เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 1) :บทนำ (Introduction of Stainless Steel)

ผมอยากถ่ายทดความรู้เรื่องเหล็กกล้าไร้สนิมที่เคยเขียนไว้นานแล้ว โดยเป็นการรวบรวมจาก paper ทางวิชาการที่ตีพิมพ์ในวารสารนานาชาติมากกว่า 100 บทความ ซึ่งผมจะมี reference ให้ในตอนท้ายของแต่ละตอน แม้อาจจะยังไม่สมบูรณ์ แต่คาดว่าน่าจะเป็นประโยชน์พอสมควร โดยจะแบ่งออกเป็น 4 บท และผมจะทยอยนำมาลงเรื่อยๆ ถ้าท่านผู้อ่านพบข้อผิดพลาดหรืออยากเสริมจุดใด แจ้งมาที่ผมได้เลยนะครับ ซึ่งตอนแรกจะเสนอเรื่องบทนำของเหล็กกล้าไร้สนิม เชิญติดตามได้เลยครับ

บทนำ: เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless Steel)

ปัจจุบันเราจะเห็นเหล็กกล้าไร้สนิมปรากฏในรูปของผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายและแตกต่างกันออกไปตามการประยุกต์ใช้งาน นับตั้งแต่การใช้งานพื้นฐาน เช่น เครื่องครัวและตกแต่งทั้งภายนอกและภายในบ้าน-อาคาร ไปจนถึงการใช้งานระดับสูง เช่น ชิ้นส่วนอากาศยาน [1-2] ดังนั้น ในชีวิตประจำวัน เราจึงมองเห็นเหล็กกล้าไร้สนิมได้ทั่วไป คำว่า “เหล็กกล้าไร้สนิม” หรือที่เรารู้จักกันทั่วไปว่า “สเตนเลส” นั้น มาจากคำภาษาอังกฤษที่ว่า Stainless Steel โดยคำว่า steel แปลว่า เหล็กกล้า หมายถึง วัสดุที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบหลักและมีคาร์บอนเป็นธาตุผสมไม่เกิน 1.2% โดยน้ำหนัก [3] ส่วนคำว่า stainless ซึ่งเป็นคำคุณศัพท์ หมายถึง ปราศจากคราบ รอยเปื้อนหรือรอยด่างเกาะติด หรือไม่เกิดการกัดกร่อนในบรรยากาศที่เหล็กกล้าทั่วไปมักเกิด [4] แต่ถ้าจุดบกพร่องดังกล่าวเกิดขึ้นกับวัสดุประเภทเหล็กมักเรียกว่า “สนิม” ดังนั้นคำว่า “Stainless Steel” จึงแปลว่า เหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งมีความหมายตามศัพท์ว่า เหล็กกล้าที่ไม่เกิดสนิม ศัพท์ดังกล่าวยังไม่มีการบัญญัติไว้ในพจนานุกรมฉบับราชบัณฑิตยสถาน แต่มีการระบุเป็นมาตรฐานของสำนักงานมาตรฐานอุตสาหกรรม (สมอ.) เช่น มอก. 2440-2552 [5]

สำหรับท่านที่ใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมอยู่เป็นประจำ โดยเฉพาะวิศวกรด้านการกัดกร่อนของโลหะ อาจเข้าใจว่าชื่อดังกล่าวเป็นแค่นามธรรมที่ใช้เรียกชื่อเหล็กกล้าชนิดนี้ เพราะในความเป็นจริงแล้ว เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถเกิดสนิมได้ ยิ่งไปกว่านั้นก็คือ สามารถเกิดการกัดกร่อนที่สร้างความเสียหายได้ยิ่งกว่าคำว่า “สนิม” เสียอีก โดยเฉพาะในกรณีที่เกิดการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่ (Localized Corrosion) [6-10] ที่มีปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมเป็นตัวเหนี่ยวนำ (Environmentally Induced) เช่น การกัดกร่อนตามขอบเกรน (Intergranular Corrosion) การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (Stress Corrosion Cracking) การกัดกร่อนใต้รอยซ้อน (Crevice Corrosion) หรือ การกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion) เป็นต้น เพราะว่าในปัจจุบันนี้ สิ่งแวดล้อมในโรงงานอุตสาหกรรม มีความซับซ้อนและมีฤทธิ์กัดกร่อนค่อนข้างรุนแรงทั้งทางตรงและทางอ้อม ไม่เหมือนกับสนิมที่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steel) ซึ่งเป็นการกัดกร่อนที่มีลักษณะสม่ำเสมอทั่วผิวหน้า (General Corrosion) และสามารถทำนายอายุการใช้งานหรืออัตราการกัดกร่อนได้ [11]

เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นโลหะผสมที่คล้ายกับเหล็กกล้าผสม (Alloy Steel) ทั่วไป กล่าวคือ เกิดจากการหลอมรวมกันของธาตุต่างๆ ก่อนที่จะถูกแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ โดยมีเหล็กเป็นส่วนผสมหลัก (Iron-based Alloys) และมีปริมาณโครเมียมผสมอยู่อย่างน้อย 10.5% [12-16] (หนังสือบางเล่มได้กล่าวว่าต้องมีโครเมียมอย่างน้อย 11% [17-18]) เพื่อใช้ในการสร้างฟิล์มที่มีสมบัติต้านทานการเกิดสนิม เหล็กกล้าไร้สนิมบางชนิดอาจมีโครเมียมผสมในปริมาณมากกว่า 30% (หรือมีเหล็กผสมในปริมาณที่ต่ำกว่า 50%) ซึ่งมีการเติมธาตุผสมอื่นๆ ลงไปเพื่อเพิ่มสมบัติบางประการ เช่น นิกเกิล โมลิบดีนัม ทองแดง ไทเทเนียม อะลูมิเนียม ซิลิคอน ไนโตรเจน ซัลเฟอร์ และเซลีเนียม ส่วนธาตุคาร์บอนจะถูกเติมลงไปในปริมาณไม่น้อยกว่า 0.03% แต่ไม่เกิน 1.2% (ในเกรด AISI 440) โลหะผสมบางชนิดมีปริมาณโครเมียมและนิกเกิลผสมในปริมาณสูงจะเรียกว่า โลหะผสมต้านทานความร้อน (Heat Resistant Alloy) [19] ทั้งนี้ธาตุผสมโดยรวมจะต้องมีปริมาณน้อยกว่าเหล็ก เพื่อให้โลหะผสมมีสมบัติที่เรียกว่า “เหล็กกล้า” [4] ซึ่งอิทธิพลของธาตุผสมต่างๆ จะแสดงรายละเอียดในลำดับถัดไป

ด้วยข้อจำกัดจำเพาะบางประการของเหล็กกล้าไร้สนิมแต่ละกลุ่ม จึงทำให้เหล็กกล้ามีความสามารถในการขึ้นรูปและแปรรูปด้วยวิธีการที่แตกต่างกันไป [18] บางชนิดสามารถผลิตและใช้งานในสภาพหลังการหล่อ (As-cast Condition) ซึ่งรูปร่างที่หลากหลายของผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถขึ้นรูปได้จากเทคนิคการขึ้นรูปโลหะผง (Powder-Metallurgy (P/M) Technique) ส่วนอินกอตจากการหล่อ (Cast Ingots) สามารถนำมารีด (Rolling) หรือทุบ (Forging) และผลิตภัณฑ์ที่เป็นแผ่น (Flat Products) สามารถผลิตได้จากการหล่อแบบต่อเนื่องจากเหล็กแท่งแบนที่ได้จากการหล่อ (Cast Slab) ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการรีดสามารถนำมาปั๊มหรือลากขึ้นรูป (Drawing) ดัด (Bending) ดึงผ่านแม่พิมพ์ (Extruding) หรือม้วน นอกจากนี้ เหล็กกล้าไร้สนิมยังสามารถขึ้นรูปด้วยการตกแต่งทางกล (Machining) และสามารถประกอบติดกันด้วยการเชื่อม (Welding) บัดกรีอ่อน (Soldering) บัดกรีแข็ง (Brazing) หรือแม้แต่การสร้างพันธะยึดติด (Adhesive Bonding) เช่น การทากาว บางครั้งเหล็กกล้าไร้สนิมยังสามารถใช้งานในลักษณะการประกบกัน (Integral Cladding) เช่น ประกบกับเหล็กกล้าคาร์บอนหรือเหล็กกล้าผสมต่ำ หรือแม้แต่กับโลหะนอกกลุ่มเหล็กและโลหะผสมบางชนิด ซึ่งตัวอย่างของผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีรูปทรงเป็นท่อจากการดึงผ่านแม่พิมพ์แสดงในรูปที่ 1.1

