การประยกตใช และกระบวนการของโลหะผสมการประยกตใช และกระบวนการของโลหะผสม

(Applications and Processing of Metal (Applications and Processing of Metal

Alloys)

1

L i Obj tiLearning Objective

ISSUES TO ADDRESS...

• How are metal alloys classified and how are they used?• What are some of the common fabrication techniques?q• How do properties vary throughout a piece of material

that has been quenched for example?that has been quenched, for example?

• How can properties be modified by post heat treatment?

2

3

STEELSLow Alloy High Alloy

STEELS

low carbon <0.25wt%C

med carbon 0.25-0.6wt%C

high carbon 0.6-1.4wt%C

Additions noneCr,V

noneCr, Ni

noneCr, V,

Cr Ni Mo

plain HSLA plainheat

treatableplain tool

austentitic stainless

Name

Example 1010 4310 1040 4340 1095 4190 304

Additions noneNi, Mo

noneMo

noneMo, W

Cr, Ni, Mo

Hardenability 0 + + ++ ++ +++ 0

Uses auto bridges crank pistons wear drills high T

y

TS - 0 + ++ + ++ 0EL + + 0 - - -- ++

Uses auto struc. sheet

bridges towers press. vessels

crank shafts bolts hammers blades

pgears wear applic.

wear applic.

drills saws dies

applic. turbines furnaces V. corros. bladesresistant

increasing strength, cost, decreasing ductility4

Cast IronsCast Irons

5

6

NONFERROUS ALLOYS• Cu AlloysBrass: Zn is subst. impurity

• Al Alloys-lower ρ: 2.7g/cm3

(costume jewelry, coins, corrosion resistant)Bronze: Sn, Al, Si, Ni are

-Cu, Mg, Si, Mn, Zn additions -solid sol. or precip.

strengthened (struct.

NonFerrous

, , ,subst. impurity (bushings, landing gear)

g (aircraft parts & packaging)

• Mg AlloysNonFerrous Alloys

gear)Cu-Be: precip. hardened for strength

• Mg Alloys-very low ρ: 1.7g/cm3

-ignites easily i ft i lfor strength -aircraft, missles

• Refractory metals-high melting T

• Ti Alloys-lower ρ: 4.5g/cm3

-high melting T -Nb, Mo, W, Ta• Noble metals

-Ag, Au, Pt -oxid./corr. resistant

vs 7.9 for steel-reactive at high T -space applic oxid./corr. resistantspace applic.

7

Cu AlloyAl AlloyAl Alloy

Noble Metal

Mg Alloy

8

Mg Alloy

Ti Alloy

9

Fabrication of Metalsเหลกสวนใหญถกสกดจากแรเหลกในเตาหลอมเหลกท

ใ ป ( ) ใ ใชลมเปา (blast furnace) ภายในเตาหลอมนน ถาน

coke (คารบอน) ซงจะเปลยนไปเปนแกส CO และทาcoke (คารบอน) ซงจ เปลยนไปเปนแกส CO แล ทา

หนาทเปนตวรดวซ (reducing agent) เพอรดวซเหลก

ออกไซด (Fe2O3) ใหเปนเหลกถลง (pig iron) ทม

ปรมาณคารบอนอยประมาณ 4% และสารเจอปนตางๆ ปรมาณคารบอนอยประมาณ 4% และสารเจอปนตางๆ

จากนนเหลกถลงในสภาพของเหลวจากเตาหลอมจะถก

ถายเทลงในเตาผลตเหลกกลา (steelmaking

furnace) furnace) 10

Blast Furnace

11

12

REFINEMENT OF STEEL FROM ORE

Iron OreCoke

LimestoneIron Ore Limestone

BLAST FURNACE

C+O2→CO2

heat generationgas

refractory

3CO+Fe2O3→2Fe+3CO2

CO2+C→2COreduction of iron ore to metal

layers of coked i

vessel

3CO+Fe2O3→2Fe+3CO2

CaCO3→CaO+CO2

purificationMolten iron

slagair

and iron ore

CaCO3→CaO+CO2CaO + SiO2 +Al2O3→slag

Molten iron

13

Metal fabrication techniquesMetal fabrication techniques

14

METAL FABRICATION METHODS-I

FORMING CASTING JOINING

• Forging

FORMING

• Rolling

CASTING JOINING

force

die

(wrenches, crankshafts) (I-beams, rails)

Adroll

Ao Ad

dieblank

often atelev. T

roll

AoAd

force• Drawing(rods, wire, tubing)

