่ทนตอกําลัง (ท อ เหล็ ก กล า คาร บ อนทนกํ า ลั ง ด น ปาน ดันปานกลาง (ไมเกิน 30 BAR ) เชน ปานกลาง กลาง)

(Carbon steel pipes for presure services) - JIS G 3454 grade STPG 38.schedule40 - JIS Z 2241,JIS H 0401, 2107 - JIS E 2301, 2302, 2303

ทอสงน้ําจืด น้ํามันเชื้อเพลิงในเรือ


162

ตารางที่ 1.3 โลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะเปนทอ (ตอ) ขอ 3.

4.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 ชื่อที่แกไขใหม - ทอเหล็กกลาคารบอนทนกําลังดันสูง - (Carbon steel pipes for high pressure Services)

-

มาตรฐาน - มพช.อร. 4710-08-34 (ทอเหล็กกลาคารบอนทนกําลังดันสูง) - JIS G 3455 grade STS 42 schedule 80,160 - JIS Z 2241,JIS H 0401, 2107 - JIS B 2301, 2302, 2303 - ทอเหล็กกลาคารบอนใชกับงาน - มพช.อร. 4701-09-34 กอสราง(Carbon steel tubes for general - JIS G 3444 grade STK 30 Purposes)

การใชงาน - ใชเปนทอสงน้ํา, น้ํามันและอากาศที่ ทนกําลังสูง (ไมเกิน 100 BAR ) เชน ทอไฮดรอลิคส

- ใชกับงานโครงสราง เชน ใชยึดหรือทํา นั่งราน


163

ตารางที่ 1.4 โลหะประเภทเหล็กที่มีลักษณะเปนรูปพรรณตาง ๆ ขอ 1.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 - เหล็กกงฉาก - เหล็กตัวซี - เหล็กตัวเอช - เหล็กตัวไอ - เหล็กตัวยู - เหล็กสี่เหลี่ยมกลวง

2.

-

3.

- เหล็กฉากเจาะรู

ชื่อที่แกไขใหม - เหล็กรูปพรรณ งานทั่วไป ลักษณะ - กงฉาก - ตัวซี - ตัวเอช - ตัวไอ - ตัวยู - สี่เหลี่ยมกลวง - เหล็กรูปพรรณสําหรับงานตอเรือ

- เหล็กฉากเจาะรู

มาตรฐาน - มพช.อร. 9515-01-34 (หล็กกลาธรรมดา) - JIS G 3101 grade SS 34, - JIS G 3101 grade SS 41

การใชงาน - ใชสําหรับงานโครงสรางทั่วไป

- มพช.อร. 9515-01-34 (แผนเหล็กตอเรือและเหล็กรูปพรรณ) - LR grade A เหล็กตอเรือธรรมดา - ABS grade A ” - ASTMA 131 ” - มอก. 659-2529

- ใชสําหรับงานตอเรือ


164

ตารางที่ 1.5 โลหะประเภทเหล็กอื่น ๆ ขอ 1.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 ชื่อที่แกไขใหม - ลวดเหล็กไรสนิม - ลวดเหล็กไรสนิม - ลวดเหล็กสแตนเลส

2.

- ลวดสปริงแผน

3.

-

- เหล็กสปริง (spring steel)

- ลวดเชื่อมเหล็กกลาชนิดมีสารพอกหุม (steel Coated Electrode for ship hull)

มาตรฐาน - มพช.อร. (ไมมี) - JIS G 4309 grade SUS 304 - JIS G 3101 grade SS 41 - มพช.อร. 9510-03-33 (เหล็กสปริง) - JIS G 4801 class sup9 ถึง SUP 11A - AISI 1095 - มพช.อร. 9505-01-30 (ลวดเชื่อมเหล็กกลาชนิดมีสารพอกหุม สําหรับตัวเรือเหล็ก) - มอก.49-2528 (ลวดเชื่อมมีสารพอกหุมใชเชื่อมเหล็ก กลาละมุมดวยการอารค)

การใชงาน - ใชงานทั่วไปที่ทนตอการผุกรอน

- ใชทําสปริงแผน สปริงขด

- ใชเชื่อมประสานตัวเรือเหล็ก


165

ตารางที่ 2.1 โลหะนอกกลุมเหล็กที่มีลักษณะเปนเสนกลม, สี่เหลี่ยม และหกเหลี่ยม ขอ 1. 2. 3.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 ชื่อที่แกไขใหม - ทองแดงเสนกลม - ทองแดงเสนกลมชั้น 1 และสี่เหลี่ยม - ทองแดงเสนกลม - ทองแดงเสนกลมชั้น 2 - ฟอสเฟอรบรอนซ - ทองเหลืองเสนกลม - ทองเหลืองเสนกลมชั้น 1 หกเหลี่ยมและ Bass - Rods สี่เหลี่ยมธรรมดา

4.

- ทองเหลืองเสนกลม - ทองเหลืองเสนกลมชั้น 2 หกเหลี่ยมและ Bass - Rods สี่เหลี่ยมธรรมดา

5.

- อลูมิเนียมเสนกลม - อลูมิเนียมเสนกลม ธรรมดา - อลูมิเนียมอัลลอย เสนกลม

6.

- อลูมิเนียมเสนกลมชั้น 1

- อลูนิเมียมเสนกลมชั้น 2

มาตรฐาน - มพช.อร. (ไมมี) - JIS H 3250 grade C 1020 - มพช.อร. (ไมมี) - JIS G 3250 class C 1220 - มพช.อร. 9530-01-34 (ทองเหลืองเสนกลมสี่เหลี่ยมและ หกเหลี่ยม) - JIS H 3250 grade C 2600 - มพช.อร. 9530-01-34 (ทองเหลืองเสนกลมสี่เหลี่ยมและ หกเหลี่ยม) - JIS H 3250 grade C 4622 - มพช.อร. (ไมมี) - JIS H 4040 grade 1070 - มพช.อร. (ไมมี) - JIS G 4040 grade SUS 5083 H 112

การใชงาน - เปนตัวนําไฟฟาที่ดีมาก, ทนตอการ กัดกรอนใชกับงานดานไฟฟาและเคมี - ใชกับงานที่ไมใชตัวนําไฟฟา สามารถ เชื่อมได - ตีขึ้นรูปและกลึงไดงาย ใชทําสลัก สําหรับอุปกรณเครื่องจักรกล และ อุปกรณไฟฟา - ทนตอการกัดกรอนสูง ใชสําหรับ อุปกรณบนเรือ เชน เพลา

- เปนตัวนําไฟฟาและตัวนําความรอน ที่ดีทนตอการกัดกรอน ใชทําชิ้นสวน ไฟฟา - มีความแข็งแรงสูง และทนตอการ กัดกรอนใชทําอุปกรณในเรือ


166

ตารางที่ 2.2 โลหะนอกกลุมเหล็กที่มีลักษณะเปนแผน เสนแบน ขอ 1.

2. 3.

4.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 - ทองแดงแผน - ทองแดงแผนเรียบ - ทองแดงเสนแบน - ทองแดงแผน ฟอสเฟอรบรอนซ - ทองเหลืองเกรียบ - ทองเหลืองทองปลิง - ทองเหลืองแผนปรุ ตาพริกไทย - ทองเหลืองแผนเรียบ - ทองเหลืองเสนแบน - ทองเหลืองแผนบุเรือ

ชื่อที่แกไขใหม - ทองแดงแผนชั้น 1

มาตรฐาน - มพช.อร. (ไมมี) - JIS H 3100 grade C 1020

การใชงาน - เปนตัวนําไฟฟาและความรอน ใชกับ งานที่เกี่ยวกับไฟฟา

- ทองแดงแผนชั้น 2

- มพช.อร. ไมมี - JIS H 3100 grade C 1220 - มพช.อร. 9535-03-34 (ทองเหลืองแผนสําหรับใชงานทั่วไป การปองกันการผุกรอน) - JIS H 3100 grade C 2600

- ขึ้นรูปไดงาย ใชทําแปกกิ้งและ ชิ้นสวนของอุปกรณไฟฟา - ใชขึ้นรูปงานโลหะแผนทั่วไป

- มพช.อร. 9535-04-34 (ทองเหลืองแผน ใชกับงานที่ตองการการปองกันการผุกรอนสูง)

- ใชอุปกรณบนเรือ

- ทองเหลืองแผนสําหรับใชงานทั่วไป

- ทองเหลืองแผนใชงานตอเรือ

- JIS H 3100 grade C 4640 -ASTMB171M 3-85 ชั้นคุณภาพ C46400


167

ตารางที่ 2.2 โลหะนอกกลุมเหล็กที่มีลักษณะเปนแผน เสนแบน (ตอ) ขอ 5.

6.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 ชื่อที่แกไขใหม - อลูมิเนียมแผนเรียบ - แผนอลูมิเนียมใชงานทั่วไป ธรรมดา - อลูมิเนียมเสนแบน ธรรมดา - อลูมิเนียมปรุตา พริกไทย - อลูมิเนียมทองปลิง - อลูมิเนียมธรรมดา กันลื่น - อลูนิเมียมอัลลอย - แผนอลูมิเนียมมาตอเรือ แผนเรียบ - (ALUMINIUM ALLOY SHEET - อลูมิเนียมแผน AND PLATE) กันลื่น

มาตรฐาน - มพช.อร. (ไมมี) - JIS H 4000 ALLOY NO.3004

การใชงาน - ใชกับงานขึ้นรูปทั่วไป เชน ทํา กระปอง หลังคา บันได

- มพช.อร. 9535-01-29 - (แผนอลูมิเนียมเจือสําหรับตอเรือ) - JIS H 4000 ALLOY NO.5083 - มอก.331-2523 อลูมิเนียมแผนหนาและ แผนบาง)

- ใชกับงานตอเรือ


168

ตารางที่ 2.3 โลหะนอกกลุมเหล็กที่มีลักษณะเปนทอ ขอ 1.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 ชื่อที่แกไขใหม - ทอทองแดงสําหรับใชงานทั่วไป (seamless Copper Pipes and tubes)

2.

-

- ทอทองเหลืองใชกับงานบนเรือชั้น 1

3.

-

- ทอทองเหลืองใชกับงานบนเรือชั้น 2

4.

-

- ทอทองแดงผสมนิกเกิลไมมีตะเข็บ

5.

-

- ทออลูนิเนียมใชงานทั่วไป

6.

-

- ทออลูนิเนียมใชงานตอเรือ

มาตรฐาน - มพช.อร. 4710-06-34 (ทอทองแดงชนิดไมมีตะเข็บใชงานทั่วไป) - JIS H 3300 grade C 1020 T - มพช.อร. 4710-10-34 - JIS H 3300 grade C 6870 T C 6871 T - มพช.อร. 4710-10-34 - JIS H 3300 grade C 2800 - มพช.อร. 4710-01-29 - JIS H 3300 grade C 7060 - มพช.อร. 4710-11-34 - JIS H 4080 class 2024 - มพช.อร. 4710-11-34 - JIS H 4080 class 5083

การใชงาน - ใชกับ Heat exchanger เครื่องปรับ อากาศ - ใชทํา Condensor สําหรับไอน้ําหรือ น้ําทะเล - ใชทํา Heat exchanger สวนประกอบ ของเครื่องจักรในเรือ - ใชระบบน้ําทะเลในเรือ - ใชกับอุปกรณบนเรือทั่วไป - ใชกับอุปกรณบนเรือทั่วไป


169

ตารางที่ 2.4 โลหะนอกกลุมเหล็กที่มีลักษณะเปนรูปพรรณและอื่น ๆ ขอ 1.

ชื่อพัสดุทั่วไป เลม 4 ชื่อที่แกไขใหม มาตรฐาน - อลูมิเนียมกงฉาก - อลูมิเนียมรูปพรรณสําหรับงานทั่วไป - มพช.อร. 9535-05-34 ธรรมดา - JIS H 4100 grade 3003

การใชงาน - ใชเปนโครงสรางหรือแทนอุปกรณ ที่มิไดอยูบนเรือ

2.

- อลูมิเนียมแอลลอยด - อลูมิเนียมรูปพรรณสําหรับตอเรือ กงฉากตอเรือ

- มพช.อร. 9535-05-34 - JIS H 4100 grade 5083

- ใชเปนโครงสรางของอุปกรณบนเรือ

3.

- ลวดทองแดง

- ลวดทองแดง

- มพช.อร. ไมมี - JIS H 3260 grade C 1100W

- ใชสําหรับจุดประสงคทางไฟฟาหรือ ทําสกรู ตะปู

4.

- ลวดทองเหลือง

- ลวดทองเหลือง

- มพช.อร. ไมมี - JIS H 3260 grade C 2800W

- ใชสําหรับงานทั่ว ๆ ไป เชน ทําลวด ตาขายทองเหลือง สกรูทองเหลือง


170

6.1 การเบิกและการจัดหา 6.1 การเบิก ในการเบิกพัสดุประเภทโลหะ เพื่อมาใชงานตามโรงงานตาง ๆ นั้น สิ่งแรกที่ วิศวกรประจําโรงงานจะตองคํานึงถึงคือ จะนําโลหะมาใชงานประเภทใด โดยดูจากตาราง โลหะในขอ 2. แลวเลือกประเภทโลหะใหตรงกับงานที่จะใช เมื่อทราบประเภทของโลหะที่จะ ใชแลวจึงทําใบเบิก ซึ่งรายละเอียดที่ระบุในใบเบิกจะประกอบดวย 1. ประเภทของเหล็ก เหล็กกลาคารบอนชั้น 2 2. ลักษณะ เสนกลม 3. ขนาด เสนผาศูนยกลาง 10 ซม. ยาว 2 เมตร 4. จํานวน 1 ทอน 6.2 การจัดหา เพื่อใหการซอมและสรางอุปกรณเครื่องจักรกลโรงงานเปนไปดวยความเรียบรอย ทางฝายจัดหา (ศพด.อร.) จะตองจัดหาพัสดุที่มีรายชื่ออยูในตารางขอที่ 2. เอาไวคงคลัง ใหพอ แกความตองการในแตละปในการออกสเปคจัดหานั้น ศพด.อร. จะตองระบุรายละเอียดในการ จัดหาดังนี้ 1. ประเภทของเหล็ก เหล็กกลาคารบอนชั้น 2 2. ลักษณะ เสนกลม 3. ขนาด เสนผาศูนยกลาง 10 ซม. ยาว 2 เมตร 4. จํานวน 20 เสน 5. มาตรฐาน ตามมาตรฐาน มพช.อร.9510-04-33 หรือ JIS G 4051 class S35 C หรือ มาตรฐานอื่นที่เทียบเทา อนึ่ง ในการกําหนดประเภทเหล็กเพื่อจัดหานั้น ศพด.อร. ไมจําเปนตองใสชั้นของ เหล็ก เชน ชั้น 1 และชั้น 2 ตอทายคําวาเหล็กกลาคารบอน เนื่องจากชั้นของเหล็กกลาคารบอน นั้น กําหนดใชเฉพาะในกรมอูทหารเรือเทานั้น เมื่อตองการจะตรวจสอบคุณสมบัติของโลหะวามีคุณสมบัติตรงตามที่จัดหาหรือไม ฝายจัดหาจะตองตัดชิ้นตัวอยางจากโลหะที่จัดหามาสงมาให กคภ.กพช.อร. ตรวจสอบ คุณสมบัติตาง ๆ รายละเอียดในการสงตัวอยางเพื่อทําการตรวจสอบ แสดงไวในตารางที่ 3


171

ตารางที่ 3 การตัดชิน้ ตัวอยางเพื่อทดสอบคุณสมบัตติ าง ๆ โลหะ จากตารางที่ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.1

ขอ

การตัดชิ้นตัวอยางเพื่อทดสอบ

1 – 10 ติดตรงปลายใหมีความยาวประมาณ 3 ซม. จํานวน 2 ชิ้น 11 - 13 ติดตรงปลายใหมีความยาวประมาณ 20 ซม. จํานวน 2 ชิ้น 1 - 7 ติดตรงปลายใหมีความกวางประมาณ 15 ซม. ยาวประมาณ 70 ซม. 1 แผน 1 - 4 ติดทอยาวประมาณ 30 ซม. 2 ทอน 1 - 3 ติดเหล็กรูปพรรณตาง ๆ ใหมีความยาวประมาณ 70 ซม. 1 ทอน 1 - 6 ติดตรงปลายใหมีความยาว 20 ซม. จํานวน 2 ชิ้น 1 - 6 ติดตรงปลายใหมีความกวางประมาณ 15 ซม. ยาวประมาณ 70 ซม. 1 แผน 1 - 5 ติดทอยาวประมาณ 30 ซม. 2 ทอน 1 - 2 ติดอลูมิเนียมกงฉากยาวประมาณ 70 ซม. 1 ทอน 3 - 4 ติดลวดยาวประมาณ 40 ซม. 2 เสน


172

บทที่ 7 แผนภาพสมดุลยภาค 7.1 แผนภาพสมดุล (Phase Equilibrium Diagram ) แผนภาพสมดุลเปรียบเสมือนเครื่องมืออันสําคัญยิ่ง มีสวนชวยใหการอบชุบเหล็กสามารถ กระทําใหผลดี ถาจะเปรียบก็จะเหมือนกับวา แผนภาพสมดุลเปนแผนที่ชวยนําทางไปสูเปาหมายของ การอบชุบความรอนของเหล็กไดสําเร็จ แผนภาพสมดุลคือภาพแสดงความสัมพันธรวมระหวาง อุณหภูม,ิ สวนผสมทางเคมีของโลหะผสมและสภาวะสมดุลของโครงสรางหรือเฟสตาง ๆ ของโลหะ ผสม และเห็นไดวาแผนภาพสมดุลที่จะกลาวถึงตองเปนเรื่องของการผสมระหวางโลหะตั้งแตสอง ชนิดขึ้นไป ในเบื้องตนนีจ้ ะกลาวแตเพียงแผนภาพสมดุลประเภทสองธาตุ (Binary alloys) กอน สําหรับประเภทที่เปนสามธาตุ (Ternary alloys) จะกลาวถึงในภายหลัง ที่ยกเอาเรือ่ งแผนภาพสมดุล มากลาวถึง ณ ที่นี้ ก็เพราะโลหะสวนใหญที่เรานํามาใชในงานวิศวกรรมและโดยเฉพาะในเรื่องของ การอบชุบความรอนของเหล็กนี้ สวนใหญเปนโลหะผสมทั้งนั้น ที่เกี่ยวกับเหล็กก็เปนโลหะเหล็กผสม กับคารบอนหรืออาจจะมีธาตุอื่นๆ อีกมากมายเมื่อเปนเรื่องของโลหะผสม (Alloys) สิ่งที่จะตองทํา ความเขาใจเปนเบื้องตนก็คือ ธาตุหรือโลหะเมื่อถูกผสมหรือหลอมละลายใหอยูรวมกันเปนโลหะผสม นั้นธาตุตางๆ จะอยูใ นลักษณะใดเมื่อหลอมละลาย และเมื่อเปลี่ยนสภาวะเปนของแข็งแลวจะไปตก ผลึกหรือจับตัวกันอยูในสถานะใด โลหะซึ่งประกอบดวยธาตุสองชนิด โดยมีธาตุ ๆ หนึ่งเปนโลหะและโลหะทีผ่ สมนี้แสดง คุณสมบัติของโลหะเราเรียกวา โลหะผสม (Alloys) โลหะตัวที่ผสมอยูเปนจํานวนมากเรียกวา โลหะ พื้นฐาน (Base metal ) สวนธาตุอื่นที่เปนสวนผสมจะเปนโลหะหรืออโลหะก็ตามเราเรียกวา ธาตุผสม (Alloying elements) ในทางอุตสาหกรรมโลหะ เราพิจารณาธาตุที่เปนธาตุผสม (Alloying elements) ก็แตเฉพาะ ธาตุหรือโลหะที่ผสมลงไปเพื่อทําใหคุณสมบัติของโลหะผสมเปนไปตามความประสงคของเรา สวน ธาตุที่เจือปนอยูโดยที่เราไมอาจกําจัดออกไดเนื่องจากกรรมวิธีผลิตและจะทําใหสิ้นเปลืองมากเกินไป เราเรียกธาตุพวกนีว้ า สารเจือปน (Impurities) ซึ่งธาตุพวกนี้อาจจะติดมาจากแรหรือเขามาผสมในขณะ ทําการถลุงหรือกําลังหลอ เนื่องจากอาจจะตองเติมลงไปเล็กนอยเพื่อใหโลหะไหลไดดีขึ้นในขณะเท ลงแบบหลอ ธาตุผสม (Alloying elements) เมื่อถูกผสมในโลหะหลัก (Base metal) จะเปนจํานวนมาก หรือนอยก็ตาม จะทําใหคณ ุ สมบัติของโลหะพื้นฐาน (Base metel ) เปลี่ยนแปลงอยางเห็นไดชัด


173

คุณสมบัติที่สําคัญของโลหะผสม (Alloys) ก็คือจะเพิ่มความแข็งแรงขึน้ มากกวาเมื่อยังเปนโลหะหลัก (Base metal) สถานะภาพทีธ่ าตุผสมอยูไดในโลหะหลักจะเปนได 4 ลักษณะคือ ก.) ละลายอยูใ นโลหะหลักในสภาพสารละลาย (Solution) ซึ่งในที่นี้จะเปนสารละลายไดทั้ง ในสภาพหลอมเหลว (Liquid solution) และในสภาพของแข็ง (Solid solution) โดยทั่วไปโลหะเกือบทุกชนิดจะสามารถละลายไดดีในสภาพหลอมเหลวเกือบไมมีขอบเขต จํากัด อะตอมของธาตุผสมจะสามารถละลายไดหมด สําหรับสภาพของแข็งจะปรากฏวาการละลายจะ อยูภายใตขอบเขตที่แนนอนขึ้นอยูกับชนิดของธาตุผสม ซึ่งมีคุณลักษณะทีแ่ ตกตางกันออกไป ดังเชน ระบบผลึกแตกตางกัน, ขนาดของอะตอมแตกตางกัน หรือลักษณะแรงดึงดูดสัมพันธ(Affinity) ของ ธาตุที่ผสมตางกัน ทําใหการละลายของธาตุผสมในโลหะหลักอาจจะละลายไดหมด หรือละลายได เพียงบางสวน ซึ่งจะไดศกึ ษาในรายละเอียดตอไป ลักษณะของสารละลายในสภาพของแข็ง (Solid solution) แบงออกไดเปน 2 ลักษณะที่ เดนชัดคือ 1.) สารละลายประเภทแทนที่ (Substituional solid solution ) คือลักษณะอะตอมของธาตุผสมสามารถแทนที่อะตอมของโลหะหลักได ลักษณะเชนนี้ สวนมากขนาดอะตอมของธาตุผสมและโลหะหลักจะมีขนาดใกลเคียงกันและระบบผลึกมีสวน คลายคลึงกัน จึงสามารถเขาแทนที่ซึ่งกันและกันไดงาย คุณสมบัติโดยทั่วไปของสารละลายของแข็ง ประเภทนี้จะมีความแข็งแรงไมเพิ่มขึ้นจากโลหะหลักมากนัก เพราะใน Space lattice คงอยูในสภาพที่ มีความราบเรียบ คุณสมบัติออนตัวจะยังอยูใ นเกณฑดี


174

รูป 7.1 การจัดตัวของอะตอม ของโลหะผสมประเภท Substituional Solid Solution 2.) สารละลายประเภทแทรกที่ ( Interstitial solid solution ) คือ ลักษณะที่อะตอมของธาตุผสมมีขนาดเล็กมาก ๆ จนสามารถเขาไปแทรกตามชองวาง ระหวางอะตอมของโลหะหลักได ซึ่งผลจากการแทรกนี้อาจจะมีสวนทําใหแถวหรือแนวของอะตอม โลหะหนัก ( Space lattice) เกิดลักษณะบิดเบี้ยว (Distortion) มีผลตอความแข็งแรงของโลหะผสม แต คุณสมบัติออนตัวจะลดลง


175

รูปที่ 7.2 การจัดตัวของอะตอมของโลหะผสมประเภท Interstial Solid Solution ข.) รวมตัวกับโลหะหลักเปนสารประกอบ (Compound) ในกรณีที่จะเกิดขึ้นไดเมื่อธาตุผสมมี ปริมาณมาก ภายหลังที่ละลายในลักษณะเปนสารละลายของแข็งจํานวนหนึ่งแลวและไมมีที่วาง (Solubility) ที่จะละลายไดอกี เนื่องจากถึงจุดอิ่มตัว (Saturated) ของสารละลายของแข็ง อะตอมของ ธาตุผสมจะรวมตัวกับโลหะหลักสวนหนึ่ง โดยมีสัดสวนที่แนนอนเกิดเปนสารประกอบที่มีสูตรทาง


176

เคมีโดยเฉพาะ ดังตัวอยางเชน Ax By คือโลหะ A จํานวน x อะตอมรวมตัวกับโลหะ B ซึ่งในที่นี้เปน ธาตุผสมจํานวน y อะตอม ค.) แยกตัวออกเปนอิสระ (Element state ) และกระจัดกระจายอยูใ นโครงสราง กรณีนี้จะ เกิดขึ้นไดเมื่อโลหะหลักและธาตุผสมไมสามารถละลายซึ่งกันและกันไดในสภาพของแข็งและยังไม สามารถรวมตัวกันใหสารประกอบไดทกุ ประเภท เปนกรณีที่พบนอยจะไมเกิดโดยทัว่ ไป ง.) รวมตัวกับออกซิเจนหรือกํามะถัน กลายเปนออกไซด (Oxide) หรือซัลไฟด (Sulphide)และจับอยูตามสวนตาง ๆ ภายในโครงสรางซึ่งเรียกวา อินคลัสชั่น (Inclusion) 7.2 เฟส (Phase) จากเรื่องราวของการรวมตัวของของเหลวสองชนิดเปนสารละลายของเหลว (Liqnid solution) เชน น้ํากับแอลกอฮอล มันสามารถรวมกันไดทุก ๆ สวนและใหสารเปนเรื่อเดี่ยวกัน (Momogeneous substance) เราไมอาจจะมองเห็นการรวมตัวของน้ําและแอลกอฮอลเลย ไมมีจะดวยตาเปลาหรือโดย กลองขยาย เราเรียกสารละลายนี้วาเปนสารละลายของเหลว (Liquid solution) ลักษณะเชนนี้จดั อยูใน ประเภทละลายไดทั้งหมด (Completely soluble) ถาเราพิจารณาสารอยางอื่น เชน การละลายระหวางน้ํากับ phenol หรือระหวางน้ํากับ ether จะ ปรากฎวา การรวมตัวเปนไปอยางไมสมบูรณและเราจะสังเกตเห็นการแยกตัวของสารละลายเปนชั้น คือชั้นที่มีน้ํากับ phenol ( หรือ ether) ละลายปนกันอยูส วนอีกชั้นจะเปน phenol ( หรือ ether) แลวมี จํานวนเล็กนอยละลายอยู การละลายในลักษณะนีจ้ ัดอยูใ นประเภทละลายไดบางสวน (Partially solution) สวนอีกประเภทหนึ่งที่ธาตุทงั้ สองชนิดไมอาจรวมกันไดเลย เชน น้ํากับปรอท ปรอทจะอยู ตอนลางและน้ําอยูตอนบน ลักษณะเชนนีจ้ ัดอยูในประเภทละลายไมไดโดยสิน้ เชิง(Completely insolution ) แตละชั้นที่มองเห็น (Distinct layer) เราเรียกวา phase หมายความวา เปนภาคหรือสวนที่มี ลักษณะเปนเนือ้ เดียว (homogeneous distinct portion) ในกรณีของน้าํ กับแอลกฮอล ซึ่งละลายเขกัน ไดหมดก็มี 1 phase สวนน้ํากับ phenol หรือน้ํากับ ether ซึ่งแยกเปน 2 ชั้น กลาวไดวามี 2 phase การผสมกันของโลหะในสภาพที่เปนของเหลวอาจจะพิจารณาไดในลักษณะที่คลายคลึงกัน ดังกลาวมาแลว อยางไรก็ตามเมื่อโลหะถูกหลอมรวมกัน ถาเปนประเภทมี่รวมกันในแบบ Completely soluble ก็จะได phase เพียง 1 phase โดยเปนของเหลวที่มีเนื้อเดียว (Honogeneous substance ) ซึ่งเรา เรียกวาสารละลายของเหลว (Liquid solution) เมื่ออุณหภูมิลดลงจนถึงอุณหภูมิแข็งตัว (Solidification temperature) การแข็งตัวของโลหะผสม (Alloys) ก็จะเกิดขึ้น และถาลักษณะcompletely soluble ดําเนินตอไปในสภาพที่เปนของแข็ง โลหะผสมที่ไดรบั ก็จะมี 1 phase ซึ่งเราเรียกวา สารละลาย ของแข็ง (Solid solution) โดยเนื้อโลหะจะเปนเนือ้ เดียวกันโดยตลอด ถึงแมจะนํามาสองกลอง จุลทรรศน (Optical microscope) ตรวจพิจารณาดูก็ไมอาจจะสังเกตเห็นความแตกตาง เนื่องจากโลหะ


