เหล็กกล้าไร้สนิม (ตอนที่ 15) : สมบัติด้านต่างๆของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มมาร์เทนซิติก (Properties of Martensitic Stainless Steel)

สมบัติทางกลของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มมาร์เทนซิติก จะขึ้นอยู่กับกระบวนการทางความร้อนเป็นหลัก ยกตัวอย่าง เช่น ปริมาณและขนาดของสารที่ตกตะกอนภายในโครงสร้างจะส่งผลกระทบต่อความแข็ง ความแข็งแรง ความแกร่ง การสึกหรอ และการกัดกร่อน [87, 89-90, 93] แต่ถ้ามีเดลต้าเฟอร์ไรต์มักจะลดความแข็งแรง ความแกร่ง และความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรงที่ได้หลังจากกระบวนการทางความร้อนจะขึ้นอยู่กับปริมาณคาร์บอน โดยถ้าปริมาณคาร์บอนมากขึ้น ความแข็งแรงจะเพิ่มขึ้น แต่ความเหนียวและความแกร่งจะลดลง โลหะผสมดังกล่าวจะมีความแข็งหลังผ่านการอบอ่อนอยู่ในช่วง 20-40 HRC ส่วนความต้านทานการเสียดสีของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มมาร์เทนซิติก จะเพิ่มขึ้นเมื่อมีปริมาณธาตุคาร์บอนเพิ่มขึ้นเช่นกัน นอกจากนี้ ถ้ามีคาร์บอนละลายในโครงสร้างพื้นมากเกินไป จะลดอุณหภูมิของการเกิดโครงสร้างมาร์เทนไซต์ (Ms) ส่งผลให้มีปริมาณออสเตนไนต์เหลือค้างเพิ่มขึ้น และส่งเสริมให้เกิดการตกตะกอนซ้ำของคาร์ไบด์ในระหว่างการอบคลายความเค้น (Tempering) เนื่องจากอะตอมของคาร์บอนสามารถละลายได้มากในเฟสออสเตนไนต์ ซึ่งจะลดความต้านทานการกัดกร่อนแบบรูเข็ม เนื่องจากเกิดบริเวณพร่องโครเมียม ดังนั้นการควบคุมตัวแปรต่างๆ ที่เกี่ยวกับกระบวนการทางความร้อนให้เหมาะสมจึงเป็นสิ่งที่สำคัญมาก ทั้งนี้เพื่อหลีกเลี่ยงการตกตะกอนของคาร์ไบด์และการฟอร์มตัวของเดลต้าเฟอร์ไรต์ และต้องมั่นใจว่ามีการเปลี่ยนโครงสร้างเป็นมาร์เทนไซต์ที่สมบูรณ์และสม่ำเสมอ เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกที่ผ่านการอบคลายความเค้นด้วยวิธีการที่ถูกต้องเหมาะสม จะต้านทานแรงกระแทกและมีความเหนียวที่อุณหภูมิติดลบเพิ่มขึ้น [91]

คาร์ไบด์ที่ตกตะกอนเป็นจำนวนมากในเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มมาร์เทนซิติก จะลดความต้านทานแรงกระแทก ความแข็งที่อุณหภูมิสูง และความต้านทานการกัดกร่อน ในขณะที่ออสเตนไนต์เหลือค้างจะลดความต้านทานแรงดึง ความแข็งและความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุ แต่บางครั้งพบว่าสามารถส่งผลกระทบเชิงบวกต่อความต้านทานการสึกหรอ ต้านทานการล้าตัว และเพิ่มความเหนียวระหว่างการใช้งาน [90] ถ้าเป็นชิ้นส่วนที่มีคมตัด เช่น ใบมีดสำหรับหั่นหรือเฉือน จะสามารถคงความคมได้ดี ทั้งนี้อาจมีการเติมไนโอเบียม ซิลิคอน ทังสเตน หรือวาเนเดียม เพื่อปรับปรุงสมบัติที่ได้หลังจากการอบคลายความเค้น และอาจเติมนิกเกิลในปริมาณเล็กน้อยเพื่อเพิ่มความแกร่ง นอกจากนี้อาจเติมซัลเฟอร์และเซลีเนียมในบางเกรด เพื่อเพิ่มความสามารถในการตกแต่งทางกล

สมบัติโดยรวมของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มมาร์เทนซิติก ได้แก่ มีสมบัติทางกลสูง มีความต้านทานการกัดกร่อนในระดับปานกลาง และสามารถใช้งานในสภาวะที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิขึ้น-ลงได้ดี [94] จึงเหมาะต่อการผลิตชิ้นส่วนต่างๆ เช่น เครื่องผลิตไอน้ำ ท่อทนแรงดัน เครื่องมืองานตัด และแท่นขุดเจาะน้ำมัน เป็นต้น และจากคุณสมบัติที่มีความต้านทานการสึกหรอ จึงมักนำไปผลิตเป็นชิ้นส่วนใบพัดกังหัน ตลับลูกปืน และเครื่องมือผ่าตัด เป็นต้น

