การนำความร้อนของอลูมิเนียมและผลต่องานผลิต

อลูมิเนียมนำความร้อนดีแค่ไหน

คำตอบสั้นที่สุด: อลูมิเนียมนำความร้อนได้ดีกว่าเหล็กกล้าราว 3–4 เท่า เกรดยอดนิยมอย่าง 6061-T6 มีค่าการนำความร้อนราว 167 W/m·K และ 7075-T6 ราว 130 W/m·K ขณะที่เหล็กกล้าคาร์บอนอยู่ราว 45–55 W/m·K และเหล็กกล้าแม่พิมพ์เพียง 30–40 W/m·K คุณสมบัติข้อนี้ส่งผลโดยตรงต่อ Cycle Time ของแม่พิมพ์ อายุทูลส์ และการออกแบบฮีตซิงก์

คนทำงานหลายคนคุ้นกับการเลือกเกรดจากความแข็งแรงและราคา แต่มองข้ามเรื่องความร้อนไป ทั้งที่ในงานจริงค่าตัวเลขตัวนี้มักเป็นตัวตัดสินว่าเครื่องฉีดจะปล่อยงานได้กี่ชิ้นต่อชั่วโมง หรือชิ้นงาน CNC จะคงขนาดตาม tolerance หรือไม่ บทความนี้สรุปตัวเลขที่ต้องรู้และผลกระทบต่องานผลิตแต่ละประเภทแบบที่วิศวกรใช้ตัดสินใจจริง

ตัวเลขการนำความร้อนของวัสดุแต่ละชนิด

ค่าการนำความร้อน (Thermal Conductivity) มีหน่วยเป็น W/m·K ยิ่งสูงยิ่งถ่ายเทความร้อนได้เร็ว ตารางนี้เทียบอลูมิเนียมเกรดที่ใช้บ่อยกับโลหะอื่นที่โรงงานคุ้นเคย

ตัวเลขเป็นค่าโดยประมาณตามมาตรฐานวัสดุทั่วไป อาจแตกต่างเล็กน้อยตามองค์ประกอบจริงของแต่ละล็อตซึ่งระบุไว้ใน Mill Certificate ทุกครั้ง

จุดที่ควรสังเกตคือ เกรดที่แข็งแรงกว่ามักนำความร้อนน้อยกว่า เพราะธาตุผสมอย่างสังกะสี แมกนีเซียม และทองแดง ขัดขวางการถ่ายเทความร้อนในโครงผลึก ดังนั้น 7075 จึงนำความร้อนน้อยกว่า 6061 แต่เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าแม่พิมพ์แล้ว 7075 ยังเร็วกว่าราว 3–4 เท่า ซึ่งเป็นเหตุผลสำคัญที่โรงแม่พิมพ์จำนวนมากหันมาใช้อลูมิเนียมแทนเหล็ก

ผลต่องานแม่พิมพ์: Cycle Time สั้นลง 20–30%

ในงานฉีดพลาสติก ช่วงเวลาที่กินสัดส่วนมากที่สุดของรอบการผลิตคือ Cooling Time หรือเวลารอให้พลาสติกเย็นและเซ็ตตัว ความร้อนจากพลาสติกหลอมเหลวต้องถูกถ่ายออกผ่านตัวแม่พิมพ์ ยิ่งวัสดุแม่พิมพ์นำความร้อนดี ชิ้นงานยิ่งเซ็ตตัวเร็ว เปิดแม่พิมพ์ปล่อยงานได้ไวขึ้น

นี่คือเหตุผลที่ อลูมิเนียม 7075-T6 สำหรับแม่พิมพ์ฉีดพลาสติก ช่วยลด Cycle Time ได้ 20–30% เมื่อเทียบกับแม่พิมพ์เหล็ก และยังให้ประโยชน์เพิ่มอีกสองข้อ

• อุณหภูมิผิวแม่พิมพ์สม่ำเสมอ — ความร้อนกระจายทั่วแม่พิมพ์ได้เร็ว ลดจุดร้อนจุดเย็น ชิ้นงานหดตัวเท่ากัน ลดงานเสียจากรอยหดและงานคดงอ
• เพิ่มกำลังผลิตโดยไม่ซื้อเครื่องเพิ่ม — สำหรับโรงงานที่รับงานแม่พิมพ์แบบผลิตต่อเนื่อง การตัดเวลาต่อ Shot ลงได้สองสามวินาทีแปลเป็นชิ้นงานเพิ่มหลายร้อยชิ้นต่อวัน

