เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 14) : เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มมาร์เทนซิติก (Martensitic Stainless Steel)

วันนี้ผมจะมานำเสนอเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มที่ 3 คือ กลุ่มมาร์เทนซิติก ซึ่งมีรายละเอียดดังนี้

เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกมีลักษณะคล้ายกับโลหะผสมเหล็ก-คาร์บอน กล่าวคือ สามารถทำการอบชุบทางความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งและทำให้มีสมบัติเป็นแม่เหล็กได้ มีโครเมียมผสมอยู่ในช่วง 10.5-18% และอาจมีคาร์บอนมากถึง 1.2% (เช่น เกรด AISI 440) [85] ปกติมักถูกนำมาใช้งานในสภาพหลังการชุบแข็งและอบคลายความเค้น (Quenching and Tempering) [86-89] ซึ่งกระบวนการอบชุบทางความร้อน (Quenching Heat Treatment) ประกอบไปด้วยการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงประมาณ 980-1100 องศาเซลเซียส [88] ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับส่วนผสมทางเคมีของโลหะผสมและวิธีการขึ้นรูป เพื่อให้วัสดุเปลี่ยนโครงสร้างเป็นออสเตนไนต์ (Austenitizing) และสลายคาร์ไบด์ หรืออยู่ในสภาวะสารละลายอิ่มตัวอย่างยิ่งยวด เรียกกระบวนการดังกล่าวว่า Solution Treatment [90] จากนั้นทำให้เย็นตัวในน้ำ น้ำมัน หรือในอากาศ เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างให้เป็นมาร์เทนไซต์ ซึ่งเป็นเฟสที่มีความแข็งสูง นอกจากนี้โครงสร้างผลึกที่ได้หลังจากการเย็นตัวจะเป็นแบบ BCT (Body-Centered Tetragonal) ทำให้วัสดุมีการขยายปริมาตร (Volume Expansion) หรืออาจกล่าวอีกในนัยได้ว่า มีความเค้นตกค้างภายใน (Residual Stress) นอกจากโครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่ได้หลังจากการชุบแล้ว มักพบคาร์ไบด์ที่ไม่สลายตัว (Undissolved Carbides) คาร์ไบด์ที่เกิดขึ้นใหม่และกระจายตัวอย่างละเอียด ออสเตนไนต์เหลือค้าง (Retained Austenite) และเดลต้าเฟอร์ไรต์ [86-87, 90-91] แม้ว่าโครงสร้างที่ได้หลังจากการชุบแข็งจะมีความแข็งแรงและความแข็งสูง แต่อาจไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งชิ้นงาน ทำให้ทำการตกแต่งทางกลได้ยาก ดังนั้นจึงต้องทำให้เหล็กกล้าอ่อนตัวลง (Softening) รวมทั้งเพิ่มความแกร่ง (Toughening) และความเหนียว (Ductility) และลดความเค้นตกค้างโดยการอบอ่อน (Annealing) ซึ่งโดยทั่วไป มักทำการอบอ่อนที่ช่วงอุณหภูมิ 650-760 องศาเซลเซียส [85] เวลาขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นงาน ทำให้เย็นตัวในเตาในอัตราที่ต่ำกว่า 60 องศาเซลเซียส/ชั่วโมง ลงมาจนถึงอุณหภูมิประมาณ 540 องศาเซลเซียส จากนั้นจึงทำให้เย็นตัวในอากาศจนถึงอุณหภูมิห้อง หลังจากกระบวนการอบอ่อนแล้ว มักทำการอบเพื่อคลายความเค้น (Tempering) โดยให้ความร้อนอีกครั้งในช่วงอุณหภูมิ 540-650 องศาเซลเซียส แล้วทำให้เย็นตัว หรือการให้ความร้อนเหล็กกล้าอีกครั้งที่ช่วงอุณหภูมิ 1000-1070 องศาเซลเซียส แล้วทำให้เย็นตัว และอบคลายความเค้นในช่วงอุณหภูมิที่กล่าวก่อนหน้านี้ โดยโครงสร้างจุลภาคที่ได้จากการอบคลายความเค้นจะเป็นแบบเทมเปอร์ดมาร์เทนไซต์ (Tempered Martensite)

