7 การขี้นรูปด้วยโลหะผง

การขึ้นรปู ด้วยโลหะผง 20102-2007 <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

หนว่ ยการเรยี นรู้ที่ 7 การข้นึ รปู ดว้ ยกรรมวิธโี ลหะผง สาระสาคัญ โลหะผงถือเปน็ เทคโนโลยีด้านวสั ดุที่สาคัญในกระบวนการผลิตด้านวศิ วกรรมใน ปัจจุบัน โดยเฉพาะกระบวนการผลิตชิ้นส่วนสาคัญๆ ท่ีต้องการความแม่นยาและ เท่ียงตรงสูงมักจะใช้โลหะผงเป็นวัตถุดิบในการขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ซ่ึงข้อดีของการข้ึนรูป ด้วยโลหะผงคือสามารถผลิตได้รวดเร็วเที่ยงตรงและไมม่ เี ศษวัสดุ <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

หน่วยการเรียนรู้ที่ 7 การขน้ึ รูปดว้ ยกรรมวิธีโลหะผง บทนา กรรมวิธีการผลิตช้ินงานจากโลหะผงเป็นการนาเอาผงโลหะมาผลิตเป็นช้ินงาน ดว้ ยการอดั ขนึ้ รปู ใหไ้ ด้รูปร่างตามต้องการโดยใช้กระบวนการทางความร้อนหรืออาจไม่ใช้ ก็ได้ ผลโลหะท่ีใช้ในการผลิตชิ้นงานชนิดหนึ่งจะประกอบไปด้วยโลหะผงหลายชนิด บางครั้งอาจต้องเพิ่มผงของวัสดุที่อยู่นอกกลุ่มโลหะลงไปเพ่ือเป็นสารยึดทาใหผ้ งโลหะยึด ติดกันดีย่ิงข้ึน เช่น ใช้ผงโคบอลต์เป็นสารยึดผงทังสเตนคาร์ไบด์ การผสมผงแกรไฟต์ลง ไปในโลหะท่ีใชท้ าแบริ่งเพอื่ เพ่ิมคุณสมบตั ิในการหลอ่ ลน่ื โลหะผงจะมีราคาสูงกว่าโลหะแท่ง เพราะโลหะผงต้องผ่านกระบวนการผลิตที่ ซับซ้อนกว่าประกอบกับการนาโลหะผงมาข้ึนรูปเป็นช้ินงานน้ันต้องใช้เคร่ืองจักรและ แบบดายที่มีราคาแพงดังนั้นชิ้นงานที่ผลิตข้ึนด้วยวิธีน้ีมักมีราคาแพง จึงเหมาะที่จะใช้ เฉพาะในกรณีทีก่ ารผลติ มปี รมิ าณมากและใชว้ ธิ ีอนื่ ไม่ได้ สาหรับกรรมวธิ ีการผลิตช้ินงานจากโลหะผง สามารถแยกเป็น 4 ขั้น คือขั้นผลิต ผงโลหะ ข้ันผสมผงโลหะให้เข้ากัน การข้ึนรูปโลหะผงในแบบตามรูปร่างที่ต้องการและ การอบโลหะผง 7.1 การผลติ โลหะผง โลหะทุกชนิดสามารถทาให้เป็นผงได้แต่มีโลหะบางชนิดเท่านั้นท่ีให้ประโยชน์ และสามารถนามาอัดขึ้นรูปได้ดี โลหะส่วนใหญ่ที่นามาแปรรูปโดยวิธีน้ีได้แก่ เหล็ก ทองแดง และบรอนซ์ กรรมวธิ ีในการผลิตโลหะผงทน่ี ิยมกันมี 3 วธิ ดี ว้ ยกนั คอื กรรมวิธที างกล กรรมวธิ ี ทางกายภาพ และกรรมวิธีทางเคมี 7.1.1 กรรมวิธีทางกล สามารถทาได้ 5 วธิ ดี ว้ ยกนั คอื 1. Machining เป็นกรรมวิธีการใช้เครื่องกัดให้เป็นเศษเล็กๆ จากโลหะ และโลหะผสมตา่ งๆ บางทกี ็ใช้ลูกบอลกดอดั หรอื ใชเ้ ครอื่ งกลงึ <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