รูปที่ 1.1 ผลิตภัณฑ์ท่อเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีฟิล์มโครเมียมออกไซด์ช่วยป้องกันการกัดกร่อน

บางท่านอาจเคยสงสัยว่าทำไมเหล็กกล้าเครื่องมือ (Tool Steel) บางชนิดมีโครเมียมผสมในปริมาณสูง (~10.5%) แต่ไม่มีสมบัติเป็นเหล็กกล้าไร้สนิม เหตุผลเนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนมากเกินไป ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่าธาตุผสมสองธาตุ คือ โครเมียมและคาร์บอน เป็นธาตุที่ทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมมีความแตกต่างจากเหล็กกล้าละมุน (Mild Steel) และเป็นเหตุผลว่าทำไมเหล็กกล้ากลุ่มนี้มีสมบัติที่ไม่เกิดสนิม (Stainlessness) หรือต้านทานต่อการกัดกร่อน (Corrosion Resistance)

จากความเชื่อที่ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมสามารถใช้งานได้ดีในทุกๆ สภาวะแวดล้อม โดยไม่เกิดการกัดกร่อนหรือเกิดสนิมนั้น เป็นความเชื่อที่เกิดจากการเข้าใจผิด เพราะในการใช้งานจริงแล้ว เหล็กกล้าไร้สนิมจะสามารถใช้งานได้ดีเฉพาะในสภาวะที่เหมาะสำหรับเกรดหรือชนิดนั้นๆ เท่านั้น แต่เมื่อสภาวะแวดล้อมเปลี่ยนไป ก็สามารถเหนี่ยวนำให้เหล็กกล้าไร้สนิมเกิดการเสื่อมสภาพได้ ยกตัวอย่างเช่น เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกเกรด AISI 304 จะใช้งานได้ดีในสภาวะแวดล้อมที่เป็นบรรยากาศทั่วไป แต่ถ้าถูกนำไปใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่มีอิออนเฮไลด์ (ธาตุหมู่ 7) เจือปน มักส่งเสริมให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม [20-23] โดยความรุนแรงของแต่ละอิออนเรียงลำดับได้ดังนี้ คือ คลอไรด์ > โบรไมด์ > ไอโอไดด์ [24]
 
เอกสารอ้างอิง
[1] Abhay K. Jha, V. Diwaker, K. Sreekumar. Metallurgical investigation on stainless steel bellows used in satellite launch vehicle. Eng Fail Anal 2006; 13(8): pp. 1437-47.

[2] M. Hashimoto, Y. Miyamoto, Y. Kubo, S. Tokumaru, N. Ono, T. Takahashi, I. Ito. Surface modification of stainless steel in plasma environments. Mater. Sci. Eng: A 1995; 198(1-2): pp. 75-83.

[3] มนัส สถิรจินดา. เหล็กกล้า. วิศวกรรมสถานแห่งประเทศไทย. พิมพ์ครั้งที่ 5 กันยายน 2543.

[4] K.H. Lo, C.H. Shek, J.K.L. Lai. Recent developments in stainless steels. Mater Sci Eng: R: Reports 2009; 65(4-6): pp. 39-104.

[5] http://www.app.tisi.go.th/notices/pdf/a2440-2552.pdf

[6] K.V.S. Ramana, T. Anita, Sumantra Mandal, S. Kaliappan, H. Shaikh, P.V. Sivaprasad, R.K. Dayal, H.S. Khatak. Effect of different environmental parameters on pitting behavior of AISI type 316L stainless steel: Experimental studies and neural network modeling. Materials & Design 2009; 30(9): pp. 3770-5.

