365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
Cement - ซีเมนต โดยทั่วไปแปลวาวัสดุชนิดหนึ่ง (ทั้งแบบผงและของเหลว) ที่มีคุณสมบัติเปนเชื้อประสานตัว(เปนตัวยึดเกาะ) ในบทเรียนนี้ เราจะใชคําวา “Cement” ที่หมายถึง เปนผลิตภัณฑที่ไดจากการเผาหินปูน (Calcium Oxide), ซิลิกา, อะลูมินา และเหล็กออกไซด มีลักษณะเปนผงละเอียดที่สามารถกอตัวเปนตัวยึดเกาะได อยางแข็งแรง โดยเฉพาะเมื่อนํามาผสมกับน้ํา ในบทเรียนนี้เราจะมาเรียน รูถึง วัสดุสวนประกอบในการผลิต ขบวนการผลิต และปฏิกิริยาทาง เคมีที่ควรรู ชนิดและคุณสมบัติของซีเมนต ชนิดตางๆ และการนํามาใช
ประวัติของซีเมนต มีการทําซีเมนสครั้งแรกจากหินที่เกิดจากการระเบิดของภูเขาไฟ คนพบโดย John Smeaton ซึ่งเปนชาวอังกฤษเมื่อ ค.ศ.1756 ตอมาในป ค.ศ. 1824 Joseph Aasdin ชางกออิฐชาวฝรั่งเศส ไดคนพบการทําซีเมนตจากการผสมปูนกับดิน (Limestone and Clay) สวนประกอบหลัก สวนประกอบหลักในการผลิตซีเมนตคือ - หินปูน (Limestone, CaCO3) Å(แหลงที่มา) หินปูน สามารถใชเปลือกหอยทดแทนได - ซิลิกา (Silica, SiO2) Å(แหลงที่มา) หินทราย, ทรายแกว - อะลูมินา (Alumina, Al2O3) Å(แหลงที่มา) หินทราย หินดินดาน - เหล็กออกไซด (Iron Oxide, Fe2O3) Å แรเหล็กหรือในดิน *สัดสวนของวัตถุดิบแตละชนิดจะขึ้นอยูกับปริมาณของแรตางๆในวัตถุดิบนั้นๆ *หินปูนที่มีปริมาณของ MgO มาก สามารถทําใหเกิดการแตกราวเมื่อนําไปใชงานได ขบวนการผลิต แบงเปน 3 ขั้นตอนใหญๆคือ 1. บดวัตถุดิบเพื่อเตรียมนําเขาเตาเผา: อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยูกับขนาดของผงวัตถุดิบและการผสมใหเขากัน 2. การเผา (Calcining) เพื่อทําใหเกิดปฏิกิริยาเคมี จากวัตถุดิบ เปน Clinker (หมายถึงเม็ดปูนที่ถูกเผาแลว) เม็ดปูนที่ไดจะมีลักษณะเม็ดเล็กๆสีเทา Clinker จะผานเตาเผาใชเวลาประมาณ 4-6 วินาทีที่อุณหภูมิ 1350-1450°C 3. การบด Clinker เพื่อนํามาบรรจุถุง Æ นําไปใช รูป(ขวา): ขั้นตอนการผลิตซีเมนต ประกอบดวย (1) การตักวัตถุดิบปอน เขาสายการผลิต (2) การผสมใหเปน สัดสวน และบดละเอียด (3) นําเขา เตาเผาระยะตน มีลักษณะเปนหอสูง (4) วัตถุดิบจะถูกสงตอไปยังเตาเผา
1
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
2
(Rotary Kiln) ซึ่งมีลักษณะลาดเอียงเพื่อให Clinker ที่ไดออกทางดานที่ต่ํากวา (5) เมื่อได Clinker แลวก็นํา ไปผาน ขบวนการบดละเอียด เพื่อ (6) บรรจุถุงตอไป หมายเหตุ: - Clinker ที่เผาไมสมบูรณจะยังคงมี CaO ดิบ(หรือเรียกวา Lime อิสระ) และจะทําใหการ ทําปฏิกิริยากับน้ําไดไม เต็มที่และทําใหเนื้อปูน(ที่ทําปฏิกิริยาแลว) แตกงาย และถาเผาใน อุณหภูมิสูงเกินไปก็จะทําใหไดผลิตภัณฑที่เสื่อมคุณภาพเร็ว อีกทั้งยังทําลายเตาเผาดวย - กอนบรรจุถุง