ภาคผนวก ก/6

รายงานฉบับสมบูรณ

การปรับลดปริมาณสารอินอคคูแลนตในงานหลอขนาดใหญ

สถาบันเหล็กและเหล็กกลาแหงประเทศไทย

2553

ก/6-1

บทที่ 1

บทนํา

1.1 ความสําคัญและที่มาของโครงการวิจัย

เหล็กหลอเทา (Grey Cast Iron) เปนเหล็กหลอที่มีการผลิตและใชงานอยางแพรหลายใน

ภาคอุตสาหกรรม เนื่องจากเปนเหล็กหลอที่มีสมบัติทางกลที่ดีหลอหลอมไดงายและราคาถูกเมื่อเทียบกับ

เหล็กหลอชนิดอื่นๆ ขั้นตอนสําคัญในการผลิตเหล็กหลอเทาใหไดแกรไฟตรูปทรงตามที่ตองการขึ้นอยูกับ

การควบคุมและปรับแตงสวนผสมทางเคมีของน้ําเหล็กเริ่มตน การเติมและการควบคุมปริมาณธาตผุสม การ

ทําอินอคคูเลชั่นเพื่อควบคุมผลึกแกรไฟตใหมีลักษณะเกร็ดขนาดเล็กและกระจายตัวอยางสม่ําเสมอ

เนื่องจากการเปลี่ยนรูปรางทางสัญฐานวิทยาของแกรไฟตขึ้นอยูกับสวนผสมทางเคมีและปริมาณธาตผุสมท่ี

เติมลงในน้ําเหล็ก ซึ่งดูเหมือนจะเปนเรื่องงาย แตในทางปฏิบัติเพียงแคการควบคุมสวนผสมทางเคมี และ

ปริมาณธาตุผสมยังไมสามารถผลิตงานใหไดคุณภาพตามท่ีตองการไดทั้งหมด เนื่องจากตัวแปรที่สงผลตอ

คุณภาพงานหลอยังมีอีกหลายตัวแปร ปญหาหลักที่พบในการผลิตเหล็กหลอในประเทศไทยคือการขาด

ความรูความเขาใจและเทคโนโลยีที่เหมาะสม เพื่อผลิตเหล็กหลอใหไดคุณภาพ มีประสิทธิภาพและ

ประสิทธิผล

ปจจุบันในไดมีการพัฒนาเทคนิคกระบวนการศึกษาคาทางความรอน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการ

ผลิตเหล็กหลอ โดยนํากราฟแสดงคาความสัมพันธระหวางเวลากับอุณหภูมิหรืออัตราการเย็นตัว มาแยก

วิเคราะหเพื่อพิจารณาปรากฎการณทางกลและสมดุลทางเทอรโมไดนามิกสที่เกิดในระหวางการแขง็ตวัของ

น้ําเหล็ก ทําใหไดเครื่องมือที่สามารถวิเคราะหคาคารบอนเทียบเทา (Carbon Equivalent) , ระดับความอิ่มตัว

(Saturation degree), ปริมาณคารบอนและซิลิคอน (Carbon and Silicon content), ยูเท็คติกอันเดอรคูลลิ่ง

(Eutectic undercooling), และ ระดับของการอินอคคูเลชั่น (Control of inoculation degree) นอกจากนี้ยัง

สามารถทํานายถึงคุณสมบัติทางกลและคุณสมบัติทางกายภาพ เปนตนเชน คาความแข็งแรงการตานทาน

แรงดึง คาความแข็ง Graphitization factor และปริมาณยูเทคติกแกรไฟต เปนตน

งานวิจัยนี้มุงศึกษาเสนกราฟการเย็นตัว และวิเคราะหปญหาการถายเทความรอนที่เกี่ยวของกับ

ปรากฎการณทางกลและสมดุลทางเทอรโมไดนามิกส เพื่อนําผลการศึกษาดงักลาว มากาํหนดกระบวนการท่ี

ก/6-2

เหมาะสมในการหลองานใหไดคุณภาพตามที่ตองการ และเนื่องจากการเติมโลหะผสมตางชนดิกนั จะสงผล

ใหโลหะที่ไดมีอัตราการถายเทความรอน และปรากฎการณทางกลและสมดุลทางเทอรโมไดนามิกสที่

แตกตางกัน การที่ศึกษาเหล็กหลอเทานั้น เพื่อเปนพื้นฐานสําหรับนําไปวิเคราะหเหลก็หลอชนดิอืน่ๆ โดยทาํ

การทดลองหาคาความสัมพันธระหวางเวลากับอุณหภูมิในระหวางการแขง็ตวั สรางกราฟความสมัพนัธ แลว

นํามาวิเคราะหเพื่อกําหนดกระบวนการหลอที่เหมาะสม โดยใชวัตถุดิบท่ีมีในประเทศ

1.2 วัตถุประสงคของการวิจัย

1. วิเคราะหเสนกราฟการเย็นตัวท่ีเกี่ยวของกับปรากฎการณทางกลและสมดุลทางเทอรโมไดนามิกส

2. นําผลการศึกษามากําหนดกระบวนการที่เหมาะสมในการผลิตเหล็กหลอเทา

1.3 ผลที่คาดวาจะไดรับ

1. กราฟแสดงคาความสัมพันธระหวางเวลากับอุณหภูมิหรืออัตราการเย็นตัวของเหล็กหลอเทา (จาก

โรงงานตนแบบ)

2. ลดปริมาณการใชอินอคคูแลนทลง 10% โดยที่ไดงานหลอที่มีสมบัติทางกลและรูปรางทางสัณฐาน

วิทยาตามที่ตองการ

ก/6-3

บทที่ 2

การศึกษาขอมูลเบื้องตน

2.1 หลักการและแบบของเทอรโมคัปเปล

การทําความเขาใจปรากฏการณและกลไกในขณะเกิดการเปลี่ยนสภาวะจากของเหลวเปนของแข็ง

สําหรับโลหะ หมายถึงการติดตามพฤติกรรมที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงมาก ดังนั้นการเลือกใชเครื่องมือในการ

ติดตามพฤติกรรมดังกลาวจึงมีความสําคัญเพราะอุปกรณที่ใชวัดอุณภูมิมีหลายชนิด แตละชนิดอาศัย

หลักการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเฉพาะของสาร กลาวคือจะตองมีการเปลี่ยนแปลงที่วัดไดเมื่ออุณหภูมิที่วัด

เปลี่ยนไป และการเปลี่ยนแปลงที่วัดไดจะตองคงที่แนนอนและพิสูจนได

รูปที่ 2.1 หลักการของ Thomas Seebeck

เทอรโมคัปเปลเปนเครื่องมือวัดอุณหภูมิที่อาศัยหลักการเชิงไฟฟา โดยนักวิทยาศาสตรชาวเยอรมัน

Thomas Seebeck พบวาเมื่อนําลวดโลหะ 2 เสนที่ทําดวยโลหะตางชนิดกันมาเชื่อมปลายทั้งสองเขาดวยกัน

ถาปลายจุดตอทั้งสองมีอุณหภูมิตางกันจะเกิดกระแสไฟฟาไหลในวงจรเสนลวดทั้งสอง ปริมาณการไหล

ของกระแสไฟฟานี้จะเปลี่ยนแปลงไปตามผลตางของอุณหภูมิท่ีปลายจุดตอทั้งสองและถาเปดปลายจุดตอ

ดานหนึ่งออก จะทําใหเกิดแรงเคลื่อนไฟฟาขึ้นที่ปลายดานที่เปด โดยแรงเคลื่อนไฟฟาที่เกิดขึ้นจะเปน

สัดสวนกับผลตางของอุณหภูมิที่จุดตางทั้งสอง จากหลักการดังกลาวไดเกิดเทอรโมคับเปลแบบมาตรฐาน

ขึ้นหลายชนิด เพื่อใหเหมาะสมกับการใชงานในลักษณะตางๆ

ในที่นี้ เราทําการศึกษาพฤติกรรมการเย็นตัวของเหล็กหลอเทาซึ่งหลอมเหลวบนเตาอุณหภูม ิ1400 -

1500˚C กอนเทลงเบารับน้ําดวยอุณหภูมิ 1350 - 1400˚C และหลอลงแบบทรายอุณหภูมิ 1300 – 1350˚C

ในสวนของการวิจัยนี้ ทําการทดลองเปรียบเทียบการใชงานเทอรโมคัปเป แบบ K (โครเมล-อลูเมล)

และ แบบ R(แพตทินัม –แพตทินัม/โรเดียม) การเลือกใชเทอรโมคัปเปลแสดงไวในภาคผนวก ก.

ก/6-4

ตารางท่ี 2.1 เทอรโมคับเปลแบบมาตรฐานจากหลกัการเปลีย่นแปลงคุณสมบัติทางไฟฟา

เทอรโมมิเตอร หลักการวัด วัสดุที่ใช ชวงการวัด

เทอโมคัปเปล ∆ อุณหภมู ิ → เทอรโมคปัเปล → ∆แรงเคลื่อนไฟฟา แบบ B

แบบ S

แบบ R

แบบ K

แบบ E

แบบ J

แบบ T

600 ~ + 1,700˚C

0 ~ + 1,600˚C

0 ~ + 1,600˚C

-200 ~ + 1,200˚C

-200 ~ + 800˚C

-200 ~ + 800˚C

-200 ~ + 350˚C

อารทีด ี ∆ อุณหภมู ิ → ��� → ∆ความตานทาน แพลทนิมั

นิกเกิล

ทองแดง

-258 ~ + 900˚C

-150 ~ + 300˚C

-200 ~ + 120˚C

เทอรมิสเตอร ∆ อุณหภมู ิ → เทอรมสิเตอร → ∆ความตานทาน เทอรมสิเตอร -30 ~ + 300˚C

ก/6-5

2.2 การศึกษาพฤติกรรมการเย็นตัวของเหล็กหลอเทา

การทําความเขาใจกลไกของกระบวนการแข็งตัว จากตัวอยางเหล็กหลอเทาชนิดไฮโปยูเทกติก

(Hypoeutectic grey iron) ซึ่งเปนเหล็กหลอที่มีคารบอนสมมูล (Carbon equivalent value หรือคา C.E.) ต่ํา

กวารอยละ 4.3

ในขณะที่น้ําเหล็กเย็นตัวลงมา เฟสของแข็งเฟสแรกที่ตกผลึกออกจากน้ําเหล็กคือเฟสออสเตนไนต

ปฐมภูมิ (primary austenite) ขณะที่อุณหภูมิลดลงตอไปนั้นความเขมขนของคารบอนในน้ําเหล็กจะเพ่ิมขึ้น

เรื่อยๆ จนกระทั่งในที่สุดน้ําเหล็กสวนที่เหลือจะมีคารบอนละลายอยูเทากับรอยละ 4.3 ซึ่งจะเปนความ

เขมขนพอดีสําหรับการแข็งตัวขั้นสุดทายแบบยูเทกติก (ถาสภาวะทุกอยางอยูในสมดุล) อยางไรก็ตาม

ภายใตสภาวะการหลอที่ใชกันอยูการแข็งตัวจะไมอยูในสภาวะสมดุล ความแตกตางดานสวนผสมทางเคม ี

อุณหภูมิเท อัตราการแข็งตัว ความหนาบางของชิ้นงาน และสภาวะอื่นๆ หนุนเสริมใหน้ําโลหะเย็นตัวเลย

อุณหภูมิยูเทกติกและแข็งตัวขั้นสุดทายที่อุณหภูมิตํ่ากวาอุณหภูมิยูเทกติก ถาการเย็นตวัเลยอณุหภมูยิเูทกตกิ

ดังกลาวนี้เกิดขึ้นเพียงเล็กนอย เกล็ดแกรไฟตที่เกิดจะกระจายอยางคอนขางสม่ําเสมอในเนื้อพื้นที่เปนเหล็ก

เราเรียกแกรไฟตแบบนี้วาแกรไฟตแบบ A แตหากการเย็นตัวเลยอุณหภูมิยูเทกติกไปมากแกรไฟตที่เกิดจะ

แตกแขนงออกไปเกิดเปนรูปแบบที่ผิดไปจากปกติซึ่งไดแกแกรไฟตแบบ B และ D หากการเย็นตัวเลยยัง

เกิดมากขึ้นไปอีกก็จะยับยั้งการตกผลึกของแกรไฟตโดยสมบูรณและเกิดเปนโครงสรางเหล็กคารไบดความ

แข็งสูงขึ้นมาแทน

2.3 โครงสรางและเฟสตางๆ ในเหล็กหลอ

โครงสรางของเหล็กหลอมีผลอยางมากตอความแข็งแรงและความยากงายในการกลึงไส ในทาง

ปฏิบัตินั้นนิยมใชคาความแข็ง (อาทิเชน Brinell) เปนตัวบอกความยากงายในการกลึงไส ชิ้นงานที่มีคา

ความแข็งนอยจะกลึงไสไดงายและยากขึ้นเมื่อคาความแข็งเพ่ิมสูงขึ้น

โครงสรางของเหล็กหลอขึ้นอยูกับปจจัยหลายประการแตในขั้นตอนการผลิตมีขั้นตอนสําคัญสอง

ขั้นตอนที่มีผลอยางมากตอโครงสรางซึ่งไดแก

- ขั้นตอนการแข็งตัว (solidification)

- ขั้นตอนการอบชุบทางความรอน (heat treatment)

อยางไรก็ตามเพื่อการลดตนทุนการผลิตเราสมควรควบคุมขั้นตอนการแข็งตัวเพื่อใหไดโครงสราง

ตามตองการโดยไมตองมีขั้นตอนการอบชุบทางความรอน

ก/6-6

โครงสรางจุลภาคของเหล็กหลอประกอบดวยเฟสหลายเฟสโดยที่แตละเฟสมีความเขมขนของ

คารบอนแตกตางกันไป ตารางที่ 2.2 แสดงผลวิเคราะหสวนผสมทางเคมีและความเขมขนของคารบอนใน

เฟสตางๆ ที่เกี่ยวของในระหวางการแข็งตัวพรอมกับความหนาแนนเมื่อการแข็งตัวสิ้นสุดพอดี โครงสราง

เหล็กหลอที่เปนไปไดไดแก

1. โครงสรางแบบเหล็กหลอเทา ประกอบดวยเฟสออสเตนไนตและเฟสแกรไฟต

2. โครงสรางแบบผสมหรือ mottled ประกอบดวยเฟสออสเตนไนต เฟสแกรไฟตและเฟสซีเมนไตต

3. โครงสรางแบบเหล็กหลอขาว ประกอบดวยเฟสออสเตนไนตและเฟสซีเมนไตต

สังเกตุไดวาการแข็งตัวของเหล็กหลอนั้นจะเกิดเปนเฟสของแข็งอยางนอยสองเฟสและหนึ่งในนั้น

เปนออสเตนไนตเสมอ หลังการแข็งตัวสิ้นสุดลงแลวชิ้นงานจะเย็นตัวตอไปและเฟสออสเตนไนตจะ

เปลี่ยนเฟสกลายไปเปนโครงสรางเพิรลไลต และ/หรือ เฟสเฟอรไรต ที่อุณหภูมิตํ่ากวา (การเปลี่ยนเฟสแบบ

ยูเทกตอยด)

ตารางที่ 2.2 สวนผสมทางเคมีโดยประมาณและความถวงจําเพาะของเฟสตางๆ ที่เกี่ยวของใน

ระหวางการแข็งตัวของเหล็กหลอที่มีซิลิคอนผสมอยูรอยละ 2.4

เฟส สวนผสมทางเคมี (รอยละ) ความถวงจาํเพาะ

Fe C (กรัม/ซ.ม.3)

เหล็กหลอมเหลว 94.6 - 93.6 3 - 4 6.9

ออสเตนไนต 96-9 – 96.5 0.7 – 1.1 7.8

ซีเมนไตต 93.3 6.7 7.7

แกรไฟต 0 100 2.2

ในเฟสของแข็งทั้งหมดท่ีกลาวถึงนั้น เฟสซีเมนไตตเปนเฟสที่มีความแข็งมากที่สุด (ประมาณ HB

660) ในขณะท่ีแกรไฟตจะเปนเฟสที่คอนขางออนและมีความหนาแนนต่ําซึ่งสามารถทําหนาที่เปนตัวหลอ

ลื่นในระหวางการกลึงไส ปริมาณของเฟสซีเมนไตต และเฟสแกรไฟตในโครงสรางหลังการแข็งตัวเสร็จ

สิ้นจึงมีผลอยางมากตอความแข็งและความยากงายในการกลึงไส ในขณะที่ออสเตนไนตมีบทบาทนอยกวา

ในดานนี้

ก/6-7

2.4 ผลจากสวนผสมทางเคมีตอโครงสรางหลังจากการหลอ

เรานิยมจําแนกธาตุผสมตางๆ ที่มีผลตอโครงสรางเหล็กหลอออกเปนสองกลุม ธาตุเหลานี้เมื่อ

ละลายอยูในเหล็กหลอแลวจะชวยใหเกิดแกรไฟต หรือไมก็ชวยใหเกิดโครงสรางคารไบด ธาตุที่ชวยให

เกิดแกรไฟตจะเสริมใหอะตอมคารบอนเกิดพันธะระหวางกันเองและเกิดเปนแกรไฟตในโครงสรางหลัง