177

ทั้งสองรวมตัวเปน 1 phase แตถาหากการละลายของโลหะทั้งสองนี้อาจเปนไปไมไดไมดใี นสภาพ ของแข็ง ก็จะเกิดการแยกตัวซึ่งกันและกันโดยเปนประเภท Partially soluble เราจะได 2 phase ซึ่งแต ละ phase อาจจะเปน solid solution หรืออาจจะเปน compound ก็ได สวนในอีกกรณีหนึ่งคือเมื่อโลหะ ละลายเขาเปนเนื้อเดียวกันในสภาพของเหลวแตแยกตัวกันโดยเด็ดขาดในสภาพของแข็งจัดเปน ประเภท Completely insoluble เราก็จะได 2 phase ความสัมพันธของโลหะผสมในสภาวะของเหลวและของแข็ง 1.) ประเภททีเ่ ปน Completely soluble ในสภาวะของเหลว แตจะใหลกั ษณะที่แตกตางกันใน สภาวะของแข็ง มี 3 ประเภทยอย คือ ก.) Completely soluble ในสภาวะของแข็ง ข.) Partially soluble ในสภาวะของแข็ง ค.) Completely insoluble ในสภาวะของแข็ง 2.) ประเภทที่เปน Partially soluble ในสภาวะของเหลว แบงออกเปน ก.) Partially soluble ในสภาวะของแข็ง ข.) Completely insoluble ในสภาวะของแข็ง 3.) ประเภทที่เปน Completely insoluble ในสภาวะของเหลว มีประเภทเดียวคือ Completely insoluble ในสภาวะของแข็ง หมายเหตุ : โลหะผสม (Alloys) ประเภทแรกเปนประเภทที่พบมากทีส่ ุดในโลหะผสมทางวิศวกรรม เพราะโลหะสวนมากจะละลายเขาดวยกันเปนอยางดีในสภาวะของเหลว 7.3 เสนโคงการเย็นตัว (Cooling curve) โลหะที่นํามาใชงานปจจุบนั สวนใหญเปนโลหะผสม เชน เหล็กกลา (Steel), เหล็กหลอ (Cast iron), อลูมิเนียมผสม (Aluminium alloy), ทองแดงผสม (Copper alloy) เปนตน ดวยเหตุนี้ กอนที่เรียนเรื่องโลหะแตละชนิดตอไปจึงควรศึกษาชวงการเปลี่ยนแปลงของเนื้อ โลหะที่อุณหภูมิและที่สวนผสมตาง ๆ กัน ซึ่งเรียกวา แผนภาพสมดุล (Phase Equilibrium Diagram ) โดยแผนภาพนี้เขียนไดจากกราฟการเย็นตัวของโลหะ (Cooling curve) Cooling curve คือกราฟแสดงการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมติ ั้งแตอุณหภูมเิ หนือจุดหลอมละลาย จนถึงอุณหภูมปิ กติสัมพันธกบั เวลาของโลหะที่มีสวนผสมตาง ๆ กัน การเย็นตัวของโลหะแบงออกเปน 2 ชนิด คือ 1.) การเย็นตัวของโลหะบริสุทธิ์ (Pure metal ) 2.) การเย็นตัวของโลหะผสม (Alloy )


178

7.4 การเย็นตัวของโลหะบริสุทธิ์ การเย็นตัวของโลหะบริสุทธิ์ ถาจะเปรียบเทียบก็คลายกับการทําน้ําใหเปนน้ําแข็ง จากกราฟจะเห็นไดวา

1) ชวง a เปนชวงที่โลหะอยูในสภาวะทีเ่ ปนของเหลว 2) จุด a′ เปนจุดเริ่มตนของการเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเปนของแข็ง 3) ชวง b เปนชวงการเปลี่ยนแปลงสถานะจากของเหลวเปนของแข็งโดยอุณหภูมิคงที่ หรือ เรียกวา การคลายความรอนแฝง (Latent heat) ชวงนี้จะมีทั้งของเหลวและของแข็ง รวมกัน ซึ่งเรียกวา จุดพัก (Arrest Point ) 4) จุด b′ เปนจุดสิ้นสุดการเปลี่ยนสถานะ ซึ่งจะเปลี่ยนเปนของแข็งทั้งหมดที่ จุด b′นี้ 5) ชวง c เปนชวงที่ของแข็งเริ่มลดอุณหภูมลิ งเปนอุณหภูมิปกติ 7.5 การเย็นตัวของโลหะผสม การทําความเขาใจเกีย่ วกับการเย็นตัวของโลหะผสม จะกลาวเฉพาะการเย็นตัวของโลหะ ผสม 2 ชนิด (Binary Alloy) ลักษณะการผสมสามารถแบงออกเปน 3 ลักษณะ คือ 1.) โลหะทั้งสองชนิดละลายผสมกันอยางสมบูรณ ทั้งในสภาวะเปนของเหลวและในสภาวะ เปนของแข็ง (Completely soluble ในสภาวะของเหลว และ Completely soluble ในสภาวะ ของแข็ง )


179

ชวงที่ 1 เปนชวงที่โลหะผสมอยูในสถานะที่เปนของเหลว ชวงที่ 2 เปนชวงการเปลี่ยนแปลงสถานะโดยอุณหภูมไิ มคงที่ โลหะผสมในชวงนี้จะมีทั้ง ของเหลวและของแข็งรวมกัน ที่เปนเชนนี้เนื่องจากความรอนแฝงของโลหะทั้งสองไมเทากัน ทําให อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะไมคงที่ เสนกราฟจึงเอียงตามไปดวย ชวงที่ 3 เปนชวงที่โลหะผสมแข็งตัว และอุณหภูมิลดลงสูสภาวะปกติ 2.) โลหะสองชนิดละลายกันอยางสมบูรณในสภาวะของเหลว แตรวมตัวไมสมบูรณใน สภาวะของแข็ง (Completely soluble ในสภาวะของเหลว แต Completely soluble ในสภาวะของแข็ง)

จากกราฟจะเห็นไดวา ชวง a เปนชวงที่โลหะทั้งสองยังอยูในสภาพของเหลวและยังรวมตัวกันอยางสมบูรณ ชวง b เปนชวงที่อุณหภูมิลดต่ําลงไป โลหะที่รวมตัวกันอยางสมบูรณจะเริ่มเปลี่ยน สถานะ การเปลี่ยนสถานะเชนนี้จะเปนลักษณะเดียวกันกับโลหะที่ละลายผสมกัน อยางสมบูรณทั้งในสภาพของแข็งและของเหลว


180

ชวง c เปนชวงที่อณ ุ หภูมิการเย็นตัวยังลดลงอีก ทําใหโลหะทัง้ สองแยกตัวออกจากกัน เปนอิสระ ดังนั้นลักษณะการเปลี่ยนสถานะจึงเหมือนกับการเปลี่ยนสถานะของ โลหะบริสุทธิ์ คือ อุณหภูมิคงที่อาศัยการคายความรอนแฝงและจะสิ้นสุดการ เปลี่ยนสถานะเมื่อพนชวงนี้ ชวง d เปนชวงที่โลหะมีสถานะเปนของแข็งอยางสมบูรณ อุณหภูมิลดลงสูอุณหภูมปิ กติ 3.) โลหะทั้งสองรวมตัวกันอยางสมบูรณในสภาวะของเหลว แตในสภาวะของแข็งบางสวน รวมกันไดอยางสมบูรณและบางสวนก็ไมรวมกัน (Completely soluble ในสภาวะของเหลว แต Partially soluble ในสภาวะของแข็ง ) - มีคาเทากับขอ c + ขอ d 7.6 เสนโคงการเย็นตัว (Cooling curve) ของโลหะที่สวนผสมตาง ๆ มาประกอบกันเปนแผนภาพ สมดุล (Phase Equilibrium Diagram ) 1.) ประเภท Completely soluble ในสภาวะของแข็ง

เรียกรูปนีว้ า Solid solution type


181

2.) ประเภท Completely insoluble ในสภาวะของแข็ง

เรียกรูปนีว้ า Simple eutectic type


182

3.) ประเภท Partially soluble ในสภาวะของแข็ง ( มีคาเทากับ c + รูป d )

เรียกรูปนีว้ า Combination type


183

การสรางแผนภาพสมดุลของเหล็กกับคารบอน

แผนภาพสมดุลของเหล็กกับคารบอนเปนแบบ Combination type

Fig.7.3 Iron – carbon equilibrium diagram


184

7.7 แผนภาพสมดุลของระบบสองธาตุ (Binary Alloy) แผนภาพสมดุลระบบสองธาตุมีอยู 5 ประเภท ขึ้นอยูกับลักษณะการละลายของธาตุผสม คือ 1.) โลหะ A และโลหะ B สามารถละลายเขาดวยกันไดทั้งในสภาพหลอมเหลวและสภาพ ของแข็ง ดังรูป

Liquidus line คือ เสนเริ่มเปลี่ยนสภาวะของเหลวไปเปนของแข็ง Solidus line คือ เสนสิ้นสุดของการเปลี่ยนไปเปนของแข็ง


185

2.) โลหะ A และโลหะ B สามารถละลายไดดใี นสภาพหลอมเหลว แตไมสามารถละลายได ในสภาพของแข็ง ลักษณะของโลหะผสมในกรณีนจี้ ะใหระบบ Eutectic Eutectic คือสวนผสมของโลหะ A และโลหะ B จะหลอมละลายไดดีที่อณ ุ หภูมิต่ําสุด เมื่อเทียบกับโลหะ A และโลหะ B และทีจ่ ุด Eutectic นี้จะเปนจุดที่โลหะ A และ B เปลี่ยนสภาวะจาก หลอมละลายเปนของแข็งพรอมกัน เกิดการแยกตัวออกมาเปนโลหะ A และ B ในเวลาเดียวกัน และที่ อุณหภูมิเดียวกันคือ อุณหภูมิ Eutectic จะไดผลึกเล็ก ๆ ของ A และ B เกิดสลับกันเรียกโครงสรางนี้ วา โครงสราง Eutectic ดังรูป


186

3.) โลหะ A และโลหะ B สามารถละลายไดดใี นสภาพหลอมเหลว แตจะละลายไดบางสวน (Partially) ในสภาพของแข็งและใหปฏิกิริยา Eutectic ( มีคาเทากับรูป 1 + รูป 2 ) โลหะ A ในสภาพของแข็งจะยอมใหโลหะ B ละลายไดจํานวนหนึง่ และเปนลักษณะ Solid solution จะใชชื่อเรียกสารละลายนี้วา แอลฟา (Alpha ; ∝ )

โลหะ B ในสภาพของแข็งจะยอมใหโลหะ A ละลายไดจํานวนหนึง่ และเปนลักษณะ Solid solution จะใชชื่อเรียกสารละลายนี้วา เบตา (Beta ; β )


187

7.8 ปฏิกิริยา Eutectoid การเปลี่ยนแปลง Phase ในโลหะบางชนิดอาจจะเกิดไดในสภาพของแข็ง เชน Solid solution อาจจะแตกตัวให Phase อีกสอง Phase และเกิดในลักษณะที่ผสมประสานกัน เรียกวา โครงสราง Eutectoid การเกิดโครงสราง Eutectoid ไมแตกตางกับ Eutectic คือ ขณะเกิดปฏิกิริยา Eutectoid อุณหภูมิจะคงที่เหมือนกัน สิ่งที่แตกตางกันก็คือ Eutectoid เกิดในสภาพของแข็ง แต Eutectic เกิดใน สภาพของเหลว ดังรูป


188

4.) โลหะ A และโลหะ B สามารถละลายไดดใี นสภาพหลอมเหลว แตจะละลายไดบางสวนใน สภาพของแข็ง และใหปฏิกิริยา Peritectic ดังรูป

Peritectic เปนปฏิกิริยาที่เกิดจากการรวมตัวของโลหะผสมหลอมเหลวที่มสี วนผสมแนนอน กับสารละลายของแข็งที่มีสวนผสมแนนอนจํานวนหนึ่ง ไดสารละลายของแข็งที่มสี วนผสมแตกตาง จากทั้งโลหะผสมหลอมเหลวและสารละลายของแข็งที่เขาทําปฏิกิริยากัน ดังสมการ สมการ Liquid + Solid 1

cooling heating

Solid 2


189

7.9 ปฏิกิริยา Peritectoid เชนเดียวกันถาเกิดปฏิกิริยาในสภาพของแข็ง เราเรียกวา Peritectoid ดังสมการ Solid 1 + Solid 2

cooling heating

Solid 3


190

5.) โลหะA และโลหะ B สามารถละลายไดดีในสภาพหลอมเหลว แตไมสามารถละลายไดใน สภาพของแข็ง แตจะใหสารประกอบเชิงโลหะ ( Intermetallic compompound ) มีสูตร Ax By ในแผนภาพสมดุลจะมี 2 ลักษณะ ขึ้นอยูกับการละลายของสารประกอบคือ 5.1) Congruent คือสารประกอบ Ax By คงสภาพอยูตลอดในขณะถูกความรอนโดยไมมี การแตกตัวหรือเปลี่ยน Phase ไปเปนอยางอื่นจนถึงอุณหภูมหิ ลอมเหลวจึงจะสลายตัวเปนโลหะผสม หลอมเหลว ดังรูป


191

5.2) Non – congruent คือสารประกอบ Ax By มีการเปลี่ยนสภาวะและแตกตัวกอนถึงจุด หลอมเหลว ดังรูป

หมายเหตุ : สารประกอบ Ax By จะมีสภาพเหมือนโลหะบริสุทธิ์ทุกประการการศึกษาแผน ภาพสมดุลของโลหะ A และ B ใหแบงศึกษาเปน 2 สวน คือ - แผนภาพสมดุลระหวาง A กับ Ax By - แผนภาพสมดุลระหวาง Ax By กับ B


192

7.10 โครงสรางภายในของโลหะผสม ( Microstructure of Alloys ) 1.) ประเภท Compietely soluble ในสภาวะของแข็ง

Fig.7.4 Equilibrium diagram of antimony and bismuth

Fig.7.5 Cooling curves for antimony – bismuth system.


193

2.) ประเภท Completely insoluble ในสภาวะของแข็ง

Fig. 7.6 Equilibrium diagram of bismuth and cadmium.

Fig. 7.7 Cooling curve for bismuth – cadmium system.


194

3.) ประเภท Partially soluble ในสภาวะของแข็ง

ภาพหนา 216


195

1) Eutectic

ชื่อจุดตาง ๆ ที่สําคัญในแผนภาพสมดุล เปนชื่อเรียกจุดที่

Liquid A

นตัวลง ⎯เย็⎯ ⎯→

Solid B + Solid C

นตัวลง ⎯เย็⎯ ⎯→

Solid B + Solid C

นตัวลง ⎯เย็⎯ ⎯→

Solid C

นตัวลง ⎯เย็⎯ ⎯→

Solid C

←⎯ ⎯⎯ ทําใหรอน

2) Eutectoid เปนชื่อเรียกจุดที่ Liquid A

←⎯ ⎯⎯ ทําใหรอน

3) Peritectic เปนชื่อเรียกจุดที่ Liquid A + Solid B

←⎯ ⎯⎯ ทําใหรอน

4) Peritectoid เปนชื่อเรียกจุดที่ Liquid A + Solid B

←⎯ ⎯⎯ ทําใหรอน

แผนภาพสมดุลจะบอกอะไรไดบาง แผนภาพสมดุลจะบอกสิ่งตาง ๆ ดังตอไปนี้ 1.) ที่สวนผสมใดสวนผสมหนึ่งที่กําหนดให จะทราบอุณหภูมิที่จําเปนเพื่อที่จะใหสวนผสม นั้นอยูใ น Phase ใด Phase หนึ่ง นั้นคือจะทราบอุณหภูมทิ ี่จําเปนเพื่อใหได Phase ที่ตองการ 2.) เมื่อทราบสวนผสมและอุณหภูมิจะสามารถทราบไดวาในขณะนั้น ๆ สวนผสมนั้นอยูใ น Phase ใด 3.) ถาสวนผสมหนึ่งถูกทําใหรอนหรือเย็นผานชวงอุณหภูมหิ นึ่ง ๆ จะผานการเปลี่ยนแปลง ไปสู Phase ใด ๆ ไดบาง


196

Fig. 7.8 Hypothetical equilibrium phase diagram showing all invariant reaction points in a binary system at constant pressure.


197

EX Cu – Sb alloy system แสดงดังรูปขางลางนี้ จงเขียนชื่อปฏิกริ ิยาที่ปรากฏขึ้นและสมการของ ปฏิกิริยานั้น ๆ

ภาพหนา 219

The copper – antimony system. เสน T1 ชื่อ Eutectic

สมการ

Liquid

α+ γ

เสน T2 ชื่อ Peritectic

สมการ

Liquid + γ

Cu2 Sb

เสน T3 ชื่อ Eutectic

สมการ

Liquid

Cu2 Sb + β

เสน T4 ชื่อ Peritectoid

สมการ

α+ γ

δ

เสน T5 ชื่อ Eutectoid

สมการ

γ

δ + Cu2 Sb


198

กฎของ Lever - arm

น้ําหนักของโลหะผสมทั้งหมด (Wall ) = น้าํ หนักของ Solid (WS) + น้ําหนักของ Liquid (WL) และจํานวนของ B ที่มีอยูใน solid กับ liquid ยอมเทากับน้าํ หนักของ B ที่มีอยูในโลหะผสมทั้งหมด จากสมการ : Wall × BT = (WS × BS) + (WL × BL) (WS × WL) × BT = (WS × BS) + (WL × BL) จากรูป BT = T1J ; BS = T1M ; BL = T1N = (WS × T1M) + (WL × T1N) ∴ (WS × T1J) + (WL × T1J) หรือ WS × (T1J – T1M) = WL × (T1N – T1J) = WL × JN WS × MJ ∴

WS WL

=

JN MJ


199

โจทยตัวอยาง EX โลหะ Bismuth มีจุดหลอมเหลวที่ 520 ° F และโลหะ Cadmium มีจุดหลอมเหลวที่ 610 ° F ถา นํา Bi และ Cd จะเปนแบบ Completely soluble แตถา ในสภาวะของแข็ง การละลายจะเปลี่ยนเปน แบบ Completely insoluble โลหะผสมนี้จะเกิดปฏิกิรยิ า Eutectic ที่อุณหภูมิ ที่ 290 ° F โดยที่ Eutectic mixture จะมี Cd อยู 40 % จงเขียน Phase Equilibrium Diagram ของ Bi และ Cd พรอมทั้งลงรายละเอียดตาง ๆ ให สมบูรณ วิธีทํา


200

โจทยตัวอยาง EX โลหะ A และ B มีจุดหลอมเหลวที่ 232 ° C และ 272 ° C ตามลําดับ ถานํา A และ B มาทําเปน โลหะผสมในสภาวะของเหลว การละลายของ A และ B จะเปนแบบ Completely soluble แตถาใน สภาวะของแข็ง การละลายจะเปลี่ยนเปนแบบ Partially soluble โลหะผสมนี้จะเกิดปฏิกิริยา Eutectic ที่อุณหภูมิ 138 ° C โดยที่ Eutectic mixture จะมี A อยู 40 % และที่อุณหภูมิ 138 ° C ดังกลาว คา Maximum solubility ของ B ใน A จะมีคา เทากับ 19 % และ A ใน B จะมีคาเทากับ 2 % จงเขียน Phase Equilibrium Diagram ของ A, B พรอมทั้งลงรายละเอียดตาง ๆ ใหสมบูรณ วิธีทํา


201

การคํานวณ

สมมุติ : พิจารณาโลหะผสม Sb 50 จากกฎ Lever – arm ปริมาณ liquid = ปริมาณ solid =

%,

50 − 20 × 100 70 − 20 70 − 50 × 100 70 − 20

Bi 50

%

ณ T = 800 ° C

=

60

%

โดย น.น.

=

40

%

โดย น.น.

ทดสอบ : จากรูป ใน liquid มี Bi 70 % และ Sb 30 % โดย น.น. ใน solid มี Bi 20 % และ Sb 80 % โดย น.น. ∴ ในโลหะผสม มีจํานวน Bi ทั้งหมด =

60 × 70 100

+

40 × 20 100

= 50%

และมีจํานวน Sb ทั้งหมด

60 × 30 100

+

40 × 80 100

= 50%

=


202

การคํานวณ

คิด Alloy I : ที่อุณหภูมิ 400 ° F ปริมาณ liquid = ปริมาณ Bi

=

10 − 0 × 100 30 − 0 30 − 0 × 100 30 − 0

= 33.33% โดย น.น.

100 − 40 × 100 100 − 0 40 − 0 × 100 100 − 0

= 60 % โดย น.น.

= 66.66% โดย น.น.

คิด Alloy II : ที่อุณหภูมิ 300 ° F ปริมาณ Bi

=

ปริมาณ Cd

=

= 40 % โดย น.น.

คิด Alloy III : ที่อุณหภูมิ 500 ° F ปริมาณ liquid = ปริมาณ Cd

=

100 − 80 × 100 100 − 60 80 − 60 × 100 100 − 60

= 50 % โดย น.น. = 50 % โดย น.น.


203

Ex การศึกษาเกี่ยวกับโครงสรางของโลหะผสมเงิน ( Ag) กับทองแดง (Cu)

วิธีทํา : สมมุติวาโลหะผสมระหวางเงินกับทองแดง โดยมีทองแดงผสมอยู 60 % การศึกษาจะเริ่ม ตั้งแตโลหะอยูใ นสภาพหลอมเหลว เมื่อปลอยใหเย็นชา ๆ โลหะผสมจะเริ่มแข็งตัวเมื่อเสนตั้งฉาก แทนโลหะผสมที่ 60 % ตัดกับเสน Liquidus ที่อุณหภูมิ 880 ° C ซึ่ง ณ จุดนี้โลหะผสมที่หลอมเหลว จะใหกําเนิดนิวเคลียสของ β ที่มีความเขมขน 95 % Cu เมื่ออุณหภูมิต่ําลง สมมุติวาที่ 850 ° C ณ ที่มี โครงสรางของโลหะผสมจะประกอบดวย phase β (94% Cu) ลอมรอบดวย phase (48% Cu) เรา จะสามารถคํานวณหาปริมาณน้ําหนักของ β และ liquid ไดโดยอาศัยกฎ Lever - arm น.น. β

=

60 − 48 94 − 60

=

12 34

=

60 − 48 94 − 48

=

12 46

น.น. Liquid หรือ

น.น. β

น.น. ของโลหะผสมทั้งหมด เมื่อคิดเปนเปอรเซ็นต โดยใหน้ําหนักของโลหะผสมทั้งหมดเปน 100 สวน เราจะได น.น. β

=

12 x 100 46

=

26.1 %

น.น. liquid

=

100 – น.น. β =

73.9 %


204

เมื่ออุณหภูมิตา่ํ ลงจนอยูเหนืออุณหภูมิที่จะเกิดปฏิกิริยา Eutectic เล็กนอย ในตอนนี้โลหะ ผสม Ag – Cu จะประกอบดวย Liquid ที่มี Cu ประมาณ 28.5 % และ Solid β ที่มี Cu ประมาณ 92% ถาจะทราบปริมาณของ Liquid และ β เราสามารถหาไดโดย น.น. liquid

=

92 − 60 92 − 28.5

=

32 63.5

=

32 × 100 63.5

=

50.4 %

น.น.ของโลหะผสม น.น. liquid

น.น. β = 100 – 50.4 = 49.6 % หมายเหตุ : การที่เราอนุโลมใชคา composition ของ liquid เปน 28.5 % Cu และ Solid β เปน 92 % Cu เพราะเราพิจารณาที่อณ ุ หภูมิเหนือ Eutectic เพียงเล็กนอย ทั้งนี้ก็เพื่อทราบวาปริมาณของ liquid ที่ จะเกิดแข็งตัวและใหปฏิกิริยา Eutectic มีปริมาณเทาใด เพื่อที่เราจะสามารถเขียนโครงสรางของโลหะ ผสมทองแดงกับเงิน 60 % Cu ไดอยางถูกตอง ที่อุณหภูมิเหนือจุด Eutectic เพียงเล็กนอย โครงสรางประกอบดวย Liquid (28.5 % Cu) ปริมาณ 50.4 % โดย น.น. และ Solid β (92% Cu) ปริมาณ49.6% โดย น.น.

เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 779 ° C ซึ่งเปน Eutectic temperature โดยเปนอุณหภูมิที่จะเกิดปฏิกิริยา Eutectic จะปรากฎการแข็งตัว เฉพาะ liquid ซึ่งจะให phase ∝ (8.8 % Cu) กับ phase β (92% Cu) พรอม ๆ กันที่อุณหภูมิคงทีท่ ั้ง ∝ และ β จะเกิดในเวลาและอุณหภูมเิ ดียวกัน จึงเปนผลึกที่มีขนาด เล็ก ๆ เกิดสลับกันสวน phase β (92% Cu) ที่เปน primary crystal จะไมมีการเปลี่ยนแปลง


205

ดังนั้นเมื่ออุณหภูมิต่ําลงกวา 779 ° C เพียงเล็กนอย เราก็จะไดโครงสรางซึ่งประกอบดวย Solid β (92% Cu) ที่เปน primary crystal กับ Eutectic structure ที่ประกอบดวย ∝ (8.8 % Cu) และ β (92% Cu) ที่เปนผลึกขนาดเล็ก ถาเราอยากทราบวาโครงสราง Eutectic จะประกอบดวย ∝ (8.8 % Cu) กับ β (92% Cu) เปน จํานวนเทาใด เราสามารถหาไดโดยอาศัยกฎ Lever – arm ดังนี้ น.น. ∝ (8.8 % Cu)

=

92 − 28.5 28.5 − 8.8

=

63.5 19.7

น.น. β (92% Cu)

=

3.2

แสดงวาในโครงสราง Eutectic น.น. ∝ (8.8 % Cu) มีมากกวา น.น. β (92% Cu) เปน จํานวน 3.2 เทา ดังนั้นใน Eutectic structure ซึ่งมีปริมาณ 50.4 % ของโลหะผสมทั้งหมดจะ ประกอบดวย ∝ (8.8 % Cu) ปริมาณ 38.3 % โดย น.น. และ β (92% Cu) ปริมาณ 12.1 % โดย น.น. เมื่ออุณหภูมิลดต่ําลงจาก 779 ° C ถึง 200 ° C ในชวงนี้จะเกิดมีการเปลี่ยนแปลงโครงสราง บางเพียงเล็กนอย กลาวคือ Solubility ของ Cu ใน ∝ จะลดลงในทางตรงกันขามปริมาณ Cu ใน β จะ เพิ่มขึ้นและจะลดปริมาณของเงินลงตาม curve ที่ปรากฏ ทั้ง ∝ และ β จะกลายเปนโลหะเงินบริสุทธิ์ (Ag) และเปนทองแดงบริสุทธิ์ (Cu) ตามลําดับ เมือ่ อุณหภูมิลดลงถึง 200 ° C เมื่อตองการจะ คํานวณหาปริมาณของ ∝ และ β ในชวงอุณหภูมิ 779 ° C ถึง 200 ° C อาศัยกฎ Lever – arm เหมือนเดิม เชน สมมุติวาตองการทราบปริมาณของ ∝ และ β และโครงสรางที่อุณหภูมิ 720°C จาก phase Equilibrium Diagram ลากเสนอุณหภูมิ 720 °C จะปรากฏวา ∝ ที่อยูในสภาพสมดุล ณ อุณหภูมินี้จะมี Cu 6% และ β มี Cu 94 % =

94 − 60 94 − 6

=

34 88

น.น. ∝ ( 6%Cu)

=

34 × 100 88

=

38.6 %

น.น. β ( 94%Cu)

=

100 – 38.6

=

61.4 %

น.น. ∝ น.น. โลหะผสม


206

7.11 แผนภาพสมดุลของเหล็ก - คารบอน ( phase Equilibrium Diagram of Fe - C )

Fig. 7.9 Iron – carbon equilibrium diagram การศึกษาแผนภาพสมดุลของเหล็กกับคารบอนมีความสําคัญมาก เพราะคุณสมบัติของเหล็กที่ ใชอยูในงานวิศวกรรมเปลี่ยนแปลงตามปริมาณของคารบอนที่ผสมอยูในเหล็ก และการที่จะเขาใจถึง คุณสมบัติตาง ๆ ของเหล็กไดดี ยอมตองเขาใจเรื่องของแผนภาพสมดุลของเหล็กกับคารบอนเปนหลัก ในการศึกษา Diagram นี้ จะตองทําความเขาใจตอความหมายของศัพท (Terminology ) ที่เกี่ยวของ เสียกอน ดังตอไปนี้ Ferrite บางทีเรียกเหล็กแอลฟา (Alpha, α ) คือสารละลายของแข็ง (Solid solution) ของ เหล็กกับคารบอน ซึ่งคารบอนสามารถละลายไดดใี นเหล็กมากที่สุด 0.025 % ที่อุณหภูมิ 723 °C มี ระบบผลึก (Crytal system) เปน Body – centered cubic


207

Austenite บางทีเรียก เหล็กแกมมา (Gamma , γ) คือ สารละลายของแข็ง (Solid solution) คือสารละลายของแข็ง (Solid solution) ของเหล็กกับคารบอน ซึ่งคารบอนละลายไดในเหล็กมากทีส่ ุด 2 % ที่อุณหภูมิ 1130 °C ที่ระบบผลึก(Crystal system) เปน Face – centered cubic Ferrite เดลตา (Delta, δ) คือ สารละลายของแข็ง (Solid solution) ของเหล็กกับคารบอน ในชวงอุณหภูมิสูงใกลจุดหลอมตัวของเหล็ก (1400° - 1539°C) คารบอนสามารถละลายไดสูงสุด 0.1%ที่อุณหภูมิ 1492°C มีระบบผลึก (Crystal system ) เปน Body – centered cubic เชนเดียวกับ Ferrite แอลฟา Cementite หรือ Iron carbide เปนสารประกอบเคมี (Intermetallic compound ) ระหวางเหล็ก กับคารบอน โดยมีคารบอนผสมอยู 6.67 % มีสูตรทางเคมีเปน Fe3C มีความแข็งสูงแตจะเปราะแตกหัก ไดงายเมื่อไดรบั แรงกระแทกมีระบบผลึก (Crystal system ) เปน Orthorhombic Pearlite คือ ผลึกที่เกิดรวมกันระหวาง Ferrite (0.025 % C) กับ Cementite (6.67%C ) เกิดจาก ปฏิกิริยา Eutectoid ในขณะที่ทําใหเหล็กเย็นชา ๆ ตรงอุณหภูมิ 323 ° C จะเกิด Ferrite - ∝ และ Cementite ที่อุณหภูมิคงที่ เกิดผลึกเปนแลบยาว ๆ (Lamellar structure) สลับกันระหวาง Ferrite - ∝ และ Cementite ดังนั้น Pearlite จึงไมใชเพียง 1 Phase แตจะเปน 2 Phase ประกอบกัน Phase Equilibrium Diagram ของเหล็กกับคารบอน เปน Diagram แบบที่ 1 คือธาตุคารบอนสามารถละลายไดดีในสภาพหลอมเหลว แตในสภาพของแข็ง คารบอนจะ รวมตัวกับเหล็กทั้งในสภาพสารละลายของแข็ง Solid solution (Ferrite - ∝ , Austenite และ Ferrite - δ ) และสารประกอบเคมี (Intermetallic compound ) มีสูตร Fe3C จาก Diagram จะปรากฏปฏิกิริยา 3 ประเภท คือ 1.) ปฏิกิริยา Feritectic ที่อุณหภูมิ 1492° C จะเกิดปฏิกิริยา Peritectic ดังสมการ : Ferrite - δ (0.1% C )+ Liquid (0.5% C) 2. ) ปฏิกิริยา Eutectic ที่อุณหภูมิ 1130° C จะเกิดปฏิกิริยา Eutectic ดังสมการ : Liquid (4.3%C)

Cooling heating

Cooling heating

Austenite ( γ 0.18%C )

Austenite (γ 2%C)+Cementite (6.67%C)

3.) ปฏิกิริยา Eutectoid ที่อุณหภูมิ 723° C จะเกิดปฏิกิริยา Eutectoid ดังสมการ : Austenite (γ 0.8%C) Cooling Ferrite (0.025%C)+ Cementite (6.67%C) heating


208

ตารางเสนตาง ๆ ที่ปรากฏบนแผนภาพสมดุลเหล็กกับคารบอน เสนคงตัว A1 A2

อุณหภูมิ ( ° C ) 723 768

A3

723 – 910

ACM

723 – 1130

Alg

1400

คุณลักษณะ เสนแสดงอุณหภูมิที่เกิดปฏิกิริยา Eutectoid เสนแสดงการเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะแมเหล็ก ของ Ferrite - ∝ เมื่อเหล็กรอนเกินกวาอุณหภูมิ นี้ จะเกิด Ferrite - β ซึ่งแมเหล็กจะไมดูด เสน A2 ไมมีการเปลี่ยนโครงสราง ดังนั้นจึงมัก ไมคอยปรากฏในแผนภาพสมดุล เสนอุณหภูมิแสดงการเปลี่ยนแปลงระหวาง Austenite กับ Ferrite - ∝ เสนแสดงการเปลี่ยนแปลงระหวาง Austenite กับ Cementite เสนแสดงการเปลี่ยนแปลงระหวาง Austenite กับ Ferrite - δ


209

ตัวอยางการศึกษาโครงสรางของเหล็ก ขอยกตัวอยางเหล็กที่มีคารบอน 0.4 % จาก Diagram พิจารณาเหล็กที่มีคารบอน 0.4 % ที่อุณหภูมิ 1539 ° C เหล็กจะอยูในสภาพหลอมละลาย ที่อุณหภูมิ 1500° C เหล็กจะเริ่มแข็งตัว ใหกําเนิดนิวเคลียสของเหล็ก δ (delta ) ที่มีธาตุ คารบอน 0.075 % ที่อุณหภูมิเหนือ 1492° C เล็กนอย เหล็กจะประกอบดวยเนื้อเหล็ก δ ที่มีคารบอน 0.10 % กับเหล็กหลอมเหลวที่มีธาตุคารบอน 0.5 % ที่อุณหภูมิ 1492° C เปนอุณหภูมิที่เกิดปฏิกิริยา Peritectic กลาวคือเหล็ก δ ที่มีธาตุคารบอน 0.10 % จะรวมกับเหล็กหลอมเหลวบางสวนแลวใหเหล็ก γ (Gamma) ที่มีธาตุคารบอน 0.18% ที่อุณหภูมิต่ํากวา 1492° C เล็กนอย เหล็ก 0.4 % คารบอนจะประกอบดวยเหล็ก γ 0.18 % กับเหล็กหลอมเหลว 0.50 % คารบอน เมื่ออุณหภูมิลดลงจะปรากฏเหล็ก γ จะเพิม่ ปริมาณมากขึ้น สวนปริมาณของเหล็กหลอมเหลว จะลดลงตามลําดับ แตทั้งเหล็ก γ และเหล็กหลอมเหลวจะประกอบดวยธาตุคารบอนมากขึ้น ที่อุณหภูมิ 1450° C จะเปนจุดที่เหล็กหลอมเหลวที่เหลือแข็งตัวหมดกลายเปนเหล็ก γ 0.4 % คารบอน เมื่ออุณหภูมิลดต่ําลง จะปรากฏเหล็ก γ ไมเปลี่ยนแปลงยังคงเปนเหล็ก γ 0.4% คารบอน จนถึงอุณหภูมิ 800°C จึงจะเริ่มมีการเปลีย่ นแปลง โดยที่บริเวณรอบ ๆ เม็ดเกรนของเหล็ก γ จะให กําเนิดนิวเคลียสของเหล็ก ∝ 0.02% คารบอนและเมื่ออุณหภูมิลดลง ปริมาณของเหล็ก ∝ จะเพิ่ม มากขึ้น สวนเหล็ก γ จะกลับมีปริมาณลดลง แตทั้งเหล็ก ∝ และ γ จะมีเปอรเซนตคารบอนเพิ่มขึ้น ดวย ที่อุณหภูมิเหนือ 723 ° C เล็กนอย จะปรากฏมีเหล็ก ∝ 0.025 % กับเหล็ก (Gamma) 0.8 % คารบอน อยางละประมาณ 50% ที่อุณหภูมิ 723 ° C พอดี เปนอุณหภูมิทใี่ หปฏิกิริยา Eutectoid ซึ่งเหล็ก γ 0.8 % คารบอน จะ แตกตัวใหเหล็ก ∝ 0.025 % กับซีเมนไตต ( Fe3C) 6.67% คารบอนพรอม ๆ กัน โดยมีปริมาณ เหล็ก ∝ 0.025 % มากกวาซีเมนไตตประมาณ 7 เทา ปริมาณเหล็ก ∝ ปริมาณ Fe3C

=

6.67 − 0.8 7 = 0.8 − 0.025 1


210

ลักษณะการแตกตัวของเหล็ก γ จะใหแถบยาว ๆ ของเหล็ก ∝ 0.025 % คารบอนกับ ซีเมนไตตสลับกันไป เราเรียกโครงสรางนี้วา Pearlite เมื่ออุณหภูมิลดต่ําลงอีก จะปรากฏวาเหล็ก 0.4% คารบอน จะมีโครงสรางที่ประกอบดวย เหล็ก ∝ 0.025 % กับ Pearlite 0.8% ถาอุณหภูมิลดต่ําลงอีกจะปรากฏการเปลี่ยนแปลงอีกเล็กนอยโดย เหล็ก ∝ 0.025 % จะแยกตัวใหเหล็ก ∝ ที่มีธาตุคารบอนนอยกวา 0.025% กับซีเมนไตต 6.67% แตปริมาณที่เปลี่ยนแปลงจะนอยมาก หมายเหตุ : การเปลี่ยนแปลงที่อธิบายนี้จะเกิดเฉพาะเมื่ออัตราการเย็นตัว ( rate of cooling ) เปนไป อยางชา ๆ เพื่อเปดโอกาสใหอะตอมของคารบอนสามารถเคลื่อนที่ไดทนั ทําใหเกิด Phase ตาง ๆ แตถา อัตราการเย็นตัวเร็วจะไมปรากฏ Phase ตาง ๆ ที่อธิบายมาแตกลับจะไดโครงสรางของเหล็กตาง ออกไป ในการคํานวณหาปริมาณของ Phase ที่เกิด ณ อุณหภูมิตาง ๆ อาศัยกฎของ Lever – arm ดังเชนเหล็ก 0.4 % ที่ 750 ° C จะมีปริมาณของเหล็ก ∝ = 34% และเหล็ก γ = 66%


211

บทที่ 8 กรรมวิธีทางความรอนของเหล็กกลา (Heat Treatment of Steel) ความหมาย : การปรับปรุงคุณสมบัติของโลหะใหไดตามตองการโดยการอบใหรอ น แลวถายเท ความรอน (Heat transfer) ผล : เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของเหล็กและโครงสรางภายในของเหล็ก - การอบชุบเหล็กในทีน่ ี้มิไดหมายถึงเฉพาะการชุบเหล็กใหแข็งเพียงอยางเดียว แตหมายถึง การใชความรอนกระทํากับเหล็ก เพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของเหล็กและโครงสรางภายในของเหล็ก วิธีการ : 1. Hardening (การชุบแข็ง) 2. Tempering (การอบคลายความแข็ง, การอบคืนตัว) 3. Annealing (การอบออน, การอบนิ่ม) 4. Normalizing (การอบปกติ, การอบละเอียด) 5. Spheroidizing (การอบกลม)


212

8.1 Hardening คือการชุบเหล็กเพื่อใหเหล็กมีความแข็งขึ้น ขั้นแรกจะตองเผาเหล็กจากอุณหภูมิบรรยากาศ ใหรอนประมาณ 800° - 900°C (ขึ้นอยูกบั ชนิดของเหล็ก) ภายในเตาไฟฟาหรือเตาอบชุบอื่น ๆ ที่ สามารถควบคุมอุณหภูมิได เมื่อเหล็กรอนจนถึงอุณหภูมินี้ โครงสรางของเหล็กจะเปลีย่ นไปเปน Austenite โดยทั่ว ๆ ไป มักจะเผาใหอุณหภูมิของเหล็กรอนเลยเสน A3 ไปประมาณ 50°- 75° C แต จะไมเผาเหล็กใหอุณหภูมิสูงเกินพิกัดนี้ เพราะจะทําใหเกรนของเหล็กขยายตัวโตขึ้น (Grain growth) ซึ่งจะทําใหคณ ุ ภาพของเหล็กหลังจากการชุบเสียไป ในทางปฏิบัติ : ถาเปนเหล็กที่มีคารบอนต่ํากวา 0.8% จะเผาใหอุณหภูมิสูงกวาเสน A3 ประมาณ 50° - 75° C ถาเหล็กมีคารบอนสูงกวา 0.8% จะเผาเพียงแค อุณหภูมิเหนือเสน A1 ประมาณ 50° - 75° C เทานั้น เหตุผลก็คือเพื่อตองการรักษา Cementite ไวไมใหเปลี่ยนไปเปน Austenite เพราะ Cementite มีความแข็งสูงอยูแลว

เมื่อเผาเหล็กจนกลายเปน Austenite แลวจะตองทิ้งไวที่อุณหภูมินี้สกั ระยะหนึ่ง เวลา ประมาณ 1 ชั่วโมง ตอความหนา 25 มม. เพื่อใหเหล็กรอนทั่วถึงกันตลอดทั้งแทง จากนัน้ จึงจะ นําเอาเหล็กออกจากเตาทําใหเย็นโดยรวดเร็วดวยการจุมลงในน้ํา (Water quench) หรือในน้ํามัน (Oil quench) ในขณะที่ทําใหเหล็กเย็นโดยรวดเร็วนี้ Austenite จะเปลี่ยนกลับไปเปน Ferrite และ Pearlite ไมทัน แตจะใหโครงสรางใหมที่มีความแข็งสูง เรียกวา มารเทนไซต (Martensite) ดังรูป


213

ถาจะพิจารณาโดยละเอียดแลว Martensite ก็คือ Ferrite นั่นเอง แตเปน Ferrite ที่มี ปริมาณคารบอนสูงกวาสภาพสมดุลตาม Equilibrium diagram ที่เปนเชนนี้เพราะอะตอมของ คารบอนไมมีเวลาพอที่จะเคลื่อนไหวมารวมกันให Cementite


214

Figure 8.1 Determination of hardening temperature for a 0.6% carbon steel.


215

ออสเตนไนทที่อุณหภูมิสูง

ออสเตนไนทภายหลังทําใหเย็นอยางเร็วไดมารเทนไซท

ความแข็งที่ไดจากการชุบเหล็กเกิดจาก 1. High carbon martensite และ 2. Deformation of space lattice (Distortion) ดังนั้นความแข็งของเหล็กที่ผานการชุบจึงขึ้นอยูกับ 2 สิ่ง คือ 1. ปริมาณธาตุคารบอนในเหล็ก กลาวคือ ถาในเหล็กมีธาตุคารบอนมาก โอกาสที่เหล็กจะ เปลี่ยนเปน Martensite ก็ยิ่งงาย และปริมาณของมาก


216

หมายเหตุ : เหล็กที่มีปริมาณคารบอนต่ํากวา 0.3% C จะชุบไมแข็ง 2. อัตราความเร็วในการชุบ (Cooling rate) กลาวคือ ถาทําใหเหล็กเย็นเร็ว ๆ โอกาสที่ Austenite จะเปลี่ยนเปน Martensite ก็มีมาก ในทางตรงกันขาม ถาปลอยใหเหล็กเย็นชา ๆ Austenite จะเปลี่ยนไปเปน Ferritre, Cementite และ Pearlite ไมเกิด Martensite เหล็กก็ไมแข็ง ดังรูป


217

8.2 Tempering เหล็กที่ผานการชุบมาแลวยอมจะเกิดความเครียด (Strain) ขึ้นภายใน และมีความแข็งเพิ่มขึ้น แตเหล็กจะขาดคุณสมบัติทางดานความเหนียว (Ductility) ทําใหไมเหมาะที่จะนําไปใชงาน เพราะ ถาเกิดมีการกระแทกชิน้ เหล็กอาจจะแตกราวได จึงจําเปนตองปรับปรุงคุณสมบัติเสียใหมโดยการทํา อบคืนตัว ซึ่งมีวิธีการดังนี้ นําเหล็กที่ผานการชุบมาแลวเผาภายในเตาที่อุณหภูมิต่ําประมาณ 200° - 400°C ทิ้งไว ประมาณ 1 - 3 ชั่วโมง แลวเอาออกปลอยใหเย็นในอากาศธรรมดา เหล็กจะมีคณ ุ สมบัติดานความ เหนียว (Ductility) ดีขึ้น แตความแข็งจะลดลงเล็กนอย ดังรูป


218

ในขณะเผาที่อณ ุ หภูมิต่ํา Martensite จะมีการเปลี่ยนแปลงเล็กนอย โดยอะตอมคารบอนจะ เคลื่อนไหวออกจาก Martensite มารวมกันเปน Ferrite และ Cementite บางสวน ที่เปนเชนนี้ เพราะ Martensite ไมใชโครงสรางของเหล็กที่สมดุลที่อุณหภูมิบรรยากาศ เมื่อเหล็กไดรับความรอน จะเกิดการเปลีย่ นแปลงเพื่อกลับไปเปนโครงสรางที่สมดุลคือ Ferrite กับ Cementite ที่เราตองเผา อุณหภูมิไมเกิน 400°C ก็เพื่อไมตองการให Martensite คืนตัวหมด เพราะเรายังตองการความแข็ง ของเหล็กอยู ถาเราเผาใหอุณหภูมิสูงเกิน 400° C ความแข็งจะถูกทําลายหมด โดยทั่ว ๆ ไป การชุบแข็ง และการอบคืนตัวจะตองกระทําติดตอกัน เพื่อใหไดเหล็กแข็งและ ทนแรงกระแทกไดดดี วย (Toughness) ดังรูป


219


220


221

8.3 Annealing มีความมุงหมายเพื่อตองการใหเหล็กออนลง (Softening) หรือเพื่อทําใหเหล็กเหนียวขึน้ (Toughening) สวนใหญเหล็กที่ผานการขึ้นรูปเย็น (Cold working) หรือการหลอ (Casting) มา มักจะมีความแข็งเพิ่มขึ้นและไมสม่ําเสมอ ทําใหเกิดการกลึงหรือไสยาก ดังนั้นจึงจําเปนตองทําลาย ความแข็งของเหล็กเพื่อจะไดกลึงหรือไสไดสะดวก หลักการทํา Annealing แบงออกเปน 2 วิธี คือ 1. Full annealing 2. Process annealing Full annealing : มีความมุง หมายใหเหล็กออนลงเพื่อสะดวกตอการกลึงหรือไส วิธีนี้ตอง เผาเหล็กใหมอี ุณหภูมิสูงจนเหล็กกลายเปน Austenite ที่อุณหภูมเิ หนือเสน A3 ประมาณ 50°C ภายในเตาที่สามารถควบคุมอุณหภูมิได ทิ้งไวที่อุณหภูมินี้ไมเกิน 2 ชั่วโมง จากนั้นปลอยใหเหล็ก เย็นชา ๆ ภายในเตา ถาเปนเตาไฟฟาก็เพียงแตตัดกระแสไฟเสีย แลวปลอยใหเหล็กเย็นอยูภ ายในเตา ที่ปดฝาสนิท เมื่อเหล็กถูกปลอยใหเย็นชา ๆ การเปลี่ยนโครงสรางภายในก็จะกลับสูสภาพใกลเคียง สมดุล โครงสรางที่เปนอยูเดิม เชน Martensite เปนตน จะกลับมาเปน Ferrite และ Cementite ทําใหความแข็งลดลงกลายเปนเหล็กออนนิ่ม Process annealing : มีความมุงหมายเพื่อทําลายความเครียดภายในใหหมดไป เชน เหล็กที่ ถูกรีดหรือตีขึ้นรูปมา ถาจะนําไปทําตอในขั้นตอไป เหล็กจะตองผาน Annealing เพื่อใหมีความ ตานทานแรงกระทํานอยลง วิธีนี้เผาเหล็กใหรอนถึงอุณหภูมิต่ํากวาเสน A1 เล็กนอย ทิ้งไวนาน พอสมควร เพื่อใหเหล็กรอนทั่วถึงกัน หลังจากนั้นปลอยใหเหล็กเย็นชา ๆ วิธีนคี้ วามแข็งของเหล็ก จะลดลงเล็กนอย เพราะโครงสรางของเหล็กแตเดิมไมเปลี่ยนแปลงมากนัก แตความเครียดที่มีอยูจะ ถูกทําลายหมดไป 8.4 Normalizing มีความมุงหมายเพื่อปรับปรุงความเหนียว โดยการลดขนาดของเม็ดเกรนของเหล็ก (Grain size) ทําใหคุณสมบัติของเหล็กสม่ําเสมอ และในขณะเดียวกันก็ชวยในการลดความเครียดภายในดวย โดยทั่ว ๆ ไป เหล็กที่ผานการหลอ (Casting) หรือการขึ้นรูป (Working) มามักจะมีความแข็งหรือ ความเหนียวไมสม่ําเสมอตลอดทั้งแทง จึงจําเปนตองนํามาทํา Normalizing โดยการเผาเหล็กใหรอน จนกลายเปน Austentite ที่อุณหภูมิเหนือเสน A3 ประมาณ 50° C หลังจากทิ้งไวจนอุณหภูมเิ ทากัน หมดทุกจุดตลอดภายในใจกลางดวย จากนั้นจึงเอาเหล็กออกจากเตาทิ้งใหเย็นในอากาศธรรมดา (Air cool) การปลอยใหเหล็กเย็นในอากาศนั้น อัตราการเย็นตัวของเหล็กจะเร็วกวาการทํา Annealing ดังนั้นเม็ดเกรนของเหล็กจะมีขนาดเล็กกวา ทําใหเหล็กมีความเหนียวดีและคุณสมบัติ สม่ําเสมอ


222

รูป 8.2 แสดงลักษณะโครงสรางของเหล็กกลาที่ผาน Annealing กับ Normalizing ที่อุณหภูมิตางกัน

8.5 Spheroidizing


223

เปนการชุบเหล็กประเภทหนึ่งที่กระทํากับเหล็กที่มีคารบอนตั้งแต 0.8% ขึ้นไป เพราะเหล็ก เหลานี้จะมีโครงสรางที่ประกอบดวย Pearlite เปนสวนใหญ คือ โครงสรางที่ประกอบดวยแถบของ Ferrite กับ Cementite สลับกัน ดังนั้นในการกลึงหรือไสจึงไมเรียบ เพราะมีดกลึงจะตองผาน ของแข็งและออนสลับกัน การทํา Spheroidizing เปนการทําเพื่อเปลี่ยนลักษณะโครงสรางจากลักษณะที่เปนแถบยาว ของ Cementite ใหมีลักษณะเปนกลมเล็ก ๆ กระจายอยูท ั่วไปในขณะทําการกลึง ตัวมีดจะไดไมตอ ง ตัดผาน Cementite ในขณะที่ตัวมีดเคลื่อนที่ผานเม็ดของ Cementite ก็จะหลุดหรือเบนหนี การตัด ผานไปไดทําใหตัวมีดตัดผานแตเฉพาะ Ferrite อยางเดียว วิธีการทํา Spheroidizing โดยเผาเหล็กใหรอนที่อุณหภูมิต่ํากวาเสน A1 เล็กนอย แลวทิ้งไว ที่อุณหภูมินี้ประมาณ 10 - 15 ชั่วโมง เพื่อให Cementite เปลี่ยนรูปเปนเม็ดกลม หลังจากนัน้ เอา เหล็กออกปลอยใหเย็นในอากาศ

Figure 8.3 Temperature ranges for various heat treatments (G.M. Enos and W.E. Fontaine, Elements of Heat Treatment. New York : John Wiley & Sons, Inc., 1963)


224

Figure 8.4 Heat – treating thermal cycles.