• Extrusion(rods, tubing)A

ram billet

containerforce

die holderAo

Adextrusiontensile force

AoAddie

die container diedie

15

Forging Machine

16Rolling Machine

Straight line Wire Drawing Machine

17Copper Wire Drawing Machine

E t i M hiExtrusion Machine

18

METAL FABRICATION METHODS-II

CASTINGFORMING JOININGCASTING• Sand Casting

(large parts e g• Die Casting

(high volume low T alloys)

FORMING JOINING

(large parts, e.g.,auto engine blocks)

(high volume, low T alloys)

Sand Sand

molten metal• Continuous Casting

• Investment Casting(low volume, complex shapes

• Continuous Casting(simple slab shapes)

molten

plasterdie formedaround wax

e.g., jewelry, turbine blades) molten

solidified

waxaround waxprototype

wax

19

Sand Castingg

20

Die CastingDie Casting

21

Investment Casting

22

Continuous Casting

23

METAL FABRICATION METHODS-III

JOININGCASTINGFORMING JOINING• Powder Processing

(materials w/low ductility)• Welding

(when one large part is

CASTINGFORMING

(materials w/low ductility)

pressure

(when one large part isimpractical)

filler metal (melted)

heat

area

fused base metal

( )base metal (melted)

ff dff dheat affected zone

area contact

densify

H t ff t d

piece 1 piece 2unaffectedunaffected

point contact at low T

densification by diffusion at higher T

• Heat affected zone:(region in which themicrostructure has beengchanged).

24

Power Processing

25

Power Processing

Welding

26

ขบวนการทางความรอนของโลหะ(Thermal Processing of Metals)

Annealing: Heat to Tanneal, then cool slowly.

• Stress Relief : Reduce stress caused by:

• Spheroidize (steels): Make very soft steels for

-plastic deformation -nonuniform cooling -phase transform.

F ll A l ( t l )

good machining. Heat just below T E & hold for

15-25h.

Types of Annealing

• Full Anneal (steels): Make soft steels for good forming by heating to get γ then cool in

• Process Anneal : Negate effect of

ld ki b • Normalize (steels):

to get γ, then cool in furnace to get coarse P.

cold working by (recovery/

recrystallization)

Normalize (steels): Deform steel with largegrains, then normalizeto make grains small.

27

Phase Diagram ของเหลก – เหลกคารไบด ในบรเวณปฏกรยา Eutectoid g ฏ

ซงแสดงถงชวงอณหภมในขบวนการทางความรอนตางๆ 28

ANNEALING PROCESSESหมายถง ขบวนการทางความรอนทจะทาใหวสดมอณหภมสงขนถงคา

หนง แลวคงไวในชวงเวลาทมากพอจากนนจงปลอยใหวสดเยนตวลงมาอยางชาๆ

ขบวนการ Annealing น

1. จะไปทาใหวสดสลายความเคนทสะสมอย (Relieve Stresses)

2. เพมความออนตว, ความยดหยนและความทนทานใหกบวสด (Increase

softness, Ductility และ Toughness)

3. ทาใหวสดปรากฏโครงสรางทตองการ

29

ขบวนการ ANNEALING

ขบวนการ Annealing นนจะประกอบไปดวยขบวนการ Annealing นนจะประกอบไปดวย

• เพมความรอนใหวสด ไปยงอณหภมทเราตองการ (Heating)

คงสถาน ทอณหภมนนไว ซงเราเรยกวาการ “Soaking”• คงสถานะทอณหภมนนไว ซงเราเรยกวาการ Soaking

• ปลอยใหวสดเยนตวลงมา ณ อณหภมหอง (Cooling)