การหลอ (as-cast) ธาตุที่ชวยใหเกิดคารไบดนั้นจะเสริมใหอะตอมคารบอนสรางพันธะกับอะตอมเหลก็เกดิ

เปนซีเมนไตต ตารางที่ 2.3 แสดงธาตุตางๆ ที่ชวยเสริมใหเกิดโครงสรางทั้งสองแบบ

วัสดุที่ปอนเขาเตาตามปกติซึ่งไดแกเศษเหล็กและเศษเหล็กหลอนอกโรงงานมักจะมีความผันผวน

แตกตางกันไปตามแตละงวดการซื้อ ปริมาณธาตุโครเมียม ทองแดง ดีบุก พลวง วาเนเดียม โมลิบดีนัม

ไทเทเนียม และธาตุอื่นๆ ในเศษโลหะแตกตางกันไปตามแหลงที่มาและแตละผูคาเศษโลหะ แมแตเหล็ก

ดิบ (Pig iron) ที่ผลิตจากเศษเหล็กก็อาจจะมีการตอบสนองตอการทําอินอคคูเลชันที่แตกตางกันไปเนื่องจาก

ความผันผวนของธาตุเหลานี้แมเจือปนอยูเพียงเล็กนอย การควบคุมเพื่อใหไดการตอบสนองตอการทํา

อินอคคูเลชันที่สม่ําเสมออาจทําไดโดยการปอนเหล็กปกที่เปนเหล็กถลุง (ถลุงจากสินแรเหล็ก)ในปริมาณที่

มากพอเพื่อลดปริมาณธาตุที่ชวยใหเกิดคารไบดใหปนอยูนอยที่สุด (หมายเหตุ เหล็กปกที่ไดจากการถลุงแร

เหล็กจะมีธาตุที่ไมตองการเหลานี้เจือปนอยูในระดับที่ต่ํามาก) การควบคุมความเขมขนของธาตุมลทินจึง

เปนวิธีการหนึ่งที่จะชวยใหไดชิ้นงานหลอเหล็กหลอเทาหลังการหลอเลยและยังหลีกเลี่ยงผลจากธาตเุหลานี้

ที่มีตอโครงสรางจุลภาคและสมบัติดานอื่นไดอีกดวย

ตารางที่ 2.3 ธาตุที่ชวยใหคารบอนตกผลึกเปนแกรไฟตและธาตุที่ชวยใหตกผลึกเปนคารไบด

ธาตุที่ชวยใหเกิดผลึกแกรไฟต ธาตุที่ชวยใหเกิดคารไบด

ซิลิคอน Si วาเนเดียม V

ฟอสฟอรัส P โครเมียม Cr

อะลูมิเนียม Al แมงกานีส Mn

นิกเกิล Ni โมลิบดีนัม Mo

โคบอลต Co ทังสเตน W

ทองแดง Cu ไนโตรเจน N

แคลเซียม Ca แมกนีเซียม Mg

แบเรียม Ba ธาตุหายาก R.E.

สตรอนเชียม Sr

ก/6-8

2.5 ผลของนิวเคลียส (ตําแหนงที่ผลึกเกิดขึ้น) ตอโครงสรางหลังการแข็งตัว

การศึกษาการตกผลึกของเหล็กหลอแบบยูเทกติกที่หลอเปนชิ้นทดลองชวยใหเราเขาใจถึงการ

แข็งตัวซึ่งก็คือการเคลื่อนที่ของแนวที่แบงระหวางของแข็งกับของเหลว (solidification front) ที่เคลื่อนที่กิน

เขาไปในฝงของเหลว

การเปลี่ยนแปลงนี้ไมไดเกิดขึ้นอยางทันทีทันใดและไมไดเกิดพรอมๆ กันไปทั้งหมดทั่วทั้งหนาตัด

โลหะสวนแรกที่แข็งตัวจะเกิดขึ้นที่ผิวดานนอกซึ่งสัมผัสอยูกับแบบโดยปรากฎจุดศูนยกลางของผลึกที่เห็น

ไดชัดเจน ผลึกเหลานี้เริ่มเกิดขึ้นจากจุดเริ่มตนขนาดเล็กมาก (นิวเคลียส) และคอยๆ โตจนปรากฏเปนผลึก

ที่สามารถแยกแยะไดวาเปนของเหลวหรือของแข็ง จุดศูนยกลางของผลึกอีกสวนหนึ่งยังแยกเกิดในสวนท่ี

เปนของเหลวถัดเขามาจากแนวแบงปรากฎเปนผลึกของแข็งกระจายอยูเปนหยอมๆ (รูปที่ 2.2) ผลึก

ของแข็งที่ปรากฏอยูในโครงสรางดังกลาวนี้เรียกวาเซลยูเทกติก (eutectic cell)

รูปที่ 2.2 การแข็งตัวของเหล็กหลอที่มีสวนผสมใกลยูเทกตกิ

เซลยูเทกติกที่เปนผลึกเหลานี้ก็จะโตขึ้นและกินเขาไปในของเหลวที่เหลือเรื่อยๆ จนกระทั่ง

กลายเปนโครงสรางของแข็งขึ้นมาในที่สุด เซลยูเทกติกแตละเซลประกอบดวยเฟสแกรไฟตและออสเตน

ไนตโดยมีแกรไฟตเปนเฟสปฐมภูมิ การตกผลึกแกรไฟตเริ่มตนจากจุดศูนยกลางหรือจุดเริ่มตนของการตก

ผลึกซึ่งกระจายอยูทั่วไป (ที่เรียกวานิวเคลียส) นิวเคลียสเหลานี้เปนจุดที่เหมาะสําหรับการจับตัวของ

อะตอมคารบอน อะตอมคารบอนที่แยกตัวออกมาจากของเหลวก็คือแกรไฟตสวนแรกทีต่กผลกึออกมาเปน

เฟสเริ่มตน ระหวางที่การแข็งตัวดําเนินตอไปแกรไฟตและออสเตนไนตก็จะมาตกผลึกเกาะอยูกบัแกรไฟต

เริ่มตนสวนนี้ รูปทรงและรายละเอียดของเซลเหลานี้ในเหล็กหลอเทาจะแตกตางอยางมากจากเซลใน

เหล็กหลอแกรไฟตกลม (รูปที่ 2.3)

- ในเหล็กหลอเทา แกรไฟตแบบเกล็ดหรือแผนจะโตแยกกันออกมาจากจุดศูนยกลางรวมและตรง

สวนปลายของเกล็ดแกรไฟตที่กําลังโตอยูนี้จะยังคงแตะอยูกับสวนที่ยังเปนน้ําโลหะเสมอในขณะที่เฟส

ออสเตนไนตจะเกาะอยูระหวางเกล็ดหรือแผนแกรไฟตนี้

ก/6-9

- ในเหล็กหลอแกรไฟตกลม เม็ดแกรไฟตเกิดและโตขึ้นกอน หลังจากนั้นจะถูกแยกจากน้ําโลหะ

โดยถูกลอมดวยออสเตนไนต

สําหรับเหล็กหลอแกรไฟตกลมชนิดยูเทกติก เราอาจประมาณไดวาจํานวนเม็ดแกรไฟตเทากันกับ

จํานวนเซลยูเทกติก กลไกดังกลาวนี้สามารถอธิบายการแข็งตัวแบบยูเทกติกเทานั้นซึ่งการแข็งตัวแบบนีจ้ะ

ไมมีผลของแกรไฟตกอนปฐมภูมิ (kish หรือ primary graphite) หรือเดนไดรตออสเตนไนตปฐมภูมิ

รูปที่ 2.3 เซลยูเทกตกิในเหลก็หลอเทาและเซลยูเทกตกิในเหล็กหลอแกรไฟตกลม

เราสามารถตรวจวิเคราะหสารที่ทําหนาที่เปนนิวเคลียสในกรณีเหล็กหลอแกรไฟตกลมไดงายกวา

กรณีเหล็กหลอเทา เนื่องจากเราสามารถหาจุดศูนยกลางของเม็ดแกรไฟตไดคอนขางงาย การตรวจวดัแสดง

ใหเห็นวานิวเคลียสมีขนาดเสนผานศูนยกลางในราว 0.5 ถึง 2.0 ไมโครเมตร โดยมีสวนผสมหลักเปน

สารประกอบแมกนีเซียมซัลไฟดและแมกนีเซียมซิลิเคตสําหรับเหล็กหลอแกรไฟตกลม1 การตรวจวัดใน

ทํานองเดียวกันนี้กับเหล็กหลอเทาเปนปญหาอยางมากเนื่องจากการหาจุดเริ่มตนของเกล็ดแกรไฟตที่แตก

แขนงในเซลยูเทกติก (ซึ่งก็คือนิวเคลียสเริ่มตน) ทําไดยากกวามาก

2.6 การทําอินอคคูเลชันสําหรับเหล็กหลอ

การทําอินอคคูเลชัน (inoculation) เปนกรรมวิธีที่ใชควบคุมโครงสรางและรวมถึงสมบัติของ

เหล็กหลอโดยทําใหมกีารเย็นตัวเลยอุณหภูมิตกผลึกนอยที่สุดและเพิ่มจํานวนตําแหนงที่ผลึกจะเกิดใหได

มากที่สุดระหวางการแข็งตัวของน้ําเหล็ก อินอคคูแลนต (inoculant) คือสารที่เติมลงในน้ําเหล็กปริมาณ

เพียงเล็กนอยกอนที่จะเทน้ําเหล็กลงแบบ สารนี้จะทําใหเกิดอนุภาคหรือเฟสที่เหมาะสมสาํหรับการตกผลกึ

ของคารบอนเกิดเปนแกรไฟตในระหวางที่น้ําเหล็กเย็นตัวในแบบ แตเดิมนั้นสวนผสมหลักของสารอินอค

คูแลนตประกอบดวยแกรไฟต เฟอรโรซิลิคอน หรือแคลเซียมซิลิไซด สารอินอคคูแลนตที่นิยมในปจจุบัน

จะมีสวนผสมของธาตุบางธาตุเชน อะลูมิเนียม แบเรียม แคลเซียม สตรอนเชียม แรรเอิรธ (ธาตุหายาก) และ

เซอรโคเนียม

เปาหมายของการทําอินอคคูเลชันคือการชวยใหมีตําแหนงที่เหมาะสมสําหรับการที่คารบอนจะตก

ผลึกออกมาจากน้ําเหล็กเกิดเปนแกรไฟต แทนท่ีจะรวมกับเหล็กเกิดเปนสารประกอบเหล็กคารไบด (Fe3C

หรือซีเมนไตต cementite) วิธีที่ใชคือการปองกันไมใหน้ําเหล็กเย็นตัวเลยไปจนถึงอุณหภูมิที่ต่ํากวา

ก/6-10

อุณหภูมิยูเทกติกกึ่งเสถียรซึ่งที่อุณหภูมินี้โครงสรางคารไบด (เหล็กหลอขาว) สามารถเกิดขึ้นได กลไกการ

แข็งตัวของเหล็กนั้นเอื้อตอการเกิดโครงสรางคารไบด (ซึ่งบางทีเรียกวา chilled iron) โดยเฉพาะเมื่อทํา

อินอคคูเลชันนอยไปและโครงสรางคารไบดนั้นไมเปนท่ีตองการเนื่องจากเหตุผลหลายประการ โครงสราง

คารไบดมีความแข็งสูงทําใหกลึงไสตบแตงไดยากและตองอาศัยการอบชุบทางความรอนซึ่งก็มักจะได

ชิ้นงานที่มีสมบัติผิดเพี้ยนไปจากขอระบุและโดยทั่วไปแลวจะทําใหตนทุนการผลิตเพิ่มขึ้น

2.7 เทคนิคการเติมสารอินอคคูแลนต

การตรวจวิเคราะหทางเคมีแตเพียงอยางเดียวอาจยังไมเพียงพอสําหรับการทําอินอคคเูลชนัใหสาํเรจ็

เทคนิคการเติมอินอคคูแลนตมีผลอยางมากตอการควบคุมคุณภาพ การทําอินอคคูเลชันในเบา (ladle

inoculation) คือการเติมสารอินอคคูแลนตอยางตอเนื่องลงในกระแสน้ําเหล็กเพื่ออาศัยการไหลแบบปนปวน

ของน้ําโลหะเพื่อทําใหสารอินอคคูแลนตกระจายท่ัวถึงและสม่ําเสมอ การทําอินอคคูเลชันอาจทํารวมกับ

ระบบเตาชนิดเทอัตโนมัติ (automatic pouring furnace) ซึ่งเรียกวาการทําอินอคคูเลชันแบบ stream

inoculation โดยใชสารอินอคคูแลนตที่ละเอียดขนาดเล็กกวาแบบแรก และใชอัตราเติมที่ต่ํากวา การ

ควบคุมเวลาเปนเรื่องสําคัญเพื่อปองกันการเสื่อมของสารอินอคคูแลนตในน้ําเหล็ก ชวงเวลาตั้งแตเติมสาร

อินอคคูแลนตจนถึงการเทน้ําเหล็กลงในแบบควรจะสั้นที่สุด นอกจากเทคนิคการเติมทั้งสองแบบที่กลาว

มานี้ อาจใชสารอินอคคูแลนตที่เปนเกล็ดหรือเม็ดขนาดเล็กวางไวในรูเทหรือทางวิ่งของน้ําเหล็กในแบบ

สารอินอคคูแลนตจะทําปฏิกิริยากับน้ําเหล็กภายในแบบหลอซึ่งเราเรียกเทคนิคนี้วาการทําอินอคคูเลชันใน

แบบหลอ (in-mould inoculation)

2.8 การควบคุมคุณภาพการทําอินอคคูเลชัน

ถึงแมเราไมสามารถตรวจนับจํานวนนิวเคลียสที่อุณหภูมิน้ําเหล็กกําลงัแขง็ตัวเราอาจอนมุานผลจาก

นิวเคลียสเหลานี้ตอสมบัติหรือลักษณะในดานตางๆ โดยอาศัย

- การวดัและเก็บเสนกราฟการเย็นตัว (cooling curves)

- การตรวจวดัชั้นลึกเหล็กขาวในชิน้หลอทดสอบแบบลิ่ม (chill wedges)

- ตรวจนับจาํนวนเซลยูเทกตกิ (eutectic cell counts)

- ตรวจนับจาํนวนเม็ดแกรไฟต (nodule counts)

2.9 เสนกราฟการเย็นตัว

เสนกราฟการเย็นตัวแสดงใหเห็นการลดลงหรือเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิกับเวลาซึ่งเปนผลจากการ

เปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบ ความไมตอเนื่องของเสนกราฟการเย็นตัวแสดงใหเห็นถึงการปลดปลอย

ก/6-11

พลังงานความรอนอาทิเชนความรอนที่เฟสซึ่งกําลังตกผลึกปลดปลอยออกมา ตําแหนงของจุดเปลี่ยนโคง

บนเสนกราฟการเย็นตัวซึ่งมีลักษณะคลายอักษร S ตรงบริเวณใกลๆ กับบริเวณที่การแข็งตัวเปนแบบยู

เทกติกจะเปนจุดท่ีแสดงใหเห็นแนวโนมท่ีวาเหล็กนั้นจะแข็งตัวเปนเหล็กหลอเทาหรือเหล็กหลอขาว การ

แข็งตัวโดยมีจํานวนนิวเคลียสจํานวนมากสําหรับใหคารบอนตกผลึกเปนแกรไฟตจะชวยปองกันไมใหเกิด

เหล็กหลอขาว ซึ่งก็จะเห็นวาอุณหภูมิแทบจะมีคาคงที่ในชวงเวลาชวงหนึ่ง

ในทางตรงกันขาม ถาจุดเปลี่ยนโคงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ํา เหล็กนี้จะมีแนวโนมที่จะแข็งตัวเปน

เหล็กหลอขาวโดยมีซีเมนไตตตกผลึกออกมาแทนที่จะเปนแกรไฟต อัตราการเย็นตัวที่สูงซึ่งพบไดใน

ชิ้นงานที่คอนขางบางจะสงใหมีการเย็นตัวเลยอุณหภูมิยูเทกติกคอนขางมาก ลักษณะเชนนีส้ามารถบรรเทา

ไดโดยการเพิ่มจํานวนนิวเคลียสใหมากขึ้นเพื่อปองกันการเกิดเปนโครงสรางเหล็กขาว สําหรับระบบที่มี

เพียงเหล็กและคารบอนเพียงสองธาตุเทานั้น อุณหภูมิยูเทกติกของการเกิดผลึกแกรไฟต (แข็งตัวเปน

เหล็กหลอเทา) และอุณหภูมิยูเทกติกของการเกิดซีเมนไตต (แข็งตัวเปนเหล็กหลอขาว) จะแตกตางกันเพียง

7°C รูปที่ 6 แสดงเสนกราฟการเย็นตัวของน้ําเหล็กที่ไมไดทําอินอคคูเลชันเปรียบเทียบกับน้ําเหล็กที่ทํา

อินอคคูเลชันโดยเติมสารอินอคคูแลนตลงไปรอยละ 0.25 โดยน้ําหนัก น้ําเหล็กที่ไมไดทําอินอคคูเลชันมี

จุดเปลี่ยนโคงอยูที่ 1,145°C ในขณะที่น้ําเหล็กที่ทําอินอคคูเลชันอยูที่ 1,162°C นั่นหมายความวาเหล็กที่

ไมไดทําอินอคคูเลชันเย็นตัวเลยอุณหภูมิยูเทกติกแกรไฟตไปถึง 20°C จึงเกิดโครงสรางเปนแบบเหล็กหลอ

ขาว ในขณะท่ีเหล็กซึ่งทําอินอคคูเลชันเย็นตัวเลยเพียง 3°C ซึ่งก็เกิดโครงสรางเปนแบบเหล็กหลอเทา

รูปที่ 2.4 เสนกราฟการเย็นตัวของ (a) เหล็กหลอแกรไฟตกลมที่ไมไดทําอินอคคูเลชัน และ

(b) เหล็กหลอแกรไฟตกลมที่ทําอินอคคูเลชัน (ชิ้นทดลองหนา 30 ม.ม.)

