การขนรปโลหะ (Metal Forming)

รหสวชา 255417

กรรมวธผง (Powder Metallurgy)

โดย....ดร.วสวชร นาคเขยว

ภาควชาวศวกรรมอตสาหการ

คณะวศวกรรมศาสตร มหาวทยาลยเชยงใหม

กรรมวธผง (Powder Metallurgy)ในบทนจะเกยวของกบการขนรปชนงานโดยกรรมวธผง (Powder Processing or Powder Metallurgy)

โดยจะมครอบคลมเนอหาดงน

• การผลตผงเพอใชในการขนรป และการผสม (blending)

• การอด (Compaction)

• การใหความรอน (Sintering)

• กระบวนการเพมเตม (Secondary processes)

• ปจจยทเกยวของกบการออกแบบผลตภณฑเพอใชในกรรมวธผง

หลงจากเรยนจบบทน นกศกษาตองเขาใจในขนตอนตางๆในกรรมวธผง และสามารถคานวณหรอแสดงผล

ของปจจยสาคญตางๆในกระบวนการนตอคณภาพของผลตภณฑทออกมาได

กรรมวธผง (Powder Metallurgy)• กรรมวธผง (Powder Metallurgy) เปนกระบวนการขนรปชนงานโดยมวสดตงตนเปนผง นามาอด

ใหไดรปทรงทตองการแลวนาไปใหความรอน แบบ sintering (ใหความรอนโดยไมมการ

หลอมเหลว) เพอใหผงและสวนผสมอนประสานตดกนเปนชนงานของแขง

• ในประวตศาสตรมการพบวากระบวนการนมการใชเปนครงแรกโดยชาวอยปตในสมย 3000 B.C.

ในการผลตเครองมอ เครองใชททาจากเหลก ในพบในพวกเครองประดบในชนเผาตางๆในสมย

โบราณ

• ในชวงตน ค.ศ.1900 มการนาเทคนคนไปใชในการทาไสหลอดไฟททาจากทงสเตน (tungsten filament) ในหลอดไฟ ในปจจบนมการนาเทคนคนไปใชอยางแพรหลาย เนองจากสามารถทาการ

ผสมผงโลหะหลายชนดเขาดวยกน จงสามารถทาการปรบแตงคณสมบตไดด และชนงานทออกมา

มความถกตองและพกดความเผอทด ไดชนงานแบบ near-net shape

กรรมวธผง (Powder Metallurgy)

(a) แสดงตวอยางของชนงานทผลตจากกรรมวธผง (b) หวฉดนาททามาจากทองเหลอง (brass alloy) ซงทาใหสามารถลดตนทนได 60%

จากการผลตโดยวธ Die casting (c) ชนสวน bearing (รองลน) ในเครองยนตของรถคาย GM

กรรมวธผง (Powder Metallurgy)• ในปจจบนประมาณ 70% ของชนงานทผลตจากกรรมวธผงจะอยในชนสวนของรถยนต เชน

piston rings, connecting rod, เกยร, และอนๆ ทงนยงพบมากในเมดมด ดอกกด ได ชนสวน

แมเหลก ชนสวนของเครองบนเชน landing gear, ชนสวนในเครองยนตของเครองบน และ

ชนสวนทางอเลกทรอนกสมากมาย

• ขอเดนอยางหนงของ Powder Metallurgy คอความสามารถในการผลตชนงานทมความซบซอน

ไดอยางมความเทยงตรงสง

• วสดทนยมนามาขนรปแบบกรรมวธผงคอ เหลก ทองแดง อะลมนม ดบก นเกล ไทเทเนยม และ

โลหะทนความความรอน (ไนโอเบยม ทงสเตน แทนทาลม)

กรรมวธผง (Powder Metallurgy)ผลตภณฑทผลตจากกรรมวธผง นนแบงไดเปน

• ผลตภณฑทมความพรน เชน bearing ตวควบคมการไหล (flow regulators) สามารถทาใหชนงาน

มความพรนได โดยทวไปจนรพรนมขนาดเลกทสดทประมาณ 0.0025 mm • ผลตภณฑทมรปทรงซบซอน ซงตองใชกระบวนการหลายขนตอนในกรรมวธการผลตอนๆ ทงน

