เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 19) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์ (Duplex Stainless Steel)

ต่อจากตอนที่ 18 นะครับ หลังจากที่ทิ้งช่วงมานาน...........................

เป็นที่ทราบกันทั่วไปว่าเฟสทั้งสองที่ปรากฏในเหล็กกล้าขึ้นอยู่กับส่วนผสมทางเคมี โดยเฉพาะธาตุผสมทั้งสามที่กล่าวมานั้น (โครเมียมและโมลิบดีนัมส่งเสริมให้เกิดเฟอร์ไรต์ ในขณะที่ไนโตรเจนส่งเสริมให้เกิดออสเตนไนต์) จะส่งผลให้วัสดุมีความต้านทานการกัดกร่อนต่างกันด้วย แต่โดยรวมแล้วธาตุทั้งสามจะเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็มในสารละลายที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ [121] เช่น การจุ่มแช่เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ในสารละลายกรดไนตริกและไฮโดรคลอริกสามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกได้ โดยแต่ละเฟสจะแสดงตัวเป็นได้ทั้งบริเวณที่สูญเสียอิเล็กตรอน (แอโนด) หรือรับอิเล็กตรอน (แคโทด) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับชนิดของสารละลายที่สัมผัส [122]

การอบอ่อน (Annealing Treatment) เป็นอีกปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลกระทบต่อความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์ [114] กล่าวคือ ถ้าอบที่อุณหภูมิต่างกัน จะได้สัดส่วนของเฟสเฟอร์ไรต์และออสเตนไนต์ที่ต่างกัน (ที่ส่วนผสมเดียวกัน) และการกระจายตัวของธาตุผสมในเฟสทั้งสองที่เกิดขึ้นหลังการอบอ่อน จะส่งผลให้แต่ละเฟสมีความต้านทานการกัดกร่อนต่างกันไปด้วย ในทางกลับกัน ถ้าผ่านกระบวนการทางความร้อนที่ไม่เหมาะสมสามารถส่งเสริมให้เกิดเฟสที่สอง (Second Phase) ได้เช่นกัน การตกตะกอนดังกล่าวจะลดสมบัติของวัสดุทั้งความแกร่งและความต้านทานการกัดกร่อน

โครงสร้างแบบผสม 2 เฟสทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์มีความแกร่งและความเหนียวดีกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติก และมีความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนดีกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติก ซึ่งอธิบายได้ว่า เฟสออสเตนไนต์ซึ่งมีความไวต่อการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน จะถูกป้องกันแบบคาโธดิก (Cathodic Protection) จากเฟสเฟอร์ไรต์ที่เชื่อว่าอยู่ภายใต้ความเค้นแรงอัดจาก “Keying Effect [113]” ในโครงสร้างแบบผสม 2 เฟส (ซึ่ง SCC ต้องใช้ความเค้นแรงดึงในการขยายตัวรอยแตกร้าว) จึงสามารถป้องกันการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนได้ ความจริงแล้ว การปรับปรุงความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนจากคลอไรด์ ถูกค้นพบจากการศึกษาเนื้อโลหะบริเวณที่ผ่านการเชื่อม (Weld Metal Region) ของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก ซึ่งพบว่ามีเฟอร์ไรต์ตกค้าง (Retained Ferrite) ประมาณ 5-10% ปรากฏการณ์ดังกล่าวส่งผลให้แนวเชื่อมมีความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนเป็นอย่างมาก เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์จึงมีอัตราการประยุกต์ใช้งานเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมผลิตสารเคมี โรงกลั่นน้ำมัน นิวเคลียร์ อุปกรณ์ใช้งานในทะเล ปิโตรเคมี ปุ๋ยเคมี ผลิตอาหาร เยื่อและกระดาษ ควบคุมมลภาวะ เรือดำน้ำ และการใช้งานทางวิศวกรรมทั่วไป [123-124] เป็นต้น

โดยทั่วไป การเสื่อมสภาพของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์มักเกิดจากการสัมผัสกับสภาวะอุณหภูมิสูง ทั้งจากกระบวนการผลิตและระหว่างการใช้งาน โดยการตกตะกอนของเฟสที่สอง ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับช่วงอุณหภูมิและระยะเวลาที่วัสดุได้รับ [125-126] เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดูเพล็กซ์มีปริมาณโครเมียมและโมลิบดีนัมผสมในปริมาณสูง และธาตุทั้งสองสามารถละลายในเฟสเฟอร์ไรต์ได้มาก จึงส่งผลให้วัสดุมีความไวต่อการฟอร์มเฟสที่สองได้ง่ายในระหว่างการสัมผัสอุณหภูมิในช่วง 280-1000 องศาเซลเซียส เช่น เฟสซิกมา (-phase) เฟสไช (-phase) เฟสออสเตนไนต์ทุติยภูมิ (Secondary Austenite Phase) คาร์ไบด์ (เช่น M23C6) โครเมียมไนไตรด์ (Cr2N) เฟสแอลฟ่าไพร์ม (’) และเฟสอื่นๆ

โปรดติดตามตอนต่อไป...........................ดูเพล็กซ์ยังไม่จบนะครับ

เอกสารอ้างอิง:
[121] K.L Weng, H.R Chen, J.R Yang. The low-temperature aging embrittlement in a 2205 duplex stainless steel. Materials Science and Engineering: A 2004; 379(1-2): pp. 119-32.

[122] Tahar Sahraoui, Mohamed Hadji, Mostepha Yahi. Design and deformation behavior of high strength Fe–Mn–Al–Cr–C duplex steel. Materials Science and Engineering: A 2009; 523(1-2): pp. 271-6.

[123] Wen-Ta Tsai, Jhen-Rong Chen. Galvanic corrosion between the constituent phases in duplex stainless steel. Corrosion Science 2007; 49(9): pp. 3659-68.

[124] Chuan-Ming Tseng, Horng-Yih Liou, Wen-Ta Tsai. The influence of nitrogen content on corrosion fatigue crack growth behavior of duplex stainless steel. Materials Science and Engineering A 2003; 344(1-2): pp. 190-200.

[125] 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.

[126] J.K. Sahu, U. Krupp, R.N. Ghosh, H.-J. Christ. Effect of 475 °C embrittlement on the mechanical properties of duplex stainless steel. Materials Science and Engineering: A 2009; 508(1-2): pp. 1-14.