<%@ Language=VBScript %><% response.buffer=true %>News : MTEC2004
สาระน่ารู้
 
RBSN NEAR-NET-SHAPE CERAMICS ตอนที่ 1
ดร.กุลจิรา สุจิโรจน์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ(เอ็มเทค)
 
 
       โดยทั่วไป เป็นการยากมากที่จะผลิตเซรามิกส์ให้ได้ขนาดตามค่าเผื่อทางวิศวกรรม (engineering tolerance) เนื่องจากเซรามิกส์ที่ผ่านการขึ้นรูปจากผงวัตถุดิบแล้วเผาผนึก (sintering) ที่อุณหภูมิสูง (> 1,000oC) มักมีการหดตัวอยู่ในช่วง 15-20% ถ้าต้องการผลิตให้ได้ขนาดตามต้องการ จะต้องคำนวณขนาด ก่อนและหลังเผา อย่างละเอียด ควบคุมการเผาอย่างระมัดระวัง และต้องเสียค่าใช้จ่ายในการกลึงแต่งชิ้นงานหลังเผาสูงมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เซรามิกส์ที่มีความแข็งมากๆ อย่างซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) หรือ ซิลิกอนไนไตรด์ (Si3N4) การที่สามารถผลิตซิลิกอนไนไตรด์ในกลุ่ม RBSN (Reaction-Bonded Silicon Nitride) ให้มีขนาดใกล้เคียง ผลิตภัณฑ์ได้โดยแทบจะไม่ต้องมีการกลึงแต่งหลังเผา จึงช่วยให้ลดค่าใช้จ่ายในการผลิตได้มาก และสามารถขึ้นรูปที่สลับซับซ้อนได้ บทความนี้จึงจะแสดงข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับซิลิกอนไนไตรด์ ทั้งสมบัติพื้นฐานและพัฒนาการด้านกระบวนการผลิต จากนั้นจึงเน้นด้านกลไกการเกิดปฏิกิริยา nitridation กระบวนการผลิต RBSN และนำเสนอแนวทางในการวิจัยเพื่อพัฒนาอุปกรณ์หัวฉีดน้ำมันสำหรับโรงไฟฟ้า
   
   
 
 แนะนำซิลิกอนไนไตร์ด (Si3N4)
   
 
       ซิลิคอนไนไตรด์ เป็นวัสดุที่รวมลักษณะเฉพาะ เด่น ๆ หลายประการ เช่น คงความแข็งแรงทางกล (mechanical strength) ไว้ได้ที่อุณหภูมิสูง มีความ ต้านทานการคืบตัวที่ดี มีความแข็งสูง (hardness) และมีความถ่วงจำเพาะต่ำ ซิลิคอนไนไตรด์ จึงเป็นวัสดุที่มีการใช้งานอย่างกว้างขวาง ภาพที่ 1a แสดงตัวอย่าง ชิ้นส่วนอุปกรณ์ในงานเชื่อม ที่ต้องการความเที่ยงตรงสูง เพราะซิลิกอนไนไตร์ด มีสมบัติเป็นฉนวนไฟฟ้า ทนต่อสะเก็ดไฟ ที่เกิดจากการเชื่อม ทนต่ออุณหภูมิสูงและ การเปลี่ยน อุณหภูมิอย่างฉับพลัน รวมทั้งทนต่อการสึกหรอ (wear) ได้ดี
 
       นอกจากนี้ซิลิคอนไนไตรด์ยังมีสมบัติเฉื่อยต่อปฏิกิริยาเคมี (chemical inertness) ทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี (corrosion resistance) โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การกัดกร่อนจากโลหะหลอม นอกกลุ่มเหล็ก จึงมีการใช้งาน เป็นชิ้นส่วนอุปกรณ์ในอุตสาหกรรม ดังกล่าว อย่างหลากหลาย (ภาพที่ 1b)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
 
 
 
 แนะนำซิลิกอนไนไตร์ด (Si3N4)
 