30

ความเคนทสะสมอยภายในนนมกจะเกดจากการกระทาดงตอไปน

ป ป 1. ขบวนการเปลยนรปแบบพลาสตกตางๆ

2. การเยนตวอยางไมสมดลของชนวสดทถกทาใหมอณหภมสงขน เชนชน

วสดทผานการเชอม หรอการหลอหลอม

3. ขบวนการเปลยนโครงสราง (Phase) ทเกดจากเยนตวของโครงสรางเดม

และโครงสรางใหมทมความหนาแนนทแตกตางกน

31

ใ โ มความมงหมายเพอใหเหลกมความออนตวสง โดยเปนการทาลาย

Martensite อกทงชวยในการกลง หรอไสไดงาย และทาใหเหลกม

คณสมบตดานไฟฟา และแมเหลกสมาเสมอขน

อณหภมทใชเผาเหลกกลา เราแบงออกเปน 2 ชวง คอ

1 Hypo Eutectoid Steels (%C < 0 76) จะเผาไปทอณหภมเหนอเสน 1. Hypo–Eutectoid Steels (%C < 0.76) จะเผาไปทอณหภมเหนอเสน

A3 ประมาณ 30-50oC แลวจากนนจงลดอณหภมลงชาๆ ในอตราประมาณ

โ150-200oC ตอชวโมง

2. Hyper–Eutectoid Steel (%C > 0.76) อณหภมการอบออนจะอยท

เหนอเสน A1 ประมาณ 50oC แลวลดอณหภมลงมาอยางชาๆ (ประมาณ

150-200 oC))

32

หมายถงการอบออนทกระทาทอณหภมตากวาเสน A1 หรอบางกรณอาจจะณ 1 ณ

สงกวาเสน A1 เลกนอย จดประสงคกเพอทาลายความเครยดทตกคางอย

เนองจากการขนรปเยน หรอเพอตองการปรบปรงคณสมบตทางดานการกลง เนองจากการขนรปเยน หรอเพอตองการปรบปรงคณสมบตทางดานการกลง

หรอไส

1 การอบออนเพอขจดความเครยดคงคาง

(Stress-Relief Annealing)

โดยเผาเหลกไปยงอณหภมทตากวา A1 ประมาณ 50oC (หรอทประมาณ 1 (

500-650oC) คงทอณหภม (Soaking) ทอณหภมตากวา A1 50oC นประมาณ

1 ชวโมงตอขนาดของชนงาน 1 ลกบาศกนว1 ชวโมงตอขนาดของชนงาน 1 ลกบาศกนว

33

2 การอบออนเพอความออนตวสง (Spheroidizing)2 การอบออนเพอความออนตวสง (Spheroidizing)

ป ใ (ป เปนกรรมวธการอบออนทใชกบเหลกทมคารบอนสง (ประมาณ

0.7-1.2%C)

สาหรบเหลกทมคารบอนสงกวา 0.76%C ทาไดโดยการนาเหลกไป

เผาทอณหภมเหนอเสน A1 เลกนอย (730–770oC) 1

สวนเหลกทมคารบอนอยใกลระหวาง 0.7-0.76%C จะเผาทอณหภม

ตากวาเสน A เลกนอย แลวปลอยใหสงขนไปเหนอเสน A อยางนสลบกนไปตากวาเสน A1 เลกนอย แลวปลอยใหสงขนไปเหนอเสน A1 อยางนสลบกนไป

เรอยๆ

โ ใช ป 10 15 ช โ ป ใ โดยจะใชเวลาทงหมดประมาณ 10 – 15 ชวโมง จากนนกปลอยให

เยนตวในอากาศ

34

มจดประสงคสาคญหลายประการ คอ

1 เพอปรบปรงคณสมบตเชงกลใหดขน1. เพอปรบปรงคณสมบตเชงกลใหดขน

2. เพอปรบปรงคณสมบตดานการกลง การไส หรอการตด

โ 3. เพอปรบปรงคณสมบตดานความเหนยว โดยเฉพาะสาหรบเหลกทผาน

การขนรปรอนและเยน

4. ปรบปรงโครงสรางใหสมาเสมอ และเหมาะสมสาหรบทาการชบแขงในขน

ตอไปอไป

5. เปนการทาลายความเครยดภายในทเกดจากการขนรปเยน

35

การทา Normalizing ใชวธเผาเหลกใหรอนจนมอณหภม

สง (อยในชวง Austenite) ทงเหลก HypoEutectoidสง (อยในชวง Austenite) ทงเหลก HypoEutectoid

(เผาเหนอเสน A3 ประมาณ 50oC) และเหลก

HyperEutectoid (เผาเหนอเสน ACM ประมาณ 30-50oC)

ไ ป 30 60 ทงไวทอณหภมดงกลาวประมาณ 30-60 นาทตอความหนา

เฉลย 25 ม.ม. จากนนนาออกจากเตาปลอยใหเยนตวใน

อากาศนง (อตราการเยนตวประมาณ 1-5oC ตอวนาท)

36

คอ การอบชบความรอนเพอตองการใหเหลกภายหลงจากการชบ

แลวมความแขงเพมขน เพอทนตอการเสยดสในขณะใชงาน การแลวมความแขงเพมขน เพอทนตอการเสยดสในขณะใชงาน การ

