โลหะอะลูมิเนียมผสม (aluminum alloys)

โลหะอะลูมิเนียมผสม Aluminum Alloys

นายณรงค์ฤทธิ์ โสสะ เรียบเรียง

โลหะอะลูมิเนียมผสม (Aluminum Alloy) 1

นายณรงคฤ์ทธิ์ โสสะ ผู้เรียบเรียง

บทที่ 1

บทน า

สิ่งที่ส าคัญอย่างหนึ่งในการเลือกใช้วัสดุให้เหมาะสมกับงานที่ด าเนินการอยู่ที่ขาดไม่ได้นั้น ผู้ใช้งานวัสดุชนิดต่างๆ ต้องเข้าใจถึงคุณสมบัติ ลักษณะการใช้งาน และข้อจ ากัดของวัสดุชนิดนั้นๆ อีกด้วย ดังนั้นการเลือกใช้วัสดุต่างๆ อาจพิจารณาได้จาก ความสามารถในการขึ้นรูป การผลิตส าหรับประกอบเป็นชิ้นงาน ที่ส าคัญไปกว่านั้นผู้ใช้งานควรทราบว่า คุณสมบัติของโลหะผสม (alloy) นั้นสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามกระบวนการขึ้นรูป รวมไปถึงกระบวนการทางความร้อนที่ใช้ในกระบวนการผลิตที่เหมาะสมอีกด้วย ในรายงานฉบับนี้จะกล่าวถึงกระบวนการผลิตและการใช้งานของโลหะอะลูมิเนียมผสม (aluminum alloy) ซึ่งในรายละเอียดต่างๆ จะได้กล่าวถึงในบทถัดไป

ในส่วนนี้จะกล่าวถึงประเภทของโลหะผสม ซึ่งในบางต าราเรียกว่า โลหะเจือ เมื่อแบ่งประเภทของโลหะผสมนี้ตามองค์ประกอบทางเคมีสามารถแบ่งได้เป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆ คือ โลหะกลุ่มเหล็ก (ferrous metals and alloy) และโลหะนอกกลุ่มเหล็ก (nonferrous metals and alloy)

โลหะกลุ่มเหล็ก คือ กลุ่มโลหะที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลัก ซึ่งมีการผลิตใช้ ในปริมาณมากเมื่อเทียบกับโลหะชนิดอ่ืน ส่วนใหญ่มักใช้ในงานก่อสร้างทางวิศวกรรมเป็นส่วนใหญ่ สาเหตุหลักที่มีการใช้งานมากมีอยู่ 3 ประการ คือ ประการแรก มีสารประกอบของเหล็กอยู่เป็นจ านวนมากบนเปลือกโลก ประการที่สอง เหล็กและเหล็กกล้าสามารถผลิตได้ด้วยกระบวนการที่มีต้นทุนการผลิตต่ า อาทิเช่น การถลุง การท าให้บริสุทธิ์ การท าเป็นโลหะผสม และการขึ้นรูป เป็นต้น และประการสุดท้าย โลหะกลุ่มนี้สามารถน าไปใช้ประโยชน์ได้อย่างแพร่หลาย เนื่องจากสามารถปรับปรุงสมบัติเชิงกลและทางกายภาพได้อย่างหลากหลาย ตัวอย่างของโลหะกลุ่มนี้ เช่น เหล็กกล้า (steels) เหล็กกล้าคาร์บอนปริมาณต่ า (low carbon steel) เหล็กกล้าคาร์บอนปานกลาง เหล็กกล้าคาร์บอนสูง เหล็กกล้าไร้สนิม เหล็กหล่อ เหล็กหล่อเทา เหล็กหล่อเหนียวหรือแกรไฟต์กลม เหล็กหล่อขาวและเหล็กหล่ออบเหนียว เป็นต้น แต่อย่างไรก็ตามโลหะกลุ่มนี้ก็มีข้อจ ากัดอยู่บางประการ อาทิ มีความหนาแน่นคอนข้างสูงไม่เหมาะส าหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมบางประเภท มีค่าความน าไฟฟ้าที่ต่ าและสามารถถูกกัดกร่อนได้ง่ายในบางสภาวะแวดล้อม ดังนั้นในหลายๆ อุตสาหกรรมการผลิตโลหะผสมจึงมุ่งเน้นในการผลิตโลหะผสมนอกกลุ่มเหล็กเพ่ือตอบสนองความต้องการของผู้ใช้งาน

โลหะนอกกลุ่มเหล็ก คือ โลหะที่ไม่เหล็กเป็นองค์ประกอบหลัก อาทิ อะลูมิเนียม ทองแดง สังกะสี ดีบุก แมกนีเซียม เป็นต้น ปริมาณการใช้งานของโลหะกลุ่มนี้ในทางวิศวกรรมและอุตสาหกรรมมักจะน้อยกว่าโลหะในกลุ่มเหล็ก ส่วนใหญ่จะน าไปใช้ทดแทนเหล็กในกรณีที่ต้องการคุณสมบัติการใช้งานที่สูงกว่า เพราะ

ส่วนใหญ่แล้วโลหะกลุ่มนี้จะมีราคาที่สูงกว่ากลุ่มเหล็ก เกณฑ์การพิจารณาคุณสมบัติที่บ่งบอกว่าดีกว่ าโลหะกลุ่มเหล็กสามารถพิจารณาได้ดังนี้

1. คุณสมบัติที่มีจุดหลอมเหลวต่ า ความอ่อนตัวสูงและความสามารถในการไหลในแบบหล่อสูง จึงง่ายต่อการขึ้นรูปด้วยวิธีการต่างๆ เหมาะแก่การน าไปผลิตชิ้นส่วนต่างๆ ของอุตสาหกรรมโลหะ อาทิเช่น การรีด การตีขึ้นรูป การเชื่อม การตัด รวมไปถึงการหล่อหลอม กลึงและเจาะเป็นต้น และใช้เทคนิคการขึ้นรูปได้ทั้งแบบร้อนและแบบเย็นอีกด้วย

2. คุณสมบัติต้านทานต่อการกัดกร่อน สามารต้านทานและทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าโลหะกลุ่มเหล็กท้ังในสภาวะที่มีความชื้นสูงและสภาวะที่ประกอบไปด้วยกรดและเบส

3. สภาพการน าไฟฟ้าและความร้อน ในกลุ่มนี้จะประกอบไปด้วยสภาพการน าหลากหลายชนิดทั้งมีคุณสมบัติในการน าไฟฟ้าหรือความร้อนที่ดีและไม่ดี เช่น ทองแดงมีความสามารถในการน าไฟฟ้าที่ดีจึงเหมาะแก่การน าไปท าสายไฟ ในขณะที่โลหะนิกเกิลผสมมีสภาพการน าไฟฟ้าที่ต่ า จึงใช้เป็นขดลวดต้านทานไฟฟ้า

4. ความหนาแน่นที่ต่ า เนื่องจากการที่โลหะในกลุ่มนี้มีน้ าหนักที่เบากว่าเหล็กจึงเหมาะแก่การน าไปใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วนของโลหะในชิ้นงานที่ต้องการน้ าหนักเบา อาทิเช่น อุตสาหกรรมชิ้นส่วนรถยนต์ อุตสาหกรรมการบิน เป็นต้น

5. การมีสีสันสวยงาม เป็นอีกปัจจัยที่ส าคัญของโลหะกลุ่มนี้ จึงเหมาะแก่การน าไปตกแต่งชิ้นงานสถาปัตยกรรมเนื่องจากการมีสีสันและผิวที่มันเงา

ในบทถัดไปจะได้กล่าวถึงที่มาและความส าคัญ กระบวนการผลิตอะลูมิเนียมและโลหะอะลูมิเนียมผสม ซึ่งเป็นหนึ่งในโลหะกลุ่มนอกเหล็กที่ส าคัญในปัจจุบันอีกชนิดหนึ่ง โดยใช้กรรมวิธีการขึ้นรูปที่แตกต่างกัน รวมไปถึงการน าไปใช้ประโยชน์ในกลุ่มงานที่หลากหลาย

บทที่ 2

โลหะอะลูมิเนียมและกระบวนการถลุงแร่

อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีระบบผลึกแบบลูกบาศก์กลางหน้า (face-centered cubic, FCC) เป็นธาตุที่พบมากเป็นอันดับต้นๆ บนผิวโลกประมาณร้อยละ 8 ของธาตุทั้งหมด ส่วนใหญ่มักพบอยู่ในรูปของอะลูมิเนียมออกไซด์หรืออะลูมินา (alumina, Al2O3) ซึ่งอยู่ปะปนกับซิลิกอนไดออกไดออกไซด์หรือซิลิกา (silica, SiO2) และเหล็ก โดยทั่วไปแร่ที่มีอะลูมิเนียมเป็นองค์ประกอบหลักที่น าไปใช้ในอุตสาหกรรมการถลุงแร่นั้น มักมีปริมาณออกไซด์ของซิลิกอนต่ า ได้แก่ แร่เคโอลิไนต์ (Kaolinite) แร่บอกไซต์ (Bauxite) ซึ่งองค์ประกอบของแร่ชนิดนี้แสดงได้ในตารางที่ 1 ส่วนแร่ที่มีปริมาณของอะลูมิเนียมต่ าที่ยังสามารถน าไปในในการผลิตอะลูมิเนียมในเชิงการค้า ได้แก่ เนพีลีน (Nepheline) และ อะลูไนต์ (Alunite)

ตารางท่ี 1 การจ าแนกแร่ชนิดต่างที่พบปนอยู่ในแร่บอกไซต์ (G. E. Totten และคณะ, 2003)

ชนิดแร่ที่พบ องค์ประกอบทางเคมี Gibbsite (hydragilite) -Al2O3.3H2O Bàehmite -Al2O3.H2O Diaspore -Al2O3.H2O Hematite -Fe2O3 Goethite -FeOOH Magnetite Fe3O4 Siderite FeCO3 Ilmentite FeTiO3 Anatase TiO2 Rutile TiO2 Brookite Al2O3.2SiO2.3H2O Kaolinite Al2O3.2SiO2.2H2O Quartz SiO2

แร่บอกไซต์ ประกอบไปด้วย อะลูมินา 30-50% ซิลิกา 3-13% ไทเทเนียม(II)ออกไซด์ 10-18% และน้ า ซึ่งแร่ชนิดนี้มีปริมาณของซิลิกาที่ต่ าเหมาะแก่การน าไปถลุงในอุตสาหกรรมการผลิตโลหะอะลูมิเนียม

ดินเกาลิน หรือ แร่เกาลิไนต์ (kaolinite) ประกอบไปด้วย อะลูมินาประมาณ 30-32% และซิลิกากับน้ าในส่วนที่เหลือ

แร่เนพิไลน์ (nepheline) เป็นแร่ที่ประกอบไปด้วย อะลูมินาประมาณ 30% ซิลิกาประมาณ 40% และอัลคาไลน์ออกไซด์ เช่น Na2O และ K2O รวมกันประมาณ 20%

แร่ทุกชนิดต้องผ่านกระบวนการบดเพ่ือให้ได้แร่ที่มีความละเอียด ก่อนที่จะเข้าสู่ขั้นตอนการถลุง เพ่ือแยกอะลูมิเนียมออกไซด์ที่บริสุทธิ์ออกมา กรรมวิธีในการแยกมีหลายวิธีการขึ้นอยู่กับชนิดของแร่ที่มีปริมาณอะลูมินาที่แตกต่างกัน

กระบวนการถลุงแร่ที่มีอะลูมิเนียมเป็นองค์ประกอบ

กระบวนการเบเยอร์ (Bayer process) เป็นวิธีการที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตโลหะอะลูมิเนียม ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดจากการค้นพบของ คาร์ล โยเซฟ เบเยอร์ (Karl Josef Bayer) ชาวออสเตรีย (รูปที่ 1) ที่ประสบผลส าเร็จครั้งแรกในการแยกอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ออกจากแร่บอกไซต์ ซึ่งกระบวนการเบเยอร์ ประกอบไปด้วยขั้นตอนต่างๆ ดังนี้ (รูปที่ 2)

น าแร่บอกไซต์มาบดให้ละเอียด แล้วท าการอบที่อุณหภูมิประมาณ 170-180 °C จากนั้นน าไปย่อยด้วยสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ ภายใต้ความดัน 5-7 บรรยากาศ (atm) ในถังปฏิกรณ์ชนิดหม้อนึ่งอัดไอ (autoclave) ที่มีไอน้ าร้อนผ่านให้ความร้อนภายนอก (steam jacket) ที่อุณหภูมิประมาณ 150 °C ซึ่งอะลูมินาจะท าปฏิกิริยากับโซเดียมไฮดรอกไซด์ เกิดผลิตภัณฑ์เป็นโซเดียมอะลูมิเนต (sodium aluminate, NaAlO2) ซึ่งมีความสามารถในการละลายน้ าได้ดี ดังสมการข้างล่างนี้

รูปที่ 1 คาร์ล โยเซฟ เบเยอร์ (1871-1908) ผู้คิดค้นจากแยกอะลูมิเนียมจากแร่บอกไซต์ (G. E. Totten and D. S. Mackenzie, 2003)

