เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 2) :ฟิล์มที่เกิดขึ้น ไม่ใช่การเคลือบ

คุณสมบัติพิเศษของเหล็กกล้าไร้สนิม คือ สามารถสร้างฟิล์มโครเมียมออกไซด์ ที่มีสมบัติต้านทานการกัดกร่อนและมีประสิทธิภาพดียิ่งได้ด้วยตัวเอง [21, 25-28] ที่เรียกกันว่า “ฟิล์มป้องกัน” ซึ่งมีสภาพเฉื่อยต่อการกัดกร่อน (Protective Film หรือ Passive Film) นอกจากนี้ยังสามารถซ่อมแซมฟิล์มได้ด้วยตัวเองทันทีที่พื้นผิวถูกขีดข่วนทำลาย [20] (ดังแสดงในรูปที่ 1.2) โดยฟิล์มดังกล่าวไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า หลายท่านอาจเคยเข้าใจผิด คิดว่าเหล็กกล้าไร้สนิมที่นิยมนำมาใช้งานกันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนที่ดียิ่ง สามารถใช้งานได้ดีในเกือบทุกๆ สภาวะสิ่งแวดล้อมนั้น เป็นอิทธิพลของฟิล์มที่มีลักษณะมันวาวบนผิวหน้าที่เกิดจากการเคลือบด้วยวัสดุและเทคนิคพิเศษ แท้ที่จริงแล้วไม่ใช่การเคลือบ แต่เป็นปรากฏการณ์ธรรมชาติที่อธิบายได้ว่า เหล็กกล้าไร้สนิมนั้นเป็นวัสดุแข็ง (Solid Material) ที่ไม่ได้มีการเคลือบด้วยเทคนิคพิเศษบนผิวหน้า เพื่อให้เหล็กกล้าเดิม (Substrate) มีสมบัติที่ “ไร้สนิม” เหมือนกับที่นำมาประยุกต์ใช้กับเหล็กกล้าและโลหะอื่นๆ ทั่วไป ที่มักทำการเคลือบหรือชุบบนผิวหน้าของวัสดุด้วยโลหะสีขาว (White Metal) เช่น โครเมียม นิกเกิล เงิน หรือสังกะสี เป็นต้น เพื่อป้องกันการกัดกร่อนที่ผิวหน้า หรือให้มีสมบัติของผิวหน้าที่ดีขึ้น ซึ่งการเคลือบเหล่านี้จะทำให้วัสดุพื้นถูกปกป้องจากสิ่งแวดล้อมภายนอกและนิยมใช้กันอย่างกว้างขวาง แต่ความเสียหายของโลหะที่ถูกเคลือบก็สามารถเกิดขึ้นได้ทุกเมื่อ โดยถ้าชั้นเคลือบถูกทำลาย จะทำให้เกิดการแพร่หรือแทรกซึมของสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเข้าไปทำปฏิกิริยากับโลหะที่อยู่ใต้ชั้นเคลือบ จนนำไปสู่การเสียหายที่รุนแรงตามมา เช่น แผ่นหลังคาที่ผลิตจากแผ่นเหล็กกล้าเคลือบสังกะสี เมื่อเคลือบสังกะสี (Zinc Coating) ถูกทำลาย เช่นเกิดการขีดข่วนจากวัตถุมีคม ทำให้เหล็กกล้าบริเวณที่อยู่ภายใต้ผิวเคลือบที่ถูกทำลายทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน จนมาสู่การเสียหายของแผ่นหลังคาดังกล่าวได้ แต่ในเหล็กกล้าไร้สนิมแล้ว จะมีการสร้างฟิล์มโครเมียมออกไซด์ (Chromium Oxide Film) ความหนาประมาณ 1-5 นาโนเมตร [13] (มีความบางเทียบเท่ากับวางกระดาษ 1 แผ่นบนตึกสูง 20 ชั้น) ขึ้นมาปกคลุมผิวหน้าด้วยกลไกตามธรรมชาติ ซึ่งมีสมบัติต้านทานการกัดกร่อน โดยที่สามารถประยุกต์ความรู้ด้านเคมีไฟฟ้า (Electrochemical) มาช่วยพัฒนาฟิล์มเพื่อให้มีสมบัติดีขึ้นหรือเป็นไปตามที่เราต้องการได้ เช่น สีและความมันวาว นอกจากนี้ยังสามารถใช้วิธีทางกล เช่นการขัดด้วยกระดาษทราย เพื่อสร้างฟิล์มได้ แต่หลังจากขัดผิวหน้าแล้วควรทิ้งระยะเวลาไว้ประมาณ 24 ชั่วโมงหรือ 1 วัน เพื่อให้ฟิล์มที่เกิดขึ้นมีความสมบูรณ์และต่อเนื่อง และส่งผลต่อความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีตามมาด้วย ฟิล์มออกไซด์ที่มีโครเมียมในปริมาณสูงดังกล่าวไม่สามารถมองเห็นการฟอร์มตัวและความหนาของฟิล์มได้ด้วยตาเปล่า แต่สามารถมองเห็นลักษณะเป็นมันวาวบนผิวหน้าได้ โดยจะฟอร์มตัวและซ่อมแซมตัวเองได้ในบรรยากาศที่มีปริมาณออกซิเจนเพียงพอ (มีค่าความดันย่อยของออกซิเจนสูงเพียงพอ) และความเสถียรและความต้านทานการกัดกร่อนของฟิล์มป้องกันจะเพิ่มขึ้นเมื่อเหล็กกล้ามีปริมาณโครเมียมผสมในปริมาณมากขึ้น [25, 29] นอกจากนี้ยังมีธาตุอีกหลายตัว เช่น โมลิบดีนัม [21] และไนโตรเจน [30-31] ที่ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิม ดังนั้นการที่เหล็กกล้ามีสมบัติที่ไม่เกิดสนิม เราอาจเรียกได้ว่าโลหะผสมนั้นมีความต้านทานการกัดกร่อน (Corrosion Resistance)

