การประยกตใช และกระบวนการของโลหะผสม (Applications and Processing of Metal Alloys)

1

Learning Objective

ประเดนส าคญ • How are metal alloys classified and how are they used? • What are some of the common fabrication techniques? • How do properties vary throughout a piece of material that has been quenched, for example? • How can properties be modified by post heat treatment?

2

3

STEELS

4

Cast Irons

5

6

(a) Gray Iron (b) Nodular or Ductile Iron (c) White Iron (d) Malleable

(a) (b)

(c) (d)

NONFERROUS ALLOYS

NonFerrous Alloys

• Cu Alloys B rass : Zn is subst. impurity (costume jewelry, coins, corrosion resistant) Bronze : Sn, Al, Si, Ni are subst. impurity (bushings, landing gear) Cu-Be : precip. hardened for strength

• Al Alloys -lower r : 2.7g/cm 3

-Cu, Mg, Si, Mn, Zn additions -solid sol. or precip. strengthened (struct.

aircraft parts & packaging)

• Mg Alloys -very low r : 1.7g/cm 3

-ignites easily - aircraft, missles

• Refractory metals -high melting T -Nb, Mo, W, Ta • Noble metals

-Ag, Au, Pt - oxid./corr. resistant

• Ti Alloys -lower r : 4.5g/cm 3

vs 7.9 for steel -reactive at high T - space applic.

7

8

Cu Alloy

Al Alloy

Mg Alloy

Noble Metal

Fabrication of Metals

9

เหลกสวนใหญถกสกดจากแรเหลกในเตาหลอมเหลกทใชลมเปา (blast furnace) ภายในเตาหลอมนน ถาน coke (คารบอน) ซงจะเปลยนไปเปนแกส CO และท าหนาทเปนตวรดวซ (reducing agent) เพอรดวซเหลกออกไซด (Fe2O3) ใหเปนเหลกถลง (pig iron) ทมปรมาณคารบอนอยประมาณ 4% และสารเจอปนตางๆ จากนนเหลกถลงในสภาพของเหลวจากเตาหลอมจะถกถายเทลงในเตาผลตเหลกกลา (steelmaking furnace)

10

ปฏกรยาเคมส าคญทเกดขนในเตา Blast furnace

Iron Ore Coke

Limestone

3CO+ Fe 2 O 3 2Fe +3CO 2

C + O 2 CO 2

C O 2 + C 2CO

CaCO 3 CaO+CO 2 CaO + SiO 2 +Al 2 O 3 slag

purification

reduction of iron ore to metal

heat generation

Molten iron

BLAST FURNACE

slag air

layers of coke

and iron ore

gas refractory

vessel

11

Metal fabrication techniques

12

Ao Ad

force

die

blank

force

• Forging

(wrenches, crankshafts)

FORMING

• Drawing (rods, wire, tubing)

often at elev. T

• Rolling

(I-beams, rails)

• Extrusion

(rods, tubing)

METAL FABRICATION METHODS-I

ram billet

container

container

force die holder

die

A o

A d extrusion tensile force

A o

A d die

die

CASTING JOINING

13

14

Forging Machine

Rolling Machine

15

Straight line Wire Drawing Machine

Copper Wire Drawing Machine

16

Extrusion Machine

plaster die formed

around wax

prototype

CASTING • Sand Casting

(large parts, e.g.,

auto engine blocks)

• Investment Casting

(low volume, complex shapes

e.g., jewelry, turbine blades)

• Die Casting

(high volume, low T alloys)

• Continuous Casting

(simple slab shapes)

METAL FABRICATION METHODS-II

wax

FORMING JOINING

17

18

Sand Casting

19

Die Casting

20

Investment Casting

21

Continuous Casting

JOINING • Powder Processing

(materials with low ductility) • Welding

(when one large part is impractical)

• Heat affected zone:

(region in which the

microstructure has been

changed).

METAL FABRICATION METHODS-III

CASTING FORMING

piece 1 piece 2

fused base metal

filler metal (melted) base metal (melted)

unaffected unaffected heat affected zone

22

23

Powder Processing

24

Welding

Annealing: Heat to Tanneal, then cool slowly.

