กระบวนการหล่อโลหะกึ่งของแข็ง (Semi-Solid Metal Casting)สรุปและเรียบเรียงโดย คณาจารย์และนิสิต ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์
การหล่อโลหะกึ่งแข็ง (Semi-Solid Metal Casting; SSM)
งานหล่อถือเป็นกระบวนการที่สาคัญมากอย่างหนึ่งในกระบวนการผลิตโลหะ ผลิตภัณฑ์ทางโลหะส่วนมากมักผ่านกระบวนการผลิตที่มาจากกรรมวิธีการหล่อขึ้นรูป โดยที่การหล่อแบบดั้งเดิม คือ การขึ้นรูปโลหะเหลวและปล่อยให้แข็งตัวในแม่พิมพ์ ซึ่งทาให้กรรมวิธีการหล่อสามารถผลิตชิ้นงานได้หลากหลายรูปร่าง และผลิตชิ้นงานที่มีความซับซ้อนของชิ้นงานได้สูง แต่เนื่องจากการขึ้นด้วยการหล่อแบบดั้งเดิม วัตถุดิบที่ใช้เป็นโลหะหลอม ทำให้ชนิดของโลหะที่จะนำมาใช้เป็นวัตถุดิบถูกจำกัดมากขึ้น โดยถูกจำกัดไว้ในกลุ่มของโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำถึงไม่สูงมากนัก [1.] และเนื่องมาจากการขึ้นรูปจากสถานะของเหลวนี้เอง ทำให้สมบัติทางกลของผลิตภัณฑ์จากกรรมวิธีการหล่ออ่อนด้อยลง เนื่องมาจากการเกิดรูพรุนของชิ้นงานจากความปั่นป่วนของน้ำโลหะขณะไหลเข้าสู่แม่พิมพ์ ซึ่งจะเพิ่มสูงขึ้นหากแม่พิมพ์มีความซับซ้อนสูง หรือมีทางเข้าของน้ำโลหะที่มีขนาดเล็ก และเกิดโครงสร้างที่ไม่พึงประสงค์ อย่างเช่นโครงสร้างเดนไดรต์ในเนื้อโลหะที่แข็งตัว ซึ่งจำกัดสมบัติทางกลของโลหะอย่างมาก [4.] ในขณะเดียวกันการปล่อยให้โลหะเย็นตัวจากสถานะของเหลวมาสู่ของแข็ง ย่อมเกิดการหดตัวของผลิตภัณฑ์สูง ซึ่งทำให้การผลิตชิ้นงานที่มีความใกล้เคียงกับต้นแบบเป็นไปได้ยาก และค่าความคลาดเคลื่อนของผลิตภัณฑ์กับชิ้นงานต้นแบบที่สูง [3.] ซึ่งให้การออกแบบแม่พิมพ์สาหรับงานหล่อต้องอาศัยผู้เชี่ยวชาญและการคำนวณเผื่อส่วนต่างที่เกิดขึ้นจากปัญหาสืบเนื่องมาจากกระบวนการผลิต จากที่กล่าวมาทั้งหมด จะเห็นได้ว่าแม้ว่าการผลิตผลิตภัณฑ์ด้วยกระบวนการหล่อจะให้ผลิตภัณฑ์ที่น่าพึงพอใจในแง่ของขนาดและความซับซ้อนของชิ้นงานที่ผลิต แต่พบว่ากระบวนการหล่อแบบดั้งเดิมกลับมีข้อจำกัดที่สืบเนื่องมาจากกระบวนการอีกมากมาย แต่จะเป็นอย่างไร หากเราสามารถผลิตผลิตภัณฑ์ด้วยกรรมวิธีการหล่อที่สามารถกาจัดข้อจำกัดเนื่องจากกรรมวิธีการหล่อแบบดั้งเดิมได้ นี่คือจุดเริ่มต้นของต้นกำเนิดกรรมวิธีการหล่อโลหะกึ่งแข็ง