2. Milling เป็นกรรมวิธีผลิตผงโลหะด้วยการบดหรือการขูด โลหะที่มี ความเปราะส่วนมากจะใช้วิธีนี้ 3. Shotting วิธีน้ีต้องทาโลหะให้เป็นโลหะเหลวเสียก่อน แล้วเทน้า โลหะหลอมเหลวผา่ นตะแกรงทนความร้อนที่มรี เู ล็กๆ ลงไปในน้าวิธนี ้ีใช้กบั เหล็กเกือบทุก ชนิด 4. Granulation เป็นกรรมวิธีที่นาโลหะท่ีหลอมเหลวมาเทใส่ภาชนะ แล้วกวนอย่างรวดเร็วโดยใช้ความเร็วสูง โลหะท่ีถูกกวนก็จะแยกตัวออกมาเป็นอิสระ จนกระทั่งแข็งตัว แตเ่ ปน็ วิธีท่ไี มค่ ่อยนยิ มมากนกั 5. Atomization เป็นกรรมวิธีที่เรียกว่า การพ่นเม็ดโลหะซ่ึงเป็นวิธีใช้ กันอย่างแพร่หลายโดยการพ่นนา้ โลหะใหต้ กลงมาเป็นผงในสภาพของแข็งสามารถกระทา ได้กับโลหะทุกชนิด ลักษณะการพ่นทาได้หลายวิธี ดังรูปที่ 7.1 โดย (ก) คือการใช้แก๊ส เป่าด้วยความเร็วสูง (ข) คือน้าโลหะตกลงมาด้วยแรงดึงดูดของโลกผ่านหัวฉีดลงมาด้วย แรงพ่นของอากาศ (ค) คล้ายกับ (ข) แต่ฉีดด้วยน้าแทนอากาศและ (ง) ปล่อยให้โลหะตก ลงมาบนจานหมุน <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

รปู ท่ี 7.1 ลักษณะการพ่นนา้ โลหะ 7.1.2 กรรมวธิ ีทางกายภาพ Electrolytic Deposition Process คือ วธิ ีแตกตวั ของโลหะดว้ ยไฟฟ้า โดยมาก ใช้กับโลหะที่บริสุทธ์ิ ถ้าต้องการให้เหล็กแตกตัวให้นาแผ่นเหล็กแขวนไว้ทางข้ัวบวกและ ทางขั้วลบใช้แผ่นสแตนเลส แขวนไว้และปล่อยไฟฟ้ากระแสงตรงผ่านไปประมาณ 48 ชั่วโมง แผ่นเหล็กทางขั้วบวกจะแตกตัวมาเก่าที่ขั้วลบหนาประมาณ 3/32 นิ้ว เมื่อนา ตะกอนของเหล็กน้ันมาล้างและกรองด้วยตะแกรงจึงจะได้ผงโลหะท่ีมีลักษณะเปราะจึง จาเป็นต้องนาผงโลหะดงั กลา่ วไปอบออ่ นเสียก่อนจึงจะนาไปใช้งาน 7.1.3 กรรมวธิ ีทางเคมี กรรมวิธีน้ีจะเกิดปฏิกิริยาเคมีประกอบด้วยสารประกอบโลหะ โดยการลด ออกไซด์เป็นผลให้โลหะถูกปลดปล่อยให้เป็นอิสระจากนั้นลดขนาดให้แตกแยกย่อยเป็น ผง <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

7.2 การผสมโลหะผง การผสมโลหะผง (Blending) กอ่ นการนาไปขนึ้ รูปมีวตั ถุประสงค์เพ่ือให้โลหะผง มีการกระจายตัวท่ีสม่าเสมอเพิ่มคุณสมบัติทางกายภาพ คุณสมบัติทางกลของผลิตภัณฑ์ ทีท่ ามาจากโลหะผงและตวั นาหลอ่ ล่นื มาผสมเพื่อลดความฝดื ตัวอย่างถังหมุนที่ใช้ในการผสมดังรูปท่ี 7.2 (ก) ถังทรงกระบอกหมุน (ข) ถัง ทรงกระบอกภายในมีสกรูหมุน (ค) ถังทรงกรวยหัวท้ายหมุน และ(ง) ถังทรงกระบอก ภายในมีใบมดี กวาดหมนุ รปู ท่ี 7.2 ตวั อย่างถงั หมนุ ที่ใช้ในการผสมผงโลหะ 7.3 การขึ้นรูปโลหะผง การข้ึนรูปโลหะผงเป็นการอัดผงโลหะเข้าไปในแบบหรือเรียกว่า การอัดข้ึนรูป (Compaction) ซึง่ กระบวนการนี้กระทาใน 2 ลกั ษณะคอื การอดั ข้ึนรปู ร้อน และการอัด ขึ้นรปู เยน็ ดงั รปู ท่ี 7.3 รปู ที่ 7.3 กรรมวธิ กี ารขน้ึ รูปโลหะผง <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

