วันจันทร์ที่ 14 มิถุนายน พ.ศ. 2553

เหล็กกล้าไร้สนิม ตอนที่ 3: ความเป็นมาของเหล็กกล้าไร้สนิม


ท่านผู้อ่านหลายท่านอาจรู้จักเหล็กกล้าไร้สนิมกันเป็นอย่างดี แต่หลายท่านอาจยังไม่ทราบความเป็นมาของเหล็กกล้าไร้สนิมว่าค้นพบได้อย่างไร แต่ขอเรียกน้ำย่อยคร่าวๆ ก่อนว่า ได้มาจากความบังเอิญและจากสงคราม น่าสนใจไหมครับ.............ถ้าอย่างนั้น มาติดตามกันเลยครับ

เทคโนโลยีในการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิม ได้ค้นพบและพัฒนาขึ้นครั้งแรกในประเทศอังกฤษและเยอรมันในราวปี ค.ศ. 1910 [18] แต่ได้มีการศึกษาในเชิงทฤษฎีด้านความต้านทานการกัดกร่อนของโลหะผสมเหล็ก-โครเมียม และ เหล็ก-โครเมียม-นิกเกิล ในยุโรปตั้งแต่ช่วงปี ค.ศ. 1904 และ ค.ศ. 1911 จากนั้นได้มีการพัฒนาในเชิงอุตสาหกรรมขึ้นในราวปี ค.ศ. 1912 [42] อย่างไรก็ตาม เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าในการพัฒนาเหล็กกล้าไร้สนิมในเชิงการค้าเกิดจากศึกษาของนายแฮรี่ เบรียร์เล่ย์ (รูปที่ 1.5) ที่ห้องปฏิบัติการวิจัยบราวน์ เฟิร์ท (Brown Firth Research Laboratory) ในเมืองเชฟฟิลด์ ประเทศอังกฤษ โดยในปี ค.ศ. 1913 [16] ก่อนที่จะเกิดสงครามโลกครั้งที่ 1 (สงครามโลกครั้งที่ 1 เริ่มใน ค.ศ. 1914 สิ้นสุดใน ค.ศ.1918) การผลิตอาวุธเพื่อใช้ในการทำศึกสงครามได้เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในประเทศอังกฤษ ซึ่งก่อนหน้านี้ได้พบปัญหาในการใช้งาน คือ ที่ผิวหน้าด้านในของกระบอกปืนใหญ่เกิดการสึกกร่อน (Erosion) หรือการเสียดสีอย่างรุนแรง (Excessive Wear) ดังนั้นจึงได้มีการวิจัยเพื่อพัฒนาวัสดุสำหรับผลิตชิ้นส่วนกระบอกปืน ที่มีความต้านทานการสึกกร่อนจากการใช้งานที่อุณหภูมิสูง เขาเริ่มศึกษาผลกระทบจากการเติมธาตุโครเมียมลงไปในเหล็กกล้า โดยศึกษาผลกระทบของการปรับเปลี่ยนส่วนผสมของธาตุคาร์บอนและโครเมียม ซึ่งในการศึกษานั้นจำเป็นต้องมีการตรวจสอบทางโลหะวิทยาด้วยภาพถ่าย (Metallography) เพื่อศึกษาโครงสร้างจุลภาคที่สามารถบ่งบอกถึงสมบัติทางกลของเหล็กกล้าได้ โดยในขั้นตอนการตรวจสอบนั้น จำเป็นต้องมีการเตรียมผิวหน้าชิ้นงานตัวอย่างที่ได้จากการทดลองด้วยการขัดละเอียด (Polishing) และกัดผิวหน้าด้วยกรด (Etching) เพื่อให้ปรากฏโครงสร้างจุลภาค ซึ่งเขาได้สังเกตเห็นว่าตัวอย่างที่ได้จากทดลองสุ่มครั้งหนึ่งยากต่อการกัดกรดที่ผิวหน้า ซึ่งปกติเขามักใช้สารละลายกรดไนตอล (กรดไนตริกผสมแอลกอฮอล์) นั่นแสดงให้เห็นว่าวัสดุที่เขาพัฒนาขึ้นมานั้นมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนจากสารเคมี เมื่อเขานำชิ้นส่วนตัวอย่างทดสอบดังกล่าวไปตรวจสอบส่วนผสมทางเคมี (Chemical Composition) จึงได้พบว่ามีส่วนผสมของโครเมียมและคาร์บอนอยู่ประมาณ 12.8 และ 0.24 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก ตามลำดับ ซึ่งจัดเป็นโลหะผสมเหล็ก-โครเมียมชนิดมาร์เทนซิติก โดยเทียบเท่าเกรด AISI 420 และเขาได้ตั้งชื่อวัสดุดังกล่าวว่า “Rustless Steel” ก่อนจะเปลี่ยนมาใช้คำว่า “Stainless” ในปัจจุบัน จากการศึกษาดังกล่าวจึงนำมาสู่การพัฒนาและผลิตเป็นเครื่องใช้ในครัวเรือน (ช้อน, ส้อม, มีด) ที่มีชื่อเสียงโด่งดังในเมืองเชฟฟิลด์ในปี ค.ศ. 1914 โดย George Ibberson & Co. บนใบมีดได้ประทับตราผู้ผลิตและคำว่า “Stainless Knife” ซึ่งน่าจะเป็นครั้งแรกที่มีการใช้คำว่า “Stainless” เพื่อเรียกชื่อโลหะผสมดังกล่าว


