เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 7) : การใช้งานของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก

ห่างหายไปนาน เพิ่งกลับมาจากไปปฏิบัติธรรมที่สิงห์บุรี ผมก็ขอต่อในเรื่องเหล็กกล้าไร้สนิมเลยละกัน...

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกมีมากมายหลายเกรด ซึ่งมีความต้านทานการกัดกร่อนและสมบัติทางกลที่แตกต่างกันไปตามกรรมวิธีการผลิตและส่วนผสมทางเคมี ดังนั้นจึงมีการนำไปประยุกต์ใช้งานที่หลากหลาย ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติก เช่น

เกรด AISI 201 เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกประเภทที่มีโครเมียม-นิกเกิล-แมงกานีส เป็นธาตุผสม มีโครเมียมผสมอยู่ในช่วง 16-18% นิกเกิล 3.5-5.5% และแมงกานีส 5.5-7.5% ถูกพัฒนามาทดแทนเกรดที่มีนิกเกิลสูง ให้สมบัติที่คล้ายคลึงกับเกรด AISI 301 จึงสามารถใช้ทดแทนเกรดดังกล่าวได้ทุกกรณีการใช้งาน มีสมบัติไม่ดูดติดแม่เหล็กในสภาวะหลังการอบอ่อน แต่จะดูดติดเล็กน้อยเมื่อผ่านการขึ้นรูปเย็น มีความต้านทานแรงดึงที่จุดครากสูง และมีความแกร่งที่อุณหภูมิต่ำดีเยี่ยม จึงมักผลิตเป็นผลิตภัณฑ์บรรจุอาหาร อุปกรณ์ในภัตตาคาร เครื่องครัว อ่างล้างจาน อุปกรณ์ประดับยนต์ อุปกรณ์ตกแต่งอาคาร และสายรัด เป็นต้น

เกรด AISI 301 เป็นเกรดที่มีโครเมียมผสมอยู่ในช่วง 16-18% นิกเกิล 6-8% และแมงกานีสไม่เกิน 2% มีความแข็งแรงสูงและมีความเหนียวที่ดีหลังผ่านการขึ้นรูปเย็น (Cold Worked Condition) มีสมบัติไม่ดูดติดแม่เหล็กในสภาวะหลังการอบอ่อน แต่จะดูดติดเล็กน้อยเมื่อผ่านการขึ้นรูปเย็น (มากกว่าทุกเกรดในกลุ่มออสเตนนิติก) มีความต้านทานการกัดกร่อนดีเยี่ยม จึงมักใช้ทำฝาครอบล้อรถยนต์ สปริง และอุปกรณ์ที่ใช้ในการผลิตอาหาร โครงสร้างที่มีน้ำหนักเบา [58] โครงสร้างอากาศยาน ชิ้นส่วนรถเทรลเลอร์ (Trailer Body) ไดอะแฟรม ชิ้นส่วนประดับยนต์ อุปกรณ์ตั้งโต๊ะ และสายพานลำเลียง เป็นต้น

เกรด AISI 304/304L เป็นเกรดที่มีการประยุกต์ใช้งานมากที่สุด มีความต้านทานการกัดกร่อนสูง เนื่องจากมีการสร้างฟิล์มป้องกันที่ดี และมีสมบัติทางกลที่ดี จึงมักใช้ทำเป็นชิ้นส่วนของโรงงานผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ [59] อุปกรณ์ลำเลียงกรดไนตริก [36] ถังทนแรงดัน แทงค์ ท่อ และอุปกรณ์ในโรงงานที่สัมผัสกับกรดที่มีความเข้มข้นไม่เกิน 8 นอร์มอล (N) และอุณหภูมิไม่เกิน 80 องศาเซลเซียส [10] ผลิตภัณฑ์บรรจุอาหาร ท่อลำเลียงน้ำ และชิ้นส่วนตกแต่งทางสถาปัตยกรรม เครื่องครัว ตะแกรงกรองสารเคมี ชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมผลิตยา กระดาษและเยื่อ โรงไฟฟ้า และปิโตรเคมี โดยเฉพาะโครงสร้างที่ต้องผ่านการเชื่อมควรเลือกใช้เกรด AISI 304L เพื่อหลีกเลี่ยงการตกตะกอนของคาร์ไบด์ที่ส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรนตามมา เป็นต้น