ก/6-12

2.10 การทดลองหลอเพื่อดูการเกิดเหล็กหลอขาว

วิธีดั้งเดิมที่ใชตรวจสอบแนวโนมของน้ําเหล็กวาจะแข็งตัวเปนเหล็กหลอขาวหรอืเปนเหลก็หลอเทา

คือการทดลองหลอชิ้นทดสอบแบบลิ่ม ถาเนื้อของชิ้นหลอทดสอบเกิดเปนเหล็กหลอขาวมากหมายความ

วามีจํานวนนิวเคลียสที่เหมาะสมอยูนอยเกินไปที่แกรไฟตจะตกผลึกออกมาเปนเหล็กหลอเทา รูปที่ 2.5

แสดงภาพตัดขวางของชิ้นหลอทดสอบแบบลิ่มของโรงงานแหงหนึ่ง คาเฉลี่ยของการทดสอบน้ําเหล็กเปน

เวลาสองอาทิตยพบวาชั้นเหล็กหลอขาวลึก 11.2 มิลลิเมตรสําหรับเหล็กที่ไมไดทําอินอคคูเลชัน ในขณะที่

ชิ้นทดสอบของเหล็กที่เติม FeSi (85%Si) ปริมาณรอยละ 0.2 มีชั้นเหล็กหลอขาวสั้นลง และยิ่งสั้นลงไปอีก

เมื่อเติม Superseed ปริมาณรอยละ 0.125

รูปที่ 2.5 เหล็กหลอเทาที่หลอมจากเตาพนลมคิวโปลา (ขยาย 2.6 เทา) ชิ้นงานทางดานซายไมไดทํา

อินอคคูเลชัน ชิ้นงานตรงกลางทําอินอคคูเลชันดวย FeSi 85% ปริมาณรอยละ 0.2 โดยน้ําหนัก และชิ้นงาน

ทางดานขวาทําอินอคคูเลชันดวยสาร Superseed ปริมาณ 0.125 โดยน้ําหนัก

2.11 การตรวจนับจํานวนเซลยูเทกติกและจํานวนเม็ดแกรไฟต

การตรวจนับจํานวนเซลยูเทกติกในเหล็กหลอเทาสามารถทําไดโดยใชกรดกดัชิน้งานทีข่ดัมาอยางดี

และสองดูภายใตกลองจุลทรรศนโลหะวิทยา หากมีสารอินอคคูแลนตในปริมาณที่พอเพียงจะมีนิวเคลียส

จํานวนมากพอที่จะชวยใหแกรไฟตตกผลึกไดโดยไมเกิดการเย็นตัวเลยอุณหภูมิยูเทกติกมากนกั เมือ่ตรวจดู

ดวยกลองจุลทรรศนจะพบวามีเซลยูเทกติกเปนจํานวนมากสําหรับเหล็กหลอเทา และถาเปนเหล็กหลอ

แกรไฟตกลมก็จะมีเม็ดแกรไฟตจํานวนมาก ตารางที่ 2.4 แสดงจํานวนเซลยูเทกติกในเหล็กหลอเทาที่ทํา

อินอคคูเลชัน จํานวนเซลยูเทกติกจะเพ่ิมสูงขึ้นตามสัดสวนของสารอินอคคูแลนตที่เติมลงไปในน้ําเหล็ก

ก/6-13

Inoculant Addition% Analysis ( % ) Eutectic Cell Count

C Si

0 3.13-3.25 1.69-1.76 750-1000

0.1 3.21-3.24 1.81-1.83 1000-1550

0.2 3.23-3.25 1.80-1.83 1550-1950

0.4 3.17-3.18 1.91-1.94 1950-2300

*0.51-0.55% Mn;0.10-0.11% S;0.10-0.11%P

ตารางที่ 2.4 จํานวนเซลยูเทกตกิ ( แทงทรงกระบอกเสนผานศูนยกลาง 30 ม.ม. )

2.12 การเสื่อมของการทําอินอคคูเลชัน

2.12.1 ผลหลักจากการเสื่อมของการทําอินอคคูเลชัน

การทําอินอคคูเลชันจะใหผลดีที่สุดทันทีหลังการเติมสารอินอคคูแลนต อัตราที่การทําอินอคคูเล

ชันเสื่อมนั้นอาจสูงมากจนถึงขนาดที่ไมปรากฎผลอยางใดเลยหลังคางน้ําเหล็กเพียงไมกี่นาทีหลังเติม การ

เสื่อมขึ้นอยูกับสวนผสมทางเคมีของทั้งสารอินอคคูแลนตและตัวน้ําเหล็กเอง ลักษณะเดนของการเสื่อมนี้

ไดแก

1) มีการเย็นตัวเลยอุณหภูมิยูเทกติกมากและเพิ่มโอกาสที่จะแข็งตัวเปนเหล็กหลอขาวแทนท่ีจะเปน

เหล็กหลอเทาหรือเหล็กหลอแกรไฟตกลม โดยเฉพาะอยางยิ่งในชิ้นงานที่คอนขางบาง

2) ในกรณีเหล็กหลอแกรไฟตกลม เม็ดแกรไฟตจะมีจํานวนนอยลงและมีรูปรางผิดเพี้ยน รูปทรง

ของเม็ดแกรไฟตที่ผิดปกตินี้หากเกิดขึ้นมากก็จะสงผลตอสมบัติทางกลของชิ้นงานหลอ

3) ในกรณีของเหล็กหลอเทา เซลยูเทกติกจะมีจํานวนลดลง ทําใหเกล็ดแกรไฟตมีขนาดไม

สม่ําเสมอซึ่งก็จะสงผลใหสมบัติทางกลดอยลง

ขอเท็จจริงเกี่ยวกับการเส่ือมของการทําอินอคคูเลชันที่อาจเปนประโยชนในเชิงปฏิบัติไดแก

1) การเสื่อมของการทําอินอคคูเลชันเกิดกับน้ําเหล็กทุกชนิด

2) การเสื่อมของการทําอินอคคูเลชันจะเริ่มทันทีหลังเติมสารอินอคคูแลนต การเสื่อมนี้จะเกิดขึ้น

โดยตลอดอยางตอเนื่อง เพื่อใหไดผลจากการทําอินอคคูเลชันสูงสุดจะตองเทน้ําโลหะลงแบบโดยใชเวลา

คางน้ําโลหะใหสั้นที่สุดหลังจากเติมสารอินอคคูแลนต

3) สารอินอคคูแลนตแตละชนิดเสื่อมดวยอัตราที่แตกตางกัน

4) ผลที่เกิดขึ้นจากการทําอินอคคูเลชันแตกตางกันไปตามสวนผสมทางเคมีของสารอินอคคูแลนต

โรงงานควรทําการทดลองเพื่อทดสอบหาสารอินอคคูแลนตที่เหมาะสมกับความตองการมากที่สุด

ก/6-14

2.12.2 การโตเพิ่มขนาดของอนุภาคอินคลูชัน

เปนท่ีทราบกันดีวาการตกผลึกของแกรไฟตเกิดขึ้นบนนิวเคลียสที่เปนอินคลูชันอโลหะ อินคลูชนั

เหลานี้จะคอยๆ โตขึ้นเรื่อยๆ ในชวงเวลาตั้งแตเติมสารอินอคคูแลนตจนกระทั่งน้ําโลหะแขง็ตวั การโตของ

อินคลูชันคือการเพ่ิมขึ้นของขนาดอินคลูชันพรอมๆ กับท่ีจํานวนของอินคลูชันจะลดลง การโตของอินคลู

ชันนี้สงผลใหจํานวนอินคลูชันที่สามารถทําหนาที่เปนนิวเคลียสใหกับแกรไฟตลดลงนั่นเอง

การโตเพิ่มขนาดของอินคลูชันพรอมๆ กับการลดจํานวนลงจึงเปนสาเหตุที่การทําอินอคคูเลชัน

เสื่อมเนื่องจากจํานวนอินคลูชันท่ีจะทําหนาที่เปนนิวเคลียสลดลงนั่นเอง รูปที่ 2.6 แสดงจํานวนอินคลูชัน

ตอหนึ่งหนวยปริมาตรที่ลดลงกับเวลาที่ผานไปหลังการเติมสารอินอคคูแลนต อัตราการลดลงกับเวลาที่

ผานไปนี้สอดคลองกับผลการทดลองเพื่อวัดอัตราที่การทําอินอคคูเลชันเสื่อม

รูปที่ 2.6 พฤติกรรมของอินคลูชันในน้ําเหล็กที่มี

เสนผานศูนยกลางเพิ่มขึ้น (coarsening) กับเวลาที่

คางน้ําเหล็กเอาไว

รูปที่ 2.7 เสนกราฟแสดงคาความเคนแรงดึงสูงสุดที่

เพิ่มขึ้นตามปริมา ณสารอินอคคูแลนตที่ เติม กา ร

วิเคราะหสวนผสมภายหลังยืนยันวาปรมิาณสารอนิอคคู

แลนตที่อยูในน้ําเหล็กจริงๆ เทากันกับปริมาณที่เติมลง

ในน้ําเหล็ก

2.13 สมบัติดานตางๆ ของเหล็กหลอและการทําอินอคคูเลชัน

2.13.1 ผลการทําอินอคคูเลชันตอความแข็งแรง

การทําอินอคคูเลชันชวยเพิ่มจํานวนเซลยูเทกติก (หรือจํานวนเม็ดแกรไฟต) ซึ่งก็จะชวยให

โครงสรางของเหล็กหลอเล็กและละเอียดขึ้น ลักษณะเชนนี้จะชวยใหคาความเคนแรงดึงสูงสุดของเหล็ก

ชนิดไฮโปยูเทกติกเพิ่มขึ้นดวย รูปที่ 2.7 แสดงความสัมพันธระหวางคาความเคนแรงดึงสูงสุด (tensile

strength) กับปริมาณสารอินอคคูแลนตที่เติม

ก/6-15

2.13.2 ผลการทําอินอคคูเลชันตอความยากงายในการกลึงไส

1) การทําอินอคคูเลชันชวยเพ่ิมตําแหนงนิวเคลียสท่ีมีประสิทธิภาพสําหรับชวยใหแกรไฟตตกผลึก

โดยไมตองเย็นตัวเลยอุณหภูมิมากนัก

2) การทําอินอคคูเลชันชวยใหสามารถกลึงไสตบแตงชิ้นงานหลอไดงาย เนือ่งจากสามารถยบัยัง้การ

เกิดโครงสรางเหล็กหลอขาวที่แข็งซึ่งกลึงไสไดยาก

การทําอินอคคูเลชันยังชวยลดปญหาจากความหนาบางที่แตกตางกันในแตละตําแหนงบนชิ้นงาน

เหล็กที่ไมไดทําอินอคคูเลชันจะมีความแข็งที่แตกตางกันตามความหนาบางที่แตกตางกันบนชิ้นงาน

เหล็กหลอทั้งชนิดเทาและแกรไฟตกลมท่ีทําอินอคคูเลชันจะมีความแข็งที่สม่ําเสมอในชวงความหนาบางที่

กวางกวา (รูปที่ 2.8)

รูปที่ 2.8 ชิ้นทดสอบเพื่อตรวจดูการเปลี่ยนแปลงความแข็งกับ (แบบ Brinell) กับอัตราการแข็งตัว

พิสัยความแข็งที่เปลี่ยนกับความหนาอาจลดลงไดโดยการเติมสารอินอคคูแลนต (ความแข็งบางจุดคํานวณ

จาก Rockwell B* และ -C**)

2.14 การหดตัวกับการทําอินอคคูเลชัน

ลักษณะเฉพาะตัวในการแข็งตัวของเหล็กหลอเทาคือการปรากฏเซลยูเทกติกรวมกันอยูเปนชั้น

(เปลือก) ตรงผิวนอกที่ช้ินงานสัมผัสอยูกับแบบ ถัดจากเปลือกนอกที่เปนเซลยูเทคติกจะเปนเซลยูเทกติก

ชนิดที่กระจายอยูล้ําเกินออกไปจากแนวการแข็งตัวที่เคลื่อนที่เขาไปดานในชิ้นงาน แกรไฟตที่เกิดขึ้นมา

ใหมสามารถชดเชยการหดตัวของน้ําโลหะไดบางสวนหรืออาจจะทั้งหมดหากผลึกที่เกิดขึ้นอยูในเปลือกที่

แข็งแรงพอ ลักษณะเชนนี้จะพบไดทั่วไปสําหรับเหล็กหลอเทาที่ไมไดทําอินอคคูเลชัน อยางไรก็ตามถา

กลไกการแข็งตัวเปลี่ยนแปลง คุณสมบัติที่ดีของเหล็กหลอเทาในเรื่องการหดตัวก็จะสูญเสียไปโดยเฉพาะ

อยางยิ่งถาชั้นเปลือกแข็งที่กลาวผิดไปจากเดิม หากชั้นเปลือกตรงผิวที่ชิ้นงานสัมผัสกับแบบไมแขง็แรงพอ

ก/6-16

ความดันจากน้ําหนักของน้ําเหล็กจะดันเปลือกนี้ใหขยายตัวออก ในที่สุดแบบทรายก็จะเสียรูปและชั้น

เปลือกนี้จะถูกน้ําเหล็กที่คางอยูดันใหโปงออกมาทําใหการตกผลึกของกราฟไฟตในภายหลังไมสามารถ

ชดเชยการหดตัวของน้ําโลหะไดพอ หากรูปทรงและมิติของแบบเอื้อตอการเสียรูปโดยการพองตัวจาก

แรงดันน้ําเหล็ก ตําหนิจากการหดตัวก็อาจเกิดขึ้นได

เปนท่ีนาเสียดายวาการทําอินอคคูเลชันนั้นมีสวนในการปรับเปลี่ยนกลไกการแข็งตัวในลักษณะที่

ทําใหช้ันเปลือกแข็งลดความแข็งแรงลง การเติมสารอินอคคูแลนตจึงตองทําดวยความระมัดระวังไมให

มากจนเกินไปเพื่อปองกันตําหนิจากการหดตัวแตยังตองพอเพียงที่จะทําใหไดโครงสรางเปนเหล็กหลอเทา

ชิ้นทดสอบสองชิ้นในรูปท่ี 12 แสดงใหเห็นชั้นเหล็กคารไบดท่ีลึกพอๆ กัน แตเหล็กที่ทําอินอคคูเลชันดวย

Superseed จะมีจํานวนเซลยูเทกติกนอยกวาเหล็กที่ทําอินอคคูเลชันดวยสารอินอคคูแลนตเกรดเฟอรโร

ซิลิคอนทั่วไป จํานวนเซลยูเทกติกที่นอยกวาชวยลดแรงดันจากน้ําหนักของน้ําโลหะบนผนังแบบและชวย

ลดแนวโนมการเกิดตําหนิจากการหดตัว

เนื่องจากนิวเคลียสแกรไฟตในเหล็กหลอแกรไฟตกลมมีจํานวนมากกวาในกรณีเหล็กหลอเทามาก

เราจึงคาดการไดวาแนวโนมที่จะเกิดการหดตัวนาจะสูงกวาเหล็กหลอเทา อันที่จริงแลวเปนเร่ืองนาสนใจที่

เราพบวารูปแบบการแข็งตัวในกรณีนี้คลายกันอยางมากกับรูปแบบการแข็งตัวของเหล็กหลอเทาทีท่าํอนิอค

คูเลชันมากจนเกินไป

รูปที่ 2.9 ภาพถายโครงสรางจุลภาคเปรียบเทียบจํานวนเซลยูเทกติกในชิ้นงานหนา 5 ม.ม. ที่ช้ันลกึเหลก็หลอ

ขาวพอๆ กัน (จาก BCIRA)

ก/6-17

บทที่ 3

ระเบียบวิธีการวิจัย

3.1 วิธีดําเนินงานวิจัย

ขั้นตอนการวิจัย แบงไดเปน 9 ขั้นตอน ดังนี ้

1. ศึกษาขอมูลและสมบัติที่เกี่ยวของกับการถายเทความรอนและการผลิตเหล็กหลอเทา

2. จัดเตรียมวัตถุดิบและติดตอโรงงานที่หลอหลอมเหล็กหลอเทาเพื่อกําหนดชิ้นงานตนแบบ

3. คํานวณสมดุลทางเทอรโมไดนามิกสและฐานขอมูลจําเพาะของเหล็กหลอเทา กําหนดแนวทาง

ในการปรับแตงสวนผสมทางเคมีของน้ําเหล็กเบื้องตน

4. คํานวณระบบทางวิ่งน้ําเหล็กและระบบปอนเติม สําหรับชิ้นงานตนแบบ

5. ดําเนินการหลอหลอม เก็บขอมูลทางความรอน และนําขอมูลดังกลาวมาปรับแตงสวนผสมทาง

เคมี และกําหนดอุณหภูมิและเวลาในการทําอินอคคูเลชั่น

6. ทําการทดสอบและวัดสมบัติทางกลของเหล็กหลอเทา

7. ตรวจสอบโครงสรางจุลภาค

8. เปรียบเทียบผลการคํานวณ และขอมูลทางความรอนที่วัดได

9. สรุปผลและกําหนดแนวทางในการวิเคราะหผลขอมูลทางความรอนเพื่อนําไปใชควบคุม

กระบวนการผลิต

ก/6-18

3.2 วัตถุดิบ

หลอมโลหะโดยเตาอินไฟฟากระแสเหนี่ยวนํา (Induction Furnace) ความถี่ 3000 Hz ขนาด 50 กก.

