วัสดุช่าง [EP.2] : เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel)

หากใครที่ทำงานสายอุตสาหกรรมอาจจะรู้จักวัสดุชนิดนึงที่มีคุณสมบัติต้านทานสนิม และการกัดกร่อนได้อย่างดี และเป็นที่นิยมใช้มากที่สุดนั้นก็คือ เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel) สำหรับบทความนี้ทางนายช่างมาแชร์จะพาไปรู้จักความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนได้อย่างไร? มีประเภทอะไรบ้าง และการนำไปใช้มักนำไปใช้กับงานแบบไหน ตามไปดูกันเลยครับผม

กลับไปอ่านบทความ วัสดุช่าง [EP.1] : มาทำความรู้จักเหล็กกล้า Carbon Steel กันเถอะ

มาทำความรู้จักกับ “เหล็กกล้าไร้สนิม” หรือ “Stainless Steel”

ถึงแม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมจะถือว่าเป็นเหล็กกล้าผสม (Alloy Steel) ชนิดหนึ่ง แต่ด้วยความสามารถของเจ้าเหล็กกล้าไร้สนิม และการมีบทบาทหน้าที่ในอุตสาหกรรมอย่างมาก เราจึงแยกเหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel) ออกจากเหล็กกล้าผสมเป็นอีกประเภทหนึ่งเลยครับ

เหล็กกล้าไร้สนิม หรือ Stainless Steel จะหมายถึง “เหล็กกล้าที่ผสมโครเมียม (Cr) อย่างน้อย 10%” ส่งผลให้มีคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อน (Corrosion Resistance) โดยความสามารถนั้นมาจากการที่ เหล็กกล้าไร้สนิม จะสร้างฟิลม์โครเมียมออกไซด์ (Cr2O3) หรือ Paasive Flim ที่มีความบาง และหนาแน่น เคลือบที่ผิวของเนื้อเหล็กกล้าอีกที ซึ่งเปลี่ยนเสมือนโล่ หรือ ชุดเกาะที่ปกป้อง เนื่องเหล็กจาก ศัตรูตัวสำคัญจากสนิม ที่เกิดจากการออกซิไดซ์ของอากาศและความชื้นนั่นเองครับ

ซึ่งแน่นอนว่าหากฟิลม์โครเมียมออกไซด์ เกิดการเสียหาย อากาศและความชื้นก็สามารถไปสร้างความเสียหายกับเนื้อเหล็กกล้าด้านในได้ครับ

ประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิม

เหล็กกล้าไร้สนิมหากแบ่งตามลักษณะโครงสร้างจุลภาพ (Microscopic Structure) สามารถแบ่งออกได้เป็น 5 แบบ

1. เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ริติก (Ferritic Stainless Steel)

เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีโครงสร้างแบบเฟอร์ริติก (Ferritic Stainless Steel) ที่ใช้กันทั่วๆไปจะมีสัดส่วนของโครเมียม (Cr) ประมาณ 10.5 และ 27% มีปริมาณนิกเกิล (Ni) น้อยมากๆ โดยมีโครงสร้างจุลภาคเป็นรูปทรงแบบเฟอร์ไรต์ และมีโครงสร้างแบบ BCC; Body-Centered-Cubic มีคุณสมบัติที่แม่เหล็กสามารถดูดติดได้

โดยตัวอย่างมีนำไปใช้มีดังนี้

• ท่อไอเสีย (Automobile exhaust pipes) ประเภท Type 409 และ 409 Cb (USA), ประเภท 439 และ 441 (EU)
• งานสถาปัตถ์และโครงสร้าง (Architectural and structural applications) ประเภท 430 ส่วนผสม 17%Cr
• เหล็ก Power plates ใน Solid oxide fuel cells ที่ใช้ในอุณหภูมิ 700 °C (1,292 °F) (ผสม High-chromium Ferritics 22% Cr)

2. เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก (Austenitic Stainless Steel)

เหล็กกล้าไร้สนิมแบบออสเตนนิติก (Austenitic Stainless Steel) จะมีส่วนผสมของโครเมียม (Cr) ประมาณ​17% และนิกเกิลประมาณ 9% (ตามภาพที่1) โดยนิกเกิลจะช่วยเพิ่มความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อน (Corrosion Resistance) และได้ดีกว่าแบบกลุ่มเฟอร์ริติก

โดยเหล็กกล้าไร้สนิมแบบออสเตนนิติก จะแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่คือ 200 series และ 300 series

กลุ่ม 200 Series

กลุ่ม 200 series จะผสมสัดส่วนของ Chromium-Manganese-Nickel เพิ่มสัดส่วนให้มากที่สุดโดยการแมงกานีส (Mn) และไนโตรเจน (N) จากการเพิ่มของไนโตรเจน 50% ส่งผลให้เหล็กกล้าไร้สนิมในกลุ่มนี้มีค่า Yield stress ที่มากกว่ากลุ่ม 300 series

