สารฝังในในเหล็กกล้า (Non-metallic Inclusions): จากกลไกจุลภาคสู่ความล้มเหลวระดับโครงสร้าง และแนวทางควบคุมเชิงวิศวกรรม

สารฝังในในเหล็กกล้า (Non-metallic Inclusions): จากกลไกจุลภาคสู่ความล้มเหลวระดับโครงสร้าง และแนวทางควบคุมเชิงวิศวกรรม

คุณคิดว่า...ชิ้นส่วนอากาศยานหรืออุปกรณ์ในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี ซึ่งเป็นงานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงสุด จะต้องปราศจากสารฝังในเกือบ 100% ใช่หรือไม่?

แต่จากเคสการวิเคราะห์การแตกหักของเพลาในเดือนนี้ ผมกลับพบว่า ภายในวัสดุยังมีสารฝังใน (Inclusions) ปริมาณมาก และหลายแห่งมีลักษณะเรียวยาวเรียงตัวตามแนวการขึ้นรูปอย่างชัดเจน

คำถามคือ...
สารฝังในเหล่านี้เกิดขึ้นได้อย่างไร?
มีผลต่อความแข็งแรงและอายุการใช้งานของชิ้นส่วนมากน้อยเพียงใด?
และอุตสาหกรรมระดับโลกใช้เกณฑ์ใดในการตัดสินว่า "ยอมรับได้" หรือ "ต้องคัดทิ้ง"?

บทความนี้จะพาไปเจาะลึกตั้งแต่กลไกการเกิดสารฝังในระดับโครงสร้างจุลภาค เทคนิคการตรวจวัดและประเมินความสะอาดของเหล็ก ไปจนถึงเกณฑ์การยอมรับที่ใช้จริงในอุตสาหกรรมยานยนต์ ปิโตรเคมี และอากาศยาน

เรื่องที่หลายคนมองว่าเป็นเพียง "จุดเล็ก ๆ ในเนื้อเหล็ก" แต่อาจเป็นจุดเริ่มต้นของความเสียหายครั้งใหญ่ได้เช่นกัน

ในอุตสาหกรรมการผลิตเหล็กกล้า ไม่มีเหล็กชนิดใดที่ปราศจาก "สารฝังใน" (Non-metallic Inclusions) ได้อย่างสมบูรณ์ สารฝังในเหล่านี้ประกอบด้วยออกไซด์ (Oxides), ซัลไฟด์ (Sulfides), ซิลิเกต (Silicates) และไนไตรด์ (Nitrides) ซึ่งเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาระหว่างกระบวนการหลอม การกำจัดออกซิเจน (Deoxidation) การแข็งตัวของน้ำเหล็ก และการปนเปื้อนจากวัสดุทนไฟหรือสแลก

แม้ว่าสารฝังในจะมีปริมาณเพียงเล็กน้อย แต่ขนาด รูปร่าง การกระจายตัว และองค์ประกอบทางเคมีของสารฝังในสามารถส่งผลโดยตรงต่อคุณสมบัติทางกลของเหล็ก เช่น ความล้า (Fatigue Life) ความเหนียวต้านทานการแตกหัก (Fracture Toughness) ความสามารถในการขึ้นรูป (Formability) และความทนทานต่อการใช้งานระยะยาว

ดังนั้น การควบคุมระดับความสะอาดของเหล็ก (Steel Cleanliness) จึงเป็นปัจจัยสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะในชิ้นส่วนวิศวกรรมวิกฤต เช่น เพลาหมุน เฟือง ตลับลูกปืน ชิ้นส่วนอากาศยาน และอุปกรณ์ในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ

1. ปัญหาและกลไกการเกิดภาวะเปราะร้อน (Hot Shortness)

ในระหว่างการแข็งตัวของเหล็กหลอมเหลว (Solidification) ธาตุต่าง ๆ จะเกิดการแยกตัวระหว่างเฟสของเหลวและของแข็ง (Partitioning) โดยกำมะถัน (Sulfur; S) เป็นธาตุที่มีความสามารถละลายในเนื้อเหล็ก (ที่แข็งตัวแล้ว) ต่ำมาก จึงถูกผลักออกจากผลึกเหล็กที่กำลังก่อตัวและสะสมตัวอยู่ในน้ำเหล็กส่วนสุดท้ายที่ยังไม่แข็งตัว ส่งผลให้บริเวณดังกล่าวมีความเข้มข้นของกำมะถันสูงกว่าบริเวณอื่นอย่างมาก

หากในเหล็กหลอมเหลวมีปริมาณแมงกานีส (Manganese; Mn) ไม่เพียงพอ กำมะถันที่สะสมอยู่จะทำปฏิกิริยากับเหล็กโดยตรงเกิดเป็นเหล็กซัลไฟด์ (Iron Sulfide; FeS)

Fe + S → FeS

สารประกอบ FeS สามารถรวมตัวกับเนื้อพื้นเหล็กเกิดเป็นระบบยูเทคติก Fe–FeS ซึ่งมีจุดหลอมเหลวต่ำเพียงประมาณ 988°C ต่ำกว่าอุณหภูมิที่ใช้ในกระบวนการแปรรูปร้อน เช่น การรีดร้อน (Hot Rolling) หรือการตีขึ้นรูป (Hot Forging) ซึ่งโดยทั่วไปดำเนินการที่อุณหภูมิประมาณ 1,000–1,250°C

