วัสดุในอุตสาหกรรมการผลิต
วัสดุอุตสาหกรรมถือว่ามีความสำคัญมากในลำดับต้นๆ ของภาคอุตสาหกรรมการผลิต ซึ่งส่วนใหญ่แล้วจะเกี่ยวข้องกับปริมาณและต้นทุนของวัสดุเป็นสำคัญ เนื่องจากวัสดุที่นำมาใช้ในกระบวนการผลิตของภาคอุตสาหกรรมการผลิตมีความหลากหลายมาก ดังนั้นในที่นี้จะกล่าวถึงวัสดุอุตสาหกรรมเฉพาะเพียงบางส่วนที่ใช้งานกันอย่างแพร่หลาย
การจำแนกประเภทของวัสดุ
(Classification of Materials)
วัสดุที่นำมาใช้ในงานอุตสาหกรรม มีมากมายหลายชนิดด้วยกัน และมีผู้พยายามที่จะคิดค้นเพื่อจำแนกวัสดุดังกล่าวออกเป็นหมวดหมู่เพื่อให้ง่ายแก่การเรียกใช้และง่ายแก่การจดจำ โดยส่วนใหญ่แล้วจะจำแนกตามคุณลักษณะเฉพาะของวัสดุนั้น ๆ เช่น จำแนกตามความหนาแน่นและน้ำหนักของวัสดุ จำแนกตามแหล่งกำเนิดที่ค้นพบ จำแนกตามลักษณะกรรมวิธีการผลิตหรือจำแนกตามวิธีการนำไปใช้งานของวัสดุนั้น ๆ สำหรับวัสดุในงานอุตสาหกรรมสามารถจำแนกออกตามลักษณะของผลผลิตเป็น 3 กลุ่มใหญ่ ๆ คือ ประเภทโลหะ(Metallic)
โพลิเมอร์ (Polymer) หรือพลาสติก และเซรามิค (Ceramics)
1. วัสดุโลหะ (Metallic Materials) วัสดุประเภทนี้เป็นอนินทรีย์สารที่มีธาตุที่เป็นโลหะประกอบอยู่อย่างน้อยหนึ่งธาตุและบางครั้งอาจมีธาตุที่ไม่ใช้โลหะบางชนิดเจือปนด้วย ตัวอย่างของธาตุที่เป็นโลหะเช่น เหล็ก ทองแดง อลูมิเนียม นิกเกิล และไทเทเนียม ธาตุที่ไม่ใช่โลหะเช่น คาร์บอน ไนโตรเจน และออกซิเจน ซึ่งอาจปนอยู่ในโลหะได้ โครงสร้างของโลหะมีรูปผลึกนั่นคือ อะตอมมีการจัดเรียงตัวอย่างมีระเบียบ โดยปกติโลหะเป็นสื่อนำความร้อนและไฟฟ้าได้ดี
สำหรับการแบ่งประเภทของโลหะสามารถจำแนกออก
ประเภทของโลหะ (Metallic) แบ่งย่อยออกได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ คือ
· โลหะเหล็ก (Ferrous Metal) ได้แก่ เหล็กกล้า (Steel) เหล็กหล่อ (Cast Iron) หรือโลหะอื่นที่มีเหล็กเป็นองค์ ประกอบหลัก (Iron Base Metal) เช่น เหล็กกล้าผสม (Alloy Steel) เหล็ก
ไร้ สนิม (Stainless Steel) หรือเหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steel) เป็นต้น
· โลหะที่ไม่ใช่เหล็ก (Non Ferrous Metal) คือ โลหะที่ไม่มีธาตุเหล็กเป็นองค์ประกอบส่วนใหญ่ โลหะเหล่านี้อาจมีสมบัติบางจุดด้อยกว่าเหล็ก
แต่ก็มีสมบัติพิเศษซึ่งเหล็กไม่มี เช่น น้ำหนักหรือความถ่วงจำเพาะ ความหนาแน่น ความสวยงามของสีสัน สภาพที่เป็นตัวนำไฟฟ้าและความร้อน โลหะที่ไม่ใช่เหล็กนี้แบ่งออกได้ 3 ชนิด คือ โลหะหนัก (Heavy) โลหะเบา (Light Metals) และโลหะผสม (Alloy)
2. วัสดุโพลิเมอร์ (Polymer Materials) หรือเรียกอีกอย่างหนึ่งว่า “พลาสติก” เป็นสารประกอบอินทรีย์ ที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่สามารถสังเคราะห์ขึ้นได้ ประกอบขึ้นด้วย อะตอมของคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นส่วนใหญ่ โมเลกุลโซ่ยาวหรือเป็นร่างแห โดยโครงสร้างแล้วโพลิเมอร์ส่วนใหญ่ไม่มีรูปผลึก แต่บางชนิดมีโครงสร้างทั้งเป็นรูปผลึกและไม่เป็นรูปผลึกอยู่ในตัว ความแข็งแรงและความอ่อนเหนียวของโพลิเมอร์อาจแตกต่างกันได้มาก โพลิเมอร์มีความสำคัญต่อการพัฒนาเทคโนโลยีของอุตสาหกรรมต่าง ๆ มากเช่น อุตสาหกรรมเคมี อุตสาหกรรมสิ่งทอ หรืออุตสาหกรรมอาหาร เป็นต้น