ผูผลิตมักจะผสมผงปูนกับยิบซั่มเพื่อเพิ่มความสามารถในการควบคุมอัตราการทําปฏิกิริยา กับน้ํา ใหกับผลิตภัณฑ (ทําใหซีเมนตแข็งตัวชาลง Æ เพิ่มเวลาที่สามารถทํางานปูนใหยาวขึ้น) เตาเผาซีเมนต เตาเผามีลักษณะลาดเอียง จุดเผาโดยใช น้ํามันเตาหรือแกส เชื้อเพลิงจะถูกเผาที่ เตา (จุดที่ Clinker ไหลออกมาจาก เตา) บุผนังดวยวัสดุทน ไฟ (Refractory) มีความยาวประมาณ 50เมตร เสนผาศูนยกลางประมาณ 7 เมตร ใชอัตราความเร็วในการหมุน 1-4 รอบตอนาที
หนา
ตารางแสดงอุณหภูมิและปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นขณะที่วัตถุดิบผานวิธีการเผา ตองตระหนักวาตัวเลขอุณหภูมิเหลานี้สามารถ เปลี่ยนแปลงไดในคาที่ใกลเคียง ทั้งนี้เนื่องจากสวนผสมที่ไมเทากันของการผลิตแตและแหง เชนเดียวกันเวลาในการ เพิ่มอุณหภูมิก็ขึ้นอยูกับอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้น อุณหภูมิ 100°C 500°C และ สูงกวา 900°C และสูงกวา
ปฏิกิริยาที่เกิด น้ําอิสระเริ่มระเหยออกไป ดินเริ่มเกิดการสลายตัว น้ําที่เปนสวนประกอบของดิน (ระดับโมเลกุล)จะถูกขับออก สวนประกอบของดินที่สลายไปขางตน จะเกิดการตกผลึก ในขณะเดียวกัน จะเกิดกาซ CO2 จากการสลายของ CaCO3
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
900-1200°C 1250-1280°C มากกวา 1280°C
ปฏิกิริยาระหวาง CaO และสวนประกอบของดินเกิดขึ้น เริ่มการหลอมเหลว การหลอมเหลวตอเนื่อง และตอนนี้เองที่สารประกอบปูน ซีเมนต (Clinker) ไดกอตัวขึ้น
หลังจากนั้นของเหลวเหลานี้จะถูกลดอุณหภูมิโดยใชลมเปา สารประกอบที่ไดจากการเผา Clinker มีสารประกอบอยูมากมาย แตละชนิดนั้นมีสวนประกอบพื้นฐานอยู 4 สวนหลักๆ นั่นคือ CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 นอกจากนี้ยังมีสารประกอบอื่นๆอีกเชน MgO, K2O, Na2O, SO3 ซึ่งเปนสารปะปนที่มากับวัตถุดิบ สารประกอบ พื้นฐานของ Clinker ที่มักจะพบก็มีเชน CaO •Al2O3 monocalcium-aluminate ยอวา CA 2CaO • SiO2 dicalcium-silicate ยอวา C2S 3CaO • SiO2 tricalcium-silicate ยอวา C3S 4CaO •Al2O3 • Fe2O3 tetracalsuim ferro aluminate C4AF สารเหลานี้ จะถูกนํามาผสมกันตามสัดสวนเพื่อทําใหไดปูนที่มีคุณภาพทั้งทางดานเคมีและดานเชิงกลที่ตางกัน
3
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
4
เมื่อผสมกับน้ํา (hydration process)
รูปภาพแสดงถึงขั้นตอนโดยรวมในการแข็งตัวของพอรตแลนดซีเมนต (a) การกระจายตัวของผงปูน (Clinker) ในน้ํา (b) หลังจากนั้นสองสามนาที ผงปูนจะทําปฏิกิริยากับน้ํา คลายๆวุนปูน แลวคอยๆแผกระจาย (c) หลังจากนั้นประมาณสอง สามชั่วโมงวุนที่เกิดจากปฏิกิริยา เม็ดปูนจะเชื่อมตอกันโดยวุนปูน เริ่มกอตัว (Setting) (d) ปฏิกิริยากับน้ําจะดําเนินตอไปอีก สองสามวัน เนื้อปูนจะแข็งตัวมากยิ่งขึ้น (Hardening) ชนิดและคุณสมบัติของซีเมนต 1. ซีเมนตธรรมชาติ (Natural Cement) ไดจากการเผาหินซีเมนตธรรมชาติ (Cement Rock)โดยตรง วิธีผลิตก็โดยนําหินซีเมนตไปเผาในอุณหภูมิ Sintering (คือ อุณหภูมิอนุภาคเริ่มมีการเชื่อมตอกันโดยไมมีการหลอมเหลว) แลวนําไปบดละเอียด มีคุณสมบัติไม คอยแนนอนเนื่องจากไดจากแหลงธรรมชาติโดยตรง 2. พอรทแลนดซีเมนต (Portland Cement) นํามาใชกันอยางแพรหลายในปจจุบัน ชื่อ Portland นั้นเปนชื่อเรียกมาจากเมือง Portland ประเทศอังกฤษ คุณสมบัติหลักๆของ Portland Cement นั้นคือความแข็งแรงในการรับน้ําหนัก 3. สแลกซีเมนต (Slag Cement) ผลิตจากสวนที่เปนตะกรันของโลหะเหลว (ขณะถูกหลอม) ตะกรันนี้จะถูกผานในน้ําเย็น ซึ่งทําให Slag นั้น แตกออกเปนเม็ดเล็กๆ เมื่อนํามาผสมกับปูนขาวประมาณ 20%โดยปริมาณ จะไดปูน Slag Cement แตปูนชนิดนี้ไมนิยมใชเนื่องจากใชเวลาในการกอตัวชามาก และมีความหนาแนนต่ํา 4. ไฮ อะลูมินา ซีเมนต (High Alumina Cement) จะมีสัดสวนของ Alumina สูง ซึ่งจะทําใหไดความแข็งแกรง และใชเวลาในการแข็งตัว (Harden) เร็ว อีกทั้งยังทนความรอนไดสูง เหมาะกับทําเปนสวนประกอบของโครงเตาเผา เตาอบ ปลองไฟ 5. ซิลิกา ซีเมนต (Silica Cement) เปนซีเมนตที่ไดจากการผสมสวนของ Portland Cement (70%) และทราย (30%) และยิบซั่มอีกเล็กนอย ราคาคอนขางถูก เหมาะสําหรับงานคอนกรีตที่มีปริมาณมากๆ เชน เขื่อน อาคาร ถนนเปนตน สามารถนํามาฉาบไดดี มีความรอนขณะที่แข็งตัวนอย ทําใหลดการแตกราวของวัสดุ
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
5
วัตถุทนไฟ (Refractories) ความหมายของวัตถุทนไฟ - เปนวัตถุที่สามารถทนความรอนไดไมต่ํากวา 1500°C (โดยทัว่ ไป) - ไมมีการเปลี่ยนแปลงหรือเสียรูปทรงแตอยางใด - ทนตอการขัดสีและการกัดกรอนของสารเคมีหรือไอตางๆ ที่เกิดขึ้นในขณะเผาและไมเผา - มีการหด/ขยายตัวนอยขณะที่มีการเปลี่ยนอุณหภูมิ - รับน้ําหนักไดดีในขณะที่เผาอุณหภูมิสูง (รับน้ําหนักมาก ก็ไมมีผลตอจุดออนตัว) วัตถุทนไฟทํามาจากวัสดุเซรามิก มีความสําคัญอยางยิ่งในการสรางเตาเผาทุกชนิดทัง้ ใน อุตสาหกรรมและหัตถกรรม เตาเผาแตละอยางควรจะใชชนิดของวัตถุทนไฟใหเหมาะสมกับอุณหภูมิ และลักษณะการใชงานนั้นๆ (เชนการถลุงเหล็ก การทําแกวกระจก ทําเครื่องปนดินเผา ฯลฯ ) เนื่องจากการสรางเตาอุตสาหกรรมตองใชเงินลงทุนที่สูง ฉะนั้นการเลือกใชวตั ถุทนไฟนั้น จะตองเลือกจากคุณสมบัติตางๆเชน ราคา อายุการใชงาน การทนกรด/ดาง ความแข็งแรง ฯลฯ วัตถุดิบที่นํามาทําวัตถุทนไฟ โดยทั่วไปแบงออกเปน 3 ประเภทใหญๆ 1. วัตถุดิบที่มีคุณสมบัติความเปนกรด (Acid Materials) 2. วัตถุดิบที่มีคุณสมบัติความเปนดาง (Basic Materials) 3. วัตถุดิบที่มีคุณสมบัติความเปนกลางและอื่นๆ (Neutral and Other Materials) Acid