กระบวนการทางความรอนของโลหะ (Thermal Processing of Metals)

Types of

Annealing

• Process Anneal :

Negate effect of cold working by (recovery/ recrystallization)

• Stress Relief : Reduce stress caused by:

-plastic deformation -nonuniform cooling -phase transform.

• Normalize (steels): Deform steel with large grains, then normalize to make grains small.

• Full Anneal (steels): Make soft steels for good forming by heating to get g , then cool in

furnace to get coarse P.

• Spheroidize (steels): Make very soft steels for good machining. Heat just below T E & hold for

15-25h.

25

ANNEALING PROCESSES หมายถง กระบวนการทางความรอนทจะท าใหวสดมอณหภมสงขนถงคาหนง แลวคงไวในชวงเวลาทมากพอจากนนจงปลอยใหวสดเยนตวลงมาอยางชาๆ กระบวนการ Annealing น

1. จะไปท าใหวสดสลายความเคนทสะสมอย (Relieve Stresses)

2. เพมความออนตว, ความยดหยนและความทนทานใหกบวสด (Increase softness, Ductility และ Toughness)

3. ท าใหวสดปรากฏโครงสรางทตองการ

26

ขนตอน Annealing นนจะประกอบไปดวย

• เพมความรอนใหวสด ไปยงอณหภมทเราตองการ (Heating) • คงสถานะทอณหภมนนไว ซงเราเรยกวาการ “Soaking”

• ปลอยใหวสดเยนตวลงมา ณ อณหภมหอง (Cooling)

กระบวนการ ANNEALING

27

สาเหตของความเคนตกคาง (Residual Stress)

28

ความเคนทสะสมอยภายในนนมกจะเกดจากการกระท าดงตอไปน 1. กระบวนการเปลยนรปแบบพลาสตกตางๆ (Plastic deformation) 2. การเยนตวอยางไมสมดล (nonuniform cooling) ของชนวสด เชน ชนวสดทผานการเชอม หรอการหลอ 3. กระบวนการเปลยนโครงสราง (Phase) ทเกดจากเยนตวของโครงสรางเดมและโครงสรางใหมทมความหนาแนนทแตกตางกนระหวางการเยนตว

การอบออนเพอขจดความเครยดตกคาง (Stress-Relief Annealing) โดยเผาเหลกไปยงอณหภมทต ากวา A1 ประมาณ 50oC (หรอทประมาณ 500-650oC) คงไวทอณหภมน (Soaking) ประมาณ 1 ชวโมงตอขนาดของชนงาน 1 ลกบาศกนว หลงจากนนท าใหเยนตวในอากาศ

กระบวนการ Full ANNEALING ของเหลกกลาผสม มความมงหมายเพอใหเหลกมความออนตวสง โดยเปนการท าลาย Martensite อกทงชวยในการกลง หรอไสไดงาย และท าใหเหลกมคณสมบตดานไฟฟา และแมเหลกสม าเสมอขน มกใชกบเหลกกลาคารบอนต าและปานกลาง อณหภมทใชเผาเหลกกลา เราแบงออกเปน 2 ชวง คอ 1. Hypo–Eutectoid Steels (%C < 0.76) จะเผาไปทอณหภมเหนอเสน A3 ประมาณ 15-40oC แลวจากนนจงลดอณหภมลงชาๆในเตา 2. Hyper–Eutectoid Steel (%C > 0.76) อณหภมการอบออนจะอยทเหนอเสน A1 ประมาณ 15-40oC แลวลดอณหภมลงมาอยางชาๆในเตา

29

การอบออนเพอความออนตวสง (Spheroidizing) เปนกรรมวธการอบออนทใชกบเหลกทมคารบอนปานกลางและสง (ประมาณ 0.25-1.2%C) มหลายวธดงน โดยทวไปใหความรอนจนถงอณหภมต ากวาเสน A1 เลกนอย (ประมาณ 700 oC) โดยจะใชเวลาทงหมดประมาณ 15 – 25 ชวโมง จากนนกปลอยใหเยนตวในอากาศ หรอท าไดโดยการน าเหลกไปเผาทอณหภมสงกวา A1 เลกนอย (740 oC) แลวท าใหเยนตวในเตา หรอจะเผาทอณหภมต ากวาเสน A1 เลกนอย แลวปลอยใหสงขนไปเหนอเสน A1 อยางนสลบกนไปเรอยๆ