ตารางที่ 3.1 สวนผสมทางเคมีของเหล็กหลอเทาที่ทําการศึกษา

ธาตุผสม คารบอน ซิลิคอน แมงกานีส ฟอสฟอรัส กํามะถัน คารบอนสมมูล

รอยละโดยน้ําหนัก 3.1 – 3.4 1.6 – 2.1 0.6 – 0.8 0.15 MAX 0.06 – 0.12 3.6 – 3.9

วัตถุดิบที่ใชในการหลอม ประกอบดวย เหล็กดิบ (Pig iron) เศษเหล็กเหนียว (Steel Scrap) และธาตุ

ผสม ตรวจวัดปริมาณธาตุผสมของดวยเครื่อง Spark Emission Spectrometer Analyzer

ตารางที่ 3.2 สวนผสมทางเคมีของวัตถุดิบที่ใชในการหลอเหล็กหลอเทา

ลาํดับท่ี วัตถดุิบ คารบอน ซิลคิอน แมงกานสี ฟอสฟอรสั กาํมะถนั 1 Pig Iron 3.9 0.4 0.05 0.04 0.015

2 Steel scrap 0.04 0.3 1.00 0.035 0.04

3 High Carbon Ferro-Manganese 7.5 0.5 76.0 0.1 0.02

4 Ferro-Phosporus 1.0 2.0 2.5 20.0 0.5

5 Ferro-Sulphur 0.0 0.0 0.0 0.0 46.0

6 Ferro-Silicon 0.05 68.5 0.25 0 0

เติมสารอินอคคูแลนต (inoculants) ลงในน้ําเหล็กกอนที่จะเทน้ําเหล็กลงแบบหลอ

ตารางที่ 3.3 สวนผสมทางเคมีของอินอคคูแลนทท่ีใชในการหลอเหล็กหลอเทา

Elkem Inoculants % Si % Ca % Ba % Sr % Zr % Ce % Mn % Al

Foundrisil® 75 inoculant 73-78 0.75-1.25 0.75-1.25 - - - - 0.75-1.25

Superseed® 75 inoculant 2) 73-78 0.1 max - 0.6-1.0 - - - 0.5 max

Balance Iron

รูปที่ 3.1 สารอินอคคแูลนต

ก/6-19

รูปที่ 3.2 เหล็กดิบ (Pig irons) รูปที่ 3.3 เฟอรโร-ซิลกิอน (Ferro-silicon)

รูปที่ 3.4 เฟอรโร-ฟอสฟอรสั

(Ferro-Phosporus)

รูปที่ 3.5 เฟอรโรซลัเฟอร (Ferro-Sulphur)

รูปที่ 3.6 เฟอรโรแมงกานีส

(High Carbon Ferro-Manganese)

รูปที่ 3.7 ฟลกัซฟอรมสแลก

3.3 เคร่ืองมือและอุปกรณที่ใชในการวิจัย

1. เตาอินไฟฟากระแสเหนี่ยวนํา (Induction Furnace)

การหลอเหลก็กระทาํในเตาไฟฟากระแส

เหนี่ยวนาํความถี่ 3000 Hz ขนาดความจุ 50 กก.

โดยทําการหลอมท่ีอุณหภูมิ 1400-1500˚C

รูปที่ 3.8 เตาหลอมไฟฟากระแสเหนี่ยวนํา

( Induction Furnace)

ก/6-20

2. เบารับน้ําโลหะและแบบหลอทราย

รูปที่ 3.9 เบารับน้ําโลหะ รูปที่ 3.10 แบบหลอทราย

3. อุปกรณตรวจวิเคราะหสวนผสมทางเคมี

รูปที่ 3.11 Spark Emission Spectrometer รูปที่ 3.12 ICP-OES Spectrometer

4. เครื่อง Universal Testing Machine Shimadzu/Autograph แรงดึงสูงสุด 10 ตัน

5. เครื่องทดสอบความแข็ง Future Tech / FR-3e

6. เครื่องตรวจวิเคราะหโครงสรางจุลภาค

รูปที่ 3.13 กลองจุลทรรศน

ก/6-21

7. โปรแกรมคอมพิวเตอรสําหรับ การคํานวนทางเทอรโมไดนามิคส การคํานวนการถายเทความ

รอน และแบบจําลองการแข็งตัว (Solidification Model)

8. อุปกรณตรวจวัดเชิงความรอนและชุดเครื่องมือวัดและเก็บคา data acquisition

ข. ชุดอุปกรณเก็บบันทึกขอมูล

ก. ถวยทรายทดสอบ

รูปที ่3.14 แสดงอุปกรณชดุตรวจวดัเชิงความรอน และอุปกรณบนัทึกคาการเปลี่ยนแปลงอุณหภูม ิ

3.4 ขั้นตอนการหลอหลอม

1. นําเหล็กดิบ และเศษเหล็กเหนียว ใสเตากอน โดยจัดเรียงใหมีชองวางนอยที่สุด

2. รอจนเหล็กหลอมละลายทั้งหมด ทําการวัดอุณหภูมิ และตักชิ้นทดสอบ

3. ทําความสะอาดน้ําโลหะ โดยการตักแสลกในขั้นตอนนี้ กอนการเติมสวนผสม

4. ใสธาตุผสม (Ferro alloy) ในที่นี้ ประกอบดวย แมงกานีส ซิลิคอน ซัลเฟอร และฟอสฟอรัส

5. รอจนสวนผสมทั้งหมดละลายเปนเนื้อเดียวกับเหล็ก ทําการวัดอุณหภูมิและตักชิ้นทดสอบ

6. ทําการผสมสารอินอคคูแลนต โดยปริมาณที่ใชในการหลอที่อาคารเครื่องมือหลอหลอม (Shop

B, BSID ) 0.30% ทั้งสองชนิด สวนการทดลองลดสวนผสมที่โรงงาน ใชปริมาณสารอินอคคู

แลนต 0.20%, 0.25%, 0.30% และ 0.35% ตามลําดับ

ก/6-22

ตารางที่ 3.4 แสดงขัน้ตอนในการเตรียมชิ้นตัวอยาง

หลังจากโลหะหลอมละลาย

1. ตักชิ้นงานเช็คสวนผสมทางเคม ี (รอผลเคมี) ( บันทึกเวลา และอณุหภูมสิุดทาย)

2. ตักชิ้นทดสอบเสนกราฟการเย็นตัว Sand cup1 (ตรวจสอบอณุหภูมกิอนตกัชิ้นทดสอบ)

บนเตา

หลังจากผสมธาตุผสมเพื่อปรับปรุงสมบัติทางเคมี

3. ตักชิ้นงานเช็คสวนผสมทางเคม ี (รอผลเคมี) ( บันทึกเวลา และอณุหภูมสิุดทาย)

4. ตักชิ้นทดสอบเสนกราฟการเย็นตัว Sand cup1 (ตรวจสอบอุณหภูมิกอนตักชิน้ทดสอบ)

บนเตา

ทําอินอคคูเลชั่น ขณะเทน้ําโลหะจากเตาลงสูเบา จากเตาลงเบา

ที่เบารับน้ําโลหะ

5. ตักชิ้นงานเช็คสวนผสมทางเคม ี (รอผลเคมี) ( บันทึกเวลา และอณุหภูมิสุดทาย)

6. ตักชิ้นทดสอบ Chill

7. ตักชิ้นทดสอบเสนกราฟการเย็นตัว Sand cup1 (ตรวจสอบอุณหภูมิกอนตักชิ้นทดสอบ)

เบารับ

8. หลองานลงแบบทราย (บันทึกเวลา และอุณหภูม)ิ แบบทราย

ตารางที่ 3.5 การเตรียมชิ้นทดสอบ

รูปที1่ นําชิน้ทดสอบสวนผสมทางเคม ีขดัทําความสะอาดผิวหนา กอนทาํ

การเช็คดวยเครือ่ง SPARK EMISSION SPECTROMETER

รูปท่ี2 การเตรียมชิน้ทดสอบจากงานหลอ

ตรวจสอบโครงสรางจุลภาค

เตรียมชิ้นทดสอบแรงดึง

ก/6-23

ขึ้นรูปช้ินงานหลอตามมาตรฐานการทดสอบสมบัติเชิงกล

ASTM Designation :E 8M-04 METRIC

Standard Test Method for Tensile Testing of Metallic Materials. (Metric)

Dimensions, mm

D – Diameter 16

R – Radius of fillet 8

A - Length of reduce section 64

L – Overall length 190

B – Length of end section 64

C – Diameter of end section 20

E – Length of fillet 5

ก/6-24

แผนผังการดําเนินงานวิจัย

รวบรวมขอมลูของวัสด ุ

ออกแบบการทดลอง

ขอมูลตนทุนการผลิต/ราคาตอหนวยผลิตภัณฑ

การประยุกตใชโปรแกรมคอมพิวเตอรเพื่อ

สนบัสนนุงานทางวิศวกรรมและการเลือกวัสด ุ

(จําลองกระบวนการหลอ)

(คํานวณการถายเททางความรอน)

จัดทําเคร่ืองมือ สนับสนนุการดําเนนิการ

ทดลอง

ทดลองทําการผลติโดยใชสารอนิอคคูแลนทตางชนิดกัน

ขอมูลสมบัติของงานหลอเหล็กเทาที่ทําการทดลอง

วิเค ร าะ ห เสน ก ร าฟ กา รเ ย็น ตั ว

เปรียบเทียบประสิทธิภาพและการ

เสื่อมสภาพของการทําอินอคคเูลชัน่

เตรียมวตัถดุิบสําหรับการหลอมหลอ

ตรวจสอบ

สวนผสมทางเคม ีปรับสวนผสมเคมี

เตรียมชิ้นทดสอบ

สําหรับการตรวจวิเคราะห

ตรวจวิเคราะหโครงสรางจุลภาค

และสมบตัิทางกลของชิน้งาน -กลองจุ ลท รรศนสําห รับ ตรวจวิ เ คราะ ห

โครงสรางจุลภาค พรอมโปรแกรมวิเคราะห

โครงสราง Image Analyzer

-กลองจุลทรรศนอิเลคตรอนแบบสองกราด

พรอมอุปกรณวิเคราะหธาตุแบบ EDX

-เ ค ร่ื อ ง Universal Testing Machine

Shimadzu/Autograph แรงดึงสูงสุด 10 ตัน

- เ ค รื่ อ ง Universal Testing Machine

Shimadzu/UMH50 แรงดึงสูงสุด 50 ตัน

- เคร่ืองทดสอบความแข็ง Future Tech / FR-3e

อุปกรณตรวจวัดเชิงความรอน

แ ล ะ อุ ป ก ร ณ บั น ทึก ค า ก า ร

เปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ

ออกแบบปรบัปรุงกระบวนการผลติและ

Optimize ปริมาณการใชสารอนิอคคูแลนท

เปรียบเทียบและสรุปผลการการดําเนินงานวิจัย

ก/6-25

บทที่ 4

ผลการวิจัย

งานวิจัยนี้มีการแบงการทดลองออกเปน 2 ชวง คือ ชวงแรก ทําการทดลองที่โรงหลอของ BSIT

เพื่อทดสอบการทํางานของเครื่องมือทดสอบ ชวงที่สอง ทําการทดลองที่ บ.โอกาโมโต จํากัด เพื่อลดการใช

อินอคคูเลชั่น

4.1. ผลการหลอโลหะ

การทดลองชวงที่ 1 เพื่อสรุปผลการทํางานของเครื่องมือวัดอุณหภูมิและเก็บคามาทําการวิเคราะห

เสนกราฟการเย็นตัว

ตารางที่ 4.1 ผลวิเคราะหสวนผสมทางเคมี

No. DESCRIPTION %C %Si %Mn %P %S

1 Target control limit 3.1 3.4 1.6 2.1 0.6 0.8 0.15 Max 0.06 0.12

2 Test 1 3.02 2.116 0.8529 0.0753 0.0229

3 Test 2 (Un Inoc) 3.25 1.78 0.793 0.025 0.051

4 Test 3 (0.35% Inoc) 3.25 2.00 0.823 0.027 0.073

5 Test 4 (0.3% Inoc) 3.25 1.97 0.785 0.023 0.045

6 Test 5 (0.25% Inoc) 3.30 1.94 0.810 0.028 0.055

7 Test 6 (0.2% Inoc) 3.27 1.90 0.797 0.019 0.060

รูปที่ 4.1 โครงสรางของเหล็กหลอเทา

Flake Graphite

Ferrite

Pearlite

100X : 4% Nital Etch

ก/6-26

4.2 ผลการคํานวณโดยใชโปรแกรมคอมพิวเตอร

รูปที่ 4.2 ผลการคาํนวณโดยใชโปรแกรมคอมพิวเตอร

จากการคํานวณโดยใชสวนผสมของเหล็กหลอเทา FC25 ที่จะทําการศึกษา เมื่อนํามาเปรียบเทียบ

กับเสนกราฟการเย็นตัวที่ไดจากการตรวจวัด อธิบายไดวา ในขณะท่ีน้ําเหล็กเย็นตัวลงมา เฟสของแข็งแรก

ที่ตกผลึกออกมาคือเฟสออสเตนไนตปฐมภูมิ (Primary austenite) ขณะที่อุณหภูมิลดลงตอไปนั้น ความ

เขมขนของคารบอนในน้ําเหล็กจะเพิ่มขึ้นเร่ือยๆ จนกระทั่งในที่สุดน้ําเหล็กสวนท่ีเหลือจะมีคารบอนละลาย

อยูเทากับรอยละ 4.3 ซึ่งจะเปนความเขมขนพอดีสําหรับการแข็งตัวขั้นสุดทายแบบยูเทคติก ดังที่แสดงใจ

เสนกราฟการคํานวณโดยโปรแกรม ThermoCalc แตในสภาพการปกติ การควบคุมใหทุกอยางอยูในสมดุล

ทําไดยากมาก ความแตกตางทั้งการควบคุมสวนผสมทางเคมี อุณหภูมิเท อัตราการแข็งตัว ความหนาบาง

ของชิ้นงาน เหลานี้ สงผลใหเสนกราฟการเย็นตัวที่เราวัดไดจากเครื่องมือทดสอบ พบวาการเย็นตัวเลย

อุณหภูมิยูเทคติกดังกลาว ในที่นี้ เกิดการเย็นตัวเลยอุณหภูมิยูเทคติกมา 4˚C ซึ่งถาการเย็นตัวอุณหภูมิยูเท

คติกนี้มาเพียงเล็กนอย เกล็ดแกรไฟตที่เกิดจะกระจายตัวอยางคอนขางสม่ําเสมอในเนื้อพื้นที่เปนเหล็ก เรา

เรียกแกรไฟตแบบนี้วา แบบ A แตหากการเย็นตัวเลยอุณหภูมิยูเทคติกไปมากแกรไฟตที่เกิดจะแตกแขนง

ออกไปเกิดเปนรูปแบบท่ีผิดไปจากปกติซึ่งไดแกแกรไฟตแบบ B และ D หากการเย็นตัวเลยยังเกิดมากขึ้น

ไปอีกก็จะยับยั้งการตกผลึกแกรไฟตอยางสมบูรณและเกิดเปนโครงสรางเหล็กคารไบดความแข็งแรงสูง

ขึ้นมาแทน

เสนกราฟการเย็นตัวที่วัดได 1146˚C

เสนกราฟการเย็นตัวที่วัดได 1142˚C

ก/6-27

4.3 ผลการวัดอุณหภูมิเทียบกับเวลาระหวางการแข็งตัวและการเย็นตัวของเหล็กหลอเทา

รูปที่ 4.3 เสนโคงการเย็นตัวของเปรียบเทียบการทําอินอคคูเลชั่นไมทําอินอคคูเลชั่น

เสนโคงการเย็นตัวสีเหลือง ไมทําอินอคคูเลชั่น

เสนโคงการเย็นตัวสีแดง ทําอินอคคูเลชั่น

เสนพื้นเปนเสนกราฟจากการคํานวณที่สมดุล

ภาพโครงสรางที่ไดภายหลังการเย็นตัว เปนโครงสรางเพิรลไลทและแกรไฟตแบบ A

บทบาทของสารอินอคคูแลนตคือ การเพ่ิมตําแหนงที่เหมาะสมภายในน้ําเหล็กเพื่อใหคารบอนมา

เกาะและตกผลึกเกิดเปนแกรไฟตไดงายโดยมีการเย็นตัวเลยอุณหภูมิสมดุลเพียงเล็กนอยเทานั้น สําหรับ

เหล็กหลอเทา กระบวนการนี้ จะชวยใหเกล็กแกรไฟตที่เกิดขึ้นเปนแกรไฟตแบบ A (ถากรณีเชนนี้เกิดใน