ส่วนสารที่เจือปน อาทิ เหล็กและไทเทเนียม( II)ออกออกไซด์ ซึ่งสารเหล่านี้จะไม่ละลายน้ าและจะตกตะกอนอยู่ด้านล่างของถังปฏิกรณ์ ที่มีลักษณะเป็นตะกอนสีแดง (red mud หรือ red slime) หลังจากที่ท าการกรองเอาตะกอนสีแดงท่ีเหลือแล้วจะได้สารละลายโซเดียมอะลูมิเนต จากนั้นน าสารละลายนี้ไปเจือจางโดยเติมน้ าลงไปในถังปฏิกรณ์และรักษาอุณหภูมิไว้ที่ประมาณ 40 °C แล้วท าให้เกิดกระบวนการตกตะกอนของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ (aluminium hydroxide, Al(OH)3) โดยวิธีการเติมผงอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ลงไป ซึ่งจะท าหน้าที่เป็นตัวเร่งการตกผลึก (catalyzer) หรือ ตัวล่อผลึก (seeding agent) โดยจะเหนี่ยวน าให้อะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์ที่อยู่ในรูปของสารละลายมาจับกับตัวล่อผลึก แล้วเกิดการก่อตัวเป็นผลึกน าไปสู่การตกตะกอนอย่างรวดเร็ว หากปราศจากขั้นตอนการล่อผลึกจะท าให้ต้องใช้เวลาในการตกตะกอนที่นานมาก ปฏิกิริยาการตกตะกอนของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์แสดงได้ดังสมการ (2)

เมื่อกรองเอาอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์เสร็จสิ้นแล้ว น าไปล้างด้วยน้ าเปล่าจนสะอาด จากนั้นน าไปอบแล้วแคลไซน์ (calcined) ที่อุณหภูมิสูงประมาณ 1,100 °C โดยการใช้ระบบเตาเผาแบบหมุน (rotary kiln) จะได้ผงอะลูมินา ซึ่งมีลักษณะเป็นผงสีขาว ดังสมการ (3)

ส่วนสารละลายโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่เหลือจากกระบวนการต่างๆ ข้างต้นจะถูกน ากลับมาใช้ใหม่อีกครั้ง โดยการเพ่ิมความเข้มข้นของสารละลายด้วยวิธีการระเหยไล่ตัวท าละลายหรือไล่น้ าออกนั่นเอง ในกรณีที่แร่บอกไซต์มีซิลิกาปนอยู่ด้วย จะท าให้อะลูมินาบางส่วนเกิดการสูญเสียไปในระหว่างขั้นตอนการย่อยแร่ด้วยสารละลายเบส เนื่องจากซิลิกาละลายได้ดีในสารละลายเบสแล้วเกิดเป็นสารละลายโซเดียมซิลิเกต (sodium silicate, Na2SiO3) ดังสมการ (4) จะนั้นจะเกิดการท าปฏิกิริยาต่อกับโซเดียมอะลูมิเนตที่อยู่ในรูปของสารละลาย กลายเป็นสารประกอบโซเดียมอะลูมิโนซิลิเกต (sodium aluminosilicate) ดังสมการ (5) ซึ่ง

รูปที่ 2 กระบวนการเบเยอร์ (Ulrich Müller, 2011)

สารประกอบดังกล่าวไม่ละลายน้ า จึงเกิดการตกตะกอนรวมกับสารเจือปนอ่ืนๆ ที่ปะปนอยู่ในตะกอนสีแดง แล้วถูกก าจัดออกไปจากระบบ

จากการเกิดปฏิกิริยาข้างต้นท าให้เราทราบว่า ถ้าหากในแร่มีซิลิการปะปนอยู่ในปริมาณที่สูง ยิ่งจะส่งผลเสียต่ออุตสาหกรรมการผลิตอะลูมิเนียม เนื่องจากการสูญเสียอะลูมิเนียมไปในปริมาณที่มาก ดังนั้น เราจึงสามารถสรุปได้ว่า กระบวนการเบเยอร์นี้เหมาะแก่การถลุงแร่บอกไซต์ที่มีซิลิกาในปริมาณที่ต่ า หรืออาจปรับปรุงแก้ไขในขั้นตอนการผลิตในส่วนของการบดแร่ โดยการเติมหินปูน (lime หรือ lime stone) ลงไป จากนั้นจึงน าไปย่อยแร่โดยการต้มกับสารละลายเบส โดยกระบวนการดังกล่าวแสดงได้ ดังรูปที่ 3 ซึ่งหินปูนหรือแคลเซียมออกไซด์ (calcium oxide, CaO) ที่เติมลงไปนั่นจะไปจับกับซิลิกาเกิดเป็นสารประกอบแคลเซียมซิลิเกต (calcium silicate, Ca2SiO4) ซึ่งจะตกตะกอนรวมกับตะกอนอ่ืนๆ ซึ่งกรรมวิธีที่ผ่านการปรับปรุงนี้ สามารถน าไปใช้ได้กับแร่บอกไซต์ที่มีซิลิกาปนอยู่ในปริมาณสูงได้ ส่วนขั้นตอน อ่ืนๆ นั้นยังเหมือนเดิม

รูปที่ 3 กระบวนการเบเยอร์ที่ได้รับการปรับปรุงส าหรับก าจัดวัตถุปนเปื้อน

(Andrew R. Hind และคณะ, 1999)

กระบวนการหลอม (fusion process) หรือ กระบวนการแห้ง (dry process) ซึ่งกระบวนการนี้ต่างจากกระบวนการเบเยอร์ที่ใช้โซเดียมคาร์บอเนต (sodium carbonate, Na2CO3) แทนโซเดียมไฮดรอกไซด์ โดยน ามาเผารวมกันกับแร่บอกไซต์ที่บดละเอียดในเตาเผาที่อุณหภูมิตั้งแต่ 800 -1,200 °C ซึ่งอะลูมินาจะท าปฏิกิริยากับโซเดียมคาร์บอเนตแล้วเกิดเป็นสารประกอบโซเดียมอะลูมิเนียมและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ดังสมการ (6) และหากมีซิลิกาปนเปื้อนอยู่ด้วย จ าเป็นที่จะต้องผสมแคลเซียมออกไซด์ลงไปเพ่ือท าหน้าที่ในการดึงเอาซิลิกาออกจากแร่ จากนั้นจึงน าสารประกอบโซเดียมอะลูมิเนียม ซึ่งอาจมีสารอ่ืนปนอยู่ด้วยมาบดให้ละเอียดแล้วจึงน าไปละลายน้ าที่ อุณหภูมิ 90 -95 °C จนกลายเป็นสารละลายจากนั้นจึงผ่านแก๊สคาร์บอนไดออกไซดล์งไปยังสารละลายดังกล่าว เพ่ือแยกอะลูมิเนียมออกจากสารประกอบโซเดียมอะลูมิเนียมให้อยู่ในรูปของอะลูมิเนียมไฮดรอกไซด์กับโซเดียมคาร์บอเนต ดังสมการ (7) เรียกกระบวนการนี้ว่า คาร์บอไนเซชัน (carbonization) ส่วนสารอ่ืนที่เจือปนอยู่นั้นจะไม่ท าปฏิกิริยาหรือไม่ละลายน้ า ซึ่งสารเหล่านี้จะตกตะกอนกลายเป็นตะกอนสีแดงเช่นเดียวกับกระบวนการเบเยอร์ จากนั้นจึงท าการตกตะกอนอะลูมิเนียมไฮดรอกไซดโ์ดยใช้ตัวล่อผลึก แล้วกรองจากนั้นจึงน าไปอบไล่น้ าจะได้ผงอะลูมินา

การแยกโลหะอะลูมิเนียม

การแยกโลหะอะลูมิเนียมจากอะลูมินาโดยตรง แต่การรีดิวส์เอาออกซิเจนออกโดยใช้คาร์บอนเป็นธาตุที่จะไปดึงเอาออกซิเจนออกมาจะเป็นไปได้ยาก เพราะอะลูมินามีเสถียรภาพสูงมาก อีกทั้งแรงดึงดูดสัมพันธ์ (affinity) กับออกซิเจนมีค่ามากกว่าค่าระหว่างอะตอมของออกซิเจนกับอะตอมของคาร์บอน ถึงแม้ว่าจะใช้แก๊สไฮโดรเจนหรือคาร์บอนมอนอกไซด์ก็ตาม บางงานวิจัยพบว่า การรีดิวส์อะลูมินาด้วยคาร์บอนที่อุณหภูมิสูงถึง 2,500 °C จะได้โลหะอะลูมิเนียมผสมกับอะลูมิเนียมคาร์ไบด์ ดังสมการ (8) และ (9) ซึ่งปฏิกิริยาเหล่านี้สามารถเกิดขึ้นได้ที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง ท าให้การน าไปใช้งานจริงเป็นไปได้ยากมาก นอกจากนี้อะลูมิเนียมบางส่วนยังเกิดการสูญเสียจากการกลายเป็นไอของอะลูมินา ซึ่งมีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ประมาณ 2,050 °C และจุดเดือดเป็นไอที่ 2,980 °C

การแยกโลหะอะลูมิเนียมโดยวิธีเคมี วิธีการนี้เกิดจากการคิดค้นของ แฮนส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Oersted) (ดังรูปที่ 4) ในปี 1825 โดยการเปลี่ยนอะลูมินาให้มาอยู่ในรูปของของอะลูมิเนียมคลอไรด์ (aluminium chloride, AlCl3) จากนั้นจึงท าการแยกแก๊สคลอรีนออกมาโดยใช้โพแทสเซียม ซึ่งวิธีการนี้ให้ผลดีในระดับหนึ่งเท่านั้น ถึงแม้ว่าจะมีการพัฒนาปรับปรุงวิธีการให้ดีขึ้น โดยในปี 1854 Henri Sainte-Claire Deville (ดังรูปที่ 5) ในประเทศฝรั่งเศส ได้ใช้โลหะโซเดียมในการท าปฏิกิริยารีดักชันของอะลูมิเนียมคลอไรด์ ในการการแยกอะลูมิเนียม แต่ข้อเสีย คือ สารเคมีที่ใช้มีราคาแพงส่งผลให้ต้นทุนการผลิตสูง และมีปริมาณการผลิตต่อปีที่ต่ า ประมาณ 1 ตันต่อปี จึงท าให้วิธีการนี้ไม่เป็นที่นิยม

การแยกโลหะอะลูมิเนียมโดยกระแสไฟฟ้า ค้นพบในปี 1886 โดย Paul Héroult (รูปที่ 6) จากฝรั่งเศส และ Charles Martin Hall (รูปที่ 7) จากอเมริกา ได้เสนอแนะกระบวนการแยกอะลูมิเนียมจากอะลูมินาด้วยกระแสไฟฟ้า หรือเรียกว่า อิเล็กโทรไลซิส (electrolysis) โดยการใช้สารละลายไครโอไลต์ (Na3AlF6) เป็นสารอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งกระบวนการประสบความส าเร็จเป็นอย่างสูงในการน าไปใช้ในอุตสาหกรรมจนกระทั่งยุคปัจจุบัน ในกระบวนการแยกด้วยการใช้กระแสไฟฟ้านี้ อุปกรณ์ที่ใช้ในการแยกเรียกว่า อะลูมิเนียมรีดักชันเซลล์ (aluminium reduction cell) (ดังรูปที่ 8) จากกระบวนการแยกอะลูมิเนียมด้วยกระแสไฟฟ้าด้วยวิธีการดังกล่าว จ าเป็นต้องใช้กระแสไฟฟ้าประมาณ 16,600-18,000 Kwh ใช้อะลูมินา 1.98 ตัน โครโอไลต์ 0.1 ตัน และแท่งคาร์บอนแอโนด 0.6 ตันต่อจ านวนโลหะอะลูมิเนียมที่ผลิตได้ 1 ตัน จะเห็นว่าปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ใช้จะค่อนข้างสูง ท าให้บางประเทศไม่สามารถใช้วิธีการนี้ได้

รูปที่ 4 แฮนส์ คริสเตียน เออร์สเตด (1871-1908) ผู้คิดค้นการแยกอะลูมิเนียมจากอะลูมิเนียมคลอไรด์ โดยการท าปฏิกิริยารีดักชันกับโพแทสเซียม(http://en.wikipedia.org/wiki/File:Hans_Christian%C3%98rsted_daguerreotype.jpg)

รูปที่ 5 Henri Sainte-Claire Deville (1818-1881) ผู้คิดค้นการแยกอะลูมิเนียมจากอะลูมิเนียมคลอไรด์ โดยการท าปฏิกิริยารีดักชันกับโลหะโซเดียม (G. E. Totten and D. S. Mackenzie, 2003)

