ALUMINUM ALLOYS

1. ALUMINUM ALLOYS • Aluminumจัดเป็นโลหะที่มีการใช้งานมากเป็นอันดับที่สองรองจากเหล็ก • Classification and Temper designations of aluminum alloys • Wrought aluminum and Wrought aluminum alloys • Cast aluminum alloys

2. Introduction to Aluminum alloys • การเลือก Alเพื่อนำไปใช้งานจะต้องคำนึงถึงความเหมาะสมกับงานที่จะนำไปใช้ โดย ควรคำนึงถึง • รูปร่างลักษณะ และ สมบัติ • กรรมวิธีการหล่อ • การปรับปรุงสมบัติโดยวิธีทางความร้อน • ความคงทนต่อสภาพแวดล้อมในการใช้งานทางวิศวกรรม

3. การแยกประเภทตามมาตรฐาน ANSI • American Aluminum Association Casting Alloysได้กำหนดมาตรฐานและแยกประเภทของอลูมีเนียมผสม-กรรมวิธีการผลิต-การปรับปรุงคุณภาพเฉพาะแต่ละเกรด โดยได้จดทะเบียนไว้กับสำนักงานมาตรฐานแห่งชาติของ U.S.A. (American National Standard Institute)หรือ ANSI ในปี 1990 (ANSI H35-1-1990) • ได้แบ่ง Al ไว้เป็น 2 ประเภท คือ

4. การแบ่งประเภทของ Al-Alloys ตามมาตรฐาน ANSI • แบ่งออกเป็น 2 ประเภท คือ • Wrought Aluminum :ได้แก่ อลูมิเนียมประเภทรีดขึ้นรูปต่างๆที่ใช้ในงานทางเครื่องกล ทั้งที่ใช้งานใสสภาพอุณหภูมิปกติ และอุณหภูมิสูงระดับต่างๆ (Elevated Temperature) • Cast Alloys : อลูมิเนียมผสมที่ใช้สำหรับผลิตภัณฑ์งานหล่อหลอม อยุ่ในรูปของ อินกอต หรือแท่งเกรดต่างๆ

5. Pure Aluminum Commercial Pure Aluminum • โดย ปกติแล้ว ในทางการค้า Al จะมีอยู่ไม่ถึง 100 % แต่จะมีไม่ต่ำกว่า 99.00 % ที่เหลืออีก 1 % จะเป็นพวกธาตุที่ผสมอยู่ใน Al เรียกว่า Impurities elements ซึ่งได้แก่ Copper, Iron, Silicon และ Magnesium เป็นต้น

6. PURITIES OF ALUMINUM

7. DESIGNATION OF ALUMINUM CASTING ALLOYS A 0 0 0 . – A 0 0 0 Temper Sup-designation Temper designation Hyphen delimeter Decimal point delimeter Alloy designation Alloy group Modification Prefix

8. Wrought aluminum alloy groups

9. Cast aluminum alloy groups

10. Chemical composition and applications of commercially pure aluminum alloys

11. ตารางคุณสมบัติทางกลและการใช้งานในเชิงพาณิชย์ตารางคุณสมบัติทางกลและการใช้งานในเชิงพาณิชย์

12. การหล่อโลหะตระกูลอลูมินั่ม(Aluminum casting) คุณสมบัติด้านการหลอมหล่ออลูมินั่ม • มีน้ำหนักจำเพาะ 2.7 • จุดหลอมเหลวของ Al บริสุทธิ์ 660 ํ • ปริมาตรหดตัวขณะเปลี่ยนแปลงสถานะ 6 % • ความต้องการปริมาณความร้อนในการหลอม 169 Btu/lb. • ทำปฏิกิริยากับ ออกซิเจน ทำให้เกิดออกไซด์ได้ง่าย • ในระหว่างการแข็งตัว ฉีกร้าวได้ง่าย

13. เตาหลอมโลหะอลูมินั่มที่นิยมใช้เตาหลอมโลหะอลูมินั่มที่นิยมใช้ • Pot or Crucibleสำหรับหลอมในปริมาณไม่มาก • Reverberatoryสำหรับหลอมปริมาณที่มาก • Induction,Resistance สำหรับงานที่ต้องการคุณภาพสูง