ฟิล์มออกไซด์ของเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีพฤติกรรมต้านทานการกัดกร่อนที่ต่างกันนั้น ขึ้นอยู่กับส่วนผสมทางเคมี ความหนา ความหนาแน่นของฟิล์ม [32] นอกจากนี้ ยังขึ้นอยู่กับโครงสร้าง ปริมาณสารสัมพันธ์ (Stoichiometry) โครงสร้างทางอิเล็กทรอนิก (Electronic Band Structure) ค่าความนำไฟฟ้าของไอออน (Ionic Conductivity) ฯ [33] สำหรับฟิล์มป้องกันบนผิวหน้าเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกประกอบไปด้วย 2 ชั้นอย่างชัดเจน [27] กล่าวคือ ชั้นที่อยู่ด้านในจะมีโครเมียมออกไซด์ในปริมาณสูง (Enriched Chromium Oxide) ในขณะที่ชั้นนอกสุดจะผสมกันกันระหว่างเหล็กออกไซด์ (Iron oxide) และฟิล์มไฮดรอกไซด์ (Hydroxide Film) ซึ่งฟิล์มเหล่านี้มีผลต่อสมบัติทางกลบนผิวหน้าของเหล็กกล้าไร้สนิม และมีสมบัติเป็นสารกึ่งตัวนำ [34] ดังนั้นสมบัติกึ่งตัวนำจึงมักตรวจสอบได้บนผิวหน้าของโลหะที่สร้างฟิล์มได้ สมบัติทางด้านไฟฟ้าดังกล่าวจึงคาดว่าจะเป็นปัจจัยสำคัญอย่างยิ่ง ที่ทำให้ทราบถึงสมบัติที่สามารถป้องกันการกัดกร่อน ส่วนผสมทางเคมีของฟิล์มจะแปรผันตามทั้งส่วนผสมทางเคมีของโลหะและค่าความเป็นกรด-ด่าง (pH) ของสารละลายที่ใช้สร้างฟิล์ม ซึ่งปัจจัยเหล่านี้น่าจะส่งผลต่อสมบัติกึ่งตัวนำของฟิล์ม ซึ่งผลกระทบหลักที่เกิดจากการเพิ่มค่า pH คือ จะเพิ่มความหนาของฟิล์ม เนื่องจากเหล็กออกไซด์จะเสถียรเมื่ออยู่ในสารละลายที่เป็นอัลคาไลน์ ในทางกลับกันในสารละลายที่เป็นกรด จะฟอร์มฟิล์มออกไซด์ที่มีโครเมียมสูง เนื่องจากโครเมียมออกไซด์มีการสลายตัวช้ากว่าเมื่อเทียบกับเหล็กออกไซด์ นอกจากนี้ยังพบว่าการเติมไนโตรเจนลงไปในเหล็กกล้าไร้สนิมนอกจากจะเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่แล้ว ยังส่งผลต่อสมบัติกึ่งตัวนำของฟิล์มด้วย [31]