เกรด AISI 309/309S เป็นเกรดที่มีสมบัติต้านทานการกัดกร่อนดีเยี่ยม และต้านทานต่อความร้อน รวมทั้งมีความแข็งแรงที่ดีทั้งที่อุณหภูมิห้องและอุณหภูมิสูง จึงมักผลิตเป็นแผ่นให้ความร้อนและชิ้นส่วนเตา อุปกรณ์ให้ความร้อน ชิ้นส่วนอากาศยานและเครื่องยนต์ไอพ่น (Jet Engine) ชิ้นส่วนตกแต่งบ้าน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน อุปกรณ์ลำเลียงสารละลายประเภทซัลไฟด์ บุผนังเตา แผงกั้นในหม้อไอน้ำ อุปกรณ์ที่ใช้งานในกระบวนการผลิตสารเคมีและโรงกลั่น และชิ้นส่วนกำจัดไอเสียยานยนต์ เป็นต้น

เกรด AISI 310 เป็นเกรดที่มีการเติมโครเมียมและนิกเกิลในปริมาณสูง (โครเมียม 24-26% และ นิกเกิล 19-22%) มีสมบัติที่สามารถใช้งานในสภาวะอุณหภูมิสูงดีเยี่ยม มีความเหนียวและความสามารถในการเชื่อมที่ดี มีความต้านทานต่อออกซิเดชันและคาร์บูไรเซชัน [60-62] จึงมักใช้งานในสภาวะแบบออกซิไดซิงแบบต่อเนื่องโดยไม่มีซัลเฟอร์เจือปนและที่มีอุณหภูมิใช้งานไม่เกิน 1,150 C เช่น ท่อลำเลียงแก็สธรรมชาติร้อน และอุปกรณ์ในเตาเผาวัสดุทนไฟ เป็นต้น

เกรด AISI 316/316L เป็นเกรดที่มีความต้านทานการกัดกร่อนดีกว่าเกรด AISI 304/304L มีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงดี จึงนิยมผลิตเป็นชิ้นส่วนท่อแลกเปลี่ยนความร้อน อุปกรณ์บรรจุหรือลำเลียงสารเคมี และชิ้นงานที่ติดตั้งแถวชายฝั่งทะเล ชิ้นส่วนท่อไอดี ชิ้นส่วนเตา ชิ้นส่วนเครื่องยนต์ไอพ่น อุปกรณ์ผลิตยาและถ่ายภาพ ชิ้นส่วนวาล์วและปั๊ม อุปกรณ์บรรจุสารเคมี เครื่องหมัก แทงค์ อุปกรณ์ที่ใช้งานในกระบวนการผลิตกระดาษ เส้นใย ชิ้นส่วนที่สัมผัสกับบรรยากาศทะเล และระบบท่อ เป็นต้น

เกรด AISI 317LN เป็นเกรดที่มีโมลิบดีนัมผสมในปริมาณสูง จะให้สมบัติความต้านทานการกัดกร่อนสูง โดยเฉพาะในสิ่งแวดล้อมที่เป็นน้ำทะเล (Seawater Environment) และให้สมบัติทางกลที่ดี โลหะผสมดังกล่าวจึงมักผลิตเป็นชิ้นส่วนและอุปกรณ์จำพวกถังในอาคาร และตู้คอนเทนเนอร์ที่ใช้ในการจัดเก็บและลำเลียงสารเคมีที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง เช่น ฟอสฟอริก ไนตริก หรือกรดซัลฟูริก [54] โดยโมลิบดีนัมจะเพิ่มสมบัติทางกลและความต้านทานการกัดกร่อน แต่มักส่งเสริมให้เกิดการฟอร์มตัวของเฟอร์ไรต์ (Ferrite Stabilizer) ดังนั้นจึงมักเติมไนโตรเจนซึ่งเป็นธาตุที่ช่วยฟอร์มเฟสออสเตนไนต์ลงไป เพื่อลดบทบาทหรือชดเชยศักยภาพของโมลิบดีนัมที่ช่วยให้เกิดเฟอร์ไรต์ ไนโตรเจนจะเพิ่มความต้านทานต่อการล้าตัว อย่างไรก็ตาม ถ้ามีการใช้งานที่อุณหภูมิสูงมักมีแนวโน้มในการฟอร์มตัวเป็นคาร์ไบด์ชนิด M6C และสามารถทำให้เกิดการตกตะกอนของโครงสร้างที่ไม่พึงประสงค์ เช่น เฟสซิกม่า (sigma phase) ได้

