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] 

Shaft

Impeller

Rod end

ตัวอย่างการประยุกต์ใช้งานของเกรด 17-4 PH

สำหรับตอนหน้าผมจะมานำเสนอเกรด 15-5 PH และ เกรด PH 13-8 Mo โปรดรอติดตามนะครับ

เอกสารอ้างอิง

[18]    General introduction. Introduction to stainless steel, ASM Handbook : 3-12.

[142]  www.aalco.co.uk/.../Aalco_Datasheet_St_St_Precipitation_Hardening.pd

ตรวจสอบความเสียหายของโรงกลั่น (Failure investigation of refinery plant)

หลังจากที่เกิดเหตุระเบิดในโรงกลั่นน้ำมันแถวเขตพระโขนงเมื่อวันที่ 4/07/55 ตอนเช้า จากนั้นได้มีการติดต่อจากเจ้าหน้าที่ให้เข้าไปร่วมตรวจสอบเพื่อหาสาเหตุ ซึ่งทีมงานพวกผมก็ได้เข้าไปตรวจสอบเมื่อวาน (5/07/55)

จากการเข้าตรวจสอบสถานที่เกิดเหตุ พบว่า เหตุการณ์ไฟไหม้และระเบิดครั้งนี้เกิดขึ้นค่อนข้างรุนแรง เนื่องจากตัวอาคารสำนักงานบางส่วนในพื้นที่โรงกลั่นได้รับความเสียหายจากแรงอัดของการระเบิด และมีชิ้นส่วนของหอกลั่นจากการระเบิดตกกระจัดจายในพื้นที่โรงกลั่น

(ภาพจากไทยรัฐ)

 

เจ้าหน้าที่ของโรงกลั่นสันนิษฐานว่า สาเหตุของไฟไหม้และการระเบิดน่าจะมีจุดเริ่มจากหอกลั่นน้ำมัน  (มีอายุการใช้งานมากกว่า 20 ปี) และลุกลามไปที่หอกลั่นน้ำมันอื่นในบริเวณข้างเคียง รวมทั้งหอกลั่นน้ำมันประธานของโรงกลั่นก็ได้รับความเสียหายรุนแรงเช่นเดียวกัน

กรณีตัวอย่าง: การเสียหายของใบมีดตัดเม็ดพลาสติก (Failure of cutting blade)

สำหรับกรณีตัวอย่างที่จะมานำเสนอในวันนี้นะครับ จะเกี่ยวกับการเสียหายของใบมีดที่ใช้ในการตัดเม็ดพลาสติก (ดังแสดงในรูปที่ 1) วัสดุดังกล่าวขึ้นรูปจากวัสดุผงไทเทเนียมคาร์ไบด์ (TiC) โดยการใช้งานใบมีดถูกประกอบแนบกับแม่พิมพ์ ด้วยแรงดันกดประมาณ 10 บาร์ ความเร็ว 700 รอบต่อนาที และสัมผัสกับเม็ดพลาสติกหลอมเหลวอุณหภูมิประมาณ 200 องศาเซลเซียส มีการระบายความร้อนด้วยน้ำหล่อเย็น ใบมีดเกิดการสึกหรอบริเวณคมตัดหลังจากใช้งานได้ประมาณ 14-30 วัน ซึ่งเป็นการใช้งานที่มีอายุค่อนข้างสั้น ดังนั้นจึงเป็นที่มาของการหาสาเหตุว่า ที่ใบมีดอายุสั้นนั้นเกิดจากอะไร เกิดจากตัวใบมีดเองหรือไม่? หรือว่าเกิดจากสภาวะการใช้งาน

รูปที่ 1 ใบมีดที่เกิดความเสียหาย

    

การตรวจสอบด้วยสายตาพบการสึกหรอของใบมีดจนทำให้ชิ้นงานสูญเสียเนื้อโลหะไป (รูปที่ 2) มีการกะเทาะของวัสดุ เมื่อนำไปตรวจสอบหารูปแบบและลักษณะทางกายภาพของผิวหน้าที่เกิดการสึกหรอด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) พบรูปแบบความเสียหายที่เกิดจากจุดบกพร่องในเนื้อวัสดุที่ผ่านการขึ้นรูปจากโลหะผงและเกิดการไม่ประสานเป็นเนื้อเดียวกันอย่างสมบูรณ์ของอนุภาคของโลหะผง