กรรมวิธีการหล่อโลหะกึ่งแข็ง (Semi-Solid Metal Casting; SSM) คือ การหล่อโลหะด้วยวัตถุดิบที่มีสถานะกึ่งแข็งกึ่งเหลว โดยมีเปอร์เซ็นต์ของแข็งที่ประมาณ 30-65% ขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะวัตถุดิบและชิ้นงานที่ต้องการผลิต ทำให้โลหะกึ่งแข็งมีลักษณะทั่วไปที่ใกล้เคียงของแข็ง แต่มีความอ่อนนุ่มเหมือนเนย ใช้แรงทางกลต่ำในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของโลหะกึ่งแข็ง[4.] ซึ่งลักษณะของเฟสของวัตถุดิบที่มาแทนที่เฟสของเหลวเพียงอย่างเดียวจากกระบวนการหล่อแบบดั้งเดิม [2.] ทำให้ข้อจำกัดของกรรมวิธีการหล่อได้รับการพัฒนาให้ดีขึ้น ทำให้โลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูงสามารถขึ้นรูปโดยผ่านกรรมวิธีการหล่อได้โดยไม่จำกัดขนาดของชิ้นงานผลิตภัณฑ์ ซึ่งนั่นย่อมต้องอยู่ภายใต้เงื่อนไขของชนิดของวัสดุที่นำมาหล่อต้องมีอุณหภูมิในการทำการหล่อที่ต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของแม่พิมพ์ หรือการผลิตชิ้นงานจากกระบวนการหล่อโดยใช้อุณหภูมิดำเนินการที่ต่ำลง [1.], [2.] แต่ได้ชิ้นงานที่มีรูพรุนต่ำ หดตัวน้อย ขนาดใกล้เคียงกับชิ้นงานต้นแบบสูง และยังคงโครงสร้างจุลภาคที่เป็นโครงสร้างแบบกลม (Globular microstructure) [4.] ดังที่แสดงในรูปที่ 1 และยังหมายถึงอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ที่ยาวนานขึ้น เนื่องจากเกิดการสึกหรอจากกระบวนการหล่อที่น้อยลง และหรือสามารถใช้วัสดุที่มีค่าความแข็งและจุดหลอมเหลวที่ต่ำลงสำหรับแม่พิมพ์ ซึ่งนั่นหมายถึงค่าต้นทุนสาหรับแม่พิมพ์ที่ลดลง และยังหมายรวมไปถึงต้นทุนทางพลังงานที่ลดลงเนื่องมาจากการลดอุณหภูมิการดำเนินการลง และระยะเวลาในการผลิตต่อชิ้นงาน 1 ชิ้นที่ลดลง เพราะชิ้นงานใช้เวลาในการเย็นตัวลดลงจากอุณหภูมิดาเนินการที่ลดลง ทำให้ระยะเวลาการผลิตต่อหนึ่งรอบการผลิตที่ลดลง ซึ่งสามารถผลิตชิ้นงานผลิตภัณฑ์ได้เป็นปริมาณที่มากขึ้นต่อวัน [1.] ในขณะเดียวกันชิ้นงานที่เย็นตัวจะมีโครงสร้างจุลภาคที่มีขนาดเล็กและไม่เกิดโครงสร้างแบบเดนไดรต์จากอัตราการเย็นตัวที่รวมเร็วขึ้น และมีรูพรุนต่ำ [1.],[2.] เนื่องจากลดการเกิดรูพรุนในชิ้นงานจากการเกิดความปั่นป่วนจากการไหลของของไหล ทำให้ชิ้นงานผลิตภัณฑ์มีความแข็งแรงทางกลที่ดีขึ้นมาก [1.]
รูปที่ 1 เปรียบเทียบโครงสร้างที่ได้จากการหล่อแบบดั้งเดิม รูป a-ซ้าย และรูป b-ซ้าย ซึ่งได้โครงสร้างแบบเดนไดรต์ กับการหล่อแบบ SSM รูป a-ขวา และรูป b-ขวา ซึ่งได้โครงสร้างแบบกลม, [4.]
