Magnesium กับการพัฒนามอเตอร์ไซค์
Credit:gizmag.com
Magnesium กับการพัฒนามอเตอร์ไซค์
ปัจจุบันเราจะพบเห็นว่ามอเตอร์ไซค์ประสิทธิภาพสูงอย่าง Bigbike ต่างก็หันมามีชิ้นส่วนที่เป็นแมกนีเซียมมากขึ้น ถัดจากอลูมิเนียมอัลลอยย์และเหล็ก ด้วยเพราะเป็นโลหะที่มีน้ำหนักเบากว่าเหล็กเยอะ วันนี้ทาง mocyclover เลยขอนำบทความเกี่ยวกับเรื่องนี้มาให้อ่านกันนะครับ
ในปี 1983 (คาดว่าบทความต้นฉบับอาจจะระบุปีผิดพลาดนิดนึงนะครับ) มอเตอร์ไซค์ Honda NS500 ซึ่งเป็นแบบสามสูบนั้นตัวกรอบเครื่องยนต์ทำจากแมกนีเซียม ออกวิ่งได้ 600 กิโลเมตร แล้วถูกนำกลับมายังโรงงานเพื่อปรับปรุงและจะได้นำออกไปวิ่งอีกรอบ หลังจากนั้นเครื่องนี้ก็ดูเหมือนจะอ่อนแอเกินกว่าที่จะนำกลับมาใช้ได้อีกจึงได้ถูกทิ้งไป
ลองค้นหาข้อมูลทางกูเกิ้ลในช่วงเวลานั้นมาแมกนีเซียมเมื่อนำมาใช้แล้วเกิดอะไรขึ้น พบว่านักโลหะวิทยาเปิดเผยในงานวิจัยว่าโลหะแมกนีเซียมในยุคนั้นหากนำมาทำเป็นแมกนีเซียมอัลลอยย์แล้วใช้งานภายใต้ภาวะแรงเค้นแล้วจะเกิดอาการที่เรียกว่า “Creep” หรือการค่อยๆเสื่อมสภาพโดยการเปลี่ยนรูปร่างตามแรงกดดันที่ได้รับ และจะถูกเร่งให้เกิดเร็วขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น นี่ว่าทำไมเครื่องยนต์สำหรับ Honda NS500 คันนั้นเมื่อใช้ไปซักพักอ่างน้ำมันเครื่อง (Crankcase) นั้นเปลี่ยนรูปไป และที่ต้องทิ้งเครื่องยนต์นี้ไปเพราะสถานะสุดท้ายของอาการเปลี่ยนโครงสร้างนั้นจะเกิดช่องว่างเล็กๆขึ้นในเนื้อโลหะ และทำให้เกิดรอยร้าวที่ค่อยๆยาวขึ้นในที่สุด
ส่วนคุณ Bud Aksland ผู้ได้ทำงานกับเครื่องยนต์ 500cc มาหลายปีให้กับองค์กรของ Kenny Robert กล่าวว่าเขาชอบอ่างน้ำมันเครื่องแบบแมกนีเซียมเพราะว่าภายใต้แรงกดดัน โลหะชนิดนี้จะเปลี่ยนรูปร่างตัวเองไปอยู่ในภาวะที่มันต้องการเป็น ทำให้เครื่องยนต์สามารถหมุนรอบเร็วได้อิสระมากขึ้น
ในราวปี 1980 ก็ได้มีการนำแมกนีเซียมมาศึกษากันใหม่โดยผู้ผลิตรถ เนื่องจากได้รับแรงกดดันจากทางการให้ลดการสิ้นเปลืองน้ำมัน นั่นเพราะรถที่เบาลงจะใช้น้ำมันน้อยลงในภาวะการขับขี่แบบไปๆหยุดๆ ดังนั้นหากได้โลหะที่แข็งแรงแต่น้ำหนักเบาอย่างแมกนีเซียมมาใช้จึงเป็นเรื่องที่น่าสนใจอย่างยิ่ง ความหนาแน่นของเหล็กนั้นคือ 7.8 ของอลูมิเนียมคือ 2.8 แต่ของแมกนีเซียมมีความหนาแน่นเพียง 1.74 ถือว่า 40% เบากว่าอลูมิเนียมและ 78% เบากว่าเหล็ก
