Chapter 5 Nonferrous Heavy Alloys

1. Chapter 5Nonferrous Heavy Alloys 1302 310 Engineering Metallurgy Lecturer: Dr.Sukangkana Lee

2. 1. The Superalloys • Superalloys เป็นกลุ่มของโลหะผสมที่สามารถทนต่อความร้อน และทนต่อการกัดกร่อนได้ดี สามารถใช้งานได้ที่อุณหภูมิสูง ประมาณ 1000 C มีการขยายตัวตามความร้อนต่ำ การใช้งานได้แก่ • อุตสาหกรรมเครื่องบิน และอากาศยาน ซึ่งมีการใช้มากที่สุด • อุตสาหกรรมเคมี และปิโตรเคมี • อุตสาหกรรมทางทะเล • อุตสาหกรรมไฟฟ้าพลังงานความร้อน และนิวเคลียร์

3. ค.ศ. 1930-1940 นั้น สหรัฐอเมริกามีความต้องการวัสดุที่สามารถทนความร้อนได้สูง (Heat resistant materials) เพื่อใช้ในเครื่องยนต์เทอร์ไบน์ของเครื่องบิน ซึ่งมีอุณหภูมิการใช้งานที่ 730-1370 C

4. 1100 C 650-980 C 1100 C 760 C

5. ได้นำเอา Ni ซึ่งมีจุดหลอมเหลว 1455 C มาผสมกับ Cr ซึ่งมีจุดหลอมเหลว 1875 C ในอัตราส่วน 80:20 เรียกว่า ‘Nicrome’ สามารถใช้งานที่อุณหภูมิสูงได้ • จากนั้น พบว่า เมื่อเราผสม Ti ลงใน Nicrome เพียง 0.3 wt % และ C ประมาณ 0.1% จะได้โลหะผสมที่แข็งแรงขึ้น ซึ่งเรียกว่า ‘Nimonic 75’ เป็นชนิดแรก จากนั้นจึงได้มีการพัฒนา Superalloy เรื่อยมา

6. Titanium Nickel Steel Aluminium Composites

7. คุณสมบัติเด่นของ Superalloys สามารถคงรูปได้ที่อุณหภูมิสูง ทั้งนี้เนื่องมาจากมีโครงสร้างผลึกแบบFCC มีโครงสร้างจุลภาคเป็น Austenitic ซึ่งจะมีความต้านทานแรงดึงสูง ต้านทานการแตกหักสูง ต้านทานการเกิดการคืบสูงกว่าเหล็กซึ่งมีโครงสร้างผลึกแบบBCCเพราะโครงสร้างแบบ FCC สามารถทำให้เกิด Precipitate และ solid solution ได้สูงกว่า

8. 100 hour rupture stress For Nickel-base alloy 713C, IN-738, R’80, B-1900, In-100 Stress, ksi 100 hour rupture stress For Cobalt-base alloy HS-31, WI-52, FSX 414, Mar M 509 Temperature, F

10. ชนิดของSuperalloy สามารถแบ่งได้เป็น 3 ชนิดคือ • Ni-based Superalloys • Ni-Fe Superalloys • Co-based Superalloys

11. Ni-based Superalloys • จะมี Nickel เป็นส่วนผสมธาตุหลัก โดยมีธาตุผสมอื่นๆที่สำคัญ คือ • Cr จะมีปริมาณ 20 wt% มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความแข็งแรงโดยกลไก Solid solution hardening • Ti and Al มีประสิทธิภาพในการเพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงโดยกลไก precipitationhardening จากการเกิดสารประกอบ Ni3(Al,Ti) • อื่นๆ เช่น Mo, Co, Nb and B

12. ปัจจุบัน Ni-based Superalloys มีอยู่ประมาณ 100 กว่าชนิด และที่เป็นที่รู้จักและมีใช้อย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม คือ Inconel X-75, Rene 41 and Nimonic 90 เป็นต้น

13. Ni-Fe Superalloys Superalloys ชนิดนี้ จะมี Nickel เป็นส่วนผสมธาตุหลัก ประมาณ 25-60 wt% และ Fe 15-60 wt% โดยข้อดีของการผสมเหล็ก คือ ทำให้โลหะผสมชนิดนี้มีราคาถูกลง แต่จะทำให้สามารถทนอุณหภูมิได้เพียง 650-850 C เท่านั้น

14. ธาตุผสมอื่นๆที่สำคัญ คือ • Cr ประมาณ 15-28 wt% เพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน • Mo ประมาณ 1-6 wt% เพื่อเพิ่มความแข็งแรงโดยกลไก Solid solution hardening • การเพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ได้จากการเติม Ti and Al เพื่อเกิดเป็น สารประกอบ Ni3(Al,Ti)