จากข้อมูลเบื้องต้นของการขึ้นรูปโลหะหล่อกึ่งแข็ง จะเห็นได้ว่าจากสมบัติที่ได้มีความโดดเด่นที่เหนือกว่ากระบวนการหล่อแบบดั้งเดิมมาก แต่ของดี ของฟรี ไม่มีในโลก เช่นเดียวกัน แม้ว่าวัตถุดิบสำหรับโลหะหล่อกึ่งแข็งจะสามารถรองรับกับการผลิตแบบ die casting ในการหล่อแบบดั้งเดิม [3.] แต่การปรับเปลี่ยนการผลิตจากการหล่อแบบดั้งเดิมมาเป็นการหล่อแบบโลหะกึ่งแข็งก็มีค่าต้นทุนที่สูง ทั้งราคาของวัตถุดิบที่เพิ่มสูงขึ้น ต้นทุนของแม่พิมพ์สาหรับโลหะหล่อกึ่งแข็ง และต้นทุนที่มาจากการให้ความรู้กับคนงานที่ดำเนินการผลิต [1.] ทาให้การผลิตโลหะหล่อกึ่งแข็งจึงยังจำกัดอยู่ในวงของโลหะนอกกลุ่มเหล็ก พวกทองแดง แมกนีเซียม และอะลูมิเนียมเท่านั้น [2.]
Morphology of semi-solid metal
โลหะกึ่งของแข็ง(SSM) เป็นการปรับปรุงกระบวนการหล่อซึ่งทำให้เกิดรูพรุนน้อยลงหรือไม่มีรูพรุน ซึ่งมีความรวดเร็วมากกว่ากระบวนการฉีดโลหะหลอมเหลวโดยกระบวนการโลหะกึ่งของแข็งจะใช้วัสดุที่มีความหนืดสูงลักษณะที่เป็นกึ่งของแข็งและกึ่งของเหลว การปรับปรุงเครื่องจักรจะใช้ในการฉีดของเหลวกึ่งแข็งเข้าสู่แม่แบบที่เป็นเหล็กกล้าชุบแข็ง ซึ่งอาศัยความหนืดที่สูงของโลหะกึ่งแข็งส่งให้ผลที่ได้จากกระบวนการดังกล่าวจะทา ให้รูพรุนถูกกำจัดออก [1.]
สมบัติของของไหลแบบธิโซโทรปิ ค คือ ลักษณะหนึ่งของปรากฏการณ์การไหลในคอลลอยด์ (Colloid) ซึ่งลักษณะการไหลแบบนี้มีข้อกา หนดคือ มีความหนืดที่ลดลงเมื่อเวลาในการไหลเพิ่มมากขึ้น โดยที่ลักษณะการไหลดังกล่าวสามารถอธิบายให้เข้าใจได้ง่ายๆด้วยพื้นฐานของโครงสร้างจุลภาคที่ขึ้นอยู่กับแรงเฉือน [6.]
พื้นฐานของโครงสร้างจุลภาคที่ขึ้นอยู่กับแรงเฉือนนั้น โดยปกติแล้วเราสนใจคือแรงที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาค ซึ่งเป็นสาเหตุที่ทา ให้เกิดการสร้างตัวของตะกอนจากระบบเครือข่ายของอนุภาคแบบเดิมอย่างไรก็ตามแรงที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคนั้นสามารถถูกทา ลายได้ง่ายจากการเกิดความเค้นทางกลซึ่งเกิดระหว่างการไหล ผลที่เกิดขึ้นคือขณะที่เกิดการไหลระบบเครือข่ายของอนุภาคดังกล่าวจะทา ให้เกิดการแยกออกจากกันของตะกอน ซึ่งทา ให้ขนาดของตะกอนลดลงในขณะเกิดแรงเฉือนเพิ่มมากขึ้น แต่ถ้าหากทา การลดอัตราของแรงเฉือนลงจะพบว่าขนาดของตะกอนมีขนาดใหญ่ขึ้น [6.]