8.6 เหล็กกลาผสม (Alloy steels) เหล็กกลาผสมคือ เหล็กที่ผสมธาตุตาง ๆ นอกเหนือไปจากธาตุคารบอน และธาตุบางตัวที่ ติดมาเนื่องจากกรรมวิธีการถลุง (Mn, Si, S และ P) การผสมธาตุตาง ๆ ลงไปในเหล็กก็เพื่อเปนการ ปรับปรุงคุณสมบัติหลาย ๆ ประการที่เหล็กคารบอนใหคุณสมบัติเหลานั้นอยูใ นเกณฑที่ต่ําไมสามารถ ใชงานไดดี ถึงแมวาการผสมธาตุตาง ๆ ลงไปในเหล็กจะทําใหเหล็กมีราคาสูงขึ้นตาม ความมุงหมาย ของการผสมธาตุดังกลาวมีหลายประการคือ 1. เพิ่มคุณสมบัติดานชุบแข็ง 2. ปรับปรุงความแข็งที่อณ ุ หภูมิปกติ 3. เพิ่มคุณสมบัติตานทานการสึกหรออันเนื่องมาจากการเสียดสีขณะใชงาน 4. เพิ่มความเหนียวทนตอแรงกระแทก 5. เพิ่มคุณสมบัติตานทานการกัดกรอน 6. ปรับปรุงคุณสมบัติตานแมเหล็ก ธาตุที่ผสมในเหล็กมีมากมายหลายธาตุ ซึ่งแตละธาตุจะใหผลตอเหล็กแตกตางกัน ในการ ศึกษาบทบาทของธาตุเหลานี้ สามารถแยกออกเปนกลุมเพื่อความสะดวก ดังเชน กลุมเพิ่มเสถียรภาพ ของออสเคนไนท, กลุมเพิ่มเสถียรภาพเฟอรไรท 8.7 ธาตุผสม(Alloying element) ผลของ Alloying element ในเหล็กที่มีตอ การเปลี่ยนแปลงของ Allotropie Temperature เราแบง Alloying element ออกเปน 2 กลุม คือ 1. กลุมที่มีอิทธิพลทําให Austenite มีเสถียรภาพ 2. กลุมที่มีอิทธิพลทําให Ferrite มีเสถียรภาพ


225

กลุมที่เปน Austenite stabiliser เปนธาตุที่จะทําใหอาณาเขตของ Austenite ขยายตัวลงมาทางดานอุณหภูมิต่ํา มีอิทธิพล ขยายอาณาเขตของ Austenite ลงมาจนถึงอุณหภูมิหอง ไดแกธาตุ Mn, Ni

กลุมที่เปน Ferrite stabiliser เปนธาตุที่จะทําใหอาณาเขตของ Ferrite ขยายขึ้นไปทางดานอุณหภูมิสูง และไปจํากัด อาณาเขตของ ใหแคบลง ไดแกธาตุ Cr, W, Mo, V, Ti


226

บทที่ 9 เหล็กหลอ/เหล็กเครื่องมือ/มาตรฐานเหล็ก/เหล็กกลาคารบอน 9.1 เหล็กดิบและการผลิตเหล็กดิบ 9.1.1 สินแรเหล็ก ตนกําเนิดของเหล็กและเหล็กกลาก็คือ สินแรเหล็ก ซึ่งสวนมากอยูในสภาพของออกไซด และที่นํามาถลุง ไดแก 1. เฮมาไตต (Hematite) มีชื่อทางเคมีวา เหล็กออกไซด (Fe2 O3) เปนสินแรสีแดง มีเหล็ก ผสมอยูประมาณ 52 เปอรเซ็นต พบมากในเยอรมัน อังกฤษ แคนาดา และสเปน 2. แมกนิไตต (Magnetite) มีชื่อทางเคมีวา เฟอโรโซเฟอริคออกไซด (Fe3 O4) เปนสินแร สีดํา มีเหล็กผสมอยูประมาณ 72 เปอรเซ็นต พบมากในรัสเซีย สหรัฐอเมริกา เยอรมัน และสวีเดน 3. ซิเดอไรท (Siderite) มีชื่อทางเคมีวา เหล็กคารบอเนต (Fe CO3) เปนสินแรสีน้ําตาล มีเหล็กผสมอยูประมาณ 45 เปอรเซ็นต พบมากในเยอรมัน และอังกฤษ 4. ลิโมไบท (Limonite) มีชื่อทางเคมีวา เหล็กออกไซด และน้ํา (Fe2 O3 –3 H2O) เปนสินแร สีน้ําตาล มีเหล็กผสมอยูประมาณ 20 - 45 เปอรเซ็นต พบมากในเยอรมัน สหรัฐอเมริกา และอังกฤษ สินแรชนิดนี้ บางครั้งเรียกวา บราวน เฮมาไตต (Brown Hematite) 5. เหล็กไพไรท (Iron Pyrite) มีชื่อทางเคมีวา FeS2 มีเหล็กผสมอยูประมาณ 43 - 45 เปอรเซ็นต พบโดยทั่วไป 9.1.2 แหลงสินแรในประเทศไทย แหลงแรเหล็กที่พบในประเทศไทย ตามรายงานของกรมทรัพยากรธรณี มีแหลงที่นาสนใจ ที่อาจเปนแหลงมีคาในอนาคตหลายแหง แหลงแรเหล็กที่มีการผลิต ไดแก ที่หัวหวาย อ.ตาคลี จ.นครสวรรค ที่เขาทับควาย จ.ลพบุรี และที่ จ.นครศรีธรรมราช สินแรเหล็กที่พบสวนใหญเปน สินแรแมกนีไตต, เฮมาไตต และลิโมไนท สินแรที่ผลิตไดชนิดที่มีเปอรเซนตต่ํา จะนําไปใชในการผลิตซีเมนตภายในประเทศแทบ ทั้งสิ้น สวนแรที่มีเปอรเซนตเหล็กสูงก็ไดนําไปถลุง ณ โรงงานของบริษัท นวโลหะไทย จํากัด จ.สระบุรี บางสวนก็ไดมีการสงออกไปจําหนายยังตางประเทศ 9.1.3 การผลิตเหล็กดิบ วัตถุดิบที่สําคัญสําหรับการผลิตผลิตภัณฑเหล็กทั้งหลายก็คือเหล็กดิบ (Pig Iron) เหล็กดิบ ผลิตขึ้นจากเตาสูง (Blast Purnace) โดยการหลอหลอมสินแรเหล็ก กับถานหินและหินปูน คุณภาพ ของเหล็กดิบที่ไดในเบื้องตนขึ้นอยูกับชนิดของสินแรที่นํามาใชหลอหลอม


227

โดยปกติเหล็กดิบที่ผลิตไดจะมีธาตุอื่น ๆ ปนอยูโดยประมาณ ดังนี้ คารบอน 3-4% ซิลิกอน 1-3% กํามะถัน 0.05 - 0.1 % ฟอสฟอรัส 0.1 - 1 % แมงกานิส 1%

รูป 9.1 เตาสูงผลิตเหล็กดิบ 9.1.4 เตาสูง (Blast Furnace) ตามรูป 9.1 เปนเตาที่ใชผลิตเหล็กดิบ มีรูปรางสูง ผนังเตาทําดวย อิฐทนไฟ ขนาดเสนผาศูนยกลางโต 25 ฟุต หรือมากกวา มีความสูงมากกวา 200 ฟุตขึ้นไป สามารถ ผลิตเหล็กดิบไดวันละ 800 – 1,700 ตัน ตามรูป แสดงใหเห็นรถลากวัตถุดิบ (Skip Car) วิ่งขึ้นลงตามราง เพื่อบรรทุกสินแรเหล็ก ถานหินและหินปูน จากโรงเก็บวัตถุดิบไปเทที่ดานบนของปากเตา ในการผลิตเหล็กดิบ 1,000 ตัน จะตองใชสินแรประมาณ 2,000 ตัน ถานหินชนิดบิทูมินัส (Bituminous) 800 ตัน หินปูน 500 ตัน และ ลมรอน 4,000 ตัน


228

รอบ ๆ ขางเตาจะมีทอลมตอเขาไปภายในเตาเพื่อสงอากาศรอนจากเตาลมรอนเขาไปสู ภายในเตา อากาศที่ผานเขารูลมรอนนี้ มีขนาดกําลังดันประมาณ 15 ปอนด/ตารางนิ้ว อุณหภูมิ 1,000° ถึง 1,800 ° ฟาเรนไฮน ลมรอนที่สงเขาไปภายในเตา จะชวยใหอุณหภูมิภายในเตาสูงขึ้นถึง 3,000 ° ฟาเรนไฮน ซึ่งรอนเพียงพอที่จะทําใหสินแรหลอมละลายได 9.1.5 วิธีการถลุง นําเอาสินแรเหล็ก ถานโคก และหินปูน บรรจุเขาที่ปากเตาดานบน ดวยรถลากวัตถุดิบ ในการบรรจุแตละครั้งมีสัดสวนดังนี้ สินแร 2/3 ถานโคก ¼ หินปูน 1/12 เมื่อเกิดการเผาไหมขึ้นระหวางถานหินกับลมรอน ก็จะเกิดกาซ คารบอนมอนออกไซด (CO) ขึ้น อุณหภูมิภายในเตาก็จะเพิ่มสูงขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงประมาณ 3,000 ฟาเรนไฮน ซึ่งรอน เพียงพอจะทําใหสินแรเหล็กหลอมละลายได ทุก ๆ 5 นาที หรือ 6 ชั่วโมง จะแทงรูเทน้ําโลหะ ซึ่งอยูที่ขางเตาดานลาง ใหน้ําเหล็ก ประมาณ 150 - 300 ตัน และจะไดสแลก (Slag – สิ่งสกปรกที่ รวมตัวกับหินปูนลอยอยูดานบนของน้ําเหล็ก) ไหลออกที่รู เหนือรูเททางดานขวามือ ในการผลิตเหล็กดิบทุก ๆ 1 ตัน จะไดแกสจากเตาสูงประมาณ 6 ตัน และสแลก ประมาณ ½ ตัน เตาสูง สามารถทํางานไดอยางตอเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง ทั้งนี้ก็ขึ้นอยูกับขนาดของเตาที่ ใชผลิตดวย และการผลิตนี้อาจจะทําการผลิตตอเนื่องกัน 5 ถึง 6 ป แลวหยุดซอมเตาครั้งหนึ่ง เหล็กดิบ จะมีความแข็งและเปราะ ดังนั้นมันจึงมีความแข็งแรง ความเหนียวไมมากนัก และทนตอแรงกระแทกไดนอย สวนใหญเหล็กดิบจะถูกขายใหกับโรงหลอ เพื่อนําไปหลอเปนเหล็ก ชนิดตาง ๆ ตอไป 9.1.6 ชนิดของเหล็กดิบ เหล็กดิบที่ผลิตไดจากเตาสูง มีอยูดวยกันหลายชนิดและนํามาใชประโยชนตางกัน 1. เหล็กดิบเบสิค (Basic Pig) นําไปใชหลอเหล็กกลา และรีด ขึ้นรูป 2. เหล็กดิบเอซิค (Acid Pig) นําไปหลอเหล็กกลา รีดขึ้นรูป และผลิตเหล็กออน 3. เหล็กดิบพอจจิ้ง (Porging Pig) เปนเหล็กดิบสําหรับงานตีขึ้นรูป ใชผลิตเหล็ก ออน และเหล็กผสม 4. เหล็กดิบโรงหลอ (Foundry Pig)ใชในงานหลอเหล็กหลอสีเทาและเหล็กหลอผสม 5. เหล็กดิบมัลลิเอเบิ้ล (Malleable Pig) ใชในงานหลอเหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล เหล็ก หลอสีขาว และเหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ลผสม


229

จะเห็นไดวา เหล็กดิบแตละชนิดใหประโยชนในการนํามาผลิต แตกตางกันออกไปแต สวนมากก็จะเปนวัตถุดิบในการผลิตเหล็กหลอ เหล็กกลาและเหล็กออน ในการนําเหล็กดิบไปหลอ หลอมตามกรรมวิธีตาง ๆ ใหเปนเหล็กกลา เหล็กหลอนั้นไมจําเปนเสมอไปวาเหล็กดิบจะตองอยูใน สภาพแข็ง ในกรรมวิธีบางชนิดอาจนําเหล็กดิบในสภาพหลอมละลายไปเขาวิธีผลิตเปนเหล็กกลา หรือ เหล็กหลอไดเลย ซึ่งจะไดกลาวในบทตอไป 9.1.7 บทบาทสําคัญของธาตุที่ผสมอยูในเหล็กดิบ 1. คารบอน (Carbon, C) คารบอนเปนธาตุที่ไดจากถานหิน ถานโคก คารบอน ผสมอยูในเนื้อเหล็ก ได 2 ลักษณะ คือ ผสมเปนสารประกอบกับเหล็กโดยตรง กับผสมคลุกคละอยูในเนื้อเหล็กใน รูปของกราไฟต คารบอนมีอิทธิพลตอจุดหลอมละลายของเหล็ก กลาวคือทําใหจุดหลอมละลายต่ําลง จึงทําใหเหล็กหลอมไดงายขึ้น 2. ซิลิกอน (Silicon, Si) ซิลิกอนเปนธาตุที่พบในธรรมชาติ เชน หินควอตซและทราย ซิลิกอนในเนื้อเหล็กจะ รวมตัวกับคารบอน เกิดเปนซิลิกอนคารไบต (Sic) ซึ่งมีความแข็งมาก เหล็กที่มีซิลิกอนผสมมาก เกินไปจะเปราะ แตก หักไดงาย 3. ฟอสฟอรัส (Phosphorus, P) ฟอสฟอรัสในธรรมชาติ เกิดอยูในรูปของแรหินฟอสฟอรัส ถาในสินแรมีฟอสฟอรัส อยูมาก จะทําใหการถลุงทําไดยากขึ้น ถามีจํานวนนอยจะชวยใหสามารถหลอเหล็กบาง ๆ ไดดี เหล็กที่ มีฟอสฟอรัสเกินพิกัด จะทําใหหักเปราะไดงาย 4. แมงกานิส (Manganese se, Mn) แมงกานิสที่ผสมอยูในสินแรเหล็ก จะทําใหเหล็กแข็ง เหล็กกลาที่ผสมธาตุนี้จะมีความ แข็งและทนทอการสึกหรอไดดีมาก 5. กํามะถัน (Sulfur, S) กํามะถันมีลักษณะเปนกอนสีเหลือง มีเกิดในธรรมชาติ และเปนสารประกอบกับโลหะ อื่น ๆ อีกมาก ในเนื้อเหล็กหากมีกํามะถันมากเกินไปจะทําใหเหล็กนั้นหักเปราะไดงาย และนําไปใช งานที่อุณหภูมิสูง ๆ ไมไดดี 9.2 เหล็กหลอและการผลิตเหล็กหลอ เหล็กหลอ (Cast Iron) เกิดจากการนําเอาเหล็กดิบ (Pig Iron) หรือเหล็กดิบผสมกับเศษ เหล็กหลอหรือเศษเหล็กกลา ไปเผารวมกับถานโคก และหินปูนในเตาคิวโปลา (Cu pora) ที่อุณหภูมิ 1,150 ° - 1,250 ° ซ. ที่จุดนี้ เหล็กดิบจะเกิดการหลอมละลาย น้ําเหล็กหลอมีความเหลวมาก ดังนั้นจึงสามารถผลิตชิ้นงานเหล็กหลอใหมีรูปรางตามที่ตองการได โดยนําไปเทลงในแบบทรายหรือ แบบโลหะ


230

เหล็กหลอจะมีธาตุที่เปนองคประกอบหลักอยู 5 ชนิด นอกจากเหล็กแลวยังมี คารบอน 2.5 – 4.0 % ซิลิกอน 1.0 – 3.0 % แมงกานิส 0.4 – 1.0 % กํามะถัน 0.1 – 0.35 % ฟอสฟอรัส 0.05 – 1.0 % จะเห็นไดวาเหล็กหลอมีปริมาณคารบอนสูงมาก ดังนั้นเหล็กหลอจึงเปนวัสดุที่แข็งและ เปราะ สามารถรับแรงดึงไดต่ํา แตกหักงายเมื่อรับแรงอัดกระแทก คารบอนที่ผสมอยูในเหล็กหลอจะมี อยู 2 ลักษณะ คือ 1. อยูในรูปของสารประกอบคารบอน 2. อยูในรูปของคารบอนอิสระ หรือเรียกวา กราไฟต 9.2.1 เตาคิวโปลา

รูป 9.2 ภาพหนาตัดแสดงสวนตาง ๆ ของเตาคิวโปลา


231

เตาคิวโปลาเปนเตาที่ใชหลอมละลายเหล็กดิบและเศษโลหะ เพื่อทําเปนเหล็กหลอชนิด ตาง ๆ เชน เหล็กหลอสีเทา เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล เตาชนิดนี้มีรูปราง และลักษณะการทํางาน คลายกับเตาสูง (Blast Furnace) แตมีขนาดเล็กกวา ขนาดโดยทั่ว ๆ ไป จะมีขนาดเสนผาศูนยกลาง ดานนอกประมาณ 4 ฟุต ถึง 7 ฟุต และสูง 30 ฟุต ถึง 40 ฟุต 9.2.2 วิธีการหลอหลอมเหล็กหลอ นําเหล็กดิบ เศษเหล็กเหนียว ถานโคกและฟลักซ (โดยทั่วไปใชหินปูน) ใสลงไปภายใน เตาสลับกันเปนชั้น ๆ ดังรูป 9.2 โดยที่สวนลางสุดจะตองรองกนเตาดวยถานโคกเสียกอน ถานโคก ที่รองกนเตาเรียกวา Bed Coke โดยทั่ว ๆ ไป ถานโคกรองกนเตาจะมีความสูงประมาณ 36 – 54 นิ้ว ทั้งนี้ก็ขึ้นอยูกับเสนผาศูนยกลางภายในของเตา ถานโคงรองกนเตานี้ ถามีระดับสูงหรือต่ําเกินไป จะมีผล ดังนี้ 1. ถา Bed Coke มีระดับต่ําเกินไปจะมีผลใหเหล็กหลอมละลายเร็วกวาชวงเวลาที่ กําหนดและมีอุณหภูมิต่ํา 2. ถา Bed Coke สูงเกินไป ระยะการหลอมละลายจะยืดออกไป ชั้นหรือระดับของถานโคก ซึ่งชั้นอยูแตละชั้นของเหล็ก เพื่อชวยในการหลอมละลาย เรียกวา ชารจโคก (Charge Coke) ชารจโคก มีความสูงอยูระหวาง 6 – 9 นิ้ว เหล็กดิบ เศษเหล็กหลอและเศษเล็กเหนียวที่ใสลงในเตาแตละชิ้นจะเปนสัดสวนกับถาน โคกที่ใสลงไปแตละชนิดดวย โดยทั่ว ๆ ไป จะใชอัตราสวน 5 : 1 ถึง 8 : 1 โดยน้ําหนัก เชน ถาใส เหล็กดิบ 5 กก. จะตองใสถานโคก 1 กก. ฟลักซ ฟลักซ เปนวัสดุที่มีจุดหลอมละลายต่ํา ใชทําความสะอาดน้ําเหล็ก ทําหนาที่ผสมกับถาน โคกและออกไซดของเหล็ก ออกมาในรูปของสแลก (Slag – สิ่งสกปรกที่ลอยอยูเหนือน้ําเหล็ก) ฟลักซ ที่ใชไดแก หินปูน โซดาไฟ ฟลูออไรท โดยปกติสแลกที่เกิดชึ้นจะมีสีเขียวดํา เมื่อบรรจุวัตถุดิบจนเต็มเตาแลว จึบใหความรอน ถานโคกสวนลางสุด จะเกิดการเผาไหม ในขณะเผาไหมก็จะผานลมรอนเขาไปภายในเตา เพื่อชวยใหอุณหภูมิภายในเตาสูงขึ้นอยางรวดเร็ว อุณหภูมิชวงนี้จะอยูระหวาง 1,000 ° – 1,300 ° ซ. ซึ่งรอนเพียงพอที่จะหลอมละลายเหล็กดิบและเศษ เหล็กได


232

รูป 9.3 แสดงการเทน้ําเหล็กลงในแบบทราย หลังจากเหล็กดิบในชั้นแรกหลอมละลายจนหมด ก็จะแทงรูเทใหน้ําเหล็กไหลออกเพื่อ นําไปเทลงในแบบ ใหมีรูปรางตาง ๆ ที่ตองการตอไป 9.2.3 ชนิดของเหล็กหลอ 9.2.3.1 เหล็กหลอสีเทา (Gray Cast Iron) เปนเหล็กหลอทั่ว ๆ ไป ซึ่งเกิดจากการหลอม เหล็กดิบ เศษเหล็กเหนียว ถานและหินปูน ปริมาณธาตุตาง ๆ ที่ผสมอยูในเหล็กหลอชนิดนี้ มีดังนี้ คารบอน 2.5 – 4 % ซิลิกอน 1.8 – 2.5 % แมงกานิส 0.5 – 0.8 % กํามะถัน 0.3 % คารบอนที่ผสมอยูในเหล็กหลอชนิดนี้ จะอยูในรูปของแกรไฟต ดังนั้นจึงทําให ออนและสามารถนําไปแปรรูปบนเครื่องจักรได ขอดีของเหล็กหลอสีเทา ก็คือ มีราคาถูก แปรรูปงาย รับแรงสะเทือนและแรงอัดไดดี แตก็มีขอเสียในดานเปราะและแตกหักงาย และรับแรงดึงไดต่ํา ตั ว อย า งการใช ง านของเหล็ ก หล อ สี เ ทาได แ ก แท น เครื่ อ งกลึ ง แท น เครื่ อ ง เจียระไน ปากกาจับงานตะไบ ลูกสูบ เสื้อสูบรถยนต เฟอง มูเลย (Pulley) ฯลฯ 9.2.3.2 เหล็กหลอสีขาว (White Cast Iron) เปนเหล็กหลอที่มีปริมาณคารบอนผสมอยู มากในรูปของสารประกอบที่เรียกวา ซีเมนไตต (Cementite) ซึ่งเปนผลใหเหล็กหลอชนิดนี้มีความ แข็งและเปราะยากตอการแปรรูป ที่เราเรียกเหล็กหลอชนิดนี้วาเหล็กหลอสีขาว เนื่องจากเมื่อหัก เหล็กหลอชนิดนี้ดูจะเห็นเปนสีขาวนั่นเอง เหล็กหลอชนิดนี้เกิดจากการเทน้ําเหล็กลงในแบบหลอ แลวควบคุมใหน้ําเหล็ก เย็นตัวอยางรวดเร็ว นอกจากนี้ยังเติมธาตุ เชน นิคเกิล โครเมี่ยม และโมลิบดินั่ม เพื่อทําใหมีความ แข็งมากขึ้น


233

เหล็กหลอสีขาว ใชทําชิ้นสวนของเครื่องจักรกลการเกษตร และอุปกรณใน งานอุตสาหกรรม ที่ตองการคุณสมบัติในดานทนตอความสึกหรอ ความแข็งแรงและความแข็ง 9.2.3.3 เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล (Malleable Cast Iron) เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล ผลิตขึ้นโดย การนําเหล็กหลอสีขาวมาทํากรรมวิธีอบออน (Annealing) เพื่อเปลี่ยนคารบอนในรูปสารประกอบ หรือซีเมนไตต ในเหล็กหลอสีขาวใหอยูในรูปของแกรไฟต ในกระบวนการอบออนดวยความรอนนี้ จะใชเวลาประมาณ 40 ถึง 100 ชั่วโมง ทั้งนี้ขึ้นอยูกับสวนผสมของเหล็กและความหนาของชิ้นงาน นั้น ๆ โดยปกติเหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ลจะมีธาตุตาง ๆ ผสมดังนี้ คารบอน 1.00 – 2.00 % ซิลิกอน 0.60 – 1.10 % แมงกานิส ต่ํากวา 0.30 % กํามะถัน 0.60 ถึง 0.15 % กระบวนการผลิตเหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล แบงออกเปน 2 กระบวนการใหญ ๆ คือ ก. เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล แบลคฮารท (Blackheart) ข. เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล ไวทฮารท (Whiteheart) ก. เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล แบลคฮารท เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ลชนิดนี้มีความสามารถในการยืดตัวโดยธรรมชาติ ทั้งนี้เพราะคารบอนที่ ผสมอยูในเนื้อเหล็กถูกทําใหเปลี่ยนมาอยูในรูปของแกรไฟตนั่นเอง เหล็กหลอชนิดนี้เมื่อหักดูจะมีสี ดํา อุณหภูมิที่ใชในการอบออนประมาณ 950 ° ซ. เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล แบลคฮารท สามารถนําไปทําการอบชุบดวยความรอน (Beat Treatment) เพื่อใหเกิดคุณสมบัติทางกลที่ตองการได และสามารถนําไปทําใหผิวแข็งไดถึง 540 ° HV* ข. เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล ไวทฮารท เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ลชนิดนี้เมื่อหักดูจะมีสีขาว อุณหภูมิที่ใชในการอบออน จะสูงกวาแบบแบลค ฮารท คือประมาณ 1,050 ° ซ. คุณสมบัติในการใชงานนี้คลายคลึงกัน แบบแบลคฮารทเพียงแตวามี เปอรเซนตของการยืดตัวนอยกวา ประโยชนและการใชงานเหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล เหล็กหลอมัลลิเอเบิ้ล ใชทําชิ้นสวนตาง ๆ ของรถยนต ชิ้นสวนของเครื่องจักร ที่ใชในการเกษตร และการทอผา หัวเผาแกส (Gas Burner) หัวเผาน้ํามัน และอุปกรณงานประปาตาง ๆ ขอเสียของเหล็กชนิดนี้ ก็คือ เสียเวลาในการผลิตมากและกระบวนการที่ใชผลิตเหล็กหลอชนิดนี้ จํากัดเฉพาะ ชิ้นงานขนาดเล็ก มีความหนาไมมาก (โดยปกติหนาไมเกิน 2 นิ้ว) * มาตราวัดความแข็งวิคเกอร


