อิทธิพลของธาตุผสมต่อการฟอร์มสารประกอบ β-Al5FeSi ในงานหล่อ
โลหะผสมอลูมิเนียม-7%ซิลิคอน-1%เหล็ก
EFFECT OF ALLOYING ELEMENTS ON THE FORMATION OF β-Al5FeSi COMPOUND IN Al-7%Si-1%Fe CAST ALLOYS
พิสิทธิ์ เมืองน้อย กฤตธี เอียดเหตุ*
ภาควิชาวิศวกรรมวัสดุและเทคโนโลยีการผลิต คณะวิศวกรรมศาสตร์
มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ กรุงเทพมหานคร 10800
E-mail: dr_krittee@hotmail.com*
บทคัดย่อ
การปนเปื้อนของธาตุเหล็กในงานหล่ออะลูมิเนียมเป็นผลทำให้สมบัติทางกลของชิ้นงานหล่อต่ำ เนื่องจากเหล็กจะฟอร์มตัวเป็นสารประกอบ β-Al5FeSi ซึ่งมีลักษณะเป็นเส้นยาวและปลายแหลม ในงานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาอิทธิพลของการเติมธาตุ Sr, Mn, Cr, Sr/Mn Sr/Cr และ Mn/Cr ต่อโครงสร้างจุลภาคและสมบัติทางกลของชิ้นงานหล่อโลหะผสมอะลูมิเนียม-6.5%ซิลิคอน-1%เหล็ก นอกจากนี้ยังทดลองทำนายการฟอร์มสารประกอบ β-Al5FeSi โดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์ทางความร้อนในงานหล่อด้วย ผลการวิเคราะห์โครงสร้างจุลภาคและปริมาณเฟสต่างๆ พบว่า การเติมธาตุสตอนเทียม (0.03%Sr) ทำให้สารประกอบ β-Al5FeSi มีความยาวสั้นลงและปริมาณน้อยลงด้วย ในขณะที่เฟสยูเทคติคซิลิคอนถูกปรับให้มีขนาดเล็กและมีกระจายตัวดีขึ้น การเติมธาตุแมงกานีส (0.35%Mn) และสตอนเทียม/แมงกานีส (0.03%Sr+0.15%Mn) พบว่าสารประกอบ β-Al5FeSi ยังคงหลงเหลืออยู่ในโครงสร้าง และการเติมธาตุโครเมียม (0.25%Cr), แมงกานีส/โครเมียม (0.15%Cr+0.15%Mn) มีผลทำให้สารประกอบ β-Al5FeSi เปลี่ยนรูปร่างเป็นสารประกอบ α-A15Fe3Si2 ที่มีลักษณะคล้ายตัวอักษรจีน (Chinese script) และยังพบว่ามีการฟอร์มเป็นสารประกอบที่มีลักษณะเป็นก้อน (Sludge) กระจายอยู่ในโครงสร้าง ในขณะที่การเติมธาตุผสมของสตอนเทียม/โครเมียม (0.03%Sr+0.15%Cr) ทำให้สารประกอบ β-Al5FeSi ถูกปรับสภาพให้กลายเป็นสารประกอบ α-A15Fe3Si2 ทั้งหมดและยังทำให้ยูเทคติคซิลิคอนมีขนาดเล็กไปพร้อมๆ กัน ผลจากการวิเคราะห์ข้อมูลทางความร้อนพบว่าเดนไดรท์อะลูมิเนียมฟอร์มที่อุณหภูมิ 613ºC สารประกอบ β-Al5FeSi ฟอร์มที่ 589ºC และเฟสยูเทคติคซิลิคอนฟอร์มที่ 573ºC โดยลักษณะของเส้นกราฟทางความร้อนจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเติมธาตุผสมต่างๆ ซึ่งสามารถใช้ทำนายการฟอร์มสารประกอบ β-Al5FeSi และสารประกอบอื่นๆ
คำสำคัญ : โลหะผสมอะลูมิเนียม-ซิลิคอน-เหล็ก, การปรับสภาพ, เฟส β-Al5FeSi, เฟส α- Al8Fe2Si, งานหล่อ