รูปที่ 2 แสดงการแตกตัวของ 0.56% Laponite ในน้า หลังจากให้แรงเฉือนแก่ระบบ [6.]
รูปที่ 3 โครงสร้างจุลภาคของโลหะผสม 7075 หลังจากชุบด้วยน้ำ [7.]
เนื่องด้วยโครงสร้างของโลหะกึ่งแข็งมีลักษณะของของแข็งกับของเหลวอยู่รวมกัน โดยโครงสร้างที่เป็นส่วนของของแข็งจะถูกทาการผลิตให้มีลักษณะทรงกลม ซึ่งกระบวนการผลิตอาศัยหลักการในข้างต้น จากการที่โลหะกึ่งแข็งมีโครงสร้างเฟสของแข็งเป็นทรงกลม ทาให้โลหะกึ่งแข็งมีความแข็งแรงที่ต่างไปจากโลหะชนิดอื่น ซึ่งความแข็งแรงที่เกิดขึ้นนั้นมาจากส่วนต่างๆดังนี้ คือ เฟสของแข็งที่เป็นทรงกลมซึ่งมีส่วนของของเหลวกระจายตัวอยู่ภายในโครงสร้างซึ่งมีการกระจายตัวและจัดเรียงตัวกันในรูปแบบ3มิติ ทาให้เกิดโครงสร้างที่เป็นเสมือนโครงกระดูกให้โลหะของแข็งสามารถคงรูปอยู่ได้เมื่อมีแรงเฉือนต่า ส่วนของเหลวที่เหลือจะแทรกตัวในช่องว่างระหว่างเฟสของของแข็ง จึงทาให้เมื่อมีการให้แรงเฉือนเพิ่มมากขึ้นของเหลวจะช่วยทาให้โครงสร้างอนุภาคทรงกลมดังกล่าวเกิดการเลื่อนไหล ทั้งนี้เนื่องมาจากโครงสร้างของโลหะกึ่งแข็งนั้นจะยึดเกี่ยวกันใน 2 ลักษณะคือ การยึดกันระหว่างเฟสของแข็ง และการยึดกันระหว่างเฟสของแข็งและของเหลว [7.]
รูปที่ 4 (A) รูปภาพแสดงถึงโครงสร้างจุลภาคของโลหะกึ่งของแข็ง (B) แสดงถึงการกระจายตัวของสมบัติทางกล 4 แบบในโครงสร้างที่มีของเหลวล้อมรอบซึ่งเป็นบริเวณระหว่างของเหลวและของแข็ง (C) รูปแบบของโครงสร้างซึ่งเป็นส่วนประกอบของส่วนที่ฝังอยู่ในเนื้อพื้น Homogeneous Equivalent Medium (HEM) ที่ส่งผลสมบัติของวัสดุกึ่งของแข็งที่แตกต่างกัน a และ b คือรัศมีของส่วนประกอบและส่วนที่มีการเคลือบ [7.]
กระบวนการผลิตโลหะกึ่งแข็ง
จากการศึกษาลักษณะของโลหะกึ่งแข็งดังที่กล่าวมาข้างต้นจะพบว่า ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อโครงสร้างของโลหะกึ่งแข็งคือ อัตราของแรงเฉือนที่ให้กับระบบขณะทำการผลิต โดยพบว่าเมื่อเพิ่มอัตราของแรงเฉือนมากขึ้น ความหนืดของระบบจะมีค่าลดลง (Thixotropic property)(Jan Mewis,2009) เนื่องจากการสลายตัวของตะกอน และอนุภาคทรงกลมที่เกิดขึ้นใหม่เกิดการเลื่อนไหล ซึ่งในปัจจุบันมีการศึกษาและพัฒนาเพื่อนำความรู้พื้นฐานเหล่านี้ไปใช้ในกระบวนการผลิตโลหะกึ่งแข็งอย่างต่อเนื่อง [7.]