เนื่องจากบริเวณขอบเกรน (Grain Boundaries) เป็นส่วนสุดท้ายของโครงสร้างจุลภาคที่แข็งตัว เฟสยูเทคติก Fe–FeS จึงมีแนวโน้มสะสมและแทรกตัวตามแนวขอบเกรนในลักษณะเป็นฟิล์มบางต่อเนื่อง เมื่อเหล็กถูกให้ความร้อนถึงอุณหภูมิการแปรรูป ฟิล์ม Fe–FeS ดังกล่าวจะหลอมเหลว ในขณะที่เนื้อเกรนของเหล็กยังคงอยู่ในสถานะของแข็ง ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของสถานะระหว่างขอบเกรนและภายในเกรน

ภายใต้แรงกลที่เกิดขึ้นระหว่างการรีดหรือการตีขึ้นรูป ขอบเกรนที่ถูกแทรกด้วยฟิล์มของเหลวจะสูญเสียความสามารถในการยึดเหนี่ยวระหว่างเกรน ทำให้เกรนสามารถเลื่อนตัวแยกออกจากกันได้ง่าย และนำไปสู่การเกิดรอยแตกร้าวตามแนวขอบเกรน (Intergranular Cracking) ซึ่งเรียกว่า ภาวะเปราะร้อน (Hot Shortness) หรือการแตกร้าวร้อน (Hot Cracking)

ภาวะเปราะร้อนถือเป็นหนึ่งในปัญหาสำคัญของอุตสาหกรรมการผลิตเหล็ก เนื่องจากสามารถก่อให้เกิดการแตกร้าวระหว่างกระบวนการขึ้นรูป ส่งผลกระทบต่อคุณภาพผลิตภัณฑ์ ประสิทธิภาพการผลิต และความน่าเชื่อถือในการใช้งานของชิ้นส่วนวิศวกรรมในระยะยาว

2. การป้องกันภาวะเปราะร้อนด้วยการควบคุมอัตราส่วน Mn/S และหลักการทางอุณหพลศาสตร์

แนวทางหลักในการป้องกันการเกิดภาวะเปราะร้อน (Hot Shortness) คือการเติมแมงกานีส (Manganese; Mn) ลงในน้ำเหล็ก เพื่อป้องกันไม่ให้กำมะถัน (Sulfur; S) รวมตัวกับเหล็กเกิดเป็นเหล็กซัลไฟด์ (FeS) ซึ่งเป็นสาเหตุของการเกิดเฟสยูเทคติกจุดหลอมเหลวต่ำตามแนวขอบเกรน

ในเชิงอุณหพลศาสตร์ แมงกานีสมีความสามารถในการเกิดปฏิกิริยากับกำมะถัน (Chemical Affinity) สูงกว่าเหล็กอย่างมาก จึงสามารถดึงกำมะถันออกจาก FeS และเปลี่ยนให้กลายเป็นแมงกานีสซัลไฟด์ (Manganese Sulfide; MnS) ได้ตามสมการ

FeS + Mn → MnS + Fe

MnS ที่เกิดขึ้นมีจุดหลอมเหลวสูงประมาณ 1,620°C ซึ่งสูงกว่าอุณหภูมิการแปรรูปร้อนและสูงกว่าจุดหลอมเหลวของเฟสยูเทคติก Fe–FeS อย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ MnS คงสภาพเป็นของแข็งตลอดช่วงการผลิต และไม่ก่อให้เกิดฟิล์มของเหลวตามแนวขอบเกรนเหมือนกรณีของ FeS

ในสภาวะที่เหมาะสม อนุภาค MnS จะตกตะกอนเป็นอนุภาคของแข็งขนาดเล็ก กระจายตัวอยู่ภายในเกรนหรือบริเวณขอบเกรนอย่างไม่ต่อเนื่อง (Discrete Particles) จึงไม่ส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงในการยึดเหนี่ยวของขอบเกรนที่อุณหภูมิสูง และสามารถลดความเสี่ยงต่อการเกิดการแตกร้าวระหว่างการแปรรูปร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

อย่างไรก็ตาม แม้การเติมแมงกานีสจะสามารถป้องกันการเกิด FeS ได้ แต่ไม่ได้หมายความว่าสารฝังใน MnS จะคงสภาพเป็นอนุภาคทรงกลมเสมอไป ในระหว่างกระบวนการรีดร้อนหรือการตีขึ้นรูป อนุภาค MnS ซึ่งมีความเหนียวและสามารถเปลี่ยนรูปร่างได้ง่าย อาจถูกยืดตัวตามทิศทางการแปรรูปจนกลายเป็นสารฝังในลักษณะเรียวยาว (Elongated MnS Inclusions) ซึ่งส่งผลให้เกิดความไม่เป็นเนื้อเดียวกันของสมบัติเชิงกล (Mechanical Anisotropy) และอาจเป็นตำแหน่งเริ่มต้นของการเกิดความเสียหายจากความล้าหรือการแตกร้าวในระยะยาวได้