       โดยปกติ ซิลิกอนไนไตร์ดไม่เกิดตามธรรมชาติ มีรายงานการพบสารประกอบซิลิกอนไนไตร์ดครั้งแรกในปี ค.ศ. 18591 และต่อมามีการเล็งเห็นว่าน่าจะสามารถใช้งานได้ในปี ค.ศ. 19052 แต่การใช้งานอย่างเป็นรูปธรรมเริ่มเกิดขึ้นจริงในทศวรรษ 19403 เมื่อนักวิจัยควบคุมปฏิกิริยา nitridation ได้ ส่งผลให้ผู้ประกอบการสามารถ ผลิตซิลิกอนไนไตร์ดได้ ในราคาที่สมเหตุสมผล

       ตารางที่ 1 แสดงให้เห็นพัฒนาการผลิต ซิลิกอนไนไตร์ด โดยวิธีต่างๆ ในระยะ เริ่มแรก เป็นการใช้ซิลิกอนไนไตร์ด เสมือนสารเชื่อมประสาน ซิลิกอนคาร์ไบด์ เนื่องจากการผลิต ซิลิกอนไนไตร์ด จากปฏิกิริยา nitridation ของซิลิกอน (หรือในภายหลังเรียกว่า reaction-bonded silicon nitride) สามารถทำได้ที่อุณหภูมิ การผลิตค่อนข้างต่ำ ต่อมา ควบคู่กับการพัฒนา RBSN ก็ยังมีการพัฒนากระบวนการผลิต โดยเทคนิคอื่น ที่ใช้ซิลิกอนไนไตร์ดเป็นวัตถุดิบ ร่วมกับสารเติมอื่นๆ เพื่อช่วยในการเผาผนึก (sintering aids) การผลิต โดยวิธีเหล่านี้ ต้องเสียค่าใช้จ่ายสูง อีกทั้ง มีจุดด้อยคือสารช่วยเผาผนึก มักเกิดเป็น เนื้อแก้วที่ขอบเกรน ของซิลิคอนไนไตรด์ ทำให้ความแข็งแรง ทางกลที่อุณหภูมิสูง มีค่าลดลงมาก ดังแสดงในภาพที่ 2 จะเห็นว่า RBSN คงความแข็งแรงได้ถึง 1,400oC ส่วน sintered silicon nitride (SSN) และ hot-pressed silicon nitride (HPSN) มีค่า ความแข็งแรง ลดลงที่อุณหภูมิประมาณ 600 และ 1,000oC ตามลำดับ

     การวิจัยในระยะหลัง มักจะเน้นการศึกษา เกี่ยวกับ การปรับส่วนผสม 4 และการปรับสภาพด้วยความร้อน5 (heat treatment) เพื่อให้เกิดการตกผลึกของเนื้อแก้วที่ขอบเกรน ซึ่งคาดว่าจะทำให้ชิ้นงานที่ได้มีสมบัติดีขึ้น ส่วนงานที่ต้องการ วัสดุซึ่งมีสมบัติดีมาก ๆ และไม่มีข้อจำกัดด้านราคา เช่น ใบพัดสำหรับเครื่องยนต์กังหันก๊าซ (gas turbine engine) อาจใช้ Hot Isostatic Pressing (HIP) เพื่อผลิตซิลิกอนไนไตร์ด ที่มีเนื้อแน่น สม่ำเสมอ
ตารางที่ 1 พัฒนาการผลิตซิลิกอนไนไตรด์
ปี
ค.ศ.
ผลิตภัณฑ์
วัตถุดิบ
อุณหภูมิ
(oC)
ความดัน
(MPa)
การหดตัว
(%)
ความพรุน
(%)
การกลึงแต่ง
หลังเผา
1906 Si3N4 as binder (Si3N4-bonded SiC)
Si
1400
1955 Reaction-Bonded Silicon Nitride (RBSN)
Si
1400
0
10-25
ไม่มี
1961 Hot pressed
Si3N4 + additives
1650-1850
15-30
~0
มาก
Hot isostatic pressed Si3N4
Si3N4 + additives
1700-1900
200
~15
~0
น้อย
1971 Silicon aluminium
Si3N4 + Al2O3
1700
15-30
oxynitride (SiAlON)
SiO2 + AlN
1976 Sintered silicon nitride (SSN)
Si3N4 + additives
1700-1800
0.1
~15
<3
น้อย
1977 Post sintered RBSN (SRBSN)
RBSN
1800-2000
0.1-8
 