ในช่วงเวลาเดียวกันก็ได้มีการพัฒนาเหล็กกล้าไร้สนิมที่ประเทศฝรั่งเศส ซึ่งสามารถผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกได้เป็นครั้งแรก [16] ในขณะเดียวกันที่ประเทศเยอรมันก็ได้มีการพัฒนาโลหะผสมออสเตนนิติกที่มีส่วนผสมของโครเมียม 18% และ นิกเกิล 8% ที่รู้จักกันดีด้วยสัญลักษณ์ “18-8” หรือเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 304 นั่นเอง โดยได้พัฒนาที่ห้องปฏิบัติการครัพพ์ (Krupp Laboratory) และที่สหรัฐอเมริกาก็ได้มีการพัฒนาโลหะผสมเฟอริติกในปี ค.ศ. 1911 ซึ่งมีส่วนผสมของโครเมียมในช่วง 14-16% และคาร์บอนในช่วง 0.07-0.15% โลหะดังกล่าวสามารถเพิ่มความแข็งได้เล็กน้อยด้วยกระบวนการทางความร้อน และเรียกชื่อเหล็กไร้สนิม (Stainless Iron) เนื่องจากค่อนนิ่มและยืดหยุ่นได้ดี (Softness and Ductility) โลหะผสมดังกล่าวถูกพัฒนาโดยห้องปฏิบัติการวิจัยเจนเนอรัลอิเล็กทริค (General Electric Research Laboratory) ในขณะที่เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์ได้ผลิตครั้งแรกในประเทศสวีเดนในราวปี ค.ศ. 1930 โดยนำมาประยุกต์ใช้ในโรงงานผลิตกระดาษ [13] สำหรับประเทศสหรัฐอเมริกาได้มีการผลิตเหล็กกล้าไร้-สนิมเชิงการค้าและนำมาใช้งานในปี ค.ศ. 1920 ส่วนการพัฒนาเหล็กกล้าไร้สนิมประเภทที่ทำให้แข็งโดยการตกตะกอน (Precipitation Hardening Stainless Steel) เกิดขึ้นในราวปี ค.ศ. 1945 โดยบริษัท ยูเอส สตีล จำกัด (US Steel) และได้พัฒนาอนุกรมของเกรดดังกล่าวออกมาเรื่อยๆ ในขณะที่การประยุกต์ใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นวัสดุก่อสร้าง เกิดขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ. 1930 โดยการนำมาใช้ตกแต่งส่วนยอดของตึกไครสเลอร์ (รูปที่ 1.3ง) นับเป็นตึกที่สูงที่สุดในสมัยนั้น จนเวลาล่วงมาเกือบ 80 ปีแล้ว ก็ยังคงสภาพที่ดีและงดงามเช่นเดิม
 
รูปที่ 1.5 นายแฮรี่ เบรียร์เล่ย์ (Harry Brearley) ชาวเชฟฟิลด์ ประเทศอังกฤษ ผู้ค้นพบเหล็กกล้าไร้สนิม จากการวิจัยเพื่อพัฒนาหาวัสดุผลิตกระบอกปืนใหญ่ที่มีความต้านทานต่อการสึกกร่อน (Erosion) ที่อุณหภูมิสูง