จากที่กล่าวมาทั้งหมดจะเห็นได้ว่าการฟอร์มสารประกอบ β และการฟอร์มเฟสตะกอน มีผลทำให้สมบัติทางกลของชิ้นงานหล่อต่ำ ดังนั้นการศึกษาพฤติกรรมการฟอร์มทั้งสองโดยการเติมธาตุผสมต่างๆ จึงมีความจำเป็นต่ออุตสาหกรรมการหล่อ ดังนั้นในงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อปรับสภาพโครงสร้างโลหะผสมอลูมิเนียม-7%ซิลิคอน-1%เหล็ก โดยการเติมธาตุผสมต่างๆในการผลิตชิ้นส่วนอุตสาหกรรมในประเทศไทย มักจะใช้อินกอต (Ingot) ที่ได้จากกระบวนการรีไซเคิลเศษอลูมิเนียมต่างๆ เช่น กระป๋องเครื่องดื่ม กรอบประตูหน้าต่าง เศษขี้กลึง เป็นต้น ทำให้มีเหล็กมีโอกาสเข้าไปผสมในปริมาณมาก การปนเปื้อนขอเหล็กนั้นมีทั้งข้อดีและข้อเสีย เช่น ในอุตสาหกรรมงานหล่อแบบฉีด (Pressure Die Casting) และงานหล่อโดยใช้แบบหล่อถาวร (Permanent Mold Casting) มักนิยมเติมเหล็กลงไปในปริมาณ 0.8-1.3 wt.% เพื่อให้การถอดชิ้นงานออกจากแบบหล่อได้ง่าย และมีผิวงานหล่อที่สวยงาม แต่หากว่ากระบวนการหล่อมีอัตราการแข็งตัวที่ช้าจะทำให้มีสมบัติทางกลของชิ้นงานหล่อต่ำ [Davis, 1993] การปนเปื้อนของธาตุเหล็กนั้นนอกจากจะมากจากเศษอลูมิเนียมแล้ว ยังสามารถเกิดได้จากอุปกรณ์ที่ใช้ในการหล่อซึ่งส่วนมากจะทำมาจากเหล็ก ยกตัวอย่างเช่น ที่ตักน้ำโลหะ เหล็กกวนโลหะเหลว ท่อไล่แก๊สไฮโดรเจนและอุปกรณ์ตักดรอส (Dross) เป็นต้น ซึ่งทำให้เหล็กหลอมละลายและแพร่เข้าไปในโลหะเหลว เมื่อมีเหล็กผสมในอลูมิเนียมหลอมเหลวในปริมาณที่มากกว่า 0.2-1.5wt.%Fe ทำให้เกิดการฟอร์มตัวของสารประกอบเชิงโลหะ (Intermetallic Compound) ชนิด สารประกอบ β-Al5FeSi (สารประกอบ β) ที่มีลักษณะที่เป็นเส้นยาวและมีปลายแหลม ความยาวของสารประกอบ β นี้จะมีขึ้นอยู่กับปริมาณของเหล็กที่ผสม ถ้ามีเหล็กผสมมากสารประกอบ β ก็จะมีความยาวมากขึ้น ความยาวของสารประกอบ β ใช่วง 20-100 ไมครอน มีผลกระทบต่อสมบัติทางกลของชิ้นงานหล่อให้มีความความแข็งแรงต่ำและมีความเปราะมาก นอกจากนี้อัตราการเย็นตัวในงานหล่อเป็นอีกตัวแปรหนึ่งที่มีความสำคัญต่อการฟอร์มสารประกอบ β โดยพบว่าอัตราการเย็นตัวที่รวดเร็วในแบบหล่อเหล็กจะทำให้มีสารประกอบขนาดเล็กและมีปริมาณน้อยกว่าชิ้นงานหล่อที่แข็งตัวในแบบหล่อแกรไฟต์ ซึ่งมีอัตราการเย็นตัวที่ช้ากว่า [Backerud, 1991]
ในอุตสาหกรรมการหล่อโลหะผสมอลูมิเนียม-7%ซิลิคอน ได้รับความนิยมมากที่สุด โดยมีปริมาณการหล่อประมาณ 70%ของงานหล่อทั้งหมด เนื่องจากอลูมิเนียมผสมกลุ่มนี้มีข้อดีหลายประการ เช่น ความสามารถในการหล่อสูง มีผิวสวยงาม สามารถเพิ่มความแข็งแรงได้ด้วยกระบวนการเพิ่มความแข็งด้วยการตกผลึก (Precipitation hardening) เป็นต้น เป็นที่ทราบกันดีว่าสมบัติทางกลของอลูมิเนียมกลุ่มนี้ จะขึ้นอยู่กับส่วนประกอบของโครงสร้างจุลภาคของงานหล่อ เช่น ระยะห่างระหว่างแขนที่สองของเดนไดรท์ (Secondary dendrite arm spacing) ขนาดและรูปร่างของเฟสยูเทคติคซิลิคอน สารประกอบ Mg2Si และสารประกอบเชิงโลหะที่มีธาตุเหล็กผสมอื่นๆ เช่น สารประกอบ β ดังนั้นการปรับสภาพโครงสร้างจุลภาคให้ละเอียดจึงมีความสำคัญเป็นอย่างมากต่ออุตสาหกรรมการผลิต ทั้งนี้เพราะเฟสยูเทคติคซิลิคอนและสารประกอบ β มีขนาดที่ละเอียด มีรูปร่างที่กลมมนจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงให้กับชิ้นงานหล่อ การปรับสภาพโครงสร้างนั้นสามารถทำได้โดยการเติมธาตุ เช่น แมงกานีสและโครเมียมลงไปในอลูมิเนียมขณะหลอมเหลว แต่หากปริมาณการเติมมีน้อยเกินไป สารประกอบ β จะถูกปรับเปลี่ยนไม่หมด ในขณะเดียวกันหากเติมเข้าไปมากเกินไปอาจจะเกิดการเฟสตะกอน (Sludge phase) ที่มีลักษณะเป็นก้อนอยู่ในโครงสร้างเกิดขึ้นได้ ดังนั้นในการผสมจึงจำเป็นต้องคำนวณหาโอกาสในการตกตะกอน (Sedimentation factor) ซึ่งแสดงในสมการที่ 1 [Backerud, 1991] Sludge factor = Fe + 2Mn + 3Cr (1) โดยทั่วไปค่าโอกาสในการตกตะกอนจะถูกกำหนดไว้ประมาณ 1.8 เพื่อป้องกันการฟอร์มเฟสตะกอน อย่างไรก็ตามนอกจากการกำหนดค่าดังกล่าวแล้ว ตัวแปรในงานหล่ออื่นยังมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงสารประกอบ β และการฟอร์มเฟสตะกอน
เช่นอุณหภูมิหลอมเหลว อุณหภูมิเทโลหะเหลว อัตราการเย็นตัว ในปัจจุบันมีงานวิจัยหลายชิ้นมุ่งเน้นเพื่อศึกษาการปรับสภาพโครงสร้างของอลูมิเนียมที่มีเหล็กผสมมาก
Ashtari และคณะ [Ashtari et al., 2004] ทดลองปรับสภาพโครงสร้างของอลูมิเนียมผสมเกรด 319 ที่ผสมเหล็ก 0.5-1 wt.% พบว่าการเติมแมงกานีส สตรอนเทียม สตรอนเทียม/แมงกานีส และ สามารถทำให้สารประกอบ β มีขนาดและปริมาณลดลงได้ การเติมธาตุลิเทียม (Li) ในปริมาณ 0.33wt.% (แม้จะไม่นิยมมากนัก) พบว่าสามารถปรับรูปร่างของสารประกอบ β ได้บางส่วน แต่จะทำให้เกิดการฟอร์มเฟสตะกอนทำให้ชิ้นงานมีความเปราะ [Ashtari et al., 2004] มีการทดลองเติมธาตุ โพแทสเซียม (K) ลงในอลูมิเนียมผสมเกรด 319 ด้วยเช่นกันและพบว่าสามารถทำให้มีสารประกอบ β มีขนาดและปริมาณลดลงได้ [Ashtari et al., 2005] เมื่อไม่นานมานี้ Eidhed [Eidhed, 2008] ได้ทดลองเติมธาตุโครเมียม และโครเมียม/สตรอนเทียม ผสมในงานหล่ออลูมิเนียมเกรด 356 ที่มีเหล็กผสม 1wt.% พบว่าสารประกอบ β ถูกปรับสภาพให้หาไปจากโครงสร้างได้ และบางส่วนถูกปรับเปลี่ยนให้กลายเป็นสารประกอบ α-Al15(Fe,Cr)3Si2 (สารประกอบ α) ขึ้นมาแทนที่ซึ่งเป็นผลดีต่อสมบัติทางกลของชิ้นงานหล่อ
ผลการทดลองและอภิปรายผล
3.1 โครงสร้างจุลภาคของงานหล่อ (As-cast microstructures )
โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานหล่อโลหะผสมอลูมิเนียม-7%ซิลิคอน-1%เหล็ก ที่ไม่ได้ปรับสภาพโครงสร้างจุลภาค ประกอบด้วยอลูมิเนียมเป็นโครงสร้างพื้น (Matrix), เฟสยูเทคติคซิลิคอน (Eutectic silicon) และสารประกอบ β ดังแสดงในรูปที่ 1 โดยเฟสยูเทคติคซิลิคอนมีลักษณะเป็นแท่งมีรูปร่างคล้ายเข็ม (Acicular) กระจายตัวอยู่ระหว่างแขนของเดนไดรท์ ในขณะที่สารประกอบ β ที่มีลักษณะเป็นเส้นขนาดใหญ่ที่มีความยาวมากและมีปลายแหลม มีความยาวเฉลี่ยประมาณ 30 ไมครอน เนื่องจากโลหะผสมมีเหล็กผสมอยู่ 1wt.% สารประกอบ β มีโครงสร้างผลึกแบบ Monoclinic ซึ่งมีแกน 2 แกนสมมาตรกันและมีอะตอมจัดเรียงตัวกันหนาแน่น
ทำให้สารประกอบ β เติบโตในลักษณะเป็นเส้นยาวในทิศทาง 2 มิติ [Ashtari, 2005] โครงสร้างจุลภาคลักษณะแบบนี้จะทำให้ชิ้นงานหล่อมีสมบัติทางกลต่ำ
รูปที่ 1 โครงสร้างจุลภาคงานหล่อของโลหะผสมอลูมิเนียม-7%ซิลิคอน-1%เหล็ก ที่ไม่ได้ปรับสภาพโครงสร้าง
รูปที่ 2 ผลการวิเคราะห์ทางความร้อน แสดงเส้นอัตราการเย็นตัว และผลต่างของอุณหภูมิเทียบกับเวลา (dT/dt) ของโลหะผสมอลูมิเนียม-7%ซิลิคอน-1%เหล็ก ที่ไม่ได้ปรับสภาพโครงสร้าง
รูปที่ 2 แสดงผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อ จากการสังเกตเส้นโค้งอัตราการเย็นตัว (Cooling curve) และเส้นโค้ง dT/dt ของชิ้นงานหล่อที่ไม่ได้ปรับสภาพโครงสร้าง
จากการวิเคราะห์พบว่าเมื่อโลหะหลอมเหลวถูกเทลงในแบบหล่อจะเกิดการฟอร์มตัวของเฟสอลูมิเนียมเดนไดรท์ (Al dendrite) ที่อุณหภูมิ 609ºC (หมายเลข 1) เมื่ออุณหภูมิลดลง ที่อุณหภูมิ 590ºC เกิดการฟอร์มตัวของสารประกอบ β (หมายเลข 2) และเฟสยูเทคติคซิลิคอนฟอร์มตัวที่อุณหภูมิ 575ºC (หมายเลข 3) ในการฟอร์มตัวของสารประกอบ β นั้นสามารถสังเกตได้จากอุณหภูมิของเส้นโค้งอัตราการเย็นตัวจะไม่เปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาหนึ่ง และมียอดแหลมของเส้นโค้ง dT/dt เกิดขึ้น ในส่วนของการฟอร์มเฟสยูเทคติคซิลิคอนจะเกิดขึ้นในช่วงที่มีอุณหภูมิคงที่สังเกตได้จากเส้นโค้งอัตราการเย็นตัวไม่มีการเปลี่ยนแปลงในช่วงเวลาหนึ่ง เมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงเฟสสมบูรณ์แล้วอุณหภูมิจะลดลงอีกครั้ง
3.2 การปรับสภาพโครงสร้างด้วยสตรอนเทียม (Modification by Sr)
โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานหล่อโลหะผสมอลูมิเนียม-ซิลิคอน-เหล็ก โดยการเติมสตรอนเทียมลงไปในปริมาณ 0.03%Sr พบว่าธาตุสตรอนเทียมมีผลทำให้สารประกอบ β มีขนาดเล็กและสั้นลง ในขณะเดียวกันเฟสยูเทคติคซิลิคอนก็จะถูกปรับสภาพให้มีขนาดเล็กไปพร้อมๆกันด้วย ดังแสดงรูปที่ 3 โดยธรรมชาติเฟสยูเทคติคซิลิคอนจะฟอร์มและเติบโต (Growth) ไปในระนาบที่ <112> พร้อมกับการหักเหของระนาบผลึก (Twining) ในระนาบ (111) ทำให้เฟสมีลักษณะเป็นแผ่นยาวและมีปลายค่อนข้างแหลม เมื่อเติมสตรอนเทียมลงไปในโลหะหลอมเหลวและปล่อยให้แข็งตัว สตรอนเทียมจะขัดขวางการเติบโตของผลึกซิลิคอนในระนาบ <112> และทำให้เกิดการเติบโตในหลายทิศทาง ทำให้ได้เฟสยูเทคติคซิลิคอนมีขนาดเล็กลง และรูปร่างกลมมนมากขึ้น [Backerud, 1991] อย่างไรก็ตามจากผลการทดลองนี้ทำให้ทราบว่าการเติมสตรอนเทียมมีผลต่อการเปลี่ยนปรับเปลี่ยนสารประกอบ β เพียงเล็กน้อยเท่านั้น