Materials จะมีองคประกอบทางเคมีเปน Silica ซึ่งไดแก ดินตางๆ (Alumino Silicate Compounds), ทราย, Quartz, หินกรวด (Ganister), และ Flint ดิน - มีสะสมอยูทั่วไปบนเปลือกโลก จะมีคุณสมบัติตางกันบางเนื่องการความหลากหลายของ ทีม่ า เชน ความรอน แหลงภูเขา แหลงลุมน้ํา สิ่งแวดลอม ความแหงแลง ฯลฯ ดินเกิดจากการผุกรอน ของหิน แลวถูกพัดพาดวยลม กระแสน้ํามาทับถมในบริเวณนัน้ ๆ ขนาดของอนุภาคดินสวนใหญจะไม เกิน 10 micron (= 0.01 mm หรือ 10x10-6m) มีลักษณะเปนแผนชั้น จะมีความเหนียวตางกันขึ้นอยูก ับ ขนาดของอนุภาคดินและวัสดุที่ใหความเหนียวเชนสารประกอบคารบอน ดินที่นํามาใชเปนวัตถุดิบของ Refractories ก็มีเชน
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
ดินขาว (Kaolin) - เปนทั้งดินเหนียวและดินทนไฟ เมื่อเผาแลวจะมีความขาว ดินขาวทีด่ ีมีอยูทั่วไป บนพื้นโลก เชนจีน อังกฤษ ฝรั่งเศส ในไทยก็จะมีอยูท ี่ ลําปาง ระนอง นครนายก ดินขาวมีองค ประกอบโดยประ มาณ คือ 40%Al2O3 – 46%SiO2- 14%H2O มีความเหนียวนอย ทนไฟถึง Cone 34 ดินดํา (Ball Clay) - เผาแลวมีสีคอนขางขาว ทนไฟไมสูงเทา kaolin แตมีความเหนียวมาก สามารถนําไปผสมกับดิน Kaolin เล็กนอยเพื่อใหเกิดความเหนียวขึ้น มีองคประกอบคือ 40-48%Al2O3 – 30-
32%SiO2- 14-20%H2O- 2% Iron Oxide – 1%Calcium Carbonate and Magnesium – 3%Potash and Soda Ash - และอื่นๆเชนสารประกอบอินทรีย มีความทนไฟที่ประมาณ Cone 26 ดินทนไฟ (Fire Clay) - มีความทนไฟกวาดินธรรมดา เกิดตามเหมืองถานหิน ทนความรอนไดถึง 1580°C (Oxidation) ไมมีการหลอมเหลว(หรือมีนอยมาก)ในขณะที่ถูกเผาดวยอัตราการใหความ รอนที่มากถึง 10°C/minute ดินทนไฟประกอบดวยดินขาวเปนสวนใหญ นอกจากนั้นจะมีซิลิกาบริสุทธิ์ (Free Silica) และสารประปนอื่นๆเชน Na, K, Li, Iron Oxide ประมาณ 4-5% ซึง่ อาจจะทําใหความทนไฟนอยลง (เผาที่ Cone 19-26) ซิลิกา (Silica, SiO2) - พบในรูปของหินเขี้ยวหนุมาน (Quartz)และทราย ไมมีความเหนียว การเติมซิลิกา ในเนื้อดินตางๆทําใหมีความทนไฟสูงขึ้น นอกจากซิลิกาจะเปนวัตถุทนไฟแลวจะเปนวัตถุดิบที่นํามาทํา กระจกและแกวดวย (ซึ่งตองผสมสวนกับดินและ Flux ชนิดอื่นๆ) เซอโคเนีย (Zirconia, ZrO2) - เปนออกไซดของโลหะเซอโคเนียม (ซึ่งเปนโลหะที่ใชเปนสวนประกอบ ทํากาซ ในหลอดไฟนีออน) ในธรรมชาติจะพบเซอโคเนียในรูปของ Zirconium Silicate หรือแร Zircon ที่สามารถพบไดมากบนชายหาด แหลงที่ใหญที่สุดของแรนี้คือบราซิลและออสเตรเลีย เซอโคเนียมีจุด หลอมเหลวที่ 2750°C สามารถทําใหจุดหลอดเหลวนอยลงโดยการเปลี่ยนแปลงรูปรางของผลึกขึ้นอยู กับสวนผสมของ Silica ในผลึก (มีมาก Æ ทนไฟสูง) มีการ ขยายตัวนอยเมื่ออยูใ นความรอนสูง เมื่อนํามาบดผสมเขากับสารประกอบ Chalk 3.4% และดินขาว 5-8% จะสามารถนํามาทําอิฐที่ มีคุณสมบัติในการหดตัวนอย ทนตอการสึกกรอนจาก Molten glass (อุตสาหกรรมกระจก) และ Slag (อุตสาหกรรมถลุงเหล็ก) Basic Materials คือแรที่มีความเปนดางดังนี้