7.3.1 การอัดข้ึนรูปร้อน การอัดขึ้นรูปร้อน เป็นการอัดข้ึนรูปโลหะโดยใช้ความร้อนซึ่งวิธีการนี้เรียกว่า การอัดสมดุลร้อน โดยใช้ความร้อนท่ีอุณหภูมิประมาณ 1,100oC และความดันจากก๊าซ เฉ่ือยประมาณ 100 MPa วิธีการน้ีจะทาให้การยึดเกาะของอนุภาพ คุณสมบัติทางกล และความหนาแน่นสมา่ เสมอดี ดังรปู ท่ี 7.4 รปู ที่ 7.4 การอดั ข้ึนรปู ผงแบบการอัดสมดุลรอ้ น 7.3.2 การอดั ขึ้นรูปเยน็ การอัดข้ึนรูปเย็นเปน็ การอัดขึ้นรูปโลหะผงโดยใช้แรงในการอัดที่สูงซึ่งวิธกี ารนมี้ ี หลายรูปแบบ คือ การอัด การอัดสมดุลเย็น การรีดขึ้นรูปโลหะผง การดันขึ้นรูปโลหะผง และการฉดี ขึน้ รปู โลหะผง 1. การอัด (Pressing) ผงโลหะจะถูกนาไปอัดในแบบดายซ่ึงจะทามาจาก เหล็กกล้าภายใต้ความดันประมาณ 14-1400 MPa ผงโลหะอ่อนสามารถอัดได้อย่าง รวดเร็วและไม่ต้องใช้ความดันสูงมากนักแต่ถ้าเป็นผงโลหะแข็งกระบวนการจะชา้ ลงและ ต้องใช้ความดันสูง ความหนาแน่นและความแข็งของชน้ิ งานจะขึ้นอยู่กับความดันที่ใช้ ใน ขณะเดียวกันค่าใช้จ่ายในกระบวนผลิตจะสูงข้ึนตามค่าความดันที่ใช้ ความหนาแน่น สุดท้ายของช้ินงานที่ได้จะมีค่าเปล่ียนแปลงตามความดัน การอัดผงโลหะให้เป็นช้ินงาน ทาได้หลายวธิ ีเช่น การใช้หวั ตอกเจาะ และแบบดาย ดังรูปที่ 7.5 <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

รปู ที่ 7.5 ลกั ษณะการอดั 2. การอัดสมดุลเย็น (Cold Isostatic Pressing) หรือ CIP เป็นการขึ้นรูปโดยท่ี ผงโลหะอยู่ในวัสดุที่มีความยืดหยุ่น เช่น ยาง พีวีซี ยูริเทน เป็นต้น ดังรูปท่ี 7.6 จากน้ัน อัดด้วยแรงดันของไหลประมาณ 400-1,000 MPa วิธีน้ีมีข้อดีคือค่าใช้จ่ายต่า และความ หนาแน่นสม่าเสมอ รปู ท่ี 7.6 การอัดสมดลุ เยน็ 3. การรีดขึ้นรูปโลหะผง (Rolling) ผงโลหะถูกนามาบังคับให้เคลื่อนตัวผ่าน ช่องว่างระหว่างลูกกล้ิง ดังรูปที่ 7.7 จากนั้นจะถูกลูกกล้ิงรีดออกมาเป็นเส้นยาวหรือเป็น แผ่นบางในอัตราความเร็วประมาณ 0.5 เมตรต่อวินาที กระบวนการนี้อาจกระทาที่ อุณหภูมิห้องหรืออุณหภูมิสูงกว่า วิธีการน้ีนิยมใช้ในการผลิตโลหะแผ่นบางสาหรับงาน ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