โลหะอะลูมิเนียมที่ผลิตได้ในขั้นแรกนี้ ยังจะมีสารมลทินเจือปนอยู่บ้าง เช่น ผงถ่าน ผงอิเล็กโทรไลต์ และมีแก๊สไฮโดรเจนเจือปนอยู่ ดังนั้นจึงใช้วิธีการเป่าแก๊สคลอรีนเข้าไป โดยผ่านท่อแกรไฟต์ ซึ่งจะเข้าไปท าปฏิกิริยากับอะลูมิเนียมเกิดเป็นไอของอะลูมิเนียมคลอไรด์ ที่จะพาสารเจือปนออกไปเหลือไว้เฉพาะอะลูมิเนียมหลอมเหลว ท าให้ได้โลหะที่มีความสะอาด ในกรณีที่ต้องการโลหะอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูง เพ่ือใช้ในงานที่ต้องการคุณภาพเป็นตัวน าไฟฟ้าสูงหรือคุณภาพผิวเรียบมันเพ่ือสะท้อนแสงที่ดี จะต้องน าเอาโลหะอะลูมิเนียมที่ผ่านการแยกด้วยกระแสไฟฟ้าในขั้นแรก มาท าการแยกด้วยกระแสไฟฟ้าอีกครั้งหนึ่งโดยท าการเปลี่ยนขั้วแอโนดเป็นแท่งอะลูมิเนียมที่ได้มาจากครั้งแรกและเปลี่ยนสารอิเล็กโทรไลต์ (60% BaCl2, 17%

รูปที่ 6 Paul Héroult (1863-1914) ผู้คิดค้นการแยกโลหะอะลูมิ เนียมโดยกระแสไฟฟ้า (G. E. Totten and D. S. Mackenzie, 2003)

รูปที่ 7 Charles Martin Hall (1863-1914) ผู้คิดค้นการแยกโลหะอะลูมิเนียมโดยกระแสไฟฟ้า (G. E. Totten and D. S. Mackenzie, 2003)

รูปที่ 8 อะลูมิเนียมรีดักชันเซลล์ (G. E. Totten and D. S. Mackenzie, 2003)

NaF, 23% AlF3 และ 5% NaCl) ซึ่งจะให้โลหะอะลูมิเนียมที่มีความบริสุทธิ์ถึง 760-800 °C และโลหะที่ได้มีความบริสุทธิ์ถึง 99.99%

อุตสาหกรรมอะลูมิเนียมในประเทศไทย

เนื่องจากประเทศไทยไมมีวัตถุดิบแรบอกไซด์ และมีค่าไฟฟ้าที่แพงท าให้ไมสามารถตั้งโรงงานถลุงอะลูมิเนียมจากแรได (การผลิตแบบปฐมภูมิ) ดังนั้นจึงมีเพียงโรงงานผลิตอะลูมิเนียมที่ใช้เศษโลหะอะลูมิเนียมเป็นวัตถุดบิ (การผลิตแบบทุติยภูมิ) เท่านั้น ปัจจุบันกลุ่มโรงงานผลิตอะลูมิเนียมทุติยภูมิของไทยสามารถผลิตโลหะอะลูมิเนียมอัลลอยชนิดต่างๆ เพ่ือเป็นวัตถุดิบให้กับอุตสาหกรรมต่อเนื่องไดประมาณปีละ 50,000-100,000 ตัน ซึ่งหากคิดตามก าลังการผลิตจะสามารถแบงออกเป็น 3 กลุ่มย่อยไดดังนี้

โรงงานขนาดใหญ่ ไดแก โรงงานที่มีก าลังการผลิตตั้งแต่ 600 ตันต่อเดือนขึ้นไป โรงงานประเภทนี้เป็นโรงงานผลิตอะลูมิเนียมผสมที่มีคุณภาพดี เนื่องจากมีอุปกรณ์และระบบควบคุมคุณภาพที่ดี นอกจากนี้ยังมีระบบการจัดการสิ่งแวดล้อมที่ปลอดภัยด้วย ปัจจุบันโรงงานผลิตโลหะอะลูมิเนียมจากเศษโลหะขนาดใหญ่มีอยู่ 3 ราย ไดแก บริษัท แอลแคนนิคเคไทย จ ากัด บริษัท เอ็ม.ซี. อะลูมินั่ม (ประเทศไทย) จ ากัด และบริษัท มิยูกิ อินดัสทรี่ จ ากัด

โรงงานขนาดกลาง ไดแก่ โรงงานที่มีก าลังการผลิต 200-600 ตันต่อเดือน โรงงานประเภทนี้ท าการผลิตอะลูมิเนียมผสมคุณภาพค่อนขา้งดี แตใ่ช้เทคโนโลยีที่ไมทันสมัยนัก และระบบการจัดการสิ่งแวดล้อมก็อยู่ในเกณฑ์ปานกลาง โดยอาจมีแคอุปกรณ์ก าจัดฝุ่นควันที่ผลิตในประเทศเท่านั้น ท าให้มีต้นทุนการผลิตที่ต่ าและมีความน่าเชื่อถือของคุณภาพน้อยกว่าโรงงานขนาดใหญ่ ปัจจุบันมีโรงงานขนาดกลางประมาณ 10 ราย ซ่ึงส่วนใหญ่เป็นบริษัทของคนไทย และบางแห่งเป็นโรงงานในเครือของกลุ่มผู้ค้าเศษโลหะเอง

โรงงานขนาดเล็ก ไดแก โรงงานที่มีก าลังการไมเกิน 200 ตันต่อเดือน โรงงานประเภทนี้มีอยู่กระจัดกระจายทั่วไป โดยเป็นโรงงานรับจ้างหลอมเศษโลหะที่ไมมีการควบคุมคุณภาพมากนักและไมมีระบบการจัดการสิ่งแวดล้อม ดังนั้นจึงสามารถขายโลหะอะลูมิเนียมผสมไดในราคาถูก โดยจะขายในตลาดล่างที่ค านึงถึงคุณภาพของวัตถุดิบ หรืออาจขายให้กับโรงงานหลอมเศษโลหะขนาดกลางหรือขนาดใหญ่ เพ่ือน าไปเป็นวัตถุดิบร่วมกับเศษโลหะและใช้ปรบัส่วนผสมทางเคมีตอ่ไป

อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่มีการใช้ในประเทศไทยมากที่สุดเป็นอันดับสอง รองจากเหล็ก โดยในปี 2550 ความต้องการใช้โลหะอะลูมิเนียมมีปริมาณถึง 443,200 ตัน โดยมีสัดส่วนการใช้ในอุตสาหกรรมไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์มากที่สุด รองลงมาไดแกอุตสาหกรรมก่อสร้าง อุตสาหกรรมบรรจุภัณฑ์ และอุตสาหกรรมยานยนต์ ตามล าดับ ซึ่งแนวโน้มการใช้โลหะอะลูมิเนียมยังคงมีปริมาณเพ่ิมขึ้นเรื่อยๆ ตามสภาพการขยายตัวทางเศรษฐกิจของประเทศ โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมยานยนต์ที่มีบริษัทขนาดใหญ่จากต่างประเทศหลายแห่งมา

ตั้งฐานการผลิตในประเทศ แต่เนื่องจากผู้ผลิตอะลูมิเนียมในประเทศยังมีจ านวนไมมากนัก ท าให้ประเทศไทยต้องพ่ึงพาการน าเข้าโลหะอะลูมิเนียมจากต่างประเทศเป็นหลัก โดยในปี 2550 มีปริมาณการน าเขทั้งสิ้น 498,920 ตัน คิดเป็นมูลค่ากว่า 108,128 ล้านบาท ซึ่งประเทศคู่ค้าที่ส าคัญ ไดแก ออสเตรเลีย ญี่ปุน สหรัฐอเมริกา สหรัฐอาหรับเอมิเลสต บราซิล และฮ่องกง เป็นต้นและมีปริมาณการสงออกผลิตภัณฑ์อะลูมิเนียมทั้งสิ้น 103,809 ตัน คิดเป็นมูลค่าา 10,430 ล้านบาท

การผลิตโลหะอะลูมิเนียมจากเศษโลหะ

การถลุงโลหะอะลูมิเนียมทุติยภูมิหรือการหมุนเวียนอะลูมิเนียม เป็นกรรมวิธีการผลิตอะลูมิเนียมที่ไดรับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ ในปัจจุบัน เนื่องจากใช้พลังงานไฟฟ้าเพียงร้อยละ 5 ของการผลิตโลหะอะลูมิเนียมปฐมภูมิ อีกทั้งยังเป็นกรรมวิธีที่ช่วยลดปัญหาสิ่งแวดล้อมโดยใช้การหมุนเวียนอะลูมิเนียมจากกระบวนการผลิตและโลหะท่ีผ่านการใช้งานแลวกลับมาใช้ใหม่ เราสามารถแบ่งการผลิตโลหะอะลูมิเนียมทุติยภูมิไดเป็น 2 ประเภท คือ การหมุนเวียนอะลูมิเนียมจากเศษโลหะ (scrap) และการหมุนเวียนอะลูมิเนียมจากกาก (dross) ซึ่งรายละเอียดการผลิตมีดังนี้

กรรมวิธีการหมุนเวียนเศษโลหะอะลูมิเนียม เศษโลหะอะลูมิเนียมสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ คือ

1) เศษโลหะอะลูมิเนียมจากโรงงานอุตสาหกรรมหรือเศษโลหะใหม่ (new scrap) ไดแก เศษโลหะที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิตและขึ้นรูปโลหะอะลูมิเนียม ในระหว่างการหลอมและหล อโลหะ เช่น โลหะอะลูมิเนียมในส่วนที่เป็นทางวิ่งโลหะหลอมเหลวในงานหล่อซึ่งเป็นเศษโลหะที่มีคุณภาพดีและโรงงานบางแห่งสามารถน ากลับมาหลอมใช้ใหม่ไดทันที

2) เศษโลหะอะลูมิเนียมที่ผ่านการใช้งานแล้วหรือเศษโลหะเกา (old scrap) ไดแก เศษโลหะที่เกิดจากผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการใช้แล้วหรือหมดอายุการใช้งานแลว เช่น กระป๋องเครื่องดื่ม สายเคเบิล อุปกรณ์การก่อสร้าง เป็นต้น โดยขั้นตอนการหมุนเวียนอะลูมิเนียมจากเศษโลหะเก่าจะซับซ้อนกว่าการหมุนเวียนเศษโลหะอะลูมิเนียมใหม ่

การผลิตอะลูมิเนียมจากเศษโลหะอะลูมิเนียม จะมีรายละเอียดแตกต่างกันออกไป แล้วแต่ชนิดของเศษโลหะแตจ่ะมีกระบวนการหลักท่ีคล้ายกัน ดังนี้

การรวบรวมและจัดเก็บเศษโลหะ

เศษโลหะอะลูมิเนียมใหม่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิตของโรงงานอุตสาหกรรมต่าง ๆ จะถูกรวบรวมโดยผู้ ผลิตหรือโรงงานจนมีปริมาณมากพอสมควร แล้วจึงน าไปจ าหน่ายให้ผู้ค้าเศษโลหะต่อไป ส าหรับเศษโลหะอะลูมิเนียมเก่าจะถูกรวบรวมจากร้านรับซื้อของเกาหรือผู้ รับซื้อเศษโลหะ โดยผู้ค้าเศษโลหะจะน าเศษ

โลหะเหล่านี้มาแยกประเภท และบรรจุหีบห่อเพ่ือน าไปจ าหน่ายให้กับโรงงานหลอมโลหะอะลูมิเนียม การจัดเก็บและบรรจุห่อของเศษโลหะอะลูมิเนียมมีหลายวิธีขึ้นกับชนิดของเศษโลหะ เช่น เศษโลหะขนาดใหญ่หรือเศษโลหะแผ่นอาจน ามาตัดลดขนาดแล้วมัดหรืออัดเป็นก้อน เศษโลหะจ าพวกสายไฟหรือลวดอาจน าไปมัดเป็นกลุ่ม สวนเศษโลหะประเภทกระป๋องหรือภาชนะต่าง ๆ จะถูกอัดเป็นก้อน โดยวิธีทั้งหมดนี้มีวัตถุประสงค์ เพ่ือใหไ้ดขนาดที่เหมาะสมและสะดวกในการเคลื่อนย้าย

การเตรียมเศษโลหะอะลูมิเนียม

เศษโลหะอะลูมิเนียมที่ไดจากผู้ค้าเศษโลหะไมว่าจะมีลักษณะเป็นก้อนหรือมัด ก่อนน าเข้าเตาหลอมจะต้องถูกย่อยให้มีขนาดเล็กลง โดยขั้นแรกจะมีการบดหยาบเพ่ือให้สามารถคัดแยกสิ่งเจือปนต่างๆ ที่สังเกตเห็นออกไดด้วยมือ หลังจากนั้นจะถูกบดละเอียดอีกครั้งแล้วน าไปแยกสิ่งเจือปนออกด้วยเครื่อง Fluidized-bed Separator ซ่ึงใช้หลักการคือ เป่าลมไปยังเศษโลหะแต่ละส่วนพรอมทั้งเขย่าเพ่ือให้ส่วนที่เป็นโลหะร่วงผ่านตะแกรงลงมา เศษโลหะอะลูมิเนียมที่ผ่านการคิดคัดแยกแลวจะถูกน าเข้าสู่เตาอบแห้งเพ่ือไล่ความชื้น น้ ามัน สิ่งสกปรก และสารอินทรีย์อ่ืนๆ ออก เศษโลหะท่ีมีเหล็กปนอยู่สูงไมสามารถน าเข้าเตาหลอมไดทันที เพราะเป็นสารมลทินส าคัญที่ส่งผลต่อคุณสมบัติเชิงกลของโลหะอะลูมิเนียม ดังนั้นจึงต้องดึงโลหะเหล็กออกมาก่อน ซึ่งวิธีที่ง่ายที่สุด ไดแก การใช้แม่เหล็ก (Magnetic separator) หรืออาจใช้ความแตกต่างของจุดหลอมเหลว โดยหลอมเศษโลหะที่อุณหภูมิสูงกว่าจุดหลอมเหลวของอะลูมิเนียมเล็นย (ประมาณ 750 °C) ที่อุณหภูมินี้โลหะอะลูมิเนียมจะหลอมละลายและค่อย ๆ ไหลซึมออกมาก่อน ในขณะที่เหล็กยังคงไมหลอมเหลวท าให้สามารถแยกเหล็กออกจากโลหะอะลูมิเนียมได