ในปัจจุบันมีการพัฒนากระบวนการผลิตโลหะกึ่งแข็งที่แตกต่างกันขึ้นมามากกว่า 20 วิธี โดยอาศัยหลักการต่างๆ เช่น การใช้แรงทางกล การใช้แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และการใช้การสั่น เป็นต้น [7.] อย่างไรก็ตามเทคนิคต่างๆเหล่านี้สามารถจำแนกได้เป็น 2 ประเภทหลัก [8.] คือ
· กระบวนการผลิตจากของเหลว (Rheo-route) เป็นกระบวนการที่เตรียมน้ำโลหะกึ่งแข็ง (Slurry) จากโลหะหลอมเหลว โดยการให้แรงเฉือนระหว่างเกิดการแข็งตัว และส่งผ่านน้ำโลหะกึ่งแข็งที่ได้สู่แม่พิมพ์เพื่อขึ้นรูปโดยตรง
· กระบวนการผลิตจากของแข็ง (Thixo-route) เป็นกระบวนการที่แบ่งเป็น 2 ขั้นตอน คือขั้นตอนการเตรียมวัสดุตั้งต้นที่มีสมบัติธิโซโทรปิค และขั้นตอนการนำวัสดุที่ได้ไปให้ความร้อนอีกครั้งให้อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่วัสดุกึ่งแข็ง เพื่อให้ได้น้ำโลหะกึ่งแข็งที่พร้อมสำหรับกระบวนการขึ้นรูป
เทคนิคที่กล่าวมาข้างต้นนี้สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในกระบวนการผลิตโลหะกึ่งแข็งได้ทั้งในส่วนของการผลิตวัสดุตั้งต้น (Feedstock) เทคโนโลยีการขึ้นรูปชิ้นงาน รวมถึงการใช้งานในภาคอุตสาหกรรม โดยในปัจจุบันมีเทคโนโลยีการผลิตโลหะกึ่งแข็งหลักๆดังนี้
1. การผลิตวัสดุตั้งต้น (Feedstock) ที่ไม่มีโครงสร้างเดนไดรท์ [8.]
เป็นการผลิตวัสดุที่มีสมบัติธิโซโทรปิคและมีโครงสร้างทางจุลภาคแบบกลมซึ่งมีขนาดเกรนที่ละเอียดและกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ ซึ่งสามารถนำไปขึ้นรูปได้ทันที หรือสามารถนำไปให้ความร้อนอีกครั้งเพื่อทำการผลิตได้ภายหลังด้วยเทคนิค Thixoforming ซึ่งวัสดุตั้งต้นเหล่านี้สามารถผลิตได้ทั้งจากน้ำโลหะหลอมเหลวที่มีการควบคุมการแข็งตัวในเงื่อนไขการผลิตที่ทำให้เกิดโลหะกึ่งแข็ง หรือการผลิตจากของแข็งที่ถูกทำให้เกิดการเสียรูปแบบถาวร (Plastic deformation) และการตกผลึกใหม่ (Recrystallisation) ซึ่งมีหลักการผลิตต่างๆดังนี้
- การกวนด้วยแรงทางกล (Mechanical stirring) เป็นกระบวนการที่ใช้แรงทางกลในการกวนโลหะหลอมเหลวเพื่อให้เกิดแรงเฉือนระหว่างการแข็งตัว ซึ่งเทคนิคนี้สามารถพัฒนาเป็นกระบวนการผลิตแบบต่อเนื่อง โดยโลหะกึ่งแข็งที่ได้สามารถนำไปขึ้นรูปได้โดยตรง (Rheocasting) หรือทำให้แข็งตัวเพื่อใช้เป็นวัสดุตั้งต้นสำหรับการนำไปให้ความร้อนอีกครั้งสำหรับการขึ้นรูปด้วยเทคนิค (Thixoforming) ต่อไป
- การกวนด้วยแรงแม่เหล็กไฟฟ้า (Magnetohydrodynamic stirring, MHD) เป็นกระบวนการที่ใช้สนามไฟฟ้าแม่เหล็กเพื่อกวนน้ำโลหะในกระบวนการหล่อแบบต่อเนื่อง เพื่อใช้ในการผลิตแท่งโลหะกึ่งแข็ง (Billet)