รูปที่ 2 การตรวจสอบบริเวณที่เกิดการสึกหรอและกะเทาะออกของใบมีด

ซึ่งสามารถยืนยันได้จากการตรวจสอบโครงสร้างทางจุลภาคของชิ้นงานด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสงชนิดแสงสะท้อน (รูปที่ 3) ที่ตรวจพบช่องว่าง (porosity) ภายในเนื้อวัสดุที่เกิดจากกระบวนการผลิตโลหะผงที่มีการอัดตัวกันอย่างหลวมๆ หรือการหลอมยึดติดกันเป็นพันธะ (bonding) ไม่สมบูรณ์จำนวนมาก โลหะผงที่ใช้ในการขึ้นรูปเป็นแบบ acicular คล้ายกับตัวหนอน เมื่อการเกิดพันธะติดกันของอนุภาคโลหะผงไม่สมบูรณ์ คือมีโพรงอากาศหรือช่องว่างภายใน ทำให้ความแข็งแรงของพันธะต่ำ จุดบกพร่องดังกล่าวจะทำให้ความแข็งแรงของวัสดุลดลง เมื่อมีแรงกระแทกมากระทำจึงมีแนวโน้มที่จะแตกตามแนวของการประสานติดกันของอนุภาคโลหะผง

รูปที่ 3 การตรวจสอบภาคตัดขวางและโครงสร้างจุลภาคพบช่องว่างจากการขึ้นรูปจำนวนมาก

กรณีตัวอย่าง: การแตกหักของก้านทองเหลือง (broken of brass fasterner)

บ่อยครั้งเราจะพบว่าชิ้นส่วนที่ผ่านการหล่อมักเกิดการแตกหักได้ง่าย เนื่องมาจากจุดบกพร่องที่เกิดจากการขึ้นรูป เช่น ฟองอากาศ โพรงหดตัว หรือการแยกตัวตกตะกอนของธาตุโลหะผสม เป็นต้น สำหรับกรณีตัวอย่างที่ผมจะนำเสนอนี้ก็เช่นเดียวกัน เป็นกรณีของก้านทองเหลือง ซึ่งเป็นชิ้นส่วนข้อต่อสวมเร็วสำหรับดับเพลิง โดยชิ้นส่วนดังกล่าวผลิตจากโลหะทองเหลืองหล่อขึ้นรูปจากการหล่อด้วยแบบทราย(Sand Mold Casting) ภายหลังการประกอบและทดสอบการใช้งานพบการแตกหักของชิ้นส่วนดังแสดงในรูปที่1

รูปที่ 1 ก้านทองเหลืองที่แตกหัก

เป็นที่ทราบกันดีว่า ชิ้นส่วนที่เสียหายด้วยกลไกการแตกหัก หัวข้อการทดสอบอย่างหนึ่งที่เราต้องดำเนินการ คือ การวิเคราะห์หน้าแตกหัก (Fracture surface analysis) เมื่อนำผิวหน้าแตกหักของก้านทองเหลืองไปตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน พบจุดบกพร่องจากการขึ้นรูปดังแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งน่าจะเป็นโพรงที่เกิดจากการหดตัว (Shrinkage porosity) ในระหว่างขั้นตอน solidification นอกจากนั้นยังพบอนุภาคของเม็ดทราย มีลักษณะเป็นก้อนผลึกกระจายตัวอยู่ทั่วไปบนผิวหน้าชิ้นงาน

จุกพร่องบนผิวหน้าแตกหัก

ภาพขยายบริเวณจุดบกพร่อง

รูปที่ 2 ภาพถ่าย SEM แสดงลักษณะโพรงหดตัวจากการหล่อทองเหลืองบนผิวหน้าแตกหัก

เพื่อตรวจสอบและยืนยันว่าจุดบกพร่องดังกล่าวนำมาสู่ปัญหาการแตกหัก จึงได้มีการตรวจสอบเพิ่มเติมโดยการตรวจสอบภาคตัดขวางผ่านผิวหน้าแตกหัก จากการตรวจสอบพบโพรงอากาศขนาดใหญ่อยู่บริเวณผิวรอบนอกนอกของก้านทองเหลืองดังแสดงในรูปที่3

จุดบกพร่องที่ผิวด้านนอกของก้าน

ลักษณะของจุดบกพร่องที่กำลังขยายสูงที่ผิวด้านนอก

จุดบกพร่องที่พบภายในเนื้อวัสดุ

รูปที่ 3 ลักษณะจุดบกพร่องที่ตรวจพบใกล้บริเวณผิวหน้าแตกหัก

ดังนั้นจากความเสียหายที่เกิดขึ้นน่าจะเกิดจากการที่ภายในชิ้นงานมีจุดบกพร่องประเภทโพรงอากาศแทรกตัวอยู่ใกล้จุดเริ่มต้นการแตกหักและภายในเนื้อโลหะ ทำให้บริเวณดังกล่าวเป็นจุดรวมความเค้น (Stress concentrator) เมื่อได้รับความเค้นจากแรงดึงจากการขันก้านทำให้ชิ้นงานไม่สามารถคงรูปอยู่ได้จึงแตกหักออกจากกัน