15. Co-based Superalloys • จะมี Cobalt ที่มีจุดหลอมเหลวประมาณ 1495 C เป็นส่วนผสมธาตุหลัก ประมาณ 50 wt% และ Cr ประมาณ 25 wt% เป็นหลัก • จะมีโครงสร้างผลึกแบบ FCC ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงได้จากการละลายของ Cr ในโครงสร้าง รวมถึงการเกิด Carbide ชนิดต่างๆ ซึ่งจะส่งผลให้มีความต้านทานการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงที่ดีมาก • โลหะผสมชนิดนี้จะมีราคาแพง เหมาะกับการใช้งานที่อยู่นิ่ง ไม่เคลื่อนที่

16. 3. Heat Treatment of Superalloys • Superalloys ที่ผ่านการรีด จะผ่านการอบ Solution treatment ที่อุณหภูมิประมาณ 1040-1230 C แล้วตามด้วย Ageing ที่อุณหภูมิต่ำ และตามด้วย Ageing ที่อุณหภูมิปานกลาง ประมาณ 760 C ทั้งนี้เพื่อวัตถุประสงค์ในการ • ลดขนาดเกรน • สร้างสารประกอบที่เรียกว่า  ในเนื้อวัสดุ เพื่อกีดขวางการเคลื่อนที่ของ dislocation ภายในเกรน เฟส  จะมีโครงสร้างแบบ FCC และมีสูตรทางเคมีเป็น A3B เช่น Ni3(Al,Ti), (Ni,Co)3(Al,Ti) เป็นต้น

18. 4. Manufacturing Process • งานผลิต Superalloys โดยทั่วไปจะเป็น การหล่อขึ้นรูป 1. หล่อแบบธรรมดา (Conventional casting) 2. หล่อแบบทิศทางเดียว (directional Solidification) จะมีการควบคุมทิศทางการถ่ายเทความร้อนเพื่อให้ได้โครงสร้างเกรนแบบ Columnar grain โดยการทำให้มีการเย็นตัวไปในทิศทางเดียว

19. การหล่อทิศทางเดียว จะดีกว่า หล่อแบบธรรมดา เพราะ • ลดความไม่สม่ำเสมอของขนาดเกรน และความไม่สม่ำเสมอของความเข้มข้นของธาตุในโครงสร้าง • ลดการเกิดรูพรุนเนื่องจากการหดตัว • ลดการเกิดสารประกอบที่มีขนาดใหญ่ • ลดปริมาณ Precipitate ที่ขอบเกรน ส่งผลให้โลหะผสม superalloys มีความแข็งแรงสูง มีความต้านทานการล้า การคืบ สามารถรับแรงกระแทกได้สูงขึ้น และเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน เมื่อเทียบกับชิ้นงานที่ได้จากการหล่อแบบธรรมดา

20. Direct Chill Method

21. Adaptation of Stockbarger method

22. ข้อด้อยของการหล่อทิศทางเดียว คือ • ราคาแพง • ขนาดของ precipitate อาจจะไม่สม่ำเสมอ ได้ • เนื่องจากต้องใช้ระยะเวลาในการเย็นตัวนาน ดังนั้นอาจจะเกิดการ Oxidation ได้ จึงต้องมีการป้องกัน • ต้องมีการควบคุมกระบวนการอย่างใกล้ชิด

23. ดังนั้น จึงได้มีการคิดค้น การหล่อแบบผลึกเดียว (Single grain)ซึ่งจะทำให้โลหะผสมมีการกระจายของธาตุผสมที่สม่ำเสมอในเกรน • โลหะผสมที่มีผลึกเดียว จะมีความต้านทานการกัดกร่อนที่สูงขึ้น กำจัดปัญหารอยแตกระหว่างเกรน • การหล่อแบบผลึกเดียว จะต้องมีการควบคุมให้อุณหภูมิเหมาะสม และโลหะผสมจะต้องมีความบริสุทธิ์สูง จึงจะได้ผลึกเดี่ยวที่มีคุณภาพสูง

24. วิธีการ • ทำการหล่อในแบบหล่อที่มีทางเข้าเลี้ยวไปมา 3-4 ขั้น เพื่อให้เกิดการเจริญเติบโตของผลึกในทิศทางที่ต้องการเท่านั้น • สุดท้ายให้เหลือเพียงผลึกที่มีทิศทางการเจริญเติบโตในทิศ [001] เท่านั้น ซึ่งเป็นทิศที่ให้สมบัติทางกลที่ดีที่สุด [001] ชิ้นงาน ทางเข้าของน้ำโลหะ

26. Single Crystal alloy Directional Solidified columnar Creep Strain Conventional Uniform equiaxed Time

27. 5. Copper and Copper alloys • Leaded red brassesเป็นโลหะผสมของทองแดงที่มีสังกะสีเป็นธาตุผสมหลัก หรือเรียกทั่วไปว่า ทองเหลือง ปริมาณของสังกะสีในทองเหลืองจะไม่เกิน 40% • Leaded semi-red brassesมีปริมาณสังกะสีมากกว่าชนิดแรก ทำให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น • Tin bronzesเป็นโลหะผสมระหว่างทองแดงและดีบุก หรือ “สำริด” จะมีปริมาณของดีบุกอยู่ประมาณ 10% เพื่อเพิ่มความแข็งแรง และความทนทานต่อการกัดกร่อน