234

9.2.3.4 เหล็กหลอโนดูลา (Nodular Cast Iron) เหล็กหลอโนดูลา มีชื่อเรียกอีกอยางหนึ่ง วา เหล็กหลอกราไฟตกอนกลม (Spheroidal Graphite Cast Iron) คารบอน ในรูปของกราไฟตใน เหล็กหลอชนิดนี้จะถูกทําใหมีรูปรางกลมโดยการเติมแมกนีเซียมลงไปในเหล็กหลอสีเทาจํานวน เล็กนอย ปริมาณของแมกนีเซียมนี้ขึ้นอยูกับกํามะถันที่มีอยูในเนื้อเหล็กดวย การเติมแมกนีเซียมจะเติม ลงในเบาเทน้ําโลหะ กอนที่จะนําน้ําโลหะไปเทลงในแบบหลอ ประโยชนในการใชงาน เหล็กหลอชนิดนี้มีความเหนียว (Toughness) และความสามารถในการยืดตัวดี ใชผลิตชิ้นงานได หนากวา เหล็ ก หล อมั ลลิ เ บเบิ้ ล นอกจากนี้ ยัง ใช แ ทนเหล็ก เหนีย วหลอไดตัว อย างการใช ง านของ เหล็กหลอโนดู ลา คือ เพลาขอเหวี่ยง ชิ้น สวนเครื่องจักรกลการเกษตร ชิ้นสวนของเรือเดิ นทะเล เครื่องมือทอน้ําประปา โครงเครื่องจักรขนาดหนัก ฯลฯ 9.2.3.5 เหล็กเหนียวหลอ (Cast Steel) เหล็กเหนียวหลอเกิดจากการนําเหล็กเหนียวมา หลอมละลายดวยความรอนสูง ดังนั้นเหล็กเหนียวหลอจึงมีความเคนแรงดึงและความแข็งแรงมากกวา เหล็กหลอธรรดา เหล็กดิบที่ใชในการผลิตเหล็กเหนียวหลอ จะตองเปนเหล็กดิบที่มีปริมาณของ ฟอสฟอรัสมากกวาปกติ ทั้งนี้เพื่อชวยใหสะดวกตอการเทน้ําเหล็กลงในแบบไดงาย ในการผลิตแตละ ครั้งจะตองเติมเศษเหล็กเหนียวผสมประมาณ 1 ใน 3 ของเหล็กดิบ เหล็กเหนียวหลอมีคุณสมบัติในดานทนตอการสึกหรอ มีผิวแข็ง ถามีปริมาณ คารบอน 0.25 – 6 % สามารถนําไปชุบแข็งไดทั้งแทง ตัวอยางผลิตภัณฑของเหล็กหลอชนิดนี้ ไดแก ผานของรถไถนา (แผนเหล็กขุดดิน) เปนตน 9.3 เหล็กกลาและการผลิตเหล็กกลา 9.3.1 เหล็กออน เหล็กออนเปนเหล็กที่มีความบริสุทธิ์สูง ไดจากการผลิตในเตาพุดเดิ้ล (Puddle Furnace) กรรมวิธีนี้เปนกรรมวิธีผลิตเหล็กที่เกาแกมาก เหล็กออนที่ผลิตไดจะมีเนื้อเหล็กประมาณ 99 % เมื่อ นํามาเผาใหรอนจะออนตัวไมหลอมละลาย ทําใหตีขึ้นรูปไดงาย และยังสามารถนําชิ้นเหล็กออนมาตี ใหประสานติดกันไดอีกดวย

รูป 9.4 ภาพหนาตัด เตาพุดเดิ้ล


235

กรรมวิธีผลิตเหล็กออน ตามรูป 9.4 เหล็กดิบจะถูกนํามาวางลงในอางรูปกะทะ โดยผสมกับเหล็กออกไซด จํานวนหนึง่ ที่ ขางเตาดานซายมือจะมีกองไฟใหความรอน และความรอนนี้จะถูกแพรออกไปในรูปของลมรอน ผาน ไปออกทางปลองดานขวามือ ลมรอนนี้จะมีความรอนเพียงพอทําใหเหล็กดิบในอางกระทะหลอม ละลายในขณะที่หลอมละลายจะตองเติมเหล็กออกไซดลงไปดวย ทั้งนี้เพื่อใหคารบอนและสารมลทิน อื่น ๆ ในน้ําเหล็กทําปฏิกริยากับเหล็กออกไซดเกิดเปนผุดแกสคารบอนมอนออกไซดลอยออกมาและ ไหมที่บริเวณผิวของน้ําเหล็ก เมื่อคารบอนหมดไปจากน้ําเหล็ก ผุดแกสที่เกิดขึ้นก็จะคอย ๆ หมดไป จึงนําน้ําเหล็กออกจากเตา เหล็กหลอจะมีคารบอนผสมอยูไมเกิน 0.1 เปอรเซ็นต และมีสแลกปนอยูในเนื้อเหล็กประมาณ 3 % ถาเราสองกลองดูโครงสรางภายในของเหล็กออนจะมีลักษณะดังรูป 9.5 สแลกในเนื้อเหล็กจะมี ลักษณะเปนจุด เปนเสนยาว ๆ

รูป 9.5 โครงสรางเหล็กออน เนื้อสแลกจะออนกวาเนื้อของเหล็ก ลักษณะเสนยาว ๆ ของสแลกในเนื้อเหล็กนี้ หากปรากฏขึ้น ชัดเมื่อใดในขณะนําไปใชงานจะทําใหทราบไดทันทีวาชิ้นสวนนั้นกําลังจะเกิดการชํารุด แตกหัก นับวาเปนเครื่องเตือนที่ดี เหล็กออนนี้นอกจากจะผลิตจากเตาพุดเดิ้ลแลว ในปจจุบันยังสามารถผลิต ไดดวยกรรมวิธีแอสตัน (Aston Process) ไดอีกดวย 9.3.2 เหล็กกลาคารบอน เหล็กกลาทุกชนิดจะตองมีคารบอนผสมอยู ปริมาณคารบอนจะตองไมเกิน 2 ตางกับ เหล็กหลอตรงที่ปริมาณคารบอนในเหล็กหลอจะมีมากกวา เหล็กกลาคารบอน (Carbon Steel) เปนชื่อที่ใชสําหรับเรียกเหล็กกลาที่ไมมีสวนผสม ของธาตุอื่นปนอยู เชน ทังสเตน นิคเกิล หรือโครเมี่ยม การเติมคารบอนหรือธาตุอื่น ๆ ลงไปในเนื้อ เหล็ก จะทําใหสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของเหล็กกลาได อยางไรก็ตามเหล็กคารบอนจะมีธาตุ เหลานี้ผสมอยูบาง แตมีจํานวนนอยมาก คือ ซิลิกอน กํามะถัน แมงกานิสและฟอสฟอรัส ในรูปของ สารมลทิน (Impurities)


236

ปริมาณคารบอนที่ผสมอยูในเหล็กกลา จะแปรคาอยูระหวาง 0.05 % ถึง 1.7 % แตโดยปกติจะไมเกิน 1.5 % องคประกอบที่สําคัญที่มีผลตอคุณสมบัติของเหล็กกลาก็คือ คารบอนที่ผสมอยูในเนื้อเหล็ก ซึ่งมี อิทธิพลดังตอไปนี้ 1. ความเคนแรงดึงเพิ่มมากขึ้น ตาราง 9-1 ธาตุที่ผสมอยูในเหล็กกลา 2. มีความแข็งมากขึ้น คารบอน 0.05 – 1.5 % 3. ความเหนียวลดลง แมงกานิส 0.025 – 1.65 % 4. ความสามารถในการเชื่อมนอยลง ฟอสฟอรัส 0.040 % (สูงสุด) กํามะถัน เหล็ก

0.050 % (สูงสุด) 97 %

เหล็กกลาคารบอนแบงออกเปน 3 ชั้น ดวยกัน คือ ก. เหล็กกลาคารบอนต่ํา (Low Carbon Steel) ข. เหล็กกลาคารบอนปานกลาง (Medium Carbon Steel) ค. เหล็กกลาคารบอนสูง (High Carbon Steel) ก. เหล็กกลาคารบอนต่ํา โดยทั่ว ๆ ไป เรารูจักเหล็กกลาชนิดนี้วา Mild Steel เปนเหล็กที่เหมาะกับการใชงานที่ ตองการความเหนียวและความออนเปนสําคัญและเปนงานที่ไมตองการความเคนแรงดึงสูงมากนัก เหล็กกลาชนิดนี้จะมีคารบอนผสมอยูไมเกิน 0.25 % เหล็กกลาคารบอนต่ํามักจะใชกับงานย้ําหมุด และ ใชผลิตสกรู นัต โบลท ชิ้นสวนเครื่องจักรกล ตัวถังรถยนต ถังน้ํามัน กระปองนม สังกะสีมุง หลังคา เหล็กเสนและวัสดุโรงงานทั่ว ๆ ไป ข. เหล็กกลาคารบอนปานกลาง เหล็กกลาชนิดนี้จะมีคารบอนผสมอยูระหวาง 0.30 % ถึง 0.60 % มีความเหนียวนอยลง แตจะมี ความแข็งและความเคนแรงดึงมากกวา เหล็กกลาคารบอนต่ํา อีกทั้งยังใหคุณภาพในการแปรรูปที่ ดีกวา และยังสามารถนํามาชุบผิวแข็งได ตัวอยางของผลิตภัณฑที่ทําจากเหล็กชนิดนี้ ไดแก เพลา ตาง ๆ เฟอง ชิ้นสวนเครื่องจักรกล ที่ตองการความเคนแรงดึงปานกลาง และตองการการปองกัน การสึกหรอที่ผิวหนา คอน กานสูบ ฯลฯ ค. เหล็กกลาคารบอนสูง เหล็กชนิดนี้จะมีคารบอนผสมอยูระหวาง 0.60 % ถึง 1.70 % แตเหล็กกลาคารบอนสูงสวนใหญ จะมีคารบอนผสมอยูไมเกิน 1.30 % เหล็กชนิดนี้มีความเคนแรงดึงสูง มีความแข็งมากกวาและยัง สามารถชุบแข็งไดดี เหล็กกลาคารบอนสูงใชทําเครื่องมือตัด ใบมีด สปริงแหนบ เหล็กกัด ดอกสวาน ตะไบ แผนเกจ ใบมีดโกน ฯลฯ


237

วิธีการชุบแข็งเหล็กชนิดนี้ ทําไดโดยวิธีเผาใหรอน จนถึงชวงอุณหภูมิหนึ่งแลวนําชิ้นเหล็ก ไปจุมลงในน้ําหรือน้ํามัน เพื่อใหเย็นตัวลงอยางรวดเร็ว วิธีชุบแข็งนี้มีรายละเอียดมากมาย ในที่นี้จะไม ขอกลาวถึง แตนักเรียนจะไดศึกษาตอไป ในวิชากรรมวิธีอบชุบ ดวยความรอน (Heat Treatment) 9.3.3 เหล็กกลาผสม หมายถึงเหล็กที่ประสมธาตุอื่น ๆ เขาไป 1 ธาตุหรือมากกวา นอกเหนือจากคารบอนและ ธาตุที่มีผสมอยูในเนื้อเหล็กตามปกติ ทั้งนี้เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางเชิงกลใหเหมาะสมกับการนําไปใช งาน ธาตุที่ผสมอยูจะตองอยูในพิกัดที่กําหนด เชน อลูมิเนียม โบรอน นิคเกิล โคบอล โครเมี่ยม โมลิบตินั่ม วานาเดี่ยม เซอโคเมี่ยม เปนตน เหล็กกลาประสมแบงได 2 ชนิดคือ 1. เหล็กกลาประสมต่ํา (Low Alloy Steel) 2. เหล็กกลาประสมสูง (High Alloy Steel) ก. เหล็กกลาประสมต่ํา เปนเหล็กที่มีธาตุอื่น ๆ ผสมอยูรวมแลวไมเกิน 10 % มีโครงสรางคลายคลึงกับเหล็กคารบอน ธรรมดา (Plain Carbon Steel) ข. เหล็กกลาประสมสูง เปนเหล็กที่มีธาตุอื่น ๆ ผสมอยูรวมแลวมากกวา 10 % ขึ้นไป เหล็กในกลุมนี้รวมถึงเหล็ก เครื่องมือประสม (Alloy Tool Steel) ดวย ซึ่งเหล็กกลาประสมสูงนี้จะมีคุณสมบัติในดานทนตอ การกัดกรอน ทนตอการสึกหรอได ตัวอยางของเหล็กประสม ไดแก เหล็กกลา – แมงกานีส, เหล็กกลา – นิคเกิล, เหล็กกลา – โมลิบตินั่ม, เหล็กกลา – โครเมี่ยม เปนตน เปอรเซนตของธาตุที่นํามาผสมเหลานี้ นักเรียนจะไดศึกษาตอไปในเรื่องของมาตรฐานเหล็กกลาบทที่ 6 9.3.4 ธาตุผสมและอิทธิพลที่มีตอเหล็ก เหตุผลในการนําธาตุอื่น ๆ มาผสมในเนื้อเหล็ก มีดังตอไปนี้ 1. เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางเชิงกล ตลอดจนการควบคุมองคประกอบ ซึ่งมีผลกระทบ กระเทือนตอความสามารถในการชุบแข็ง และเพิ่มความเหนียว 2. เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางเชิงกลในการใชงานที่อุณหภูมิต่ําหรืออุณหภูมสูง 3. เพื่อเพิ่มความตานทานตอการเปลี่ยนแปลงทางเคมี 4. เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความสามารถในการรับแรงชอค (Shock Load) 5. เพื่อเพิ่มความตานทานตออุณหภูมิสูง ๆ 6. เพื่อรักษาความแข็งของผิวใหทนตอการสึกหรอหรือการตัด 7. เพื่อใหสามารถทนตอแรงกระแทกไดสูง 8. เพื่อรักษาความสามารถในการแปรรูปแบบเครื่องจักรไดดี


238

ธาตุที่สําคัญและนํามาผสมกับเหล็ก มีดังตอไปนี้ ก. คารบอน (Carbon, C) คารบอนเปนองคประกอบที่ทําใหเหล็กมีความแข็งเพิ่มขึ้นและทนตอ การสึกหรอไดดีกวา อัตราผสมของคารบอนต่ําจะพบในเหล็กชนิดเหล็กกลาคารบอนธรรมดา ซึ่งจะมี คารบอนผสมอยูประมาณ 0.50 % ถึง 0.60 % ถาคารบอนมากขึ้น (ถึง 0.8 %) ความเคนแรงดึงและ ความสามารถในการชุบแข็งจะเพิ่มมากขึ้น ข. แมงกานิส (Manganese, Mn) แมงกานิสเปนธาตุที่สําคัญในการผลิตเหล็กกลา ไมเฉพาะใน กรรมวิธีหลอมละลายเทานั้น แตยังมีความสําคัญในดานการรีด และกรรมวิธีอื่น ๆ อีกดวย เหล็กกลาแมงกานิสจะทนตอแรงกระแทก และมีความเคนที่จุดคราก (Yield Strength) มากกวาเหล็กกลาคารบอนธรรมดา เหล็ก กลาแมงกานิสที่ ใชผลิตชิ้ นสวนโครงสร างตาง ๆ จะมี แมงกานิสผสมอยูประมาณ 0.90 % ถึง 1.50 % เหล็กกลาแมงกานิส มีแนวโนมที่ทําใหจุดหลอมละลายต่ําลง เพิ่มความเหนียวและทนตอ การสึกหรอไดดี ค. ซิลิกอน (Silicon, Si) ซิลิกอน มีความสําคัญมากในการใชเปนตัวลดออกไซดในน้ําเหล็ก นอกจากนั้นยังเปนตัวเพิ่มความแข็ง และความแข็งแรงใหกับเหล็กกลาประสมต่ํา (Low Alloy Steel) นอกจากนี้ยังเพิ่มความตานทานตอการเกิดสะเก็ดสนิมที่อุณหภูมิสูง ๆ ง. นิคเกิล (Nickel, Ni) นิคเกิลมีผลตอความแข็งของเหล็กนอยมาก แตจะเพิ่มความสามารถใน การรับแรงชอคและทนตอการสึกหรอเมื่อใชเปนธาตุประสมรวมกับธาตุอื่น ๆ เชน โครเมี่ยม นิคเกิล ที่ผสมอยูในเหล็กจะมีประมาณ 3 % ถึง 3.70 % เหล็กกลานิคเกิล (Nickel Steel) ใชสรางชิ้นสวนเครื่องจักรกลที่รับแรงชอคและเกิดความเคน บอย ๆ อีกทั้งยังงายตอการอบชุบดวยความรอน ทั้งนี้เพราะนิคเกิลชวยทําใหอัตราการเย็นตัวของชวง อุณหภูมิวิกฤติ (Critical) ต่ําลงในการผลิตชิ้นงานที่ตองการชุบแข็ง จ. โครเมี่ยม (Chromium, Cr) โครเมี่ยม เปนธาตุที่มีความสําคัญตอความแข็งของเหล็ก เชนเดียวกับแมงกานิส เหล็กที่มีโครเมี่ยมผสมอยูจะมีความแข็งของผิวสึกกวาและบอยครั้ง จะใช โครเมี่ยมควบคูกับนิคเกิลเพื่อเพิ่มคุณสมบัติความเหนียวใหกับเหล็ก เหล็กกลาที่มีโครเมี่ยมผสมอยู จะทนตอการสึกหรอ โดยปกติโครเมี่ยมจะผสมอยูในโครงสรางเหล็กประมาณ 0.30 % ถึง 1.60 % ซึ่งในปริมาณนี้ เหล็กจะมีคารบอนผสมอยูระหวาง 0.20 % ถึง 1.30 % เหล็ ก กล า โครเมี่ ย มต่ํ า และปานกลางจะไม ส ามารถรั ก ษาความเที่ ย งตรงทางขนาดได เหมือนกับเหล็กกลาแมงกานิส ฉ. โมลิบดินั่ม (Molybdinum, Mo) ธาตุชนิดนี้เมื่อเติมเขาไปในเหล็กกลา จะชวยเพิ่มคุณสมบัติ ในการอบชุบใหสูงขึ้น โมบิลดินั่มมีคุณสมบัติรวมกันระหวาง โครเมี่ยมกับทังสเตน มันจะเปนตัวทํา ใหเหล็กมีความแข็งของผิวเพิ่มมากขึ้น


239

เมื่อเติมโมลิบดินั่มรวมกับซิลิกอน แมงกานิสหรือโครเมี่ยม (ระหวาง 0.525 % และ 1.50 %) ธาตุชนิดนี้จะชวยเพิ่มความแข็งแรงและความสามารถในการรับแรงชอคใหกับเหล็กกลาเครื่องมือ ชิ้นสวนของเครื่องจักร เชน เพลาสงกําลัง โบลท เฟองทด ขดลวดสปริง แหนบ เพลาใบพัด ทํามา จากเหล็กกลาชนิดนี้ ช. ทังสเตน (Tungsten, W) เปนธาตุประสมที่มีความสําคัญอีกชนิดหนึ่งที่มักจะพบในเหล็ก เครื่องมือประสม (Alloy Tool Steel) ถาผสมทังสเตนประมาณ 4 % กับคารบอน 1.30 % จะทําใหเหล็ก ตานทานตอการสึกหรอไดสูง และมีความแข็งมากซึ่งยากตอการที่จะเจียระไนดวยวงลอหินเจียระไน ธรรมดาได ธาตุชนิดนี้จะใชกับเครื่องมือตัดที่เปนซีเมนต - คารไบด (Cemented Carbide) เหล็ก เครื่องมือไฮสปด (High Speed Tool Steel) ที่มีทังสเตนผสมอยู 18 % และโครเมี่ยม 4 % เปนเหล็ก เครื่องมือที่มีความสําคัญตอการใชงานในปจจุบัน ซ. วานาเดี่ยม (Vanadium, V) วานาเดี่ยมเปนธาตุอีกชนิดหนึ่งที่เพิ่มความแข็งของเหล็กใหอยูใ น รูปของคารไบด วานาเดี่ยมมีผลตอคุณสมบัติของเหล็กมากกวาธาตุอื่น ๆ โดยปกติจะเติมธาตุชนิดนี้ลง ในเนื้อเหล็กประมาณเล็กนอย และที่ใหผลดีที่สุดเมื่อเติมธาตุนี้ 0.1 % ถึง 0.2 % จะทําใหความแข็งแรง ของเหล็ก ลดลง เหล็กกลาที่มีวานาเดี่ยมผสมประมาณ 0.2 % ความเคนแรงดึงของเหล็กจะไม เปลี่ยนแปลงแตขอบเขตความยืดหยุนและความสามารถในการยืดตัวจะเพิ่มสูงขึ้น ฌ. โคบอลท (Cobolt, Co) โคบอลทเปนธาตุที่ใชอยางกวางขวางในเหล็กที่ใชเปนวัสดุ เครื่องมือ ตัด ซึ่งรวมถึงเหล็กกลาไฮสปด, เหล็กหลอประสมและซีเมนตคารไบด โคบอลทจะชวยเพิ่มความ แข็ง ความแข็งคมของเหล็กเครื่องมือตัด ตานทานตอการสึกหรอ ในเหล็กกลาไฮสปด (High Speed Steel) จะมีโคบอลทผสมอยู 5 % ถึง 12 % ญ. ธาตุประสมอื่น ๆ เชน อลูมิเนียม, ทองแดง, ติตาเนียม, โคลัมเบี่ยม และเซอรโคเนียม ฯลฯ ลวนเปนธาตุที่นํามาผสมในเหล็กกลาได เพื่อเพิ่มเติมคุณสมบัติในการใชงานตามตองการ ตาราง 9 - 6 ตารางสรุปคุณสมบัติของธาตุผสมตาง ๆ ธาตุประสม คารบอน โครเมี่ยม แมงกานิส ซิลิกอน

คุณสมบัติที่เพิม่ ขึ้น คุณสมบัติที่ลดลง เพิ่มความแข็งและความสามารถในการชุบ ความสามารถในการเชื่อมจุดหลอม ละลาย เพิ่มความแข็ง ตานทานตอการเปนสนิม อัตราการขยายตัว และทนตอการกัดกรอน รับแรงกระแทกไดดี เพิ่มความเหนียวและ ทนตอการแตกหัก ทนตอการสึกหรอ ทนตอการกัดกรอน ความสามารถในการ ความสามารถในการเชื่อมประสาน ยืดตัว


240

ตาราง 9 - 6 ตารางสรุปคุณสมบัติของธาตุผสมตาง ๆ (ตอ) ธาตุประสม นิคเกิล

โมลิบดินั่ม ฟอสฟอรัส กํามะถัน ทังสเตน วานาเดียม โคบอลท

คุณสมบัติที่เพิม่ ขึ้น ความเหนียว ความแข็งแรง ตานทานไฟฟา คงทนตอความรอนและคงทนตอการ กัดกรอน ความแข็งและแกรง ทนความรอนสูง ทนตอการสึกหรอ การไหลของน้ําเหล็ก คงทนตอความเคนแรงดึง ความแข็ง ความแข็งแรง ตานทานตอการ กัดกรอน คงทนตอความรอน ความแข็ง ความเหนียวและคงความแข็ง ที่อุณหภูมิสูง ความแข็งและความคมแข็ง

คุณสมบัติที่ลดลง สัมประสิทธิ์การขยายตัวเมื่อไดรับ ความรอน คุณสมบัติในการตีขึ้นรูปและอัตรา การขยายตัว อัตราการขยายตัว ความเคนแรง กระแทก ความเคนแรงกระแทก อัตราการขยายตัว ไวตอความรอน ความเหนียวและไวความรอน

9.3.5 การผลิตเหล็กกลา การผลิตเหล็กกลาเปนกระบวนการที่ตองการใหไดเหล็กบริสุทธิ์ขึ้น โดยพยายามลดสาร มลทิน (สิ่งสกปรกตาง ๆ ในน้ําเหล็ก) ในเนื้อเหล็กใหเหลือลดนอยลง หรือใหหมดไป ความบริสุทธิ์ ของเหล็กเราสามารถควบคุมไดโดยการเลือกใชผนังเตาใหเหมาะสม ธาตุที่ผสมอยูในเหล็กจะตองอยูในพิกัดที่กําหนด ธาตุที่มีผสมอยูเสมอ ก็คือ คารบอน ซิลิกอล ฟอสฟอรัส แมงกานิส และกํามะถัน ในบางครั้งก็เติมธาตุอื่น ๆ เขาไปบาง เชน นิคเกิล ทองแดง ติตาเนียม โมลิบดินั่ม เปนตน เพื่อเพิ่มคุณสมบัติที่ตองการตามความเหมาะสมในการ นําไปใชงาน ผนังเตาที่ใชในการผลิตเหล็กกลา มี 2 แบบ คือ 1. ผนังเตาแบบเอซิด (Acid Lining) ใชซิลิกาทําผนังเตา ผนังเตาแบบนี้ไมสามารถ ไลฟอสฟอรัสออกจากเนื้อเหล็กไดดังนั้นในกระบวนการผลิต จึงตองเลือกใชเหล็กดิบที่มีประมาณ ฟอสฟอรัสต่ําเปนวัตถุดิบ 2. ผนังเตาแบบเบสิค (Basic Lining) ใชแมกนิไซด (Magnesite) เปนผนังเตา การผลิต เหล็กเกือบ 90 % ใชผนังเตาชนิดนี้ เพราะสามารถไลฟอสฟอรัส กํามะถัน ซิลิกอน แมงกานิส และคารบอน ออกจากเนื้อเหล็กได โดยจะเกิดเปน เบสิค สแลก ซึ่งเบสิคสแลกนี้จะไมทําปฏิกริยากับ ผนังเตา


241

ขบวนการผลิตเหล็กดิบใหเปนเหล็กกลา แสดงตามแผนผัง และตารางขางลางนี้ เหล็กดิบ เตาพุดเดิ้ล

เตาเบสเซมเมอร กรรมวิธีแอสตัน

เตาโอเพิ่นฮารท

เตาไฟฟา

เหล็กกลาคารบอนและเหล็กกลาผสม C < 0.1 % > 2 %

เหล็กออน C < 0.1 % ตาราง 9 - 7 เตาที่ใชผลิตโลหะประเภทเหล็ก ชนิดเตา กูโปคา

เชื่อเพลิง โคก

คอนเวลเตอร

ลมรอน

ไฟฟา

ไฟฟา

กระทะ (โอเพนฮารท)

แกสธรรมชาติ น้ํามัน ผงถานหิน น้ํามัน

เตาลม (Air Furbace)