รูปที่ 3 โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานที่ผ่านการปรับสภาพโครงสร้างด้วยสตรอนเทียม (0.03wt.%)
รูปที่ 4 ผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่เติมสตรอนเทียม (0.03wt.%) รูปที่ 4 แสดงผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่เติมสตรอนเทียมลงไปในปริมาณ 0.03wt.% พบว่าจะเกิดการฟอร์มตัวของเฟสอลูมิเนียมเดนไดรท์ที่อุณหภูมิ 608ºC (หมายเลข 1) สารประกอบ β ฟอร์มตัวที่อุณหภูมิ 588ºC โดยจะเห็นได้ว่ามียอดแหลมของเส้นโค้ง dT/dt เกิดขึ้น (หมายเลข 2) เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 575ºC เฟสยูเทคติคซิลิคอนฟอร์มตัวเป็นสารประกอบสุดท้าย (หมายเลข 3)
3.3 การปรับสภาพโครงสร้างด้วยแมงกานีสและแมงกานีส/สตรอนเทียม (Modification by Mn and Mn/Sr)
รูปที่ 5 และรูปที่ 6 โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานหล่อที่ผ่านการปรับสภาพโครงสร้างด้วยการเติมแมงกานีสในปริมาณ 0.375%Mn และเติมแมงกานีสร่วมกับสตรอนเทียม ในปริมาณ 0.375%Mn + 0.03%Sr ตามลำดับ ผลการทดลองพบว่าการเติมแมงกานีสมีผลทำให้สารประกอบ β มีปริมาณลดลงอย่างมาก ในขณะเดียวกันเฟสยูเทคติคซิลิคอนก็จะถูกปรับสภาพให้มีขนาดเล็กไปพร้อมกัน โดยแมงกานีสสามารถทำให้สารประกอบ β เปลี่ยนจากสารประกอบที่มีลักษณะที่มีเส้นยาวและมีปลายแหลมกลายเป็นสารประกอบ α ที่มีลักษณะตัวอักษรจีน ซึ่งสารประกอบใหม่ที่เกิดขึ้นนี้เป็นผลมาจากการรวมตัวของแมงกานีสกับเหล็กและซิลิคอน เนื่องจากแมงกานีสสามารถแพร่เข้าไปแทนที่อะตอมทำให้เกิดสารประกอบและทำให้มีการปรับเปลี่ยนรูปร่างไปเป็นสารประกอบ α แต่อย่างไรก็ตามยังคงมีสารประกอบ β หลงเหลืออยู่เล็กน้อย
รูปที่ 5 โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานที่ผ่านการปรับสภาพโครงสร้างด้วยแมงกานีส (0.375wt.%)
ผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่เติมแมงกานีสในปริมาณ 0.375% แสดงในรูปที่ 7 พบว่าจะเกิดการฟอร์มตัวของเฟสอลูมิเนียมเดนไดรท์ที่อุณหภูมิ 609ºC (หมายเลข 1) สารประกอบ β ฟอร์มตัวที่อุณหภูมิ 586ºC โดยจะเห็นได้ว่ามียอดแหลมของเส้นโค้ง dT/dt เกิดขึ้น (หมายเลข 2) เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 574ºC เฟสยูเทคติคซิลิคอนเกิดการฟอร์มตัว (หมายเลข 3)
รูปที่ 6 โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานที่ผ่านการปรับสภาพโครงสร้างด้วยแมงกานีสร่วมกับสตรอนเทียม(0.375%Mn+0.03%Sr)