- การทำให้เกิดความเค้นและการหลอมเหลว (Stress induced and melt activated , SIMA) เป็นกระบวนการที่ทำให้เกิดการเสียรูปแบบเย็น (Cold deformation) กับโลหะที่ผ่านการอัดขึ้นรูปและเย็นตัวอย่างรวดเร็ว เพื่อทำให้เกิดความเครียดถาวรตกค้าง (Residual plastic strain) จากนั้นนำแท่งโลหะที่ได้ไปให้ความร้อนอีกครั้งในช่วงอุณหภูมิโลหะกึ่งแข็งเพื่อให้เกิดโครงสร้างแบบกลมที่ละเอียด เพื่อใช้ในกระบวนการ Thixoforming ต่อไป
- การใช้การสั่น (Ultrasonic treatment) เป็นการให้การสั่นทะเทือนแบบอัลตราโซนิกส์ในขณะเกิดการแข็งตัว ซึ่งสามารถเพิ่มความเป็นเนื้อเดียวกันของน้ำโลหะและทำให้เกิดการแตกหักของเดนไดรท์ ทำให้โครงสร้างที่ได้มีความละเอียดและรูปร่างกลมซึ่งเหมาะสมต่อการนำไปให้ความร้อนและใช้ในกระบวนการ Thixoforming
นอกจากที่กล่าวไปแล้วเทคโนโลยีการผลิตวัสดุตั้งต้นที่ไม่มีโครงสร้างเดนไดรต์ยังมีอีกมากมาย เช่น การหล่อแบบสเปรย์ (Spray casting) การหล่อในช่วง Liquidus (Liquidus casting) และการใช้สารเคมีเพื่อทำให้เกรนมีความละเอียด (Chemical grain refining) เป็นต้น
2. เทคโนโลยีในการขึ้นรูปชิ้นงาน [8.]
- กระบวนการ Rheocasting คือกระบวนการที่ใช้ในการผลิตโลหะกึ่งแข็งโดยการให้แรงเฉือนระหว่างการแข็งตัว จากนั้นส่งผ่านน้ำโลหะกึ่งแข็งที่ได้สู่แม่พิมพ์เพื่อใช้ในการขึ้นรูปโดยตรง ซึ่งสามารถใช้เทคโนโลยีการผลิตเช่น การกวนด้วยแรงทางกลหรือการใช้แรงทางแม่เหล็กไฟฟ้าได้เช่นเดียวกับการผลิตวัสดุตั้งต้น แต่การขึ้นรูปชิ้นงานด้วยกระบวนการเหล่านี้ยังมีข้อจำกัดเนื่องจากความไม่สม่ำเสมอของโครงสร้างภายในชิ้นงาน ซึ่งต้องแก้ไขด้วยการให้ความร้อนคงที่เป็นระยะเวลานาน รวมถึงปัญหาจากความซับซ้อนในการควบคุมกระบวนการผลิต อย่างไรก็ตามการผลิตด้วยเทคนิคเหล่านี้ยังมีความน่าสนใจเนื่องจากมีความคุ้มค่าในภาพรวมของกระบวนการผลิต และมีประสิทธิภาพในการจัดการพลังงาน ทำให้ปัจจุบันการพัฒนากระบวนการผลิตที่เกิดขึ้นเป็นไปตามหลัก Slurry-on-demand ซึ่งถือเป็นกระบวนการทางรีโอโลจีสมัยใหม่ (New Rheocasting process ,NRC) ดังแสดงในภาพที่ 2 โดยทำการหลอมโลหะและควบคุมการแข็งตัวให้เกิดน้ำโลหะกึ่งแข็งด้วยเทคนิคที่กล่าวมาข้างต้น และทำการให้ความร้อนอีกครั้งเพื่อควบคุมอุณหภูมิทั้งชิ้นงานให้สม่ำเสมอ จากนั้นจึงส่งเข้าสู่แม่พิมพ์เพื่อทำการขึ้นรูปต่อไป
รูปที่ 5 แสดงขั้นตอนการผลิตแบบรีโอโลจีสมัยใหม่ (New Rheocasting process ,NRC)