ในช่วงเวลาหลายปีที่ผ่านมานี้ เหล็กกล้าไร้สนิมได้ถูกพัฒนาและผลิตออกมาใช้ในเชิงการค้ามากมายหลายด้านซึ่งมีมากกว่า 150 ชนิด [7] ยกตัวอย่าง เช่น สุขภัณฑ์ในครัวเรือน สลักภัณฑ์ มีด กรรไกร จานหรือภาชนะที่มีรูปร่างแบน สิ่งสวยงามทางสถาปัตยกรรม อุปกรณ์ที่ใช้ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี (รูปที่ 1.6) อุตสาหกรรมผลิตอาหาร สุขอนามัยและความสะอาด ปิโตรเลียมและโรงงานปิโตรเคมี อุตสาหกรรมผลิตเส้นใย อุตสาหกรรมผลิตยา อุตสาหกรรมทางด้านการขนส่ง ฯลฯ เหล็กกล้าไร้สนิมบางชนิดถูกพัฒนาและนำมาประยุกต์ใช้ในงานที่สัมผัสกับสภาวะอุณหภูมิสูงหรือไม่ก็ที่อุณหภูมิต่ำ บางครั้งก็มีการปรับปรุงส่วนผสมเพื่อช่วยในเรื่องการผลิตที่ง่ายขึ้น ยกตัวอย่างเช่น การปรับปรุงส่วนผสมทางเคมีพื้นฐานเพื่อช่วยในการผลิตผลิตภัณฑ์จำพวกท่อและจากการหล่อให้ง่ายขึ้น


ในปัจจุบันนี้ได้มีการพัฒนาอนุกรมของเหล็กกล้าไร้สนิม เพื่อสนองความต้องการของอุตสาหกรรมใหม่ๆ โดยพบว่า 1 ใน 3 ของผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าไร้สนิมถูกนำมาประยุกต์ใช้งานเชิงโครงสร้างในอุตสาหกรรมจำพวกเคมีและไฟฟ้าเป็นส่วนใหญ่ [43] เช่น อุตสาหกรรมปิโตรเคมี อากาศยาน โรงไฟฟ้า โรงนิวเคลียร์ ฯลฯ มีสภาวะแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง มีอุณหภูมิการใช้งานที่สูง และมีการรับภาระแรงเค้นที่สูง ซึ่งอุตสาหกรรมที่กล่าวมานี้ถือว่าเป็นอุตสาหกรรมหลักที่สร้างรายได้อย่างมหาศาลให้กับประเทศ ถ้าพิจารณาจากปริมาณการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมและทนความร้อนที่ผลิตทั่วโลกตั้งแต่ปี ค.ศ. 2002-2008 จะเห็นว่าตั้งปี ค.ศ. 2002 ทั่วโลกมีความต้องการใช้เหล็กกล้าไร้สนิมและทนความร้อนสูงขึ้นเรื่อยๆ (แต่มีปริมาณลดลงเล็กน้อยตั้งแต่ปี ค.ศ. 2007) โดยเฉพาะในทวีปเอเชียที่มีประเทศจีนเป็นผู้ผลิตรายใหญ่มีการขยายตัวทางเศรษฐกิจอย่างรวดเร็วผลิตเหล็กกล้าดังกล่าวออกมาในปริมาณสูงดังตารางที่ 1.1

ตารางที่ 1.1
ปริมาณการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมและทนความร้อนดิบที่ผลิตทั่วโลกตั้งแต่ปี ค.ศ. 2002-2008
(ในหน่วย x 1000 เมตริกตัน) [44]


เอกสารอ้างอิง
[42] Harold M. Cobb. The naming and numbering of stainless steels. Advanced materials & processing 2007: pp. 39-44.


[43] 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.

[44] www.worldstainless.org (website of International Iron and Steel Institute, accessed on 1 December 2009).

หมายเหตุ : เอกสารอ้างอิงที่ 1-41 ให้ดูจากบทความเรื่องเหล็กกล้าไร้สนิมตอนที่ 1 และ 2

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

การล้างผิวเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกรด (Pickling) และการสร้างฟิล์ม (Passivation)

Image credit: https://www.safefoodfactory.com/en/editorials/54-pickling-and-passivating-stainless-steel/ เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถเกิดการกัดกร่...