การแข็งตัวของโลหะ.
 

ในกระบวนการหล่อโลหะนั้น มีกระบวนการที่พอจะสรุปได้เป็นขั้นตอนที่สำคัญดังนี้
1. การทำแบบหล่อ
2. การหลอมละลายโลหะ
3. การเทน้ำโลหะลงสู่แบบ
4. การตกแต่งชิ้นงานหล่อ
จากขั้นตอนของกระบวนการหล่อโลหะจะพบว่าในขั้นตอนที่ 3 เป็นขั้นตอนของการปล่อยให้โลหะที่หลอม ละลายเกิดการเย็นตัวจน
เปลี่ยนสถานะจากของเหลวไปสู่ของแข็ง กระบวนการดังกล่าวนี้มีผลอย่างยิ่งต่อคุณสมบัติของโลหะ ดังนั้นจึงควรศึกษาและทำความเข้าใจอย่างแท้จริง โดยแยกเป็นรายละเอียดเกี่ยวกับการแข็งตัวของโลหะบริสุทธิ์ และการแข็งตัวของโลหะผสม ดังมีรายละเอียดต่อไปนี้
การแข็งตัวของโลหะบริสุทธิ์
เมื่อเทน้ำโลหะที่บริสุทธิ์ลงสู่แบบแล้ว น้ำโลหะจะถ่ายเทความร้อนจนเกิดนิวเคลียสเป็นจุดเริ่มต้นของการ ตกผลึก และจุดเริ่มต้นนั้นก็จะ
ขยายตัวโดขึ้น ในขณะนั้นจุดเริ่มต้นใหม่ ๆ ก็จะเกิดขึ้นด้วย ปฏิกิริยาต่าง ๆ ดังกล่าวนี้จะเกิดขึ้นทุกส่วนของน้ำโลหะ โดยจะเกิดที่บริเวณที่น้ำโลหะถ่ายเทความร้อนได้ก่อน ซึ่งได้แก่บริเวณที่น้ำโลหะสัมผัสกับแบบหล่อ และในที่สุดน้ำโลหะทั้งหมดก็จะกลายเป็นผลึก (Grains) หลาย ๆ ผลึก โดยมีขอบของผลึก (Grain Boundary) แบ่งแยกผลึกทั้งหลายออกจากกัน
ขนาดของผลึกแต่ละผลึกจะขึ้นอยู่กับการเติบโตขอผลึกและอัตราการเพิ่มของนิวเคลียสที่จุดเริ่มต้น คือถ้าอัตราการเติบโตของผลึก เกิด
ขึ้นอย่างรวดเร็วกว่าอัตราการเพิ่มของนิวเคลียส ผลึกจะมีขนาดใหญ่ แต่ในทางตรงกันข้าม ถ้าอัตราการเติบโตของผลึกช้ากว่าการเพิ่มของนิวเคลียสที่จุดเริ่มต้น ก็จะทำให้ผลึกนั้นมีขนาดเล็ก

การแข็งตัวของโลหะผสม
การแข็งตัวของโลหะบริสุทธิ์ที่กล่าวมาแล้วนั้น จะเห็นว่าทำความเข้าใจได้โดยง่าย แต่สำหรับโลหะผสมนั้นจะมี การแข็งตัวที่ซับซ้อนและ
แตกตางกันออกไป ทั้งนี้ก็เพราะว่ามีการรวมตัวกันของโลหะ 2 ชนิด ซึ่งการรวมตัวกันนี้จะทำให้เกิดผลึกต่าง ๆ มากมาย โดยมีรายละเอียดดังนี้
หลังจากที่โลหะผสมที่เกิดจากการรวมกันของธาตุมากกว่า 1 ชนิดถูกเทลงสู่แบบหล่อโลหะ ผลึกของโลหะผสม ที่เกิดขึ้นจะแตกต่างจาก
ผลึกของโลหะบริสุทธิ์ ตัวอย่างเช่น โลหะผสมที่ประกอบด้วยธาตุ A และธาตุ B เกิดจากการแข็งตัว ผลึกที่เกิดขึ้นจะไม่เป็นผลึกของธาตุ A และธาตุ B แยกกันอยู่ แต่จะเป็นผลึกที่ประกอบไปด้วยธาตุ A และธาตุ B รวมกันอยู่ในลักษณะที่ธาตุ A ถูกละลายเข้าไปในธาตุ B หรือธาตุ B ถูกละลายในธาตุ A การรวมกันทั้งสองลักษณะนั้นเรียกว่า สารละลายของแข็ง (Solid Solution) แต่ในบางครั้งอาจเกิดการรวมกันของธาตุ A และธาตุ B ซึ่งธาตุทั้งสองมีปริมาณใกล้เคียงกัน การรวมกันในลักษณะดังกล่าวนี้เรียกว่า สารประกอบโลหะ (Intermetallic Compound) นอกจากสารละลายของแข็งและสารประกอบโลหะทั้ง 2 แล้ว ยังมีบางกรณีที่อาจจะพบได้ไม่บ่อยนัก คือกรณีที่ธาตุ A หรือธาตุ B หรือทั้ง A และ B จะปรากฏในสภาพผลึกบริสุทธิ์โดยไม่รวมตัวกัน
ดังนั้น จึงอาจจะสรุปได้ว่า โครงสร้างของโลหะผสมนั้นเกิดจากปฏิกิริยา 3 ลักษณะดังนี้ สารละลายของแข็ง สารประกอบโลหะ และโลหะ
บริสุทธิ์
Head


