เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 9) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติก (Ferritic Stainless Steel)

สำหรับตอนนี้ เราจะมาเรียนรู้เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มที่ 2 กันนะครับ นั่นก็คือ กลุ่มเฟอริติก....

เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกจัดเป็นโลหะชนิดที่มีเหล็กเป็นส่วนผสมหลัก (Iron-based Alloy) โดยมีโครงสร้างผลึกเป็นแบบ BCC (Body-Centered Cubic) ทุกช่วงอุณหภูมิ [65-67] เนื่องจากไม่มีสมบัติในการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างผลึก (Non-Allotropic Property) [68] ดังนั้นโลหะผสมกลุ่มนี้จึงไม่สามารถเพิ่มความแข็งได้ด้วยกระบวนการอบชุบทางความร้อน [69] สามารถดูดติดแม่เหล็ก มีโครเมียมผสมในช่วง 10.5-30% [70] ซึ่งเป็นธาตุที่เพิ่มความเสถียรให้กับเฟสเฟอร์ไรต์ (Ferrite Stabilizer) ดังนั้นความเสถียรของโครงสร้างเฟอริติก [29] รวมทั้งความต้านทานการกัดกร่อนและความแข็งแรงจะเพิ่มขึ้น เมื่อมีปริมาณโครเมียมเพิ่มขึ้น [65] นอกจากนี้ยังมีธาตุอื่นๆ ที่เติมลงไปเพื่อเพิ่มความเสถียรให้กับเฟสเฟอร์ไรต์ เช่น ซิลิคอน โมลิบดีนัม อะลูมิเนียม ฯลฯ [66] โครงสร้างจุลภาคประกอบไปด้วยเฟสเฟอร์ไรต์เป็นหลักและคาร์ไบด์ชนิดต่างๆ กระจายตัวอยู่ทั่วไปดังแสดงตัวอย่างในรูปที่ 1.11 ซึ่งคาร์ไบด์มักอยู่ในรูปของ เฟสซิกม่า (sigma phase) เฟสไช (chi phase) เฟสเลฟส์ (Laves-phase) [71-72] และคาร์ไบด์ชนิด M23C6 ซึ่งเฟสซิกม่าเป็นอนุภาคเชิงโลหะ (Intermetallic Particle) โดยทั่วไปมักลดความเหนียว (Ductility) และความแกร่ง (Toughness) รวมทั้งความต้านทานการกัดกร่อน [69]


เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกมีข้อดีหลายประการ ได้แก่ มีความต้านทานการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้า [73] การแตกร้าวเนื่องจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อนในสภาวะแวดล้อมที่มีคลอไรด์ (Chloride Stress Corrosion Cracking) [67, 72-78] การกัดกร่อนจากบรรยากาศ (Atmospheric Corrosion) [71, 74, 76] การเกิดออกซิเดชัน (Oxidation) [67, 74, 77, 79] การกัดกร่อนแบบรูเข็ม [67, 71, 76] การกัดกร่อนภายใต้รอยซ้อน [67, 71-72] นอกจากนี้ยังมีความต้านทานสิ่งแวดล้อมที่มีซัลเฟอร์เป็นองค์ประกอบที่อุณหภูมิสูง [73] ต้านทานต่อสารละลายกรดอินทรีย์และด่าง [72] และรักษาเสถียรภาพทางกลที่อุณหภูมิสูงได้ดี

