บทบาทของโมลิบดีนัมในการเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิม (Role of Molybdenum in Improving Stainless Steels' Corrosion Resistance)

บทบาทของโมลิบดีนัมในการเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิม

การฟอร์มพาสซีฟฟิล์มบนผิวเหล็กกล้าไร้สนิม [1]

การกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion) เป็นรูปแบบหนึ่งของการกัดกร่อนที่เกิดกับเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งอาจทำให้วัสดุหรือโครงสร้างทางวิศวกรรมเสียหายได้ เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นที่ทราบกันดีว่ามีความทนทานต่อการกัดกร่อนที่ดี แต่ก็ไม่สามารถป้องกันได้ร้อยเปอร์เซ็นต์ วิธีหนึ่งในการปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมคือการเติมธาตุผสมอื่นๆ หนึ่งในธาตุที่ใช้กันทั่วไปคือโมลิบดีนัม (Mo)

การเกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion) บนผิวหน้าเหล็กกล้าไร้สนิม [2]

โมลิบดีนัมเป็นธาตุผสมที่ใช้กันทั่วไปเพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิม วิธีหนึ่งที่โมลิบดีนัมช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมคือการป้องกันการกัดกร่อนแบบรูเข็มและการกัดกร่อนแบบช่องแคบ (Crevice Corrosion) กลไกที่โมลิบดีนัมป้องกันการกัดกร่อนแบบรูเข็มและการกัดกร่อนแบบช่องแคบ คือ การสร้างฟิล์มป้องกัน (Protective Film) บนพื้นผิวของเหล็ก

เมื่อเติมโมลิบดีนัมลงในเหล็กกล้าไร้สนิมแล้วจะจับตัวเป็นพันธะกับออกซิเจน ซึ่งสามารถเกิดอันตกิริยาบนพื้นผิวของเหล็กกล้าไร้สนิมได้ พันธะนี้นำไปสู่การสร้างฟิล์มป้องกันบางๆ บนพื้นผิวของเหล็ก ซึ่งเรียกว่า "ฟิล์มแบบพาสซีฟ" ฟิล์มนี้ประกอบด้วยโมลิบดีนัมออกไซด์ (MoO₃) และเหล็กออกไซด์ (FeO) และมีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูง

โมเดลพาสซีฟฟลิ์มที่ฟอร์มบนผิวหน้าเหล็กกล้าไร้สนิม 316 L ใน 0.05 M H₂SO₄(aq) ที่ 0.4 V/SCE เวลา 1 ชั่วโมง ^[3]

ฟิล์มป้องกันนี้จะถูกสร้างขึ้นใหม่อย่างต่อเนื่องตราบใดที่ยังมีโมลิบดีนัมอยู่ในเนื้อเหล็กและมีการจ่ายออกซิเจนให้กับพื้นผิว ฟิล์มมีความเสถียรและทนทานต่อการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดและเป็นกลางได้ดีกว่าในสภาพแวดล้อมที่เป็นด่าง ฟิล์มยังมีความทนทานสูงต่อคลอไรด์ไอออนและไอออนที่มีฤทธิ์กัดกร่อนอื่นๆ

โมลิบดีนัมยังช่วยเพิ่มความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ความต้านทานการคืบ และความต้านทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนร่วมกับความเค้น (Stress Corrosion Cracking) ของเหล็กกล้าไร้สนิม ฟิล์มโมลิบดีนัมออกไซด์สามารถต้านทานผลกระทบจากอุณหภูมิและความดันสูงได้ จึงทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงและแรงดันสูง

เหล็กกล้าไร้สนิมชนิดหนึ่งที่ได้รับประโยชน์อย่างมากจากการผสมโมลิบดีนัมคือเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316 [2] ซึ่งโมลิบดีนัมจะเพิ่มความต้านทานที่ดีเยี่ยมต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็มและการกัดกร่อนแบบช่องแคบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์ สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316L เป็นเกรดที่พิเศษขึ้นไปอีกเนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนต่ำกว่า มีประโยชน์ในการเชื่อมหรือการสัมผัสกับสภาวะการใช้งานที่อุณหภูมิสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเชื่อมชิ้นงานขนาดกลางหรือขนาดใหญ่ เกรดคาร์บอนต่ำเป็นวิธีหนึ่งในการชะลอหรือป้องกันการตกตะกอนของคาร์ไบด์ตามขอบเกรน (มักเรียกว่า sensitization) ซึ่งอาจส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรน (Intergranular Corrosion) เมื่อถูกนำไปใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ซึ่งเกรด 316L จะมีความไวต่อการกัดกร่อนตามขอบเกรนน้อยกว่า