       
เมื่อเปรียบเทียบกระบวนการผลิตซิลิกอนไนไตร์ดแล้ว อาจกล่าวได้ว่า RBSN มีข้อได้เปรียบดังต่อไปนี้



# ต้นทุนการผลิตต่ำ เนื่องจาก สารเคมีเริ่มต้นมีราคาถูก อุณหภูมิการเผาค่อนข้างต่ำ การควบคุมบรรยากาศการเผา ไม่ยุ่งยากมากนัก เพราะต้องการเพียงควบคุม บรรยากาศ ให้เป็นไนโตรเจน โดยไม่จำเป็นต้องเพิ่มความดัน และสามารถผลิตได้โดยแทบจะไม่ต้องกลึงแต่งหลังเผา

# ชิ้นงานมีขนาด near-net-shape เพราะกระบวนการผลิต ไม่ก่อให้เกิดการหดตัว เหมือนการเผาเซรามิกส์ทั่วไป ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีขนาดใกล้เคียงกับขนาดชิ้นงานหลังขึ้นรูป และสามารถกลึงแต่งรูปร่างได้โดยวิธีทั่วไปที่ใช้สำหรับโลหะ ทำให้สามารถผลิตชิ้นส่วน ที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ โดยมีขนาดตาม ค่าเผื่อทางวิศวกรรม


       อย่างไรก็ดี การใช้งาน RBSN มีข้อจำกัด จากกระบวนการผลิต ที่ชิ้นงานยังมีความพรุนเหลืออยู่ จึงไม่เหมาะกับการใช้งาน ที่ต้องรับแรงมาก แต่มีงานวิจัย6 ที่แสดงว่าปัญหาดังกล่าว อาจบรรเทาได้ด้วยการควบคุมให้รูพรุนมีขนาดเล็กสม่ำเสมอ ซึ่งจะช่วยให้ผลิตภัณฑ์มีความแข็งแรงสูงขึ้นได้มาก

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
         ติดตามอ่าน RBSN NEAR-NET-SHAPE CERAMICS
ตอนที่ 2 ที่นี่ >>
 
เอกสารอ้างอิง ::
  1. Deville, S-C.H. & Woehler,F. (1859) Lieb.Ann. Vol. 110, p. 248
  2. Egly,G. (1905) US patent number 866 444
  3. (a) Carborundum Co,. 'Silicon nitride bonded articles' US patent number 2 618 565, (b) Carborundum Co,. 'Silicon nitride bonded refractrory articles' US patent number 2 636 828
  4. Raj,R. & Lange,F.F. (1981) Acta Metall. 29[12]1993-2000
  5. Clarke,D.R.; Lange,F.F.; & Schnittgrund,G.D. (1982)J.Am.Cer.Soc. 65[4]C51-C52
  6. Eddington,J.W.; Rowcliffe; & Henshall,J.L. (1975) Powder Metall.Int. 7[2]82-96
  7. Rahaman,M.N. & Moulson A.J. (1981) J.Mater.Sci.16[8]2319-21
  8. Moulson,A.J. (1979) J.Mater.Sci. 14,1017-51
  9. กุลจิรา สุจิโรจน์ และ เบญญา เชิดหิรัญกร (2541) 'การผลิตและหาลักษณะเฉพาะของ RBSN' รายงานการวิจัย พัฒนาและวิศวกรรม ฉบับสมบูรณ์ เสนอต่อศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ
  10. กันยาทิพย์ ตันติคมน์ (2544) 'การขึ้นรูปและวิเคราะห์คุณลักษณะของรีแอกชันบอนด์ซิลิคอนไนไตร์ด' วิทยานิพนธ์มหาบัณฑิต ภาควิชาวิศวกรรมโลหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย
 
 

Copyright © 1997-2005,MTEC,NSTDA. All rights reserved.