สำหรับเกรดที่มีคาร์บอนต่ำมักผลิตเป็นชิ้นส่วนใบพัดไฮดรอลิกส์ หม้อปั๊ม และชิ้นส่วนวาล์วในโรงไฟฟ้า และยังมีการประยุกต์ใช้ในโรงงานปิโตรเคมี กลั่นน้ำมันกลางทะเล เนื่องจากวัสดุดังกล่าวมีความแข็งแรงสูง มีความต้านทานการกัดกร่อนที่ดี มีความเหนียว และมีความแกร่งที่อุณหภูมิต่ำที่ดีเยี่ยม [92] สำหรับการเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกมีสิ่งที่ควรระวังคือ อาจมีเฟอร์ไรต์เหลือค้างภายในโครงสร้างพื้นแบบมาร์เทนซิติก ซึ่งส่งผลกระทบต่อสมบัติทางกลและการกัดกร่อนของวัสดุในระหว่างใช้งาน แต่อาจส่งผลที่ดีต่อการเพิ่มความต้านทานต่อการร้าวล้าเนื่องจากความร้อน [95]

เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกมักนำไปทำชิ้นส่วนในสภาวะรับแรงเสียดสี การกัดกร่อน และการสึกหรอร่วมกับการกัดกร่อน เช่น ชิ้นส่วนในหอกลั่น ปั๊มของเหลวและสารเคมี แม้ว่าวัสดุเกรดดังกล่าวมีสมบัติทางกลสูงและต้านทานการกัดกร่อนในระดับปานกลางก็ตาม แต่ถ้าอยู่ภายใต้สภาวะที่สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการสึกกร่อน โดยเฉพาะสภาวะที่มีอนุภาคของแข็งเจือปนในสารละลายของเหลว จะทำให้ประสิทธิภาพการใช้งานลดลงอย่างมาก เนื่องจากปฏิกิริยาที่เกิดร่วมกันระหว่างกลไกการเสียดสีและการกัดกร่อน [96] สำหรับชิ้นส่วนประเภทเพลาบดที่สภาวะการใช้งานจริงอาจอยู่ภายใต้สภาวะการกัดกร่อน สึกกร่อน และเกิดการแตกร้าวล้าจากความร้อน และบางครั้งความแข็งอาจไม่สูงพอต่อการต้านทานการสึกหรอ ดังนั้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนให้มีความต้านทานการสึกหรอเพิ่มขึ้น จึงมักนำชิ้นส่วนไปปรับปรุงสมบัติของผิวหน้าด้วยวิศวกรรมพื้นผิว (Surface Engineering) เช่น การเคลือบด้วยกระบวนการไนไตรดิง (Nitriding) [97] หรือโบรอนไนซิง (Boronizing) [98] กระบวนการดังกล่าวจะทำให้ผิวหน้าวัสดุมีความแข็งเพิ่มขึ้น สำหรับกระบวนไนไตรดิง นอกจากจะเพิ่มความแข็งที่ผิวหน้าให้กับชิ้นงานแล้ว ยังส่งผลต่อสมบัติด้านการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมด้วย ซึ่งได้รับอิทธิพลจากการแพร่ของไนโตรเจนเข้าไปในผิวหน้าเหล็กกล้า [99] นอกจากนี้ การทำพลาสมาไนไตรดิง (Plasma Nitriding) [100] เป็นอีกทางเลือกหนึ่งที่สามารถนำมาประยุกต์ใช้กับชิ้นส่วนในอุตสาหกรรมผลิตยา อาหาร แม่พิมพ์ และในงานด้านโยธา โดยสามารถเพิ่มความแข็งที่ผิวหน้า ทำให้มีความต้านทานต่อการล้าตัวและต้านทานต่อการสึกหรอเพิ่มขึ้น

สำหรับตอนหน้าผมจะมานำเสนอตัวอย่างเกรดของเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มมาร์เทนซิติกที่มีการประยุกต์ใช้งานกัน...คอยติดตามนะครับ

เอกสารอ้างอิง

[93] M. C. Tsai, C. S. Chiou, J. S. Du, J. R. Yang. Phase transformation in AISI 410 stainless steel. Materials Science and Engineering A 2002; 332(1-2): pp. 1-10.


[94] D. H. Mesa, A. Toro, A. Sinatora, A. P. Tschiptschin. The effect of testing temperature on corrosion–erosion resistance of martensitic stainless steels. Wear 2003; 255(1-6): pp. 139-45.

[95] Y. C. Lin, S. C. Chen. Effect of residual stress on thermal fatigue in a type 420 martensitic stainless steel weldment. Journal of Materials Processing Technology 2003; 138(1-3): pp. 22-7.

[96] A. Toro, A. Sinatora, D. K. Tanaka, A. P. Tschiptschin. Corrosion–erosion of nitrogen bearing martensitic stainless steels in seawater–quartz slurry. Wear 2001; 251(1-12): pp. 1257-64.

[97] S. K. Kim, J. S. Yoo, J. M. Priest, M. P. Fewell. Characteristics of martensitic stainless steel nitrided in a low-pressure RF plasma. Surface and Coatings Technology 2003; 163-164: pp. 380-5.

[98] Sang Yul Lee, Gwang Seok Kim, Bum-Suk Kim. Mechanical properties of duplex layer formed on AISI 403 stainless steel by chromizing and boronizing treatment. Surface and Coatings Technology 2004; 177-178: pp. 178-84.

[99] C.X. Li, T. Bell. Corrosion properties of plasma nitrided AISI 410 martensitic stainless steel in 3.5% NaCl and 1% HCl aqueous solutions. Corrosion Science 2006; 48(8): pp. 2036-49.

[100] K. Wu, G.Q. Liu, L. Wang, B.F. Xu. Research on new rapid and deep plasma nitriding techniques of AISI 420 martensitic stainless steel. Vacuum 2009, In Press, Accepted Manuscript, Available online 11 December 2009.