• Type 201: สามารถชุดแข็งได้ (Hardenable through cold working)
• Type 202: เป็นกลุ่มที่ออกแบบให้ใช้ทั่วๆไป (General-purpose stainless steel) การลดปริมาณ Nickel และการเพิ่มของสัดส่วน Manganese ส่งผลให้การต้านทานการกัดกร่อนลดลง (Decreasing Corrosion resistance)

กลุ่ม 300 series

กลุ่มนี้เป็นกลุ่มที่นิยมใช้งานมาก และกว้างขวางที่สุด โดยสัดส่วนคือ  Chromium-Nickel

• Type 304: เป็นชนิดที่รู้จักกันมากที่สุด Type 304 โดยเป็นเกรด 18/8 และ 18/10 ที่หมายถึงสัดส่วน 18% Chromium และ 8% หรือ 10% Nickel ตามลำดับ
• Type 316: อีกประเภทที่รู้จักกันดีไม่แพ้กันคือ Type 316 มีการเพิ่มส่วนผสม 2% Molybdenum ซึ่งส่งผลให้มีความสามารถต้านทานกรด จาก Chloride ions ที่มากกว่า และประเภทคาร์บอนต่ำ (Low-carbon versions) เช่น Type 316L หรือ 304L โดยมีปริมาณคาร์บอนที่ต่ำกว่า 0.03% เพื่อลดเรื่องของ Corrosion หลังจากที่ทำการเชื่อม

3. เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ (Duplex Stainless Steel)

จะเป็นการผสมกันระหว่างโครงสร้างแบบ ออสเตนไนต์ (Austenite) และ เฟอร์ไรต์ (Ferrite) ในสัดส่วนที่เท่าๆกัน มีโครเมียมผสมประมาณ​ 21-28% และนิกเกิ้ลประมาณ 3-7.5% โดยกลุ่มนี้มีค่า Yield Stress ที่มากกว่าแบบเหล็กกล้าไร้สนิมแบบออสเตนนิติกถึง 2 เท่า และมีความสามารถในการต้าน Chloride Stress-Corrosion Cracking (เป็น corrosion รูปแบบหนึ่งในการสร้างความเสียหายแบบฉีกขาด หรือ crack ครับ)

โดยสามารถแบ่งออกเป็น 3 ประเภทย่อยๆ ตามคุณสมบัติในการต้านทาน pitting corrosion resistance ด้วยตัวเลข Equivalent number > PREN = %Cr + 3.3 %Mo + 16 %N

(i) Lean Duplex (PREN range: 22–27)

มาตรฐาน grade EN 1.4362, เกรดนี้อาจจะมีให้เห็นน้อย ซึ่งจะใช้ในบางงานในตึก และโครงสร้าง โดยคุณสมบัติของกลุ่มนี้จะไปใกล้เคียงกับกลุ่ม Austenitic grade EN 1.4401 แต่ด้วยความสามารถที่เพิ่มเข้ามาสำหรับการต้านทาน Stress corrosion cracking และคุณสมบัติทางกล (Mechanical properties) ที่สูงกว่า ยกตัวอย่างเช่น สะพาน, และถังแรงดัน (Pressure vessels)

(ii) Standard Duplex (PREN range: 28–38)

เกรดทั่วๆไป ใช้มาตรฐาน EN 1.4462 (หรือ 2205). เป็นสัดส่วนกลางๆและมีใช้มากที่สุดในกลุ่ม Duplex

(iii) Super Duplex (PREN range: 28–38)

ในกลุ่มสุดท้าย grade EN 1.4410 รวมไปถึงกลุ่มที่สูงมากๆที่เรียกว่า Hyper duplex grades (PREN: >45) ซึ่งจะตอบโจทย์งานที่ต้องการความต้านทานการกัดกร่อนขั้นสุด และมีความแข็งแรงสูงจากอุตสาหกรรมแบบ (Oil and gas industries) หรืออุตสาหกรรมเคมี (Chemical industries) ซึ่งการผลิตวัสดุกลุ่มนี้มีความยากและซับซ้อนสูงมากจากสัดส่วนของโครเมียม (Cr) โมลิดินัม (Mo) ไนโตรเจน (N) แม้กระทั่ง วูเฟลม ; Wolfram (W) ในการเปลี่ยนโครงสร้างแบบ Intermetallic phases.

โดย Duplex Stainless Steel ซึ่งมักใช้ในอุตสาหกรรมกระดาษ (Pulp and paper industry) และอุตสาหกรรมปิโตรเคมี (Petrochemical) สำหรับการต้านทานการกัดกร่อนที่มากกว่า ซึ่งอาจจะพัฒนาต่อยอดเป็น Super duplex และ Hyper duplex grades ได้

4. เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก (Martensitic Stainless Steel)

ในกลุ่มนี้จะมีโครงสร้างโลหะแบบ Martensitic ที่จัดเรียงแบบ BCC BCC; Body-Centered-Cubic ซึ่งออกแบบให้ใช้งานได้หลากหลายมากมาย สามารถใช้ในการผลิตเครื่องมือ (Tools) มีความสามารถในการป้องกันการคืบ (Creep Resistance) มีความสามารถทางแม่เหล็ก (Magnetic), ในเรื่องของการทนความกัดกร่อนอาจจะสู้แบบ Ferritic และ Austenitic stainless steels ไม่ได้เนื่องจากปริมาณโครเมียม (Cr) ที่ต่ำ