30

การอบปกต เพอปรบปรงคณสมบต (NORMALIZING) มจดประสงคส าคญหลายประการ คอ 1. เพอท าใหขนาดเกรนเลกลงและสม าเสมอขน 2. ขนาดเกรนทเลกลงของโครงสรางเพรลไลตจะแกรงมากขน การท า Normalizing ใชวธเผาเหลกใหรอนจนมอณหภมสง (อยในชวง

Austenite) ทงเหลก HypoEutectoid (เผาเหนอเสน A3 ประมาณ 55-85oC) และเหลก HyperEutectoid (เผาเหนอเสน ACM ประมาณ 55oC) ทงไวทอณหภมดงกลาวประมาณ 30-60 นาทตอความหนาเฉลย 25 ม.ม. จากนนน าออกจากเตาปลอยใหเยนตวในอากาศนง (อตราการเยนตวประมาณ 1-5oC ตอวนาท)

31

Phase Diagram ของเหลก – เหลกคารไบด ในบรเวณปฏกรยา Eutectoid ซงแสดงถงชวงอณหภมในขบวนการทางความรอนตางๆ

32

คอ การอบชบความรอนเพอตองการใหเหลกภายหลงจากการชบแลวมความแขงเพมขน เพอทนตอการเสยดสในขณะใชงาน การชบแขงเปนวธจะใหไดโครงสรางของเหลกสดทายเปน Martensite หรอ Bainite ขนอยกบความแขงสดทายทตองการ โดยจะมองคประกอบทส าคญอยางนอย 3 ประการ คอ 1. ปรมาณคารบอน 2. อณหภมกอนการชบ 3. อตราการเยนตว

33

34

Hardening

1. Hypo – Eutectoid Steel อณหภมการชบแขงจะอยเหนอเสน A3 ประมาณ 50 oC

ซงอณหภมนจะไดโครงสรางทเปน Austenite แลวทงหมด

2. Hyper – Eutectoid Steel จะใชอณหภมเหนอเสน A1 ประมาณ 30-50 oC เทานน จะเหนวาในชวงของอณหภมน จะปรากฏโครงสรางของ Proeutectoid Cementite เหลออยบางสวนเทานน ทกลายไปเปน Austenite สวน Cementite ทเหลออยนจะกระจดกระจายอยทวไปในโครงสรางของ Austenite เมอน าไปชบน าจะไดโครงสราง Martensite โดยม Proeutectoid Cementite แทรกตวอย ซงจะเปนผลดตอความแขงของเหลก ทงนเพราะ Cementite มความแขงประมาณ 700 – 800 HB ซงแขงกวาโครงสราง Martensite (650-700 HB) แตประเดนทส าคญคอ จะตองเลอกอณหภมทจะไมเกดโครงสราง Proeutectoid Cementite ในลกษณะตอเนองเปนลกโซตามขอบเกรน

35

การชบแขงแบบ Martempering จะไดโครงสรางสดทายเปน Martensite เชนเดยวกบการชบแขงปกต จะตองมอางเกลอหลอมละลาย (Salt Bath) ทอณหภมต า (ประมาณ 40oC) ซงสวนใหญจะใชเกลอผสมระหวาง Sodium Nitrate กบ Potassium Nitrate (40-50%) ซงของผสมนจะหลอมเหลวทอณหภม 145oC ดงนนจงมชวงอณหภมในการใชงานอยระหวาง 160-650oC โดยการเผาเหลกใหอยในชวงของ Austenite (เหนอเสน A1 หรอ A3 ประมาณ 50oC) แลวคงอณหภมนไวจนกระทงอณหภมทงดานในและดานนอกเทากนทงแทง แลวจงน าออกมาจากเตา แลวชบในอางเกลอผสมทอณหภมเหนอเสน MS ในแผนภม TTT จากนนปลอยใหมการปรบอณหภมระยะเวลาหนง (โดยจะไมยาวถงเวลาทเกดโครงสราง Bainite) จากนนน าออกไปชบน าทนทเพอใหไดโครงสราง Martensite จากนนน าไปอบคนตว (Tempering) เพอลดความเครยดตอไป