นักโลหะวิทยาต่างก็เห็นถึงความเป็นไปได้มหาศาลรออยู่ข้างหน้า ในขณะที่ภาวะอัลลอยย์ของเหล็ก ทองแดง และอลูมิเนียม ได้มีการศึกษากันอย่างลึกซึ้ง แต่เรื่องเกี่ยวกับแมกนีเซียมกลับไม่ค่อยมีใครสนใจ การศึกษาเกี่ยวกับแมกนิเซียมนั้นเป็นไปอย่างเชื่องช้าเพราะโลหะชนิดนี้เพราะเกิดการกัดกร่อนได้ง่าย เกิดภาวะ creep อย่างที่ว่าโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูงกว่า 150 องศาเซลเซียส) และอัลลอยย์ที่ดีที่สุดในยุคนั้นก็คุณสมบัติยังไม่แข็งแรงพอ เลยคิดว่าไม่คุ้มค่าที่จะทุ่มทุนศึกษาเพื่อผลตอบแทนอันน้อยนิด
แต่ปัจจุบันนี้เราเริ่มเห็นอัลลอยย์ใหม่ๆที่น้ำหนักเบาขึ้น และทำให้โลหะน้ำหนักเบาเริ่มเข้ามามีบทบาทมากขึ้นในชิ้นส่วนหลายๆอย่าง อย่างกรอบเบาะนั่ง และบริเวณแผงหน้าปัทว์ หรือแม้แต่ในเครื่องยนต์หกสูบของ BMW
รู้จักกับโครงสร้างของโลหะ
การที่จะทำความเข้าใจว่าโครงสร้างของโลหะเป็นอย่างไรเมื่อเราส่องด้วยแว่นขยายนั้นก็ให้ลองมองแผ่นหินแกรนิตขัดเงา คุณจะเห็นเม็ดหินเป็นกลุ่มก้อนหลากหลายขนาดทุกเม็ดอยู่ติดกันเป็นกลุ่มก้อนในทุกทิศทางทุกขนาด แต่ละเม็ดคือผลึกที่อะตอมได้จัดเรียงตัวเองในลักษณะแผ่นธรรมดาเหมือนเอาลูกบอลมาวางเรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ โลหะนั้นจะมีโครงสร้างแบบ polycrystalline ดังจะเห็นได้หากเราทำเหล็กให้หักเองโดยไม่ใช่การตัด หน้าสัมผัสตรงรอยหักจะไม่เรียบ แต่จะหยักไปหยักมาด้วยคุณสมบัติการเรียงตัวแบบ polycrystalline หรือมีหลากหลายขนาด นั่นเอง
นักโลหะวิทยาคำนวนความแข็งแกร่งตามที่ควรจะเป็นในทางทฤษฎี โดยหลักการของแรงดึงดูดระหว่างอะตอมแล้วพบว่าความแข็งแรงในทางทฤษฎีนั้นมากกว่าความเป็นจริงหลายเท่านัก เลยเกิดคำถามว่าอะไรที่ทำให้เกิดความแตกต่าง นักคิดเก่งๆก็พยายามหาทฤษฎีมาอธิบาย และได้รับการยืนยันจากการทดลองด้วยกระบวนการ X-ray diffraction (หรือการกระเจิงของรังสี X) ได้คำสรุปว่า ผลึกในโลกของความเป็นจริงนั้นจะต้องมีสิ่งบกพร่องหรือ defects ซึ่งหมายถึงจะต้องมีแผ่นชั้นของอะตอมที่ไม่สมบูรณ์ อาจจะขาดอะตอมไปซักแถวหนึ่ง หรืออะไรประมาณนี้ โดยให้ชื่อเรียกว่า dislocations หรือการอยู่ผิดที่ (หมายถึงอะตอมบางตัวอยู่ผิดตำแหน่งจากที่มันควรจะอยู่)
การที่เราจะเลื่อนหรือเฉือนแผ่นอะตอมออกไปซักแผ่น (ถึงการเลื่อนแม่เหล็กที่ซ้อนกันอยู่ออกไปซักหนึ่งก้อน) เราก็จะต้องทำลายแรงยึดเกาะระหว่างอะตอมชั้นบนกับชั้นล่างไปพร้อมๆกันทุกอะตอมในเวลาเดียวกันซึ่งต้องใช้แรงปริมาณมาก แต่การมีอยู่ของความบกพร่องหรือ defect ในโลหะนั้น ให้นึกถึงขบวนรถไฟที่มีระบบข้อต่อเชื่อมโยงระหว่างโบกี้แต่ละโบกี้ หัวรถจักรนั้นไม่มีแรงพอที่จะดึงทุกโบกี้ให้เคลื่อนที่ออกไปได้พร้อมๆกัน แต่อาศัยการดึงแบบกระแทกเล็กๆจากโบกี้แรกซึ่งเมื่อเริ่มเคลื่อนตัวออกจะไปดึงโบกี้ที่สองแล้วไปดึงต่อโบกี้ที่สามไปเรื่อยๆจนทุกโบกี้เคลื่อนตัวออกไปทั้งขบวนได้