พกดความเผอยงอยในระดบตากวา 0.1 mmได

• ผลตภณฑทผลตจากวสดทยากในแปรรปโดยการตด หรอ ขนรปแบบอน วสดทมจดหลอมเหลวสง

เชน ไสหลอดไฟททาจากทงสเตน หรอ เมดมดทใชในการกลง กด ททามาจากทงสเตนคารไบด

• ผลตภณฑทเกดจากการรวมกนของโลหะตงแตสองชนดขนไป เชน ทองแดงรวมกบแกรไฟตเพอ

ใชในชนสวนของมอรเตอร (ทองแดงนาไฟฟาด สวนแกรไฟตเปนสารหลอลนทด) • ผลตภณฑทผลตโดย PM แลวมสมบตดเลศกวากรรมวธอนๆ เชนทาแมเหลกคณภาพสง

Fe14Nb2B

• ผลตภณฑทสามารถผลตไดคมคากวาวธการผลตอนๆ

ขอด และ ขอเสยของ Powder Metallurgy

• ขอด

– ลดหรอกาจด กรรมวธกาจดเศษตางๆ

– มอตราการผลตทสง

– รปทรงซบซอน

– สวนผสมมความหลากหลาย สมบตมความหลากหลาย

– ของเสยในกระบวนการมนอย

• ขอเสย

– ความแขงแรงในหลายชนงานมไมมากนก

– เครองมอมราคาแพง

– วสดผงมราคาแพง

– อาจมการเปลยนรปทรงเลกนอยตอนใหความรอน

– ความหนาแนนในแตละจดอาจมความแตกตางกน

– ตองมเครองมอเสรมเพอความปลอดภยจากการใชผงโลหะ

กรรมวธผง (Powder Metallurgy)กรรมวธผง มข นตอนดงน

1. การผลตผง (Powder production)

2. การผสม (Blending)

3. การอด (Compaction)

4. การใหความรอน (Sintering)

5. กระบวนการระยะสดทาย (Finishing operations)

Methods of powder production• โครงสรางจลภาค สมบตทางเคม ความบรสทธ รปทรง และการกระจายตวของขนาด ลวนมผลตอ

การไหล การเรยงตวในขนตอนการอดและขนตอนตอๆไป

• โดยทวไปผงทใชในกรรมวธผงนนจะมขนาด 0.1-1000 μm

Methods of powder production(a) shows the scanning-electron microscope image of iron-powder particles made by

atomization. (b) Nickel-based superalloy (Udimet 700) powder particles made by the rotating

electrode process.

Methods of powder productionAtomization

• เปนกระบวนการสรางผงโลหะโดยการฉดโลหะเหลว ผานรพนเลกๆออกมา

• Gas atomization: พนกาซจาพวกไนโตรเจน อารกอน ฮเลยมทความดนสงมายงโลหะเหลวท

ออกมาจากการฉด ถาใชน าแทนกาซจะเรยกวา water atomization ขนาดของผงขนกบอณหภม

ของโลหะ อตราการไหล ขนาดของหว nozzle

• Electrode หมนอยางรวด เปนเมดโลหะหยดออกมาใน helium-filled chamber ใชหลก

centrifugal force ในการทาใหโลหะแตกออกเปนเมดขนาดเลก

(a) gas atomization;

(b) water atomization;

(d) atomization with a

rotating consumable

electrode; and

(c) centrifugal

atomization with a

spinning disk or cup.