6
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
7
Magnesite (MgCO3) - พบในสภาพของผลึกและเกล็ดละเอียด พบมากในอเมริกา อินเดีย ออสเตรีย แมนจูเลีย ฯลฯ มักจะพบรวมกับสินแรเหล็ก (Iron Ore) และมีประโยชนในอุตสาหกรรมเหล็กกลา การนํามาใชประโยชนนนั้ จะตองนํา Magnesite มาเผาเพื่อใหเกิด MgO (แมกนีเซีย) ที่ 1550-2000°C จะไดผลึก MgO แลวนํามาบดเพื่อขึ้นรูปโดยใชตวั ประสาน ตัวประสานจะตองไมมี Lime เนื่องจาก Lime เปนตัวทีจ่ ําใหจะทําใหเกิดการแตกรานภายใน ทําใหความคงทนนอย MgOบริสุทธิ์มีจุดหลอมเหลวที่ 2800°C ซึ่งเหมาะกับการทําอิฐทนไฟ แตเพราะวา MgO มีการหด/ขยาย ตัวสูงมาก ฉะนั้นการนําอิฐไปใชจะตองคํานึงถึงการออกแบบ Lime (CaO) - อยูในรูปของ CaCO3(หินปูน) CaSO4 (ยิบซั่ม) คุณสมบัติคือ ลดความทนไฟใหแกเนื้อดิน เชนการรวมตัวของ Lime และ Silica หรือ การรวมตัวของ Lime และ Al2O3 ทั้งสองนั้นจะทําใหเกิด วัสดุแกว อุตสาหกรรมเหล็กใช lime และ silica เพือ่ ลดจุดหลอม โดโลไมท Dolomite เปนสารประกอบ Mg และ Ca -เกิดขึ้นโดยธรรมชาติในหินปูน Neutral and Other Materials เปนสารประกอบที่ผลิตขึ้นโดยมนุษยเชน Carbon and Graphite - เผาไฟไดดี แตทนตอ Slag ไดดีในบรรยากาศ Reduction Carbide - เปนสารประกอบของ Carbon เชน WC, SiC มีความแข็งแรงมาก อาจจะนํามาใชแทนเพชรได แตก็แพงมาก ไมนํามาใชเปนอิฐทนไฟ แตจะนํามาเปนวัสดุตัด/เจียรเหล็ก สามารถนํามาทําเปนเบาหลอม Crucible ได Chromite - มีปริมาณ Cr2O3 สูง นํามารวมกับ Al2O3 และ SiO2 จะไดอฐิ ทนไฟใชงานไดที่อุณหภูมิ 1100-1900°C Alumina - พบไดมากในดิน และแร Gibsite และ Bauxite ทั้งหมดนีน้ ํามาทําเปนอิฐทนไฟ ใชงานไดที่ 12502400°C
การขึ้นรูป Casting Process - ทําวัตถุดิบใหเหลวแลวก็จะนํามาหลอในแมพิมพ จะตองมีสวนของ Grog สูงเชนกันเพื่อที่จะทําใหอิฐมีลักษณะหยาบ สามารถใชความดันและความรอนเขาชวย เพื่อใหขบวนการเปนไปไดรวดเร็ว Pressing - วัตถุเปยกแลวนํามาทําเปนกอน กดเขาไปในแมพิมพ แลวนําไปผึ่งความรอนใหแหงกอนที่จะ นํามาเผา
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
Dry Press - ใสความชื้นใหกับวัตถุดิบประมาณ 10% แลวก็นํามาอัดในแมพิมพ (โลหะ) แลวทํามาผึ่งให แหง สามารถนําวิธี Isostatic Pressing มาชวยได ทําใหเกิดความแข็งแรงของทุกมุม (ทุกสวน) ในกอนอิฐได การเผาก็จะนําไปเผาในเตาทีท่ ําดวยอิฐชนิดนั้นๆเพื่อปองกันการปนเปอ นของสารประกอบที่ไมตองการ
8
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
9