ในทำนองเดียวกันกับโลหะแรงแค้นที่ใส่เข้าไปจะสามารถย้ายสิ่งบกพร่องนี้ไปเรื่อยๆตามแนวโครงสร้างอะตอมจากตัวเองไปสู่อะตอมใกล้เคียงจนกระทั่งทั้งแผ่นบนทั้งแผ่นสามารถหลุดออกจากแผ่นล่างได้ การลื่นไถลของชั้นอะตอมอาจจะเกิดได้ตรงบริเวณขอบนอกของเม็ดโลหะ (นึกถึงแต่ละเม็ดของหินแกรนิตจากตัวอย่างข้างบน) นั่นคือเหตุผลว่าทำไมโลหะถึงเปลี่ยนรูปทรงได้เมื่อได้รับแรงเค้น หรือพูดง่ายๆเวลาเราดัดเหล็กทำมุม 90 องศามันจะไม่หักออกจากกันแต่จะโค้งและมีขนาดเล็กลงบริเวณรอยโค้ง ไม่เหมือนกับไม้ที่หากดัด 90 องศาจะหักทันที เราเรียกคุณสมบัตินี้ว่าเหล็กมีความเหนียวนั่นเอง
การทำให้โลหะมีความแข็งของโลหะก็เลยเป็นการทำอย่างไรที่จะป้องกันไม่ให้แรงแค้นที่ใส่เข้าไปนั้นไปดันให้ส่ิงบกพร่อง (dislocation) เคลื่อนที่ไปมาในโลหะได้ การตีเหล็ก (Work Hardening) ก็เพื่อทำให้เหล็กมันแข็ง เช่นเราทำจอบ เสียม มีดพร้า ก็เพื่อว่าเล็กจะได้ไม่เสียรูปทรงเมื่อเอามีดพร้าไปฟันต้นไม้หลายๆที เราก็ตีเหล็กโดยการเผาให้ร้อนแล้วทุบๆ เผาแล้วทุบหลายๆรอบ จุดประสงค์ของการตีเหล็กก็เพื่อให้สิ่งบกพร่องเหล่านั้นถูกผลักดันให้หลุดออกไปจากกลุ่มก้อนหรืออยู่ไกลออกไปหรืออยู่ในตำแหน่งที่ไปไหนต่อไปไม่ได้อีกแล้ว การดึง แยก ยึดเหล็กก็เหมือนกับกระบวนการตีเหล็ก ทำให้เหล็กแข็งขึ้นโดยการทำให้สิ่งบกพร่องนั้นไม่สามารถเคลื่อนไหวไปไหนได้อีกต่อไป
อีกวิธีการหนึ่งของการทำให้เหล็กแข็งขึ้คือการทำสารละลายของโลหะในภาวะเป็นของแข็ง (Solid solution hardening) เมื่อเราละลายอะตอมนิเกิ้ลจำนวนน้อยๆเข้าไปในโลหะ การมีอยู่ของกลุ่มอะตอมของนิเกิ้ลขนาดต่างๆ ตรงนิด ตรงนั้นหน่อยจะเป็นการเพิ่มแรงเค้นให้กับการจัดเรียงตัวของอะตอมโลหะทำให้ข้อบกพร่องในโลหะนั้นย้ายตำแหน่งไปมาได้ยากเราเรียกกระบวนการนี้ว่าเป็นการทำอัลลอยด์นั่นเอง ก่อนปี 1990 สมัยที่โรงงานผลิตอาวุธ Winchester Arms ได้เริ่มทำอัลลอยนิเกิ้ลเข้าไปในเหล็กที่ใช้ทำปืน ผลคือได้เหล็กที่แข็งขึ้นจากกระบวนการนี้นั่นเอง