ส าหรับกระป๋องอะลูมิเนียม จะมีวิธีการเตรียมที่งออกไปโดยจะต้องก าจัดแลกเกอร ที่เคลือบกระป๋องออกก่อน (delaquering) ด้วยวิธีการอบที่อุณหภูมิ 520 °C หรือ 615 °C เมื่อไดรับความร้อนแลกเกอรจะระเหยออกมาเป็นแก๊สที่ติดไฟไดและสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงของเตาอบได ในกระป๋องหนึ่งใบจะประกอบด้วยโลหะอะลูมิเนียม 2 ชนิดไดแก สวนตัวกระป๋องที่เป็นโลหะผสมอะลูมิเนียมแมงกานีส และส่วนฝาที่เป็นโลหะผสมอะลูมิเนียมแมกนีเซียม การแยกโลหะผสมทั้ง 2 ชนิดนี้ จะใช้อุณหภูมิเฉพาะค่าหนึ่งซึ่งท าให้โลหะผสมอะลูมิเนียมแมกนีเซียมที่มีจุดหลอมเหลวต่ ากว่าอ่อนตัวลง แล้วใช้เครื่องบดอัดให้ขาดเป็นชิ้นเล็กๆ แยกออกมาจากโลหะผสมอะลูมิเนียมแมงกานีส จากนั้นจึงน าไปร่อนออกดว้ยตะแกรงต่อไป

การหลอมเศษโลหะอะลูมิเนียม

การเลือกเศษโลหะอะลูมิเนียมที่จะมาหลอมเป็นสิ่งส าคัญที่สุด โดยปัจจัยที่ควรต้องค านึงถึงไดแกคุณภาพของเศษโลหะ ปริมาณธาตุผสม สิ่งเจือปน และขนาดของเศษโลหะที่จะบรรจุเข้าเตาหลอม นอกจากนี้ยังต้องเลือกใช้เตาหลอมให้เหมาะสมกับปริมาณของโลหะที่จะหลอม รวมทั้งเชื้อเพลิงและต้นทุนด้านอ่ืนๆ โดยเตาหลอมที่ใช้ทั่วไปมีหลายประเภท เช่น เตาน้ ามัน เตาหมุน เตานอน และเตาไฟฟ้า ส าหรับกระบวนการหลอมมีขั้นตอนดังนี้

การบรรจุเศษโลหะลงในเตา มีวิธีการบรรจุแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับชนิดของเตา ซึ่งโดยทั่วไปจะบรรจุเศษโลหะอะลูมิเนียมแผ่นและเศษที่ไดจากการหล่อก่อน โดยอุณหภูมิที่ใช้ในการหลอมคือประมาณ 560 °C จากนั้นจะบรรจุเศษโลหะอะลูมิเนียมขนาดใหญ่ ตามด้วยเศษโลหะขนาดเล็กเมื่อโลหะหลอมละลายเกือบเต็มความจุของเตา หลังจากบรรจุเศษโลหะเต็มแลวจะตรวจสอบและปรับปรุงส่วนผสมทางเคมีให้ไดตามที่ต้องการโดยการเติมหรือลดธาตุผสมต่างๆ เช่น ซิลิกอน แมกนีเซียม ทองแดง เป็นต้น

การท าความสะอาดโลหะอะลูมิเนียมหลอมเหลว เพ่ือก าจัดสิ่งเจือปนต่าง ๆ และอะลูมิเนียมออกไซด์ที่ปะปนกับโลหะหลอมเหลวออก โดยใช้วิธีเติมสารเคมี (Flux) ลงไปท าปฏิกิริยากับสิ่งเจือปนและจับตัวลอยขึ้นสูผิวหนาของโลหะอะลูมิเนียมหลอมเหลว

การก าจัดแก๊สไฮโดรเจนที่ละลายอยู ในอะลูมิเนียม เนื่องจากแก๊สไฮโดรเจน สามารถละลายในอะลูมิเนียมหลอมเหลวไดดีและก่อให้เกิดจุดบกพรองที่ส าคัญในชิ้นงานหลอ ไดแก่ รูพรุน วิธีการก าจัดแก๊สไฮโดรเจนจะใช้แก๊สคลอรีนหรือไนโตรเจนเป่าผ่านท่อลงไปในเตาหลอม โดยฟองของแก๊สคลอรีนหรือไนโตรเจนจะท าหนา้ที่เป็นพาหนะน าเอาแก๊สไฮโดรเจนออกมาด้วย ก่อนการเทลงแบบหลอ เช่น การเติมสารที่ช่วยลดขนาดของเกรน (สารประกอบไทเทเนียม โบรอน หรือเซอรโคเนียม) หลังจากนั้นก็จะน าโลหะเหลวเทลงแบบหล่อเพ่ือส่งไปจ าหน่ายให้แกลูกค้าต่อไป โดยกรรมวิธีการเทโลหะหลอมเหลวและอุณหภูมิที่ใช้จะขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะอะลูมิเนียมผสมและเทคนิคเฉพาะของผู้ผลิตซึ่งโดยปกติจะใช้อุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ 730 °C

กรรมวิธีการหมุนเวียนกากโลหะอะลูมิเนียม

กากอะลูมิเนียมที่ไดจากการผลิตโลหะอะลูมิเนียมจากแรและกากจากการหลอมเศษโลหะอะลูมิเนียมทีย่ังมีปริมาณโลหะอะลูมิเนียมติดอยู่ สามารถน ากลับมาหลอมใหม่ได โดยกากที่มีปริมาณโลหะอะลูมิเนียมสูง เช่น กากที่ไดจากการหลอมอะลูมิเนียมบริสุทธิ์สามารถน าเข้าเตาหลอมไดทันที แต่ในกากที่มีปริมาณโลหะอะลูมิเนียมต่ า เช่น กากจากการหลอมเศษโลหะซึ่งมีปริมาณโลหะอยู่ต่ ากว่าร้อยละ 30 โดยน้ าหนัก จะต้องน ามาผ่านขั้นตอนการบดและร่อนด้วยตะแกรงเพ่ือคัดเอาส่วนผสมพวกเกลือและออกไซด์ออกก่อนเพ่ือท าให้ปริมาณโลหะอะลูมิเนียมเพ่ิมขึ้น โดยอาจท าให้เพ่ิมขึ้นไดถึงร้อยละ 70 โดยน้ าหนัก เตาหลอมที่นิยมใช้ในการหลอมกากอะลูมิเนียม ไดแก เตาหมุน (rotary furnace) เนื่องจากปฏิกิริยาการหมุนจะเหมือนเป็นการกวนให้โลหะหลอมเหลวที่อยู่ในกากรวมตัวกันและแยกตัวออกมาจากกาก

บทที่ 3

โลหะอะลูมิเนียมผสม

จากในบทที่แล้วได้กล่าวถึงโลหะอะลูมิเนียมและกระบวนการถลุงแร่ ส าหรับอะลูมิเนียมและอะลูมิเนียมผสม ( Aluminium and Aluminium Alloys) อะลูมิเนียมเป็นโลหะที่รู้จักกันแพร่หลาย เพราะมีน้ าหนักเบา มีความหนาแน่นประมาณ 1/3 ของเหล็กกล้าหรือทองแดงผสม แต่อะลูมิเนียมผสมจะมีอัตราส่วนของความแข็งแรงต่อน้ าหนักดีกว่าเหล็กกล้าชนิดความแข็งแรงสูง ( High Strength Steels) เหตุนี้เองจึงนิยมใช้ท าเครื่องบินและเครื่องจักรต่างๆ

คุณสมบัติที่ส าคัญของอะลูมิเนียมและอะลูมิเนียมผสมมีหลายประการคือ มีความหนาแน่นน้อย น้ าหนักเบาแต่มีความแข็งแรงสูง มีความเหนียวสูง สามารถน าไปขึ้นรูปด้วยกรรมวิธีต่างๆ ได้ง่าย มีอุณหภูมิหลอมเหลวละลายต่ าท าให้ง่ายต่อการหล่อ การน าไฟฟ้าคิดเป็นเพียง 62% ของทองแดง แต่เนื่องจากมีน้ าหนักเบาจึงเหมาะที่จะน าไปใช้ท าสายส่งไฟฟ้าแรงสูง มีคุณสมบัติการน าความร้อนสูง และไม่มีพิษต่อร่างกายมนุษย์ จึงนิยมน าไปใช้ท าภาชนะหุงต้มอาหาร และมีความต้านทานการกัดกร่อนในบรรยากาศที่ใช้งานโดยทั่วไปได้ดีมาก

การจ าแนกประเภทของโลหะอะลูมิเนียมผสม

โลหะอะลูมิเนียมสามารถผสมกับโลหะอ่ืนๆ ได้หลายชนิด เช่น ทองแดง ซิลิกอน แมกนีเซียม สังกะสี ซึ่งโลหะผสมแต่ละประเภทจะมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันออกไป สามารถเลือกใช้งานได้อย่างกว้างขวาง โลหะอะลูมิเนียมผสมสามารถจ าแนกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ๆ ดังนี้

โลหะผสมประเภทขึ้นรูปเย็น (wrought) เป็นโลหะผสมที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยการรีด การอัดขึ้นรูปออกมาแบบแผ่น หรือเป็นแท่ง ซึ่งจะมีทั้งที่สามารถอบชุบแข็งตัวด้วยความร้อนได้ (heat treatable) และที่อบชุบไม่ได้ ส่วนใหญ่โลหะที่น ามาผสมด้วยจะประกอบไปด้วย ทองแดง ซิลิกอน และแมกนีเซียม

โลหะผสมประเภทหล่อ (castable) เป็นโลหะที่มีคุณสมบัติพิเศษ มีความสามารถในการไหลที่ดี ช่วยในการหล่อขึ้นรูปได้ง่าย ส่วนใหญ่โลหะชนิดนี้สามารถอบชุบแข็งตัวด้วยความร้อนได้ โลหะผสมที่ส าคัญได้แก่ ซิลิกอน

ก่อนที่จะได้กล่าวถึงส่วนอ่ืนๆ ของโลหะอะลูมิเนียมผสม จะขอกล่าวถึงกระบวนการเพ่ิมความแข็งแรงของโลหะผสม (precipitation-strengthening หรือ hardening) โดยทั่วๆ ไปเสียก่อน ซึ่งเป็นหลักการที่ส าคัญในกระบวนการผลิตโลหะผสมหลายๆ ชนิด ซึ่งกระบวนการนี้จะประกอบไปด้วย 3 ขั้นตอน คือ Solid solution heat treatment, Precipitation hardening และ Annealing

1. Solid solution heat treatment

วิธีนี้เรียกสั้น ๆ ได้ว่า อบละลาย ซึ่งใช้หลักที่ว่า ความสามารถในการละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกับอะลูมิเนียมของธาตุผสมที่ส าคัญ อย่างเช่น ทองแดงนั้นเป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิ ที่อุณหภูมิสูง ธาตุผสมละลายได้มากกว่าที่อุณหภูมิต่ า เพราะฉะนั้นถ้าเผาอะลูมิเนียมที่ผสมทองแดงให้ร้อนขึ้นไปจนถึง 540 °C เป็นเวลานานพอให้ทองแดงที่ผสมอยู่ซึ่งไม่เกินจุดอ่ิมตัวละลายเข้าในเนื้อของอะลูมิเนียมให้หมด จากนั้นก็ท าให้อะลูมิเนียมเย็นตัวอย่างรวดเร็วโดยการชุบลงในน้ า เนื่องจากการเย็นตัวเกิดขึ้นรวดเร็วมาก ทองแดงที่เกินจุดอ่ิมตัวที่อุณหภูมิห้องจึงถูกกักอยู่ในเนื้ออะลูมิเนียมและไม่มีโอกาสเคลื่อนที่แยกตัวออกจากเนื้ออะลูมิเนียมเป็นเฟสใหม่

เมื่อมองในระดับจุลโครงสร้าง อะตอมของทองแดงถือเป็นสิ่งแปลกปนเมื่ออยู่ในเนื้อของอะลูมิเนียมท าให้การเรียงตัวของอะตอมของอะลูมิเนียมบิดเบี้ยวไปจากที่ควรจะเป็น ก่อให้เกิดความเครียด (strain) ขึ้น และมีผลให้โลหะสร้างแรงต้านทานต่อแรงทางกลภายนอกที่มากระท าได้มากขึ้น คือโลหะมีความแข็งแรงมากขึ้นอันเป็นผลจากการที่มีทองแดงละลายผสมอยู่ในเนื้อ (solid solution hardening)