3. วัสดุเซรามิค (Ceramics Materials) เป็นสารประกอบที่ประกอบด้วยธาตุอย่างน้อย 2 อย่าง จับตัวกันแบบโควาเลนต์ และไอโอนิค ทั้งโครงสร้างแบบผลึกเดียว และอสัญฐาน เป็นวัสดุทางวิศวกรรมที่ความสำคัญมากเนื่องจากคงความแข็งมากแม้นอุณหภูมิสูง ค่าการนำความร้อนและการนำไฟฟ้าต่ำ น้ำหนักเบากว่าโลหะ ทนต่อการสึกหรอ จุดหลอเหลวสูง เปราะ เซรามิคเป็นสารอินทรีย์ จำพวกดิน หิน ทราย และธาตุต่าง ๆ ที่นำาผสมกัน คือสารประกอบที่มีธาตุ โลหะ และธาตุอโลหะ เป็นองค์ประกอบ หรือธาตุกึ่งโละกับอโลหะ เช่น ออกไซด์ ไนไตรด์ คาร์ไบด์ เป็นต้น สรประกอบเหล่านี้การยึดตัวอระหว่างอะตอเป็นแบบไอออนิก (Ionic) และโควาเลนต์ (Covalent) จากลักษณะการจับตัวของเซรามิคจึงทำให้แบ่งเซรามิคออกเป็น 2 ชนิด คือ เซรามิคดั้งเดิม (Tradition Ceramics) และเซรามิคสมัยใหม่หรือเซรามิควิศวกรรม
โลหะ มีการค้นพบในรูปของสารประกอบและสินแร่ ซึ่งจะมีการนำสินแร่หรือสารประกอบเหล่านี้มาถลุงเพื่อให้ได้โลหะแยกออกมาอีกที แต่ในขณะเดียวกัน โลหะเนื้อค่อนข้างบริสุทธิ์ที่ได้จากการถลุงนั้นก็ไม่สามารถนำไปใช้งานได้ทันที
เพราะมีเนื้ออ่อนไม่แข็งแรง และมีคุณสมบัติไม่เพียงพอกับการใช้งานจึงต้องมีการนำไปปรับปรุงคุณสมบัติก่อน เพื่อให้โลหะมีความแข็งแรงพอที่จะนำมาใช้งานได้ ซึ่งโลหะที่ปรับปรุงแล้วนั้นก็จะมีคุณสมบัติที่เหมาะกับการใช้งานมาก เมื่อต้องการนำโลหะมาใช้ประโยชน์ในด้านงานอุตสาหกรรม จะต้องมีคุณสมบัติอย่างครบถ้วนสมบูรณ์ ดังนี้ สำหรับประเภทของวัสดุโลหะนั้น สามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท ดังนี้คุณสมบัติและประเภทของโลหะ ที่ควรรู้จักก่อนนำมาใช้งาน
คุณสมบัติของโลหะในงานอุตสาหกรรม
ประเภทของวัสดุโลหะ
1. วัสดุโลหะประเภทเหล็ก
เป็นโลหะที่มีเหล็กเป็นฐาน โดยจะนิยมใช้กันมากในวงการอุตสาหกรรม ตัวอย่างวัสดุโลหะประเภทนี้ ก็คือ เหล็กกล้า เหล็กเหนียวและเหล็กหล่อ เป็นต้น ที่สำคัญวัสดุประเภทนี้ ก็สามารถนำมาปรับปรุงคุณภาพ ให้มีความแข็งทนยิ่งขึ้นและสามารถเปลี่ยนแปลงรูปทรงได้หลายวิธีอีกด้วย โดยวิธีที่นิยมใช้เพื่อการเปลี่ยนแปลงรูปทรงส่วนใหญ่นั้น ก็คือการกลึง การหล่อและการอัดรีดขึ้นรูป เป็นต้น
2. วัสดุโลหะประเภทไม่ใช่เหล็ก
เป็นวัสดุโลหะที่ไม่มีเหล็กเป็นส่วนผสมเลย แถมโลหะบางชนิดก็มีราคาสูงกว่าเหล็กอีกด้วย ซึ่งโลหะประเภทนี้ก็ได้แก่ ดีบุก สังกะสี ทองแดง ทองคำ เงิน แมกนีเซียม ตะกั่ว เป็นต้น โดยโลหะประเภทนี้ก็สามารถนำมาใช้ในงานอุตสาหกรรมบางประเภท อย่างเช่น ดีบุกกับงานที่ต้องการความทนต่อการกัดกร่อน ทองแดงกับงานไฟฟ้าและอลูมิเนียมกับงานที่ต้องใช้น้ำหนักเบาอีกด้วย
ความเหนียวและความเปราะของโลหะ