- กระบวนการ Thixoforming เป็นเทคนิคการขึ้นรูปชิ้นงานที่มีรูปร่างใกล้เคียงรูปร่างสุดท้าย (Near net shape) จากวัสดุตั้งต้นที่มีโครงสร้างแบบไม่เป็นเดนไดรท์ภายในแม่พิมพ์โลหะ ซึ่งการขึ้นรูปชิ้นงานภายในแม่พิมพ์แบบปิดเรียกว่า Thixocasting ในขณะที่การขึ้นรูปในแม่พิมพ์แบบเปิดเรียกว่า Thixoforging ดังแสดงในภาพที่ 3 ซึ่งกระบวนการขึ้นรูปทางธิโซโทรปิคสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ขั้นตอนคือ ขั้นตอนการอบให้ความร้อนกับวัสดุตั้งต้นและทำให้เกิดการหลอมเหลวบางส่วน ซึ่งเป็นขั้นตอนสำคัญในการควบคุมสัดส่วนของแข็งรูปร่างกลมที่มีความละเอียดที่กระจายตัวอยู่ในโลหะหลอมเหลว และขั้นตอนการขึ้นรูปในแม่พิมพ์เพื่อให้ได้ชิ้นงานตามต้องการ
รูปที่ 6 แสดงขั้นตอนการขึ้นรูปทางธิโซโทรปิค (Thixoforming)
- กระบวนการ Thixomoulding เป็นกระบวนการใหม่สำหรับผลิตโลหะผสมแมกนีเซียมที่มีรูปร่างใกล้เคียงรูปร่างสุดท้าย โดยใช้วัสดุตั้งต้นเป็นโลหะผสมแมกนีเซียม ซึ่งจะถูกให้ความร้อนภายในเครื่องเพื่อให้เกิดการหลอมเหลวบางส่วนภายใต้แรงเฉือนอย่างต่อเนื่องซึ่งเกิดจากสกรูภายในเครื่อง หลังจากนั้นน้ำโลหะกึ่งแข็งจะถูกฉีดเข้าสู่แม่พิมพ์เพื่อให้ได้ชิ้นงานต่อไปดังแสดงในภาพที่ 4 ซึ่งกระบวนการนี้มีได้เปรียบมากมายเนื่องจากเป็นกระบวนการผลิตผลิตขั้นตอนเดียว ทำให้มีกำลังการผลิตที่สูง และสามารถจัดการพลังงานได้เป็นอย่างดี อย่างไรก็ตามเทคนิคนี้ยังมีข้อจำกัดด้านสัดส่วนของแข็งที่ต่ำ
รูปที่ 7 แสดงเครื่อง Thixomoulder
- กระบวนการ Rheomoulding เป็นเทคนิคที่คล้ายคลึงกับ Thixomoulding แต่มีความแตกต่างที่วัสดุตั้งต้นซึ่งใช้เป็นน้ำโลหะหลอมเหลว ซึ่งถูกทำให้เกิดการเย็นตัวพร้อมการให้แรงเฉือนจากสกรูที่เกิดการหมุนเพื่อทำให้เกิดน้ำโลหะกึ่งแข็ง และฉีดขึ้นรูปในแม่พิมพ์เพื่อให้ได้ชิ้นงานตามต้องการ ซึ่งปัจจุบันมีการพัฒนาการผลิตเป็นแบบสกรูคู่ (Twin screw rheomoulding ,TSRM) ดังแสดงในภาพที่ 5 ซึ่งสามารถผลิตโลหะกึ่งแข็งที่มีขนาดอนุภาคใกล้เคียงกันและมีความละเอียดเหมาะสำหรับการหล่อ การฉีด หรือการทุบขึ้นรูปต่อไป
รูปที่ 8 แสดงเครื่อง Twin screw rheomoulding