ตารางที่ 2 แสดงสมบัติทางกลของ Al-4.5% Cu ที่ผ่านการอบให้ทองแดงละลายเป็นเนื้อเดียวกับอะลูมิเนียม

สภาพของโลหะ Tensile- strength

(ksi) Yield- strength

(ksi) Elongation in 2

inches (%) Hardness

(BHN) เพ่ิงได้จากการหล่อใหม่ ๆ 20.1 8.8 7.5 45 อบละลายที่ 540 °C 1 ชม. แล้วชุบน้ า

32.2 22.6 5.5 76

อบละลายที่ 540 °C 8 ชม.แล้วชุบน้ า

40.2 22.4 14.6 74

อบละลายที่ 540 °C 40 ชม. ชุบน้ าแล้วทิ้งไว้ 2 วัน

42.3 24 19.0 83

อบละลายที่ 540 °C 40 ชม. ชุบน้ าแล้วทดสอบทันที

35.8 17.4 20.7 62

2. Precipitation hardening

วิธีนี้ท าต่อเนื่องจากการท าให้ธาตุผสมละลายเข้าเป็นเนื้อเดียวกับอะลูมิเนียม ตัวอย่างเช่น ทองแดงที่มีปริมาณเกินจุดอ่ิมตัว แต่ละลายอยู่เป็นเนื้อเดียวกับอะลูมิเนียมนั้นไม่มีเสถียรภาพ มันพยายามก่อตัวเป็นเฟสใหม่แยกตัวออกจากเนื้ออะลูมิเนียม การก่อตัวนี้ต้องอาศัยการเคลื่อนที่ของทั้งอะตอมอะลูมิเนียมและของทองแดง แต่การเคลื่อนตัวของอะตอมในเนื้อโลหะในสภาพของแข็งท าได้ล าบากมากในทางปฏิบัติถือได้ว่าไม่เกิดข้ึน จึงต้องมีการเผาให้อะลูมิเนียมร้อนขึ้นเพ่ือช่วยให้อะตอมของธาตุในเนื้อโลหะสามารถเคลื่อนตัวได้ง่ายขึ้น อุณหภูมิทีใ่ช้เผาอยู่ช่วง 150-180 °C

เนื่องจากเฟสใหม่ที่จะเกิดจากทองแดงที่เกินจุดอ่ิมตัวกับอะลูมิเนียมบางส่วนนั้นมีระบบผลึกแตกต่างจากระบบผลึกของเนื้ออะลูมิเนียมที่มีอยู่เดิม ดังนั้น ในช่วงของการเกิดของเฟสใหม่นี้ อะตอมทั้งของธาตุ

ทองแดงและอะลูมิเนียมต้องขยับตัวไปอยู่ในต าแหน่งที่สมดุลของเฟสใหม่ ความเริ่มไม่สอดคล้องในเรื่องขนาดและรูปทรงของผลึกของเฟสใหม่และเฟสเก่าก่อให้เกิดความเครียดขึ้นในเนื้อของอะลูมิเนียม ท าให้โลหะสามารถต้านทานต่อแรงกระท าได้สูงขึ้นคือแข็งแรงมากขึ้น

การท ากรรมวิธีทางความร้อนแบบนี้จึงเป็นการให้พลังงานที่เหมาะสมเพ่ือให้เกิดภาวะของการเริ่มเกิดเป็นเฟสใหม่พอดี บางครั้งก็เรียกวิธีการนี้ว่า การบ่ม (aging)

อนึ่ง ความแข็งแรงของโลหะจะมีมากเฉพาะในช่วงที่อยู่ระหว่างกระบวนการเกิดของเฟสใหม่เท่านั้นถ้าผ่านพ้นช่วงนี้ไปถึงขั้นที่เกิดเฟสใหม่เป็นรูปเป็นร่างที่แน่ชัดจากเนื้ออะลูมิเนียมเดิมแล้ว อะตอมของธาตุในเฟสใหม่จะไม่เหนี่ยว (coherent bond) กับอะตอมของธาตุในเฟสเก่า หมายความว่าไม่เกิดความเครียด และความแข็งแรงของอะลูมิเนียมจะลดลงกว่าเดิม ปรากฏการณน์ี้เรียกว่า การบ่มมากเกินไป (overaging)

3. Annealing

วิธีนี้ท าเพ่ือให้โลหะคลายความเครียดและความเค้น (stress) ตกค้างต่าง ๆ ที่สะสมอยู่ในเนื้อโลหะภายหลังผ่านการขึ้นรูปทางกลมา ผลก็คือ ท าให้โลหะมีความแข็งแรงลดลง แต่ความเหนียวเพ่ิมขึ้นมาก ท าให้สามารถรับการแปรรูปทางกลเพิ่มข้ึนได้อีกโดยไม่เสี่ยงต่อการแตกหักและยังใช้แรงทางกลน้อยลง กรรมวิธีนี้จึงนิยมใช้แทรกอยู่ระหว่างกรรมวิธีการรีดแผ่นอะลูมิเนียม ซึ่งเริ่มจากท่อนอะลูมิเนียมหนาหลายนิ้ว เพ่ือรีดให้เป็นแผ่นอะลูมิเนียมห่ออาหาร หรือห่อบุหรี่ เนื่องจากปริมาณการแปรรูปจากวัตถุดิบเริ่มแรกจนเป็นผลิตภัณฑ์ส าเร็จรูปนั้นมีมาก ถ้ารีดไปเรื่อย ๆ โดยไม่อบอ่อน ความเครียดและความเค้นตกค้างในเนื้อโลหะจะมากเกิดไปจนท าให้แผ่นอะลูมิเนียมขาดได้ ดังนั้นจึงต้องใช้วิธีอบอ่อนแทรกเข้าระหว่างกระบวนการเหล่านั้น เพ่ือเพ่ิมความเหนียวให้อะลูมิเนียมก่อนที่จะเริ่มรีดต่อไป

การก าหนดสัญลักษณ์ส าหรับอะลูมิเนียมผสม (Aluminium Alloys Designation System)

สมาคมอะลูมิเนียมแห่งอเมริกา ( The Aluminium Association of America ) ได้ก าหนดสัญลักษณ์ส าหรับอะลูมิเนียมผสมขึ้น โดยสามารถแยกเป็นประเภทใหญ่ๆ ได ้2 ประเภทคือ

1. การก าหนดสัญลักษณ์ส าหรับอะลูมิเนียมผสมขึ้นรูป (Designation for Wrought Aluminium Alloys) ส าหรับการก าหนดสัญลักษณ์ เพ่ือจัดกลุ่มของอะลูมิเนียมผสมขึ้นรูป หรืออะลูมิเนียมผสมรีด โดยใช้ระบบตัวเลข 4 หลัก ก ากับซึ่งมีความหมายดังนี้

เลขหลักท่ีหนึ่ง แสดงกลุ่มของโลหะอะลูมิเนียมซึ่งมีอยู่ 8 กลุ่ม

เลขหลักที่สอง แสดงส่วนผสมอ่ืนที่เพ่ิมเติมเข้าไปโดยใช้ตัวเลข 1-9 แต่ถ้าเป็นเลขศูนย์ (0) แสดงว่าเป็นโลหะเดิม เช่น 2024 (4.5 Cu,1.5 Mg, 0.5 Si, 0.1 Cr )เทียบกับ 2218 ( 4.0 Cu, 2.0 Ni, 1.5 Mg, .0.2 Si ) จะเห็นว่าโลหะ 2218 มีนกิเกิลผสมเพ่ิมเติมเข้าไป

เลขหลักที่สามและหลักที่สี่ แสดงถึงส่วนผสมที่แตกต่างกันของโลหะผสมชนิดย่อยๆ ที่อยู่ในกลุ่มเดียวกัน เช่น อะลูมิเนียม ในกลุ่ม 1xxx นั้นตัวเลขหลักที่สามและหลักที่สี่ จะแสดงปริมาณของอะลูมิเนียมที่จุดทศนิยม 2 ต าแหน่ง หลังเลขที่บอกความบริสุทธิ์ของอะลูมิเนียม 99% เช่น 1060 และ 1080 หมายถึงอะลูมิเนียมขึ้นรูป ที่มีอะลูมิเนียมผสมอยู่ 99.60 % และ 99.80 ตามล าดับ

2. การก าหนดสัญลักษณ์ส าหรับอะลูมิเนียมผสมหล่อ (Designation for Cast Aluminium Alloys ) บริษัทอะลูมิเนียมแห่งอเมริกา (Alcoa : Auluminium Co. of America) ซึ่งเป็นบริษัทผลิตอะลูมิเนียมที่ใหญ่ของอเมริกาและมีอิทธิพลในวงการค้ามากได้ก าหนดสัญลักษณ์อะลูมิเนียมผสมหล่อ โดยใช้ระบบตัวเลข 2 หลักหรือ 3 หลัก ก ากับซึ่งมีความหมายดังนี้

ตัวเลข 2 หลัก ใช้แทนโลหะอะลูมิเนียมผสมที่มีซิลิคอนผสมเป็นธาตุหลัก

ตัวเลข 3 หลัก ตัวเลขหลักแรกใช้แทนกลุ่มที่มีธาตุๆ หนึ่งเป็นธาตุผสมหลักซึ่งมีสัญลักษณ์แทนที่ นอกจากนี้อาจจะมีตัวอักษรภาษาอังกฤษน าหน้าตัวเลข ซึ่งเขียนเป็นสัญลักษณ์เพ่ือแสดงถึงส่วนผสมที่เปลี่ยนแปลงไป และบอกถึงกรรมวิธีการหล่อ เช่น 214( 3.8 Mg) เหมาะส าหรับหล่อลงไปในแบบทราย และส าหรับลัญลักษณ์และส่วนประกอบของอะลูมิเนียมผสมหล่อนั้น

การก ากับภาวะประสงค์ส าหรับโลหะอะลูมิเนียมและอะลูมิเนียมผสม (Temper Designation for Aluminium and Aluminium alloys)

ในปี ค.ศ. 1948 สมาคมอะลูมิเนียมแห่งอเมริกา ได้ตั้งระบบการให้สัญลักษณ์ตามสภาพของโลหะที่ผ่านกรรมวิธีการผลิตต่างๆ จนแสดงคุณสมบัติทางกายภาพของทางกลตามความต้องการของผู้ใช้ โดยใช้สัญลักษณ์เป็นตัวอักษรภาษาอังกฤษได้แก่ F, O, H, W และ T เขียนตามหลังสัญลักษณ์ของโลหะผสมโดยมีขีดน าหน้า แล้วอาจจะมีตัวเลข 1 หรือ 2 ตัว ตามหลังด้วย เช่น A 132-T 65 เป็นต้น ส าหรับความหมายของสัญลักษณ์ต่างๆ มีรายละเอียดดังนี้คือ

F คือ สภาพเดิม (Fabricated) หมายถึงสภาพของโลหะที่ได้จากการผลิตธรรมดาโดยไม่มีกรรมวิธีทางกล หรือกรรมวิธีทางความร้อนเข้ามาช่วยเป็นชิ้นงานสภาพเดิม

O คือสภาพอบอ่อน (Annealed) หมายถึง สภาพของโลหะที่ผ่านกรรมวิธีการอบอ่อน เพ่ือท าให้โลหะมีความอ่อนและเหนียวเพ่ิมข้ึน

H คือสภาพแข็งโดยการท างาน (Work-Hardened) หมายถึง สภาพของโลหะที่ผ่านกระบวนการท างานทางกล เพ่ือให้มีความแข็งแรงสูงเพิ่มขึ้น อาจจะเป็นกรรมวิธีการท างานแบบร้อนหรือแบบเย็นก็ได้

H1 คือ ท าให้แข็งโดยความเครียดอย่างเดียว ( Strain-Hardenend Only ) หมายถึงสภาพของโลหะที่ผ่านการท าให้แข็งด้วยความเครียดอย่างเดียว และจะมีตัวเลขหลักที่สองก ากับอยู่ด้วยเพ่ือแสดงปริมาณการถูกท าให้แข็ง เช่น

H12 หมายถึง Quarter hard โลหะจะถูกแปรรูป 20%

H14 หมายถึง Half hard โลหะจะถูกแปรรูป 40 %

H18 หมายถึง Full hard โลหะจะถูกแปรรูป 80%

H19 หมายถึง Extra hard โลหะจะถูกแปรรูป 90%

H2 คือ ท าให้แข็งและอบอ่อนบางส่วน (Strain – Hardened and Partial Annealed) หมายถึง สภาพของโลหะที่ถูกท าให้แข็งด้วยความเครียด แล้วน้ าไปอบอ่อนบางส่วน เพ่ือให้โลหะเหนียวขึ้นแต่ความแข็งแรงยังเหมือนกับโลหะท่ีใช้สัญลักษณ์ H1