การตกตะกอนของคาร์ไบด์ตามขอบเกรน (sensitization) [1]

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากโมลิบดีนัมเป็นธาตุที่ทำให้เกิดเฟอร์ไรต์ (Ferrite Former) นั่นหมายความว่าเมื่อมีการเติมโมลิบดีนัมเพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก จะต้องมีการเติมธาตุที่ทำให้เกิดออสเทนไนต์ (Austenite Former) เพิ่มด้วย เช่น นิกเกิลหรือไนโตรเจน เพื่อรักษาโครงสร้างแบบออสเทนนิติกนั่นเอง

โมลิบดีนัมเป็นธาตุผสมที่เพิ่มประสิทธิภาพให้กับเหล็กกล้าไร้สนิม เนื่องจากช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าโดยการสร้างฟิล์มป้องกันบนผิวหน้าในรูปของสารประกอบ MoO₃ และ FeO ซึ่งทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันไม่ให้สารที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเข้ามาในเนื้อวัสดุ ฟิล์มนี้ป้องกันไม่ให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็มและการกัดกร่อนแบบช่องแคบ โมลิบดีนัมมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อเติมลงในเหล็กกล้าไร้สนิมชนิด 316 ซึ่งเป็นเกรดที่ไวต่อการกัดกร่อนแบบรูเข็มในสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ

[1] https://www.iqsdirectory.com/articles/stainless-steel/stainless-steel-316.html

[2] https://www.ddcoatings.co.uk/2276/what-is-pitting-corrosion

[3] https://doi.org/10.1016/j.corsci.2019.108395

[4] https://doi.org/10.48048/tis.2022.4642

[5] https://doi.org/10.1149/1945-7111/abc727

[6] https://doi.org/10.3389/fmats.2019.00232

ในรถไฟ รางหรือล้อควรแข็งกว่ากัน?

คุณเคยสงสัยหรือไม่ ในระบบทางรถไฟกับรถไฟที่วิ่งอยูบนราง ควรออกแบบล้อหรือรางแข็งกว่ากัน หรือเท่ากัน

ดูรูปด้านล่าง [1] ประกอบนะครับ

เมื่อช่วงเดือนพฤษภาหน้าร้อนที่ผ่านมา ผู้เขียนและทีมงานได้เดินทางไปสำรวจความเสียหายของรางรถไฟสายเหนือที่ จ.ลำปาง จ.ลำพูน และ จ.แพร่ ในระหว่างที่เดินสำรวจอยู่นั้นก็พอดีกับรถไฟวิ่งผ่านมาและจอดรับผู้โดยสารพอดี จึงได้ยินเสียงเสียดสีของล้อกับรางชัดเจน ซึ่งการเสียดสีกันของโลหะสองชนิดย่อมทำให้เกิดการสึกหรอ และในระหว่างที่เดินสำรวจรางก็สังเกตเห็นร่องรอยสึกหรอของรางอย่างชัดเจน ก็เลยเป็นที่มาของหัวข้อในวันนี้ที่ว่า… รางควรนิ่มหรือแข็งกว่าหรือล้อ?

จากปัญหาที่พบเลยถือโอกาสนี้ค้นหาข้อมูลเพื่อมาแลกเปลี่ยน ผิดถูกประการใด รบกวนทุกท่านช่วยชี้แนะด้วยนะครับ

การค้นคว้าข้อมูลจากบทความทางวิชาการเพื่อตรวจสอบว่าโดยหลักการจริงๆ รางหรือล้อควรแข็งกว่ากัน พบว่ามีนักวิจัยจากอังกฤษร่วมกับจีน [2] ได้ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างการสึกหรอในระบบล้อ/ราง กับอัตราส่วนความแข็งของรางกับล้อ และสรุปไว้ว่า (ดูรูปประกอบ)

• ในกรณีที่รางนิ่มกว่าล้อ การสึกหรอของรางลดลงตามความแข็งของรางที่เพิ่มขึ้น ในขณะที่การสึกหรอของล้อจะเพิ่มขึ้น

• ในกรณีที่รางแข็งกว่าล้อ การสึกหรอของรางจะลดลงตามความแข็งของรางที่เพิ่มขึ้น แต่การสึกหรอของล้อยังคงที่

• อย่างไรก็ตาม เมื่อดูภาพรวมจะพบว่า เมื่อรางแข็งกว่าล้อจะทำให้การสึกหรอของระบบโดยรวมลดลง

