มจธ.พบ “ธาตุหายาก” ปรับโครงสร้างอะลูมิเนียมได้เป็นรายแรกของโลก

มจธ.-มจธ.เร่งพัฒนาอะลูมิเนียมหล่อผสมเจือด้วย “สแกนเดียม” หนึ่งในธาตุหายาก หลังค้นพบความสามารถในการปรับโครงสร้างรายแรกของโลก คาดหากทำสำเร็จจะนำไปสู่การประยุกต์ใช้งานเชิงวิศวกรรมได้มาก

ปัจจุบันมีการนำอะลูมิเนียมผสมมาใช้งานแทนเหล็กมากขึ้น เพราะความหนาแน่นต่ำ และมีความแข็งแรงต่อหน่วยน้ำหนักสูง ดังนั้นจึงนิยมใช้อะลูมิเนียมในด้านต่างๆ มากมาย รวมถึงในการผลิตในภาคอุตสาหกรรมยานยนต์ แต่ข้อจำกัดที่พบคือ เมื่อนำอะลูมิเนียมไปใช้งานในอุณหภูมิที่สูงจะทำให้สูญเสียความแข็งแรงอย่างรวดเร็ว เช่น หากระบบหล่อเย็นฝาสูบเครื่องยนต์มีปัญหาหม้อน้ำแห้ง ฝาสูบก็จะโก่งเสียหายอย่างรวดเร็ว

นอกจากนี้เครื่องยนต์ดีเซลที่มีพัฒนาการให้มีกำลังอัดที่มากขึ้น ยิ่งต้องการอะลูมิเนียมที่ทนต่อสภาวะที่รับภาระกรรมมากขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้น จึงต้องพัฒนาอะลูมิเนียมผสมเพื่อนำไปใช้ในอุณหภูมิที่สูง และลดข้อจำกัดดังกล่าว อีกทั้งจะทำให้มีการนำอะลูมิเนียมไปใช้งานด้านวิศวกรรมได้อย่างกว้างขวางมากขึ้น ภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี (มจธ.) จึงได้ทำวิจัยเพื่อปรับปรุงอะลูมิเนียมผสมสำหรับอุตสาหกรรมหล่อโลหะและการอัดขึ้นรูป

รศ.ดร.เชาวลิต ลิ้มมณีจิตร รองอธิการบดีฝ่ายพัฒนานักศึกษา และอาจารย์ประจำสาขาวิศวกรรมหล่อโลหะและโลหการ ภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มจธ.กล่าวว่า อะลูมิเนียมเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อทางวิศวกรรมไม่ว่าวิศวกรรมยานยนต์หรืองานอื่นๆ ประกอบกับยุคปัจจุบันที่โลกเริ่มมีข้อจำกัดเรื่องของพลังงาน ทำให้โลหะที่มีความหนาแน่นต่ำ แต่มีความแข็งแรงสูง เป็นที่นิยมและอยู่ในความสนใจของวิศวกรทั่วโลกที่ต้องการพัฒนาความสามารถในการหล่อหลอมของอะลูมิเนียมเพื่อลดโอกาสที่จะเกิดของเสียและการปรับโครงสร้างภายในเพื่อให้เหมาะสมกับการนำไปใช้งาน และประเด็นที่ท้าทายคือการนำเอาอะลูมิเนียมไปใช้งานในอุณหภูมิที่สูงขึ้น

“ทุกอย่างย่อมมีดีมีเสีย การใช้อะลูมิเนียมแม้จะทำให้โครงสร้างมีน้ำหนักเบา แต่ก็มีข้อจำกัดใช้งาน เช่น ใช้งานที่อุณหภูมิสูงไม่ได้ ส่วนเหล็กแม้ทนต่ออุณหภูมิสูงแต่มักมีน้ำหนักที่มากและยากที่จะทำให้เหล็กเบาลง หากเราใช้งานทั่วๆไปในอุณหภูมิ 200-300 องศาเซลเซียส ความแข็งแรงของอะลูมิเนียมผสมก็จะลดลงอย่างมาก และอาจสร้างความเสียหายให้กับชิ้นส่วนนั้นๆ ในขณะที่เหล็กสามารถรักษาความแข็งแรงได้มากกว่า เพราะมีจุดหลอมเหลวที่สูงกว่า แต่ก็มีน้ำหนักมากกว่าถึง 3 เท่าที่ปริมาตรเท่ากัน ดังนั้นหากทำให้อะลูมิเนียมผสมสามารถทนอุณหภูมิสูงที่ดีขึ้นกว่าเดิม 20-30 % ก็ถือว่าดีมากแล้ว จึงเป็นหน้าที่ของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเข้ามาช่วย”  รศ.ดร.เชาวลิตระบุ

