เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 18) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์ (Duplex Stainless Steel)

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์มีการพัฒนาขึ้นครั้งแรกในปี ค.ศ.1927 [110] และผลิตขายในท้องตลาดในช่วงปี ค.ศ. 1930 ด้วยสมบัติที่โดดเด่นหลายด้าน และเมื่อพิจารณาเรื่องราคาแล้วสามารถแข่งขันกับเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติก เฟอริติกและโลหะผสมนิกเกิลได้ จึงทำให้มีปริมาณความต้องการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วโดยเฉพาะในช่วงปี ค.ศ. 1980 [111] เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์เป็นโลหะผสมระหว่างโครเมียม-นิกเกิล-โมลิบดีนัม (Cr-Ni-Mo) มีโครงสร้างจุลภาคผสมกัน 2 เฟสระหว่างเฟอร์ไรต์กับออสเตนไนต์ในสัดส่วนที่ใกล้เคียงกัน [112-114] (ดังรูปที่ 1) จึงเป็นที่มาของการตั้งชื่อ “เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์” [115] จากการศึกษา [116] พบว่าเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ที่มีสัดส่วนระหว่างเฟอร์ไรต์และออสเตนไนต์ 1 ต่อ 1 โดยปริมาตร (หรือ 50%) มีสมบัติดีที่สุด โดยเฉพาะความต้านทานการกัดกร่อน สัดส่วนดังกล่าวอาจแปรผันได้ในช่วง 30-70% แต่โดยส่วนใหญ่มักมีสัดส่วน 40-60% [117-118] สามารถดูดติดแม่เหล็กได้ โครงสร้างแบบผสมดังกล่าวทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์มีความแข็งแรงทางกลสูงและมีความต้านทานการกัดกร่อนในสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงได้ดี มีความต้านการกัดกร่อนและสึกกร่อนเนื่องจากความล้า (Corrosion and Erosion Fatigue) รวมทั้งมีค่าการขยายตัวเนื่องจากความร้อน (Thermal Expansion) ต่ำกว่าและความนำไฟฟ้า (Thermal Conductivity) สูงกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติก มีความสามารถในการเชื่อมอยู่ในเกณฑ์ดี มีความต้านทานการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้า (General Corrosion) ที่เทียบเท่าหรือมากกว่าเกรด AISI 304 และ AISI 316 และมีความต้านทานการกัดกร่อนแบบรูเข็มดีเยี่ยมเท่ากับเกรด AISI 316 แต่ความแกร่งจะลดลงที่อุณหภูมิต่ำกว่า -50 องศาเซลเซียส และที่สภาวะการใช้งานสัมผัสอุณหภูมิสูงกว่า 300 องศาเซลเซียส แต่ถ้าต้องการใช้งานในช่วงอุณหภูมินอกเหนือจากช่วงดังกล่าวต้องพิจารณาในข้อจำกัดต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโครงสร้างที่ผ่านการเชื่อม นอกจากนี้ยังมีความต้านทานการขัดสีและการสึกหรอ [112] มีความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก (Yield Strength) อยู่ในช่วงระหว่าง 550-690 MPa [18] ในสภาวะหลังการอบอ่อน ซึ่งมีค่ามากกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกประมาณ 2 เท่า [118] (เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกมีความต้านทานแรงดึงที่จุดครากอยู่ในช่วงระหว่าง 200-275 MPa ในสภาวะหลังการอบอ่อน) จึงทำให้นักออกแบบสามารถลดน้ำหนักของโครงสร้างและค่าใช้จ่ายได้อย่างมากเมื่อเทียบกับเกรด AISI 316L หรือ AISI 317L นอกจากนี้ยังสามารถลดเวลาในการเชื่อมลงได้ [119]


สมบัติที่ดีร่วมกันระหว่างความต้านทานการกัดกร่อนสูงและมีสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมนั้น เกิดจากโครงสร้างจุลภาคที่ประกอบด้วยเฟอร์ไรต์และออสเตนไนต์ในสัดส่วนที่ใกล้เคียงกันและส่วนผสมทางเคมีของแต่ละเฟส โดยถ้ามีปริมาณโครเมียมและโมลิบดีนัมสูงจะเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนตามขอบเกรนและแบบรูเข็มตามลำดับ นอกจากนี้ยังมีการเติมไนโตรเจนซึ่งเป็นธาตุที่เพิ่มเสถียรภาพให้กับออสเตนไนต์ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงให้กับโครงสร้างด้วยกลไกการแทนที่ของสารละลายของแข็ง (Interstitial Solid Solution) ซึ่งมีพลังงานที่เกิดจากการเข้ากลุ่มผิดพลาดของระนาบอะตอม (Stacking Fault Energy) ต่ำ ลักษณะดังกล่าวจะเพิ่มความต้านทานแรงดึงที่จุดครากและความต้านทานแรงดึงสูงสุดโดยไม่ลดความแกร่งของวัสดุ รวมทั้งลดความไวต่อการตกตะกอนของคาร์ไบด์ตามขอบเกรน [120]

รูปที่ 1 ตัวอย่างโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์

บทความต่อไป ผมจะมานำเสนอ ผลของ dual structure ต่อสมบัติด้านต่างๆ รออ่านนะครับ.....

เอกสารอ้างอิง[110] Lian-Fu Li, Zhou-Hua Jiang, Yves Riquier. High-temperature oxidation of duplex stainless steels in air and mixed gas of air and CH4.Corrosion Science 2005; 47(1): pp. 57-68.


[111] G. Atxaga, A.M. Irisarri. Study of the failure of a duplex stainless steel valve. Eng Fail Anal; 16(5): pp. 1412-9.

[112] S.K. Ghosh, S. Mondal. High temperature ageing behaviour of a duplex stainless steel. Materials Characterization 2008; 59(12): pp. 1776-83.

[113] R.K. Singh Raman, W.H. Siew. Role of nitrite addition in chloride stress corrosion cracking of a super duplex stainless steel. Corrosion Science 2010; 52(1): pp. 113-7.

[114] Hua Tan, Yiming Jiang, Bo Deng, Tao Sun, Juliang Xu, Jin Li. Effect of annealing temperature on the pitting corrosion resistance of super duplex stainless steel UNS S32750. Materials Characterization 2009; 60(9): pp. 1049-54.

[115] Hosni M. Ezuber, A. El-Houd, F. El-Shawesh. Effects of sigma phase precipitation on seawater pitting of duplex stainless steel. Desalination 2007; 207(1-3): pp. 268-75.

[116] Horng-Yih Liou, Rong-Iuan Hsieh, Wen-Ta Tsai. Microstructure and pitting corrosion in simulated heat-affected zones of duplex stainless steels. Materials Chemistry and Physics 2002; 74(1): pp. 33-42.

[117] Lihua Zhang, Wei Zhang, Yiming Jiang, Bo Deng, Daoming Sun, Jin Li. Influence of annealing treatment on the corrosion resistance of lean duplex stainless steel 2101. Electrochimica Acta 2009; 54(23): pp. 5387-92.

[118] I. Mészáros. Magnetic characterisation of duplex stainless steel. Physica B: Condensed Matter 2006; 372(1-2): pp. 181-4.

[119] D.M. Escriba, E. Materna-Morris, R.L. Plaut, A.F. Padilha. Chi-phase precipitation in a duplex stainless steel. Materials Characterization 2009; 60(11): pp. 1214-9.

[120] Ihsan-ul-Haq Toor, Park Jung Hyun, Hyuk Sang Kwon. Development of high Mn–N duplex stainless steel for automobile structural components. Corrosion Science 2008; 50(2): pp. 404-10.