รูปที่ 8 ผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่เติมแมงกานีสร่วมกับสตรอนเทียม
พบว่าเกิดการฟอร์มตัวของเฟสอลูมิเนียมเดนไดรท์ที่อุณหภูมิ 612ºC (หมายเลข 1) สารประกอบ β ฟอร์มตัวที่อุณหภูมิ 583ºC (หมายเลข 2) เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 573ºC เฟสยูเทคติคซิลิคอนฟอร์มตัว (หมายเลข 3) โดยอุณหภูมิการฟอร์มตัวของสารประกอบ β และยูเทคติคซิลิคอนจะถูกทำให้ลดต่ำลง จากผลการทดลองดังกล่าวจะเห็นได้ว่ายอดแหลมของเส้นโค้ง dT/dt ของการเติมแมงกานีสจะต่ำกว่ายอดแหลมของการเติมสตรอนเทียม ซึ่งสอดคล้องกับโครงสร้างจุลภาคและทำให้สรุปได้ว่าการเติมแมงกานีสและการเติมแมงกานีสร่วมกับสตรอนเทียมจะมีผลต่อการปรับสภาพโครงสร้างมากกว่าการเติมสตรอนเทียมเพียงอย่างเดียว
รูปที่ 7 ผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่เติมแมงกานีส (0.375wt.%)
รูปที่ 8 ผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่เติม แมงกานีสร่วมกับสตรอนเทียม
(0.375%Mn + 0.03%Sr)
3.4 การปรับสภาพโครงสร้างด้วยโครเมียมและโครเมียม/สตรอนเทียม (Modification by Cr and Cr/Sr)
รูปที่ 9 และรูปที่ 10 แสดงโครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานหล่อที่ผ่านการปรับสภาพโครงสร้างด้วยการเติมโครเมียมและโครเมียมร่วมกับสตรอนเทียม ในปริมาณ 0.25%Cr และ 0.25%Cr + 0.03%Sr ตามลำดับ ผลการทดลองพบว่าการเติมโครเมียมจะทำให้สารประกอบ β ถูกทำให้หายไปจากโครงสร้างได้ ซึ่งสารประกอบ β ถูกปรับสภาพให้กลายเป็นสารประกอบ α และบางส่วนเกิดการฟอร์มเฟสตะกอน ในขณะเดียวกันการเติมโครเมียมร่วมกับสตรอนเทียมจะเป็นผลทำให้ทั้งสารประกอบ β และเฟสยูเทคติคซิลิคอนจะถูกปรับสภาพให้มีขนาดเล็กไปพร้อมกัน นอกจากนี้ระยะห่างระหว่างแขนของเดนไดร์ (SDAS) จะมีขนาดสั้นลงด้วย รูปที่ 11 แสดงผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่ปรับสภาพโครงสร้างด้วยการเติมโครเมียม 0.25% จากการทดลองพบว่าเกิดการฟอร์มตัวของเฟสอลูมิเนียมเดนไดรท์ที่อุณหภูมิ 609ºC (หมายเลข 1) เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 573ºC เฟสยูเทคติคซิลิคอนฟอร์มตัว (หมายเลข 2) รูปที่ 12 แสดงผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่ปรับสภาพโครงสร้างด้วยการเติมโครเมียมร่วมกับสตรอนเทียม (0.25%Cr + 0.03%Sr) จากการวิเคราะห์พบว่าเกิดการฟอร์มตัวของเฟสอลูมิเนียมเดนไดรท์ที่อุณหภูมิ 608.9ºC (หมายเลข 1) เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 573.4ºC เฟสยูเทคติคซิลิคอนฟอร์มตัว (หมายเลข 2)
รูปที่ 9 โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานที่ผ่านการปรับสภาพโครงสร้างด้วยโครเมียม 0.25wt.%