ซึ่งแบ่งได้อีก 4 ประเภทย่อยๆ คือ

• เกรด Fe-Cr-C เป็นเกรดที่นิยมใช้มากที่สุดในงานวิศวกรรม และงานที่ต้องการ การทนการสึกหรอ (Wear-resistant applications)
• เกรด Fe-Cr-Ni-C ปริมาณของคาร์บอน (C) บางส่วนจะถูกเปลี่ยนแทนที่ด้วยนิกเกิล (Nickel) ซึ่งมีคุณสมบัติ ความแข็งแรงทนทานที่ดี (Toughness) และความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนที่สูง และต่อมาเกรด EN 1.4303 (งานหล่อ grade CA6NM) ในสัดส่วน 13% Cr และ 4% ใช้ในกังหันของเทอร์ไบน์ และปั้มขนาดยักษ์ต่างๆ เพราะว่าคุณสมบัติในการหล่อที่ดี (Casting properties) สามารถเชื่อมได้ดี (Weldability) และทนต่อ Corrosion และ Erosion

• เกรดในการป้องกันการคืบ (Creep-resisting) โดยมีการเติมปริมาณสาร Niobium, Vanadium, Boron, and Cobalt เล็กน้อย เพื่อเพิ่มความแข็งแรง และการต้านทานการคืบที่อุณหภูมิ 650 °C (1,202 °F).

5. เหล็กกล้าไร้สนิมอบชุบแข็งด้วยการตกผลึก (PH; Precipitation – Hardenable Stainless Steel)

เหล็กกล้าไร้สนิมอบชุบแข็งด้วยการตกผลึก หรือ PH; Precipitation – Hardenable Stainless Steel โดยเหล็กกล้าไร้สนิมในกลุ่มนี้มีความสามารถในการต้านทานความกัดกร่อนได้ประมาณกลุ่ม Austenitic แต่ทว่าด้วยกระบวนการการชุบแข็งแบบโดยการเพิ่มจำนวนสารประกอบของแข็งที่มีขนาดเล็ก (Precipitation hardened) ทำให้ความแข็งแรง (Strength) ที่สูงมากๆ แรงสูงกว่าเกรด Martensitic

โดยแบ่งออกเป็น 3 กลุ่มย่อยๆ คือ

1. Martensitic ,17-4 PH 

กลุ่ม Martensitic 17-4 PH มาตรฐาน AISI 630 EN 1.4542 โดยมีสัดส่วน 17% Cr, 4% Ni, 4% Cu, และ 0.3% Nb โดยมีการทำอบร้อนที่อุณหภูมิ 1,040 °C (1,900 °F) และการทำ Quenching ส่งผลให้มีค่า Strength มากกว่า 1000 MPa yield strength.

2. Semi-austenitic 17-7PH 

กลุ่ม Semi-austenitic 17-7PH มาตรฐาน AISI 631 EN 1.4568 มีสัดส่วน 17% Cr, 7.2% Ni, และ 1.2% Al และมีการทำ Heat treatment รวมถึง Solution treatment และ Quenching. ในโครงสร้างมีทั้งแบบ Austenitic และ Martensitic ความแข็งแรง Yield stress levels above 1400 MPa

3. กลุ่ม Austenitic A286

กลุ่ม Austenitic A286 มาตรฐาน ASTM 660 EN 1.4980 มีสัดส่วน Cr 15%, Ni 25%, Ti 2.1%, Mo 1.2%, V 1.3%, และ B 0.005% โดยโครงสร้างเป็นแบบ Austenitic ทุกอุณหภูมิ โดยการใช้งานของ A286 (Fe-based superalloy จะใช้งานใน Jet engines, gas turbines, และ turbo machinery parts.

สรุปภาพรวม

หลังจากเล่ายาวๆ ขอ Wrap up ด้วยรูปภาพและวีดีโอละกันนะครับ

หวังว่าวันนี้เพื่อนๆคงได้ความรู้เกี่ยวกับ Stainless กันนะครับ และสุดท้ายขอขอบคุณข้อมูลดีๆ ดังนี้นะครับผม

Reference :

http://www.jmcampbell.com

https://en.wikipedia.org/wiki/Stainless_steel#Austenitic

http://vantaidaquocgia.com.vn/introduction-of-stainless-steelen

แล้วพบกับสาระความรู้ทางด้านงานช่าง และงานวิศวกรรมได้ในโพสต์ถัดๆไปนะครับ หรือสามารถตามสื่อตามๆของเราด้านล่างเลยนะครับ
Website: www.naichangmashare.com
Facebook: https://www.facebook.com/naichangmashare/
Blockdit :  https://www.blockdit.com/naichangmashare
Instragram: https://www.instagram.com/naichangmashare/
Twitter: https://twitter.com/naichangmashare
Youtube: https://www.youtube.com/channel/UCmIPiSeg-uy4k8JYSmknp_g
#นายช่างมาแชร์ #วัสดุช่าง #เหล็กกล้า #Steel