เหล็กหลอเหนียวจะชวยใหเกิดเม็ดแกรไฟตขนาดเล็กจํานวนมาก)

เสนกราฟการเย็นตัวแสดงใหเห็นการลดหรือเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิกับเวลาซึ่งเปนผลจากการ

เปลี่ยนแปลงพลังงานในระบบ ความไมตอเนื่องของเสนกราฟการเย็นตัว แสดงใหเห็นถึงการปลดปลอย

พลังงานความรอน อาทิเชน ความรอนที่เฟสซึ่งกําลังตกผลึกปลดปลอยออกมา ตําแหนงของจุดเปลี่ยนโคง

บนเสนกราฟการเย็นตัว ซึ่งมีลักษณะคลายตัวอักษร S ตรงบริเวณใกลๆ กับบริเวณการแข็งตัวเปนแบบยูเท

คติกจะเปนจุดที่แสดงใหเห็นแนวโนมท่ีวาเหล็กนั้นจะแข็งตัวไปเปนเหล็กหลอเทาหรือเหล็กหลอขาว

ก/6-28

การแข็งตัวโดยมีจํานวนนิวเคลียสจํานวนมากสําหรับใหคารบอนตกผลึกเปนแกรไฟตจะชวยปองกันไมให

เกิดเหล็กหลอขาว ซึ่งก็จะเห็นวา อุณหภูมิแทบจะมีคาคงที่ในชวงเวลาหนึ่ง ในรูปท่ี 4.3 แสดงเสนกราฟการ

เย็นตัวของน้ําเหล็กที่ไมไดทําอินอคคูเลชั่น เปรียบเทียบกับน้ําเหล็กที่ทําอินอคคูเลชัน โดยเติมสารอินอคคู

แลนตลงไปรอยละ 0.35 โดยน้ําหนัก น้ําเหล็กที่ไมไดทําอินอคคูเลชั่นมีจุดเปลี่ยนโคง ที่อุณหภูมิ 1133 ˚C

ในขณะที่น้ําเหล็กที่ทําอินอคคูเลชั่นมีจุดเปลี่ยนโคงที่อุณหภูมิ 1143˚C ซึ่งเย็นตัวเลยอุณหภูมิยูเทคติกมา

เพียง 3˚C โครงสรางที่ไดจากการเย็นตัวนี้ เกิดเปนโครงสรางแบบเหล็กหลอเทา เนื่อพื้นเปนเพิลไลต และ

เกร็ดแกรไฟตแบบ A

ในการทดลองเพื่อลดปริมาณอินอคคูแลนตที่ใชในโรงงาน ไดทําการตรวจวัดเสนกราฟการเย็นตัว

และทําการบันทึกคาอุณหภูมิของจุดเปลี่ยนโคง ที่เย็นตัวเลยอุณหภูมิยูเทคติก สรุปไดดังนี้

ตารางท่ี 4.2 ผลวิเคราะหเสนโคงการเย็นตัว

No. Sample Un-Inoc Inoculated

1 Test 1 1133 1143---1146

2 Test 2 (Un Inoc) 1142---1146 -

3 Test 3 (0.35% Inoc) 1130.1---1138 1141.5---1144.9

4 Test 4 (0.3% Inoc) 1136.9---1144.2 1141.2---1145.2

5 Test 5 (0.25% Inoc) 1130.1---1136.6 1140.6---1145.5

6 Test 6 (0.2% Inoc) 1138---1140.6 1141.6---1148.5

รูปที่ 4.4 กาํหนดจุดวัดเก็บคาเสนโคงการเย็นตัว

หมายเหต ุ: กรณนีี้ บันทกึคาเปน 1142---1146

1100

1120

1140

1160

1180

1200

0 5 10 15 20

Test2

Melt down

tem

p

Time

เสนกราฟการเย็นตัวที่วัดได 1146˚C คืออุณหภูมิที่คงที่ (สูงที่สุด)

เสนกราฟการเย็นตัวที่วัดได 1142˚C คืออุณหภูมิจุดเปลี่ยนโคง

ก/6-29

4.4 ผลวิเคราะหโครงสรางจุลภาค

ภาพถายโครงสรางจลุภาค ในสภาพภายหลังการหลอในแบบทราย

Test 2 - สภาวะที่ 1 : ไมทําอินนอคคูเลชั่น

50X 100X

2% Nital Etched

รูปที่ 4.5 ภาพถายโครงสรางจุลภาค ในสภาพภายหลังการหลอในแบบทราย

ตารางท่ี 4.3 แสดงคุณสมบัติเชิงกลในสภาพ As-cast

คุณสมบัติเชิงกลในสภาพ As-cast

Tensile Strength (Kgf/mm2) Hardness (Brinell )

- 241 HRB

ตารางท่ี 4.4 แสดงผลการวิเคราะหธาตุผสม

Elements Fe C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al

Wt% 93.78 3.25 1.78 0.793 0.025 0.051 0.027 0.116 0.006 0.16 0.003

C.E. = 3.25 + (1.78+0.793)(1/3) = 4.10

ก/6-30

Test 3 - สภาวะที่ 2 : ทําอนินอคคูเลชั่น 0.35% โดยน้ําหนกัเหลก็

2% Nital etched

รูปที่ 4.6 ภาพถายโครงสรางจุลภาค ในสภาพภายหลังการหลอในแบบทราย

ตารางท่ี 4.5 แสดงคุณสมบัติเชิงกลในสภาพ As-cast

คุณสมบัติเชิงกลในสภาพ As-cast

Tensile Strength ( N/mm2) Hardness (Brinell )

291.68 207

ตารางท่ี 4.6 แสดงผลการวิเคราะหธาตุผสม

Elements Fe C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al

Wt% 93.47 3.25 2.00 0.823 0.027 0.073 0.025 0.16 0.008 0.16 0.003

C.E. = 3.25 + (2.0+0.823)(1/3) = 4.19

100X

100X 50X

50X

ก/6-31

Test 4 - สภาวะที่ 3 : ทําอินนอคคูเลชั่น 0.30% โดยน้าํหนักเหลก็

2% Nital etched

รูปที่ 4.7 ภาพถายโครงสรางจุลภาค ในสภาพภายหลังการหลอในแบบทราย

ตารางท่ี 4.7 แสดงคุณสมบัติเชิงกลในสภาพ As-cast

คุณสมบัติเชิงกลในสภาพ As-cast

Tensile Strength ( N/mm2) Hardness (Brinell )

292.93 207

ตารางท่ี 4.8 แสดงผลการวิเคราะหธาตุผสม

Elements Fe C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al

Wt% 93.59 3.25 1.97 0.785 0.023 0.045 0.025 0.115 0.006 0.186 0.004

C.E. = 3.25 + (1.97+0.785)(1/3) = 4.16

50X

50X 100X

100X

ก/6-32

Test 5 - สภาวะที่ 4 : ทําอินนอคคูเลชั่น 0.25% โดยน้าํหนักน้าํเหล็ก

2% Nital etched

รูปที่ 4.8 ภาพถายโครงสรางจุลภาค ในสภาพภายหลังการหลอในแบบทราย

ตารางท่ี 4.9 แสดงคุณสมบัติเชิงกลในสภาพ As-cast

คุณสมบัติเชิงกลในสภาพ As-cast

Tensile Strength ( N/mm2) Hardness (Brinell )

291.68 201

ตารางท่ี 4.10 แสดงผลการวิเคราะหธาตุผสม

Elements Fe C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al

Wt% 93.57 3.30 1.94 0.810 0.028 0.055 0.028 0.119 0.007 0.131 0.004

C.E. = 3.30 + (1.94+0.810)(1/3) = 4.21

100X

100X

50X

50X

ก/6-33

Test 6 - สภาวะที่ 5 : ทําอินนอคคูเลชั่น 0.20% โดยน้าํหนักน้าํเหล็ก

2% Nital etched

รูปที่ 4.8 ภาพถายโครงสรางจุลภาค ในสภาพภายหลังการหลอในแบบทราย

ตารางท่ี 4.11 แสดงคุณสมบัติเชิงกลในสภาพ As-cast

คุณสมบัติเชิงกลในสภาพ As-cast

Tensile Strength ( N/mm2) Hardness (Brinell )

274.14 201

ตารางท่ี 4.12 แสดงผลการวิเคราะหธาตุผสม

Elements Fe C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu Al

Wt% 93.56 3.27 1.90 0.797 0.019 0.060 0.025 0.143 0.005 0.213 0.006

C.E. = 3.27 + (1.90+0.797)(1/3) = 4.16

100X

100X

50X

50X

ก/6-34

วิเคราะหโครงสรางจุลภาค

สภาวะที่ 1 เหล็กหลอเทาโครงสรางพื้นฐานเพริลไลต ไมทาํอินนอคคแูลนต

ปรากฏลกัษณะของ เกลด็แกรไฟตแบบ D และ E เกิดในลกัษณะท่ีไมมีทิศทาง ( random ) การกระจายตัว

เปน network ซึ่งลกัษณะของแกรไฟต แบบ D และ E เปนลักษณะท่ีไมดี

สภาวะที่ 2 เหล็กหลอสีเทาโครงสรางพื้นฐานเพิรลไลน โดยการอินนอคคูแลนต 0.35% โดยน้ําหนัก

ปรากฏลักษณะของ เกล็ดแกรไฟต แบบ A เกิดในลักษณะที่ไมมีทิศทาง ( random ) การกระจายตัวเปน

network ซึ่งลักษณะของแกรไฟต แบบ A จัดวา เปนลักษณะท่ีดี

สภาวะที่ 3 เหล็กหลอสีเทาโครงสรางพื้นฐานเพิรลไลน โดยการอินนอคคูแลนต 0.30% โดยน้ําหนัก

ปรากฏลักษณะของเกล็ดแกรไฟต แบบ A เกิดในลักษณะที่ไมมีทิศทาง ( random ) การกระจายตัวเปน

network ซึ่งลักษณะของแกรไฟต แบบ A จัดวา เปนลักษณะท่ีดี

สภาวะที่ 4 เหล็กหลอสีเทาโครงสรางพื้นฐานเพิรลไลน โดยการอินนอคคูแลนต 0.25% โดยน้ําหนัก

ปรากฏลักษณะของเกล็ดแกรไฟต แบบ A เกิดในลักษณะที่ไมมีทิศทาง ( random ) การกระจายตัวเปน

network ซึ่งลักษณะของแกรไฟตแบบ A จัดวา เปนลักษณะที่ดี

สภาวะที่ 5 เหล็กหลอสีเทาโครงสรางพื้นฐานเพิรลไลน โดยการอินนอคคูแลนต 0.20% โดยน้ําหนัก

ปรากฏลักษณะของเกล็ดแกรไฟต แบบ A และ แบบ D&E 10% เกิดในลักษณะที่ไมมีทิศทาง ( random )

การกระจายตัวเปน network ซึ่งลักษณะของแกรไฟต แบบ A และแบบ D&E จัดวา เปนลักษณะท่ีพอใชได

ก/6-35

4.5 ผลทดสอบสมบัตทิางกล

ตารางท่ี 4.12 คาความแข็ง และ Tensile

Sample Hardness (Brinell ) Tensile Strength ( N/mm2)

Test 1 212 290

Test 2 241 -

Test 3 207 291.68

Test 4 207 292.93

Test 5 201 291.68

Test 6 201 274.14

4.6 สรุป

เมื่อทาํการวิเคราะหผลทั้งในสวนเสนโคงการเย็นตวั ซึ่ง ปริมาณอนิอคคูเลชั่นท่ีเติมลงในน้าํเหล็ก มี

ผลคอื ไปเพิ่มอุณหภูมิจุดเปลีย่นโคง และ ลดความตางระหวางจุดเปลีย่นโคง และอุณหภูมิที่คงที่ (สูงที่สุด)

ซึ่ง เขาใกลอุณหภูมิยูเทคตกิที่สภาวะสมดลุ รวมถึงผลวิเคราะหโครงสราง โรงงานสามารถปรับปริมาณการ

ใชอนิอคคแูลนต จากเดิม 3.5% ลงมาเปน 2.5% โดยท่ีสมบตัิเหล็กหลอที่ไดยังไดตรงตามมาตรฐาน

ก/6-36

บทที่ 5

สรุปผลและขอเสนอแนะ

5.1 สรุปผลการวิจัย

งานวิจัยนี้มีจุดมุงหมายเพ่ือศึกษาเสนกราฟการเย็นตัว และวิเคราะหปญหาการถายเทความรอนที่

เกี่ยวของกับปรากฎการณทางกลและสมดุลทางเทอรโมไดนามิกส เพื่อนําผลการศึกษาดังกลาว มากําหนด

กระบวนการท่ีเหมาะสมในการหลองานใหไดคุณภาพตามที่ตองการ และเนื่องจากโลหะผสมตางชนิดกัน

จะมีอัตราการถายเทความรอน และปรากฎการณทางกลและสมดุลทางเทอรโมไดนามิกสที่แตกตางกนั การ

ที่ศึกษาเหล็กหลอเทา เพื่อเปนพื้นฐานสําหรับนําไปวิเคราะหเหล็กหลอชนิดอื่นๆ

สําหรับผูประกอบการที่เขารวมโครงการปนี้ เนื่องจากจํากัดดวยระยะเวลา หลังจากสรปุการทดลอง

เรื่องการวิเคราะหผลเสนกราฟการเย็นตัว จึงทําไดเพียง ทดลองปรับลดปริมาณสารอินอคคูเลชั่น FeSi75

จากเดิม 0.35% เปน 0.25% ราคาตอกิโลกรัม 89 บาท ปริมาณการใช 3000 กิโลกรัมตอเดือน คิดเปนการ

ประหยัดงบประมาณได 26700 บาทตอเดือน

5.2 ขอเสนอแนะ

การศึกษาวิจัยในหัวขอนี้สามารถทํางานวิจัยตอเนื่องเกี่ยวกับการปรับปรุงพัฒนาเครื่องมือที่ใชให

สามารถใชงานไดสะดวกและรวดเร็วสามารถนําไปใชหนาเตาได จะเปนประโยชนตออุตสาหกรรมหลอ

โลหะไทยเปนอยางมาก เนื่องจากปจจุบันตางประเทศไดมีการพัฒนาชุดเครื่องมือและโปรแกรม

คอมพิวเตอรออกมาจําหนายในราคาชุดละ 4000000 บาท ซึ่งการถายทอดความรูเกี่ยวกับหลักการทํางาน

และการวิเคราะห การนําไปประยุกตใชงาน ใหกับผูประกอบการไทยไดใชงานเครื่องมือที่ประยุกตมาจาก

พื้นฐานการวิเคราะหเสนกราฟการเย็นตัวนี้ สามารถชวยลดคาใชจายที่ไมจําเปน ทั้ งโดยตรงและโดยออม

เชน คาพลังงานความรอน คาวัสดุทนความรอน คาเผื่อในระบบงานหลอ รวมถึงสามารถนํามาวิเคราะห

ประกอบการลดของเสียจากกระบวนการไดอีกดวย

ก/6-37

บรรณานุกรม

[1] Omega.com, Practical Temperature Measurements, Copyright ฉ 1997, 2000 Agilent

Technologies, Inc. Reproduced with Permission.