แน่นอนว่าความแข็งแรงยังเป็นข้อบังคับแรกของแม่พิมพ์ จึงต้องเลือกเกรดที่ให้ทั้งแรงและการนำความร้อน ซึ่ง 7075-T6 ตอบโจทย์ทั้งคู่ด้วยความแข็งแรงดึงราว 572 MPa ส่วนแม่พิมพ์ต้นแบบที่ Shot น้อยและต้องการผิวเงา 5083 ก็เป็นตัวเลือกที่นำความร้อนดีกว่าเหล็กเช่นกัน

ผลต่องานกลึงกัด CNC: ทูลส์เย็นกว่า แต่ระวังการขยายตัว

ฝั่งโรงกลึงได้ประโยชน์ตรง ๆ จากการนำความร้อนสูง ความร้อนที่เกิดจากการตัดส่วนใหญ่ถูกพาออกไปกับเศษและตัวชิ้นงาน แทนที่จะสะสมที่คมทูลส์ ผลคือทูลส์สึกช้ากว่างานเหล็กมาก และใช้ Cutting Speed ได้สูงกว่าหลายเท่า จึงเป็นส่วนหนึ่งที่ทำให้ต้นทุนแปรรูปอลูมิเนียมต่อชิ้นต่ำกว่าเหล็ก

แต่มีข้อแลกเปลี่ยนที่ช่างต้องรู้: อลูมิเนียมขยายตัวจากความร้อนมากกว่าเหล็กเกือบ 2 เท่า สัมประสิทธิ์การขยายตัวราว 23 µm/m·°C เทียบกับเหล็กราว 12 µm/m·°C ชิ้นงานยาว 300 มม. ที่อุณหภูมิสูงขึ้น 20°C จะยาวเพิ่มราว 0.14 มม. ซึ่งเกิน tolerance ของงานละเอียดหลายเท่าตัว แนวทางปฏิบัติคือ

• รอให้ชิ้นงานเย็นสู่อุณหภูมิห้องก่อนวัดขนาดสุดท้าย
• คุมอุณหภูมิด้วยสารหล่อเย็นให้สม่ำเสมอตลอดการกัด ไม่ปล่อยให้ชิ้นงานร้อนสะสม
• งานใหญ่ที่ tolerance แน่น ให้กัดหยาบทิ้งไว้ พักให้คลายความร้อน แล้วค่อยกัดละเอียดครั้งสุดท้าย

อลูมิเนียม 6061-T6 จึงเป็นเกรดมาตรฐานของงาน CNC เพราะให้ทั้งผิวงานดี ทูลส์อยู่นาน และคงรูปหลังกัด โดยเฉพาะใน temper T651 ที่ผ่านการคลายแรงเค้นมาแล้ว แผ่นจึงไม่โก่งตัวมากหลังถูกกัดเนื้อออก

งานที่ใช้ประโยชน์จากการนำความร้อนโดยตรง

นอกเหนือจากแม่พิมพ์และงานกลึง การนำความร้อนสูงทำให้อลูมิเนียมเป็นคำตอบของงานกลุ่มนี้

• ฮีตซิงก์และแผ่นระบายความร้อน — นำความร้อนดี น้ำหนักเบา และกัดหรือรีดครีบได้ง่าย 6061 คุ้มค่าที่สุดสำหรับฮีตซิงก์กัดขึ้นรูปตามแบบ
• แผ่นแลกเปลี่ยนความร้อนและชิ้นส่วนระบบทำความเย็น — ใช้ประโยชน์จากการถ่ายเทความร้อนเร็วร่วมกับน้ำหนักเบาและการทนการกัดกร่อน
• ถาดอบและงานอาหาร — ความร้อนกระจายทั่วถึง อาหารสุกสม่ำเสมอ ไม่มีจุดไหม้
• แม่พิมพ์ต้นแบบ — 5083 ให้ทั้งผิวเงาหลังขัดและการระบายความร้อนที่เหนือเหล็ก เหมาะกับการทดสอบงานฉีดก่อนลงทุนแม่พิมพ์จริง

หลักเลือกเกรดจากมุมความร้อนคือ ถ้าต้องการนำความร้อนสูงสุดล้วน ๆ อลูมิเนียมบริสุทธิ์ชนะ แต่แลกด้วยความแข็งแรงต่ำ ถ้าต้องการความแข็งแรงร่วมกับการระบายความร้อน 6061-T6 คือจุดสมดุล และถ้าต้องรับแรงอัดสูงในแม่พิมพ์ด้วย ค่อยอัปเกรดเป็น 7075-T6

