การพัฒนาโลหะผสมเสมือนทองสำหรับวัสดุเครื่องประดับและงานสร้างสรรค์

Abstract

โลหะผสมจำรูป (Shape memory Alloy) จัดเป็นหนึ่งในวัสดุฉลาดที่สามารถจำรูปร่างก่อน การทำให้เปลี่ยนแปลงรูปร่างหรือการดัดงอ เมื่อได้รับอุณภูมิที่เหมาะสมโลหะจะสามารถคืนรูป กลับไปเป็นเหมือนเดิมได้ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของโลหะผสมจำรูปจะมีการเปลี่ยนแปลง โครงสร้างกลับไปมาระหว่างโครงสร้างมาเทนไซต์ (Martensite) และออสเทนไนต์ (Austenite) ใน ระหว่างการให้ความร้อนและการเย็นตัว โลหะผสมจำรูประบบที่มีทองแดงเป็นหลักนั้นมีข้อดีประการ หนึ่งในเชิงเศรษฐกินเนื่องจากมีราคาถูกกว่าโลหะระบบ Ni-Ti และยังมีความน่าสนใจคุณสมบัติ ทางกลและความร้อน โครงการวิจัยนี้ได้ศึกษาโลหะผสมจำรูประบบ Cu-Zn-Al เจือด้วยอินเดียม 0.1–1.0 wt% และโลหะผสมจำรูป Cu-Al-Mn เจือด้วยแมงกานีส 1.5-3.5 wt% โดยการหล่อแบบแม่พิมพ์ ขี้ผึ้ง (los-wax หรือ Investment casting) ด้วยเครื่องหล่อแบบขดลวดเหนี่ยวนำโดยการหลอม โลหะที่อุณหภูมิ 1,100 C และอุณหภูมิเบ้าปูนหล่อ 650 C โดยศึกษาสมบัติของโลหะผสมจำรูป ด้วยการตรวจวัดและทดสอบดังนี้ การตรวจสอบเฟสด้วยเทคนิคการเลี้ยวเบนรังสีเอ็กซ์ ทดสอบ ความสามารถในการจำรูปด้วยการทดสอบการดัดงอ ศึกษาความสามารถต่อการต้านทานการมอง วัดความแข็งด้วย ศึกษาโครงสร้างจุลภาคและการวิเคราะห์ธาตุของโลหะผสมจำรูป ศึกษาโครงสร้าง จุลภาคด้วยจุลทรรศน์แสง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน แบบส่องผ่าน การวิเคราะห์เคมีด้วยการกระเจิงรังสีเอ็กซ์และศึกษาความเป็นไปได้ในการขึ้นรูปด้วย กระบวนการขึ้นรูปแบบรีดร้อนและรีดเย็น จากผลการทดลองวิจัยพบว่าโลหะผสมจำรูปที่มีส่วนผสมของอินเดียม 0.5 wt% มีความสามารถในการจำรูปสูงสุดคือ สามารถคืนรูปได้จำนวน 21 ครั้ง สำหรับชิ้นงานที่มีความหนา 0.5 มิลลิเมตร โดยมีอัตราการคืนรูปสูงสุดประมำณ 66% และอัตราการคืนรูปจะลดลงตามลำดับเมื่อจำนวนครั้งในการทดสอบมากขึ้น รูปแบบการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์และภาพโครงสรา้งจุลภาคของโลหะผสมจำรูป Cu–20.8wt%Zn–5.8wt%Al แสดงให้เห็นว่าโลหะดังกล่าวประกอบด้วยเฟสมาเทนไซต์เป็นเฟสหลัก และยังคงมีเฟสของออสเทนไนต์ โลหะผสมที่ไม่มีการเจือด้วยอินเดียมจะมีค่าความแข็งสูงสุดที่ประมาณ 213 HV โดยโลหะผสมที่เจือด้วยอินเดียม ในโลหะที่เจือด้วยอินเดียม 0.5 wt% มีค่าความแข็งประมาณ 204 HV สำหรับโลหะผสมจำรูป Cu-Al-Mn เจือด้วยแมงกานีส พบว่า โลหะที่เจือแมงกานีส 2.0 wt% มีค่าการคืนรูปสูงที่สุด คือสามารถกลับคืนรูปเดิมได้ 100 % การวิเคราะห์ธาตุด้วยการกระเจิงรังสีเอ็กซ์พบว่า มาเทนไซต์ซึ่งเป็นเฟสหลักมีส่วนผสมของอินเดียมและอะลูมิเนียมมากกว่าบริเวณที่เป็นเฟสแม่สำหรับสังกะสีนั้นมีการกระจำยตัวอยู่ทั่วไปในปริมาณเท่ากันในทุกเฟส การศึกษาโครงสร้างจุลภาคของโครงสร้างมาเทนไซต์ที่กำลังขยายสูงด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านแสดงให้เห็นระนาบแฝดขนาดเล็กลักษณะคล้ายแผ่นเรียงตัวเป็นชั้น ๆ และพบแนวรอยเลื่อนใน ซึ่งการปรากฏของระนาบแฝดและแนวรอยเลื่อนดังกล่าวนี้เป็นผลดีต่อสมบัติการจำรูปของรูปของโลหะ เนื่องจากอะตอมสามารถเคลื่อนที่ได้ง่ายในระหว่างการดัดงอ และคืนรูป อย่างไรก็ตามพบว่า ชิ้นงานที่ที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยกระบวนการรีดร้อนและรีดเย็น โดยทำ การรีดลดความหนา 30% พบว่ามีการเสียรูปของโครงสรา้งมาเทนไซต์ ทำให้ชิ้นงานสูญเสียความสามารถในการจำรูป