Precipitation Hardening หรือการทำให้เกิตตะกอนของสิ่งแปลกปลอมก็เป็นกระบวนการเหมือนกับวิธีการข้างต้น นั่นคือพยายามสร้างแนวต้านทานการเคลื่อนที่ของความบกพร่องในโลหะภายใต้แรงกดดัน วิธีการคือการเติมสารแปลกปลอมเข้าไปเพื่อต้านทานการเคลื่อนที่ของความบกพร่องในเนื้อโลหะ ธาตุหลายๆชนิดต่าความสามารถในการละลายในโลหะเมื่ออยู่ในภาวะได้รับความร้อนแต่อาจจะเสียความสามารถในการละลายเมื่อโลหะเย็นลงและเริ่มแข็งตัว สารแปลกปลอมที่อาจจะมีหลายตัวนี้ก็จะถูกขับออกมาจากสารละลายและรวมตัวกันเป็นก้อนตกตะกอนอยู่ในโลหะของแข็งนั้น ในกรณีนี้จะเป็นวิธีที่ใช้กันมากในการทำสแตนเลสที่มีความแข็งสูง (high strength stainless steel) 17HP โดยตัวอักษร HP จะหมายถึง Precipitation hardening หรือการทำให้แกร่งด้วยวิธีตกตะกอนนั้นเอง
เหมือนสมัยเรียนตอนเด็กๆที่ครูเคยให้เราลองละลายน้ำตาลในน้ำร้อน โดยการคนและเติมน้ำตาลลงไปเรื่อยๆจนไม่สามารถจะละลายได้อีก เมื่อน้ำเย็นลงความสามารถในการละลายน้ำตาลจะน้อยลง น้ำตาลที่เกินออกมานั้นจะถูกบีบให้ออกมาจากสารละลายกลายเป็นผลึกน้ำตาลนั่นเอง
วิธีการทำอัลลอยแบบนี้อย่าง อลูมิเนียมเราก็เติมทองแดงกับนิเกิ้ลเข้าไป ผลที่ได้ก็จะมีลักษณะคล้ายกัน เมื่อตอนที่โลหะนี้ร้อนจะสามารถเติมทองแดงและนิเกิ้ลเข้าไปละลายในอลูมิเนียมได้ แต่เมื่อโลหะเหลวนี้เริ่มเย็นลงและแข็งตัว สารที่เติมเข้าไปทั้งสองอย่างนั้นบางส่วนก็จะตกตะกอนและแทรกอยู่ในเนื้อของอลูมิเนียม เนื่องจากมันต้องใช้เวลาในการตกตะกอนจะเข้าที่ กรรมวิธีในการทำให้แข็งด้วยวิธีตกตะกอน (precipitation hardened) นี้บางทีก็เรียกว่า age hardending หรือการทำให้แข็งตัวแบบใช้เวลา
อลูมิเนียมอัลลอยย์ Z5D ที่ Yamaha เป็นคนนำเอามาทำตัวถังรถครั้งแรกในปี 1980 นั้นเป็นอัลลอยย์แบบ age-hardening ดังนั้นจึงไม่ต้องเอาไปเผาให้ร้อนเพื่อให้ได้ความแข็งหลังจากผ่านกระบวนการเชื่อมแล้ว สิ่งที่ต้องการคือทิ้งไว้แล้วรอ โดยใช้เวลาประมาณหนึ่งหรือสองสัปดาห์ เพื่อให้เกิดการกระจายความร้อนของอะตอมในเนื้อโลหะและเกิดการสร้างตะกอนของอนุภาคขึ้นมา
Magnesium Alloy ความแข็งที่มากับน้ำหนักเบา
ในกรณีของแมกนีเซียม อัลลอยย์ที่ได้มีการทำกันในช่วงล่าสุดนี้จะมีการเติม อลูมิเนียม ซิลิกอน ธาตุหายาก strontium yttrium หรือ adolinium เพื่อสร้างกลุ่มตะก่อนของสราเหล่านี้ อัลลอยย์ที่มีอายุนานๆ จะเสียความแข็งแรงเมื่อเวลาผ่านไปด้วยกระบวนการที่เรียกว่า over-aging หรือนานเกินไป