การให้ความร้อนอีกครั้งกับเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกที่อุณหภูมิต่ำกว่า 480 องศาเซลเซียสนั้น จะเปลี่ยนแปลงสมบัติทางกลเล็กน้อยจากการคลายความเค้น (Stress Relief) ซึ่งเป็นที่ทราบกันทั่วไปว่า การให้ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 540-650 องศาเซลเซียส จะใช้สำหรับการอบคลายความเค้น ในขณะที่การให้ความร้อนในช่วงอุณหภูมิ 650-760 องศาเซลเซียส จะใช้สำหรับการอบอ่อน [92] เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มดังกล่าวมักเติมธาตุโมลิบดีนัมและนิกเกิล เพื่อปรับปรุงสมบัติความต้านทานการกัดกร่อนและเพิ่มความแกร่ง นอกจากนี้ยังสามารถเติมธาตุนิกเกิลลงไปเพื่อคงสภาพของโครงสร้างจุลภาคที่ต้องการ และป้องกันการเกิดเฟอร์ไรต์อิสระ (Free Ferrite) ที่มากเกินไปจากการเติมโครเมียมในปริมาณสูง เพื่อปรับปรุงสมบัติต้านทานการกัดกร่อน อย่างไรก็ตาม ต้องระมัดระวังในการเติมธาตุผสมเหล่านี้ เนื่องจาก ถ้ามีปริมาณสูงเกินไปจะได้โครงสร้างมาร์เทนไซต์ที่ไม่สมบูรณ์

โปรดติดตามตอนต่อไปนะครับ.........จะนำเสนอเกี่ยวกับสมบัติทางกลและด้านต่างๆ

เอกสารอ้างอิง
[85] M. A. Neri, R. Colás. Analysis of a martensitic stainless steel that failed due to the presence of coarse carbides. Materials Characterization 2001; 47(3-4): pp. 283-9.

[86] F. G. Caballero, C. Capdevila, L. F. Alvarez, C. García de Andrés. Thermoelectric power studies on a martensitic stainless steel. Scripta Materialia 2004; 50(7): pp.1061-6.

[87] A. Rajasekhar, G. Madhusudhan Reddy, T. Mohandas, V.S.R. Murti. Influence of austenitizing temperature on microstructure and mechanical properties of AISI 431 martensitic stainless steel electron beam welds. Materials & Design 2009; 30(5): pp. 1612-24.

[88] S. S. M. Tavares, D. Fruchart, S. Miraglia, D. Laborie. Magnetic properties of an AISI 420 martensitic stainless steel. Journal of Alloys and Compounds 2000; 312(1-2): pp. 307-14.

[89] C. García de Andrés, G. Caruana, L. F. Alvarez. Control of M23C6 carbides in 0.45C–13Cr martensitic stainless steel by means of three representative heat treatment parameters. Materials Science and Engineering A 1998; 241(1-2): pp. 211-5.

[90] Jee-Yong Park, Yong-Soo Park. The effects of heat-treatment parameters on corrosion resistance and phase transformations of 14Cr–3Mo martensitic stainless steel. Materials Science and Engineering: A; 449-451: pp. 1131-4.

[91] Y.Y. Song, D.H. Ping, F.X. Yin, X.Y. Li, Y.Y. Li. Microstructural evolution and low temperature impact toughness of a Fe–13%Cr–4%Ni–Mo martensitic stainless steel. Materials Science and Engineering: A 2010; 527(3): pp. 614-8.

[92] Washko SD. Wrougth stainless steels. In: ASM handbook, vol. 1. Metals Park (OH): ASM, 1997. pp. 841– 3.