รูปที่ 10 โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานที่ผ่านการปรับสภาพโครงสร้างด้วยโครเมียมร่วมกับสตรอนเทียม(0.25%Cr+0.03%Sr)
รูปที่ 11 ผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่เติมโครเมียม (0.25wt.%)
จากผลของโครงสร้างจุลภาคและการวิเคราะห์ทางความร้อนจะเห็นได้ว่ายอดแหลมของเส้นโค้ง dT/dt ของสารประกอบ β ของทั้งสองสภาวะการหล่อถูกทำให้หายไป ซึ่งสามารถสรุปได้ว่าโครเมียมมีประสิทธิภาพในการปรับสภาพสารประกอบ β ได้ดีกว่าแมงกานีสและสตรอนเทียม ซึ่งเป็นผลมาจากสัมประสิทธิ์การแพร่ในอลูมิเนียมของโครเมียมนั้นสูงกว่าแมงกานีส นอกจากนี้ยังพบยังว่าโครเมียมยังมีผลต่อการปรับสภาพเฟสยูเทคติคซิลิคอนไปพร้อมๆ กันอีกด้วย
รูปที่ 12 แสดงผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่ปรับสภาพโครงสร้างด้วยการเติมโครเมียมร่วมกับ สตรอนเทียม
รูปที่ 13 แสดงโครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานหล่อที่ปรับสภาพโครงสร้างด้วยการเติมแมงกานีสร่วมกับโครเมียม (0.15%Mn + 0.15%Cr) ผลการทดลองพบว่าสารประกอบ β หายไปจากโครงสร้าง โดยการถูกปรับสภาพให้กลายเป็นสารประกอบ α มีลักษณะตัวอักษรจีน และเฟสตะกอน
รูปที่ 13 โครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานที่ผ่านการปรับสภาพโครงสร้างด้วยเติมแมงกานีสร่วมกับโครเมียม (0.15%Mn + 0.15%Cr)
รูปที่ 14 การวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่เติมแมงกานีสร่วมกับโครเมียม (0.15%Mn + 0.15%Cr) พบว่าเกิดการฟอร์มตัวของเฟสอลูมิเนียมเดนไดรท์ที่อุณหภูมิ 612ºC (หมายเลข 1) เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง 5745ºC เฟสยูเทคติคซิลิคอนฟอร์มตัว (หมายเลข 2) โดยจะเห็นได้ว่ายอดแหลมของเส้นโค้ง dT/dt ของสารประกอบ β ถูกทำให้หายไปในระหว่างการแข็งตัว
รูปที่ 14 แสดงผลการวิเคราะห์ทางความร้อนของชิ้นงานหล่อที่ปรับสภาพโครงสร้างด้วยการเติมแมงกานีสร่วมกับโครเมียม (0.15%Mn + 0.15%Cr)
3.6 การวิเคราะห์ปริมาณสารประกอบในโครงสร้างจุลภาค
ผลการวิเคราะห์หาปริมาณเฟสต่างๆ ในโครงสร้างจุลภาคของชิ้นงานหล่อที่ไม่ได้ผ่านการปรับสภาพ (Un-modified) พบว่ามีปริมาณของสารประกอบ β ประมาณ 10.3 เปอร์เซ็นต์ต่อพื้นที่ทั้งหมด ดังแสดงในรูปที่ 15 เมื่อเติมธาตุสตรอนเทียมลงไปเพื่อปรับสภาพโครงสร้างมีผลทำให้ปริมาณสารประกอบ β ลดลงแต่ยังคงมีหลงเหลืออยู่ 4.8 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเติมแมงกานีสและแมงกานีสร่วมกับสตรอนเทียมส่งผลทำให้สารประกอบ β มีปริมาณลดลงเหลือ 0.7 และ 1.4 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ และมีสารประกอบ β เกิดขึ้นมาแทนที่ในปริมาณ 5 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งปริมาณสารประกอบ α ที่เหลืออยู่นี้จะน้อยกว่าผลของการเติมสตรอนเทียมเพียงอย่างเดียว
