การอบ-ชุบอลูมิเนียมที่ระดับอุณภูมิเกินกว่า 520 °C

McKinsey บริษัทที่ปรึกษาด้านการบริหารชั้นนำของโลกคาดการณ์ว่า อุตสาหกรรมยานยนต์จะใช้อลูมิเนียมสูงขึ้นถึง 3 เท่าเป็น 16.9 ล้านตันภายในปี 2030 โดยเฉพาะในการผลิตโครงสร้างตัวรถที่มีน้ำหนักเบาคุณสมบัติของมันมีส่วนสำคัญเป็นพิเศษ

แม้จะเป็นวัตถุดิบพื้นฐาน อลูมิเนียมมีข้อดีกว่าวัสดุอื่น ๆ ตรงที่ มีความหนาแน่นต่ำจึงมีน้ำหนักเบาและมีความทนทาน แต่บางทีข้อได้เปรียบที่สำคัญที่สุดก็คือคุณสมบัติอันพิเศษสุดของมันตรงที่สามารถกำหนดเป้าหมายการใช้งานได้ บริษัทขนาดกลางในเยอรมนีใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติข้อนี้ของอลูมิเนียมมาเป็นระยะเวลา 20 ปีแล้ว ด้วยการใช้อลูมิเนียมในการอบ-ชุบโลหะ (heat treatment)

ในสามพื้นที่ใน North Rhine-Westphalia และ Bavaria ของเยอรมนี Newalu ดำเนินการผลิตชิ้นส่วนประมาณ 3 ล้านชิ้นต่อปีในระบบ Multilayer เช่น ชิ้นส่วนยานยนต์ และเครื่องยนต์สำหรับผู้ผลิตรถยนต์เช่น Audi, BMW, Mercedes-Benz และ VW ด้วยโครงสร้างอลูมิเนียมที่มีน้ำหนักเบาช่วยให้น้ำหนักของรถลดลงกว่า 60 กก.เครื่องยนต์ที่เล็กลงส่งผลให้สมรรถนะสูงขึ้น จากการใช้เชื้อเพลิงที่ลดลงและอัตราปล่อยมลพิษลดลง โครงสร้างน้ำหนักเบาไม่ได้เป็นเพียงข้อได้เปรียบของวัสดุเท่านั้น เพราะอลูมิเนียมสามารถนำไปหล่อได้เกือบทุกรูปแบบ ช่วยให้สามารถผลิตชิ้นส่วนที่ซับซ้อนและใช้ประโยชน์ได้หลากหลาย ซึ่งก่อนหน้านี้ต้องประกอบกันขึ้นด้วยต้นทุนสูง จากส่วนประกอบแต่ละชิ้นที่แยกส่วนกัน อย่างไรก็ตาม heat treatment หรือ การอบ-ชุบโลหะทำให้ส่วนประกอบที่หล่อขึ้นมีความแข็งแรงทนทานตามมาตรฐานและมีความเค้นตกค้าง (residual stress) ลดลง ทั้งนี้ อลูมิเนียมสามารถนำมาใช้แทนเหล็กได้ก็จริง แต่จะเป็นเช่นนั้นได้ก็ต่อเมื่อส่วนประกอบอลูมิเนียมต้องทนทานต่ออุณหภูมิที่สูงที่สุดได้

ความเสถียรที่อุณภูมิสูงสุดกว่า 520 °C

กระบวนการอบ-ชุบโลหะ (heat treatment process) รวมถึง โซลูชั่นการอบเหล็กให้อ่อนตัว หรือ การอบอ่อน (annealing) การชุบ (quenching) และ subsequent ageing ซึ่งลักษณะที่แน่นอนของกระบวนการจะมีการปรับในแต่ละรายการตามลำดับ “heat treatment process เริ่มต้นด้วยการพัฒนาพารามืเตอร์ที่ถูกต้อง เช่น อุณหภูมิ เวลาในการหล่อในเตาหลอม และวิธีที่ใช้ในกระบวนการชุบ สิ่งเหล่านี้ถูกพัฒนาด้วยความร่วมมืออย่างใกล้ชิดกับฝ่ายพัฒนาของผู้ผลิตยานยนต์” Martin Volpers กรรมการผู้จัดการฝ่ายปฏิบัติการที่ Newalu GmbH อธิบาย อุณหภูมิที่สูงเกินกว่า 520 องศาเซลเซียสและการชุบเย็นที่ตามมาเป็นตัวตัดสินว่า ชิ้นส่วนจะถูกรักษาไว้ได้ตลอดกระบวนการทั้งหมด ก่อนที่ส่วนประกอบอลูมิเนียมจะถูกนำเข้าเตาหลอม ชั้นวางที่ถูกสั่งทำตามขนาดก็ได้ถูกพัฒนาขึ้น การเปลี่ยนรูปที่อาจเกิดขึ้นได้นี้จะถูกนำมาวิเคราะห์ด้วยการวัดแบบ 3D ทั้งนี้ ชั้นวางถูกออกแบบมาในลักษณะที่จะไม่ทำให้ส่วนประกอบเกิดการเสียรูปในระหว่างกระบวนการอบ-ชุบทั้งหมด