อีกผลกระทบที่ช่างมักเจอโดยไม่คาดคิดคือเรื่องการเชื่อม การนำความร้อนสูงทำให้ความร้อนจากอาร์คถูกดูดออกจากบ่อเชื่อมเร็วมาก การเชื่อมอลูมิเนียมจึงต้องใช้พลังงานความร้อนสูงกว่าเหล็กและต้องอุ่นงาน (Pre-heat) สำหรับชิ้นหนา ไม่เช่นนั้นรอยเชื่อมจะไม่ละลายทั่ว ข้อนี้เป็นเหตุผลหนึ่งที่งานเชื่อมอลูมิเนียมต้องอาศัยช่างที่ชำนาญเฉพาะทาง และเกรดที่เชื่อมได้ดีอย่าง 5083 หรือ 6061 จึงได้เปรียบชัดเจนในงานประกอบโครงสร้าง

สรุป

• อลูมิเนียมนำความร้อนดีกว่าเหล็กกล้าราว 3–4 เท่า: 6061-T6 ราว 167 W/m·K, 7075-T6 ราว 130 W/m·K
• ในงานแม่พิมพ์ฉีดพลาสติก การนำความร้อนสูงแปลเป็น Cycle Time ที่สั้นลง 20–30% และอุณหภูมิผิวแม่พิมพ์ที่สม่ำเสมอ
• ในงาน CNC ทูลส์เย็นกว่าและตัดเร็วกว่า แต่ต้องชดเชยการขยายตัวจากความร้อนที่สูงกว่าเหล็กเกือบ 2 เท่า
• เกรดที่แข็งแรงกว่ามักนำความร้อนน้อยกว่า เลือกเกรดตามสิ่งที่งานบังคับก่อนเสมอ
• ทีม PX Metal มีทั้ง 5083, 6061 และ 7075 พร้อมตัดตามขนาด ส่งแบบมาให้ช่วยเลือกเกรดได้ทุกเมื่อ

คำถามที่พบบ่อย

อลูมิเนียมเกรดไหนนำความร้อนดีที่สุด

อลูมิเนียมบริสุทธิ์ซีรีส์ 1xxx นำความร้อนดีที่สุดราว 220–237 W/m·K แต่มีความแข็งแรงต่ำจนใช้งานโครงสร้างไม่ได้ ในกลุ่มเกรดโครงสร้างที่ใช้จริง 6061-T6 นำความร้อนดีที่สุดราว 167 W/m·K สูงกว่า 7075-T6 และ 5083 ที่อยู่ราว 120–130 W/m·K

อลูมิเนียมกับทองแดง อะไรนำความร้อนดีกว่า

ทองแดงนำความร้อนดีกว่าชัดเจน ราว 400 W/m·K หรือประมาณ 2 เท่าของอลูมิเนียมบริสุทธิ์ แต่ทองแดงหนักกว่าราว 3 เท่าและมีต้นทุนสูงกว่ามาก หากวัดการนำความร้อนต่อน้ำหนักหรือต่อต้นทุน อลูมิเนียมมักคุ้มกว่า จึงเป็นวัสดุหลักของฮีตซิงก์ทั่วไป

temper มีผลต่อการนำความร้อนของอลูมิเนียมไหม

มีผลเล็กน้อย temper ที่ผ่านการชุบแข็งอย่าง T6 อาจนำความร้อนต่างจาก temper อ่อนเล็กน้อยเพราะโครงสร้างผลึกเปลี่ยนไป แต่ผลต่างอยู่ในระดับไม่กี่เปอร์เซ็นต์ การเลือกเกรดมีผลต่อการนำความร้อนมากกว่าการเลือก temper อย่างมีนัยสำคัญ

บทความที่เกี่ยวข้อง

• เปรียบเทียบอลูมิเนียม 5083 vs 6061 vs 7075 เลือกเกรดไหนดี
• คู่มือเลือกอลูมิเนียมสำหรับงานแม่พิมพ์
• วิธีเลือกอลูมิเนียมสำหรับงาน CNC

กำลังเลือกวัสดุทำแม่พิมพ์หรือฮีตซิงก์อยู่ใช่ไหม ส่งแบบหรือสเปกที่ต้องการมาให้ทีม PX Metal ช่วยเลือกเกรดที่นำความร้อนตอบโจทย์ พร้อมตัดตามขนาดให้พร้อมใช้งานได้เลยที่ LINE @548vojid หรือโทร 090-960-0063 ตอบกลับภายใน 1 ชั่วโมงในเวลาทำการ