วันศุกร์ที่ 8 ตุลาคม พ.ศ. 2553

เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์กับปัญหาที่เกิดจากการเชื่อม

เมื่อกล่าวถึงเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ (duplex stainless steel) อาจจะเป็นที่รู้จักกันดี โดยเฉพาะท่านที่ทำงานเกี่ยวข้องกับเหล็กกล้าไร้สนิม ในบทความต่อไปนี้จะขอกล่าวถึงเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์เพียงบางส่วน รวมถึงปัญหาเพียงบางส่วนที่มักจะเกิดขึ้นจริงในระบบหรือโครงสร้างที่มีเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์เป็นส่วนประกอบ


เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ คือ เหล็กกล้าผสมสูงชนิดหนึ่งที่มีความต้านทานการกัดกร่อนดีเยี่ยม ถูกพัฒนามาจากโลหะผสม เกิดจากการรวมเอาสมบัติที่มีความแข็งแรงสูงของโครงสร้างเฟอร์ไรต์ และสมบัติด้านความแกร่งของโครงสร้างออสเตนไนต์ จึงนิยมนำเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ไปใช้เป็นชิ้นส่วนงานอุตสาหกรรมที่ต้องการความปลอดภัยสูง หรือใช้กับอุปกรณ์ที่ใช้ในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด สารเคมีที่มีความเข้มข้นสูง รวมถึงการใช้งานในสภาวะที่ต้องสัมผัสกับบรรยากาศที่กัดกร่อนสูง เช่น บรรยากาศที่มีปริมาณคลอไรด์สูง เป็นต้น สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ ที่นำไปผลิตเป็นถัง ท่อ หรืออุปกรณ์อื่น ๆ ที่ต้องสัมผัสกับสภาพแวดล้อมการใช้งานต่าง ๆ กัน มักจะพบปัญหาที่เกิดจากการประกอบเป็นอุปกรณ์ ถังหรือท่อ ปัญหาต่าง ๆ ที่อาจมาจากหลายสาเหตุ แต่ในที่นี้ขอกล่าวถึงปัญหาที่พบในการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ เพียงเฉพาะสาเหตุที่มาจากไฮโดรเจน หรือการแตกจากไฮโดรเจน (hydrogen cracking)

ไฮโดรเจนจะถูกดูดซับหรือปรากฏอยู่ในบ่อเชื่อมอันเนื่องมาจากสาเหตุเบื้องต้นดังต่อไปนี้

1.สารปนเปื้อนบริเวณแนวเชื่อมต่อ

2.ไฮโดรเจนที่เกิดขึ้นจากฟลักซ์ที่หุ้มผิวลวดเชื่อม

3.การใช้ก๊าซไฮโดรเจนเป็นแก๊สปกคลุมผิวชิ้นงานเชื่อม (shielding gas)

โลหะที่ใช้ในการเชื่อมที่มีไฮโดรเจนตกค้างในปริมาณสูง สามารถกำจัดหรือลดปริมาณได้โดยการอบแท่ง electrode ของการเชื่อมแบบ SMAW (Shielding Metal Arc Welding) ในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสม แต่การอบที่ไม่เพียงพอ คือยังมีความชื้นตกค้างสามารถส่งผลให้ไฮโดรเจนเกิดการแพร่และเป็นสาเหตุของการแตกของวัสดุเชื่อมที่มีเฟอร์ไรต์ปริมาณสูง ในระบบการเชื่อมอัตโนมัติของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก เช่น การเชื่อมท่อชนิดที่เรียกว่า tube mills แก๊สไฮโดรเจนที่ปกคลุมเป็นตัวเพิ่มอัตราการซึมลึกและอัตราเร็วในการเชื่อม ซึ่งก็สามารถนำไปใช้ได้ดีในการเชื่อมตามแนวยาวของเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ ขณะเดียวกันรอยเชื่อมของท่อก็จะเกิดการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว พร้อมกับการแพร่ออกของไฮโดรเจนเมื่อวัสดุที่หลอมเกิดการแข็งตัว (แต่ในกระบวนการเชื่อมที่เรียกว่า GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) พบว่าการมีปริมาณไฮโดรเจนในแก็สปกคลุมเพียง 2–10 % ก็สามารถส่งผลให้เกิดการแตกบนรอยเชื่อมได้) ลักษณะดังกล่าวจะเป็นตัวหน่วงเหนี่ยวการเกิด cold crack ภายหลังจากทิ้งไว้ระยะหนึ่งหลังการเย็นตัวโดยเฉพาะถ้ามีปริมาณเฟอร์ไรต์มากกว่า 50–60 % ดูได้จากรูปที่ 1 ในกรณีที่ใช้ไนโตรเจนเป็นแก็สปกคลุม เราพบว่าไฮโดรเจนไม่สามารถที่จะถูกดูดซับเข้าไปอยู่ในเนื้อเชื่อมได้

รูปที่ 1


ความสามารถของการแพร่ของไฮโดรเจนในโครงสร้างเฟอร์ไรต์ มีมากกว่าในโครงสร้างออสเตนไนต์ และความสามารถในการละลายของไฮโดรเจนในออสเตนไนต์มากกว่าเฟอร์ไรต์ 30 เท่า โดยวัสดุที่มีเฟอร์ไรต์เป็นโครงสร้างหลักจะสามารถถ่ายเทไฮโดรเจนเข้าไปอยู่ในเกรนของออสเตนไนต์ได้เร็ว เป็นการป้องการกักตัวของไฮโดรเจน อย่างไรก็ตามปริมาณของไฮโดรเจนที่ถูกกักตัวไว้จะเป็นปัจจัยที่มีความสัมพันธ์ต่อการแตกร้าว โดยเขตรอยต่อระหว่างเฟสออสเตนไนต์และเฟอร์ไรต์จะเป็นบริเวณที่เกิดการกักตัวของไฮโดรเจนเป็นหลัก และจะมีผลต่อเฟสออสเตนไนต์เป็นหลัก ทำให้การแตกร้าวมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นกับเฟสเฟอร์ไรต์ได้เช่นกัน ถ้าไฮโดรเจนที่ปรากฏมีในชิ้นงานระหว่างกระบวนการเชื่อมไม่สามารถป้องกันที่จะไม่ให้เกิดขึ้นได้ เราจึงสามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการให้ความร้อนกับชิ้นงานก่อนการเชื่อม (preheat) จนถึงอุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียส และหลังการเชื่อมควรให้ความร้อนกับชิ้นงานที่อุณหภูมิ 200 องศาเซลเซียสเป็นเวลาประมาณ 100 ชั่วโมง หรือโดยการทำ PWHT (Post Welding Heat Treatment) อย่างรวดเร็วภายหลังการเชื่อม

จากบทความดังกล่าวนี้เป็นเพียงหนึ่งในปัญหาที่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ ที่สามารถช่วยเป็นแนวทางเบื้องต้นในการทำงานเพื่อลดปัญหาการแตกหักจากผลของไฮโดรเจนได้

เอกสารอ้างอิง
1. Lippold JC, Varol I, Baeslack III W A: Conf proc Duplex Stainless Steels ’91, Beaune, Les editions de physique, 1991, vol.1, 383-402.

2. Gunn RN: Conf proc Duplex Stainless Steels ’94, Glasglow, TWI, 1994, Vol.1, paper 32.

3. Noble DN, Gooch TG: Welding Institute Report 321/1986, November 1986.

ขอขอบคุณข้อมูลจาก คุณพัทธิมา รัตนตระกูล

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

การล้างผิวเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกรด (Pickling) และการสร้างฟิล์ม (Passivation)

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