Methods of powder productionAtomization

• centrifugal atomization, โลหะเหลว หยดลงมาลงบนแทนหมน ทหมนอยางรวดเรว แรง

centrifugal forces ทาใหโลหะเหลวแตกเปนอนภาคเลกๆ

Reduction

• ปฏกรยา reduction ของ metal oxides (i.e., removal of oxygen) โดยใชกาซเชน hydrogen

และ carbon monoxide เปน reducing agents โดยทวไปจะไดผงทมมขนาดสมาเสมอ รปทรง

กลม

Electrolytic deposition

• ใชกระบวนการทางไฟฟาจะไดผงทบรสทธมาก

Carbonyls

• เรมโดย Metal carbonyls เชน iron carbonyl (Fe(CO)5) และ nickel carbonyl (Ni(CO)4)

นามาทาปฎกรยากบ CO ซงปฏกรยานจะทาการแยกเหลก และนเกลมาเปนอนภาคเลกๆ ทม

ความหนาแนนสง มรปทรงกลม บรสทธ

Methods of powder productionComminution (การทาใหแตกเปนผง)

• ใชกระบวนการบดใหแตกหกออกเปนอนภาคเลก โดยกระบวนการทางกล (Mechanical

comminution) หรอ pulverization, มการบด การใช ball mill

• A ball mill (b) เปนเครองจกรทหมน โดยใสวสดเขาไปขางใน และใชลกบอลเหลก หรอ

เหลกหลอขาว (cast-iron balls)

Methods of powder productionMechanical alloying

• mechanical alloying ผงของโลหะตงแตสองชนดขนไปนามาผสมกนใน ball mills

• ผลจากการบดโดยลกบอลใน ball mill ผงทแตกหกออกมามการรวมกน โดยการแพรและฟอรม

เปน ผง alloy

• เฟสทกระจายในอนภาคจะมการเสรมความแขงแรงภายใน

Particle size, shape and distribution• วธการ screeening โดยใชการรอนผงโลหะในตะแกรงรอน (sieves) ทรมขนาดตางๆ เปนวธการ

อยางงายและใชแพรหลายในการวดขนาดของอนภาค (particle size) โดยจะมการระบ mesh size

ซงแตละ mesh size จะมรขนาดทตางกนเชน

- mesh size 30 มขนาดรเทากบ 600 μm 

- mesh size 100 มขนาดรเทากบ 150 μm

- mesh size 400 มขนาดรเทากบ 38 μm

นอกจากนยงมวธการตางๆอกเชน

• วธการตกตะกอน (sedimentation) ซงเกยวของกบการวดอตราการตกตะกอนในของไหล

• วธการสองผานกลอง Scanning Electron Microscope (SEM) หรอ Transmission Electron

Microscope (TEM) หรอ กลองจลทรรศน (optical microscope)

• วธการวดการกระจายตวของแสงทสองผาน (light scattering) ซงอนภาคจะลอยตวอยในของเหลว

• วธการใช sensor ในการวดขนาดและการกระจายตวของขนาดอนภาค ในของเหลว (suspending

particles)

Particle size, shape and distributionรปทรงของอนภาค (Particle shape )

• มผลอยางมากตอการไหล และการคงรปของผงชนงาน โดยทวไปนยมอธบายโดย

- aspect ratio ซงหมายถง อตราสวนของดานทยาวทสด สวนดวย ดานทเลกทสด เชน คา

aspect ratio = 1 ถาเปนทรงกลม (sphere) ถาเปนเขม aspect ratio จะมคามากขน

- shape factor (SF) ซงเปนอตราสวนของ พนทผว (surface area) ตอ ปรมาตร (volume)

แลวนามาปรบสเกล (normalized) โดยเทยบกบ วสดทรงกลม (sphere) ทปรมาตรเดยวกน

ดงนวสดมรปทรงเปน flake จะมคา SF มากกวาวสดทรงกลม

การกระจายตวของขนาดอนภาค (Size distribution)

• มกจะมการนาขนาดของอนภาคมาแสดงโดยการใชแผนภมดานความถ (frequency-distribution

plot)

การผสมผงโลหะ (Blending metal powders)• เปนขนตอนทนาผงโลหะทผลตได หรอ ทม นามาผสม โดยจดประสงคของการนาผงโลหะมาผสม