เราก็ทราบกันดีอยู่ว่าในความเป็นจริงแล้วไม่มีหรอกที่รางๆ หนึ่งจะใช้ได้หรือเหมาะกับทุกสถานการณ์ ดังนั้นความรู้เกี่ยวกับสภาพการใช้งาน การจราจร และกลไกการเสื่อมสภาพของรางก่อนหน้านี้ มีความสำคัญอย่างยิ่งหากเราต้องการปรับเปลี่ยนโปรไฟล์/เกรดรางให้เหมาะสม และมีอีกหลายปัจจัยที่ต้องพิจารณา

แม้ว่าอุตสาหกรรมระบบรางทั่วโลกจะมีการเปลี่ยนแปลงไปสู่การใช้รางที่แข็งขึ้นก็ตาม แต่ก็ไม่ควรไปสรุปว่ารางที่แข็งกว่านั้นจะดีกว่าสำหรับทุกๆ การใช้งาน เพราะเราควรทำความเข้าใจระหว่างความแข็งและความต้านทานการสึกหรอของรางให้ดีก่อน

โดยทั่วไปเราจะเข้าใจว่ารางที่แข็งกว่ามักจะทนทานต่อการสึกหรอมากกว่า ยิ่งไปกว่านั้นบางคนกลับคิดว่าไม่ว่าจะล้อหรือรางแข็งกว่าก็ใช้ทั้งนั้นแหละ ซึ่งในความเป็นจริงเราจะทำแบบนั้นไม่ได้ เหมือนอย่างเราคิดว่ารถยนต์ที่มีราคาแพงกว่านั้นจะให้สะดวกสบายมากกว่า แต่ในความเป็นจริงรถยนต์ที่มีราคาแพงกว่านั้นไม่ได้สะดวกสบายกว่ารถยนต์ที่ราคาถูกกว่าเสมอไป เช่น รถยนต์ที่แพงที่สุดบางรุ่นนั้นมันเป็นรถแข่ง และไม่ใช่ว่าจะขับขี่ง่ายเสียที่ไหน ที่แน่นอนไปกว่านั้น คือ รถจะแพงแค่ไหนถ้ามาขับขี่ในเมืองกรุงก็ติดเหมือนกันครับ

กลับมาที่เรื่องของรางแข็งกับรางนิ่ม (Hard and Soft Rails) กันต่อครับ หากโดยทั่วไปแล้วรางที่แข็งกว่าจะมีความต้านทานต่อการสึกหรอมากกว่า แล้วทำไมยังมีบางรายอยากใช้รางที่นิ่มกว่า?

เราอย่าลืมไปว่าการสึกหรอของรางเป็นเพียงหนึ่งในกลไกการเสื่อมสภาพของรางเท่านั้น ยังมีอีกหลายๆ กลไกที่ทำให้รางเสื่อมสภาพ อย่างไรก็ตาม จากงานวิจัยหลาย ๆ งานมักกล่าวว่าการเสื่อมสภาพของรางนั้นหลักๆ เกิดจากกลไกการสึกหรอ (Wear) และการล้าจากการกลิ้งสัมผัส (Rolling Contact Fatigue; RCF)

การสึกหรอของรางนั้นพื้นหน้าสัมผัสของรางจะสึกออกไปตามทิศทางการวิ่ง/การจราจร และจำเป็นต้องเปลี่ยนรางใหม่เมื่อวัสดุรางสึกหรอมากเกินพิกัดที่กำหนด

การล้าจากการกลิ้งสัมผัส (RCF) มีความสำคัญอย่างมากในการกำหนดอายุการใช้งานของรางและการกำหนดข้อปฏิบัติในการบำรุงรักษา โดยพื้นฐานแล้วผิวหน้ารางที่สัมผัสกับล้ออาจเกิดรอยแตกใต้ผิวหรือที่ผิวราง ซึ่งจะสามารถขยายตัวออกไปได้ตามทิศทางการวิ่งของรถไฟและตามปริมาณการจราจรที่มากขึ้น หากปล่อยไว้ รอยร้าวเหล่านี้อาจทำให้เกิดอันตรายจากความไม่สมบูรณ์ของรางได้และส่งผลร้ายแรงตามมา

ในความเป็นจริง การเสื่อมสภาพทั้งสองประเภทนี้มักจะเกิดขึ้นในรางพร้อมๆ กัน และสภาพการจราจรรวมทั้งเกรดของรางจะเป็นตัวกำหนดว่ามีการเสื่อมสภาพด้วยกลไกใด เนื่องจากทั้งสองกลไกจะร่วมกันส่งเสริมและเร่งให้รางเสื่อมสภาพได้เป็นอย่างดี