การทำให้แข็งแกร่งด้วยวิธีการ Precipitation Hardening หรือทำให้ตกตะกอนนั้นเหมาะที่สุดเมื่อมันสามารถสร้างอนุภาคขนาดเล็กๆ จำนวนมาก แต่เมื่อเวลาผ่านไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูงขึ้น อนุภาคเล็กๆเหล่านี้อาจจะมารวมตัวกันเพื่อสร้างกลุ่มอนุภาคที่ใหญ่ขึ้นแต่จะมีจำนวนน้อยลง เหมือนอย่างเวลาที่ไอศครีมละลายแล้วเราเอาไปแช่แข็งใหม่ จะมีแผ่นน้ำแข็งที่ใหญ่ขึ้น เนื้อจะไม่ละเอียดเหมือนก่อนหน้านั้น วัสดุที่เกิดภาวะนี้จะเสียความแข็งไป กระบวนการนี้ในอดีตทำให้แมกนีเซียมนั้นถือเป็นตัวเลือกที่ไม่ดีหากจะนำมาทำกระบอกสูบเป็นต้น เราจะได้กระบอกสูบที่จากเดิมกลมแล้วค่อยๆเปลี่ยนรูปเป็นไม่กลมอีกต่อไป ใครจะไปอยากได้แบบนั้นหละใช่ไหมครับ
ใบพัดในเครื่องไอพ่นที่ใช้ในเครื่องบินยุคแรกๆ ก็ประสบกับปัญหานี้มาก่อน นั้นคือเปลี่ยนสภาพไปเมื่ออุณหภูมสูงขึ้น ใบพัดในเครื่องเทอร์ไบน์นั้นจะเริ่มยืดยาวขึ้นจนเริ่มถูกับผนังภายในของกรอบท่อ ซึ่งถือว่ายอมให้เกิดขึ้นไม่ได้ การทำให้โลหะแข็งแกร่งขึ้นด้วยวิธีทำให้ตกตะกอนนี้ในยุคแรกๆ จะทำให้ขิ้นส่วนนั้นสูญเสียความแข็งแรงเมื่อเวลาผ่านไป
การที่จะแก้ปัญหานี้วิธีการแรกคือแยกชิ้นส่วนเครื่องยนต์ออกมา ถอดชิ้นส่วนที่ร้อนที่สุดออก แล้วเอาไปเผาให้ความร้อนใหม่ อัลลอยย์ที่ได้รับการปรับปรุงเพิ่มเติมโดยการเติมไททาเนี่ยมเพื่อกระตุ้นให้เกิดการสร้างอนุภาคขนาดจิ๋วจำนวนมากตกตะกอนไปทั่วเนื้อโลหะ จึงก่อกำเนิดขึ้นมา หลังสงครามโลก อัลลอยย์ตัวใหม่ British Nimonic 80A ก็ได้ถูกนำมาใช้สำหรับ BSA 500 Gold Stars และ Harley-Davison Big Twins
สำหรับธาตุ yttrium นั้นจะไม่สามารถละลายได้เลยในแมกนีเซียมที่อุณหภูมิห้อง แต่สามารถละลายได้เล็กน้อยเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เมื่ออัลลอยย์ magnesium-yttrium เย็นลง ธาตุ yttrium จะถูกดันออกมาจากสารละลายให้กลายเป็นอนุภาคขนาดเล็กจำนวนมาก ซึ่งจะทำหน้าที่ตำแหน่งศูนย์กลางให้ธาตุอัลลอยย์อื่นๆที่เติมเข้าไปนั้นรวมตัวกันอยู่ อนุภาคขนาดเล็กนี้ไม่เพียงแต่ทำให้โลหะแข็งแกร่งขึ้นจากการป้องกันไม่ให้สิ่งบกพร่องในโลหะเคลื่อนตัวได้เท่านั้น แต่โดยการที่ขนาดที่ไม่เท่ากันของอนุภาคเหล่านี้ ทำให้เป็นการยากขึ้นที่แต่ละอนุภาคจะมารวมตัวกันให้ใหญ่ขึ้น เลยทำให้กระบวนการ over-aging นั้นช้าลงมาก
ปัจจุบันนี้เรามี แมกนีเซียมอัลลอยที่มีค่าความแข็งแรงมากกว่า 80,000 psi ซึ่งถือเป็นการพัฒนาก้าวหน้าอย่างมากเมื่อเทียบกับค่า 24,000 psi ในยุคปี 1960 (ค่า tensile strength ของเหล็กเหนียวอยู่ที่ 65,000 psi) ก็นับว่าถึงยุคของแมกนีเซียมแล้ว และพร้อมที่จะก้าวหน้าไปกับการพัฒนาโลหะอัลลอยย์เทียบเท่ากับโลหะชนิดอื่นๆ คาดว่าเราคงจะได้เห็นชิ้นส่วนมอเตอร์ไซค์ที่เป็น magnesium มากขึ้นในอนาคตอันไกล้นี้แน่นอน
เรียบเรียงโดย mocyclover.com
ข้อมูลจาก cycleworld.com
ads2