กนมดงน

1. เพอสามารถปรบสมบตทางกายภาพและทางเชงกลของชนงานทผลตจาก PM

2. เพอควบคมการการกระจายตวของขนาดของอนภาคใหเหมาะสม

3. เพอเพมสารหลอลน ชวยในการไหล ลดแรงเสยดทานระหวางอนภาคของโลหะ ตวอยางของ

สารหลอลนเชน stearic acid หรอ zinc stearate ในอตราสวน 0.25-5%โดยนาหนก

4. เพอเพมตวประสาน (binder) และสารเพมเตมอนๆ ทจะเปนประโยชนในขนตอนตอๆไป

• สงทตองพงระวงคอสารปนเปอนตางๆ และตองระมดระวงในเวลาทใชในการผสมทนานเกนไป

เพราะอาจทาใหอนภาคเปลยนรปทรงได

• ผงอนภาคสามารถผสมไดในภาวะอากาศปกต ในทมกาซเฉอย (ปองกนปฏกรยา oxidation) หรอในของเหลวกได

• เนองจากโดยธรรมชาตอนภาคประเภทผงจะมอตราพนทผวตอปรมาตร สง ผงสามารถมการขดถ

หรอ เกดปฏกรยาทาใหเกดการระเบดได เชน ผงโลหะในกลม อะลมนม แมกนเซยม ไทเทเนยม

เซอรโคเนยม

การอดผงโลหะ (Compaction of Metal Powders)• การอด (compaction) คอขนตอนทผงโลหะทผสมเสรจเรยบรอยแลว ถกอดเขาในแมพมพ

เพอใหไดรปทรงตามตองการ

• การอดนนมจดประสงคเพอ ใหไดรปทรงทตองการ ความหนาแนน ทเหมาะสม

การอดผงโลหะ (Compaction of Metal Powders)• ผงทอดขนรปมาแลวเรยกวา green compact หรอ green part ซงยงมความแขงแรงทตาอย

• ความหนาแนนของ green compact นนขนกบแรงทใชในการกด

(a) ความหนาแนนของผง ทองแดง-เหลก ผสมทไดมาจากกระบวนการ compaction ทคาแรงกดตางๆ(b) ผลของความหนาแนนตอ ความแขงแรง ความยด และการนาไฟฟา ของผงทองแดง

การอดผงโลหะ (Compaction of Metal Powders)• ความหนาแนนของ green compact มผลตอความแขงแรง และคา modulus of elasticity

ความหนาแนน ในการอดผงโลหะในแมพมพแบบตางๆ (a) and (c) single-action press; (b) and (d) double-action press. Note in

(d) the greater uniformity of density from pressing with two punches with separate movements when compared with (c).

(e) Pressure contours in compacted copper powder in a single-action press.

การอดผงโลหะ (Compaction of Metal Powders)• ในตาราง Table 17.1 แสดง pressure ทใชในการอดผงประเภทตางๆ

• แสดง เครองอดขนาด 7.3-MN ทใชในการอดผงโลหะ

Isostatic pressing• Green compacts ถาไดรบการอดแบบ hydrostatic pressure นนจะมความสมาเสมอ และความ

หนาแนนทด

• ในกระบวนการทเรยกวา cold isostatic pressing (CIP) นน ผงโลหะจะถกใสไปใน แมพมพท

เปนยางททามาจากยาง เชน กลม neoprene, urethane, polyvinyl chloride และยางกลมอนๆ

รปขางบนแสดง cold isostatic pressing ในการฟอรมรปทรงทอ

Hot Isostatic pressing• ในกระบวนการทเรยกวา hot isostatic pressing (HIP) นนภาชนะทใสผงโลหะผสมนน จะทา

จากโลหะทมจดหลอมเหลวสง และใชแรงดนในกลมกาซเฉอย

Hot Isostatic pressingขอดของ Hot Isostatic Pressing (HIP)

• ไดชนงานทมความหนาแนน โครงสรางของ grain ทสมาเสมอ จากการทมแรงอดจากทกทศทาง

• โดยทวไป HIP สามารถอดชนงานใหญไดด

ขอจากดของ Hot Isostatic Pressing (HIP)

• พกดความเผอจะมากกวากระบวนการอดอนๆ

• เครองมอมราคาแพง และใชเวลาในการผลตนานกวากระบวนการอดอนๆ

กระบวนการอดอนๆPowder-injection molding (PIM) หรอ metal-injection molding (MIM) เหมาะสาหรบผงโลหะทมจดหลอมเหลมสงกวา 1000°C