ด้วยเหตุนี้ การควบคุมปริมาณแมงกานีสเพียงอย่างเดียวจึงไม่เพียงพอ อุตสาหกรรมการผลิตเหล็กจำเป็นต้องควบคุมอัตราส่วนระหว่างแมงกานีสต่อกำมะถัน (Mn/S Ratio) อย่างเข้มงวด เพื่อให้มั่นใจว่ากำมะถันทั้งหมดถูกจับตัวเป็น MnS อย่างสมบูรณ์ และไม่เหลือกำมะถันอิสระสำหรับการก่อตัวของ FeS

โดยทั่วไป เหล็กกล้าคาร์บอนต่ำมักกำหนดให้อัตราส่วน Mn/S มีค่าไม่น้อยกว่า 20:1 โดยน้ำหนัก ขณะที่เหล็กสำหรับการแปรรูปร้อนที่มีสภาวะการทำงานรุนแรง หรือผลิตภัณฑ์ที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง อาจกำหนดอัตราส่วน Mn/S มากกว่า 30:1 เพื่อเพิ่มความปลอดภัยต่อการเกิดภาวะเปราะร้อนและรักษาคุณภาพของผลิตภัณฑ์ให้สม่ำเสมอ

ดังนั้น การเติมแมงกานีสจึงไม่ได้เป็นเพียงการควบคุมองค์ประกอบทางเคมีเท่านั้น แต่เป็นการปรับสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของระบบ เพื่อเปลี่ยนกำมะถันจากสารประกอบที่ก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรงอย่าง FeS ไปเป็น MnS ซึ่งมีเสถียรภาพมากกว่าและสามารถควบคุมผลกระทบต่อสมบัติของเหล็กได้อย่างมีประสิทธิภาพ

3. การจำแนกประเภทและสัณฐานวิทยาของสารฝังในตามมาตรฐาน JK (Jernkontoret Method)

แม้ว่าการเติมแมงกานีสจะสามารถป้องกันการเกิดภาวะเปราะร้อน (Hot Shortness) ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยเปลี่ยนกำมะถันให้อยู่ในรูปของแมงกานีสซัลไฟด์ (MnS) แต่ปัญหาไม่ได้สิ้นสุดลงเพียงเท่านั้น ในระหว่างกระบวนการรีดร้อนหรือการตีขึ้นรูป อนุภาค MnS ซึ่งมีความสามารถในการเสียรูปสูง (High Plasticity) จะถูกยืดตัวตามทิศทางการแปรรูปจนเกิดเป็นสารฝังในลักษณะเรียวยาว (Elongated Inclusions)

สารฝังในลักษณะดังกล่าวทำให้สมบัติเชิงกลของเหล็กเกิด Mechanical Anisotropy โดยเฉพาะการลดลงของความเหนียวในแนวความหนา (Through-thickness Ductility หรือ Z-direction Ductility) และความต้านทานแรงกระแทกในแนวขวาง (Transverse Impact Toughness) ซึ่งอาจส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วนที่ต้องรับภาระเชิงกลสูง เช่น เพลา เฟือง ภาชนะรับความดัน และชิ้นส่วนอากาศยาน

ด้วยเหตุนี้ อุตสาหกรรมเหล็กจึงจำเป็นต้องมีวิธีการประเมินปริมาณ ชนิด และลักษณะการกระจายตัวของสารฝังในอย่างเป็นระบบ เพื่อใช้เป็นตัวชี้วัดระดับความสะอาดของเหล็ก (Steel Cleanliness) และควบคุมคุณภาพผลิตภัณฑ์ให้เป็นไปตามข้อกำหนดของการใช้งาน

มาตรฐานที่ได้รับการยอมรับอย่างแพร่หลาย ได้แก่ ASTM E45, ISO 4967 และ DIN 50602 ซึ่งล้วนใช้หลักการเปรียบเทียบลักษณะของสารฝังในกับแผนภาพมาตรฐาน JK (Jernkontoret Chart) โดยทำการตรวจสอบภายใต้กล้องจุลทรรศน์กำลังขยายมาตรฐาน 100 เท่า (100×) และจำแนกสารฝังในออกเป็น 4 กลุ่มหลักตามลักษณะสัณฐานวิทยา (Morphology) ดังนี้:

ประเภท (Type)	หมวดหมู่สารฝังใน	ลักษณะสัณฐานวิทยา	แหล่งที่มา / สาเหตุหลัก
Type A	ซัลไฟด์ (Sulfides)	อนุภาคสีเทา รูปร่างเรียวยาว ปลายมน และสามารถยืดตัวตามแนวการรีดได้ดี ส่วนใหญ่เป็น MnS	เกิดจากการรวมตัวของกำมะถันกับแมงกานีสระหว่างการแข็งตัวของเหล็ก
Type B	อลูมินา (Alumina)	อนุภาคสีดำหรือสีเข้ม รูปทรงเหลี่ยมคม เรียงตัวเป็นแนวขาดตอน (Stringers) และไม่เกิดการเสียรูประหว่างการรีด	เกิดจากผลิตภัณฑ์การลดออกซิเจนด้วยอลูมิเนียม (Al Deoxidation Products) เช่น Al2O3
Type C	ซิลิเกต (Silicates)	อนุภาคสีเทาเข้มหรือสีดำ มีลักษณะยืดตัว ผิวเรียบ ความกว้างไม่สม่ำเสมอ และสามารถเสียรูปได้ระหว่างการรีด	เกิดจากซิลิเกตที่เกิดจากการลดออกซิเจนด้วยซิลิคอน หรือการกัดเซาะของวัสดุทนไฟ
Type D	ออกไซด์ทรงกลม (Globular Oxides)	อนุภาคทรงกลมหรือหลายเหลี่ยม กระจายตัวแบบสุ่ม ไม่ยืดตัวตามแนวการรีด	เกิดจากการออกซิไดซ์ซ้ำ (Re-oxidation) การปนเปื้อนของตะกรัน (Slag Entrainment) หรือออกไซด์เชิงซ้อนต่าง ๆ

 

สิ่งสำคัญที่ต้องตระหนักคือ สารฝังในแต่ละประเภทไม่ได้ส่งผลกระทบต่อสมบัติเชิงกลเท่ากัน ตัวอย่างเช่น Type A (MnS) และ Type C (Silicates) มีแนวโน้มถูกยืดตัวตามแนวการรีด จึงเป็นสาเหตุสำคัญของความไม่สม่ำเสมอของสมบัติเชิงกล ขณะที่ Type B (Alumina) และ Type D (Globular Oxides) แม้จะไม่เกิดการยืดตัว แต่เนื่องจากเป็นอนุภาคแข็งและเปราะ จึงสามารถทำหน้าที่เป็นตำแหน่งเริ่มต้นของการเกิดรอยร้าว (Crack Initiation Site) ได้ภายใต้สภาวะการรับแรงซ้ำหรือแรงกระแทก

ดังนั้น การประเมินความสะอาดของเหล็กจึงไม่ได้พิจารณาเฉพาะปริมาณสารฝังในเท่านั้น แต่ยังต้องคำนึงถึงชนิด รูปร่าง ขนาด และการกระจายตัวของสารฝังในแต่ละประเภท เนื่องจากปัจจัยเหล่านี้มีผลโดยตรงต่อความแข็งแรง ความเหนียว ความต้านทานความล้า และความน่าเชื่อถือของชิ้นส่วนวิศวกรรมในระยะยาว

การซอยย่อยโครงสร้างตามความหนา (Thickness Series) และการจำแนกซัลไฟด์ตามระบบ Sims

ในการประเมินสารฝังในตามมาตรฐาน JK (Jernkontoret Chart) สารฝังในแต่ละประเภท (Type A–D) จะถูกจำแนกเพิ่มเติมตามมิติทางเรขาคณิต โดยเฉพาะ “ความหนา” หรือ “ความกว้าง” ของอนุภาค ซึ่งมีผลโดยตรงต่อระดับความรุนแรงของผลกระทบเชิงกลในวัสดุ

โดยทั่วไป การแบ่งกลุ่มตาม Thickness Series สามารถแบ่งได้เป็น 2 ระดับหลัก ดังนี้

• Thin Series (T): สารฝังในที่มีลักษณะบางและเรียวยาว โดยในกรณีของ Type A (Sulfides) จะมีความกว้างประมาณ 2–5 µm อนุภาคในกลุ่มนี้มักมีผลกระทบเชิงกลน้อยกว่าเมื่อเทียบกับอนุภาคที่มีขนาดใหญ่ เนื่องจากมีระดับความเข้มข้นของความเค้นเฉพาะจุดต่ำกว่า
• Heavy Series (H): สารฝังในที่มีความหนามากกว่า โดยสำหรับ Type A จะมีความกว้างมากกว่า 5–12 µm อนุภาคในกลุ่มนี้มีแนวโน้มเป็นจุดสะสมความเค้น (Stress Concentration Sites) ที่มีนัยสำคัญต่อการเริ่มต้นรอยร้าว (Crack Initiation)

หากความกว้างของอนุภาคเกิน 12 µm จะถูกจัดอยู่ในกลุ่ม Oversized Inclusions ซึ่งถือเป็นข้อบกพร่องเชิงวิศวกรรมที่มีความรุนแรงสูง และโดยทั่วไปต้องมีการระบุและควบคุมเป็นพิเศษ เนื่องจากสามารถลดความทนทานต่อความล้า (Fatigue Resistance) และเพิ่มความเสี่ยงต่อการแตกร้าวเฉพาะจุดได้อย่างมีนัยสำคัญ

การจำแนกสัณฐานวิทยาของ MnS ตามการกำจัดออกซิเจน (Sims Types)

เมื่อพิจารณาเฉพาะกลุ่มซัลไฟด์ (Type A: MnS) พบว่าสัณฐานวิทยาของอนุภาคมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับกระบวนการกำจัดออกซิเจน (Deoxidation Practice) ในระหว่างการผลิตเหล็ก ซึ่งสามารถจำแนกได้ตามระบบ Sims ออกเป็น 3 ลักษณะหลัก ดังนี้