[2] Elkem, Cast Iron Inoculation The Technology of Graphite Control, Printed in England. Ref:

Revised October 2002, ฉ. แปล บ.เมทอลไลน อินเตอรเนชั่นแนล จาํกดั

[3] Skaland, T., Ph.D. Thesis, The Norwegian Institute of Technology, 1992

[4] Engler, S., Giesserei, Techn -wiss. Beih., 17 (1965), pp. 169-202

[5] Moore, A., Brit. Foundrym., 68 (1978), pp. 59-69

[6] Patterson, V. H., Foundry, 100 (1972) June, pp. 68-71

ก/6-38

ภาคผนวก ก

หลักการวัดอุณหภูมิ

ก/6-39

หลักการวัดอุณหภูมิ

เครื่องวัดอุณภูมิมีหลายชนิด แตละชนิดอาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเฉพาะของสาร

กลาวคือจะตองมีการเปลี่ยนแปลงที่วัดไดเมื่ออุณหภูมิท่ีวัดเปลี่ยนไป และการเปลี่ยนแปลงที่วัดไดจะตอง

คงที่แนนอนและพิสูจนได

ตารางที ่1 หลักการวดัอณุหภูมิโดยอาศัยหลกัการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชิงกล

เทอรโมมิเตอร หลักการวัด วัสดุที่ใช ชวงการวัด

ใชของเหลวบรรจุในหลอดแกวปด

(Thermometer) ∆ อุณหภูม ิ → เทอรโมมเิตอร → ∆การขยายตัวของของเหลว ปรอท

แอลกอฮอล

-130 ถึง 315˚C

เปลี่ยนการขยายตัวเปนความดัน

(Filled Thermal) ∆ อุณหภมู ิ →

เทอรโมมเิตอรแบบ Filled Thermal

→ ∆ความดนั

→ ∆ปริมาตร

ปรอท

แอลกอฮอล

-185 ถึง 540˚C

แบบแถบโลหะคู ∆ อุณหภมู ิ → ตัววัด Bimetal → ∆ระยะทาง INVAR-Ni+Fe+Cr -60 ถึง 425˚C

ตารางที ่2 หลักการวดัอณุหภูมิโดยอาศัยหลกัการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟา เทอรโมมิเตอร หลักการวัด วัสดุที่ใช ชวงการวัด

เทอโมคัปเปล ∆ อุณหภมู ิ → เทอรโมคปัเปล → ∆แรงเคลื่อนไฟฟา แบบ B

แบบ S

แบบ R

แบบ K

แบบ E

แบบ J

แบบ T

600 ~ + 1,700˚C

0 ~ + 1,600˚C

0 ~ + 1,600˚C

-200 ~ + 1,200˚C

-200 ~ + 800˚C

-200 ~ + 800˚C

-200 ~ + 350˚C

อารทีดี ∆ อุณหภมู ิ → ��� → ∆ความตานทาน แพลทนิมั

นิกเกิล

ทองแดง

-258 ~ + 900˚C

-150 ~ + 300˚C

-200 ~ + 120˚C

เทอรมิสเตอร ∆ อุณหภมู ิ → เทอรมสิเตอร → ∆ความตานทาน เทอรมสิเตอร -30 ~ + 300˚C

ตารางที ่3 หลักการวดัอณุหภูมิโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติเชงิแสงและการแผรังส ี

เทอรโมมิเตอร หลักการวัด วัสดุที่ใช ชวงการวัด

ออพติคอลไพโรมิเตอร ความเขมของแสง → เปรียบเทียบ

ความเขมของแสง→ คาอุณหภูม ิ - >700˚C

ก/6-40

ตารางที ่4 หลักการวดัอณุหภูมิโดยวธิีการทางเคม ี

เทอรโมมิเตอร หลักการวัด วัสดุที่ใช ชวงการวัด

Crayon ∆อุณหภูมิ → Crayon → หลอมละลาย สารเคม ี 37 ถึง 150˚C

แล็กเคอร ∆อุณหภมูิ → แล็กเคอร → เปลี่ยนส ี สารเคม ี 100 ถึง 300˚C

หลักการและแบบของเทอรโมคัปเปล

เทอรโมคัปเปลเปนเครื่องมือวัดอุณหภูมิที่อาศัยหลักการเชิงไฟฟา โดยนักวิทยาศาสตรชาวเยอรมัน

Thomas Seeback พบวาเมื่อนําลวดโลหะ 2 เสนที่ทําดวยโลหะตางชนิดกันมาเชื่อมปลายทั้งสองเขาดวยกัน

ถาปลายจุดตอทั้งสองมี อุณหภูมิตางกันจะเกิดกระแสไฟฟาไหลในวงจรเสนลวดทั้งสอง ปริมาณการไหล

ของกระแสไฟฟานี้จะเปลี่ยนแปลงไปตามผลตางของอุณหภูมิที่ปลายจุดตอทั้งสองและถาเปดปลายจุดต

อดานหนึ่งออก จะทํ าใหเกิดแรงเคลื่อนไฟฟาขึ้นที่ปลายดานที่เปด โดยแรงเคลื่อนไฟฟาที่เกิดขึ้นที่ปลายด

านเปดจะเปน สัดสวนกับผลตางของอุณหภูมิที่จุดตางทั้งสอง จากหลักการดังกลาวไดเกิดเทอรโมคับเป

ลแบบมาตรฐานขึ้นหลายชนิด เพื่อใหเหมาะสมกับการใชงานในลักษณะตางๆ

Melting Temperature of Some Important Metals Approximate melting points are given only as a guide for material selection since many factors including

atmosphere, type of process, mounting, etx. All affect the operating maximum.

ก/6-41

Very high temperature sheath materials

Thermometry Fixed Points

ก/6-42

ก/6-43

ก/6-44

Wire Calibration

Thermocouple wire is manufactured to to a certain specification, signifying its conformance with

the NBS tables. The specification can sometimes be enhanced by calibrating the wire (testing it at known

temperatures). Consecutive pieces of wire on a continuous spool will generally track each other more

closely than the specified tolerance, although their output voltages may be slightly removed from the

center of the absolute specification.

If the wire is calibrated in an effort to improve its fundamental specifications, it becomes even

more imperative that all of the aforementioned conditions be heeded in order to avoid decalibration.

ก/6-45

ก/6-46

รูปที่ การเปรียบเทียบการสอบเทียบอณุหภูมิของชุดเทอรโมคัปเปล

การ Carlibrate Thermocuople ดวยทองแดงและอลูมิเนียมบริสุทธิ์ ซึ่ง ไดผลสรุปวา ทั้งสายเทอรโมคัปเปล

ทั้งแบบ K และ แบบ R ใหคาอุณหภูมิใกลเคียงกัน แตแบบ K จะมีความเสถียรมากกวา และเมื่อใชงานจริง

หนาเตาหลอม พบวา เทอรโมคัปเปลแบบ R มีปญหาเรื่องคลื่นสัญญาณรบกวนมากกวา เมื่อใชงานใน

สภาวการณเดียวกัน จึงเลือกนําเทอรโมคัปเปลแบบ K มาเปนตัววัดอุณหภูมิในงานวิจัยนี้

ก/6-47

ภาคผนวก ข

เหล็กหลอ

ก/6-48

เหล็กหลอ

วัสดุประเภทเหลก็อาจแบงออกเปน 2 ประเภทหลกัคอื เหลก็ที่มีปริมาณคารบอนนอยกวา 2%

หรือไมเกินปริมาณคารบอนสูงสดุที่สามารถละลายไดในโครงสรางออสเทนไนต (Austenite) ที่อุณหภูมิยูเท

คติก เรียกเหลก็ประเภทนี้วา เหล็กกลา (Steel) สวนเหลก็อกีประเภทหนึ่งเปนเหล็กทีม่ีปริมาณคารบอน

มากกวา 2% เหล็กประเภทนี้ เปลี่ยนสถานะจากของเหลวมาเปนของแข็งโดยผานปฏกิิริยายูเทคตกิ (Eutectic

Reaction) เรียกเหลก็ประเภทนี้วาเหลก็หลอ (Cast Iron)

เหล็กกลามีความสามารถในการขึ้นรูปทางกลทั้งที่อุณหภูมิหองและที่อุณหภูมิสูงในขณะที่

เหล็กหลอไมสามารถผานการขึ้นรูปทางกลได

ผลิตภัณฑโลหะที่ผลิตจากการหลอ มีการนํามาใชงานมากที่สุดในโลกเนื่องจากตนทุนในการผลิต

ต่ํา หลอขึ้นรูปไดงายแมผลิตภัณฑจะรูปรางซับซอน สามารถหมุนเวียนกลับมาหลอมเพือ่ผลติซ้าํไดงาย และ

ที่สําคัญสามารถผลิตใหมีสมบัติทางวิศวกรรมที่ดีไดหลากหลายโดยขึ้นกับโครงสรางของเหล็กหลอแตละ

ประเภท

ลักษณะแกรไฟตในเหล็กหลอ

ลักษณะแกรไฟตภายในเหล็กหลอจะแตกตางกันเนื่องจากสวนผสมเคมีและอัตราการเย็นตัวใน

ระหวางการแข็งตัว เนื่องจากรูปรางของแกรไฟตมีผลเปนอยางมากตอสมบัติตาง ๆ ของเหล็กหลอ จึงมี

การกําหนดมาตรฐานรูปรางของแกรไฟตแตละชนิดไวใน ASTM 247 และนิยมแบงกลุมเหล็กหลอโดยใช

รูปรางของแกรไฟตเปนเกณฑดังตอไปนี้

1. เหล็กหลอเทา (Gray Cast Iron) มีแกรไฟตที่มีลักษณะรูปรางเปนแผน กระจายอยูทั่วไปในเนื้อพื้น จึง

มีความสามารถในการนําความรอน (Thermal conductivity) ที่ดี ในขณะที่สมบัติการตานทานแรงดึง

และคาเปอรเซ็นตการยืดตัวจะต่ํา เนื่องจากจะเกิดความเคนขึ้นสูงท่ีบริเวณแกรไฟตแผน

2. เหล็กหลอแกรไฟตกลม (Nodular Graphite Iron) มีแกรไฟตที่มีลักษณะรูปรางเปนกอนกลม จึงมี

ความสามารถในการรับแรงดึงท่ีดีกวาเหล็กหลอเทา เปนเหล็กหลอที่มีความตานทานแรงดึง และคา

เปอรเซ็นตการยืดตัวสูง ในขณะที่สมบัติดานการนําความรอนไมสูงนัก

ก/6-49

3. เหล็กหลอแกรไฟตรูปทรงตัวหนอน (Compacted Graphite Iron) ไดจากการเติมธาตุที่ชวยสราง

แกรไฟตใหเปนกอนกลมไมเพียงพอ ทําใหแกรไฟตที่ปรากฏมีลักษณะเปนแผนหนาหรือเปนเสนและ

มีการเช่ือมโยงกันเองเหมือนแกรไฟตเกล็ด แตที่ขอบและปลายของแกรไฟตตัวหนอนกลับกลมมน

คลายแกรไฟตกลม สมบัติเชิงกลของเหล็กหลอแกรไฟตรูปทรงตัวหนอนจะอยูระหวางสมบัติเชิงกล

ของเหล็กหลอแกรไฟตกลม และเหล็กหลอเทา จึงเปนเหล็กหลอที่เหมาะสมที่สุดสําหรับลักษณะงาน

ที่ตองการท้ังสมบัติความแข็งแรงและความเหนียวควบคูกันไป นอกจากนี้เหล็กหลอแกรไฟตรูปทรง

ตัวหนอนยังมีคาความนําความรอน(Thermal conductivity) ที่สูงกวาเหล็กหลอแกรไฟตกลมมากจนมี

คาเกือบเทากับเหล็กหลอเทา ดังนั้นจึงเหมาะกับงานที่ตองการการนําความรอนดี มีความแข็งแรงและ

ความเหนียว(ความแกรง)ในระดับดี

ตารางที1่. เปรียบเทียบสมบัตขิองเหลก็หลอทั้งสามกลุม

วัสด ุ เนือ้พืน้ ความแข็ง

BHN

ความแข็งแรง

MPa (ksi)

ความแข็งแรง

จุดคราก MPa (ksi)

เปอรเซน็ต

การยืดตัว %

ความแข็งแรงลา

MPa (ksi)

คาการนําความรอน

W/mK (BTU in/h ft2 oF)

เหล็กหลอเทา เพิรลไลต 175 – 230 230-300(33-43) 115-210(17-30) 0-1 95-110(14-16) 44-52(305-360)

เหล็กหลอแกรไฟต

รูปทรงตัวหนอน

เฟอรไรท

เพิรลไลต

130 – 190

215 – 250

330-410(48-60)

400-580(58-84)

240-305(35-44)

345-415(50-60)

5-10

2-5

155-185(22-27)

190-225(27-33)

40-50(277-346)

31-42(214-291)

เหล็กหลอ

แกรไฟตกลม

เฟอรไรท

เพิรลไลต

140 – 200

240 – 300

400-600(58-87)

600-700(87-100)

285-315(41-46)

375-482(54-70)

15-25

3-10

185-210(27-30)

245-290(35-42)

32-38(221-263)

25-32(173-221)

ในสวนของความแข็งแรงที่จุดคราก พบวาเหล็กหลอแกรไฟตกลมมีความแข็งแรงที่จุดครากสูงสุด

สําหรับคาการนําความรอนเหล็กหลอเทามีคาการนําความรอนสูงสุด สําหรับเหล็กหลอแกรไฟตรูปตัว

หนอนมีสมบัติอยูกึ่งกลางระหวางเหล็กหลอแกรไฟตกลมและเหล็กหลอเทา

เหล็กหลอเทา (Gray Cast Iron)

เหล็กหลอเทาเปนเหล็กหลอที่มีสวนผสมและโครงสรางใกลเคียงกับเหล็กดิบ (Pig Iron) ที่ถลุงจาก

เตาถลุงทรงสูง (Blast Furnace) ที่อาจจะนํามาใชงานโดยตรงหรืออาจมีการนํามาปรับปรุงสวนผสมบาง

เล็กนอยเพ่ือใหงานหลอมีคุณภาพสูงขึ้นทําใหเหล็กหลอเทามีราคาถูกเมื่อเทียบกับโลหะอื่นๆ นอกจากนี้

เหล็กหลอเทายังมีสมบัติอื่นๆที่เหมาะสําหรับการใชงานในอุตสาหกรรมอีกหลายประการเชน

1. มีความแข็งไมสูงสามารถกลึงหรือใส ตบแตงใหไดขนาดตามตองการไดงาย

2. มีอุณหภูมิหลอมเหลวต่ํา และมีความสามารถในการไหล (Fluidity) ดีสามารถหลอหลอมใหได

รูปรางชนิดซับซอนไดงาย

ก/6-50

3. มีอัตราการขยายตัวนอย สามารถใชทําสวนประกอบของเครื่องจักรที่ตองการรูปรางและขนาด

ที่แนนอน

4. มีความตานทานตอแรงดัด และรับแรงสั่น (Damping Capacity) ไดดีใชทําแทนรองรับอุปกรณ

เครื่องมือกลตางๆ ไดดี

5. สามารถที่จะปรับปรุงคุณสมบัติความตานทานแรงดึงไดมาก โดยขึ้นอยูกับการปรับปรุง

สวนผสมและการอบชุบ ทําใหใชงานไดกวางขวาง

เมื่อพิจารณาจากแผนภาพสมดุลเหล็กและคารบอน หล็กหลอสวนใหญจะผลิตอยูในชวงคารบอน

เปอรเซนต 2.5 – 4.0 ถามีปริมาณมากกวานี้ เหล็กหลอจะสูญเสียสมบัติทางดานความเหนียว อยางไรก็ดีการ

เย็นตัวอยางชาๆ เพื่อใหเปนไปตามที่สภาวะสมดุลนั้นเปนไปไมไดในทางปฏิบัติ ทําใหโครงสรางที่ไดจาก

การเย็นตัวแมในแบบหลอที่มีการเย็นตัวอยางชาๆ มีลักษณะแตกตางจากโครงสรางที่ไดจากแผนภูมิสมดุล

ซึ่งสงผลตอสมบัติของเหล็กหลออยางมาก

ก/6-51

ภาคผนวก ค

ขั้นตอนการทํางานหลอ

ก/6-52

ขั้นตอนการทํางานหลอ

การทําแบบทราย (ระบบทรายฟูราน)

ทรายที่ใชในกระบวนการทําแบบหลอในการทดลองคือ ฟูรานเรซิน ซึ่งมีสมบัติการไหลตัวดี มี

ความแข็งประมาณ 35 กก./ตร.ซม. ที่ 5 ซม. หลังจากการผสม การทําแบบสําหรับสวนที่รับแรงกดหรือสวน

ที่อยูดานหลังของแบบไมตองกระทุงใหแนน ปองกันการซึมของน้ําโลหะขณะทําการหลอ

โดยท่ัวไปเรซินที่เปนสารอินทรียสามารถนํากลับมาใชไดอีก และมีขอดีตรงที่วา ประหยัดวสัดแุละ

ไมเกิดมลภาวะกับสาธารณะ ไมจําเปนตองใชคนงานที่มีฝมือในการทําแบบหลอและสามารถทําแบบทราย

สําหรับงานหลอขนาดใหญได แตทรายเหลานี้ เมื่อผสมแลวตองใชทันที (Short in bench life) และปลอย

กาชออกมาในขณะเทน้ําโลหะ ทําใหอาจเกิดจุดเสียในชิ้นงาน เชน ทรายตก รูพรุน และทรายไหมได หากทํา

การเทน้ําโลหะไมเหมาะสม ดังนั้นมักจะเปนการดีกวา ถานําทรายกลับมาใชอีกเพราะเปนการลดตัว

ประสานทําตัวใหแข็งและทรายขนาดเล็ก

ทราย Mesh 100 ปริมาณ เรซิ่น 2% (ทราย) ปริมาณแคตาลิสท 35% (เรซิ่น)

กระสวน

กระสวน (Pattern) หมายถึงตนแบบ แมแบบ หรือ ตนฉบับ หรือ หุนจําลองที่จะทําใหเกิดเปนโพรง

แบบหลอ (Gravity) เพื่อใหไดมาซึ่งชิ้นงานหลอ เมื่อน้ําโลหะเย็นตัวลงจนสามารถจับตองได และรูปราง

ของชิ้นงานหลอที่ไดออกมาจะตองเหมือนกระสวนทุกประการ ยกเวนขนาดเทานั้น เพราะไดมีการเผือ่แบบ

ตางๆ ไวแลว

รูปท่ี3 รูปท่ี 1 ขนาดของชิ้นทดสอบ DIAMETER 60, 50, 40, 30 MM

ขั้นตอนการทําแบบหลอ

1. วางกระดานรองแบบหลอลงบนพื้นเรียบ

ก/6-53

2. วางกระสวนและหีบหลอลงบนกระดานรองแบบหลอ (หีบแบบจะตองใหญกวากระสวน

พอที่จะทําใหความหนาของทรายโดยรอบกระสวนเทากับ 30 – 50 มม.