[7] Hua Sun, Xinqiang Wu, En-Hou Han. Effects of temperature on the oxide film properties of 304 stainless steel in high temperature lithium borate buffer solution. Corrosion Science 2009; 51(12): pp. 2840-47.

[8] N. Parvathavarthini, S. Mulki, R.K. Dayal, I. Samajdar, K.V. Mani, Baldev Raj. Sensitization control in AISI 316L(N) austenitic stainless steel: Defining the role of the nature of grain boundary. Corrosion Science 2009; 51(9): pp.2144-50.

[9] J.M. Aquino, C.A. Della Rovere, S.E. Kuri. Intergranular corrosion susceptibility in supermartensitic stainless steel weldments. Corrosion Science 2009; 51(10): pp. 2316-23.

[10] S. Ningshen, U. Kamachi Mudali, G. Amarendra, Baldev Raj. Corrosion assessment of nitric acid grade austenitic stainless steels.Corrosion Science 2009; 51(2): pp. 322-9.

[11] M. Suresh Kumar, M. Sujata, M.A. Venkataswamy, S.K. Bhaumik. Failure analysis of a stainless steel pipeline. Eng Fail Anal 2008; 15(5): pp. 497-504.

[12] Ralph M. Corrosion of Stainless Steel. ASM Handbook, Vol.13, “Corrosion of Stainless Steel”, Corrosion and Its Prevention: pp.547-65.

[13] Leif Karlsson, 2004, “Stainless Steels Past, Present and Future”, Svetsaren, No.1, pp. 47-52.

[14] Denny A. Jones, Environmental Induced Cracking, Principles and Prevention of Corrosion, second ed., Prentice Hall International Inc., 1996 : pp. 513-6.

[15] Pierre-Jean Cunat. Alloying Elements in Stainless Steel and Other Chromium-Containing Alloys. Euro Inox 2004: pp.1-24.

[16] ATLAS SPECIALTY METALS, Technical Handbook of Stainless Steels.

[17] M. G. Fontana, Corrosion Engineering, third ed., New York, McGraw-Hill, 1967: 226-36.

[18] General introduction. Introduction to stainless steel, ASM Handbook : 3-12.

[19] A. Ul-Hamid, A.I. Mohammed, S.S. Al-Jaroudi, H.M. Tawancy, N.M. Abbas. Evolution of oxide scale on a Ni–Mo–Cr alloy at 900 °C. Materials Characterization 2007; 58(1): pp. 13-23.

[20] Magdy A.M. Ibrahim, S.S. Abd El Rehim, M.M. Hamza. Corrosion behavior of some austenitic stainless steels in chloride environments. Materials Chemistry and Physics 2009; 15(1): pp. 80-5.

[21] Takatoshi Yamamoto, Koji Fushimi, Masahiro Seo, Shiro Tsuri, Tetsuo Adachi, Hiroki Habazaki. Depassivation–repassivation behavior of type-312L stainless steel in NaCl solution investigated by the micro-indentation. Corrosion Science 2009; 51(7): pp. 1545-53.

[22] K.V.S. Ramana, T. Anita, Sumantra Mandal, S. Kaliappan, H. Shaikh, P.V. Sivaprasad, R.K. Dayal, H.S. Khatak. Effect of different environmental parameters on pitting behavior of AISI type 316L stainless steel: Experimental studies and neural network modeling. Materials & Design 2009; 30(9): pp. 3770-5.

[23] N. Parvathavarthini, S. Mulki, R.K. Dayal, I. Samajdar, K.V. Mani, Baldev Raj. Sensitization control in AISI 316L(N) austenitic stainless steel: Defining the role of the nature of grain boundary. Corrosion Science 2009; 51(9): pp. 2144-50.

[24] M. Kaneko, H. S. Isaacs. Pitting of stainless steel in bromide, chloride and bromide/chloride solutions. Corrosion Science 2000; 42(1): pp. 67-78.

[25] S. Zor, M. Soncu, L. Çapan. Corrosion behavior of G-X CrNiMoNb 18-10 austenitic stainless steel in acidic solutions. Journal of Alloys and Compounds 2009; 480(2): pp. 885-8.