• Type I (Globular Sulfides):
  มีลักษณะเป็นอนุภาคทรงกลม กระจายตัวแบบสุ่มภายในเนื้อเหล็ก มักพบในเหล็กที่มีระดับการกำจัดออกซิเจนต่ำ (Under-deoxidized steels) หรือเหล็กที่ใช้ซิลิคอนเป็นหลัก (Si-killed steels) อนุภาคชนิดนี้มีผลกระทบต่อการแปรรูปร้อนค่อนข้างต่ำ เนื่องจากไม่เกิดการยืดตัวเป็นแนวต่อเนื่อง
• Type II (Chain-like / Intergranular Sulfides):
  มีลักษณะเป็นแนวต่อเนื่องคล้ายโซ่ หรือเป็นแผ่นฟิล์มบางสะสมตามแนวขอบเกรนเดิม มักเกิดในสภาวะที่มีการเติมอะลูมิเนียมในระดับต่ำหรือไม่สมดุล อนุภาคลักษณะนี้ถือว่าเป็นอันตรายที่สุดต่อสมบัติเชิงกล เนื่องจากสามารถทำลายความเหนียวตามแนวขอบเกรน และเป็นจุดเริ่มต้นของการแตกหักได้ง่าย
• Type III (Intragranular Angular Sulfides):
  มีลักษณะเป็นอนุภาคเหลี่ยมหรือกึ่งเหลี่ยม กระจายตัวอยู่ภายในเกรน (Intragranular) พบในเหล็กที่ผ่านกระบวนการ Fully Killed Steel โดยมีอะลูมิเนียมเหลืออยู่ในระดับค่อนข้างสูง อนุภาคชนิดนี้แม้ยังสามารถถูกยืดตัวในระหว่างการรีดร้อน แต่โดยทั่วไปมีผลกระทบต่อความเหนียวต่ำกว่า Type II อย่างมีนัยสำคัญ

โดยสรุป การพิจารณาทั้ง Thickness Series และ Sims Types ทำให้สามารถประเมิน “ความรุนแรงเชิงโครงสร้าง” ของสารฝังในได้อย่างละเอียดมากขึ้น ไม่เพียงพิจารณาขนาดของอนุภาคเท่านั้น แต่ยังรวมถึงความสัมพันธ์กับกระบวนการผลิตเหล็ก ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดสมบัติเชิงกลสุดท้ายของวัสดุในระดับอุตสาหกรรม

4. วิธีการตรวจวัดระดับปริมาณสารฝังใน (Inclusion Rating Measurement Methods)

ในทางปฏิบัติ การประเมินระดับปริมาณสารฝังใน (Inclusion Rating) เพื่อใช้บ่งชี้ระดับความสะอาดของเหล็ก (Steel Cleanliness) และความรุนแรงของข้อบกพร่องเชิงโครงสร้าง มักแสดงผลในรูปของค่าความรุนแรง (Severity Level) ซึ่งโดยทั่วไปมีช่วงตั้งแต่ 0.5 ถึง 5.0 โดยค่าที่สูงขึ้นสะท้อนถึงปริมาณ ขนาด หรือความหนาแน่นของสารฝังในที่มากขึ้นตามลำดับ

การประเมินดังกล่าวสามารถดำเนินการได้หลัก ๆ 2 แนวทาง ได้แก่

วิธีที่ 1: การประเมินจากพื้นที่ที่แย่ที่สุด (Worst-Field Rating Method – Manual)

วิธีนี้เป็นแนวทางแบบดั้งเดิมที่อ้างอิงการประเมินด้วยผู้ตรวจสอบ (Operator-based evaluation) โดยมีขั้นตอนดังนี้

• การเตรียมตัวอย่าง:
  ชิ้นงานทดสอบจะถูกตัดในแนวขนานกับทิศทางการแปรรูป (Longitudinal section) จากนั้นขัดผิวให้เรียบและเงาโดยไม่ผ่านการกัดกรด (Unetched polished specimen) โดยต้องมีพื้นที่ผิวไม่น้อยกว่า 160 mm² เพื่อให้เพียงพอต่อการสุ่มตรวจ
• การตรวจสอบด้วยกล้องจุลทรรศน์:
  ใช้กล้องจุลทรรศน์แบบแสง (Optical Microscope) ที่กำลังขยายมาตรฐาน 100× ทำการสแกนพื้นผิวอย่างเป็นระบบ เพื่อค้นหาบริเวณที่มีความหนาแน่นของสารฝังในสูงที่สุด หรือที่เรียกว่า “Worst Fields” ภายในกรอบพื้นที่มาตรฐาน 0.50 mm²
• หลักเกณฑ์การประเมิน:
• สำหรับสารฝังในประเภท Type A (Sulfides) และ Type C (Silicates) จะประเมินจาก “ความยาวสะสมรวม” (Total cumulative length) ของอนุภาคในพื้นที่ตรวจสอบ
• สำหรับ Type B (Alumina) และ Type D (Globular Oxides) จะประเมินจาก “จำนวนอนุภาค” (Particle count)