14. เตาหลอมอลูมินั่มชนิดเตาเบ้าเตาหลอมอลูมินั่มชนิดเตาเบ้า

22. ปัญหาในการหลอมอลูมินั่มและการแก้ไขปัญหาในการหลอมอลูมินั่มและการแก้ไข • การเกิดออไซด์(Oxide) - อลูมินั่มจะเกิดออกไซด์ได้ง่าย หากสัมผัสกับความชื้น ดังสมการ 2Al+3H2O = Al2O3 + 6H สาเหตุของการเกิดออกไซด์สูง คือ 1.จากโลหะที่มีออกไซด์อยู่แล้ว 2.เกิดจากการสั่นสะเทือน หรือการก่อกวนโลหะเหลวขณะหลอม 3.เกิดการอลวน(Turbulent)ขณะขนถ่าย และ เทหล่อ 4.เศษโลหะมีธาตุ Mg เจืออยู่ในปริมาณมาก 5.บรรยากาศของเตาหลอมมีความชื้นสูง 6.หลอมที่อุณหภูมสูงมากเกินไป

23. สรุป สาเหตุของการเกิด Al2O3ได้ง่ายคือ • เกิดจากขบวนการหลอมหล่อและการควบคุมไม่ดี • คุณภาพโพรงแบบต่ำ • ระบบรูเทออกแบบไม่เหมาะสม

24. การดูดกลืนแก๊ส (Gas absorption) • การดูดกลืนแก๊ส (Gas absorption) • อะตอมของแก๊สสามารถละลายเป็นเนื้อเดียวกันได้กับโลหะ(solution)ในบรรยากาศภายในเตาหลอมโลหะประเภทเปลวไฟสัมผัสกับโลหะ จะมีอะตอมของแก๊สต่างๆเช่น • ไฮโดรเจน - สามารถละลายเป็นเนื้อเดียวกับโลหะได้ • ไนโตรเจน – เกิดปฏิกิริยาเคมีเป็นสารประกอบ AlN • CO,CO2 – ไม่ทำปฏิกิริยาเคมี และไม่ละลายในโลหะ(หนีออกมาได้ก่อนที่โลหะจะแข็งตัว) • C-H – ไม่ทำปฏิกิริยาเคมี และไม่ละลายในโลหะ

25. การดูดกลืนแก๊ส(ต่อ) • จะพบว่ามีเพียงไฮโดรเจนเทานั้นที่ละลายเข้ากันได้กับเนื้อโลหะ อะตอมของแก๊สอื่น ถ้าไม่รวมตัวกันทางเคมีเป็นสารประกอบเสียก่อน ก็จะหลุดหนีออกจากโลหะไป • ถ้าทำปฏิกิริยาทางเคมีจะกลายเป็นของแข็ง อาจจะแทรกหรือลอยตัวขึ้นผิวบน ถ้ามีน้ำหนักเบา กลายเป็นขี้ตะกรัน (slag) หรือกาก(dross) เมื่อใช้สารเคมีสำหรับจับกากแล้วสามารถกวาดทิ้ง ทำให้น้ำโลหะสะอาดขึ้น

26. ปริมาณของแก๊สไฮโดรเจนที่ละลายได้ในโลหะชนิดต่างๆที่ความดัน 1 atm. ของแก๊ส (cc/100g)

27. อะตอมของไฮโดรเจน(H)จะสามารถละลายอยู่กับโมเลกุลของโลหะได้เพียงใดขึ้นกับอะตอมของไฮโดรเจน(H)จะสามารถละลายอยู่กับโมเลกุลของโลหะได้เพียงใดขึ้นกับ • Temperature • Partial Pressure of gas (ความดันจำเพาะของแก๊ส) • Alloying Element • อะตอมของไฮโดรเจนส่วนมากจะมากับความชื้น และ ความชื้นก็มาจากแหล่งต่างๆ เช่น • บรรยากาศ • ไอน้ำจากการเผาไหม้ • วัสดุทนไฟ(เตา,เบ้าหลอม,โพรงแบบ) • เครื่องมือและอุปกรณ์ • เศษโลหะและเชื้อหลอม

28. ปริมาณของแก๊สไฮโดรเจนในโลหะ Alบริสุทธิ์

29. สรุป • ที่อุณหภูมิต่ำ โลหะจะละลายแก๊สเข้าไปน้อยแต่จะสามารถละลายได้มากขึ้นเมื่ออยู่ในสภาวะของเหลว • ถ้าอุณหภูมิของโลหะลดลงในสภาวะสมดุลแล้วอะตอมของไฮโดรเจน จะสามารถหนีออกมาจากโลหะเหลวได้

30. การทำความสะอาดโลหะเหลวการทำความสะอาดโลหะเหลว • สิ่งมลทินต่างๆที่แทรกอยู่ในโลหะเหลว เช่น ออกไซด์, แก๊ส, ธาตุมลทิน ที่ไม่ใช่โลหะ สามารถขจัดออกจากโลหะอลูมินั่มเหลวได้ โดยใช้สารเคมี หรือ เชื้อหลอม(Fluxes) ได้แก่ • เชื้อหลอมสำหรับคลุมผิว (Covering fluxes) • เชื้อหลอมขจัดออกไซด์(Drossing fluxes) • เชื้อหลอมขจัดแก๊ส(Degassing fluxes) • เชื้อหลอมขจัดมลทิน(Impurities remove fluxes) • เชื้อหลอมปรับแต่งเกรน(Grain refining fluxes)