โครงสร้างจากการแข็งตัวของชิ้นงานหล่อ
น้ำโลหะจากเตาหลอมเมื่อถูกเทลงแบบหล่อ การแข็งตัวของน้ำโลหะก็จะเริ่มขึ้น โดยชิ้นงานหล่อนั้นจะเริ่มเย็น ตัวจากบริเวณที่สัมผัสแบบ
หล่อ และเมื่อความร้อนจากน้ำโลหะถูกส่งถ่ายไปยังแบบหล่อ น้ำโลหะที่ส่วนนั้นจะเย็นตัวลงจนถึงจุดแข็งตัวและเกิดผลึก (Chill Crystals) ซึ่งผลึกเหล่านั้นจะมีจำนวนมาก และในขณะเดียวกันบริเวณภายในของชิ้นงานหล่อจะเย็นตัวลงด้วย แต่การเย็นตัวจะเกิดขึ้นช้ากว่าภายนอก ดังนั้น ผลึกจะขยายตัวจากจุดเริ่มต้นการเย็นตัวบริเวณภายนอกเข้าสู่ภายในของแบบหล่อ จึงทำให้ผลึกมีลักษณะเรียวยาว (Columnar) เมื่อพิจารณารูปที่ METAL-SOLID1 จะเห็นโครงสร้างเรียวยาวนี้อย่างชัดเจน ทั้งนี้เพราะว่ามีความแตกต่างกันมากระหว่างอุณหภูมิภายในกับภายนอกชิ้นงานหล่อ

รูปที่ METAL-SOLID1
ลักษณะการเกิดผลึกของงานหล่อ

อีกประการหนึ่งก็คือ ในขณะหลอมละลายโลหะในเตาหล่อนั้น ย่อมมีสารมลทินเกิดขึ้นและสารมลทินเหล่านั้นจะรวมอยู่กับน้ำโลหะในขณะ
ที่เทน้ำโลหะลงสู่แบบหล่อ และเมื่อน้ำโลหะเกิดการเย็นตัวสารมลทินก็จะแยกตัวออกมา โดยสารมลทินเหล่านั้นอาจจะรวมตัวกันอยู่บริเวณกึ่งกลางของชิ้นงานหล่อ (Major Segregation) แต่ถ้าสารมลทินบางส่วนถูกผลักดันโดยเกรนที่กำลังเติบโตในออกไปอยู่บริเวณขอบเกรน ทั้งนี้ก็เพราะว่าเกรนทุกเกรนต่างก็เติบโตและผลักดันสารมลทินออกไปสู่ขอบเกรนทั้งสิ้น เราเรียกการรวมตัวของสารมลทินที่บริเวณนี้ว่า Minor Segregation แต่ยังมีสารมลิทนบางชนิดสามารถแทรกตัวกระจายอยู่ภายในเกรนของโลหะ โดยจะอยู่ในรูปของสารประกอบของแมงกานีสซัสไฟต์ (Mns) ซิลิกอนไดออกไซด์ (Sio2) และอะลูมินา (Al2O3) ซึ่งสารประกอบทั้งสามชนิดนี้จะพบในโครงสร้างของเหล็กกล้า

รูปที่ METAL-SOLID2
ลักษณะการแยกตัวของสารมลทินอยู่ตาม
ของเกรนและกึ่งกลางของแท่งโลหะ

ดังได้กล่าวมาแล้วว่า การแข็งตัวของชิ้นงานหล่อจะเริ่มต้นที่ผิวนอกไปจนถึงกึ่งกลางของชิ้นงาน เวลาทั้งหมดในในระหว่าง การแข็ง
ตัวจากผิวนอกถึงกึ่งกลางนั้น จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาตรของน้ำโลหะกับพื้นที่ผิวสัมผัสของน้ำโลหะ จากรูปที่ METAL-SOLID3 จะใช้ไส้แบบแทนตัวกึ่งกลางของชิ้นงานหล่อ

รูปที่ METAL-SOLID3
กราฟแสดงความแตกต่างของการแข็งตัวในชิ้นงานหล่อ.