3. เททรายทําแบบหลอคลุมผิวกระสวน แลวกระทุงดวยเคร่ืองมือกระทุง โดยตองระวังมิให

เครื่องมือกระทุงโดนกระสวนโดยตรง หลังจากนั้น ปาดทรายที่กองอยูเหนือระดับขอบบน

ของหีบหลอออก

4. รอเวลาใหทรายแข็งตัว ประมาณ 15 นาที จากนั้น จึงทําการยกแบบทราย และถอด

กระสวน และหีบแบบออก

รูปที่4 รูปที ่2 อุปกรณประกอบการทาํแบบ รูปท่ี5 รูปท่ี 3 ลักษณะการวาง

แบบ

ตําแหนงการฝงเทอรโทคัปเปล

เพื่อตรวจสอบเสนกราฟการเย็นตัว ของชิ้นงานที่มีขนาดตางกัน ทําการฝงเทอรโมคัปเปลกับ

ชิ้นงานในตําแหนงตามท่ีแสดงดังนี้

รูปที่6 รูปที ่4แสดงตาํแหนงการฝงเทอร

โมคัปเปล รูปที7่ รูปที ่5 รูปแบบทราย ที่ทําการฝงเทอรโมคัปเปล

ก/6-54

รูปที8่ รูปที ่6 รูปแบบและขนาดของชิ้นทดสอบประสิทธภิาพการทําอินอคคูเลชัน่ตามมาตรฐาน ASTM

การจัดเตรียมวัตถุดิบ

1. เลือกเศษเหล็กเหนียวที่จะทําการหลอ โดยแยกเปนชุด

2. ชั่งน้ําหนัก Pig iron และ Ferro alloy ตามท่ีไดจากการคํานวณ

3. ชั่ง อินอคคูแลนท แยกใสถุง และเขียนเครื่องหมายไวใหชัดเจน A1, A2, B1, B2…..

รูปที9่ รูปที ่7 รายละเอียดการคาํนวณวตัถดุิบ

ก/6-55

ภาคผนวก ง

ทฤษฎีอื่นๆ ที่เกี่ยวของ

ก/6-56

การเกิดนิวเคลียส (Nucleation)

การเกิดนิวเคลียสแบบเอกพันธ (Homogeneous Nucleation)

การเกิดนิวเคลียสแบบเอกพันธ (Homogeneous Nucleation) หมายถึง นิวเคลียสที่เกิดจากกลุม

อะตอมของโลหะที่กําลังหลอมเหลวโดยตรง ไมมีสิ่งอื่นแปลกปลอมเขามาเกี่ยวของ ถาสมมติใหลักษณะ

ของนิวเคลียสเปนทรงกลมขนาด เล็กๆ ที่มีรัศมเีทากับ r การเกิดนิวเคลียสที่มีขนาดรัศมี r นี้ จะมีพลังงาน

อิสระภายในที่เกี่ยวของอยู 3 ประการ คือ

รูปท่ี10 แสดงแบบจาํลองนิวเคลียสที่เกดิจากกลุมอะตอมของโลหะที่กาํลังหลอมเหลวโดยตรง

พลังงานอิสระปริมาตร (Volume or bulk free energy) ไดแก พลังงานอิสระที่กลุมอะตอมในสภาพ

หลอมเหลวถายเทออกไปจากตัว และทําใหกลุมอะตอมนี้มีเสถียรภาพ รวมตัวกันไดจนกลายเปนนิวเคลียส

มักจะกําหนดใหผลตางของพลังงานอิสระนี้มีคาเปนลบ ตามหลักทางเทอรโมไดนามิกส และใหคาเปน

DFV ซึ่งหมายถึง ผลตางของพลังงานอิสระตอหนวยปริมาตร ดังนั้นเมื่อนิวเคลียสมีขนาดรัศมีเปน r

คาพลังงานอิสระปริมาตรโดยรวม = - ∆F�ด ปริมาตรนิวเคลียส

= - �

�πr�ด ∆F�

พลังงานอิสระระหวางผิว (Surface free energy) หมายถึงพลังงานอิสระระหวางผิวของนิวเคลียส

กับโลหะหลอมเหลวที่ลอมรอบนิวเคลียส พลังงานจํานวนนี้จะทําหนาที่รักษานิวเคลียสหรืออะตอมบริเวณ

ผิวของนิวเคลียส มิใหสลายตัวกลับไปเปนโลหะหลอมเหลว ซึ่งจะมีคาเปนบวก เพราะพลังงานจํานวนนี้คอื

สวนที่ระบบตองสรางขึ้นมาใหมเมื่อเทียบกับระบบที่ไมมีนิวเคลียสของแข็งเกิดขึ้น

กําหนดให DFS เปนคาพลังงานอิสระระหวางผิวตอหนวยพื้นที่ เมื่อนิวเคลียสมีขนาดรัศมี r

คาพลังงานอิสระระหวางผิว= ∆F�ด พื้นที่ผิวของรูปทรงกลมรัศมี r

= 4πr�ด ∆F�

ก/6-57

พลังงานที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงปริมาตรจากสภาพหลอมเหลวมาเปนของแข็งซึ่งเทากับ P dv มี

คานอยมาก เราจึงไมนํามาพิจารณา

ดังนั้น ผลรวมของพลังงานอิสระทั้งหมด ซึ่งกําหนดใหเปน DF จะมีคาเทากับผลรวมของพลังงาน

อิสระปริมาตรท้ังหมดรวมกับพลังงานอิสระระหวางผิวทั้งหมด

DF = - �

�πr�ด ∆F� + 4πr�ด ∆F�

สําหรับโลหะชนิดหนึ่งๆ นั้น คา DFV และ DFS จะมีคาคงที่ ซึ่งถาเปนเชนนี้

DF = f (r)

เมื่อนําเอาคาจากสมการมาพล็อตกราฟ เราจะไดกราฟ ดังแสดง

รูปที1่1 กราฟแสดงคาพลังงานอสิระที่เพ่ิมขึน้ตามคาของรัศมีนวิเคลียส

เราจะหาตําแหนงสูงสุด ของเสน DF ได โดยท่ีจุดสูงสุดนี้คา �(D�)

�� เทากับศูนย

ดังนั้น- 4πr�ด ∆F� + 8πrด ∆F� = 0

r = �(D��)

D�� = rc

คา rc คือคารัศมีวิกฤต (Critical radius) ของนิวเคลียส กลาวคือ ถานิวเคลียสท่ีเกิดขึ้น มีคาเล็กกวา rc

นิวเคลียสท่ีเกิดขึ้น จะไมมีเสถียรภาพ อาจจะสลายตัว และกลับไปเปนโลหะหลอมเหลว

ถารัศมีของนิวเคลียสโตกวา rc แสดงวา นิวเคลียสมีเสถียรภาพสามารถคงสภาพเปนนวิเคลยีสอยูได

จะเห็นไดวา เมื่อคา r โตกวา rc คาการเปลี่ยนแปลงของการเปลี่ยนแปลงพลังงานอิสระสุทธิเปนไปใน

ทิศทางที่เปนลบ �(D�)

�� ดังนั้น การโตตอของนิวเคลียสของแข็งจึงเปนไปตามทิศทางการเปลี่ยนแปลงเพื่อ

เขาสูสมดุลตามการพิจารณาทางเทอรโมไดนามิกส ซึ่งจะกลายเปนผลึกตอไป

จากการศึกษาดานเทอรโมไดนามิคส เราพบวา ถาเกิดการแข็งตัวที่อุณหภูมิหลอมเหลวพอดี

(Equilibrium Solidification Temperature) คา DFV = 0 ถาเปนเชนนั้น คา rc= �(D��)

D�� = ∞ ซึ่งแสดงวา

การเกิดการแข็งตัวจะเกิดในลักษณะทันทีทันใดทั่วทั้งปริมาตรของโลหะหลอมเหลว และมีผลึกเดียว แตถา

DF* DF

ก/6-58

การแข็งตัวเกิดที่อุณหภูมิต่ํากวา อุณหภูมิหลอมเหลวซึ่งในกรณีนี้ เรียกวามี degree of supercooling (DT)

คือปลอยใหโลหะเย็นลงเร็ว จากการศึกษาทางเทอรโมไดนามิคสเราพบวารัศมีของนิวเคลียสที่มีเสถียรภาพ

จะมีขนาดเล็กลง เมื่อคา DT มีคาสูงขึ้น หรืออาจจะกลาวไดวา ขนาดของผลึกที่ไดจะเล็กลง ถาเราทําให

โลหะเย็นตัวเร็วมากพอ

การเกิดนิวเคลียสแบบวิวิธพันธ (Heterogeneous Nucleation)

การเกิดนิวเคลียสแบบวิวิธพันธ (Heterogeneous Nucleation) หมายถึงนิวเคลียสที่เกิดโดยอาศัยสิ่ง

ปลอมปน ที่มีอยูในโลหะหลอมเหลวเปนตําแหนงใหอะตอมในสถานะของเหลวมาเกาะและกลายเปน

อะตอมในสถานะของแข็งซึ่งมักจะเกิดขึ้นกับโลหะสวนใหญ เพราะในการหลอมโลหะ ยอมมีสิ่งเจือปนอยู

ในโลหะเสมอ ทั้งในรูปของสารมลทิน (Impurities) ที่มาจากวัตถุดิบและที่มาจากวัสดุทนไฟที่ใชเปนเบา

หลอม ซึ่งจะอยูในรูปของอ็อคไซด หรือในฟอรมอื่นก็ตาม สิ่งปลอมปนเหลานี้จะมีสภาพเปนผงเล็กๆ

(Solid particle) ลอยตัวอยูในโลหะหลอมเหลว และจะทําหนาที่เสมือนเปนตําแหนงใหเกิดนิวเคลียสใหกับ

โลหะหลอมเหลวได มักเรียกนิวเคลียสที่เกิดแบบนี้วาเปน นิวเคลียสเทียม และเรียกการเกิดนิวเคลียสเทียม

นี้วา Heterogeneous nucleation หรือ บางกรณีไดชื่อวาเปน Nucleation catalysts หรือ Nucleants

รูปท่ี12 แสดงแบบจาํลองนิวเคลียสที่เกดิจากสิ่งปลอมปน

ในรูปเปนการแสดงใหเห็นการเกิดนิเวเคลียสบนอนุภาคสารมลทิน เมื่อเขียนสมดุลแรงก็จะมี แรง

ตึงผิว 3 แรงคือ ระหวาง solid/liquid solid/impurity และ liquid/impurity ที่สมดุลของแรงตึงผิวทั้งสามนั้น

นิวเคลียสซึ่งสมมติใหมีลักษณะหมวกทรงกลม ซึ่งจะมีมุมของการเปยกเปน theta ดังนั้นปริมาตรของ

หมวกทรงกลมจะขึ้นกับมุม theta หรืออีกนัยหนึ่งคือขึ้นกับแรงตึงผิวระหวาง solid/impurity และ

liquid/impurity โดยมีสูตรคือ

ก/6-59

ลักษณะโครงสรางผลึกของอนุภาคที่ทําหนาที่เปนนิวเคลียสเทียมก็มีบทบาทท่ีสําคัญประการหนึ่ง

ถา อนุภาคดังกลาวกับโลหะที่กําลังจะเกิดการข็งตัวมีระบบผลึกคลายคลึงกัน (Identical) การจับตัวของ

อะตอมโลหะหลอมเหลว บนระนาบรอบๆนิวเคลียสเทียมจะกระทําไดงาย ในกรณีเชนนี้ การเกดิการแขง็ตวั

ของโลหะไมจําเปนตองขึ้นกับอยูกับคารัศมีวิกฤติ (Critical radius) ของนิวเคลียส แตปริมาตรของกลุม

อะตอมที่จับกันเปนของแข็งมีขนาดเล็กลง ทําใหพลังงานอิสระวิกฤตลดลงตามปริมาตรท่ีลดลง ดงันัน้ DT

จึงลดลง นอกจากนี้แลวหากเทียบกันถึงจํานวนกลุมกอนของอะตอมโลหะที่สามารถโตตอไดนั้น จํานวน

กลุมกอนของอะตอมท่ีมีขนาดเลกกวาจะมีมากกวามาก ดังนั้นจึงมีจํานวนนิเวเคลียสมาก ไดเกรนละเอียด

ก/6-60

การขยายตัวของนิวเคลียส (Growth)

การขยายตัวของนิวเคลียสจะเริ่มเมื่อนิวเคลียสมีขนาดโตจนมีเสถียรภาพพอและอะตอมในโลหะ

หลอมเหลวที่สามารถคายพลังงานออกจากตัวไดแลว เคลื่อนที่เขามาจับกับอะตอมในนิวเคลียส ทําให

นิวเคลียสมีขนาดโตขึ้น การขยายตัวของนิวเคลียสจะมีทิศทางที่แนนอน เราสังเกตจากการทดลองพบวา

การขยายตัวของนิวเคลียสใหลักษณะโครงสรางที่เรียกวา Dendrite ซึ่งมีลักษณะเปนกิ่งกานสาขา เหตุที่เกิด

เชนนี้ เพราะในขณะที่นิวเคลียสกําลังขยายตัวไปในทิศทางใดก็ตาม อะตอมที่เขามาจับตอกับอะตอมของ

phase solid จะถายเทพลังงานไว ทําใหโลหะหลอมเหลวบริเวณปลายสุดของ phase solid มีความรอนสะสม

อยูมาก การขยายตัวจะกระทําตอไปไมไดในทิศทางนั้น แตบนแขนของ phase solid ตําแหนงหนึ่ง อาจจะ

พรอมที่จะขยายตัวไดอีก เพราะมีผิวที่เหมาะในการขยายตัวขึ้นไดอีก เชน มีพลังงานอิสระต่ําสุด คือ มี

เสถียรภาพมาก และยังมีอะตอมของโลหะหนาแนน การขยายตัวก็จะเริ่มตรงจุดนั้น ในทิศทางหนึ่ง แตพอ

ขยายตัวไปไดระยะหนึ่ง ก็จะหยุด เนื่องจากเกิดความรอนสะสม และถายเทออกไมทัน หรืออาจจะขยายตัว

เขาใกลกับอีก Crystal หนึ่ง เกิดการแยงอะตอมท่ีจะมาขยายตัวซึ่งกันและกัน การขยายตัวจึงหยุดและจะไป

เริ่มที่อื่นบนแขนของ phase solid ที่ตําแหนงอื่น คงเปนเชนนี้ไปเรื่อยๆ จนกวาการแข็งตัวจะสิ้นสุด จึงทําให

เกิดลักษณะที่เรียกวา Dendrite

รูปที่13 แสดงการขยายตัวของนิวเคลียสใหลกัษณะ

โครงสรางที่เรียกวาDENDRITEและ

รูปที1่4 ภาพถายโครงสราง จาก SCANNING

ELECTRON ที่กําลังขยาย 15 เทา

ก/6-61

การแข็งตัวของโลหะ (Metal Solidification) กระบวนการแข็งตัว เปนกระบวนการที่มีการใชงานกันอยูทั่วไปและเปนกระบวนการท่ีสําคัญที่ใช

ในอุตสาหกรรม โดยเรียกกันทั่วไปวาการหลอ (Casting) ซึ่งเปนกระบวนการการขึ้นรูปชิ้นสวนที่ประหยัด

ในการผลิตในเชิงอุตสาหกรรมในกรณีที่โลหะดังกลาวมีจุดหลอมเหลวไมสูงนัก โดยในปจจุบันอุณหภูมิ

สูงสุดที่ยังคุมคาในเชิงอุตสาหกรรมประมาณ 1,660 องศาเซลเซียส การแข็งตัวของโลหะคือการเปลี่ยนเฟส

(Phase Transformation) หรือการเปลี่ยนจากเฟสที่เปนของเหลวใหเปนของแข็ง สําหรับโลหะการแข็งตัวจะ

สงผลกับโครงสรางทางจุลภาคซึ่งจะสงผลตอคุณภาพของงานหลอ การควบคุมกระบวนการหลอที่ดีจ่ึงเปน

สิ่งที่มีความสําคัญอยางยิ่ง กระบวนการที่ เกี่ยวเนื่องกับการแข็งตัวที่สําคัญประกอบดวย การหลอ

แบบตอเนื่อง (Continuous Casting), Ingot Casting, Form-Casting, Precision-Casting และ Die-Casting ใน

หลายๆกรณีมักไมใชกระบวนการสุดทายในการขึ้นรูป อยางไรก็ตามกระบวนการแปรรูปที่ตอเนือ่งจากการ

หลอสงผลตอการปรับปรุงโครงสรางทางจุลภาคและความแตกตางของสวนผสมทางเคมขีองงานหลอไดไม

มากนัก การควบคุมคุณภาพของงานหลอที่ดีจึงตองเริ่มตั้งแตกระบวนการการแข็งตัว

ความรูทางวิทยาศาสตรที่เปนฐานของการศึกษาเรื่องการแข็งตัว ประกอบดวยความรูเรื่อง การ

ถายเทความรอน (Heat Transfer) อุณหพลศาสตร (Thermodynamics) การแพรของอะตอมในของแข็ง

(Mass Transfer) และความรูอื่นๆ จากความรูขางตนเปนความรูพื้นฐานที่จะอธิบายและใชในการควบคุม

กระบวนการแข็งตัวของโลหะที่มีความแตกตางกันได ในบทนี้จะกลาวถึงความรูเบื้องตนดังกลางพอสงัเขป

ตามนี้

ก/6-62

การถายเทความรอน (Heat Transfer) การถายเทความรอนจะถายเทจากตําแหนงที่มีอุณหภูมิสูงไปยังที่ที่มีอุณหภูมิต่ํา โดยอัตราการ

ถายเทความรอนแปรผันตรงกับอัตราสวนของอุณหภูมิตอระยะทาง หรือ Temperature Gradient มีคาคงที่ K