แม้ว่ามีการนำเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกไปประยุกต์ใช้งานค่อนข้างหลากหลาย อย่างไรก็ตามในปัจจุบันนี้ พบว่าเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกมีปริมาณการเลือกใช้เพิ่มขึ้นเรื่อยๆ เนื่องจากปัจจัยต่างๆ ดังนี้ [67] 1) นิกเกิลซึ่งเป็นส่วนผสมหลักของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มออสเตนนิติกมีราคาสูงขึ้น 2) การผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกสามารถปรับปรุงเทคนิคและอุปกรณ์ในการผลิตได้มากขึ้น และ 3) นิกเกิลมีความเป็นพิษกับเนื้อเยื่อเมื่อนำไปเป็นวัสดุปลูกฝังในร่างกาย [80] แต่ข้อเสียของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติก คือ เนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนและไนโตรเจนสูง [72] ซึ่งเป็นธาตุที่มีความสามารถในการละลายในโครงสร้างผลึกแบบ bcc ได้น้อย [61, 82] จึงมักเกิดการฟอร์มตัวของโครเมียมคาร์ไบด์หรือไนไตรด์ตามขอบเกรน ทำให้บริเวณข้างเคียงมีปริมาณโครเมียมลดลง (Chromium Depletion) ซึ่งส่งผลให้วัสดุมีความไวต่อการกัดกร่อนตามขอบเกรน [29, 70, 74-75] และการแตกเปราะหลังการเชื่อมหรือหลังกระบวนการทางความร้อน หรืออาจกล่าวในอีกนัยหนึ่งได้ว่าวัสดุจะมีความไวต่อการเกิดคาร์ไบด์ในช่วงอุณหภูมิวิกฤติ หรือที่เรียกกันว่า “Sensitization” อย่างมากเมื่อเทียบกับกลุ่มออสเตนนิติก นอกจากนี้ สำหรับเกรดที่มีโครเมียมและโมลิบดีนัมผสมในปริมาณต่ำ ถ้าใช้งานหรือมีการบ่มแข็ง (Aging) ในช่วงอุณหภูมิ 500-950 องศาเซลเซียส จะเกิดการตกตะกอนของเฟสซิกม่า [71] สำหรับเกรดที่โครเมียมผสมสูงมากกว่า 18% เช่นเกรด AISI 446 มักมีความไวต่อการแตกเปราะในช่วงอุณหภูมิ 450-550 องศาเซลเซียส โดยเกิดการตกตะกอนของเฟสแอลฟ่าไพร์ม (alfa prime) ซึ่งเรียกปรากฏการณ์ดังกล่าวว่า การแตกเปราะที่อุณหภูมิ 475 C (475 C Embrittlement) [67, 71, 77] ทำให้วัสดุมีความเหนียวและความแกร่งลดลง โดยเวลาที่ใช้ในการตกตะกอนของเฟสแอลฟ่าไพรม์นั้นจะนานกว่าเวลาที่ใช้ในการเกิดคาร์ไบด์/ไนไตรด์ตามขอบเกรน (Sensitization) ดังนั้น การตกตะกอนของแอลฟ่าไพรม์จึงมักเกิดจากสภาวะการใช้งาน (In-service Exposure) ในขณะที่การเกิดคาร์ไบด์/ไนไตรด์ตามขอบเกรนจะเกิดในช่วงอุณหภูมิที่ส่งเสริมให้เกิดค่อนข้างสั้น เช่น ระหว่างกระบวนการทางความร้อนหรือการเชื่อม กล่าวคือ การฟอร์มตัวของคาร์ไบด์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิมากกว่าเวลา ซึ่งความแข็งที่เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยยะสำคัญสามารถใช้เป็นดัชนีวัดความเปราะของวัสดุได้เมื่อเทียบกับชิ้นงานที่มีสภาพปกติ นอกจากนี้ เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกยังมีความสามารถในการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและมีความแกร่งต่ำ มีช่วงอุณหภูมิเปลี่ยนพฤติกรรมเหนียวไปเป็นเปราะ (Brittle-Ductile Transition Temperature) ที่สูงกว่าอุณหภูมิห้อง [67] และมีความไวต่อการแตกเปราะเมื่อสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่มีโฮโดรเจน (Hydrogen Embrittlement) [76, 82]

รูปที่ 1.11 โครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอริติกเกรด AISI 443CT ซึ่งมีโครงสร้างพื้นฐานเป็นเฟอร์ไรต์ที่มักใช้ในการผลิตหม้อก๋วยเตี๋ยว

สำหรับตอนหน้าผมจะมานำเสนอประเภทต่างๆ คอยติดตามนะครับ.......

เอกสารอ้างอิง
[65] Eun-Young Na, Jae-Yong Ko, Shin-Young Baik. Electrochemical evaluation of crevice corrosion of 430 ferritic stainless steel using the microcapillary tube technique. Desalination 2005 ; 186 (1-3) : pp. 65-74.