ประเด็นจึงอยู่ที่อัตราการเกิดของสองกลไกนี้ว่าอะไรจะเด่นกว่า ดังนี้

หากอัตราการสึกหรอเร็วกว่า RCF เราจะสังเกตเห็นการสึกหรอของรางเท่านั้น เนื่องจากการสึกหรอจะเร็วกว่าไม่ปล่อยรอยแตก RCF เติบโตออกไปได้

หากอัตราการสึกหรอต่ำกว่าการเกิด RCF ก็จะทำให้อัตราการเกิดรอยแตก RCF เติบโตเร็วกว่าพื้นผิวที่สึกหรอ ดังนั้น จึงมองเห็นรอยแตกบนพื้นผิวของรางได้

เงื่อนไขทั้งสองนี้จำเป็นต้องมีการตรวจสอบและทำการซ่อมบำรุง แต่โดยปกติแล้วถ้ารางที่สึกหรออย่างรุนแรงมีวิธีแก้ไขคือการเปลี่ยนรางใหม่ ในขณะที่ถ้าตรวจพบ RCF ก็อาจควบคุมได้โดยการเจียรราง

ถ้าไม่สามารถเจียรรางหรือยากที่จะทำได้ หรือพบว่าการเปลี่ยนรางคุ้มค่ากว่า ทำให้การเลือกรางที่นิ่มกว่าอาจเป็นวิธีแก้ปัญหาที่คุ้มค่าที่สุดในกรณีนี้ อย่างไรก็ตาม เราอาจเห็นว่าหลายอุตสาหกรรมก็หันไปใช้รางที่ทนทานต่อการสึกหรอมากขึ้น เพราะเมื่อตรวจพบ RCF แล้วก็สามารถทำการเจียรออกได้เนื่องจากเขามีเครื่อง/รถเจียรผิวราง

ในขณะเดียวกันแอดก็ได้สอบถามท่านผู้รู้ในแวดวงรถไฟ ท่านให้คำตอบมาว่า

“โดยหลักการแล้ว การออกแบบเครื่องจักรหรือระบบเพื่อให้งานบำรุงรักษาเครื่องจักรสามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่อง เราจะออกแบบให้เปลี่ยนสิ่งของที่เปลี่ยนง่ายไม่ยุ่งยาก ราคาถูกก่อน เพื่อให้ทำงานเดินต่อไปได้

ดังนั้น ในระบบรางจะออกแบบให้ ล้ออ่อนกว่าราง และล้อซ่อมบำรุงง่ายกว่าราง เพราะถ้าล้อแข็งกว่ารางตลอดเส้นทางต้องไล่ซ่อมบำรุงเสียค่าใช้จ่ายสูง ต้องปิดเส้นทางเพื่อซ่อมบำรุง แต่ถ้าเปลี่ยนล้อ แค่เอาล้อเลื่อนเข้า depot ซึ่งใช้เวลาน้อย ราคาถูก ไม่กระทบระบบการเดินรถ”

แฟนเพจมีความคิดเห็นประการใด แลกเปลี่ยนกันได้นะครับ

เอกสารอ้างอิง

[1] https://www.onrsr.com.au/safety-essentials/safety-messages/safety-message-short-warning-times-wheel-rail-interface-issues

[2] DOI: 10.4203/ccp.110.151

การศึกษาผิวหน้าแตกหัก (Fractography)

 หลักสูตรอบรมเชิงปฏิบัติการ

 

หลักการและเหตุผล

เมื่อชิ้นส่วนหรืออุปกรณ์ทางวิศวกรรมได้รับความเสียหายจากการกระทำของแรงทางกลจนนำไปสู่การแตกหัก การศึกษาผิวหน้าแตกหัก (Fractography) ซึ่งเป็นทั้งศาสตร์และศิลป์มักถูกนำมาใช้ในการวิเคราะห์ความเสียหายของชิ้นส่วนร่วมกับศาสตร์อื่นๆ เนื่องจากผิวหน้าแตกหักของชิ้นงานมีประโยชน์อย่างมากสำหรับนักวิเคราะห์ความเสียหาย โดยบนผิวหน้าแตกหักมีรายละเอียดมากมายที่สามารถบ่งบอกถึงสาเหตุของการเสียหาย ไม่ว่าจะเป็นจุดเริ่มต้น ทิศทางการขยายตัวของรอยแตก ระยะเวลา แรงและทิศทางที่กระทำกับชิ้นงาน และจากข้อมูลที่ได้มีการรวบรวมกันไว้ในอดีตที่ผ่านมาจนถึงปัจจุบันพบว่าการแตกหักเสียหายจากการล้า (Fatigue Failure) เป็นรูปแบบการเสียหายที่เกิดขึ้นกับเครื่องจักรกลและโครงสร้างต่างๆ ประมาณ 80-90 เปอร์เซ็นต์ของการเสียหายจากการแรงทางกล ดังนั้นผิวหน้าแตกหักจากการล้าจึงเป็นหัวข้อที่น่าศึกษาอย่างยิ่ง