จะเห็นได้ว่าในปัจจุบันเทคโนโลยีการผลิตโลหะกึ่งแข็งได้ถูกพัฒนาไปอย่างกว้างขวาง เนื่องจากการผลิตด้วยเทคนิคแบบโลหะกึ่งแข็งมีข้อดีมากมาย คือ ชิ้นงานที่ได้มีรูปร่างใกล้เคียงรูปร่างสุดท้าย อายุการใช้งานของแม่พิมพ์ที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากอุณหภูมิการผลิตที่ลดลง การใช้แรงในการขึ้นรูปที่ลดลง การลดลงของข้อบกพร่องในชิ้นงาน เช่น การบิดตัว รูพรุน รวมถึงปัญหาต่างๆที่เกิดขึ้นจากการแข็งตัว สมบัติทางกลที่สูงขึ้นเนื่องจากความละเอียดและความสม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาค ระยะเวลาการผลิตที่ลดลงเนื่องจากอุณหภูมิการเย็นตัวที่ต่ำ เป็นต้น อย่างไรก็ตามการผลิตโลหะกึ่งแข็งยังมีข้อจำกัดอีกมายมายเช่นเดียวกัน เนื่องจากกระบวนการผลิตมีความซับซ้อนและยากต่อการควบคุม ราคาต้นทุนของวัสดุที่สูงเนื่องจากขาดผู้ผลิตที่เพียงพอ ต้นทุนแม่พิมพ์ที่สูง รวมถึงต้นทุนด้านผู้ปฏิบัติการที่ต้องการความชำนาญสูงในการผลิตเป็นต้น [1.]
สรุป
กระบวนการหล่อโลหะกึ่งแข็งนั้นเป็นกระบวนการผลิตที่ช่วยลดระยะเวลา ลดพลังงานในขั้นตอนการผลิต ทำให้ช่วยยืดอายุการใช้งานของแม่พิมพ์ดังนั้นจึงเป็นการช่วยลดต้นทุนลง รวมทั้งชิ้นงานก็มีการหดตัวที่ลดลง การบิดตัวของชิ้นงานรวมไปถึงรูพรุนก็ลดลง แต่กระบวนการหล่อแบบกึ่งโลหะนั้นก็ยังต้องอาศัยความรู้และทักษะความชำนาญของผู้ควบคุมจึงจำเป็นต้องมีการให้ความรู้และยังต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมในส่วนของกระบวนการหล่อโลหะกึ่งแข็งในส่วนของ โลหะชนิดต่างๆ
References
[1.] Katya. (2009). “Semi-solid metal casting.” http://www.primetals.com/index.php?option=com_content&view=article&id=84&Itemid=76 (last check 090811)
[2.] Lewis, D. (2006). "Solidification defects revisited and semi-solid processing." JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials Society 58(6): 12-12.
[3.] Project fact sheet. (2001). “Research advances application of semi-solid metal processing , enables high quality die cast parts.” http://www1.eere.energy.gov/industry/metalcasting/pdfs/semi_solid_metal_processing.pdf (last check 090811)
[4.] Qin, R.S. “Semisolid metal processing” http://www.acavisual.com/rqin/gift702/lecture22.pdf (last check 090811)
[5.] Favier, V., P. Cézard, and R. Bigot, Transient and non-isothermal semi-solid behaviour: 3D micromechanical modelling. Materials Science and Engineering: A, 2009. 517(1-2): p. 8-16.
[6.] Mewis, J. and N.J. Wagner, Thixotropy. Advances in Colloid and Interface Science. 147-148: p. 214-227.
[7.] LUO Shou-jing, et al/Trans. Nonferrous Met. Soc. China 20(2010) 1805−1814
[8.] Z.Fan International Materials Reviews 2002 Vol. 47 No. 2
|