รูปท่ี 7.7 การรดี ขน้ึ รปู โลหะผง 4. การดันข้ึนรูปโลหะผง (Extrusion) เป็นวิธีท่ีได้รับความนิยมแพร่หลาย โดย การนาผงโลหะใส่ภาชนะที่อยู่ในสภาวะสุญญากาศท่ีให้ความร้อนแล้วดันผงโลหะผ่าน แม่พมิ พจ์ นไดช้ นิ้ งานตามต้องการดังรูปท่ี 7.8 รูปท่ี 7.8 การดันขน้ึ รปู โลหะผง 5. การฉดี ขึ้นรปู โลหะผง (Injection Molding) เปน็ การนาผงโลหะมาผ่านความ รอ้ นแล้วฉดี ขน้ึ รูปในแมพ่ ิมพ์ ดงั รปู ท่ี 7.9 ในกระบวนการนนี้ อกจากจะมผี งโลหะแล้วยังมี สว่ นผสมของโพลเิ มอร์อย่ตู งั้ แต่ 50%-80% (โดยปรมิ าณ) <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

รูปที่ 7.9 การฉีดข้ึนรูปโลหะผง 7.4 การอบผลกึ การอบผลกึ (Sintering) หรือการอบโลหะผงทีอ่ ุณหภูมติ ่ากวา่ จุดหลอมตวั เปน็ กระบวนการทีใ่ ห้ความร้อนแกช่ นิ้ งานวธิ ีนีท้ าใหผ้ งโลหะติดกนั ดว้ ยการยึดเหนยี่ วของแรง โดยช้ินงานท่ีผ่านการอัดมาแล้วต้องให้ความร้อนเข้าไปในชิ้นงานให้มากเพื่อจะให้ โครงสร้างภายในยดึ ตดิ กนั ได้ดีข้นึ สาหรบั อณุ หภมู ิที่ใช้ในการอบน้ีตอ้ งต่ากวา่ จุดหลอม ละลายของผงโลหะน้นั ๆ ดงั ตารางที่ 7.1 ตารางที่ 7.1 อณุ หภูมแิ ละเวลาในการอบยึดโลหะแต่ละชนดิ <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

การทา Sintering จะทาให้รูพรุนหรอื ชอ่ งวา่ งภายในชนิ้ งานลดลงทง้ั นเี้ นื่องจาก การเคลอ่ื นย้ายของอะตอมของโลหะดงั รปู ท่ี 7.10 รปู ท่ี 7.10 ตวั อย่างอะตอมก่อนและหลงั ทา Sintering จากตารางที่ 7.1 จะเหน็ ว่าอุณหภูมิทีใ่ ช้ในการอบผนกึ โลหะบางชนิดอยู่ในช่วงท่ี สามารถใชเ้ ตาอบสาหรับงานอุตสาหกรรมทัว่ ไปท่ีมีขายในท้องตลาดได้ แตโ่ ลหะบางชนิด ต้องใช้อุณหภูมิสูงมาก ส่วนในเร่ืองของเวลาท่ีใช้ในการอบผนึกนั้นก็มีต้ังแต่ใช้เวลาน้อย คือใช้เวลาประมาณ 10-45 นาที สาหรับโลหะในกลุ่มเหล็กและโลหะในกลุ่มทองแดง การอบผนึกโลหะบางชนิดต้องใช้เวลานานหลายช่ัวโมง เช่นทังสเตน และแทนทาลัม (Tantalum) เป็นต้น เตาอบท่ีใชใ้ นการอบผนกึ ช้นิ งานทที่ าจากโลหะผงนนั้ มีหลายแบบถา้ เป็นการ ผลติ ทม่ี ีปริมาณมากๆ จะนิยมใช้เตาอบแบบต่อเนื่อง ดังรูปที่ 7.11 รูปท่ี 7.11 เตาอบทใี่ ชท้ า Sintering <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