เป็นที่ทราบกันดีว่า การกัดกร่อนของโลหะเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นบนผิวหน้า (Surface Phenomenon) [35] ถ้ามีการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของฟิล์มป้องกันในเหล็กกล้าไร้สนิม จะส่งผลต่อการลดความต้านทานการกัดกร่อนเฉพาะที่ (Localized Corrosion) เช่น การกัดกร่อนแบบรูเข็ม การกัดกร่อนใต้รอยซ้อน การกัดกร่อนตามขอบเกรน และการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน ดังนั้น ความรู้ความเข้าใจและการควบคุมการสร้างฟิล์มป้องกัน จึงเป็นตัวแปรที่สำคัญต่อความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งในปัจจุบันได้มีการใช้เทคนิคในการปรับปรุงผิวหน้าให้มีสมบัติต้านทานการกัดกร่อนได้ดียิ่งขึ้นหลายวิธี ยกตัวอย่างเช่น การตกผลึกซ้ำในระดับนาโน (Nano-crystallization) [36] การปรับปรุงเกรนให้มีขนาดเล็กที่ผิวหน้า (Surface Grain Refinement) [37-38] การปรับปรุงผิวหน้าด้วยเลเซอร์ (Laser Surface Modification) [39-40] การฝังไอออนที่ผิวหน้า (Ion Implantation) [4, 41] เป็นต้น

รูปที่ 1.2 การสร้างฟิล์มโดยอัตโนมัติที่ผิวหน้าเหล็กกล้าไร้สนิมเมื่อสัมผัสบรรยากาศที่มีออกซิเจน

สมบัติโดยรวมของเหล็กกล้าไร้สนิมทุกๆ กลุ่มเมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าคาร์บอน มีสมบัติที่เด่นกว่าดังนี้


- สามารถขึ้นรูปเย็นด้วยอัตราที่สูงกว่า

- มีความเหนียวมากกว่า

- มีความแข็งแรงและความแข็งมากกว่า

- มีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงมากกว่า

- มีความต้านทานการกัดกร่อนที่สูงกว่า

- มีความแกร่งที่ช่วงอุณหภูมิติดลบมากกว่า

- มีความไวต่ออำนาจแม่เหล็กน้อย (เป็นเฉพาะกลุ่มออสเตนนิติก)

คุณสมบัติเด่นของเหล็กกล้าไร้สนิมเมื่อเทียบกับโลหะหรือวัสดุชนิดอื่นๆ ดังที่กล่าวมาข้างต้น เมื่อรวมกับข้อดีอื่นๆ ได้แก่ มีค่าบำรุงรักษาต่ำ ง่ายต่อการตัด ขึ้นรูป ตกแต่งทางกล และการเชื่อม มีระยะเวลาในการใช้งานคุ้มค่ากับราคา และสามารถนำกลับมาใช้ได้ใหม่ทั้งหมด (รีไซเคิลได้ 100%) ซึ่งเป็นการอนุรักษ์พลังงานและสิ่งแวดล้อมอีกทางหนึ่ง แม้แต่เศษที่เหลือจากการใช้งานก็ยังมีราคาสูง จึงทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นโลหะที่มีคุณค่ายิ่งและมีประโยชน์ใช้สอยที่ไร้ขีดจำกัด นอกจากนี้ ความสามารถในด้านชีวอนามัยและความสะอาด ยังเป็นเหตุผลข้อแรกที่เลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิมในงานที่เน้นด้านสุขอนามัย เช่นในงานโรงพยาบาล ห้องครัว ด้านอาหาร ระบบลำเลียงน้ำ และด้านเภสัชกรรม เป็นต้น ดังตัวอย่างที่แสดงในรูปที่ 1.3 และ 1.4

รูปที่ 1.3 การประยุกต์ใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมในการสร้างอาคารและสถานที่ นอกจากเพื่อความแข็งแรง และต้านทานการกัดกร่อนแล้ว ยังให้ประโยชน์ด้านความสวยงาม

รูปที่ 1.4 การประยุกต์ใช้เหล็กกล้าไร้สนิมในโรงพยาบาลซึ่งเน้นด้านความสะอาดและสุขอนามัย

เอกสารอ้างอิง

[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.