[66] A. A. Guimarães, P. R. Mei. Precipitation of carbides and sigma phase in AISI type 446 stainless steel under working conditions. Journal of Materials Processing Technology 2004 ; 155-156 (30) : pp. 1681-9.

[67] YOU Xiang-mi, JIANG Zhou-hua, LI Hua-bing. Ultra-Pure Ferritic Stainless Steels—Grade, Refining Operation, and Application. Journal of Iron and Steel Research 2007 ; 14(4) : pp. 24-30.

[68] M. Aksoy, V. Kuzucu, M. H. Korkut. The influence of strong carbide-forming elements and homogenization on the wear resistance of ferritic stainless steel. Wear 1997 ; 211(2) : pp. 265-70.

[69] M. Aksoy, O. Yilmaz, M. H. Korkut. The effect of strong carbide-forming elements on the adhesive wear resistance of ferritic stainless steel. Wear 2001; 249(8): pp. 639-46.

[70] J.L. Cavazos. Characterization of precipitates formed in a ferritic stainless steel stabilized with Zr and Ti additions. Materials Characterization 2006; 56(2): pp.96-101.

[71] Thiago Fontoura de Andrade, Andrea Madeira Kliauga, Ronald Lesley Plaut, Angelo Fernando Padilha . Precipitation of Laves phase in a 28%Cr–4%Ni–2%Mo–Nb superferritic stainless steel. Materials Characterization 2008; 59(5): pp. 503-7.

[72] Peter Apata Olubambi, Johannes H. Potgieter, Lesley Cornish. Corrosion behaviour of superferritic stainless steels cathodically modified with minor additions of ruthenium in sulphuric and hydrochloric acids. Materials & Design 2009; 30(5): pp. 1451-7.

[73] H.F.G. de Abreu, A.D.S. Bruno, S.S.M Tavares, R.P. Santos, S.S. Carvalho. Effect of high temperature annealing on texture and microstructure on an AISI-444 ferritic stainless steel. Materials Characterization 2006; 57(4-5): pp. 342-7.

[74] Li-xin Wang, Chang-jiang Song, Feng-mei Sun, Li-juan Li, Qi-jie Zhai. Microstructure and mechanical properties of 12 wt.% Cr ferritic stainless steel with Ti and Nb dual stabilization. Materials & Design 2009; 30(1): pp. 49-56.

[75] Haitao Yan, Hongyun Bi, Xin Li, Zhou Xu. Microstructure and texture of Nb + Ti stabilized ferritic stainless steel. Materials Characterization 2008; 59(12): pp. 1741-6.

[76] Shinji Konosu, Tsuyoshi Nakaniwa. Hydrogen cracking of ferritic stainless steel thermal storage tanks. Eng Fail Anal 1998; 5(4): pp. 323-31.

[77] Y. Uematsu, M. Akita, M. Nakajima, K. Tokaji. Effect of temperature on high cycle fatigue behaviour in 18Cr–2Mo ferritic stainless steel. International Journal of Fatigue 2008; 30(4): pp. 642-8.

[78] Eun-Young Na, Jae-Yong Ko, Shin-Young Baik. Electrochemical evaluation of crevice corrosion of 430 ferritic stainless steel using the microcapillary tube technique. Desalination 2005; 186(1-3): pp. 65-74.

[79] D.C. Ahn, J.W. Yoon, K.Y. Kim. Modeling of anisotropic plastic behavior of ferritic stainless steel sheet. International Journal of Mechanical Sciences 2009; 51(9-10): pp. 718-25.

[80] G. Herting, I. Odnevall Wallinder, C. Leygraf. Corrosion-induced release of chromium and iron from ferritic stainless steel grade AISI 430 in simulated food contact. Journal of Food Engineering 2008; 87(2): pp. 291-300.

[81] Jeong Kil Kim, Yeong Ho Kim, Sang Ho Uhm, Jong Sub Lee, Kyoo Young Kim. Intergranular corrosion of Ti-stabilized 11 wt% Cr ferritic stainless steel for automotive exhaust systems. Corrosion Science 2009; 51(11): pp. 2716-23.

[82] A. Szummer, E. Jezierska, K. Lublinska. Hydrogen surface effects in ferritic stainless steels.
Journal of Alloys and Compounds 1999; 293-295: pp. 356-60.