วัตถุดิบ เหล็กดิบและ เศษเหล็ก เหล็กดิบหลอม ละลาย เศษเหล็ก

กรรมวิธีพิเศษ -

สูญญากาศหรือ แกสเฉื่อย

ผลิตภัณฑ เหล็กหลอสีเทา เหล็กหลอโนคูลา เหล็กออนและ เหล็กกลา เหล็กกลา

เหล็กดิบหลอม ละลาย

เหล็กกลา

เหล็กหลอสีขาว เหล็กหลอสีเทา

คูซิเบิล

แกส, ถานหิน

เหล็กดิบแข็งหรือ เหล็กดิบหลอม ละลาย เศษเหล็กตัด

อินดักชั่น

ไฟฟา

เศษเหล็กตัด

สูญญากาศหรือ แกสเฉื่อย

เหล็กกลา และ เหล็กหลอที่มี ปริมาณผลิตนอย เหล็กกลา


242

1. กรรมวิธีโอเพนฮารท (OPENHEART PROCESS) เตาที่ใชผลิตเหล็กกลาตามกรรมวิธีนี้มี ชื่อเรียกวา เตากะทะ หรือเตาโอเพนฮารท เตาชนิดนี้เปนเตาสี่เหลี่ยมผืนผาขนาดใหญ สรางดวยอิฐ ทนไฟ ตรงกลางเตามีลักษณะเปนแอง ขนาดของเตาโดยประมาณ กวาง 15 ฟุต ยาว 40 ฟุต ลึก 2 ฟุต เตาชนิดนี้ใหปริมาณการผลิตสูงมากสามารถผลิตเหล็กไดวันละถึง 150 ตัน เตาโอเพนฮารทมี 2 แบบ คือ ก. เบสิค โอเพนฮารท ข. เอชิค โอเพนฮารท

รูป 9.6 ภาพหนาตัดของเตาโอเพนฮารท 2. กรรมวิธีเตาไฟฟา (ELECTRICAL FURNACE PROCESS) เตาไฟฟาเปนเตาผลิตเหล็กที่ มีคุณภาพในการผลิตสูง ใชผลิตเหล็กเกรดดี เหล็กไรสนิม เหล็กคุณภาพพิเศษ ทั้งนี้เพราะสามารถ ควบคุมคุณสมบัติทางโลหะวิทยา เกรนและโครงสรางของเหล็กได ก. เตาฮารท มีรูปรางคลายกับการตมน้ํา ดังรูป 9.7 เตาชนิดนี้สามารถผลิตเหล็กกลาไดวันละ 5 - 100 ตัน มีแหลงอิเลคโทรค คารบอน หรือแหลงอิเลคโทรด แกรไฟต ขนาดใหญ เสนผาศูนยกลาง 10 - 14 นิ้ว ติดตั้งอยูตอนบนของเตา เมื่อผานกระแสไฟฟากระแสสลับ 3 เฟส (380 โวลท) เขาไปจะทําใหอิเลคโทรคเกิดการอารคกับวัตถุดิบที่อยูภายในเตา จนหลอมละลาย เตา ชนิดนี้สามารถผลิตเหล็กกลาไดอยางรวดเร็วและตอเนื่อง เมื่อโลหะหลอมละลายก็เทออกจากเตาสูเบา ทําเปนอินกอท (Ingot) หรืออาจทําการผลิตตอเนื่องเปนเหล็กเสน หรือเหล็กชนิดอื่น ๆ ตอไปไดเลย


243

รูป 9.7 ภาพหนาตัดเตาไฟฟา ข. เตาอินดักชั่น หรือเตาเหนี่ยวนํา เตาชนิดนี้มีรูปรางดังรูป 9.9 เปนเตาที่มีขดลวดนําความ ร อ นพั น อยู ร อบ ๆ เบ า ซึ่ ง ภายในเบ า จะบรรจุ วั ต ถุ ดิ บ ไว ก ระแสไฟฟ า ที่ ไ หลผ า นขดลวดนี้ เ ป น กระแสไฟฟาชนิดความถี่สูง ความถี่ที่ใชประมาณ 1000 ไซเคิลตอนาที ซึ่งจะใหความรอนอยาง รวดเร็ว ทําใหวัตถุดิบภายในเบาหลอมละลายภายใน เวลา 50 - 90 นาที เตาอินดักชั่นสามารถผลิต เหล็กไดถึงครั้งละ 4 ตัน ขดลวดที่ใชกับเตาชนิดนี้ โดยปกติจะใชทอทองแดงและมีน้ําหมุนวนอยู โดยรอบเตา เพื่อควบคุมอุณหภูมิภายในเตาใหสม่ําเสมอ

รูป 9.8 แสดงเตาอารคไฟฟาขณะเอียงเทน้าํ เหล็ก


244

รูป 9.9 เตาอินดักชั่น 3. กรรมวิธีเอชิค เบสเซมเมอร (ACID BESSEMER PROCESS) เปนกระบวนการที่นําเอา เหล็กดิบที่หลอมละลายแลวใสเขาไปภายในเตา ตามรูป 9.10 แลวเปาอากาศเขาไปที่ดานลางของเตา การเปาอากาศเขาไปในน้ําเหล็กจะทําใหเกิดการออกซิเคชั่น ขึ้นอยางรวดเร็ว ทําใหประหยัดเวลาใน การผลิตเหล็กกลาเปนอันมาก เมื่ออากาศผานเขาไปในน้ําเหล็กแลว มันจะเกิดเปนออกไซดขึ้นกับธาตุ ผสมที่อยูในเหล็ก โดยเฉพาะซิลิกอนกับแมงกานิส ซึ่งจะทําใหเปนสแลก ลอยขึ้นสูผิวดานบนของน้ํา โลหะ หลังจากที่แมงกานิสและซิลิกอนถูกทําใหเปนออกไซดแลว คารบอนจะรวมตัวกับออกซิเจน เปนคารบอนมอนออกไซดไหมอยูบริเวณปากเตา ในกระบวนการผลิตแบบเอชิค เบสเซมเมอรนี้ แต ละครั้งจะใชเวลาเพียง 10 – 50 นาทีเทานั้น ซึ่งนับวารวดเร็วและสะดวก ในการผลิตแตละครั้งจะไดน้ํา เหล็กไมมากนัก ประมาณ 20 - 25 ตัน เหล็กกลาที่ไดจากกรรมวิธีเบสเซมเมอรนี้ ใชสําหรับผลิตโลหะ ภัณฑเกรดต่ํา ลวด ทอ และสกรูตาง ๆ

รูป 9.10 แสดงการทํางานของเตาเบสเซมเมอร


245

4. กรรมวิธีแวคคั่ม อินดักชั่น (VACUUM PROCESS) เปนกระบวนการผลิตเหล็กใหมีความ บริสุทธิ์มากขึ้น ในกรรมวิธีนี้จะนําเอาภาชนะมาลอมรอบเตาอินดักชั่นแลวดูดเอาอากาศภายในออก เพื่อใหเกิดเปนสูญญากาศมีดานหนึ่งเปดได เพื่อบรรจุโลหะเหลวเขาสูภายในเตาภายใตสูญญากาศนั้น วิธีนี้อาจมีไฮโดรเจนและออกซิเจนอยูบาง แตก็อยูในระดับต่ํามาก เพราะมันเปนอิสระจากอากาศ ภายนอก กรรมวิธีนี้สามารถควบคุมสวนผสมของธาตุที่มีอยูในเหล็กได 5. กรรมวิธีดูเหล็ก (DUPLEX PROCESS) เปนกระบวนการผลิตที่นําเอาวัตถุดิบไปผลิตเปน เหล็กกลา โดยนําเขาสูเตาชนิดหนึ่ง แลวผานออกเขาสูเตาอีกชนิดหนึ่งเพื่อใหไดเหล็กที่มีคุณภาพสูง เอชิค เบสเซมเมอร - เบสิค ไอเพนฮารท ซึ่งมีขอดีที่วา ในเตาเบสเซมเมอรสามารถกําจัดซิลิกอน และ คารบอน ออกจากเหล็กดิบไดอยางรวดเร็ว แตยังคงมีฟอสฟอรัสอยูสูง และฟอสฟอรัสเหลานี้ถูกกําจัด ลงไดในเตา เบสิคไอเพนฮารท 6. กรรมวิธีเตาคอนเวอรเตอร (CONVERTER PROCESS) เตาคอนเวอรเตอรมีชื่อเรียกอีกอยาง หนึ่งวา เตานูแมติค (Pneumatic Furnace) เปนเตาที่ใชผลิตเหล็กกลาจากเหล็กดิบหลอมละลาย ผนัง เตาชนิดนี้มีทั้งแบบ เอชิคและเบสิคเชนเดียวกับเตาโอเพนฮารท ดังนั้นจึงสามารถควบคุมซิลิกอน แมงกานิส คารบอน ฟอสฟอรัส และกํามะถันไดเชนเดียวกัน ในเตาชนิดนี้แบบเบสิค ซึ่งเปนที่นิยม ใชกันเปนสวนใหญ วิธีที่ทําใหเหล็กมีความบริสุทธิ์ของกรรมวิธีนี้ก็คือ เปาอากาศ ออกซิเจน หรือ อากาศผสมออกซิเจนลงไปในน้ําเหล็กหรือเหนือน้ําเหล็ก เพื่อใหเกิดการออกซิเคชั่น ดังนั้นการผลิต เหล็กแบบนี้จึงไดชื่ออีกอยางหนึ่งวา กรรมวิธีนูแมติคนั่นเอง

รูป 9.11 เตาคอนเวอรเตอร 3 แบบ การผลิตเหล็กในเตาคอนเวอรเตอรขนาดใหญ จะผลิตไดครั้งละ 30 ตัน และผลิตไดอยาง รวดเร็วมาก การผลิตแตละครั้งจะใชเวลา 20 นาทีเทานั้น สําหรับเตาคอนเวอรเตอรขนาดเล็กจะผลิต ได 2 ถึง 3 ตัน และใชเวลาแตละครั้งประมาณ 10 นาที 7. กรรมวิธีคูซิเบิ้ล (CRUCIBLE PROCESS) เปนกรรมวิธีที่ใชผลิตเหล็กกลาหลอที่เกาแก มากวิ ธี ห นึ่ ง แต ใ นป จ จุ บั น นี้ มี ใ ช น อ ยมาก ยกเว น ที่ ใ ช ใ นการผลิ ต โลหะที่ ไ ม ใ ช เ หล็ ก เช น


246

อลูมิเนียมหลอ เปนตน เตาคูซิเบิ้ลหรือเตาเบา ตามรูป 9.12 โดยปกติทําจากสวนผสมของแกรไฟตกับ ดินเหนียว เตาชนิดนี้จะแตกไดเมื่อมีอายุการใชงานมาก และตองระมัดระวังในขณะใชงาน แตจะมี ความแข็งแรงเมื่อรอน ความรอนหรือเชื้อเพลิงที่ใชกับเตาคูซิเบิ้ล คือ โคก น้ํามันหรือแกสธรรมชาติ วัตถุดิบที่ใชไดแก เหล็กออน เศษเหล็กกลา ถานไม และโลหะที่ใชผสมเหล็ก การผลิตเหล็กในเตา คูซิเบิ้ลจะผลิตไดครั้งละประมาณ 100 ปอนด

A

B C รูป 9.12 เตาคูซิเบิ้ลหลอมละลายโลหะทีไ่ มใชเหล็ก A เปนแบบตั้งอยูกับที่ ใชโคกเปนเชื้อเพลิง B เปนรูปดานบนแสดงการเผาของแกสหรือน้ํามัน หมุนวนรอบเบา C เปนชนิดที่ใชแกสเปนเชื้อเพลิง ชนิดเอียงเทน้ําโลหะ 9.3.6 อินกอท ผลิตภัณฑตาง ๆ เชน เสนลวด เหล็กเพลากลม เหล็กแผนหนา เหล็กแผนบาง ทอ หรือเหล็กโครงสรางรูปรางตาง ๆ ลวนแตเกิดจากการรีด อัด หรือ ตี มาจากอินกอททั้งสิ้น อินกอท เปนแทงเหล็กที่เกิดจากการหลอในแมแบบ ดังรูป 9.13


247

รูป 9.13 แบบหลออินกอท โมลคหรือแมแบบที่ใชผลิตอินกอท จะมีลักษณะเปนสี่เหลี่ยมผืนผา หรือสี่เหลี่ยมจัตุรัส เรี ยว มีขอบมนเพื่อ ใหสะดวกในการดึ งออกจากแมแ บบ ขนาดของอิ นกอทจะมี ขนาดต าง ๆ กัน ออกไป ตั้งแตนอยกวารอยปอนด จนถึงขนาด 25 ตัน ทั้งนี้ก็ขึ้นอยูกับผลิตภัณฑที่ตองการจะผลิต ในขั้นตอนตอไป โมลคที่ใชผลิตอินกอท มี 2 ชนิด คือ ก. บิก เอน ดาวน (Big End Down) เปนแบบที่เหมาะสม และสะดวกในการดึงอินกอทออก จากแบบ แตจะตองเสียเนื้อโลหะไปมากเนื่องจากการหดตัว ข. บิก เอน อัพ (Big End Up) เปนแบบที่เสียเนื้อเหล็ก เนื่องจากการหดตัวนอยกวาแบบแรก ทั้งนี้เพราะเมื่อนําโลหะเทลงในโมลคจะเกิดการเย็นตัวและแข็งตัวที่สวนลางกอน ซึ่งเปนสวนเล็ก แลวคอย ๆ เย็นตัว เคลื่อนขึ้นมาสวนบน ซึ่งมีขนาดโตขึ้นตามลําดับจึงทําใหการหดตัวนอยลง

รูป 9.14 อินกอท รูปซาย แสดงภาพหนาตัดตามแนวยาว รูปขวา เปนภาพหนาตัดขวาง


248

รูป 9.15 การเทน้ําโลหะเขาสูโมลค อินกอท 9.3.7 เหล็กกึ่งสําเร็จรูป น้ําเหล็กที่ถูกนําไปหลอในโมลคเพื่อเปนอินกอทนั้น หลังจากเย็นตัวเกือบสมบูรณก็ จะถูกนําออกจากโมลค แทงอินกอทที่ไดจะถูกนํามาอบในเตาเพื่อคงความรอนไว เตาที่ใชอบเรียกวา โซคกิ้ง พิต (Soaking Pit) ทั้งนี้เพื่อใหอินกอทอยูในสภาพของอุณหภูมิทํางาน (Working Temperature) ซึ่งอุณหภูมินี้ประมาณ 2200 ° ฟ. แลวทิ้งไวประมาณ 4 - 8 ชั่วโมง จนกระทั่งอินกอทอยู ในสภาพออนตัว (Plastic) จึงนําไปรีดขึ้นรูปในเครื่องรีด เพื่อลดขนาดพื้นที่หนาตัดลง ใหมีขนาดที่ เหมาะสมกับการนําไปขึ้นรูป เปนผลิตภัณฑสําเร็จรูปตอไป เราเรียกเหล็กที่ไดนี้วาเหล็กกึ่งสําเร็จรูป ซึ่งแบงออกเปน 3 ชนิด คือ 1. บลูม (Bloom) 2. บิลเลท (Billet) 3. สแลบ (Slab) 1. บลูม (BLOOM) บลูมเปนเหล็กกึ่งสําเร็จรูปที่มีหนาตัดเปนสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาดที่ เล็กที่สุด คือ 6 x 6 นิ้ว บลูมใชทํารางรถไฟ เหล็กโครงสราง เหล็กแทงกลมตันและทอแบบไมมี ตะเข็บ


249

2. บิลเลท (BILLET) บิลเลทจะมีขนาดหนาตัดเล็กกวาบลูม

มีรูปหนาตัดเปนรูป

สี่เหลี่ยมจัตุรัส ขนาดตาง ๆ กัน จาก 1 1 นิ้ว จนถึงขนาดของบลูม บิลเลทใชทําเหล็กแทงสี่เหลี่ยม 2

เหล็กเสนสําหรับดึงเปนลวด และทําเสนลวด 3. สแลบ (SLAB) สแลบมีพื้นที่หนาตัดเปนสี่เหลี่ยมผืนผา มีความกวางนอยที่สุด 10 นิ้ว และความหนานอยที่สุด 1 1 นิ้ว โดยปกติความกวางจะเปน 3 เทาของความหนา สแลบสวนใหญจะ 2

ใชผลิตเปนโลหะแผนหนา โลหะแผนบาง แผนเหล็กเคลือบดีบุก ทอขนาดเล็ก และทอขนาดใหญ

รูป 9.16 แผนผังแสดงความสัมพันธของเหล็กกึ่งสําเร็จรูปกับเหล็กสําเร็จรูป 9.3.8 เหล็กสําเร็จรูป หมายถึง ผลิตภัณฑเหล็กที่ถูกผลิตใหมีขนาดรูปรางเหมาะสมตอการเลือกนําไปใชงาน ทางการคา ซึ่งทางอุตสาหกรรมไดแบงชั้นของเหล็กไวดังนี้ เหล็กกลาชุบผิวแข็ง (Case Hardening Steel) เปนเหล็กที่เหมาะสมตอการชุบผิวแข็งดวยกรรมวิธี คารบูไรซิ่ง (เติมคารบอนเขากับผิวเหล็ก)


250

เหล็กกลาตานทานการกัดกรอนและความรอน (Corrosion & Heat Resistant Steel) เปนเหล็กกลาที่เหมาะสมในการใชงานภายใตสภาวะการกัดกรอนหรือที่อุณหภูมิสูง ๆ เหล็กกลาสําหรับงานขึ้นรูป (Deep Drawing Steel) เปนเหล็กกลาที่มีความสําคัญตอการนําไปขึ้นรูปใหมีรูปรางตาง ๆ เชน ตัวถังและกันชน รถยนต ตูเย็น เตาแกส ฯลฯ เหล็กกลาไฟฟา (Electrical Steel) เปนเหล็กกลาที่ใชในอุตสาหกรรมผลิตอุปกรณไฟฟา โดยปกติจะมีซิลิกอนผสมอยูสูง เหล็กกลาสําหรับงานตีขึ้นรูป (Forging Steel) เปนเหล็กที่เหมาะสมสําหรับงานแปรรูปรอน (Hot Working) โดยเฉพาะ เชน ในงานตีขึ้น รูป งานกดพิมพขึ้นรูป ฯลฯ FREE CUTTING STEEL (เหล็กทําสกรู) เปนเหล็กกลาที่งายตอการแปรรูปดวยเครื่องจักร ใชสําหรับงานผลิต โบลท นัท สกรู ที่มี อัตราการผลิตสูง เหล็กกลาเครื่องจักร (Machinary Steel) เปนเหล็กกลาที่ใชสําหรับอุตสาหกรรมรถยนตและชิ้นสวนเครื่องจักรกล เหล็กงานเชื่อมและทอ (Pipe & Welding Steel) เปนเหล็กกลาที่มีความออนมาก เหมาะสมสําหรับผลิตทอที่มีตะเข็บเชื่อม โดยปกติมีคารบอน ผสมอยูต่ํา เหล็กกลาทํารางรถไฟ (Rail Steel) เปนเหล็กกลาที่ใชผลิตรางรถไฟโดยเฉพาะ เหล็กกลาทําสปริง (Spring Steel) เปนเหล็กกลาที่ใชในงานอุตสาหกรรมผลิตสปริงชนิดตาง ๆ เหล็กโครงสราง (Structural Steel) เปนเหล็กที่ใชในงานผลิตโครงสรางเรือ รถ ตึก สะพาน เปนตน เหล็กกลาเครื่องมือ (Tool Steel) เปนเหล็กที่ใชทําเครื่องมือเพื่อแปรรูปโลหะภัณฑ โดยมือหรือโดยเครื่องจักร 9.4 เหล็กทําเครื่องมือ 9.4.1 การแบงชั้น กลุมของเหล็กมีขนาดใหญมาก ซึ่งแบงออกเปนหลายกลุมหลายชนิดดวยกัน ตามที่ได ศึกษามาแลวในบทที่ 5 ยังมีเหล็กอีกกลุมหนึ่งซึ่งมีลักษณะการใชงานตางออกไปคือ เหล็กเครื่องมือ (Teels Steel) เหล็กกลุมนี้ใชสําหรับสรางเครื่องมือโดยเฉพาะ เชน สกัด แมพิมพ คอน เปนตน เหล็ก เครื่องมือ ขยายความรวมไปถึงเหล็กเครื่องมือตัดสําหรับเครื่องมือกล เชน ใบมีดตัดของเครื่องตัด


251

โลหะแผน แมพิมพตัด แมพิมพที่ใชในงานแปรรูปรอนตาง ๆ มีดกลึง ฯลฯ ซึ่งเหล็กเครื่องมือเหลานี้ จะตองมีคุณสมบัติการใชงานแตกตางกันออกไป เหล็กเครื่องมือ เปนกลุมคําที่ใชเรียกเหล็กที่ผานกรรมวิธีผลิตในเตาแบบ เบสิคไฟฟา Basic Electric Process ซี่งมีการควบคุมคุณสมบัติทางดานโลหะวิทยาอยางใกลชิดจึงสามารถรักษา ความโปรง การรวมตัวของอโลหะ และสารมลทินอื่น ๆ เชน ฟอสฟอรัส และกํามะถัน ใหมี เปอรเซนตนอยที่สุด ธาตุที่ผสมอยูในเหล็ก มีหลายชนิดและมีปริมาณ ตางกันออกไป จึงทํายากตอการที่จะแบง ชั้นของมันได แตอยางไรก็ตาม ก็ไดมีผูคิดแบงชั้นของเหล็กเครื่องมือ ใหเปนระบบมากมายหลายราย แตโดยทั่วไปสวนใหญจะนิยมระบบของสถาบันเหล็ก และเหล็กกลาแหงสหรัฐอเมริกา (AIS) ระบบ AISI จะกําหนดชนิดของชั้นเหล็กเครื่องมือไว โดยมีพื้นฐานอยูกับกรรมวิธีที่ใชชุบเหล็ก การนําไปใช งาน คุณลักษณะพิเศษและสําหรับงานอุตสาหกรรมเฉพาะ โดยระบบนี้เหล็กเครื่องมือจะถูกแบง ออกเปนกลุมใหญได 6 กลุม และมีกลุมยอยจําแนกออกไป โดยมีสัญญลักษณกําหนดไวเปน มาตรฐาน ดังนี้.1. ชนิดชุบแข็งดวยน้ํา (Water Hardening) W 2. ชนิดตานทานตอแรงชอค (Shock Resistance) S 3. ชนิดงานแปรรูปเย็น (Cold Working) ชุบแข็งดวยน้ํามัน O เหล็กประสมปานกลาง ชุบแข็งดวยอากาศ A ชนิดผสม คารบอนสูง โครเมี่ยมสูง D 4. ชนิดงานแปรรูปรอน (Hot Working) มีโครเมี่ยมเปนพื้นฐาน H1 ถึง H19 มีทังสเตนเปนพื้นฐาน H20 ถึง H39 มีโมลิบตินั่มเปนพื้นฐาน H40 ถึง H59 5. ชนิดไฮสปด (High Speed) มีทังสเตนเปนพื้นฐาน T มีโมลิบตินั่มเปนพื้นฐาน M 6. ชนิดใชกับงานวัตถุประสงคพิเศษ (Special – Purpose) เหล็กประสมต่ํา L คารบอน – ทังสเตน F เหล็กกลาทําโมลค คารบอนต่ํา P1 ถึง P19 ชนิดอื่น ๆ P20 ถึง P39


252

9.4.2 เหล็กเครื่องมือชุบแข็งดวยน้ํา (Water Hardening Tool Steel) เหล็กเครื่องมือชนิดนี้ โดยปกติเปนเหล็กคารบอนธรรมดา (Plain Carbon) ซึ่งมีธาตุอื่น ๆ ผสมอยูนอย ดังตาราง 7-1 ดังนั้นเหล็กเครื่องมือชนิดนี้จึงมีราคาถูกที่สุดในบรรดาเหล็กเครื่องมือ ดวยกัน เหล็กชนิดนี้ถูกนํามาใชในวัตถุประสงคทั่ว ๆ ไป นอกจากจะมีราคาต่ําแลว ยังแปรรูปบน เครื่องจักรไดงาย และใหความแข็งของผิวสูง คารบอนที่ผสมอยูในเหล็กเครื่องมือ สวนมากจะขึ้นอยู กับการใชงานของเหล็กนั้น สําหรับใบตัดในเครื่องตัดโลหะแผน ดอกสวานเจาะหิน คอน เปนตน จะ มีคารบอนผสมอยูระหวางประมาณ 0.60 ถึง 0.85 เปอรเซ็นต สกัดและแมพิมพจะมีคารบอนผสมอยู ระหวาง 0.80 ถึง 0.95 เปอรเซ็นต เหล็กที่ใชทําคัดเตอร ดอกสวาน ดอกทําเกลียว ใบตัดโลหะแผน ขนาดเล็กและสกัดขนาดเล็ก จะมีคารบอนผสมอยูระหวาง 0.95 ถึง 1.1 เปอรเซ็นต สําหรับเครื่องมือ ตัดงานไม ดอกทําเกลียวขนาดเล็ก ดอกสวาน มีดกลึงและใบมีดโกนจะมีคารบอนผสมอยู 1.1 ถึง 1.4 เปอรเซ็นต ที่เรียกเหล็กชนิดนี้วาเหล็กเครื่องมือชุบแข็งดวยน้ําก็คือ การนําเหล็กเครื่องมือชนิดนี้ไปให ความรอ นที่ ช ว งอุ ณ หภู มิ ต า ง ๆ ตามเปอร เ ซนตข องคาร บ อนที่ ผ สมอยู ตัว อย า งเช น เหล็ ก ที่ มี คารบอนผสมอยูระหวาง 0.85 ถึง 0.95 เปอรเซ็นต ใหความรอนที่อุณหภูมิ 1450 – 1500 ° ฟ. (790 – 815 ° ซ.) เหล็กที่มีเปอรเซนตคารบอนเกินกวา 1.10 เปอรเซ็นต ใชความรอนระหวาง 1400 – 1475 ° ฟ. (760 – 800 ° ซ.) เมื่อใหความรอนตอชิ้นงานเหล็กจนทั่วแลว จึงนําเหล็กชนิดนี้ไป ทําใหเย็นตัวลงอยางรวดเร็ว โดยการชุบลงในน้ํา ซึ่งผลที่ตามมาก็คือเหล็กจะมีความแข็งผิวเพิ่มสูงขึ้น ตาราง 8 – 1 AISI W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7

C 0.60 – 1.40 0.60 – 1.40 1.00 0.60 – 1.40 1.10 1.10 1.00

Cr 0.25 0.50 0.25 0.50

V 0.25 0.50 0.25 0.20

หมายเหตุ เหล็กเครื่องมือคารบอน วานาเดียม จะเปนตัว ควบคุมเกรนของเหล็ก โครเมี่ยม จะชวยทําใหเหล็ก มีแนวโนมออน ไดผลตามขอมูล 2 กลุม รวมกัน

9.4.3 เหล็กเครื่องมือตานทานแรงชอค (Shock Resisting Tool Steel) เหล็กเครื่องมือตามรายการในตารางที่ 8 – 2 เปนเหล็กที่สามารถใชทําเครื่องมือ ที่รับแรงชอคไดดี เชน สะกัดและแมพิมพตัวผู (Punch) ชนิด S1 และ S3 รูจักกันดีในชื่อของเหล็ก