โดยค่าความรุนแรงจะถูกเปรียบเทียบกับแผนภาพมาตรฐาน JK (Jernkontoret Chart) เช่น ระดับ 0.5 ถึง 3.0 จะสอดคล้องกับค่าความยาวหรือจำนวนอนุภาคที่กำหนดไว้ตามมาตรฐานอ้างอิง

วิธีที่ 2: การวิเคราะห์ภาพถ่ายอัตโนมัติ (Automated Image Analysis)

ปัจจุบันอุตสาหกรรมเหล็กสมัยใหม่ได้พัฒนาไปสู่การใช้ระบบวิเคราะห์ภาพอัตโนมัติ โดยอ้างอิงมาตรฐาน ASTM E45 Method E ซึ่งช่วยเพิ่มความแม่นยำและความสามารถในการทำซ้ำของผลการวัด

• กระบวนการวิเคราะห์:
  ระบบซอฟต์แวร์ควบคุมกล้องจุลทรรศน์เพื่อสแกนพื้นที่ตัวอย่างโดยอัตโนมัติ จากนั้นใช้เทคนิคการประมวลผลภาพ (Image Processing) เช่น การแยกระดับสีเทา (Grayscale Thresholding) เพื่อจำแนกชนิดของสารฝังใน โดยสามารถแยกซัลไฟด์สีเทาอ่อนออกจากออกไซด์สีเข้มได้อย่างชัดเจน พร้อมทั้งคำนวณค่าพารามิเตอร์สำคัญ เช่น ความยาว ความกว้าง พื้นที่ และอัตราส่วนรูปร่าง (Aspect Ratio) ของแต่ละอนุภาค
• ข้อดีของวิธีอัตโนมัติ:
  ช่วยลดความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากผู้ปฏิบัติงาน (Operator Bias) เพิ่มความสม่ำเสมอของผลการทดสอบ (Repeatability) และสามารถประเมินค่ารวมของสารฝังในในเชิงพื้นที่ (Total Area Fraction) รวมถึงการกระจายตัวของอนุภาคในระดับภาพรวมของชิ้นงานได้
• การตรวจสอบขั้นสูงสำหรับเหล็กเกรดสะอาดพิเศษ:
  ในกรณีของเหล็กกล้าคุณภาพสูง เช่น เหล็กกล้าสำหรับตลับลูกปืน (Bearing Steels) หรือเหล็กสำหรับงานความล้าสูง อาจมีการใช้เทคนิคเสริม ได้แก่
• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) ร่วมกับการวิเคราะห์องค์ประกอบเชิงเคมี (EDS) ตามมาตรฐาน ASTM E2142 เพื่อระบุองค์ประกอบของ Macro-inclusions
• การตรวจสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิก (Ultrasonic Testing) สำหรับการตรวจหาสารฝังในขนาดใหญ่ที่อาจเป็นจุดเริ่มต้นของความเสียหายรุนแรง

โดยสรุป วิธีการตรวจวัดสารฝังในในปัจจุบันได้พัฒนาไปจากการประเมินเชิงสายตาแบบดั้งเดิม ไปสู่ระบบวิเคราะห์เชิงปริมาณที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของการควบคุมคุณภาพเหล็กสมัยใหม่ โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมที่ต้องการความน่าเชื่อถือระดับสูง เช่น ยานยนต์ พลังงาน และอากาศยาน

5. เกณฑ์การยอมรับ (Criteria for Acceptance)

ในทางวิศวกรรม การกำหนดเกณฑ์การยอมรับระดับสารฝังใน (Inclusion Acceptance Criteria) ไม่ได้อ้างอิงค่ามาตรฐานสากลเพียงค่าเดียว แต่เป็นแนวทางที่ขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะ (Application-driven Specification) ซึ่งจะถูกกำหนดอย่างเข้มงวดในมาตรฐานของผลิตภัณฑ์แต่ละประเภท เช่น ASTM A29, ASTM A485 สำหรับเหล็กกล้าเชิงกลทั่วไปและเหล็กตลับลูกปืน รวมถึงมาตรฐานระดับสูงสำหรับอุตสาหกรรมอากาศยาน เช่น AMS 2300 / AMS 2301

อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติอุตสาหกรรมมักใช้อ้างอิง “ขีดจำกัดสูงสุดของระดับความรุนแรง” (Maximum Severity Level) ตามมาตรฐาน ASTM E45 ที่กำหนดการตรวจสอบที่กำลังขยาย 100× โดยสามารถสรุประดับการยอมรับตามความวิกฤตของการใช้งานได้ดังนี้:

ระดับความสำคัญของงาน	ลักษณะงานและจุดวิกฤต	ความรุนแรงสูงสุดที่ยอมรับได้ (ชนิดบาง-Thin Series)	ความรุนแรงสูงสุดที่ยอมรับได้ (ชนิดหนา-Heavy Series)
เกรดพาณิชย์ / งานโครงสร้าง	เหล็กโครงสร้างทั่วไป ความเสี่ยงต่อความล้าต่ำ	A: 2.5, B: 2.5, C: 2.5, D: 2.5	A: 1.5, B: 1.5, C: 1.5, D: 1.5
เกรดยานยนต์ / งานตีขึ้นรูป (Forging / Automotive Quality)	เพลาข้อเหวี่ยง, คอม้า, ชิ้นส่วนที่รับแรงล้าและรอบหมุนสูง	A: 2.0, B: 1.5, C: 1.0, D: 1.5	A: 1.0, B: 1.0, C: 0.5, D: 1.0
เกรดตลับลูกปืนคุณภาพสูง (Premium Bearing เช่น 52100)	รับแรงล้าจากการสัมผัสแบบกลิ้งสูงมาก (Rolling contact fatigue) มีความเค้นเฉพาะจุดสูง	A: 1.5, B: 1.0, C: 0.5, D: 1.0	A: 0.5, B: 0.5, C: 0.0, D: 0.5
เกรดอากาศยาน / เหล็กสะอาดพิเศษ (Aerospace / Clean Steel Quality)	กระบวนการหลอมพิเศษ (VIM-VAR / ESR) ความเสี่ยงต่อความล้าวิกฤตต้องเป็นศูนย์	มักประเมินด้วยข้อกำหนด AMS 2301 / 2300

 สิ่งสำคัญของเกณฑ์การยอมรับในเชิงอุตสาหกรรม คือ “การลดความเสี่ยงเชิงฟังก์ชันของชิ้นส่วน” ไม่ใช่เพียงการควบคุมค่าทางจุลภาคให้ต่ำที่สุด โดยยิ่งชิ้นส่วนมีความวิกฤตสูง (เช่น ระบบรับแรงล้า, การสัมผัสแบบกลิ้ง, หรือการใช้งานในอากาศยาน) ข้อกำหนดด้านความสะอาดของเหล็กจะยิ่งเข้มงวดขึ้นแบบก้าวกระโดด

ดังนั้น Inclusion Rating จึงไม่ใช่เพียงตัวเลขเชิงวัสดุศาสตร์ แต่เป็น “ตัวแปรเชิงความเสี่ยง (Risk-based Material Parameter)” ที่เชื่อมโดยตรงไปสู่ความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของระบบวิศวกรรมทั้งหมด

6. หลักการทางโลหะวิทยาในการเลือกใช้งานตามประเภทสารฝังใน

ในการออกแบบและเลือกใช้วัสดุทางวิศวกรรม พฤติกรรมของสารฝังใน (Inclusions) แต่ละประเภทมีบทบาทสำคัญต่อสมบัติเชิงกลและกลไกความเสียหายของชิ้นส่วน ดังนั้น วิศวกรโลหการจึงต้องพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างชนิด รูปร่าง และความสามารถในการเสียรูปของสารฝังใน ให้สอดคล้องกับลักษณะการรับแรงและกระบวนการผลิต ดังนี้

1. ความล้าและการกลิ้งสัมผัส (Fatigue & Rolling Contact)

สารฝังในประเภท Type B (Alumina) และ Type D (Globular Oxides) มีความแข็งและเปราะสูง ไม่สามารถเปลี่ยนรูปได้ในระหว่างกระบวนการแปรรูปร้อน จึงทำหน้าที่เป็น “ตัวตัดต่อความต่อเนื่องของเนื้อวัสดุ” (Non-deformable discontinuities)

ภายใต้สภาวะการรับแรงซ้ำหรือแรงสัมผัสแบบกลิ้ง (Rolling Contact Stress) จะเกิดการสะสมความเค้นสูงบริเวณรอยต่อระหว่างสารฝังในกับเนื้อพื้นเหล็ก (Matrix–Inclusion Interface) ซึ่งเป็นตำแหน่งเริ่มต้นของการเกิดรอยร้าว (Crack Initiation Site)

ดังนั้น ในงานที่มีความวิกฤตสูง เช่น ตลับลูกปืน (Bearings) และชุดเฟือง (Gears) จึงต้องควบคุมปริมาณ Type B และ Type D ให้ต่ำมากที่สุด หรืออยู่ในระดับใกล้ศูนย์

2. ความสามารถในการขึ้นรูปและการกลึง (Machinability vs. Formability)

สารฝังในประเภท Type A (MnS Sulfides) มีบทบาทสำคัญในเชิงกระบวนการผลิต เนื่องจากสามารถช่วยลดแรงตัดเฉือนและทำหน้าที่เป็นตัวช่วยหักเศษ (Chip Breaker) ในการกลึง ส่งผลให้เหล็กกลุ่ม Free-machining steels มีความสามารถในการแปรรูปสูงขึ้น

อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการขึ้นรูปเย็น (Cold Forming) หรือการปั๊มขึ้นรูปลึก (Deep Drawing) อนุภาค MnS ที่มีลักษณะยืดตัวจะกลายเป็นแนวอ่อนตัว (Weak Paths) ภายในเนื้อวัสดุ ทำให้เกิดการเริ่มต้นรอยร้าวและการฉีกขาดตามแนวการรีดได้ง่าย