H3 คือ ท าให้แข็งและคงรูป (Strain-Hardened and Then Stabilizing) หมายถึงสภาพของโลหะที่ถูกท าให้แข็งและมีความแข็งแรงเพ่ิมข้ึน โดยผ่านกระบวนการแปรรูปเย็นและก็คงคุณสมบัติไว้ แล้วน าโลหะไปท ากรรมวิธีทางความร้อนที่อุณหภูมิต่ าๆ ซึ่งความร้อนนี้ยังไม่สูงพอที่จะท าให้ความเครียดแข็งหมดไป สภาพของโลหะแบบนี้ส่วนมากใช้กับโลหะพวก อะลูมิเนียมผสมแมกนีเซียม

W คือ การอบละลาย (Solution-Heat Treatment) หมายถึง สภาพของโลหะที่ผ่านกรรมวิธีทางความร้อน เพ่ือให้เกิดการละลายของธาตุผสมจนเป็นเนื้อเดียวกันจากนั้นท าให้เย็นอย่างรวดเร็วโดยอาจปล่อยให้เย็นตัวในอากาศ โลหะก็จะมีการเปลี่ยนแปลงเกิดการแยกตัวแข็งโดยอายุ (Natural Aging) ดังนั้นการก ากับสัญลักษณ์ก็จะต้องบอกถึงระยะเวลาที่ทิ้งไว้ด้วย จะเห็นว่าสภาพดังกล่าวนั้น จะเป็นคุณสมบัติเฉพาะของโลหะผสมที่สามารถเกิดการแยกตัวแข็ง (Precipitation Hardening)ได้เองและไม่เกิดขึ้นกับโลหะทั่วๆไป เช่น โลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดงที่มีสัญลักษณ์ 2024-W (1/2 hr) หมายความว่า โลหะนี้ได้ผ่านกรรมวิธีทางความร้อน จนท าให้ทองแดงละลายเข้าไปในอะลูมิเนียมจนหมด แล้วปล่อยให้เย็นอย่างรวดเร็วในอากาศ เป็นเวลานานครึ่งชั่วโมง

T คือ อบด้วยความร้อน (Thermally treated) หมายถึงสภาพของโลหะที่ผ่านกรรมวิธีทางความร้อน ซึ่งอาจจะท าร่วมกับกระบวนการท างานทางกลหรือไม่ร่วมก็ได้และตามหลังอักษร T จะมีตัวเลข 2 ถึง 10 ก ากับไว้เพื่อบอกความแตกต่างดังต่อไปนี้

T2 คือ อบอ่อน (Annealed) หมายถึง สภาพอบอ่อนซึ่งใช้เฉพาะส าหรับงานหล่อเท่านั้น

T3 คือ อบละลายและกรรมวิธีการท างานแบบเย็น (Solution Heat Treated and Then Cold Worked) หมายถึงสภาพของโลหะท่ีผ่านการอบละลายแล้วน าไปแปรรูปเย็นเพ่ือเพ่ิมความแข็งแรง

T4 คือ การอบละลายแล้วแยกตัวแข็งโดยอายุ (Solution Treated and Naturally Aged) หมายถึงสภาพของโลหะที่ผ่านการอบละลายแล้วปล่อยให้เกิดการแยกตัวแข็งโดยธรรมชาติและมีระยะเวลา หรืออายุด้วย

T6 คือ การอบละลายแล้วแยกตัวแข็ง (Solution Treated and Aged at Slightly Temperature) หมายถึง สภาพของโลหะที่ผ่านการอบละลาย แล้วไปอบทางความร้อนต่อเพ่ือให้เกิดการแยกตัวแข็ง

T7 คือ อบละลายแล้วท าให้คงสภาพ หมายถึง สภาพของโลหะที่ผ่านการอบละลายโดยการควบคุมทั้งอุณหภูมิและเวลาเพ่ือควบคุมการเติมโตของเกรนหรือเพ่ือควบคุมความเค้นที่ตกค้างภายในโลหะ หรือเพ่ือควบคุมท้ังสองอย่าง

T8 คือ อบละลายแล้วแปรรูปแบบเย็น แล้วอบแยกตัวแข็งหมายถึงสภาพของโลหะที่ผ่านการอบละลาย แล้วน าไปแปรรูปแบบเย็นเพื่อเพ่ิมความแข็งแรงต่อจากนั้นจึงน าไปอบแยกตัวแข็ง

T9 คือ อบละลายแล้วอบแยกตัวแข็งและแปรรูปแบบเย็น หมายถึงสภาพของโลหะที่ผ่านการอบละลาย แล้วอบแยกตัวแข็ง หลังจากนั้นจึงน าไปแปรรูปเย็น เพ่ือเพ่ิมความแข็งแรง

T10 คือ อบแยกแข็งแล้วแปรรูปเย็น หมายถึง สภาพของโลหะที่ผ่านกรรมวิธีทางความร้อนเพ่ือให้เกิดการแยกตัวแข็ง จากนั้นน าไปแปรรูปเย็นอีกเพ่ือเพ่ิมความแข็งแรง

ชนิดของโลหะอะลูมิเนียมผสม

1. Commercially pose aluminium

บริสุทธิ์กว่า 99.0% โดยน้ าหนัก ใช้ท าภาชนะเครื่องครัว ภาชนะใส่อาหาร Aluminium foil ที่บริสุทธิ์มาก เกรด EC (Electrical conductivity grade) ใช้ท าสายไฟฟ้าเปลือย (สายไฟแรงสูง) และ bus bar ชิ้นงานขึ้นรูปของโลหะนี้จัดอยู่ในกลุ่ม 1XXX

2. โลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดง (Aluminium–Copper Alloys) (กลุ่ม 2XXX)

ส าหรับโลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดง ที่มีปริมาณทองแดงผสมตั้งแต่ 2.5 – 5.5 % จะเป็นโลหะผสมที่สามารถท าให้แข็งขึ้นได้โดยกรรมวีที่เรียกว่า “การท าให้แข็งโดยอายุหรือการแยกแข็งตัว (Age Hardening or Precipitation Hardening)

การท าให้แข็งตัวโดยอายุหรือการแยกตัวแข็งท าได้โดยน าโลหะผสมไปอบละลายที่อุณหภูมิสูง เพ่ือให้เกิดเป็นโลหะเฟสเดียว พิจารณาจากรูปคือ เฟสแอลฟา ( phase) จากนั้นก็ท าให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็วแล้วปล่อยไว้ที่อุณหภูมิห้อง โลหะผสมจะค่อย ๆ แข็งตัวขึ้นเนื่องจากการแยกตัวของสารโครงสร้างเล็กๆ ซึ่งมีผลท าให้โลหะมีความแข็งแรงมีความต้านทานแรงดึงสูงด้วย ส าหรับลักษณะการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของโลหะท่ีเกิด ณ อุณหภูมิห้อง เรียกว่า การท าให้แข็งโดยอายุหรือการแยกแข็งตัว

ส าหรับโลหะผสมบางชนิดถึงแม้ว่าจะทิ้งระยะเวลาที่อุณหภูมิห้องก็ตามจะไม่สามารถเพ่ิมความแข็ง และความแข็งแรงขึ้นอีกได้ แต่ถ้าน าไปอบให้ได้รับความร้อนสูงขึ้นเล็กน้อยแล้วทิ้งไว้ภายในระยะเวลาไม่นาน ก็จะท าให้โลหะผสมนั้น สามารถมีความแข็งและความแข็งแรงเพ่ิมขึ้นได้ลักษณะการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของโลหะที่เกิดขึ้น เรียกว่า “การแยกตัวแข็งโดยกรรมวิธีทางความร้อน” (Artifieial Aging) เช่นการแข็งตัวของโลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดงท่ีถูกน าไปอบที่อุณหภูมิประมาณ 300 °F

โลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดงมีธาตุอ่ืนผสมเข้าไปอีกบ้าง เพ่ือเป็นการเพ่ิมคุณสมบัติทางกลให้สูงขึ้น ได้แก่ แมกนีเซียม แมงกานีส โครเมียม สังกะสี และนิกเกิล ส าหรับโลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดงขึ้นรูปใน อุตสาหกรรมมอยู่ด้วยกัน 3 ชนิดคือ โลหะผสม 2014, 2017, และ 2024

ดูราลูมิน (Duralumin, 2017) เป็นโลหะที่นิยมใช้กันมากที่สุด ซึ่งมีทองแดงผสมอยู่ประมาณ 4% และนิยมใช้กันมากในการท า หมุดย้ าส าหรับเครื่องบิน

โลหะผสม 2014 เป็นโลหะอะลูมิเนียมผสม ทองแดงและแมงกานีส ซึ่งมีปริมาณผสมอยู่มากกว่า ดูราลูมิน (โลหะผสม 2017) จึงท าให้โลหะผสมชนิดนี้มีความต้านทานแรงดึ งสูง มีความแข็งแรงสูง แต่ความเหนียวต่ า นิยมน าไปใช้ท ากระทะล้อรถถัง

โลหะผสม 2024 เป็นโลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดง 4.5% และแมกนีเซียม 1.5 % จะมีผลท าให้ความแข็งแรงมากที่สุด ในบรรดาอะลูมิเนียมผสมทองแดงทุกชนิด และโลหะผสมชนิดนี้นิยมใช้ท า โครงสร้างเครื่องบิน หมุดย้ า

นอกจากนี้ยังมีโลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดง ที่มีนิกเกิลผสม 2% คือ โลหะผสม 2218 เป็นโลหะผสมที่นิยมน าไปใช้งานที่อุณหภูมิสูง

ส าหรับโลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดงท่ีนิยมใช้โดยทั่วไป จะมีทองแดงผสมประมาณ 8% โลหะผสมนี้ได้แก่ 112 113 และ 212 และอาจมีธาตุอ่ืนผสมอยู่บ้าง เช่น ซิลิกอน ซึ่งให้ผลดีพอ ๆ กับการผสมเหล็กและสังกะสี การเพ่ิมซิลิกอนนั้นจะช่วยเพ่ิมให้คุณสมบัติการไหลตัวขณะหล่อดีขึ้น ดังนั้นโลหะผสม 113 และ 212 จึงเหมาะส าหรับชิ้นงานหล่อที่มีขนาดบาง ๆ ได้

นอกจากนี้โลหะผสม อะลูมิเนียม-ทองแดง-ซิลิคอน เช่น 85 108 319 และ380 เป็นโลหะผสมที่มีทองแดงผสมน้อยกว่า 5% และซิลิคอนผสมระหว่าง 3-8% การผสมทองแดงนี้จะช่วยเพ่ิมความแข็งแรงให้สูงขึ้นและเพ่ิมความสามารถในการน าไปตกแต่งด้วยเครื่องจักรดีกว่าโลหะอะลูมิเนียมผสมซิลิกอน

ส าหรับโลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดง จากท่ีทราบแล้วว่าถ้าผสมทองแดงในปริมาณที่พอเหมาะจะท าให้เกิดการแยกตัวแข็งดี แต่ถ้าผสมในปริมาณมากก็จะท าให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดลงไป เช่น โลหะผสม 2014 2025 7075 การป้องกันการกัดกร่อนของโลหะเหล่านี้ ท าได้โดยใช้อะลูมิ เนียมบริสุทธิ์ประกบเคลือบบนผิว แล้วรีดโดยกระบวนการทางความร้อนให้ติดกับเนื้อโลหะ กรรมวิธีดังกล่าวนี้เรียกว่า “เคลดดิ่ง” และโลหะพวกนี้มีชื่อเรียกพิเศษเรียกว่า แอลเคลด (Alclad) ซึ่งเป็นโลหะที่มีความต้านทานการกัดกร่อนที่ผิวดี ส่วนแกนกลางจะเป็นโลหะที่มีความแข็งแรงสูง

บริษัทอะลูมิเนียมแห่งอเมริกา เป็นผู้ผลิตโลหะแอลเคลต นี้ขึ้นมาใช้หลายชนิดด้วยกัน เช่น Alclad 2024 เป็นโลหะแผ่นที่ใช้อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ประกบเคลือบผิว และส าหรับ Alclad 2014 กับ Alclad 7075 ซึ่งเป็นโลหะแผ่นเหมือนกัน แต่ประกบเคลือบผิวด้วยโลหะผสม 6053 (0.1 Cu, 0.6 Si, 0.35 Fe, 1.2 Mg, 0.1 Zn, 0.25 Cr)

3. โลหะอะลูมิเนียมผสมแมงกานีส (Aluminium-Manganese Alloys) (กลุ่ม 3XXX)

โลหะอะลูมิเนียมผสมแมงกานีสขึ้นรูปจะจัดอยู่ในกลุ่ม 3xxx แมงกานีสที่ผสมนี้จะไม่ถือว่าเป็นธาตุผสมหลัก และไม่นิยมน าไปท าการหล่อ แต่อาจจะมีใช้บ้างในงานขึ้นรูป เช่น โลหะผสม 3003 คือโลหะอะลูมิเนียมผสมแมงกานีสขึ้นภาพที่นิยมใช้มาก ซึ่งเป็นโลหะที่มีคุณสมบัติในการขึ้นรูปได้ดี มีความต้านทานการกัดกร่อนสูง และสามารถเชื่อมได้ง่าย จึงเป็นโลหะที่นิยมใช้ท าภาชนะหุงต้ม อุปกรณ์เก็บอาหารและสารเคมี เป็นต้น