ความเหนียวและความเปราะของโลหะ จะมีความแตกต่างและตรงข้ามกันอย่างสิ้นเชิง ซึ่งก็สังเกตได้จากการที่วัตถุนั้นๆ สามารถยืดออกจากกันได้มากน้อยแค่ไหน ซึ่งก็คือ หากวัสดุสามารถยืดออกจากกันได้มาก ก็แสดงว่ามีความเหนียว แต่หากวัสดุยืดออกจากกันได้แค่นิดเดียวก็ขาดออก นั่นหมายความว่าวัตถุนั้นๆ มีความเปราะมากกว่า
สำหรับโลหะ ได้ถูกผลิตขึ้นมาเพื่อให้มีความเหนียวแน่น เพื่อคุณสมบัติในการใช้งานที่คงทนและสามารถทนทานต่อการกระแทกได้ดี ทั้งยังสามารถซึมซับพลังงานก่อนจะเกิดความเสียหายได้มากกว่าวัสดุที่เปราะ จึงสรุปได้ว่าโลหะส่วนใหญ่จะมีความเหนียวมากกว่าความเปราะนั่นเอง
แร่โลหะ
แร่โลหะ ก็คือแร่ที่มีธาตุโลหะเป็นส่วนประกอบหลักอยู่ ซึ่งจะนิยมนำแร่โลหะเหล่านี้มาถลุงเพื่อแยกเอาโลหะบริสุทธิ์ออกมา โดยแร่โลหะก็ถูกแบ่งได้เป็นหลายชนิดดังนี้
- แร่เหล็ก เป็นแร่ที่มีความแข็งแกร่งที่สุด สามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลาย โดยเฉพาะในด้านงานการผลิตที่ต้องการความแข็งแรงเป็นหลัก ซึ่งแร่โลหะก็ถือได้ว่าเป็นแร่ที่ถูกนำมาใช้ประโยชน์มากที่สุด
- แร่เงิน จะมีลักษณะเป็นเส้นฝอย เหมาะกับการนำมาใช้ทำเป็นเครื่องประดับเงิน ส่วนใหญ่จะพบอยู่ในสายแร่ที่ปนอยู่กับแร่ทองแดง
- แร่กาลีนา เป็นแร่ที่มีสีน้ำเงิน เมื่อนำมาเผาจะได้กลิ่นกำมะถัน และเมื่อนำมาถลุงจะได้ตะกั่ว
- แร่ทองแดง นิยมนำมาผสมกับทองเพื่อให้ได้นาก และนิยมนำมาผสมกับสังกะสี เพื่อให้ได้ทองเหลือง ซึ่งส่วนใหญ่จะพบปนอยู่กับแร่เงิน
- แร่ทองคำ เป็นแร่ที่มักจะพบอยู่ในแร่ชนิดอื่นอีกที เมื่อนำมาถลุงจึงจะได้แร่ทองคำที่บริสุทธ์
- แร่ดีบุก ส่วนใหญ่แล้วจะมีความแข็งมาก และอยู่ในรูปของก้อนผลึกมากกว่า ซึ่งก็จะนำมาถลุงและเอามาตีแผ่เป็นแผ่นบางๆ มีคุณสมบัติกันความชื้น ใช้ในการห่ออาหารและห่อผลิตภัณฑ์บางอย่างที่ต้องป้องกันไม่ให้ถูกความชื้น
- แร่อลูมิเนียม เป็นแร่ที่สามารถนำความร้อนและไฟฟ้าได้ดี ซึ่งส่วนใหญ่จะได้จากการถลุงแร่บอกไซต์
- แร่แมงกานีส นิยมนำมาถลุงเหล็กเป็นโลหะผสม เพื่อให้ได้เหล็กกล้า ซึ่งส่วนใหญ่แร่แมงกานีสจะพบในสายแร่ที่อยู่ร่วมกับหินแกรนิตและหินอัคนี เป็นต้น
- แร่แมกนีเซียม มักจะนำมาใช้ในอุตสาหกรรมถลุงโลหะ ซึ่งส่วนใหญ่จะมีแร่แมงกานีสปนอยู่ด้วย โดยจะมีลักษณะเป็นโลหะเบาสีขาวอ่อนและมีความเหนียว
- แร่ทองคำขาว เป็นเม็ดสีเทาเงินวาว และมักจะไม่เกิดปฏิกิริยากับสาร
- แร่ตะกั่ว มักจะพบในรูปของสารตะกั่วและกำมะถัน สามารถนำมาทำเป็นแบตเตอรี่ กระสุนปืนและอื่นๆ ได้อีกมากมาย
โลหะ เป็นแร่ธาตุที่นิยมนำมาใช้งานอย่างแพร่หลาย ทั้งมีคุณสมบัติที่โดดเด่นในหลายๆ ด้าน จึงถูกนำมาใช้ในด้านอุตสาหกรรมมากที่สุด โดยเฉพาะคุณสมบัติในการนำไฟฟ้าและความเหนียวแน่น ที่ทำให้ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากโลหะนั้น จะมีความคงทนและสามารถใช้งานได้อย่างคุ้มค่า ทั้งแร่โลหะก็มีอยู่มากมายหลายชนิดซึ่งก็ต้องลองศึกษากันไป ถึงประเภทและคุณสมบัติที่เหมาะกับการนำมาใช้งาน