253

สกัดทังสเตน และเหล็กทําแมพิมพตัวผู (Punch Steel) ซึ่งเปนเหล็กที่ใหผลดานความเหนียว มีความ แข็งของผิวและทนตอการสึกหรอไดดี ตาราง 8 – 2 AISI S1 S2 S3 S4 S5

C 0.50 0.50 0.50 0.55 0.55

Mn 0.80 0.80

Si 1.00 2.00 0.20

Cr 1.50 0.75 -

W 2.50 1.00 -

Mo 0.50 0.40

หมายเหตุ W สําหรับสกัดและ Punch Si ต่ํา สําหรับเพิ่มความเหนียว ตานทาน การสึกหรอไดนอยกวา Mo เพิ่มความแข็งของผิว

ชนิด S1 ชุบแข็งดวยน้ํามัน ชนิด S2 ชุบแข็งดวยน้ําหรือน้ําเค็ม เหล็กเครื่องมือในกลุม ซิลิกอน-แมงกานิส คือ S2 S4 และ S5 มีราคาไมแพง เหมาะสําหรับทําสกัด แมพิมพตัวผู ใบตัด ในเครื่องตัดโลหะแผนที่ตองการความแข็งสูง เหนียวและทนตอการสึกกรอน 9.4.4 เหล็กเครื่องมือแปรรูปเย็น (Cold Work Tool Steel) เหล็กชนิดนี้เหมาะสําหรับนําไปสรางเครื่องมือเพื่อใชแปรรูปชิ้นงาน ที่อุณหภูมิต่ํากวา Recrystallizat ion รีครีสตอนไลเซซั่น หมายถึงอุณหภูมิที่ทําใหเกรนที่เกิดขึ้นใหมมีขนาดเล็กลง โดยทั่วไปจะอยูระหวาง 950 – 1300 ° ฟ. จนถึงอุณหภูมิปกติ เหล็กเครื่องมือชนิดนี้จะรักษาคาพิกัด ความเผื่อหรือขนาดไดดี โดยไมมีการเปลี่ยนแปลง หรือการบิดเบี้ยว จากรูปรางเดิมทั้งกอนและหลัง ทําการชุบแข็ง เหล็กเครื่องมือแปรรูปเย็น แบงออกเปน 3 ชนิด คือ 1. ชุบแข็งดวยน้ํามัน ชนิด O 2. เหล็กประสมปานกลาง ชุบแข็งดวยอากาศ ชนิด A 3. เหล็กคารบอนสูง – โครเมี่ยมสูง ชนิด D

AISI O1 O2 O3

C 0.90 0.90 1.20

ตาราง 8 – 3 ก Mn Cr 1.00 0.50 1.60 0.75

W 0.50 1.75


254

ชนิด O มีแมงกานิสและทังสเตน (W) ผสม ชุบแข็งดวยน้ํามัน เหล็กชนิดนี้ใชประโยชน อยางกวางขวาง ในการทําแมพิมพ โมลค พลาสติก ชนิด A เปนเหล็กผสมโครเมี่ยมและแมงกานิส ชุบแข็งดวยอากาศ เหล็กชนิดนี้ใชกับงาน ที่ตองการความคงทนตอการสึกหรอ และมีคุณสมบัติไมเปลี่ยนแปลงรูปราง AISI A1 A4 A5 A6

C 1.00 1.00 1.00 0.70

ตาราง 8 – 3 ข Mn Cr Mo 5.00 1.00 2.00 1.00 1.00 3.00 1.00 1.00 2.00 1.00 1.00

หมายเหตุ 5 % โครเมี่ยม เหล็กทําแมพิมพ ทนตอแรงชอคไดดีมาก

ชนิด D เปนเหล็กเครื่องมือ คารบอนสูง-โครเมี่ยมสูง ซึ่งแบงออกเปน 2 กลุม ดังตาราง 8-3 ค คือกลุมชุบแข็งดวยน้ํามันและกลุมชุบแข็งดวยอากาศ เหล็กเครื่องมือกลุม D เปนเหล็กที่มีความ แข็งสูงมาก ทนตอการสึกหรอไดสูงและยากตอการแปรรูปบนเครื่องจักร สวนใหญจะใชประโยชนใน การทําแมพิมพชนิดตาง ๆ ใบตัดในเครื่องตัดโลหะ ศูนยเครื่องกลึง ดอกตัดเกลียว เครื่องมือตัด สําหรับกลึงทองเหลือง และบรอนซ เปนตน AISI D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

C 1.00 1.50 2.25 2.25 1.50 2.25 2.35

Si 1.00 -

ตาราง 8 – 3 ค Cr V W Mo 12.00 - 1.00 12.00 - 1.00 12.00 12.00 - 1.00 12.00 - 1.00 12.00 - 1.00 12.00 4.00 1.00

Co 3.00 -

หมายเหตุ ชุบแข็งดวยอากาศ ชุบแข็งดวยอากาศ ชุบแข็งดวยน้ํามัน ชุบแข็งดวยอากาศ ชุบแข็งดวยอากาศ ชุบแข็งดวยน้ํามัน ชุบแข็งดวยอากาศ

9.4.5 เหล็กเครื่องมือสําหรับงานแปรรูปรอน (Hot Work Tool Steel) หมายถึง เหล็กกลาที่ใชผลิตเครื่องมือ เพื่อใชขึ้นรูปวัสดุงานในขณะที่กําลังรอน เหนืออุณหภูมิ Recrystallization ดังนั้นเหล็กชนิดนี้จึงตานทานตอการเปลี่ยนแปลงรูปรางในอุณหภูมิ สูง ๆ ไดดี


255

เหล็กเครื่องมือสําหรับงานแปรรูปรอน แบงออกเปนชนิดสําคัญ 3 ชนิด คือ 1. ชนิดมีโครเมี่ยมเปนพื้นฐาน H11 – H16 2. ชนิดมีทังสเตนเปนพื้นฐาน H20– H26 3. ชนิดมีโมลิบดินั่มเปนพื้นฐาน H41 – H43 ชนิดมีโครเมี่ยมเปนพื้นฐาน ใชกับงานขึ้นรูปรอนภายใตสภาวะอุณหภูมิไมเกิน 600 ° ฟ. (315 ° ซ.) ชนิดมีทังสเตนเปนพื้นฐานเปนเหล็กทําแมพิมพใชกับงานขึ้นรูปรอน อุณหภูมิ ไมเกิน 1000 ° ฟ. (540 ° ซ.) ชนิดมีโมลิบดินั่มเปนพื้นฐาน เปนเหล็กเครื่องมือคารบอนต่ํา ใชกับงาน ความเร็วรอบสูง งานแมพิมพแปรรูปรอน ตาราง 8 - 4 AISI

C

Cr

H11 H12 H13 H14 H15 H16

0.35 0.35 0.35 0.40 0.40 0.55

3.00 5.00 5.00 3.00 5.00 7.00

H20 H21 H22 H23 H24 H25 H26

0.35 0.35 0.35 0.30 0.45 0.25 0.50

2.00 3.50 2.00 12.00 3.00 4.00 4.00

H41 H42 H43

0.65 0.60 0.55

4.00 4.50 4.00

V

W Mo ชนิดโครเมี่ยม 0.40 1.50 0.40 1.50 1.50 1.00 1.50 5.00 0.50 7.00 ชนิดทังสเตน 9.00 9.00 11.00 12.00 15.00 15.00 1.00 18.00 ชนิดโมลิบดินั่ม 1.00 1.50 8.00 2.00 6.00 5.00 2.00 8.00

หมายเหตุ ใชงานไมเกินอุณหภูมิ 600° ฟ. ชุบแข็งดวยอากาศ ชุบแข็งดวยอากาศ ชุบแข็งดวยอากาศหรือน้ํา

ทนความรอนไดถึง 1000° ฟ.

ทนความรอนไดถึง 1100° ฟ.

คารบอนต่ํา เหล็กกลาไฮสปด


256

9.4.6 เหล็กกลาไฮสปด (High Speed Tool Steel) เปนเหล็กกลาเครื่องมือที่รักษาความแข็งของมันที่อุณหภูมิสูงไดดี และทนตอการสึกหรอ ไดสูง ซึ่งคุณสมบัตินี้สัมพันธกับจํานวน ทังสเตนหรือโมลิบดินั่ม หรือทั้งสองชนิด ที่ผสมอยูในเนื้อ เหล็ก นอกจากนี้ยังมีโครเมี่ยม โคบอลทหรือวานาเดี่ยมผสมอยูดวย เหล็กเครื่องมือชนิดนี้เปนเหล็กที่ ใชกับงานที่ตองการความเร็วรอบสูง เหล็กกลาไฮสปด แบงออกเปน 2 ชนิด ชนิด T ทังสเตน และชนิด M โมลิบดินั่ม ซึ่ง แสดงใหเห็นดังตาราง 8 - 5 ตาราง 8 – 5 ก AISI C Cr V W Co T1 0.70 4.00 1.00 18.00 T2 0.80 4.00 2.00 18.00 T3 1.05 4.00 3.00 18.00 T4 0.75 4.00 1.00 18.00 5.00 T5 0.80 4.00 2.00 18.00 8.00 T6 0.80 4.50 1.50 20.00 12.00 T7 0.75 4.00 2.00 14.00 เหล็กกลาไฮสปด ใชทําเครื่องมือตัดตาง ๆ เชน มีดกลึง แมพิมพตัด ศูนยเครื่องกลึง แผน ทนความสึก เปนตน ความแข็งและความเหนียวของเหล็กชนิดนี้ จะถูกควบคุมดวยคารบอนที่ผสมอยู ถ ามีค ารบ อนผสมต่ํ า จะทํ า ให มี ค วามเหนี ย วเพิ่มขึ้ น แตความแข็ง จะลดลง ในขณะเดี ย วกั น ถ า มี คาร บ อนสู ง ความเหนี ย วจะน อ ยลงและความแข็ ง จะเพิ่ มสู ง ขึ้ น และทนตอ การสึ ก หรอไดดี ก ว า สวนผสมที่ดีที่สุดที่จะทําใหมีความเหนียว ทนตอการสึกหรอ และมีความสามารถในการตัดที่ดี จะพบ ในเหล็กไฮสปด ทังสเตน ที่มีทังสเตนผสมอยู 18 เปอรเซ็นต โครเมี่ยม เปนธาตุที่สําคัญธาตุหนึ่งที่เปนตัวควบคุมความแข็งในเหล็กชนิดนี้ โครเมี่ยมที่ผสม อยูและใหผลดีที่สุดคือ ประมาณ 4 เปอรเซ็นต ถามีโครเมี่ยมนอยกวา 4 เปอรเซ็นต ความแข็ง ทนตอ การสึกหรอและความสามารถในการตัดจะลดลงและจะทําใหเหล็กเปราะมากกวา วานาเดี่ยม เปนตัวเพิ่มความสามารถในการตัดใหกับเหล็กไฮสปด เหล็กชนิดนี้คือ 18-4-2 (ทังสเตน 18 % โครเมี่ยม 4 % วานาเดี่ยม 2 %)


257

ตาราง 8 – 5 ข AISI M1 M2 M3 M4 M6 M7 M8

C 0.80 0.80 1.00 1.30 0.80 1.00 0.80

Cr 4.00 4.00 4.00 4.00 4.00 4.00 4.00

V 1.00 2.00 2.70 4.00 1.50 2.00 1.50

W 1.50 6.00 6.00 5.50 4.00 1.75 5.00

Mo 8.00 5.00 5.00 4.50 5.00 8.75 5.00

Co -

Cb -

12.00 -

1.25

ถาใชโมลิบดินั่มเขาแทนทังสเตนในเนื้อเหล็ก จะทําใหการผลิตเหล็กไฮสปดมีตนทุนลดต่ําลง เหล็กกลาไฮสปด โมลิบดินั่ม ที่มีทังสเตน 1.5 ถึง 6 % โมลิบดินั่ม 4 – 9 % และโครเมี่ยมผสมอยู 3.5 ถึง 4.5 % จะมีคุณสมบัติการใชงานเชนเดียวกับเหล็กไฮสปด ทังสเตน 18 – 4 – 1 แตผลที่ตามมาก็ คือ ทําใหยากตอการชุบแข็ง


258

บทที่ 10 โลหะที่ไมใชเหล็ก (อลูมิเนียม , ทองแดง) 10.1 โลหะหนัก 10.1.1 ทองแดงและทองแดงประสม 10.1.1.1 ทองแดง (COPPER) เปนโลหะที่มีความสําคัญตองานดานวิศวกรรมเปน อยางมาก ไมเฉพาะแตในรูปของทองแดงบริสุทธิ์เทานั้น เมื่อนํามาผสมกับธาตุอื่น ๆ ใหอยูในรูปของ โลหะประสม มันก็ถูกนํามาใชงานดานอุตสาหกรรมอยางกวางขวาง โดยเฉพาะอุตสาหกรรมไฟฟา เพราะทองแดงเปนตัวนําความรอน และนําไฟฟาที่ดี มีความเคนแรงดึงประมาณ 35,000 ปอนด ตอ ตารางนิ้ว และมีความสามารถในการยืดตัวไดสูงถึง 40 เปอรเซ็นต ในชวงความยาว 2 นิ้ว มันจึงรีด หรือดึงใหเปนเสนไดงายมาก ทองแดงบริสุทธิ์มีลักษณะออน เหนียว เมื่อทิ้งไวในอากาศนาน ๆ บนผิวภายนอกจะมี ฟลมสีเขียวบาง ๆ เกิดขึ้น ฟลมสีเขียวนี้มีชื่อเรียกวา พาทินา (Patina) พาทินา จะเปนตัวชวยให ทองแดงทนตอลมฟาอากาศไดดี การถลุง ทองแดงเกิดจากการนําสินแร ทองแดงไพไรท ทองแดงออกไซดทองแดงดําหรือ ทองแดงคารบอเนต มาถลุงในเตารีเวอรเบอเรตอรี่ (Rever Beratory Furnace) ดังรูป 10.1

รูป 10.1 การหลอมทองแดงในเตารีเวอรเบอเรตอรี่ ประโยชนของทองแดง ใชทําหัวแรงบัดกรี อุปกรณไฟฟาตาง ๆ ทอสงน้ํายาฟรีออนใน เครื่องปรับอากาศ ตูเย็น ใชในงานเชื่อมประสาน ใชผลิตเครื่องอุปโภคในครัวเรือน ภาชนะในงาน


259 อุต สาหกรรมเครื่ อ งดื่ ม และในงานเคมี และยั ง ใช เ ป น โลหะประสม เพื่ อ เพิ่ มคุ ณ สมบั ติเ ด น ของ ทองแดงในโลหะประสมตาง ๆ เปนตน 10.1.1.2 ทองเหลือง (Brass) เปนโลหะประสมที่เกิดจากทองแดงและสังกะสีโดยปกติจะมี สังกะสีผสมอยู 10% ถึง 40 % ถาเปอรเซนตของสังกะสีมีมาก ความแข็งผิว ความแข็งแรงและ ความสามารถในการยืดตัวยะเพิ่มสูงขึ้น ทองเหลืองมีคุณสมบัติในดานทนตอการกัดกรอนไดดี งายตอการขึ้นรูปและแปรรูปบน เครื่องจักร อีกทั้งยังหลอไดงายอีกดวย ชนิดและประโยชนของทองเหลือง ทองเหลืองแบงออกเปนหลายชนิดดวยกัน และมีชื่อเรียกแตกตางกันออกไป ทั้งนี้ก็ขึ้นอยู กับเปอรเซนตของสังกะสีที่ผสมอยู ที่สําคัญไดแก Red Brass Cartridge Brass , Yellow Brass และ Muntz Netal เปนตน ทองเหลืองที่เกิดจากทองแดง 90% สังกะสี 10% ใชทําลวดสกรีน เครื่องโลหะภัณฑ (เชน มีด กระทะ เปนตน) สกรู หมุดย้ําและเครื่องประดับ Cartridge Brass เปนทองเหลืองที่มีทองแดงผสม 70% และสังกะสี 30% ทองเหลืองชนิด นี้มีปริมาณการผลิตมากที่สุด ใชทําแผนทองเหลือง ลวด ทอชนิดตาง ๆ ทองเหลืองที่มีสังกะสีผสม 34% ทองแดง 66% ใชทําสปริงไดดี Muntz Metal ประกอบดวยทองแดง 60% สังกะสี 401% ใชทําทอคอนเดนเซอร (Condenser Tube) นอกจากนี้ ทองเหลืองยังใชประโยชนในการทําทุนอาเมเจอร ชิ้นสวนเครื่องมือกล ชิ้นสวน ของนาฬิกา อุปกรณไฟฟา ทอสงน้ําและน้ํามันในเครื่องยนต เปนตน 10.1.1.3 บรอนซ (Bronze) เปนโลหะประสมของทองแดงกับธาตุอื่น ๆ ซึ่งอาจมีมากกวา 1 ชนิด ธาตุเหลานี้ไดแก ดีบุก แมงกานิส อลูมิเนียม ซิลิกอน แบรีเลี่ยม เปนตน และโดยปกติธาตุ เหลานี้จะมีผสมอยูไมเกิน 12% บรอนซมีดวยกันหลายชนิด ที่สําคัญ ไดแก ก.) ฟอสเฟอร – บรอนซ (Phosphor Bronze) ประกอบดวยทองแดง 90% ดีบุก 10% และมีฟอสฟอรัสผสมอยูเล็กนอย โลหะชนิดนี้มีความแข็งแรง ความเหนียว ทนตอการกัดกรอนสูง ประโยชนใชทําสปริง แปรงลวด สะพานไฟฟา เฟอง บุชชิ่ง เปนตน ข.) บรอนซ – ซิลิกอน (Silicon Bronze) มีซิลิกอนผสมอยูนอยกวา 5% โลหะชนิดนี้มีคุณสมบัติทางเชิงกล คลายกับ เหล็กกลาปกติ ( Mild steel) และทนตอการกัดกรอนไดเหมือนทองแดง ใชทําถังที่มีแรงดัน (Prossure Vessle) ทอสงน้ํามันในระบบไฮดรอลิค เปนตน


260 ค.) บรอนซ – อลูมิเนียม (Aluminum Bronze) มีอลูมิเนียมผสมอยู 4% ถึง 11 % และอาจมีธาตุอื่น ๆ ผสมอยูดวย เชน เหล็ก นิกเกิล แมงกานิส และซิลิกอน เหลือ (ไมเกิน 5%) จะเปนตัวเพิ่มความแข็งแรง นิกเกิล (ไมเกิน12%) ใหผลคลายคลึงกับเหล็ก ซิลิกอน (ไมเกิน 2%) เปนตัวเพิ่มคุณสมบัติทางเชิงกล บรอนซ – อลูมิเนียมทนตอการกัดกรอนไดดี ใชทํานัท (Nut) โบลท สําหรับงานที่มีแรงดัน ฯลฯ ง.) บรอนซ – แบริลเลี่ยม (Beryllium Bronze) มีแบริลเลี่ยมผสมอยูประมาณ 2% บรอนซชนิดนี้มีคุณสมบัติขึ้นรูปไดงาย เมื่ออยูในสภาพอบออน มีความเคนแรงดึงสูง ใหทําเครื่องมือผาตัด โบล นัท สกรู ฯลฯ จ.) บรอนซ – แบริ่ง (Bearing Bronze) เปนบรอนซที่มีคุณสมบัติเหมาะสมในการนํามาทําแบริ่ง เพราะมีผิวหนาลื่น บรอนซชนิดนี้เกิดจากการนําฟอสเฟอร บรอนซ มาเติมสังกะสี และตะกั่ว เขาไปในจํานวนที่เทากัน หรือนอยกวา ปริมาณของดีบุกที่ผสมอยู ฉ.) บรอนซ – ดีบุก (Tin Bronze) มีดีบุกประสมอยู 8% และสังกะสี 4% เปนบรอนซที่มีความแข็งและรับภาระ ไดสูง ใชทําสปริง กังหัน เฟองหนอน ตะแกรงลวด ชนิดงานหนัก และเครื่องโลหะที่ใชบนเรือ 10.1.1.4 ทองแดงประสมนิกเกิล (Copper - Nickel Alloy) ทองแดงประสมนิกเกิล ไดแก ก.) ดูโปรนิกเกิล (Cu pronickle) โลหะชนิดนี้จะมีนิกเกิลผสมอยู 2 % - 3% มีคุณสมบัติทนตอการกัดกรอน ไดดี ใชทําใบพัดกังหันไอน้ํา และชิ้นสวนที่ตองการความคงทน ตอการกัดกรอนและการกัดเซาะ เปนตน ข.) นิกเกิล – เงิน (Nickle – Silver) มีชื่อเรียกอีกอยางหนึ่งวา เงินเยอรมัน (German – Sliver) โลหะชนิดนี้มี นิกเกิลผสมอยู 10% -30% มีสังกะสีผสมอยู 6% เปนโลหะที่มีความแข็ง ใชทําเครื่องมือมีคม ชุด เครื่องมือเขียนแบบ ชอน สอม เครื่องโลหะรูปพรรณ กรอบนาฬิกา ฯลฯ ค.) คอนสแตนแตน (Constantan) เปนโลหะทองแดงประสมนิกเกิล 45% ใชทําลวดตานทานไฟฟา ลวด เทอรโม คัปเปล สตาตเตอร


261 ตาราง 10 -1 โลหะประสม ทองแดง – สังกะสี – ดีบุกหลอ

10.1.2 นิกเกิลและโลหะประสมนิกเกิล 10.1.2.1 นิกเกิล (Nickel) เปนโลหะที่มีความสําคัญที่สุดอีกชนิดหนึ่ง ตอวงการ วิศวกรรม มีสีจาวคลายเงิน เนื้อเหนียว และมีผิวมัน นิกเกิลบริสุทธิ์ ตานทานตอการกัดกรอนไดดี ภายใตสภาวะการณตาง ๆ เชน ในงานอุตสาหกรรมเคมี และในการผลิตโซดาไฟ เมื่อนําไปผสมลงใน เนื้อเหล็ก จะทําใหเหล็กนั้นมีคุณสมบัติเปนแมเหล็ก เพิ่มขึ้นนอกจากนี้นิกเกิลยังใชชุบผิวเหล็กและ โลหะอื่น ๆ ทําใหชิ้นงานนั้นมีผิวที่สวยงามอีกทั้งยังทําใหมีราคาเพิ่มขึ้นดวย 10.1.2.2 โครเมลและนิโครม (Chromel and Nichrome) เปนโลหะประสม นิกเกิล – โครเมี่ยม โครเมลประกอบดวยนิกเกิล 90% โครเมี่ยม 10% นิโครมประกอบดวย นิกเกิล ประมาณ 80% โครเมี่ยม 20% โลหะทั้งสองชนิดนี้ใชทําตัวตานทานในเครื่องทําความรอนไฟฟาและ ในเตาอบ


262 10.1.2.3 โลหะโมเนล (Monel Metall) ประกอบดวย นิกเกิล 67% ทองแดง 30% และ มีเหล็ก แมงกานิส ซิลิกอน คารบอน กํามะถัน อีกจํานวนเล็กนอยโลหะชนิดนี้มีความเหนียวและ ความสามารถในการยืดตัวดี อีกทั้งยังมีคุณภาพในการแปรรูปดีอีกดวย โมเนลใชกับงานที่ตองการ การตานทานตอกรด ดางน้ํา น้ําเค็ม และในงานผลิตภัณฑอาหาร โลหะโมเนล แบงออกเปน 5 ชนิด ดวยกัน ทั้งนี้จึงยูกับเปอรเซนตของนิกเกิลที่ผสมอยู ดังแสดงใหเปน ตามตาราง 10 -2 ตาราง 10 -2

10.1.2.4 เฮชทีรอย (Hasteloy) เปนโลหะประสมที่ประกอบดวย นิคเกิลประมาณ 70% ที่เหลือประกอบดวยเหล็ก และโลหะอื่น เชน ทองแดง ซิลิกอน คารบอน โมลิบดินั่ม และอื่น ๆ ทั้งนี้ ขึ้นอยูกับชนิดของเฮซทีรอย ซึ่งแบงออกเปนชนิด A, B, C, D และ F เฮซทีรอยใชอยางกวางขวางใน งานอุตสาหกรรมเคมี เพราะมีคุณภาพในดานไมผุกรอน 10.1.2.5 อินโคเนล (Inconel) เปนโลหะประสมที่มีความแข็งและเหนียวประกอบดวย นิกเกิล 76% โครเมี่ยม 16% และเหล็ก 8% ประโยชน – ใชทําอุปกรณผลิตอาหารชิ้นสวนและ อุปกรณเตาชุบโลหะ อุปกรณฆาเชื้อในนมสด (Milk Pasteurizes) เปนตน 10.1.3 ตะกั่วและตะกั่วประสม (Lead and Lead Alloy) 10.1.3.1 ตะกั่ว เปนโลหะหนัก มีสีเงิน คุณสมบัติที่สําคัญคือ มีจุดหลอมละลายต่ําความ แข็งแรงต่ํา นําไฟฟา แตทนตอความรอนสูง และทนตอการกัดกรอนไดดีมาก ตะกั่ว ถูกนํามาใชในอุตสาหกรรมเคมี การประปาและทําถังน้ํา ฯลฯ สารประกอบของ ตะกั่วเปนพิษตอรางกายคน ตะกั่วที่ซึมเขาไปในรางกายจะสะสมอยูภายใน จนถึงขอบเขตหนึ่ง จะ เปนพิษและเปนอันตรายตอชีวิต ดังนั้นการทํางานกี่ยวกับตะกั่วจะตองใหความระมัดระวังและสนใจ เปนพิเศษ 10.1.3.2 ตะกั่วประสม ธาตุสวนใหญที่ใชประสมกับตะกั่ว ไดแก พลวงและดีบุก เมื่อ เติมพลวงลงในตะกั่ว (ไมเกิน 14%) จะชวยเพิ่มความแข็งของผิว และความแข็งแรงโลหะประสมที่ได จะถูกนํามาทําแผนแบตเตอรี่ และใชเคลือบสายเคเบิ้ล


263 โลหะประสม ตะกั่ว – ดีบุก ที่ใชในงานบัดกรี จะมีอัตราสวนผสมของดีบุก 40% ตะกั่ว 60% หรือมีอัตราสวน 50 : 50 และบางครั้งอาจเติมพลวงเขาไปดวย เพื่อใหมีความแข็งเพิ่มขึ้น โลหะประสม ตะกั่ว – ดีบุก – พลวง ใชทําตัวเรียงพิมพ 10.1.4 ดีบุก และดีบุกประสม 10.14.1 ดีบุก ดีบุกบริสุทธิ์จะมีสีขาว – เงิน ทนตอการกัดกรอนไดดี มีลักษณะออน และรีดขึ้นรูปไดงาย มีจุดหลอมละลายประมาณ 230˚ ซ ดีบุกใชเคลือบโลหะอื่น ๆ ไดดี เชน เคลือบ แผนเหล็ก เรียกวาแผนเหล็กอาบดีบุก ซึ่งนิยมนํามาทํา กระปองบรรจุอาหารนอกจากนี้ยังนํามารีดเปน แผน ฟอยล (Foil) และทําโลหะบัดกรี เปนตน ดีบุกถือวาเปนโลหะยุทธปจจัยชนิดหนึ่ง ทั้งนี้เพราะบนผิวโลกมีแหลงดีบุก ไมกี่แหง ซึ่งสวนใหญจะอยูในคาบสมุทรอินโดจีน

