Metallurgical Failure Analysis: เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 26) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนชนิดมาร์เทนซิติก (Martensitic PH))

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท [18, 142] ตามโครงสร้างสุดท้ายที่ได้หลังจากกระบวนการทางความร้อน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเริ่มต้นและสิ้นสุดของการเกิดมาร์เทนไซต์ (M_s และ M_f ตามลำดับ) และพฤติกรรมที่ได้หลังจากการเย็นตัวในตัวกลางที่มีอุณหภูมิเหมาะสม [144] สำหรับบทความนี้จะเสนอประเภทแรกและตัวอย่างเกรดที่นิยมใช้

โลหะผสมมาร์เทนซิติก

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนประเภทมาร์เทนซิติก จะมีโครงสร้างเป็นออสเตนไนต์ระหว่างการอบอ่อนที่ช่วงอุณหภูมิ 1040-1065 องศาเซลเซียส เมื่อเย็นตัวมาที่อุณหภูมิห้อง จะมีการเปลี่ยนเฟสจากออสเตนไนต์ไปเป็นมาร์เทนไซต์ เช่นเกรด 17-4 PH (AISI 630) เกรด 15-5 PH และเกรด 13-8 PH แต่เกรดที่มีการประยุกต์ใช้งานมากที่สุดคือ 17-4 PH

เกรด 17-4 PH มีส่วนผสมของโครเมียมประมาณ 17% นิกเกิล 4% ทองแดง 3% [147] และไนโอเบียม 0.3% มีคาร์บอนไม่เกิน 0.04% ซึ่งทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมประเภทดังกล่าวมีสมบัติทางกลที่ดี โดยเฉพาะสมบัติด้านความแกร่งและความเหนียว อย่างไรก็ตาม ถ้ามีคาร์บอนในปริมาณต่ำเกินไป จะทำให้ความต้านทานต่อการสึกหรอ (Wear Resistance) ลดลงได้ เป็นเกรดที่สามารถปรับปรุงให้มีความแข็งสูงได้โดยไม่ลดความเหนียวของวัสดุ มีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยมเมื่อเทียบกับเหล็กกล้าที่มีความแข็งแรงเท่ากัน ซึ่งเป็นประเด็นที่น่าสนใจของนักออกแบบและวิศวกรอย่างมาก เหล็กกล้าดังกล่าวจะเพิ่มความแข็งแรงได้โดยการตกตะกอนของเฟสที่มีทองแดงปริมาณสูง (Copper Rich Phase) ในโครงสร้างพื้นฐานแบบมาร์เทนซิติกโดยการอบอ่อนและบ่มแข็ง สำหรับการอบอ่อนสามารถทำได้หลากหลายช่วงอุณหภูมิเพื่อให้ได้สมบัติทางกลตามที่ต้องการ ซึ่งมักเรียกสภาวะดังกล่าวว่า “Condition A” [148] โครงสร้างที่ได้หลังจากสภาวะดังกล่าวประกอบไปด้วยเดลต้าเฟอร์ไรต์ที่สัดส่วน 5-10 % โดยปริมาตร ในโครงสร้างพื้นฐานแบบมาร์เทนซิติกที่มีคาร์บอนต่ำ [149-150] อย่างไรก็ตาม ถ้าต้องการนำไปใช้งานในสภาวะที่วิกฤติ ควรทำการบ่มแข็ง ซึ่งจะเกิดการตกตะกอนของเฟสที่มีทองแดงปริมาณสูงเป็นกลุ่มที่มีความต่อเนื่อง การอบชุบทางความร้อนในสภาวะที่ทำให้เกิดการบ่มแข็งมากเกินไป โดยเฉพาะที่ช่วงอุณหภูมิสูงกว่าค่าที่นิยมใช้กันทั่วไป (มากกว่า 600 องศาเซลเซียส) สามารถลดความเค้นตกค้างของโครงสร้างมาร์เทนไซต์ได้ด้วย ส่งผลให้วัสดุมีความแกร่งมากขึ้น และมีความต้านทานการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนดีกว่า Condition A นอกจากนี้ การบ่มแข็งมากเกินไปสามารถนำไปสู่การฟอร์มเฟสเอปซิลอนที่ไม่ต่อเนื่อง (Incoherent e Phase) รวมทั้งการเปลี่ยนเฟสจากมาร์เทนไซต์ไปเป็นออสเตนไนต์ตามขอบเกรนของมาร์เทนไซต์แบบแผ่น (Lath Martensite) การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างดังกล่าวนอกจากจะเปลี่ยนสมบัติทางกลแล้ว ยังส่งผลกระทบต่อความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุ

โดยทั่วไป เหล็กกล้าที่ผ่านการบ่มแข็งมากเกินไป จะมีความต้านทานต่อการแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนจากซัลไฟต์สูงขึ้น [149] เนื่องจากมีความแข็งต่ำกว่าเหล็กกล้าที่ผ่านการบ่มแข็งในสภาวะปกติ สำหรับการอบอ่อนที่อุณหภูมิ 1040 องศาเซลเซียสและเย็นตัวในน้ำหรืออากาศ แล้วทำการบ่มแข็งที่อุณหภูมิ 480-780 องศาเซลเซียส ประมาณ 1-4 ชั่วโมง จะได้สมบัติทางกลดังนี้ [147] มีความต้านทานแรงดึงสูงสุดที่ 900-1400 MPa ความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก 590-1280 MPa และมีความต้านทานต่อแรงกระแทก 20-135 จูล เหล็กกล้าไร้สนิมที่เพิ่มความแข็งโดยการตกตะกอนเกรด 17-4 PH มีความต้านทานการกัดกร่อนในสิ่งแวดล้อมที่หลากหลายเทียบเท่ากับเกรด AISI 304 และต้านทานต่อออกซิเดชันได้ดีกว่าเกรด AISI 410 [151] แต่ข้อเสียของเกรดดังกล่าว คือ มีความแข็งที่ผิวหน้าต่ำ (โดยทั่วไปมีความแข็งประมาณ 34-45 HRC) จึงทำให้มีสมบัติต้านทานการเสียดสีที่แย่ [152-154] จึงเป็นข้อจำกัดเมื่อต้องใช้งานในสภาวะที่มีการสัมผัสการการสึกหรอมาเกี่ยวข้อง ปัญหาดังกล่าวอาจแก้ไขได้โดยการเพิ่มความแข็งที่ผิวหน้าด้วยวิธีการพลาสมาไนไตรดิง [147, 155] หรือคาร์บูไรซิ่ง โลหะผสมเกรดดังกล่าวสามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้หลายประเภท เช่น วาล์วในโรงกลั่นน้ำมัน อุปกรณ์ในกระบวนการเคมี ข้อต่อในอากาศยาน ชิ้นส่วนเครื่องยนต์ไอพ่น สลักภัณฑ์ ชิ้นส่วนเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เกียร์ อุปกรณ์ย่อยกระดาษ เพลาปั๊ม [139, 147] ชิ้นส่วนวาล์วไฮดรอลิกส์ และเครื่องมือผ่าตัด [151]