คาสัมประสิทธิการนําความรอน (Heat Conductivity) ซึ่งเปนคุณสมบัติของวัสดุหรือตัวกลางที่ถายเทความ

รอน

ดังสมการ q = - K(dT/dX)

เมื่อ Heat flux (q) = ความรอนที่ถายเทผานพื้นที่หนาตัดหนึ่งหนวยในเวลาหนึ่งหนวยJoule / (m2*Sec)

Heat conductivity Joule / (m*K*Sec)

การควบคุมการถายเทความรอนในกระบวนการแข็งตัวของโลหะ เพื่อดึงความรอนออกจากโลหะ

หลอมเหลวเพื่อใหเกิดการแข็งตัว โดยความรอนที่ตองทําการดึงออกดังกลาวเมื่อพิจารณาอยางงาย

ประกอบดวย

การลดลงของเอนทาลปของของแข็งและของเหลวซึ่งมาจากการลดอุณหภูมิ (c ความรอนจําเพาะ)

ΔH = ⌡ Cp dT

ความรอนแฝงจากการหลอมเหลว (Heat of Fusion), ΔHf

โลหะหลอมเหลวจะถูกเทลงแบบที่เย็นกวา ความรอนที่เกิดจากคาความรอนจําเพาะและคาความ

รอนแฝง จะถูกดึงออกจากโลหะหลอมเหลวผานลําดับชั้นของความตานทานความรอนจนกระทั่งการ

แข็งตัวเสร็จสมบูรณ ความตานทานความรอนที่เกิดระหวางการแข็งตัวในกระบวนการหลอประกอบดวย

ความตานทานความรอนที่ชั้นโลหะหลอมเหลว ชั้นของโลหะที่แข็งตัวแลว รอยตอระหวางโลหะที่แข็งตัว

กับผิวของแบบหลอ เนื้อของแบบหลอเอง ปญหาในการถายเทความรอนเปนปญหาที่เกี่ยวของกับ

คณิตศาสตร และวิทยาศาสตรกายภาพท่ีมีความซับซอน โดยเฉพาะกรณีที่รูปทรงของชิ้นงานประกอบดวย

หลายมิติ และหรือสมบัติทางความรอนเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ การแกปญหาดังกลาวมีความจําเปนตอง

ใชคอมพิวเตอรเขามาชวยในการคํานวณ

ก/6-63

อุณหพลศาสตร (Thermodynamics) ความรูเรื่องอุณหพลศาสตร เปนความรูทางวิทยาศาสตรท่ีวาดวยกฎธรรมชาติ การนําความรูนีม้าใช

กับการแข็งตัวมีหลายดาน ที่สําคัญเชน การนําแผนภูมิสมดุล (Phase Diagram) มาใชเพื่อประเมินโครงสราง

ทางจุลภาคของโลหะระหวางและหลังกระบวนการการแข็งตัว แผนภูมิสมดุล เปนเสมือนแผนทีท่ี่จะบอกวา

ในชวงอุณหภูมิใดจะปรากฏเฟสใดในปริมาณเทาใดในสภาวะสมดุล แผนภูมิสมดุลจึงเปนเครื่องมือที่ทรง

พลังและมีประสิทธิภาพในการประเมินโครงสรางทางจุลภาค อยางไรก็ตาม แผนภูมิสมดุล ที่สรางจาก

ความรูทางดานอุณหพลศาสตรยังมีขอจํากัดในการใชงานเนื่องจากการประเมินดังกลาวเปนการประเมินใน

สภาวะสมดุล โดยปรกติในกระบวนการแข็งตัวในอุตสาหกรรมจะไมอยูในสภาวะสมดุลเชน กรณีการ

แข็งตัวของโลหะในแบบหลอจะเกิดสภาวะที่อุณหภูมิของโลหะหลอมเหลวต่ํากวาจุดหลอมเหลว (Under

Cooling) แลวจึงเกิดการแข็งตัว หรือเกิดเฟสของแข็งปรากฏขึ้น ซึ่งความรูที่ตองนํามาประกอบในการ

ประเมินโครงสรางจะประกอบดวยความรูทางดานจลนพลศาสตร (Kinetics) ดวย รวมทั้งโครงสรางหลัง

การแข็งตัวของโลหะยังขึ้นกับความสามารถในการแพร (Mass Transfer) ของอะตอมของตัวถูกละลายใน

ของแข็งดวย

การแพร (Mass Transfer)

การถายเทมวลสารจะถายเทจากตําแหนงที่มีความเขมขนสูงไปยังที่ที่มีความเขมขนต่ํา โดยอัตรา

การถายเทมวลสารแปรผันตรงกับอัตราสวนของความเขมขนตอระยะทาง หรือComposition Gradient มี

คาคงที่ D คาสัมประสิทธิ์การแพร (Diffusion Coefficient) ซึ่งเปนคุณสมบัติรวมของทั้งตัวถูกละลายและตัว

ทําละลาย

J = - D (C /X)

Mass flux (q) มวลสารท่ีถายเทผานพื้นที่หนาตัดหนึ่งหนวยในเวลาหนึ่งหนวย atom (Kg) / (m2*Sec )

Diffusion Coefficient คาสัมประสิทธิ์การแพร m / Sec

คาสัมประสิทธิ์การแพรยังขึ้นกับอุณหภูมิ มีสมการ D = D0*exp(-Q/RT)

เมื่อ D0 = คาคงที่ขึ้นกับธาตุทั้งสอง Q = Activation energy

R = Gas constant

T = Temperature (K)

สมดุลตามแผนภูมิสมดุล ระหวางการแข็งตัวจะเกิดขึ้นเฉพาะบริเวณรอยตอระหวางของแข็งและ

ของเหลวตามอุณหภูมิและสวนผสมของของเหลวบริเวณรอยตอ ทําใหเกิดความแตกตางของสวนผสมของ

ของแข็งที่แข็งตัวกอนและที่แข็งตัวทีหลัง (Segregation) และสําหรับช้ินหลอขนาดใหญการหมุนเวียนของ

ก/6-64

โลหะหลอมเหลวในแบบหลอจะทําใหเกิดการเคลื่อนที่ของของโลหะที่แข็งตัวแลวในแบบหลอ ทําใหเกิด

ความแตกตางของสวนผสมทางเคมีในระดับมหทรรศน (Macro-segregation) จากความรูความเขาใจขางตน

ทําใหเขาใจถึงผลกระทบของการแข็งตัวตอคุณสมบัติทางกลของชิ้นงานหลอ

ปรากฎการณถายเทความรอนในกระบวนการหลอโลหะ

ในกระบวนการหลอโลหะ การถายเทความรอนที่เกี่ยวของกับการแข็งตวัของน้าํโลหะในแบบหลอ

(หรือแมพิมพ) จะมีท้ังการนําความรอนจากโลหะหลอมเหลวผานตัวกลาง (เชน โลหะที่แข็งตัวแลว แบบ

หลอ) สูพื้นผิวแบบหลอ จากนั้นเกิดการพาความรอนจากพื้นผิวสูอากาศรอบนอก และยังมีการแผรังสี

ความรอนจากพื้นผิว (เชน ผนังแบบหลอดานนอก) ไปยังสูบรรยากาศรอบ ๆ

ความรูเบื้องตนเกี่ยวกับการถายเทความรอน

การถายเทความรอนสามารถแบงออกไดเปน 3 กลไกดวยกัน คือ

(1) การนําความรอน

(2) การแผรังสีความรอนและ

(3) การพาความรอน

การนําความรอน (Conduction) เปนปรากฏการณการสงผานความรอนจากการเคลือ่นทีข่อง

โมเลกลุในตวักลางทีอ่ยูนิ่งหรือตวักลางที่มีผิวสัมผสัอยูติดกัน ทฤษฎกีารนาํความรอนสามารถแสดงโดยกฎ

ของฟูเรียร (Fourier’s law)

ดังสมการ qx = -k

dx

dT

เมื่อ qx = ฟลักซความรอนในทิศทาง x

dx

dT

= ความแตกตางระหวางอุณหภูมิของ 2 บริเวณในทิศทาง x

k = คาการนําความรอนของวัสดุ

ฟลักซความรอนจะแปรผันตามความแตกตางของอุณหภูมิระหวางสองบริเวณและคาการนําความรอน

การแผรังสีความรอน (Radiation) เปนการปลดปลอยพลังงานในรูปของคลื่นแมเหล็กไฟฟา ผาน

ตัวกลางหรือบรรยากาศ รูปสมการการแผรังสีความรอนจะแตกตางจากการนําความรอนโดยสิ้นเชิง

กลาวคือฟลักซพลังงานหรือ emissive power แปรผันตามอุณหภูมิสัมบูรณยกกําลังสี่

ดังสมการ q = 4

ก/6-65

เมื่อ q = ฟลักซของการแผรังสี

= คาคงที่ Stefrn-Boltzmann มีคาเทากับ 5.67 x 10-8 W m-2 K-4

= คาสัมประสิทธิ์การแผรังสีความรอน

T = อุณหภูมิสัมบูรณของวัสดุที่แผรังสีนั้น

คาสัมประสิทธิ์การแผรังสีเปนตัวบงบอกถึงประสิทธิภาพของพื้นผิวใด ๆ ที่จะปลอยพลังงาน

ออกมาเทียบกับวัสดุในอุดมคติ (วัตถุดํา) มีคาระหวาง 0 ถึง 1 ขึ้นกับชนิดของวัสดุ

การพาความรอน (Convection) เปนการถายเทความรอนจากพื้นผิวของวัสดุผานไปยังของไหล

หรือตัวกลางที่มีการเคลื่อนที่รอบพื้นผิวดังกลาว การคํานวณฟลักซการพาความรอนสามารถกระทําไดหาก

ทราบสภาพการพาความรอน แตสภาพการพาความรอนไมสามารถตรวจวัดไดโดยตรง ดังนั้นจึงไดมีการ

นิยามพลังงานความรอนที่ของแข็งสงผานไปยังของไหลตอหนวยพ้ืนที่ตอหนวยอุณหภูมิ “คาสัมประสิทธิ์

การถายเทความรอน” (Heat transfer coefficient)

สมการที่ใชคือ qS = h(TS - Tf)

เมื่อ qS = ฟลักศความรอนบริเวณผนังพื้นผิว

h = คาสัมประสิทธิ์การถายเทความรอน

TS - Tf = อุณหภูมิของพื้นผิววัสดุและของไหล ตามลําดับ

กระบวนการหลอดวยแบบหลอ

กระบวนการหลอขึ้นรูปโลหะเปนกระบวนการที่หลอมโลหะกลายเปนของเหลวดวยความรอน

และเทโลหะหลอมเหลวลงสูแบบหลอ อุณหภูมิของโลหะหลอมเหลวแตกตางจากแบบหลออยางมากความ

รอนจึงถายเทจากโลหะหลอมเหลวไปยังบริเวณแบบหลอที่อุณหภูมิต่ํากวา การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นไมวา

จะเปนการเย็นตัวและการแข็งตัวของชิ้นงาน การเปลี่ยนแปลงรูปรางโครงสรางจุลภาค การเกิดความเคนที่

สวนตางๆ ขึ้นอยูกับการถายเทความรอน

โดยการถายเทความรอนในระบบงานหลอ ซึ่งก็คือการถายเทความรอนจากโลหะหลอมเหลว

ออกไปยังบรรยากาศรอบนอก สามารถแบงออกเปนขั้นๆเพื่อใหงายตอการทําความเขาใจได 5 ขั้น ไดแก

1. การถายเทความรอนภายในโลหะหลอมเหลว

2. การถายเทความรอนจากโลหะหลอมเหลวผานชั้นของโลหะที่แข็งตัวแลว

3. การถายเทความรอนจากโลหะที่แข็งตัวแลวผานแบบหลอ

4. การถายเทความรอนภายในแบบหลอ

5. การถายเทความรอนจากระหวางแบบหลอกับบรรยากาศ

ก/6-66

เมื่อพิจารณาการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในสวนตางๆ พบวาการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิภายในโลหะ

หลอมเหลวเองนั้นคอนขางนอยและมีคาไมแนนอน ทั้งนี้ เปนเพราะการไหลวนของกระแสน้ํา โลหะ

ภายหลังการเทลงสูโพรงแบบ แตน้ําโลหะสวนที่อยูใกลกับผิวของแบบหลอจะมีอุณหภูมิลดลง สวนของ

โลหะหลอมเหลวที่สัมผัสกับผิวของแบบหลอจะกลายเปนชั้นผิวแข็งและหนาขึ้น เรื่อย ๆ ซึ่งชั้นผิวของ

โลหะที่แข็งตัวแลวนี้เองจะกลายเปนตัวตานการไหลตัวของความรอนจากโลหะหลอมเหลวสูผนงัแบบหลอ

ที่บริเวณรอยตอระหวางชิ้นงานกับแบบหลออุณหภูมิจะลดลงอยางชัดเจน และยังคงลดลงตอเนื่องจากผิว

ของแบบหลอที่สัมผัสกับช้ินงานจนถึงผนังแบบหลอดานนอกและบรรยากาศตามลําดับ ดังนั้นการถายเท

ความรอนในระบบงานหลอที่มีความสําคัญตอการแข็งตัวของชิ้นงานภายในแบบหลอ จะมีเพียง 2 ขั้นคือ

(1) การถายเทความรอนจากโลหะหลอมเหลวผานชั้นของโลหะที่แข็งตัวแลว

(2) การถายเทความรอนจากโลหะที่แข็งตัวแลวผานแบบหลอ

การถายเทความรอนผานชั้นผิวโลหะที่แข็งตัวแลว

การถายเทความรอนผานชั้นผิวโลหะที่แข็งตัวแลวเปนกลไก “การนําความรอน” อตัราการไหลของ

ความรอนผานความตานทางบริเวณชั้นผิวโลหะที่แข็งตัวแลวสามารถอธิบายไดจากสมการ การกระจาย

อุณหภูมิท่ีตําแหนงและเวลาใด ๆ

ดังสมการ

2

2

s

t

เมื่อ s = คาการนําความรอนของชิ้นงานในเฟสของแข็ง

T = อุณหภูมิ t = เวลา

x = ตําแหนงใด ๆ ในทิศทาง x

บริเวณรอยตอระหวางชิ้นงานกับแบบหลอ การถายเทความรอนเกิดขึ้นดวยกลไก “การพาความ

รอน” ผานรอยตอระหวางชิ้นงานกับแบบหลอ สวนการถายเทความรอนภายในแบบหลอมีผลในกรณีที่

แบบหลอทําจากวัสดุที่มีคาการนําความรอนต่ํา เชน ทราย “การนําความรอน” จะเปนไปไดยากเนื่องจาก

คาการนําความรอนของวัสดุมีคาคอนขางต่ํา

การถายเทความรอนจากโลหะที่แข็งตัวแลวผานแบบหลอ

หลังจากที่เทโลหะหลอมเหลวสูโพรงแบบหลอ โลหะหลอมเหลวจะสัมผัสกับพ้ืนผวิแบบหลอและ

เกิดการถายเทความรอนขึ้น แตเนื่องจากในความเปนจริงพื้นผิวของแบบหลอไมเรียบสนิท การที่โลหะ

หลอมเหลวจะแนบสนิทไปกับผิวแบบหลอจึงเปนไปไดยาก ผิวสัมผัสระหวางโลหะหลอมเหลวกับแบบ

หลอจะเกิดขึ้นเฉพาะบางบริเวณเทานั้นขึ้นกับความขรุขระของพื้นผิวแบบหลอ สวนของผิวแบบที่สูงยื่น

ก/6-67

ออกมาจะสัมผัสกับโลหะหลอมเหลวไดดีในขณะที่พื้นผิวแบบหลอสวนที่อยูต่ํากวาโลหะหลอมเหลวจะ

แทรกตัวเขาไปไมถึงกลายเปนที่วางแทรกอยูระหวางโลหะชิ้นงานกับแบบหลอ ดวยเหตุนี้ทําใหการถายเท

ความรอนเกิดขึ้นไมเทากัน บริเวณที่ผิวสัมผัสสนิทยอมมีการถายเทความรอนไดดีกวาและการแข็งตัวจะ

เริ่มตนในบริเวณสัมผัสนั้น เมื่อเวลาผานไปโลหะหลอมเหลวกลายเปนของแข็งมากขึ้น บริเวณที่เกิดการ

แข็งตัวกอนจะดึงรั้งสวนที่ยังเปนของเหลวรอบ ๆ ตัวมันเขามาทําใหโลหะหลอมเหลวสวนนั้นไมอยูชิดกับ

ผิวแบบ นอกจากนี้เมื่อสวนที่แข็งตัวมีความหนามากพอจะเกิดหดตัวและเคลื่อนออกหางจากผิวแบบหลอ

อีกทั้งความรอนจากโลหะหลอมเหลวยังทําใหผิวของแบบหลอเกิดการเปลี่ยนรูปและแบบหลอเกิดการ

ขยายตัว เหตุการณตางๆ ที่เกิดขึ้นเหลานี้สงผลใหการสัมผัสกันระหวาง โลหะกับแบบหลอลดลง เกิด

ชองวางระหวางชิ้นงานกับแบบหลอขึ้น ซึ่งชองวางนี้เปนอุปสรรคตอการถายเทความรอนของชิ้นงาน

ภายในแบบหลอชนิดถาวรเปนอยางมาก