ชบแขงเปนวธจะใหไดโครงสรางของเหลกสดทายเปน Martensite

โ หรอ Bainite ขนอยกบความแขงสดทายทตองการ โดยจะม

องคประกอบทสาคญอยางนอย 3 ประการ คอญ

1. ปรมาณคารบอน

2 2. อณหภมกอนการชบ

3. อตราการเยนตว

37

Hardening

38

1. Hypo – Eutectoid Steel อณหภมการชบแขงจะอยเหนอเสน A3 ประมาณ 50oC ซงอณหภมนจะไดโครงสรางทเปน Austenite แลวทงหมดC ซงอณหภมนจะไดโครงสรางทเปน Austenite แลวทงหมด

2 Hyper Eutectoid Steel จะใชอณหภมเหนอเสน A ประมาณ 30 50 oC2. Hyper – Eutectoid Steel จะใชอณหภมเหนอเสน A1 ประมาณ 30-50 C

เทานน จะเหนวาในชวงของอณหภมน จะปรากฏโครงสรางของ Proeutectoid

Cementite เหลออยบางสวนเทานน ทกลายไปเปน Austenite สวน CementiteCementite เหลออยบางสวนเทานน ทกลายไปเปน Austenite สวน Cementite

ทเหลออยนจะกระจดกระจายอยทวไปในโครงสรางของ Austenite เมอนาไปชบนา

จะไดโครงสราง Martensite โดยม Proeutectoid Cementite แทรกตวอย ซงจะจะไดโครงสราง Martensite โดยม Proeutectoid Cementite แทรกตวอย ซงจะ

เปนผลดตอความแขงของเหลก ทงนเพราะ Cementite มความแขงประมาณ 700 –

800 HB ซงแขงกวาโครงสราง Martensite (650 700 HB) แตประเดนทสาคญคอ 800 HB ซงแขงกวาโครงสราง Martensite (650-700 HB) แตประเดนทสาคญคอ

จะตองเลอกอณหภมทจะไมเกดโครงสราง Proeutectoid Cementite ในลกษณะ

ตอเนองเปนลกโซตามขอบเกรนตอเนองเปนลกโซตามขอบเกรน

39

Phase Diagram ของเหลก – เหลกคารไบด ในบรเวณปฏกรยา Eutectoid g ฏ

ซงแสดงถงชวงอณหภมในขบวนการทางความรอนตางๆ 40

แผนภม Isothermal แผนภม Isothermal Transformation (สมบรณ)

41

การชบแขงแบบ Martempering จะไดโครงสรางสดทายเปน Martensite p g

เชนเดยวกบการชบแขงปกต จะตองมอางเกลอหลอมละลาย (Salt Bath) ทอณหภมตา

(ประมาณ 40oC) ซงสวนใหญจะใชเกลอผสมระหวาง Sodium Nitrate กบ ( ) ญ

Potassium Nitrate (40-50%) ซงของผสมนจะหลอมเหลวทอณหภม 145oC ดงนนจง

มชวงอณหภมในการใชงานอยระหวาง 160-650oC นอกจากนยงตองอาศยแผนภม

TTT ของเหลกทตองการชบมาประกอบดวย โดยการเผาเหลกใหอยในชวงของ

Austenite (เหนอเสน A1 หรอ A3 ประมาณ 50oC) แลวคงอณหภมนไวจนกระทง( 1 3 )

อณหภมทงดานในและดานนอกเทากนทงแทงแลว นาออกมาจากเตาแลวชบในอาง

เกลอผสมทอณหภมเหนอเสน MS ในแผนภม TTT จากนนปลอยใหมการปรบอณหภม

ระยะเวลาหนง (โดยจะไมยาวถงเวลาทเกดโครงสราง Bainite) จากนนนาออกไปชบนา

ทนทเพอใหไดโครงสราง Martensite จากนนนาไปอบคนตว เพอลดความเครยดตอไป

42

แผนภม Isothermal แผนภม Isothermal Transformation (สมบรณ)