รูป 10.2 กระปองทําจากแผนเหล็ก อาบดีบุก

10.1.4.2 ดีบุกประสม โลหะประสมที่มีดีบุกเปนพื้นฐาน ถูกนํามาใชงานทางดาน อุตสาหกรรมมากกวาโลหะชนิดอื่น ๆ ตัวอยางเชน Gun Metal และบรอนซเปนโลหะประสมของ ดีบุกกับทองแดง เปนตน ดีบุกสามารถผสมกับธาตุอื่น ๆ ได หลายชนิดดวยกัน เชน สังกะสี พลวง ตะกั่ว เงินและเหล็ก โลหะประสมดีบุกรวมถึงโลหะบัดกรี ชนิดตาง ๆ โลหะบริทาเนีย (Gritannia Metal – ดีบุก 92% พลวงและทองแดง 5%) หรือที่เรียกวา พิวเตอร (Pewter) เปนโลหะที่มีผิวมันแวว วาว ใชทําเครื่องประดับตาง ๆ แจกัน เหรียญตรา เปนตน 10.1.5 สังกะสีและสังกะสีประสม 10.1.5.1 สังกะสี เปนโลหะที่มีเกรนหยาบและเปราะ มีอัตราการขยายตัวสูงเมื่อไดรับ ความรอน ทนตอบรรยาการไดดี แตไมทนตอกรดและเกลือ รีดเปนแผน และดึงเปนเสนลวดไดงาย สังกะสีใชเปนโลหะเคลือบผิวเหล็ก โซ เสนลวด สกรู และทอ เพื่อปองกันไมใหเกิดเปนสนิม 10.1.5.2 สังกะสีประสม ประกอบดวยสังกะสีประมาณ 90% ถึง 95% อลูมิเนียม 5% ทองแดงหรือแมกนีเซี่ยม จํานวนเล็กนอย โลหะประสมชนิดนี้ใชอยางกวางขวางในการนําไปอัด


264 หลอ (Die Castiong) เพื่อผลิตเปนชิ้นสวนของรถยนต ของเด็กเลน กุญแจ เครื่องโลหะภัณฑสําหรับ งานกอสราง เปนตน 10.1.6 โลหะแบริ่ง (Bearing Metal) โลหะแบริ่ง แบงออกเปน 2 กลุม ดวยกัน คือ บรอนซตะกั่ว และแบบบิต (Babbitt) 10.1.6.1 บรอนซตะกั่ว สวนผสมของบรอนซตะกั่ว จะแปรคาอยูกับการใชงาน แบริ่งที่ ใชรับงานหนัก จะประกอบดวย ทองแดง 80% ดีบุก 10% ตะกั่ว 10% สําหรับงานเบาและงานที่ตอง ใชความเร็วรอบสูง อัตราผสมของตะกั่วจะตองเพิ่มมากขึ้น คือประกอบดวยทองแดง 70% ดีบุก 5% และตะกั่ว 25% 10.1.6.2 แบบบิต (Babbitt) เปนโลหะที่ใชทําแบริ่ง แบงออกเปน 2 กลุม ดวยกัน คือ ชนิดมีตะกั่วเปนพื้นฐานกับชนิดมีดีบุกเปนพื้นฐาน ก.) แบบบิดชนิดมีตะกั่วเปนพื้นฐาน (Lead – Base Babbitt) ประกอบดวย ตะกั่ว 75% ดีบุก 10% และพลวง 15% เปนโลหะที่ใชทํา แบริ่งที่รองรับงานหนักในรถยนต รองรับเพลาขอเหวี่ยงในเครื่องยนตดีเซล เปนตน ข.) แบบบิตชนิดมีดีบุกเปนพื้นบาน (Tin Base Babbitt) ประกอบดวย ดีบุก 90% ทองแดงและพลวง 10% หรือดีบุก 65% พลวง 15% ทองแดง 2% และตะกั่ว 18% โลหะชนิดนี้ใชทําแบริ่งเกรดดี สําหรับการใชงานที่ ตองการคุณภาพสูง เชน กังหันไอน้ํา เปนตน 10.1.7 โลหะมีคา (Precious Metal) 10.1.7.1 ทองคํา (Gold) ถูกนํามาใชในงานอุตสาหกรรมในขอบเขตจํากัดสวนใหญ ทองคําจะถูกนํามาใชทําเปนเครื่องประดับ และเหรียญกษาปณ โดยปกติทองคําจะออน รีดและดึง เปนเสนไดงายมาก เปนตัวนําไฟฟาไดดี ทนตอการกัดกรอน และทดตอไฟ หายาก จึงมีราคาแพง ทองคําที่ใชทําเปนโลหะรูปพรรณ ตองใชทองแดงผสม 8 - 10% เพิ่มความแข็งแรง 10.1.7.2 เงิน (Silver) เปนโลหะมีคาอีกชนิดหนึ่งถูกนํามาใชในอุตสาหกรรม มากกวาทองคํา แตอยูในรูปของธาตุประสมเปนสวนมาก เชน ในงานทํากระจกเงา ในอุตสาหกรรม ถายภาพ เงินเปนตัวนําไฟฟาที่ดีที่สุด ในบรรดาโลหะทั้งหลาย จึงใชทําอุปกรณไฟฟา นอกจากนี้ยัง ใชทําเงินบัดกรี ซึ่งใหความแข็งแรงมากกวา มีจุดหลอมละลายสูงกวาตะกั่วบัดกรี และยังใชทําเปน โลหะรูปพรรณ เปนตน 10.1.7.3 ทองคําขาว (Platinum) เปนโลหะที่หนักที่สุดในบรรดาโลหะทั้งหมด ทน ตอกรดและดางไดดีมาก ไมรวมตัวกับออกซิเจนในอากาศ รีดและดึงเปนเสนเล็ก ๆ ได รีดเปนแผน ไดบางถึง 0.0025 มม. ประโยชนทองคําขาว ใชทําโลหะรูปพรรณ เบาหลอมที่ตองทนอุณหภูมิสูง ๆ ชิ้นสวนที่ตองตานทานตอการกัดกรอนที่อุณหภูมิสูง ๆ เปนตน


265 10.1.7.4 แพลเลเดี่ยมและไอริดเดี่ยม (Palladium and Iridium) โลหะทั้งสองชนิดนี้ เปน โลหะที่มีคาสูงกวาทองคํา แพลเลเดียม มีลักษณะคลายทองคําขาว สวนไอริดเดี่ยมเปนโลหะที่ใช ผสมกับทองคําขาวในการทําปากกา โลหะทั้งสองนี้มีคุณสมบัติพิเศษ คือ ทนตอการกัดกรอนและมี อุณหภูมิสูง ๆ ไดดีมาก มีจุดหลอมละลายสูง และมีความแข็งผิวสูง 10.1.8 ทานทาลั่ม (Tantalum) ทานทาลัม เปนโลหะที่ออนมาก จึงทําใหยากตอการแปรรูปบนเครื่องจักร และเศษโลหะ ที่เกิดจากการแปรรูป จึงติดแนนอยูที่คนของเครื่องมือตัดอีกดวย คุณสมบัติของทานทาลัมก็คือ เปน โลหะที่ทนความรอนไดสูง จึงเหมาะตอการใชงานที่อุณหภูมิสูงกวา 2000๐ ฟ (1093ํ๐ ซ) ทนตอการ กัดกรอนไดดี ทนกรดเกือบทุกชนิด ใชทําเครื่องมือทันตแพทย ผสมกับทังสเตนคารไบด เปน ทานทาลัม คารไบด ทําเครื่องมือตัดที่ทนตอการกัดกรอนไดสูง 10.1.9 โมลิบดินั่ม (Molybdenum) โมลิบดินั่ม เปนโลหะที่ใชกับงานอุณหภูมิสูงใชเปนตัวประสมกับเหล็กกลา ทําใหเหล็กมี ความเหนียว มีความเคนแรงดึงเพิ่มขึ้น และทําใหการชุบแข็ง ซึมลงบนผิวไดสูงขึ้น 10.1.10 วานาเดี่ยม (Vanadium) วานาเดี่ยม เปนโลหะที่มีสีเทาคลายเหล็ก มีความแข็งมาก โดยปกติจะใชเปนโลหะ ประสมกับเหล็ก ซึ่งจะทําใหเหล็กมีความเคนแรงดึงและความเหนียวเพิ่มมากขึ้น 10.1.11 โคบอลท (Cobalt) โคบอลท เปนโลหะที่มีคุณสมบัติทั่ว ๆ ไปคลายกับนิกเกิล แตมีความเหนียวมากกวา มี สีขาวออกชมพูเกือบเปนสีเทา โคบอลทใชเปนโลหะประสมกับเหล็ก ทําแมเหล็กและเปนตัวชวยทํา ใหเหล็กมีความแข็งเพิ่มขึ้น 10.1.12 โครเมี่ยม (Chromium) โครเมี่ยม มีสีเทาคลายเหล็ก เปนโลหะที่แข็งและเปราะ ทนตอการกัดกรอนไดดีมาก ใช ชุบเคลือบผิวเครื่องมือเพื่อมิใหเกิดสนิม และยังใชเปนโลหะประสมกับเหล็กชวยเพิ่มความแข็ง ความแข็งแรงและทนตอการกัดกรอน อีกทั้งยังใชเปนโลหะประสมในการทําเหล็กไรสนิทอีกดวย 10.1.13 แคดเมี่ยม (Cadmium) แคดเมี่ยมสวนใหญที่ใชในงานอุตสาหกรรม มักจะใชในรูปโลหะประสม ซึ่งจะทําให โลหะที่ถูกประสมนั้น มีจุดหลอมเหลวต่ําลงมา นอกจากนี้ยังใชชุบเคลือบผิวเหล็ก และอลูมิเนียมให มีผิวดาน ดูสวยงาม เชน ชุบไมโครมิเตอร เครื่องมือวัดตาง ๆ เปนตน 10.1.14 ปรอท ปรอท เปนโลหะเหลวที่อุณหภูมิปกติ มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวสูงมาก จึงนิยมนํามา ทําเทอรโมมิเตอร ไอของปรอท เมื่อเติมลงในหลอดนิออน จะใหแสงสีเขียวและอุลตราไวโอเลต


266 ปรอทรวมตัวกับโลหะอื่น ๆ ไดเกือบทุกชนิด เปนโลหะอมัลกัม (Amalgum) ยกเวน นิกเกิล วุลแฟรม โมลิดิมั่ม และเหล็ก 10.2 โลหะเบา 10.2.1 อลูมิเนียม และโลหะประสมอลูมิเนียม 10.2.1.1 อลูมิเนียม (Aluminium) เปนโลหะที่มีน้ําหนักเบา ประมาณ 168.5 ปอนด ตอ ลูกบาศกฟุต เมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กซึ่งมีน้ําหนัก 487 ปอนด ตอลูกบาศกฟุต จะพบวาอลูมิเนียมเบา กวา เกือบ 3 เทาตัว ลักษณะที่สําคัญอื่น ๆ คือเปนโลหะที่มีสีขาวออน เปนตัวนําความรอนและเปนตัว ไฟฟาที่ดีอีกชนิดหนึ่งเมื่อเปรียบเทียบกับทองแดง อลูมิเนียมจะนําไฟฟาเปน 2/3 ของทองแดง อลูมิเนียมบริสุทธิ์ เมื่อทิ้งไวในอากาศ ผิวของมันจะรวมตัวกับออกซิเจน เปนอลูมิเนียมออกไซด เคลือบติดอยูบนผิวบาง ๆ ทําใหอลูมิเนียมทนตอการกัดกรอนของบรรยากาศไดดี อลูมิเนียม เมื่อบริสุทธิ์จะมีจุดหลอมละลายประมาณ 1220๐ ํฟ (660 ๐ ํซ) งายตอการหลอ หลอม งายตอการแปรรูปบนเครื่องจักร และสามารถนํามาผลิตใหมีรูปราง ตาง ๆ ไดอยางกวางขวาง ประโยชนของอลูมิเนียมใชทําชิ้นสวนของยานพาหนะตาง ๆ ใชในงานอุตสาหกรรม กอสราง ระบบลําเลียงเครื่องใชเครื่องโลหะภัณฑตาง ๆ สรางชิ้นสวนของเครื่องบิน ภาชนะบรรจุ อาหาร สายเคเบิ้ลแรงสูง

รูป 10.3 อาคารที่มีโครงสรางทําจากอลูมิเนียม แมกนีเซียมเปนโลหะชนิดหนึ่งที่มีลักษณะคลายคลึงกับอลูมิเนียมมาก การที่จะแยกโลหะ ทั้งสองออกวา อะไรเปนอลูมิเนียมและอะไรเปนแมกนิเซียม จึงเปนการยาก บางครั้งจําเปนตองใช วิธีการทดสอบทางเคมีเขาชวย โดยนําสังกะสี คลอไรดผสมกับน้ําหรือใชกรดมูเรียติค (Muriatic) หยด


267 ลงบนผิวของโลหะทั้งสอง ถาเปนแมกนิเซียมผิวจะดําโดยทันที แตถาเปนอลูมิเนียมจะไมมีการ เปลี่ยนแปลง มาตรฐาน มีระบบตัวเลขที่ใชเปนตัวบอกชนิดของอลูมิเนียมมากมาย หลายมาตรฐานดวยกัน เชน ASTM SAE เปนตน ซึ่งระบบเหลานี้ไดถูกนํามาใช ในงานอุตสาหกรรมอยางกวางขวาง แตอยางไร ก็ดี ในป 1954 สมาคมอลูมิเนียมแหงประเทศสหรัฐ ไดตั้งระบบมาตรฐานอลูมิเนียมมา ดังตาราง 10-3 ตาราง 10 - 3 อลูมิเนียม และอลูมิเนียมประสม หมายเลข 1 xxx 2 xxx 3 xxx 4 xxx 5 xxx 6 xxx 7 xxx 8 xxx 9 xxx

ธาตุประสมสําคัญ ไมผสม (บริสุทธิ์) ทองแดง แมงกานิส ซิลิกอน แมกนิเซียม แมกนิเซียมและซิลิกอน สังกะสี ธาตุอื่น ๆ ไมใช (ยังไมกาํ หนด)

จากตาราง นั ก เรี ย นจะเห็ น ว า มี ตั ว เลขนํ า หน า โค ด ตั ว เลขเหล า นี้ จะเป น ตัวกําหนดชนิดของธาตุที่ประสมอยูตัวที่ 2 จะถูกแทนดวย x ซึ่งจะเปนตัวกําหนดการเปลี่ยนแปลง อื่น ๆ ที่มาจากธาตุผสมเดิม และ 2 หลักสุดทาย (xx) จะเทียบอลูมิเนียมประสมนั้น ๆ กับระบบ มาตรฐานเดิม ยกเวน ลําดับที่ 1100 ซึ่งเลข 2 หลักสุดทาย จะเปนตัวกําหนดความบริสุทธิ์ของ อลูมิเนียม เหนือ 99 เปอรเซ็นต ตัวอยาง อลูมิเนียมประสมนัมเบอร 5056 เปนอลูมิเนียมผสมแมกนีเซียมซึ่งเลข 5 แทน แมกนิเซียม 0 แทนการเปลี่ยนแปลงของธาตุประสม (ในที่นี้ไมมีการเปลี่ยนแปลง) และเลข 56 จะเปนตัวเทียบโคดกับระบบมาตรฐานเดิม อลูมิเนียม 1120 เปนอลูมิเนียมที่ไมมีธาตุอื่นผสมอยู เลข 20 จะเปนตัวบอกถึงความ บริสุทธิ์ของอลูมิเนียมเกินจาก 99% ไป 0.20% (นั่นคืออลูมิเนียม 1120 จะมีความบริสุทธิ์ 99.20%)


268 10.2.1.2 อลูมิเนียมประสม (Aluminium Base Alloy) ก.) ดูราลูมีน (Duralumin ) มีอลูมิเนียมผสม 95% ทองแดง 4% แมงกานิส 0.15% และแมกนิเซียม 0.05% ใชอยางกวางขวางในอุตสาหกรรมผลิตเครื่องบิน และอุตสาหกรรม ขนสง ข.) โลหะประสม อลูมิเนียม – ซิลิกอน งายตอการตีขึ้นรูปและหลอ ใชทํา ลูกสูบรถยนต งานหลอที่ตองการความประณีต ค.) โลหะประสม อลูมิเนียม – แมงกานิส เปนโลหะที่รักษารูปทรงไดดีและ ตานทางตอการกัดกรอน มีความสามารถในการเชื่อม โลหะประสมชนิดนี้ ใชทําเครื่องใชภาชนะ ถังน้ํามัน ทอและทอที่รบแรงดัน ง.) โลหะประสมอลูมิเนียม – แมกนิเซียม ตานทานตอการกัดกรอนไดดี และแข็งแรงพอประมาณ ใชทําทอแกสหรือทอสงน้ํามันในรถยนต จ.) โลหะประสมอลูมิเนียม - ซิลิกอน - แมกนีเซียม เปนโลหะที่ทนตอการ กัดกรอนไดดีเลิศ งายตอการใชงานและหลอ ใชทําเรือขนาดเล็ก เฟอรนิเจอร ราวสะพาน งาน ทางดานสถาปตยกรรม ฉ.) โลหะประสมอลูมิเนียม – สังกะสี ประกอบดวย สังกะสี แมกนีเซียมและ ทองแดง กับแมงกานิสและโครเมี่ยม อีกเล็กนอย โลหะประสมชนิดนี้ มีความเคนแรงดึงสูงมาก ทน ตอการกัดกรอนดี และชุบแข็งไดใชทําสิ้นสวนโครงเครื่องบิน

รูป 10.4 อลูมิเนียมผลิตขึ้นจาก อลูมินา (อลูมิเนียมออกไซด) ในเซลลอิเลคโตรไลท (แยกดวยไฟฟา)


269 10.2.2 แมกนิเซียม และแมกนิเซียมประสม 10.2.2.1 แมกนิเซียม (Magnesium) ในระยะเวลา 25 ป ที่ผานมาแมกนิเซียม เปน โลหะอีกชนิดหนึ่งที่มีความสําคัญ และถูกนํามาใชงานทางดานการคาเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะอื่น ๆ คุณสมบัติที่เดนที่สุดก็คือ เปนโลหะที่มีน้ําหนักเบาที่สุด (มี ถพ. 1.74) มีน้ําหนักเทากับ 23% ของเหล็ก และเทากับ 64% ของอลูมิเนียม โดยปริมาตรเทากัน มีคุณสมบัติในการแปรรูปบนเครื่องจักรดีเลิศ อยางไรก็ดี ความแข็งแรงของแมกนิเซียมจะสัมพันธอยูกับความบริสุทธิ์ คือยิ่งบริสุทธิ์มากเทาไร แมกนิเซียมมีความบริสุทธิ์ 99.8%) ก็จะมีความแข็งแรงลดลง ดวยเหตุผลนี้ แมกนิเซียมเกือบทั้งหมด ที่ถูกนํามาใช จึงอยูในรูปของ แมกนิเซียมประสม แมกนิเซียมสวนใหญ จะถลุงมาจากน้ําทะเล ดังรูป 9.5 ซึ่งแสดงใหเห็นขั้นตอนสําคัญ ตั้งแตเริ่มตนจนไดแมกนิเซียมออกมาในขั้นสุดทาย

รูป 10.5 แผนผังแสดงการถลุงแมกนิเซียมจากน้ําทะเล แมกนิเซียมบริสุทธิ์จะออน มีสีขาว – เงิน ลักษณะใกลเคียงกับอลูมิเนียม ใชเปนโลหะ โครงสรางไมไดเลย เพราะมีความแข็งแรงนอยมาก นอกจากนี้ แมกนิเซียมไมวาจะอยูในสภาพใด ลุก ไหมไฟไดงาย เปลวแมกนิเซียมสวางไสวมาก


270 10.2.2.2 แมกนิเซียมประสม (Magnesium Alloy) แมกนิเซียมเกือบทั้งหมดที่นํามาใชงาน ทางดานอุตสาหกรรม อยูในรูปของแมกนิเซียมประสม ดังที่ไดกลาวแลววา แมกนิเซียมบริสุทธิ์จะ ออน แตเมื่ออยูในรูปของโลหะประสมแลว กลับแข็งแรง และใชงานไดดี ตัวอยางการใชงานไดแก ชิ้นสวนของเครื่องบิน ทําดอกไมไฟ หลอดไฟในกลองถายรูป ใชในอุตสาหกรรมผลิตอาวุธ มาตรฐาน แมกนิเซียมประสม แบงออกเปน 2 ขั้น ดวยกันคือ 1) ชนิดหลอ 2) ชนิดรีดขึ้นรูป มาตรฐานของแมกนิเซียมถูกกําหนดขึ้นโดย สมาคมทดสอบวัสดุแหงอเมริกา (American Society for Testing Materials) จากโคดระบบนี้ จะประกอบดวยตัวอักษร ไมเกิน 2 ตัว ซึ่ง แทนธาตุ ป ระสมและเจาะจงธาตุ ที่ มี เ ปอรเ ซ็น ตม ากที่ สุด เรี ย งตามลํ าดับ เปอร เ ซ็ น ต หรื อถ า เปอรเซ็นตเทากัน ก็จะเรียงลําดับตัวอักษร ตัวอักษรที่ใชแทนธาตุประสมเหลานี้ คือ A = อลูมิเนียม N = นิคเกิล B = มิสมัธ P = ตะกั่ว C = ทองแดง Q = เงิน D = แคดเมี่ยม R = โครเมี่ยม E = ออกไซดของโลหะที่หายาก S = ซิลิกอน (มี14 ชนิด) F = เหล็ก T = ดีบุก G = แมกนีเซี่ยม X = พลวง H = ทอเรียม Z = สังกะสี K = เซอรโคเนียม L = ลิเทียม M = แมงกานิส ตัวอยาง โลหะประสม AZ 63 A หมายถึง แมกนิเซียมประสม ที่มีอลูมิเนียมและสังกะสีเปนธาตุ ประสมหลัก โดยมีอลูมิเนียมเฉลี่ย 6% และสังกะสีเฉลี่ย 3% ใชสําหรับงานที่ตองการความเหนียวสูง โลหะประสม PK 31 A หมายถึง แมกนิเซียมประสมที่มี ทอเรียม และ เซอรโคเนียม เปน ธาตุประสมหลัก โดยมีทอเรียมเฉลี่ย 3% และเซอรโคเนียม สูงสุด 1% ใชสําหรับงานที่อุณหภูมิสูง 650 ๐ ฟ - 700 ๐ ฟ หมายเหตุ ลักษณะตัวทาย จะบอกชนิดของโลหะประสมนั้น ๆ เชน AZ 91 อาจจะมี 3 ชนิดดวยกัน คือ A B และ C แตละชนิดจะมีสวนผสมตางกันออกไป


271 10.2.3 ติตาเนียม (Titanium) เปนโลหะที่มีสีขาว – เงิน มีจุดหลอมละลายสูง 3140 ๐ ฟ (1727๐ ฟ) น้ําหนักเบา ความถวงเฉพาะ 4.5 ตานทานตอการกัดกรอนที่อุณหภูมิต่ํากวา 800๐ - 1000๐ ฟ ไดดี ติตาเนียม ผสม มีความแข็งแรงเปน 2 – 3 เทาของอลูมิเนียมประสม และเทากับเหล็กกลาประสมบางชนิด ติตาเนียมใชงานในอุตสาหกรรมผลิตอากาศยาน เชน ทําชิ้นสวนของเครื่องยนตไอพน แผนกั้นความรอน ชิ้นสวนของจรวด เปนตน ติตาเนียมบริสุทธิ์ มีความเคนแรงดึงประมาณ 50,000 ปอนด ถึง 90,000 ปอนด ตอตารางนิ้ว ซึ่งคลายคลึงกับเหล็กกลาทนตอการกัดกรอนไดดี เทา ๆ กับเหล็กไรสนิม 10.2.4 เซอรโครเนียม (Zirconium) เซอรโครเนียม มีลักษณะคลายคลึงกันติตาเนียม ทั้งดานการใชงานและคุณสมบัติทาง ฟสิคส ทนความรอนไดสูงมาก เซอรโคเนียมประสม ใชในงานเตาปฏิกรณปรมาณู หลอดไฟถายรูป ชิ้นสวนที่ใชฝงในการผาตัด เชน สกรู หมุด เปนตน 10.2.5 แบริลเลี่ยม (Beryllium) แบริลเลี่ยม มีความถวงจําเพาะ 1.85 ซึ่งเกือบจะเทากับแมกนิเซียม มีจุดหลอมละลายที่ 2345ํ ๐ ฟ (1285๐ ซ ํ) เปนโลหะที่มีอัตราการยืดตัวนอยมาก คือประมาณ 1.5 ถึง 7 เปอรเซ็นตเทานั้น การนําแบริลเลี่ยมไปใชงาน จะตองระมัดระวังเปนพิเศษ เนื่องจากไอหรือฝุนของแบริลเลี่ยมเปนพิษ ตอรางกายเมื่อสูดดมเขาไป ประโยชนของแบริลเลี่ยม ใชเปนธาตุประสมในทองแดง นิกเกิล และแมกนิเซียม ซึ่งจะทําให โลหะประสมเหลานั้นมีความแข็งเพิ่มมากขึ้น โลหะประสมทองแดง – แบริลเลี่ยม ใชกับงานที่ ตองการความแข็งแรงสูงและทนตอการกัดกรอนไดดีเลิศ


บรรณานุกรม ไกรรพ กมลนาวิน, เรือโท. โลหะวิทยา. พิมพครั้งที่ 1 : โรงเรียนนายเรือ, 2531 ชาญวุฒิ ตั้งจิตวิทยา และ สาโรช ฐิติเกียรติพงศ. วัสดุในงานวิศวกรรม (ฉบับปรับปรุงแกไข เพิม่ เติม). กรุงเทพ ฯ : บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จํากัด , 2521 บุญธรรม ภัทรจารุ. วัสดุชา ง. กรุงเทพ ฯ : บริษัท ซีเอ็ดยูเคชั่น จํากัด , 2545 กรมพัฒนาการชาง, กรมอูทหารเรือ. คําแนะนําทางชาง หมายเลข ค.0001- 34 เรื่องการเลือกใชพสั ดุ ทางชาง . กรุงเทพ ฯ : กองควบคุมคุณภาพ, 2534 กรมพัฒนาการชาง, กรมอูทหารเรือ. วัสดุชาง . กรุงเทพ ฯ : โรงเรียนชางกรมอูทหารเรือ กองการศึกษา.

Engineering Materials  

engineering materials

Advertisement