ดังนั้น เหล็กสำหรับงานขึ้นรูปเย็นที่ต้องการความเหนียวสูง จึงต้องควบคุมปริมาณกำมะถันให้อยู่ในระดับต่ำมาก (เช่น S < 0.005 wt.%) เพื่อลดการเกิด Type A ที่มีลักษณะยืดตัว

3. การแตกร้าวจากไฮโดรเจน (Hydrogen-Induced Cracking: HIC)

ในสภาพแวดล้อมที่มีไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S) เช่น ระบบท่อส่งน้ำมันและก๊าซ สารฝังในประเภท Type A (Elongated MnS) สามารถทำหน้าที่เป็นตำแหน่งกักเก็บไฮโดรเจน (Hydrogen Trapping Sites) ส่งผลให้เกิดการสะสมความดันภายในจุลโครงสร้างและนำไปสู่การแตกร้าวจากภายใน (Internal Cracking)

เพื่อควบคุมความเสี่ยงดังกล่าว จึงมีการใช้กระบวนการปรับปรุงน้ำเหล็กด้วยแคลเซียม (Calcium Treatment: Ca–Si) หรือธาตุโลหะทรานซิชันบางชนิด เพื่อเปลี่ยนรูปซัลไฟด์จากลักษณะยืดตัวให้กลายเป็นอนุภาคทรงกลม เช่น (Ca,Mn)S หรือ Calcium Aluminates

สารฝังในชนิดทรงกลมเหล่านี้มีความเสถียรสูงและไม่สามารถเสียรูปได้ง่ายในระหว่างการแปรรูปร้อน ส่งผลให้โครงสร้างจุลภาคมีความสม่ำเสมอมากขึ้น ลด anisotropy และลดความเสี่ยงต่อการเกิดรอยร้าวในสภาวะบริการที่รุนแรงได้อย่างมีประสิทธิภาพ

สามารถกล่าวได้ว่า การเลือกใช้งานวัสดุในเชิงวิศวกรรมไม่ได้พิจารณาเพียง “ปริมาณสารฝังใน” เท่านั้น แต่ต้องพิจารณา “พฤติกรรมเชิงกลของสารฝังในภายใต้สภาวะการใช้งานจริง” ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดความทนทาน ความปลอดภัย และอายุการใช้งานของชิ้นส่วนในระบบวิศวกรรมทั้งหมด

บทสรุป

สารฝังใน (Non-metallic Inclusions) เป็นสิ่งที่ไม่สามารถกำจัดได้ทั้งหมดจากกระบวนการผลิตเหล็ก แต่สามารถ “ออกแบบ” ได้ผ่านหลักการทางโลหะวิทยาอย่างเป็นระบบ ตั้งแต่การควบคุม Mn/S ratio การปรับสภาวะการแข็งตัว การเปลี่ยนสัณฐานวิทยาของ MnS ไปจนถึงการควบคุมระดับความสะอาดของเหล็กด้วยมาตรฐานสากล

ในมุมมองของวิศวกรรมสมัยใหม่ Inclusion ไม่ใช่ “สิ่งเจือปน” เพียงอย่างเดียวอีกต่อไป แต่คือ “ตัวแปรเชิงออกแบบ (Design Variable)” ที่กำหนดความล้มเหลวหรือความสำเร็จของระบบทั้งหมด

เพราะในโลกของเหล็กกล้า…
ความเสียหายระดับวิกฤต ไม่ได้เริ่มจากรอยแตกใหญ่ แต่เริ่มจากอนุภาคเล็กระดับไมครอนเพียงหนึ่งเดียว

เอกสารอ้างอิง

[1]     J. Maciejewski, The effects of sulfide inclusions on mechanical properties and failures of steel components, J. Fail. Anal. Prev. 15(2) (2015) 169–178. https://doi.org/10.1007/s11668-015-9940-9

[2]     G. Krauss, Steels: Processing, Structure, and Performance, 2nd ed., ASM International, Materials Park, OH, USA, 2015.

[3]     L. Tian, L. Liu, N. Hou, J. Zhou, W. Guo, Q. Yuan, F. Zaïri, N. Ding, Quantitative assessment of multi-scale second-phase particles and their roles in the deformation response of ZK60 alloy, Mater. Today Commun. 26 (2021) 101708. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101708

[4]     I. Kozasu, J. Tanaka, Effects of sulfide inclusions on notch toughness and ductility of structural steels, in: Sulfide Inclusions in Steel: Proceedings of an International Symposium, American Society for Metals, Metals Park, OH, USA, 1975.

[5]     A.J. DeArdo, E.G. Hamburg, Influence of elongated inclusions on the mechanical properties of high-strength steel plate, in: Sulfide Inclusions in Steel: Proceedings of an International Symposium, American Society for Metals, Metals Park, OH, USA, 1975.

[6]     J. Bellot, M. Gantois, The influence of sulfide-type inclusions on the mechanical properties of construction steels, Trans. Iron Steel Inst. Jpn. 18(9) (1978) 546–553.

[7]     ASTM E45-25, Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel, ASTM International, West Conshohocken, PA, USA, 2025.