ฉนวน (Insulators) เปนวัสดุที่สามารถตานการเหนี่ยวนําของความรอนหรือกระแสไฟฟา (ฉะนัน้ วัสดุที่มีคุณสมบัติตรงขามกับฉนวน คือ?.........................) แมวาจะมีวสั ดุมากมายชนิดที่มนุษยสามารถคนหาและนํามาใช ก็ยังไมมีวัสดุใดๆ ที่มีความสามารถในการเปนฉนวนไดแบบสมบูรณ เพราะวาหลักของธรรมชาตินั้นคือ “เมื่อมีสองจุดที่มีพลังงาน ตางกัน จุดที่มพี ลังงานมากกวาจะมีพลังงาน ถายเท/ ยาย/ไหล ไปหาจุดที่มีพลังงานนอยกวาเสมอ” ฉนวนไฟฟา (Electrical Insulators) ไมเหนีย่ วนํากระแสไฟฟาในอุณหภูมิปกติ (ตามธรรมชาติ) เมื่อเกิดความรอนสูง ฉนวนเหลานี้จะมีความสามารถในการนําไฟฟาไดดีขึ้น (>1000 C) ฉะนั้นควรคํานึงถึง สภาพแวดลอมในการนําฉนวนไฟฟามาใช Clay-based Porcelain
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
Talc-Based ceramics Talc ซึ่งมีสวนประกอบของ (MgO.Al2O3.SiO2) เปนสารประกอบเซรามิกที่นิยมนํามาทําเปนฉนวนไฟฟา สารประกอบที่นิยมนํามาใชก็จะเปน Corderite ceramics, Steatite Ceramics, Forsterite Ceramics
Alumina-Based Ceramics มีคุณสมบัติคือ แข็งแรง นําความรอนได แตนํากระแสไฟฟาไดไมดี (ต่ํา)
10
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
11
ในงานเซรามิก วัสดุนี้ไดถูกนํามาใชทั้งเปนฉนวนไฟฟาและฉนวนความรอน ซึ่งเราจะศึกษาดังตอไปนี้ ฉนวนความรอน (Hear Insulator) ฉนวนความรอนมีคุณสมบัติดังนี้ 1. เหนีย่ วนําความรอนต่ํา 2. มีชองอากาศมาก (ความพรุนสูง) 3. หนา 4. ............มวลความรอน (Thermal Mass).......................... ใยแกว (Glass fiber) มีคุณสมบัตินําความรอนต่ํามาก (nearly perfect) จะมีลักษณะเปนเสนใยมีปลาย แหลม เนื่องจากลักษณะการผลิต วัสดุอื่นๆเชน mica และ asbestos สามารถนํามาเปนวัสดุผสมสําหรับฉนวน
Cermets หรือ Cemented carbides or hard metals เปนวัสดุที่มีสวนประกอบของผลึกเซรามิกเล็กๆที่ถูกตรึงดวยโครงสราง ของโลหะ เชน Tungsten Carbide ใน Cobalt วัสดุชนิดนี้ถูกพัฒนาในชวงป 1920 นํามาใชสําหรับเครื่องมือตัด เหล็ก Cermet มีคุณสมบัติดังนี้ 1. มีความแข็งแรง คงทน 2. ทนตอแรงกด 3. กระจายความรอนไดดี วิธีการทําCermet ทํามาจากผงละเอียดของ WC และ Co แลว นําไปอัดโดยใชแมแรง อัดใหเขารูปกับ แมแบบ แลวนํามาเผา Sinter (Hot pressed sintering) ผงจะมีขนาดประมาณ 1 ไมครอน และอาจจะมีสารปนเปอนได (ปนเปอนจากขบวนการผลิต) การเผา Sintering จะทําที่อุณหภูมิ 1400 C (ซึ่ง WC จะหลอมเหลวที่ 2600C และ Co หลอมเหลวที่ 1492 C) แมวาจะเผา ที่อุณหภูมิต่ํากวาจุดหลอมเหลวของ Co แตก็จะไดวัสดุเหลวซึ่งทําใหผง WC ติดกัน
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
12
ภาชนะเซรามิกและขบวนวิธีการผลิต (Pottery and Processes) คําถาม: ทําไมเซรามิกจึงถูกนํามาใชเปนภาชนะ?