4. โลหะอะลูมิเนียมผสมซิลิกอน (Aluminium-Silicon Alloys) (กลุ่ม 4XXX)

โลหะอะลูมิเนียมผสมซิลิกอนขึ้นรูปจะจัดอยู่ในกลุ่มของ 4XXX และซิลิกอนสามารถละลายได้ในอะลูมิเนียมสูงสุด 1.65% ที่อุณหภูมิ 577 องศาเซลเซียส และจะสามารถละลายได้น้อยลงเมื่ออุณหภูมิลดต่ าลง โดยทั่วไป ซิลิกอนที่ผสมในอะลูมิเนียมจะช่วยท าให้ โลหะผสมนี้มีน้ าหนักเบาขึ้นเพ่ิมคุณสมบัติการไหลตัวขณะหล่อดี ซึ่งเหมาะที่จะหล่อชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อน การหดตัวของโลหะภายหลังแข็งตัวเกิดขึ้นน้อย

นอกจากนี้ยังจะท าให้ความแข็งแรงของโลหะเพ่ิมสูงขึ้นด้วยโลหะผสมเหล่านี้ โดยทั่วไปไม่สามารถน าไปท า การอบชุบ หรือน าไปผ่านกรรมวิธีทางความร้อนได้ และโลหะอะลูมิเนียมผสมซิลิกอนแบ่งเป็น 2 ชนิดคือ

โลหะผสม 4032 เป็นโลหะอะลูมิเนียมผสมซิลิกอนชนิดขึ้นรูป ที่มีซิลิกอนผสม 12.5% มีคุณสมบัติในการน าไปตีขึ้นรูปได้ดี และมีสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวต่ า

โลหะผสม 13 เป็นโลหะอะลูมิเนียมผสมซิลิกอนชนิดหล่อที่มีซิลิกอนผสม 12% มีคุณสมบัติในการไหลตัวขณะหล่อดี และมีความต้านทานการสึกหรอดี จึงนิยมน าไปหล่อชิ้นงานที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ดี

สรุปว่าโลหะอะลูมิเนียมผสมซิลิกอน ทั้งสองชนิดที่กล่าวมาแล้วนี้ถ้าเป็นโลหะอะลูมิเนียมผสมกับ ซิลิกอนเพียงอย่างเดียว ส่วยมากแล้วจะมีซิลิกอนผสมอยู่อย่างสูงประมาณ 12%

5. โลหะอะลูมิเนียมผสมแมกนีเซียม (Aluminium–Magnesium Alloys) (กลุ่ม 5XXX)

โลหะอะลูมิเนียมผสมแมกนีเซียมขึ้นรูป จะจัดอยู่ในกลุ่ม 5XXX แมกนีเซียมสามารถละลายได้ในอะลูมิเนียมสูงสุด 14.9% ที่อุณหภูมิ 452 °C และจะสามารถละลายได้น้อยลงเมื่ออุณหภูมิลดต่ าลง โลหะอะลูมิเนียมผสมแมกนีเซียมนี้มีน้ าหนักเบา มีความแข็งแรงสูงปานกลาง และทนต่อการกัดกร่อนภายใต้บรรยากาศทั่วไปได้ดีมาก โดยเฉพาะมีความสามารถในการเชื่อมได้ดี ความต้านทานการสึกหรอดีและมีความแข็งแรงสูง เช่น

โลหะผสม 5005 (0.8%Mg) ใช้ส าหรับท าผลิตภัณฑ์ทางสถาปนิกที่ใช้ตกแต่งภายในอาคาร

โลหะผสม 5050 (2.5%Mg) ใช้ส าหรับท าท่อแก๊สและน้ ามันของรถยนต์

โลหะผสม 5052 (2.5% Mg) ใช้ส าหรับท าท่อเชื้อเพลิงและน้ ามันเครื่องบิน

โลหะผสม 5083 (4.5% Mg) ใช้ส าหรับท าเรือด าน้ าและโครงสร้างที่ต้องผ่านการเชื่อม

โลหะผสม 5056 (5.2%Mg) ใช้ส าหรับท าตะแกรงดักแมลง โลหะหุ้มสายเคเบิลและหมุดย้ าที่ใช้ย้ าโลหะแมกนีเซียม

ส าหรับโลหะอะลูมิเนียมผสมแมกนีเซียมหล่อ จะมีอยู่หลายชนิดด้วยกันดังนี้คือ โลหะผสม 214 (3.8%Mg) โลหะผสม 218 (8%Mg) และโลหะผสม 220 (10%Mg) โลหะผสมสองชนิดแรกใช้ส าหรับท าอุปกรณ์ขนส่งอาหาร ข้อต่อที่ใช้ส าหรับสารเคมีและระบบน้ าทิ้ง และก้านเบรคส าหรับเครื่องบิน ส าหรับโลหะผสม 220 ซึ่งเป็นโลหะที่มีปริมาณ แมกนีเซียม 10% นับว่าเป็นปริมาณที่ค่อนข้างมากจะมีผลท าให้เ พ่ิมความแข็งและความแข็งแรงให้กับโลหะผสมนี้ ได้ เนื่องจากเกิดการแยกตัวแข็ง (Precipitation Hardening) ดังนั้นโลหะผสม 220 จึงนับว่าเป็นโลหะอะลูมิเนียมผสมแมกนีเซียมหล่อชนิดดีที่สุด แต่คุณสมบัติการหล่อของโลหะผสมในกลุ่มนี้ค่อนข้างต่ า ดังนั้นจึงต้องใช้ความระมัดระวังมากในขณะปฏิบัติการหล่อ และธาตุอื่นอาจผสมเพิ่มเข้าไปในโลหะอะลูมิเนียมผสมแมกนีเซียมหล่อได้ เช่น สังกะสี และซิลิกอน เพ่ือ

เพ่ิมคุณสมบัติการหล่อให้ง่ายยิ่งขึ้น เช่น โลหะ A214 (4%Mg, 2.8%Zn) และโลหะ B214 (4%Mg, 1.8%Si)

6. โลหะอะลูมิเนียมผสมแมกนีเซียมและซิลิกอน (Aluminium – Silicon - Magnesium Alloys) (กลุ่ม 6XXX)

โลหะผสมชนิดนี้เป็นโลหะผสมขึ้นรูปจะจัดอยู่ในกลุ่ม 6XXX และการรวมตัวของโลหะผสมชนิดนี้จะเกิดขึ้นโดย แมกนีเซียมและซิลิกอนรวมกันเป็นสารประกอบที่เรียกว่า แมกนีเซียมซิลิไซด์ (Mg2Si) แล้วมารวมตัวกับอะลูมิเนียมเป็นแบบยูเต็คติค ที่อุณหภูมิต่ ากว่า 600 °C โลหะผสมชนิดนี้จะสามารถท าการแยกตัวแข็งโดยกรรมวิธีทางความร้อน (Artificial Aging) ได้ โดยแมกนีเซียมซิลิไซด์จะแยกตัวออกมา ซึ่งมีผลท าให้โลหะนี้มีความแข็งแรงเพ่ิมขึ้น นอกจากนี้แล้วยังมีความต้านทานกัดกร่อนดีอีกด้วย เหมาะแก่การน าไปใช้ ท าเฟอร์นิ เจอร์ เรือแคนู และใช้ในงานสถาปัตยกรรม เป็นต้น และส าหรับโลหะผสม อะลูมิเนียม–แมกนีเซียม– ซิลิกอนชนิดรีดจะมีอยู่ด้วยกันหลายชนิดคือ

โลหะผสม 6053, 6061, และ 6.63 การผสมซิลิกอนด้วยจ านวนพอเหมาะนี้จะสามารถลดปริมาณแมกนีเซียมลงได้ เช่น โลหะผสม 6061(0.6 Si, l Mg) เป็นต้น

โลหะผสมอะลูมิเนียมผสมแมกนีเซียมและซิลิกอนชนิดหล่อ ก็จะมีอยู่ด้วยกันหลายชนิด เช่น โลหะผสม 355, 356 และ 360 ซึ่งเป็นโลหะผสมที่มีคุณสมบัติการหล่อดีมีความแข็งแรงสูง และมีความต้านทานการสึกหรอดี ในกรณีที่น าโลหะผสมนี้ไปท าการอบชุบ หรือผ่านกรรมวิธีทางความร้อน จะช่วยปรับปรุงคุณสมบัติทางกลให้ดีได้ใกล้เคียง กับโลหะอะลูมิเนียมผสมทองแดง เหมาะแก่การน าไปใช้ท าชิ้นส่วนเครื่องจักรกลและเครื่องบิน

อะลูมิเนียมผสมส าหรับงานหล่อ

โลหะอะลูมิเนียมผสมส าหรับงานหล่อพัฒนามาจากระบบยูเทกติกของระบบ 2 ธาตุ เช่น อะลูมิเนียมผสมซิลิคอน (Al-Si), อะลูมิเนียม-ทองแดง (Al-Cu) และอะลูมิเนียมผสมแมกเนีเซียม (Al-Mg) อย่างไรก็ตาม โลหะที่ใช้งานส่วนใหญ่มักจะพัฒนามาจากระบบอะลูมิเนียม-ซิลิคอน โดยการเติมธาตุแมกนีเซียม (Mg) และหรือทองแดง (Cu) ท าให้โลหะผสมเหล่านี้สามารถชุบแข็งได้ด้วยกระบวนการตกตะกอนเพ่ือเพ่ิมความแข็งแรง การเพ่ิมธาตุผสมบางอย่าง เช่น Ni, Cr และ Mn ยังช่วยท าให้โลหะผสมแข็งเพ่ิมขึ้นโดยกลไกการเพ่ิมความแข็งด้วยการท าให้เป็นสารละลายของแข็งและยังช่วยปรับปรุงความแข็งแรงในการใช้งานที่อุณหภูมิสูง (hot strength) ได้ด้วย

ชนิดของโลหะอะลูมิเนียมผสมส าหรับงานหล่อ (alloy type) ที่ใช้ทั่วไปมี 3 แบบหลัก ๆ ได้แก่

1. โลหะผสมไฮโปยูเทกติก (hypo-eutectic alloys) เช่น LM4, LM25

2. โลหะผสมใกล้ยูเทกติก (near-eutectic alloys) เช่น LM, LM2

3. โลหะผสมไฮเปอร์ยูเทกติก (hyper-eutectic alloys) เช่น LM28

เกรดที่นิยมมากที่สุดได้แก่

1. LM4, LM6, LM25, LM27 ใช้ส าหรับการหล่อในแบบหล่อทราย (sand casting) การหล่อในแบบหล่อชนิดแม่พิมพ์เหล็ก (gravity diecasting) และการหล่อชนิดใช้แรงดันต่ า (low pressure diecasting)

2. LM2, LM6, LM20, LM24 ส าหรับการหล่อแบบใช้แรงดัน

เนื่องจากกรรมวิธีการหล่อแบบอัดด้วยความดันเข้าสู่แบบนั้น สามารถใช้อะลูมิเนียมผสมที่มีปริมาณธาตุผสมของเหล็ก (Fe) และสังกะสี (Zn) สูงได้มากกว่าวิธีอ่ืน ๆ ดังนั้นจึงสามารถใช้ได้กับโลหะผสมเกรด LM2 (ADC12) และ LM24 (ADC10Z)

1. อะลูมิเนียมผสมไฮโปยูเทกติก

โลหะไฮโปยูเทกติก 2 ธาตุของโลหะอะลูมิเนียมผสมซิลิกอน ไม่เป็นที่นิยมใช้กันมากนักเนื่องจากข้อจ ากัดด้านสมบัติทางกล ดังนั้นอะลูมิเนียมไฮโปยูเทกติกมักได้รับการผสมทองแดง และ/หรือ แมกนีเซียม (เช่น LM4, 16, 25, 27) เพ่ือให้สามารถเพ่ิมความแข็งแรงได้ด้วยวิธีการตกตะกอนเพ่ิมความแข็ง (precipitation hardening) โครงสร้างจุลภาคของอะลูมิเนียมผสมชนิด Al-5%Si จะประกอบด้วยเดนไดรต์ของอะลูมิเนียมและยูเทกติกซิลิคอนที่แยกตัวออกมาอยู่ระหว่างเดนไดรต์ (interdendritic “divorced” eutectic Si) และจะเห็นโพรงหดตัว (shrinkage pore) กระจายอยู่บ้าง เนื่องจากโลหะผสมไฮโปยูเทกติกมีช่วงการแข็งตัวกว้าง (wide freezing range)