28. Leaded tin bronzes เป็น bronze ที่มีตะกั่วผสมอยู่มากกว่า 0.5% โดยน้ำหนัก และมีนิกเกิล และ สังกะสี อยู่เล็กน้อย ตะกั่วจะไม่ละลายในทองแดง และจะอยู่ในรูปของตะกอนเม็ดกลม ทำให้มีคุณสมบัติหล่อลื่น และ รับภาระโดยที่ไม่มีสารหล่อลื่นได้ • High-leaded tin bronzesเป็น bronze ที่มีตะกั่วผสมอยู่ในปริมาณที่สูง เพื่อเพิ่มคุณสมบัติในการกลึงและไส และช่วยให้น้ำโลหะไหลดีขึ้นขณะหล่อ

29. อิทธิพลของธาตุผสม (Alloying element) ต่อ โลหะทองแดงผสม • Zinc สังกะสีเป็นโลหะที่มีราคาถูกสามารถเพิ่มความแข็งแรงให้กับทองแดง โดยรวมกันเป็นสารละลายของแข็ง หรือ Solid-solution strengthening • Zn สามารถละลายได้มากที่สุดใน Cu เท่ากับ 32.5% และแข็งตัวได้สารละลายของแข็งเฟสเดียวคือ -phase โลหะจะมีความเหนียวและแข็งแรงสูง • ถ้าปริมาณ Zn สูงกว่านี้ความเหนียวจะลดลง เนื่องจากจะมีเฟส เพิ่มขึ้น

30. Tin ดีบุก เป็นธาตุที่เติมเพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้กับทองแดงโดยรวมกันเป็นสารละลายของแข็งแต่มีประสิทธิภาพดีกว่าสังกะสี และ เพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อน • โลหะทองแดงผสมดีบุกไม่เกิน 10% นี้มีช่วงการแข็งตัวที่กว้าง ทำให้เกิดการเย็นตัวแบบ non-equilibrium freezing เกิดการแยกตัวของส่วนผสม ทำให้เนื้อของ -phase มีความเข้มข้นของดีบุกที่ไม่สม่ำเสมอโดยที่ความเข้มข้นของดีบุกจะมีน้อยที่สุดตรงกลางและสูงขึ้นเรื่อยๆตามระยะรัศมีของเฟส ซึ่งเรียกว่าการเกิด coring • ในช่วงสุดท้ายของการแข็งตัว โลหะเหลวที่เหลืออยู่ จะมีความเข้มข้นของดีบุกที่สูง และจะเกิดเป็นเฟสเดลต้า -phase ซึ่งจะแข็งและเปราะ มองเห็นเป็นเฟสสีน้ำเงินเกิดขึ้นบริเวณขอบเกรน

31. Lead ตะกั่ว ช่วยเพิ่มการไหลของน้ำทองเหลือง ทำให้หลอมชิ้นงานได้ง่ายขึ้น และยังช่วยให้งานกลึงไสได้ง่ายขึ้น อย่างไรก็ตามถ้าตะกั่วมีมากเกินไปจะทำให้ strength และ elongation ลดลงมาก • Other elements เช่น Aluminium Manganese Silicon and Iron จะช่วยเพิ่ม strength ลดขนาดของเกรน เพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อน เชื่อมต่อกันได้ง่าย ปกติปริมาณธาตุเหล่านี้จะรวมกันระหว่าง 2-7%โดยน้ำหนัก

32. Heat treatment of copper alloys • copper and most copper alloys are homogeneous single phase • they are not susceptible to heat treatment and their strength may be altered only by cold working • There are two types of temper: Cold-worked and Annealed.

34. Annealed temper

35. 1) Copper-Zinc (brass) at 30%Zn70%Cu, Slow cooling rate • will allow the equilibrium structure: solid solution α phase (fcc structure). • The α brass are soft and ductile (greater ductility than pure copper) and capable for cold work. Annealed, 75x

36. Cu-Zn LL LL

37. Rapid cooling rate • will not allow the equilibrium structure. • The α phase will be rich in copper and the last liquid will be rich in Zn and undergo a Peritectic reaction: α +Lβ at grain boundary.

38. 2) Copper-Zinc (brass) at 40%Zn60%Cu, Slow cooling rate: • The liquid will solidified as the equilibrium phase: α +β • β has bcc structure and much stronger than the α-phase and has a lower ductility. • This structure (α +β) therefore is difficult to cold work but can be hot work.  

39. Typical precipitation hardening of copper-Beryllium alloy