7.5 วิธปี รับปรุงคุณสมบัตขิ องชิน้ งานโลหะผง ช้ินที่แล้วเสร็จจากกระบวนการอบผลึกโดยสมบูรณ์แล้วน้ันอาจยังมีคุณสมบัติ พ้ืนฐานด้าน ความแข็ง ความเหนียว หรือยังมีภาระการรับแรงได้ต่าจาเป็นต้องนามา ปรบั ปรงุ พัฒนาให้มีคุณสมบัตติ ่อการใช้งานไดส้ งู ข้ึนสามารถทาไดห้ ลายวิธี คอื 7.5.1 โดยการชุบแข็ง ในกรณีเป็นชิ้นงานโลหะเหล็กซินเตอร์จะทาการจุ่มอาบ คาร์บอนในอ่างผงถา่ นเพื่อให้ผิวแข็งโดยจะกระทากบั ชนิ้ งานทม่ี ีความหนาแน่นสงู จากนั้น นาชนิ้ งานไปผ่านวิธีการชุบแขง็ อีกคร้งั หน่ึง 7.5.2 โดยการอบด้วยไอน้า นาชิ้นงานประเภทโลหะซินเตอร์เข้าในระบบไอน้าท่ี มีอุณหภูมิสูง ประมาณ 500oC เป็นเวลา 1-2 ชั่วโมงซ่ึงจะก่อให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ที่ผิวงาน เป็นการเพม่ิ ความแขง็ ของผิวและทนทานต่อการกดั กร่อนไดด้ ขี นึ้ 7.5.3 โดยกรรมวิธีกัลวาไนซิง ในกรณีท่ีเป็นเหล็กกล้าซินเตอร์จะมีค่าความ หนาแนน่ สูงถึง 7.2 กก./ดม3 จะนาชน้ิ งานจมุ่ ลงในอ่างของเหลวจะทาใหเ้ กิดการแทรกซึม ของของเหลวเขา้ ในเน้อื พรุนทาให้สามารถทนตอ่ การกัดกร่อนการเสยี ดสไี ด้มากขึน้ 7.5.4 โดยวิธีการอิลฟินเตรชั่น วิธีการอิลฟินเตรชั่นเป็นวิธีการจุ่มช้ินงานโลหะ ซินเตอร์ลงในของเหลวของโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่าหรือในเรซินของพลาสติกหรือโดย การนาชิ้นงานโลหะเหล็กซินเตอร์ที่มีสภาพพรุนประมาณ 25% จุ่มลงสารน้ามันจะได้ ชิน้ งานท่ีมสี ภาพเหมาะเป็นวสั ดุแบรง่ิ มีคา่ ความเหนียวมากข้ึนแต่วิธนี ้ีจะทาให้ขนาดของ ชน้ิ งานเปล่ยี นแปลงไดบ้ ้างเลก็ นอ้ ย สรุปสาระสาคัญ กรรมวิธีการผลิตช้ินส่วนจากโลหะผงเป็นการนาเอาผงโลหะมาผลิตเป็นชิ้นงาน ด้วยการอัดขึ้นรูปให้ได้รูปร่างตามต้องการแล้วใช้กระบวนการทางความร้อนให้ผลโลหะ ละลายติดกัน ผงโลหะท่ีใช้ในการผลิตช้ินส่วนประกอบด้วยโลหะผงหลายชนิด เช่น ผง โคบอลต์ ผงทังสเตนคาร์ไบด์ ผงโลหะเหล็ก ผงแกรไฟต์ ผงทองเหลอื งเปน็ ตน้ กรรมวิธีการผลิตช้ินงานจากโลหะผงสามารถแยกขั้นการทางานตามกรรมวิธี โลหะผงออกเปน็ 4 ขัน้ คือ ขนั้ ผลติ โลหะผง ขัน้ ผสมผงโลหะให้เขา้ กนั การข้นึ รูปโลหะผง <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

ในแบบตามรูปร่างที่ต้องการ และอบโลหะผงที่อุณหภูมิต่ากว่าจุดหลอมละลายของผง โลหะแตล่ ะชนดิ <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>

แสงสวา่ งจงบังเกดิ แด่ท่าน จริ ยทุ ธ์ โชติกุล ช่างกลโรงงาน วทิ ยาลัยเทคนคิ ศรีสะเกษ <<<<<<<< Jirayut Chotikul @ Sisaket Technical College >>>>>>>>