เป้าหมายหลักของการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักคือ การหาจุดเริ่มรอยแตก แล้วไปขยายผลซึ่งจะได้รับทราบรากของปัญหาทางวัสดุ แล้วเราจะทราบได้อย่างไรว่าตรงไหนเป็นจุดเริ่มรอยแตก? แล้วจะไปขยายผลอย่างไร? มีหลายครั้งที่การอธิบายกลไกการแตกหักอาจค่อนข้างยุ่งยากแต่ท้าทายเนื่องจากความหลากหลาย/สลับซับซ้อนของวัสดุ สภาวะ/เงื่อนไขการรับแรง และสิ่งแวดล้อม และบ่อยครั้งที่คุณลักษณะที่น่าสนใจบนผิวหน้าแตกหักถูกบดบังหรือถูกทำลายบางส่วนจากการเสียดสีหรือกัดกร่อน (จากการทิ้งไว้นาน) ท่านไม่ต้องหนักใจ หลักสูตรนี้มีคำตอบ เนื่องจากการอบรมนี้ได้การออกแบบมาเพื่อให้เข้าใจเชิงปฏิบัติของการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักผ่านการผสมผสานระหว่างการบรรยายและประสบการณ์ตรงของทีมงานที่สะสมมามากกว่า 20 ปี ทฤษฎีและตัวอย่างที่นำเสนอในการบรรยายจะมีทั้งการตรวจสอบจากชิ้นส่วนที่เสียหายในห้องปฏิบัติการทั้งในระดับมหภาคและระดับจุลภาค การตรวจด้วยสายตารวมถึงการใช้กล้องจุลทรรศน์สเตอริโอจะช่วยยืนยันรูปแบบการแตกหัก (Fracture modes) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) จะถูกนำมาใช้เพื่อยืนยันกลไกการแตกหัก (Fracture mechanism) ของตัวอย่างที่เสียหาย และสำหรับภาคปฏิบัติที่มุ่งเน้นให้ผู้เข้าร่วมสัมมนาสามารถนำความรู้ไปประยุกต์ใช้ได้จริงโดยมีการสนับสนุนเครื่องมือในการตรวจผิวแตกจากบริษัทเอกชน

 

วัตถุประสงค์

           การจัดสัมมนาในครั้งนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อให้ผู้ร่วมสัมมนา

1.       มีความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการเสียหายของโลหะที่มีการแตกหักเกิดขึ้น

2.       ทราบความสัมพันธ์ระหว่างสาเหตุและผลกระทบที่สำคัญของการแตกหักของโลหะ

3.       เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างลักษณะผิวหน้าแตกหักกับสาเหตุการแตกหักของโลหะ

4.       ทราบแนวทางในการวิเคราะห์ผิวหน้าแตกหักตามหลักปฏิบัติที่เป็นสากล

5.       สามารถแยกแยะรูปแบบผิวหน้าแตกหักจากลักษณะที่ปรากฏบนผิวหน้าแตกหัก

6.       สามารถหาจุดเริ่มต้นรอยแตกเพื่อขยายผลเชิงลึกได้

7.       สามารถนำเสนอและถ่ายทอดความรู้ให้กับผู้อื่นได้

รูปแบบกิจกรรม

-          อบรมภาคทฤษฏีเชิงประยุกต์

คุณสมบัติของผู้สมัครเข้ารับการอบรม

-          ผู้ที่มีความรู้พื้นฐานด้านวิศวกรรมวัสดุ เครื่องกล โลหการ ที่หรือสาขาที่ใกล้เคียง

-          ผู้ที่ปฏิบัติงานในอุตสาหกรรมต่างๆ และผู้ที่สนใจทั่วไป

เหล็กกล้าไร้สนิมสำหรับงานวิศวกรรมและกรณีศึกษา

หลักสูตร        เหล็กกล้าไร้สนิมสำหรับงานวิศวกรรมและกรณีศึกษา

วันที่              24 - 25 กรกฎาคม 2566

สถานที่          อุทยานวิทยาศาสตร์ประเทศไทย จ. ปทุมธานี

 

หลักสูตรอบรมด้านการวิเคราะห์ความเสียหายที่จะจัดในปีงบประมาณ 2566

หลักสูตรอบรมด้านการวิเคราะห์ความเสียหายที่จะจัดในปีงบประมาณ 2566