31. เชื้อหลอมคลุมผิว(Covering fluxer) • มีหน้าที่ปกคลุมผิวเพื่อป้องกัน O2 และ H ทำปฏิกิริยาและแทรกเข้าไปในโลหะเหลว • เชื้อหลอมคุมผิวที่ใช้สำหรับ Al มีอยู่ 3 ชนิด คือ NaCl, KCl, NaF และยังใช้ได้ดีกับทุกโลหะผสม ยกเว้นบางชนิด เช่น Al-Mg • เชื้อหลอมคลุมผิวจะกลายเป็นขี้ตะกรันเหลว จึงยากต่อการตักออก ก่อนการเทหล่อ ควรใช้สาร ซัลเฟสต์ หรือ ไนเตรส บำบัดขี้ตะกรันเหลวให้แห้งเป็นผง เพื่อสะดวกต่อการตักกวาดทิ้ง • ถ้าขี้ตะกรันเหลวไหลเข้าไปในโพรงแบบจะทำให้เจือปนเข้าไปในเนื้อชิ้นงาน เป็นจุดเสียในชิ้นงานอย่างหนึ่ง

32. เชื้อหลอมขจัดออกไซด์(Drossing fluxers) • ในการหลอมอลูมินั่มจะมีออกไซด์เกิดขึ้น ถ้ามีน้ำหนักเบาจะลอยขึ้นไปอยู่เหนือผิวโลหะเหลว เรียกว่า กาก หรือ Dross ถ้ามีน้ำหนักมากจะจมอยู่ใต้โลหะเหลว เรียกว่า ขี้โล้(sludge) อลูมินั่มออกไซด์ (Al2O3) • เป็นสารประกอบแน่นทึบมีสภาวะคงที่มาก มีจุดหลอมเหลว 2050 ° C มีน้ำหนักจำเพาะ 3.9 มากกว่าโลหะเหลว 2.7 แต่มันจะไม่แยกตัวออกจากโลหะเหลวได้ง่าย เนื่องจากมีแรงตรึงผิวสูงต่อโลหะเหลว • ดังนั้นจึงเกิดคุณสมบัติในการเกาะกันแน่น และสิ่งหนึ่งคือ Al2O3 จะมีฟองแก๊สละลายอยู่ จึ่งทำให้ความหนาแน่นต่ำลง

33. การขจัด Al2O3 • ส่วนมากจะใช้ ฟลูออไรด์ หรือ คลอไรด์ ซึ่งเกิด electrolytic กับอลูมินั่มได้ดี เชื้อหลอมจะห่อหุ้มอนุภาค Al2O3 แยกออกจากโลหะเหลวและหลังจากนั้นจะใช้วิธีทางกลโดยการสั่นสะเทือน โดยการควบคุมที่เตาหลอม หรือทำให้เกิดการกวน หมุนวน เพื่อให้ Al2O3ลอยขึ้นไปรวมกับขี้ตะกรัน กายเป็นกากต่อไป

34. การขจัดแก๊สไฮโดรเจน(H) • การขจัดแก๊สมีหลายวิธีด้วยกัน คือ • ลดอุณหภูมิของโลหะเหลวลงก่อน (Pre-solidification) • ให้โลหะอยู่ในบรรยากาศไอน้ำต่ำ (H2O-vapour free atm.) • บำบัดด้วยฟองแก๊ส (Treatrment with Gas) N, He,Ar • บำบัดด้วยสารคลอไรด์ (Treatment with chlorides) • การหลอมด้วยเตาระบบสุญญากาศ (Treatment in vaccuum) • ใช้เสียงคลื่นความถี่สูง (Ultrasonic) • ทำให้เป็นสารประกอบไฮไดร์ (Forming Hydrides)

35. H H H ฟองอากาศ H H แก๊ส H H H H H H เบ้าหลอม H H เกาะรอบๆ ที่ฟองอากาศ โลหะเหลว

36. การหลอมโลหะอลูมินั่มด้วยเตาเบ้าการหลอมโลหะอลูมินั่มด้วยเตาเบ้า ขั้นตอนและวิธีการหล่อ 1.อุ่นเตาและเบ้าหลอมให้แห้ง โดยใช้อุณหภูมิต่ำ ประมาณ 5-10 นาที • ไล่ความชื้น • ป้องกันการแตกร้าวของเตา • ยืดอายุการใช้งานของเตาและเบ้าหลอม 2.บรรจุโลหะชุดแรกเกือบเต็มเบ้าหลอม • คัดเลือกขนาด • ตรวจสอบส่วนผสมทางเคมี