เกรด AISI 321 เป็นเกรดที่มีการเติมไทเทเนียมและไนโอเบียม เพื่อเพิ่มความเสถียรให้กับคาร์ไบด์ ส่งผลให้แนวเชื่อมมีความต้านทานการกัดกร่อนดีขึ้น เนื่องจากธาตุทั้งสองจะไปลดการตกตะกอนของโครเมียมคาร์ไบด์ตามขอบเกรน [63] มีสมบัติที่ต้านทานการเกิดออกซิเดชันและการกัดกร่อนดีเยี่ยม และมีความต้านทานต่อการคืบที่ดี เหมาะสำหรับการใช้งานทั้งแบบต่อเนื่องและไม่ต่อเนื่องในช่วงอุณหภูมิที่สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการตกตะกอนของคาร์ไบด์ (427-816 °C) ดังนั้นจึงนิยมผลิตเป็นชิ้นส่วนท่อแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงปานกลาง ชิ้นส่วนอากาศยาน ฝาครอบเตาอบ อุปกรณ์สำหรับอบคืนไฟอุณหภูมิสูง ระบบกำจัดไอเสียของรถยนต์ที่ทำงานหนักและเครื่องยนต์ดีเซล ผนังทนไฟ บุปล่องทนไฟ (Stack Liner) ครอบหม้อไอน้ำ (Boiler Casing) ท่อทนแรงดันที่ต้องเชื่อม ชิ้นส่วนระบบซุปเปอร์ฮีต และอุปกรณ์โรงกลั่นน้ำมัน เป็นต้น

เกรด AISI 904L เป็นเกรดออสเตนนิติกผสมสูงแต่มีคาร์บอนต่ำหรือบางครั้งเรียกว่า เกรดซุปเปอร์ออสเตนนิติก มีการเติมโมลิบดีนัมในปริมาณสูง (4-5%) และทองแดง เพื่อเพิ่มความต้านทานต่อกรดรีดิวซิงอย่างรุนแรง เช่น กรดซัลฟูริก นอกจากนี้ยังต้านทานการกัดกร่อนจากคลอไรด์ทั้งในรูปแบบการกัดกร่อนภายใต้รอยซ้อน/รูเข็ม และการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน มีความสามารถในการเชื่อมและการแปรรูปดีเยี่ยม โครงสร้างแบบออสเตนนิติกยังส่งผลให้วัสดุเกรดดังกล่าวมีความแกร่งดีเยี่ยมแม้เป็นการใช้งานที่อุณหภูมิติดลบ จึงมักผลิตเป็นชิ้นส่วนในโรงงานที่เกี่ยวข้องกับกรดซัลฟูริก ฟอสฟอริก และอะซิติก กระบวนการผลิตเยื่อและกระดาษ ชิ้นส่วนในโรงงานแยกแก๊ส และอุปกรณ์สำหรับบรรจุน้ำทะเลหล่อเย็น เป็นต้น

เกรด UNS S31254 หรือชื่อทางการค้า 254SMO เป็นโลหะออสเตนนิติกผสมสูง ถูกพัฒนาขึ้นในราวปี ค.ศ.1970 [64] มีธาตุโครเมียม นิกเกิล และโมลิบดีนัมเป็นธาตุผสมหลัก และมีธาตุไนโตรเจนและทองแดงในปริมาณรองลงมา ซึ่งเป็นทราบกันดีว่าเป็นธาตุที่เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน เหมาะต่อการใช้งานในสิ่งแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนรุนแรง เช่น ระบบเครื่องย่อยกระดาษ ระบบแยกเกลือออกจากน้ำทะเลหรือผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเล อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนและที่ต้องสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ เป็นต้น

เอกสารอ้างอิง:
[58] M. Eskandari, A. Najafizadeh, A. Kermanpur, M. Karimi. Potential application of nanocrystalline 301 austenitic stainless steel in lightweight vehicle structures. Materials & Design 2009 ; 30(9) : pp 3869-72.


[59] 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.

[60] Charng-Cheng Tsaur, James C. Rock, Chaur-Jeng Wang, Yung-Hua Su. The hot corrosion of 310 stainless steel with pre-coated NaCl/Na2SO4 mixtures at 750 °C. Materials Chemistry and Physics 2005 ; 89(2-3) : pp. 445-53.

[61] Hung-Wen Hsu, Wen-Ta Tsai. High temperature corrosion behavior of siliconized 310 stainless steel. Materials Chemistry and Physics 2000; 64(2): pp. 147-55.

[62] Ruchuan Yin. Carburization of 310 stainless steel exposed at 800–1100 °C in 2%CH4/H2 gas mixture. Corrosion Science 2005; 47(8): pp. 1896-910.

[63] S.A.A. Akbari Mousavi, A.R. Sufizadeh. Metallurgical investigations of pulsed Nd:YAG laser welding of AISI 321 and AISI 630 stainless steels Materials & Design 2009; 30(8): pp.3150-7.

[64] C.T. Liu, J.K. Wu. Influence of pH on the passivation behavior of 254SMO stainless steel in 3.5% NaCl solution. Corrosion Science, Volume 49, Issue 5, May 2007, Pages 2198-2209