36

การชบแขงมลกษณะคลายกบวธ Martempering แตแตกตางกนทโครงสรางสดทายทตองการ คอ Bainite ซงอาจจะเปนแบบขนนก หรอแบบอซคลา กไดขนอยกบชวงอณหภมทจะปลอยใหเกดการเปลยนโครงสราง อปกรณทจะใชกเหมอนกน การชบแขงจะเรมตงแตการเผาเหลกจนเปลยนเปน Austenite ทงหมดจากนนน าออกจากเตาเผา ชบเหลกลงในอางน าเกลอผสม ถาตองการโครงสราง Bainite แบบขนนก (Upper Bainite) อณหภมในอางเกลอผสมควรจะอยท 450-550oC แตถาตองการโครงสราง Bainite แบบอซคลา (Lower Bainite) อณหภมของอางเกลอจะมเพยง 350-450oC เทานน จากนนทงไวระยะเวลาหนงจนแนใจแลววาโครงสรางเปลยนเปน Bainite อยางสมบรณ (ดไดจากแผนภม TTT) แลวจงน าออกจากอางเกลอปลอยใหเยนตวในอากาศ ไมจ าเปนตองไปชบน าอก เพราะจะไมมการเปลยนโครงสรางอกตอไป

37

เหลกภายหลงจากการชบแขงแลว จะมโครงสรางสวนใหญประกอบดวย Martensite กบ Austenite ทเหลอคางอย (Residual Austenite) ซงคณสมบตของเหลกจะมความแขงสง แตขาดคณสมบตดานความเหนยว ไมทนตอแรงกระแทก และความเครยดภายในทเกดขนจะมสวนท าใหชนงานบดงอ หรอแตกราวในขณะใชงานได ดงนนเหลกทผานการชบแขง กอนทเราจะน าไปใชงานควรจะตองน ามาท าการอบคนตว เพอคลายความเครยดภายในใหหมดไป การอบคนตว เปนวธการเผาเหลกทผานการชบแขงทอณหภมต ากวาเสน A1

ภายหลงเมอทงไวเปนระยะเวลานานพอสมควร แลวปลอยใหเยนตวชาๆ ภายในเตา โครงสราง Martensite กบ Austenite ทเหลออยจะปรบตวเขาสสภาพทสมดล และมการขยายตวของ Pearlite ใหโตขน ความเหนยวจะเพมขน ซงจะคลายคลงกบเหลกทผานการท า Spheroidizing

38

เปนการชบแขงเพอใหไดความแขงเฉพาะตามบรเวณผวเทานน สวนเนอเหลกภายในยงคงเปนเนอเดมซงมความเหนยวสง จดประสงคกเพอตองการใหเหลกทนตอการสกหรอในขณะใชงาน ทนตอแรงบดหรอแรงกระแทกอยางรนแรงไดดโดยไมแตกหก อกทงการชบแขงเฉพาะผวเปนกรรมวธทประหยดตนทนในการด าเนนการมาก ตวอยางของชนสวนทนยมน ามาท าการชบแขงเฉพาะผวไดแก เพลาขอเหวยง เพลาราวลน เฟองเกยร เปนตน การชบแขงเฉพาะผวสามารถท าไดหลายวธ ดงตอไปน 1. การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ CARBURIZING หรอ CASE HARDENING 2. การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ CYANIDING 3. การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ CARBONITRIDING 4. การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ NITRIDING 5. การชบแขงเฉพาะผวดวยกระแสไฟฟาเหนยวน า (INDUCTION) 6. การชบแขงเฉพาะผวดวยเปลวไฟใหความรอน (FLAME) 7. การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ ELECTROLYTIC 39

40

Case Hardening

Surface Hardening Induction Hardening M/C

Nitriding Hardening