ในการศึกษาวิจัย ทีมวิจัยของภาควิชาวิศวกรรมอุตสาหการได้ใช้ “โลหะสแกนเดียม” (Scandium) ซึ่งจัดอยู่ในกลุ่ม “ธาตุหายาก” เป็นโลหะที่มีทั้งความเบาและแข็งแรงให้กับอะลูมิเนียมกลุ่มที่ใช้ในงานอัดรีด ราคาแพง นำมาผสมกับอะลูมิเนียม แต่ยังไม่พบว่ามีงานวิจัยที่นำธาตุหายากนี้ไปใช้ในอะลูมิเนียมหล่อเกรด โดยอะลูมิเนียมผสมที่นิยมมากที่สุดคือ อะลูมิเนียมผสมซิลิคอน

ทีมวิจัยซึ่งนำโดย รศ.ดร.เชาวลิต จึงถือเป็นกลุ่มวิจัยที่ค้นพบผลของคุณสมบัติของสแกนเดียมในการนำมาใช้ประโยชน์กับอะลูมิเนียมในกลุ่มหล่อที่พบว่าทำให้ได้เกรนที่เล็กละเอียด และปรับโครงสร้างของซิลิคอนที่มีความเหมาะสมในงานนำไปใช้งานวิศวกรรมได้เป็นอย่างดี และได้รายงานผลการวิจัยดังกล่าวในวารสารวิชาการระดับนานาชาติเป็นรายแรกของโลก นอกจากนั้นยังพบว่าสามารถปรับปรุงสมบัติทางกล เมื่อนำไปใช้งานได้เป็นอย่างดี ทำให้เพิ่มโอกาสที่จะลดข้อจำกัดในการนำเอาไปใช้งานกับเครื่องยนต์ดีเซลรุ่นใหม่ที่มีกำลังสูง เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีมากยิ่งขึ้นอีกด้วย

“การพัฒนาวัสดุอย่างหนึ่งขึ้นมา จะต้องมองให้ครบทั้งกระบวนการว่า วัสดุชิ้นนี้จะผลิตได้ง่าย คุณสมบัติต้องได้กรณีโลหะจะควบคุมด้วยโครงสร้างและฟังก์ชั่น การนำไปใช้งานต้องดี เช่น ไม่เป็นสนิมหรือทนความร้อนได้ ดังนั้น ทีมวิจัยซึ่งมีนักศึกษาที่มีความสามารถทำงานวิจัยในด้านต่างๆ เมื่อนำผลวิจัยมารวมกันก็จะตอบโจทย์ให้กับเป้าหมายของโครงการ” รศ.ดร.เชาวลิตกล่าว

หัวหน้าทีมวิจัยยังคาดว่างานวิจัยนี้จะมีประโยชน์ทั้งทางตรงและทางอ้อม ซึ่งหากทำสำเร็จจะลดข้อจำกัดของการนำอะลูมิเนียมไปใช้งานจากเดิมที่นำไปใช้ได้กับงานที่มีอุณหภูมิต่ำเท่านั้น เมื่อทำให้อะลูมิเนียมผสมทนต่ออุณหภูมิได้สูงขึ้นจะเป็นการเปิดโอกาสให้สามารถนำอะลูมิเนียมไปใช้ได้มากขึ้น  ส่วนประโยชน์ทางอ้อม ทำให้เข้าใจถึงธรรมชาติหรือพฤติกรรมของอะลูมิเนียมได้ดีขึ้น แม้จะยังนำไปใช้ประโยชน์ทันทีไม่ได้ เพราะต้องผ่านกระบวนการทดสอบหลายขั้นตอน

“ไม่เพียงแค่การมีสมบัติการหล่อได้ดีหรือทนต่ออุณหภูมิสูง แต่ยังมีขั้นตอนอื่นๆ เช่น การทนต่อการกัดกร่อน การทนต่อสนิม การทนต่อการใช้งานในระยะยาว และการทนต่อแรงเสียดสี  งานวิจัยนี้จึงเป็นจุดเริ่มที่มีความสำคัญในการพัฒนาอะลูมิเนียมยุคใหม่เพื่อจะนำไปใช้ในการผลิตชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ที่สามารถทนความร้อนได้ดีขึ้น และความรู้ที่ได้ในการปรับสมบัติการหล่อหลอมให้ดีขึ้น จะทำให้การผลิตล้อแม็กซ์ หรืออะลูมิเนียมอัลลอยด์ในอนาคต มีความแข็งแรงสูงขึ้น และใช้งานด้วยขนาดหน้าตัดที่เล็กลงได้”  รศ.ดร.เชาวลิตสรุป