ภาชนะเซรามิกมีอิทธิพลกับการใชชีวิตประจําวันในหลายๆสวน ตลอดทั้งรอบ 24 ชั่วโมงของคนเรา ภาชนะเซรามิกที่ ดีควรจะมีคุณสมบัติดังนี้ 1. 2. 3. 4. ไมดูดซึมน้ํา 5. ทําความสะอาดไดงาย 6. เพิ่มความแข็งแรง ทนทาน ไมทําใหภาชนะบิ่นงาย วัสดุที่นํามาผลิตเครื่องภาชนะมีอิทธิพลในการตัดสินใจเลือกหาภาชนะนั้นๆมาใชงานที่ตนเองตองการ ตารางขางลางนี้แสดงถึง คุณสมบัติของเซรามิกชนิดตางๆ วัสดุพรุน (Porous Pottery)
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
วัสดุหนาแนน(?) (Dense Pottery)
คุณสมบัติที่ควรคํานึง ดินขาว ความเหนียวนอย คอนขางหยาบเมื่อเทียบกับดินดํา เผาไดที่อุณหภูมิสูง (ประมาณ 1200-1300) โดยที่ไมมีการไหลตัว/ การหดตัวประมาณ 10 % เนื่องจาการสลายตัวของน้ําที่ประกอบในโมเลกุล (Al2O3.2SiO2.2H2O) Alumino Silicate ดินดํา (Ball Clay) ความเหนียว......................................HEXAGONAL (ÆBentonite) อุณหภูมิที่เผา..................................... การหดตัว............................................ Silica (ทราย)
13
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
14
Feldspar Potash Feldspar (Orthoclase) K2O.Al2O3.6SiO2 Soda Feldspar (Albite) Na2O.Al2O3.6SiO2 Lime Feldspar (Anorthite) CaO.Al2O3.2SiO2 Nepheline syenite ประกอบดวย Potash Feldspar, Soda Feldspar และแร Nepheline Æ Good Flux Lithium Feldspar (Spodumene) Li2O.Al2O3.4SiO2 เมื่อนําไปผสมกับดินในสัดสวนที่พอเหมาะจะทําให มีการหด/ขยายตัวนอยมากเหมาะสําหรับภาชนะที่ใชในเตารอน เมื่อนําไปผสมกับดิน.............................. การหดตัว............................................ Bone Ash (เถากระดูก) กระดูกนําไปบดและเผาที่ 900-1000C แลวนําไปบดในน้ําเพื่อขจัดเถาที่ไมตองการ เหลือแต ผลึกของเถาที่มีขนาดเล็กกวา 1 ไมครอน (0.000001เมตร) ใหความเหนียวไดบาง น้ํา เปนตัวที่ทําใหเกิดความชื้นแกวัสดุเหนียว (Plastic Material) หลังจากผานขบวนการขึ้นรูปแลว ก็จะถูกขับออกจาก ชิ้นงาน Organic Binder เชน แปง, เซลลูโลส, Carboxyl Methyl Cellulose (CMC) เปนตน ขบวนการผลิต เตรียมเนื้อดิน
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
การขึ้นรูป (Forming)
การปน – Hand forming, slap, throwing การหลอแบบ – Plaster of Paris Mould
15
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
การใชเครื่องจักร Jiggering
Jollying
16
365 218 Ceramics and Ceramic Processes - SC
การอบแหงและการเผา ความรอนจากการเผาสามารถนํามาใชในการอบแหงได โดยมีการระบายของอากาศรอนแหงเขาทางหนึ่งและอากาศชื้นออกอีกทางหนึ่ง การเผาจะเผาตามคุณสมบัติของวัสดุทใี่ ช เชน Earthenware – 900C Porcelain – 1220C
อุณหภูมิ
เวลา
17