เช่นเดียวกับความสำเร็จของกรรมวิธีทางความร้อน คือการชุบเย็น (quenching) ชิ้นส่วนต่างๆ เทคโนโลยีหนึ่งที่ได้รับการพัฒนาขึ้นโดย Newalu คือการ quenching ในอ่างพอลิเมอร์ ซึ่งเหมาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นงานที่มีความหนาของผนังแตกต่างกัน ในอ่างน้ำธรรมดาพื้นที่ที่มีผนังบางจะเย็นเร็วกว่าพื้นผิวที่มีผนังหนาขึ้นซึ่งจะมีผลเสียต่อความเค้นตกค้างในส่วนประกอบ แต่ในอ่างพอลิเมอร์ โพลิเมอร์ทำหน้าที่เป็นเหมือนเจลบนพื้นที่บาง ๆ ที่เย็นลงแล้วและป้องกันการเย็นตัวลงอย่างรวดเร็ว ทั้งนี้ พอลิเมอร์ไม่สามารถเกาะติดกับบริเวณที่มีผนังหนาซึ่งยังเป็นบริเวณที่ร้อนอยู่ เป็นผลให้กระบวนการระบายความร้อน (cooling process) ยังคงดำเนินต่อไปจนกว่าพื้นที่เหล่านี้จะไปถึงอุณหภูมิตามเป้าหมายที่ต้องการ

High-speed air quenching (Hisaq) ซึ่งเหมาะสำหรับการผลิตแบบเป็นชุดได้รับการพัฒนาโดยบริษัทและมีการยื่นขอจดสิทธิบัตรตั้งแต่ปี 2003 ผลของวิธีการนี้ทำให้มีการระบายความร้อนสม่ำเสมอของส่วนประกอบโดยไม่มีการบิดเบี้ยว ช่วยเพิ่มความหนาของผนังด้วยความเสถียรที่เพิ่มขึ้นซึ่งเป็นข้อดีโดยเฉพาะสำหรับส่วนประกอบของตัวถังรถ หลังจากทำความเย็น ชิ้นส่วนสามารถเข้าสู่กระบวนการผลิตหรือส่งประกอบได้โดยตรง ระหว่างทางไปยังสายการประกอบ ข้อดีของชิ้นส่วนน้ำหนักเบาที่เห็นได้ชัดประการหนึ่งก็คือเรื่องของ น้ำหนัก คาร์บอนไดออกไซด์ และค่าใช้จ่ายที่ลดลงในระหว่างการขนส่ง

การเปลี่ยนแปลงสู่ e-mobility คือตลาดแห่งอนาคต

ด้วยการมาถึงของยุค electric mobility หรือ การขนส่ง/เคลื่อนที่ด้วยระบบไฟฟ้า คือการมาถึงของยุคยานยนต์ไฟฟ้า หรือ EVs อุตสาหกรรมยานยนต์ของเยอรมันกำลังเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างครั้งใหญ่ที่สุดครั้งหนึ่งในประวัติศาสตร์ “สำหรับโครงสร้างอลูมิเนียมน้ำหนักเบา การเปลี่ยนไปสู่ e-mobility เป็นตลาดที่แน่นอนในอนาคต” Stefan Matthaei กรรมการผู้จัดการ Strategy ที่ Newalu กล่าว

“ไม่ว่าเราจะให้ความร้อนกับบล็อกมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีการควบคุมแบบบูรณาการ หรือบล็อกเครื่องยนต์สันดาปที่มีสี่สูบก็ไม่เกี่ยวข้องกับรูปแบบธุรกิจของเรา” Matthaei กล่าว ถ้อยคำสำคัญในบริบทนี้คือ ถาดแบตเตอรี่ หรือ battery container ภาชนะแบตเตอรี่ เมื่อตระหนักถึงโครงสร้างที่ซับซ้อนของชิ้นส่วนเหล่านี้ซึ่งที่มีข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพการชนสูง จึงต้องใช้อลูมิเนียมหล่อโดยเฉพาะ

“ชิ้นส่วนเหล่านี้เป็นสิ่งน่าตื่นเต้นอย่างมาก เพราะไม่เป็นรองใครในเรื่องความแข็งแรงและความทนทานของชิ้นส่วนโครงสร้างตัวรถ ซึ่งเป็นชิ้นส่วนที่มีขนาดใหญ่มาก ยาวประมาณ 1.20 เมตร กว้างและลึก 80 ซม. ความเชี่ยวชาญในเรื่องการอบ-ชุบ (Heat Treatment) จึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่นี่” Matthaei กล่าวเสริม

กรรมวิธีทางความร้อน (Heat Treatment) หรือเรียกสั้นๆ ว่า “การอบ-ชุบ” หมายถึง “การรวมเอา การทำให้ร้อน การทำให้เย็น เวลา และการประยุกต์ ใส่เข้าไปในโลหะหรือโลหะผสมในสภาพที่ยังเป็นของแข็ง แล้วทำให้ได้คุณสมบัติตามที่ต้องการ” เพื่อเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติให้ได้ตามที่ต้องการ

About The Author