37. ขั้นตอนและวิธีการหล่อ(ต่อ)ขั้นตอนและวิธีการหล่อ(ต่อ) 3.ใส่เชื้อหลอมคลุมผิว • เมื่อโลหะชุดแรกยุบตัว เกือบเหลว 4.บรรจุเศษโลหะที่เหลือจนหมด • หลังจากที่ในเบ้าหลอมมีโลหะเหลวอยู่แล้วควรจะอุ่นเศษโลหะที่จะบรรจุเสียก่อน เพื่อไล่ความชื้น ช่วยประหยัดเชื้อเพลิงและไม่ทำให้อุณหภูมิของของเหลวลดต่ำลงมาก 5.วัดอุณหภูมิและเติมเชื้อหลอมขจัดแก๊สและออกไซด์ • ควรรักษาระดับอุณหภูมิไว้ที่ระดับ 760 ° C แล้วจึงเติมเชื้อหลอมเพื่อบำบัด

38. ขั้นตอนและวิธีการหล่อ(ต่อ)ขั้นตอนและวิธีการหล่อ(ต่อ) 6.ตักกากโลหะออก และโรยเชื้อคลุมผิวใหม่ • อาจะปล่อยให้กากโลหะทำปฏิกิริยาให้หมดเสียก่อน 7.ตรวจสอบอุณหภูมิเทเพื่อความถูกต้อง • ก่อนนำไปเทลงในแบบหล่อ • และแบบหล่อต้องผ่านการเผาไล่ความชื้นเสียก่อน

39. โครงสร้างจุลภาคของ Al alloy 3003(1.2%Mn) annealed sheet (Al-Fe-Mn-Si) Fin dispersion of (Mn,Fe)Al6

40. โครงสร้างจุลภาคของ Al alloy 3003(1.2%Mn)preheated at 543 C cold-rolled 80%,annealed at 343 C for 250 s. Mn precipitated on dislocation

41. Al-Mn-Al3003 cooling rate of 1.2°C/s. B C A ปล่อยให้แข็งตัวในเวลาต่างกันก่อนนำไปชุบชุบ ถ่ายที่กำลังขยาย 55 เท่า

42. Al3003 showing Al6(FeMn)and Al15(FeMn)3Si2 Cooling rate:0.5 C/s กำลังขยาย 550 เท่า B C A

44. ALUMINUM-MAGNESIUM ALLOYS

46. โลหะผสม Al+Cu

47. จากแผนภูมิสมดุล Cu สามารถละลายได้ใน Al 5.65% ที่ 548 °C แต่ที่อุณหภูมิห้องละลายได้ เพียง 0.5% เท่านั้นเป็นเฟสของ k ทองแดง 5.65% ที่ละลายที่อุณหภูมิสูง เมื่ออุณหภูมิลดลง จะแยกตัวออก เป็น θมีสูตรเคมี Al2Cu และ ส่วนผสมโดยประมาณ Al : Cu = 46.5 : 53.5 wt% หากเพิ่ม Cu ใน Al มาก ก็จะยิ่งทำให้ ได้ θ,มีผลทำให้แข็งและเปราะ โดยทั่วไปจะมีอยู่ประมาณ 2-5% โลหะผสม Al+Cu

48. การปรับปรุงคุณสมบัติของ Al+Cu • สามารถทำได้โดยกรรมวิธีทางความร้อน ดังนี้ คือ • เผาชิ้นงานให้ได้ เฟส k ทั้งหมด เรียกว่าการทำ solution หรือ solid solution • ชุบให้เย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว ไม่ให้ θแยกตัวออกมาได้ทัน หรือเรียกว่า supersatureted solid solution • การอบบ่ม หรือการทำ Aging หรือ percipitated hardening

49. สรุป : คุณสมบัติของโลหะผสม อลูมินั่ม กับธาตุเจือทองแดง ข้อดี • ธาตุเจือทองแดง ช่วยเพิ่มความแข็งแรงเชิงกลให้สูงขึ้น • สามารถปรับปรุงคุณสมบัติด้วยกรรมวิธีทางความร้อน • สามารถตัดแต่งด้วยเครื่องจักรกลได้ง่าย ข้อด้อย • การผสมธาตุเจือทำให้เทหล่อได้ยาก เนื่องจาก ทำให้การไหลตัวต่ำ,ชิ้นงานแตกร้าวขณะร้อนได้ง่าย • ธาตุเจือทองแดงทำให้เกิดการกัดกร่อนได้ง่าย

50. ALUMINUM-MAGNESIUM ALLOYS Alloy 5086-H43 Alloy 5456 Network of Mg2Al3 Mg2Si Al6(Fe,Mn) A B