เมื่อเติมโครเมียมและโครเมียม/สตรอนเทียม ทำให้ปริมาณสารประกอบ β หมดไปจากโครงสร้างจุลภาคได้ โดยเกิดสารประกอบ α และเฟสตะกอนขึ้นมาแทนที่ในปริมาณ 1.0-2.3 และ 1.1-1.9 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ ในส่วนของชิ้นงานหล่อที่เติมแมงกานีสร่วมกับโครเมียสามารถทำให้สารประกอบ β หายไปจากโครงสร้างจุลภาคได้เช่นเดียวกัน และเกิดการฟอร์มตัวของสารประกอบ α ขึ้นแทนที่ในปริมาณสูงประมาณ 7.2 เปอร์เซ็นต์ และมีเฟสตะกอนเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อยประมาณ 0.8 เปอร์เซ็นต์
4. สรุปผลการทดลอง
ผลการทดลองและวิเคราะห์ทั้งหมดในงานวิจัยนี้เพื่อปรับสภาพโครงสร้างของโลหะผสมอลูมิเนียม-7%ซิลิคอน-1%เหล็ก สามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้
4.1 การเติมสตรอนเทียมมีผลทำให้สารประกอบ β มีปริมาณและรูปร่างเล็กที่ลดลง
4.2 การเติมแมงกานีสและแมงกานีส/สตรอนเทียม มีผลให้สารประกอบ β
บางส่วนเปลี่ยนไปเป็นสารประกอบ α ได้ โดยไม่มีเฟสตะกอนเกิดขึ้น
4.3 การเติมโครเมียม โครเมียม/สตรอนเทียมและแมงกานีส/โครเมียม มีผลให้สารประกอบ β หายไปจากโครงสร้างจุลภาคได้หมด โดยจะเกิดสารประกอบ α และเฟสตะกอนเกิดขึ้นแทนที่
รูปที่ 15 ปริมาณของสารประกอบที่ได้จากแบบหล่อในสภาวะต่างๆ, Bata phase=β-Al5FeSi และ Alpha phase= α-A15(Fe,Mn)3Si2 หรือ α-A15(Fe,Cr)3Si2
บรรณานุกรม
Ashtari P, Tezuka H, Sato T, (2004) Modification of Fe-containing intermetallic compounds of Al-Si-Cu-Fe cast alloy using Sr, Li and Mn additions, The 9th International conference on aluminum alloys, pp. 937-942.
Ashtari P, Tezuka H, Sato T, (2004) Influence of Li addition of intermetallic compound morphologies in Al-Si-Cu-Fe cast, Scripta materials 51, pp. 43-46.
Ashtari P, Tezuka H, Sato T, (2005) Modification of Fe-containing intermetallic compounds by K addition to Fe-richAA319 aluminum alloys, Scripta materials 53, pp. 937-942.
Backerud L, Chai G. and Tamminen J., 1991, Solidification Characteristic of Aluminum Alloy, AFS/Skan Aluminum, Strockholm, Vol. 2, pp. 71.
Davis J.R., 1993, Aluminum and Aluminum Alloys, ASM International, Materials Park, pp. 199-230
Eidhed W, 2008, Modification of β-Al5FeSi Compound in Recycled Al-Si Cast Alloys by Using Sr, Mg and Cr Addition, Journal of Materials Science and Technology, Vol.24 No.1, pp. 45-47.
ที่มา : IE Network Conference 2010