2. อะลูมิเนียมผสมยูเทกติก

โลหะผสมยูเทกติกอะลูมิเนียมผสมซิลิกอน สามารถใช้ได้โดยตรงในลักษณะของโลหะผสมที่อบชุบเพ่ือเพ่ิมความแข้งแรงไม่ได้ (non-heat-treatable alloys) เช่น LM6 และ LM20 หรือสามารถผสมธาตุทองแดง และ/หรือ แมกนีเซียม หรืออ่ืน ๆ เพ่ือท าให้สามารถเกิดการตกตะกอนเพ่ือเพ่ิมความแข็ง เช่น LM9 และ LM13 อะลูมิเนียมผสมพวกนี้จะไหลตัวในสภาพเหลวได้ดีมาก ใช้งานได้หลากหลายและสามารถผลิตได้มากแบบ ทั้งหล่อในแบบหล่อทรายและหล่อโดยใช้แม่พิมพ์โลหะ ส่วน LM6 และ LM20 จะใช้ในการผลิตแบบใช้แม่พิมพ์โลหะ (diecasting alloy) มากกว่า LM2 และ LM24 เมื่อต้องการความทนต่อการกัดกร่อน โลหะซึ่งมธีาตุผสมทองแดงต่ า เช่นอะลูมิเนียมเกรด LM6 และ LM20 จะทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่า ท าให้สามารถใช้เป็นชิ้นงานหล่อส าหรับเรือเดินทะเล ข้อต่อของยานพาหนะ ปลอกกันน้ า (water jacket) ตัวถัง (cases) และโคมไฟตามถนน เป็นต้น

เฟสยูเทกติกซิลิคอน (eutectic Si) ในอะลูมิเนียมผสมกลุ่มนี้สามารถท าให้ละเอียดได้โดยการดัดแปลงโครงสร้าง (modification) เมื่อหล่อด้วยแบบหล่อทรายหรือแบบหล่อถาวร (permanent mold)

โดยการเติมธาตุโซเดียมหรือสตรอนเซียม (Sr) ในน้ าโลหะซึ่งผ่านการลดแก๊สมาแล้วก่อนการเทลงแบบหล่อ ในปริมาณเพียง 0.01-0.015% Na เป็นต้น การท าเช่นนี้เป็นการท าให้จุดยูเทกติกย้ายจาก 11.7% Si ไปเป็น 13% Si เพ่ือหลีกเลี่ยงการเกิดซิลิคอนปฐมภูมิ (primary Si) และท าให้เฟสยูเทกติกของซิลิคอนละเอียด แต่อะลูมิเนียมผสมที่ผลิตด้วยวิธีการอัดด้วยความดัน (pressure diecasting) ไม่จ าเป็นต้องดัดแปลงโครงสร้างในระหว่างการหล่อ เนื่องจากการหล่อแบบนี้อะลูมิเนียมจะเย็นตัวได้เร็ว ท าให้เกรนมีความละเอียดเสมือนการถูกดัดแปลงโครงสร้าง ความละเอียดของเฟสซิลิคอนที่เกิดจากการเย็นตัวเร็วหรือการถูกดัดแปลง จะช่วยให้ความแข็งแรงของอะลูมิเนียมผสมสูงขึ้น ตัวอย่างเช่น

หล่อในแบบทราย หล่อแบบเย็นตัวเร็ว

UTS (MPa) 170 [100] 200 [140]

Elongation (%) 8 [3] 4 [2]

*ค่าใน [ ] คือค่าก่อนการดัดแปลง

3. อะลูมิเนียมผสมไฮเปอร์ยูเทกติก

อะลูมิเนียมผสมชนิดไฮเปอร์ยูเทกติก (hyper-eutectic alloys) จะใช้งานในสภาวะที่ต้องการการขยายตัวจากความร้อนต่ าและในขณะเดียวกันทนการเสียดสีได้ดี เช่น ลูกสูบ (piston) ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน (internal combustion engine; IC) ได้แก่กลุ่ม LM28 และ LM29 และเสื้อสูบเครื่องยนต์รถที่ผลิตด้วยการหล่อในแม่พิมพ์เหล็ก (diecast car engine) ซึ่งใช้ได้โดยไม่ต้องมีปลอกสูบเหล็ก (iron cylinder liners) ได้แก่ LM30 อะลูมิเนียมผสมไฮเปอร์ยูเทกติกเหล่านี้ต้องเติมฟอสฟอรัส (p) เพ่ือท าให้เฟสซิลิคอนปฐมภูมิ (primary Si) มีขนาดเล็กละเอียด

การเติมธาตุผสมเพื่อปรับปรุงสมบัติทางกลด้วยกรรมวิธีทางความร้อน

โลหะอะลูมิเนียมผสมซิลิคอนชนิดไฮโปยูเทกติก (hupo-eutectic Al-Si alloy) ทุกชนิดจะมีส่วนผสมของทองแดง และ/หรือแมกนีเซียม การผสมธาตุเหล่านี้กระท าเพ่ือเพ่ิมเฟสยูเทกติกอ่ืน ๆ เช่น CuAl2 และ Mg2Si ชิ้นงานหล่อจึงสามารถใช้กรรมวิธีทางความร้อนเพ่ือเพ่ิมความแข็งแรงด้วยวิธีการตกตะกอนเพ่ือเพ่ิมความแข็ง (precipitation hardening) ในงานหล่อที่ผลิตในแบบหล่อทราย (sand mold) และ แบบหล่อพิมพ์เหล็ก (gravity diecasting) การท าการอบคืนโครงสร้างให้เป็นสารละลายที่อุณหภูมิในช่วง 500-520 °C เพ่ือละลายเฟส CuAl2 และ Mg2Si เมื่อชุบด้วยน้ า (water quenching) จะท าให้ธาตุ Cu, Mg และ Si ตกค้างในโครงสร้างของสารละลายของแข็ง ซึ่งภายหลังสามารถท าการบ่มแข็ง (aging) ได้ที่อุณหภูมิ 160-200 °C กระบวนการนี้จะท าให้เกิดการตกตะกอนของเฟสอินเตอร์เมทัลลิก ซึ่งมีความละเอียดมากและช่วยเพ่ิมความแข็งได้ เช่น อะลูมิเนียมผสมเกรด LM4 จากแบบหล่อทรายในสภาพหล่อเสร็จ (as-cast) ให้ความ

ต้านทานแรงดึงสูงสุด (UTS) คือ 140-170 MPa และจะเพ่ิมสูงถึง 230-300 MPa ได้ หากผ่านการอบให้เป็นสารละลายของแข็ง แล้วท าการบ่มแข็ง

ดังที่ได้กล่าวถึงในข้างต้น สมบัติทางกลของอะลูมิเนียมผสมชนิดไฮโปยูเทกติกได้รับอิทธิพลจากขนาดช่วงห่างระหว่างเดนไดรต์ทุติยภูมิ (secondary dendrite arm spacing; das) ซึ่งขึ้นกับอัตราการเย็นตัวระหว่างการแข็งตัวในภาคตัดที่บางและ/หรือการหล่อในแบบหล่อที่น าความร้อนได้ดี (เช่น ในแบบหล่อที่มีการใช้ทุ่นเย็น; metal chill) การเย็นตัวเร็วจะท าให้เดนไดรต์ปฐมภูมิโตอย่างรวดเร็วและท าให้การเกิดแขนเดนไดรต์ตามด้านข้างเกิดถี่ขึ้น ผลก็คือเกิดช่องระหว่างเดนไดรต์ทุติยภูมิ ขนาดเล็ก การที่ das มีขนาดเล็กลงจะมีผลให้เฟสยูเทกติกที่แยกตัวออกมา (divorced eutectic constituents) ซึ่งแข็งตัวภายในช่องว่างระหว่างแขนเดนไดรต์มีความละเอียดขึ้น เช่นเดียวกันการกระจายตัวของโพรงหดตัวระหว่างเดนไดรต์ (interdendritic shrinkage) ก็จะมีขนาดเล็กลงด้วย

ตามที่กล่าวไปแล้ว การที่อะลูมิเนียมมีเกรนละเอียดจะช่วยท าให้มีสมบัติทางกลของชิ้นงานดีขึ้น แต่ประโยชน์ประการส าคัญของการท าให้เกิดเกรนละเอียดคือ การช่วยต้านทานการเกิดรอยแยกในระหว่างการเย็นตัว (hot tearing)* และลดการเกิดพร้อมกับเปลี่ยนแปลงการกระจายของรอยต าหนิจ าพวกโพรงหดตัว (shrinkage porosity) ป้องกันการเสียหายส าหรับชิ้นงานที่มีแรงดันอยู่ภายใน (pressure tightness)๑ การปรับปรุงคุณภาพในการท าให้เกรนละเอียดสามารถท าได้ด้วยการผสมไททาเนียม (Ti) และโบรอน (B) ที่อยู่ในรูปของชิ้นแท็บเบล็ทส าหรับใส่เพ่ือการปรับปรุง (treatment tablet) หรือผสมอยู่ในฟลักซ์ (flux) ก็ได้ ซึ่งสามารถใช้เป็นส่วนผสมในอะลูมิเนียมได้มาถึง 0.15%

โดยทั่วไปอะลูมิเนียมชนิดไฮโปยูเทกติก (hypo-eutectic Si) ไม่ต้องการการดัดแปลงโครงสร้าง แต่อย่างไรก็ตาม ถ้าโลหะผสมมีปริมาณทองแดงต่ า ก็ต้องท าการดัดแปลงเพ่ิมในบางกรณีเพ่ือท าให้ซิลิคอนที่อยู่ระหว่างแขนเดนไดรต์มีขนาดละเอียดขึ้น ซึ่งจะท าให้ความสามารถยืดตัว (ductility) เพ่ิมขึ้น สิ่งส าคัญมากส าหรับอะลูมิเนียมชนิดนี้คือต้องควบคุมปริมาณเหล็ก (Fe) และ แมงกานีส (Mn) เพ่ือหลีกเหลี่ยงความเปราะที่เกิดจากเฟส Al-Fe-Si ซึ่งมีโครงสร้างเป็นรูปเข็มที่หยาบ (coarse needles) ปริมาณเหล็ก (Fe) ควรมีให้ต่ าที่สุดเท่าที่ท าได้ คือไม่เกิน 0.8% ในขณะที่แมงกานีส (Mn) ควรมีอยู่ในช่วง 0.5 ถึง 0.65% เพ่ือรักษาเหล็กให้ยังคงอยู่ในรูปของเฟส Al-Mn-Fe-Si ซึ่งมีลักษณะเหมือน “ตัวอักษรจีน (Chinesescript)” เฟส Al-Mn-Fe-Si นี้มีผลกระทบในทางลบต่อสมบัติของชิ้นงานน้อยกว่าเฟสรูปเข็มของ Al-Fe-Si จะเห็นได้ชัดเจนว่า ส าหรับอะลูมิเนียมหล่อ กระบวนการหล่อที่ดีควรหลีกเลี่ยงการปนเปื้อน (contamination) ของเหล็ก หรือธาตุและสารเจือปน (impurity) อ่ืน ๆ ที่จะกลายเป็นสารมลทินและท าให้เกิดผลเสียหายตามมาได ้

เอกสารอ้างอิง

มนัส สถิรจินดา. 2536. โลหะนอกกลุ่มเหล็ก. กรุงเทพฯ: ส านักพิมพ์จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย.

กิตติพันธุ บางยี่ขัน. เอกสารเผยแพร่ โลหะกับการพัฒนาประเทศ บทที่ 12 อะลูมิเนียม. ส านักอุตสาหกรรมพ้ืนฐาน, กรมอุตสาหกรรมพ้ืนฐานและการเหมืองแร.

วิลเลียม ดี. คาลิสเตอร์, เจอาร์. 2548. วัสดุศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุพื้นฐาน (Materials Science and Engineering An Introduction). แปลโดย สุวันชัย พงษ์สุกิจวัฒน์และคณะ. กรุงเทพฯ : ท้อป.

William F. Smith และ Javad Hashemi. 2551. วัสดุวิศวกรรม (Foundations of MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING 4/e). แปลโดย แม้น อมรสิทธิ์ และคณะ. กรุงเทพฯ : ส านักพิมพ์แมคกรอฮิลล์.

George E. Totten and D. Scott MacKenzie. 2003. Handbook of Aluminum: Volume 2: Alloy production and Materials Manufacturing). New York: Marcel Dekker, Inc.

Ulrich Müller. 2011. Introduction to Structural Aluminium Design. Florida: CRC Press.

Hind, A. R.; Bhargava, S. K.; Grocott, S. C., The surface chemistry of Bayer process solids: a review. Colloids Surf., A. 1999, 146, 359-374.

Han, N.M.; Zhang, X.M.; Liu, S.D.; He, D.G.; Zhang, R., Effect of solution treatment on the strength and fracture toughness of aluminum alloy 7050. J. Alloys Compd. 2011, 509, 4138-4145.

โลหะอะลูมิเนียมผสม (aluminum alloys)

Documents

development of an aluminum semi-solid extrusion...

silicio ottenute per lpbf evaluation of corrosion resistance...

alloys logic

drawn wire brochure v16 - home – phifer wire capabilities...

aluminum properties

アルミニウム高速加工用エンドミル vol.5 aero...

primary aluminum hpdc alloys for structural casts in...

6000系アルミニウム合金の熱間加工中の下部組織形...

modeling friction stir welding process of aluminum...

km 227-20160310063715...2. virgil geamãn, mariana axente,...

ibc advanced alloys: the mission critical alloys company

2016 yili makale dİzİnİ · in welding steel structures...

24 copper alloys

aluminum alloys presentation

aluminum plant

improvements of mechanical properties in aluminum-lithium...

aluminium alloys

aluminum frames for base plate / aluminum frames … ·...

aluminum - gilpin inc. · aluminum railing page 3 steel...

corrosion corrosion and corrosion inhibition of aluminum...