43

การชบแขงมลกษณะคลายกบวธ Martempering แตแตกตางกนทโครงสรางสดทายท p g

ตองการ คอ Bainite ซงอาจจะเปนแบบขนนก หรอแบบอซคลา กไดขนอยกบชวง

อณหภมทจะปลอยใหเกดการเปลยนโครงสราง อปกรณทจะใชกเหมอนกน

การชบแขงจะเรมตงแตการเผาเหลกจนเปลยนเปน Austenite ทงหมดจากนนนาออก

จากเตาเผา ชบเหลกลงในอางนาเกลอผสม ถาตองการโครงสราง Bainite แบบขนนก

(Upper Bainite) อณหภมในอางเกลอผสมควรจะอยท 450-550oC แตถาตองการ

โครงสราง Bainite แบบอซคลา (Lower Bainite) อณหภมของอางเกลอจะมเพยง 350-

450oC เทานน จากนนทงไวระยะเวลาหนงจนแนใจแลววาโครงสรางเปลยนเปน Bainite

อยางสมบรณ (ดไดจากแผนภม TTT) แลวจงนาออกจากอางเกลอปลอยใหเยนตวใน

อากาศ ไมจาเปนตองไปชบนาอก เพราะจะไมมการเปลยนโครงสรางอกตอไป

44

เหลกภายหลงจากการชบแขงแลว จะมโครงสรางสวนใหญประกอบดวย Martensiteเหลกภายหลงจากการชบแขงแลว จะมโครงสรางสวนใหญประกอบดวย Martensite

กบ Austenite ทเหลอคางอย (Residual Austenite) ซงคณสมบตของเหลกจะมความ

แขงสง แตขาดคณสมบตดานความเหนยว ไมทนตอแรงกระแทก และความเครยดแขงสง แตขาดคณสมบตดานความเหนยว ไมทนตอแรงกระแทก และความเครยด

ภายในทเกดขนจะมสวนทาใหชนงานบดงอ หรอแตกราวในขณะใชงานได ดงนนเหลกท

ผานการชบแขง กอนทเราจะนาไปใชงานควรจะตองนามาทาการอบคนตว เพอคลายผานการชบแขง กอนทเราจะนาไปใชงานควรจะตองนามาทาการอบคนตว เพอคลาย

ความเครยดภายในใหหมดไป

การอบคนตว เปนวธการเผาเหลกทผานการชบแขงทอณหภมตากวาเสน A ภายหลงการอบคนตว เปนวธการเผาเหลกทผานการชบแขงทอณหภมตากวาเสน A1 ภายหลง

เมอทงไวเปนระยะเวลานานพอสมควรแลวจะปลอยใหเยนตวชาๆ ภายในเตา โครงสราง

Martensite กบ Austenite ทเหลออยจะปรบตวเขาสสภาพทสมดล และมการขยายตวMartensite กบ Austenite ทเหลออยจะปรบตวเขาสสภาพทสมดล และมการขยายตว

ของ Pearlite ใหโตขน ความเหนยวจะเพมขน ซงจะคลายคลงกบเหลกทผานการทา

SpheroidizingSpheroidizing

45

เปนการชบแขงเพอใหไดความแขงเฉพาะตามบรเวณผวเทานน สวนเนอเหลกภายใน

ยงคงเปนเนอเดมซงมความเหนยวสง จดประสงคกเพอตองการใหเหลกทนตอการสกยงคงเปนเนอเดมซงมความเหนยวสง จดประสงคกเพอตองการใหเหลกทนตอการสก

หรอในขณะใชงาน ทนตอแรงบดหรอแรงกระแทกอยางรนแรงไดดโดยไมแตกหก อกทง

การชบแขงเฉพาะผวเปนกรรมวธทประหยดตนทนในการดาเนนการมาก ตวอยางของการชบแขงเฉพาะผวเปนกรรมวธทประหยดตนทนในการดาเนนการมาก ตวอยางของ

ชนสวนทนยมนามาทาการชบแขงเฉพาะผวไดแก เพลาขอเหวยง เพลาราวลน เฟอง

เกยร เปนตน การชบแขงเฉพาะผวสามารถทาไดหลายวธ ดงตอไปนเกยร เปนตน การชบแขงเฉพาะผวสามารถทาไดหลายวธ ดงตอไปน

1. การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ CARBURIZING หรอ CASE HARDENING

2 การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ CYANIDING2. การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ CYANIDING

3. การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ CARBONITRIDING

4 การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ NITRIDING4. การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ NITRIDING

5. การชบแขงเฉพาะผวดวยกระแสไฟฟาเหนยวนา (INDUCTION)

6 การชบแขงเฉพาะผวดวยเปลวไฟใหความรอน (FLAME)6. การชบแขงเฉพาะผวดวยเปลวไฟใหความรอน (FLAME)

7. การชบแขงเฉพาะผวโดยวธ ELECTROLYTIC 46

Case Hardening

Surface Hardening Induction Hardening M/C

Nitriding Hardening

47