• สามารถผลตรปทรงทซบซอนได โดยเฉพาะชนงานทมความหนานอยๆเชน 5 mm และมสมบต

เชงกลทด

• มพกดความเผอ (dimensional tolerance) ทด

• มอตราการผลตทสง

Powder Rolling (roll compaction) โดยทผงโลหะถกอดผานลกรด ในอตราประมาณ 0.5 m/s โดยสามารถกระทาไดทงทอณหภมหองและ ทอณหภมสง

Sintering• Sintering คอกระบวนการใหความรอนกบ green compact ภายใตภาวะการควบคมบรรยากาศ

ทอณหภมตากวาจดหลอมเหลวของโลหะ แตสงเพยงพอจะทาใหเกดการเกดพนธะระหวางอนภาค

• ตารางขางลางแสดงอณหภม และเวลาทใชในการ sintering โลหะชนดตางๆ

Sintering• ในเตาเผาแบบ Continuous-sintering furnaces โดยมสามสวนดงน1. Burn-off chamber สาหรบ ทาใหสารหลอลนใน green compact ระเหยไปเพอปองกนรอยแตก2. High-temperature chamber สาหรบการใหความรอนในการ sintering

3. Cooling chamber ใหชนงานเยนตวลง

กระบวนการ sintering มความซบซอน โดยแบงเปนสามกระบวนการคอ

1.diffusion; 2. vapor-phase transport และ 3. liquid-phase sintering

Sinteringสมบตเชงกล

Sintering

Sintering

Shrinkage in sinteringIn solid-state bonding during the sintering of a metal-powder green compact, the linear shrinkage is

4%. If the desired sintered density is 90% of the theoretical density of the metal, what should be

the density of the green compact?

Solution The volume shrinkage during sintering is

The volume of the green compact must be higher than that of the sintered part, but the mass does

not change during sintering. Thus, we can rewrite this expression in terms of the density

3

ogreensint L

L1VV ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−=

3

osintgreen L

L1 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ Δ−ρ=ρ

( ) %84or84.004.019.0 3green =−=ρ

กระบวนการหลงจาก Sintering (Secondary and finishing operations)

หลงจากกระบวนการ sintering เสรจ ในการผลตอาจจะมการเพมกระบวนการอนๆเขาไปเพอใหได

ชนงานตามความตองการมากขน จงตองมกระบวนการเพมเตมเชน

1. Coining and sizing เปนกระบวนการอด ภายใตภาวะความดนสง โดยตองการเพมความถกตองใน

ดานขนาด (dimensional accuracy) รวมทงเพมความแขงแรง และความเรยบผวใหกบชนงาน

2. กระบวนการตขนรป ในไดปด (close-die forging)

3. กระบวนการกาจดเศษ เชน การกด การเจาะ การเจยระไน

4. กระบวนการเคลอบ เพมความสวยงาม เพมความคงทนตอการกดกรอน

5. กระบวนการทางความรอน เพมเตมในสวนของความแขงแรง และความแขง

ความสามารถของกระบวนการ (Process Capabilities)• เหมาะสาหรบชนงานททามาจากวสดทมจดหลอมเหลวสง และรปทรงมความซบซอน มคาใชจาย

สงถาใชกระบวนการผลตอนๆ

• เหมาะกบกระบวนการผลตทมอตราการผลตสง

• โดยทวไปจะสามารถไดชนงานทด ไมตองการกระบวนหลงจาก sintering

• สามารถผสมสวนผสมไดหลากหลาย เพอปรบปรงสมบตของตวชนงานไดด

• ตนทนในการผลตขนกบความซบซอนของรปทรง และกระบวนการประเภท HIP, PIM จะมตนทน

สงกวากระบวนการอนๆ

ขอจากด

• ผงโลหะ เครองมอ เครองจกรทใช มราคาสง

• สมบตเชงกลดอยกวาทมาจากกระบวนการขนรปเชน การตขนรป

• ผปฏบตตองมความชานาญสง