[26] N. Padhy, S. Ningshen, U. Kamachi Mudali, Baldev Raj. In situ surface investigation of austenitic stainless steel in nitric acid medium using electrochemical atomic force microscopy. Scripta Materialia 2010; 62(1): pp. 45-8.

[27] R.S. Yassar, L. Scudiero, A.S. Alamr, D.F. Bahr, M.G. Norton. Microstructure–mechanical and chemical behavior relationships in passive thin films. Thin Solid Films, In Press, Corrected Proof, Available online 23 August 2009

[28] Crtomir Donik, Aleksandra Kocijan, Djordje Mandrino, Irena Paulin, Monika Jenko, Boris Pihlar. Initial oxidation of duplex stainless steel. Applied Surface Science 2009; 255(15): pp. 7056-61.

[29] A. Nusair Khan, I. Salam. Failure analysis of ferritic stainless steel locking ring. Materials & Design 2009; 30(10): pp. 4454-8.

[30] C. García, F. Martin, Y. Blanco. Abnormal magnetic behaviour of powder metallurgy austenitic stainless steels sintered in nitrogen. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 2009; 321(19): pp. 3171-7.

[31] Y.X. Qiao, Y.G. Zheng, W. Ke, P.C. Okafor. Electrochemical behaviour of high nitrogen stainless steel in acidic solutions. Corrosion Science 2009; 51(5): pp. 979-6.

[32] A. Mikó, J.W. Erning, H. Schlerkmann, T. Mathiesen. Comparative investigation of stainless steels used in drinking water distribution systems. Electrochimica Acta 2009; 54(28): pp. 7507-13.

[33] S. Ningshen, U. Kamachi Mudali. Hydrogen effects on pitting corrosion and semiconducting properties of nitrogen-containing type 316L stainless steel. Electrochimica Acta 2009; 54(26): pp. 6374-82.

[34] A. Fattah-alhosseini, M.A. Golozar, A. Saatchi, K. Raeissi. Effect of solution concentration on semiconducting properties of passive films formed on austenitic stainless steels.Corrosion Science 2010; 52(1): pp. 205-9.

[35] N. Padhy, S. Ningshen, B.K. Panigrahi, U. Kamachi Mudali. Corrosion behavior of nitrogen ion implanted AISI type 304L stainless steel in nitric acid medium. Corrosion Science 2010; 52(1): pp. 104-12.

[36] Wei Ye, Ying Li, Fuhui Wang. The improvement of the corrosion resistance of 309 stainless steel in the transpassive region by nano-crystallization. Electrochimica Acta 2009; 54(4): pp. 1339-49.

[37] Zh. L. Jiang, X. Y. Chen, H. Huang, X. Y. Liu. Grain refinement of Cr25Ni5Mo1.5 duplex stainless steel by heat treatment.Materials Science and Engineering A 2003; 363(1-2): pp. 263-7.

[38] X. Peng, J. Yan, Y. Zhou, F. Wang. Effect of grain refinement on the resistance of 304 stainless steel to breakaway oxidation in wet air. Acta Materialia 2005; 53(19): pp. 5079-88.

[39] C. T. Kwok, F. T. Cheng, H. C. Man. Laser surface modification of UNS S31603 stainless steel. Part I: microstructures and corrosion characteristics. Materials Science and Engineering A 2000; 290(1-2): pp. 55-73.

[40] Wen-Ta Tsai, Cheng-Hung Shieh, Ju-Tung Lee. Surface modification of ferritic stainless steel by laser alloying. Thin Solid Films 1994; 247(1): pp. 79-84.

[41] P. J. Evans, J. Hyvarinen, M. Samandi. Surface modification of austenitic stainless steel by titanium ion implantation. Surface and Coatings Technology 1995; 71(2): pp. 151-8.