จากสิ่งที่ได้กล่าวมาแล้ว อาจสรุปลักษณะสำคัญบางอย่างในการแข็งตัวของชิ้นงานหล่อดังต่อไปนี้
1. ผลึกลักษณะเรียวยาว (Columnar) จะปรากฎอย่างชัดเจนในชิ้นงานหล่อก็ต่อเมื่อมีความแตกต่างกันระหว่างอุณหภูมิภายนอกและ
ภายในชิ้นงานหล่อ ลักษณะเช่นนี้จะเกิดขึ้นกับงานหล่อที่ผ่านการหล่อโดยใช้แบบหล่อทำจากโลหะ หรืองานหล่อที่หลอมละลายโลหะที่อุณหภูมิสูงเกินอุณหภูมิเทมากเกินไป ดังรูป ที่ METAL-SOLID4
2. ผลึกลักษณะเรียวยาว (Columnar) จะปรากฎไม่ชัดเจน คือเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ทั้งนี้เนื่องจากมีความแตกต่างกันระหว่าง
อุณหภูมิภายนอกและภายในชิ้นงานไม่มากนัก ลักษณะเช่นนี้จะเกิดขึ้นกับงานหล่อที่ผ่าการหล่อโดยใช้แบบหล่อทำจากทราย อนึ่ง บริเวณตรงกลางของชิ้นงานหล่อจะมีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิไม่มาก และจะเกิดเป็นผลึกเล็ก ๆ รูปหลายเหลี่ยม (Fine - Axed Grains) ที่เติบโตได้หลายทิศทางจนทำให้ผลึกลักษณะเรียวยาวที่เกิดขึ้นภายนอกไม่สามารถขยายตัวต่อไปได้ ดังรูปที่ METAL-SOLID4

รูปที่ METAL-SOLID4
รูปตัดการเกิดผลึกในลักษณะต่าง ๆ ของโลหะหล่อ.

นอกจากลักษณะโครงสร้างของผลึกที่ได้กล่าวมาแล้ว ยังมีโครงสร้างของผลึกในลักษณะอื่น ๆ อีกเช่น โครงสร้างของผลึกที่มีฟองอากาศ
เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสถานะของน้ำโลหะ ทั้งนี้ก็เพราะว่าขณะที่น้ำโลหะที่มีความร้อนสูงสัมผัสกับ แบบหล่อจะมีแก๊สเกิดขึ้นและแก๊สเหล่านั้นจะลอยตัวออกจากแบบหล่อได้ในบางส่วนเท่านั้น ส่วนแก๊สที่เหลืออยู่จะแทรกตัวอยู่กับโครงสร้างของผลึก ตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าที่มีคาร์บอนผสมอยู่ เมื่อมีแก๊สออกซิเจนเกิดขึ้น แก๊สนี้อาจจะรวมตัวกับเหล็กได้เหล็กออกไซด์ และถ้ารวมกันกับคาร์บอนก็จะได้แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งมีสถานะ เป็นแก๊สที่ตกค้างอยู่ในน้ำโลหะจนทำให้เกิดเป็นโพรงอากาศ (Blow - holes) ในโครงสร้างของผลึก
อนึ่งโพรงอากาศนอกจากจะเกิดการแทรกตัวของแก๊สในน้ำโลหะแล้ว ยังอาจจะเกิดโพรงอากาศได้จากการหดตัวของน้ำโลหะอีกด้วย
ทั้งนี้ก็เพราะว่าการหดตัว (Shrinkage) ของน้ำโลหะ ในขณะที่น้ำโลหะเริ่มเปลี่ยนแปลงสถานะทำให้เกิดช่องว่างซึ่งมีทั้งขนาดใหญ่คล้ายท่อ (Pipe) หรือมีขนาดเล็กซึ่งเรียกว่า Secondary Pipe

รูปที่ METAL-SOLID5
ลักษณะการเกิดโพรงอากาศอันเนื่องมาจากการหดตัวของน้ำโลหะ..

Head

G. PRECISION ENGINEERING LTD.,PART.
26/27 MOO.9 BYPASS ROAD , TUMBOL NAPA
AMPHUR MUANG ,CHONBURI 20000 THAILAND.
TEL :038-441-348 , 087-9182311 , 081-6446767
FAX : 038-441-349
Website : http://www.Gprecision.net
E-mail : info@gprecision.net