This movie requires Flash Player 9

การสืบสวนและวิเคราะห์พฤติกรรมการเกิดรอยย่น (Wrinkling) ของการขึ้นรูปลึกโลหะแผ่นด้วยโปรแกมฟาสท์ฟอร์ม (FASTFORM)

บทคัดย่อ

การออกแบบกันเองของรูปแบบการขึ้นรูปใดๆ ต่อแม่พิมพ์ ล้วนมีขั้นตอนที่ยุ่งยากและน่าเบื่อหน่าย ทั้งๆ ที่มีมาตรการ ด้านการตรวจวัดป้องกันทุกชั้นตอนแล้วก็ตาม แต่ก็ยังคงมีโอกาส เกิดรอย เกิดแตกร้าว และ เกิดรอยย่น ซึ่งจำเป็นต้องปรับแก้ไขให้ถูกต้อง ในการออกแบบและพัฒนาแม่พิมพ์การขึ้นรูปโลหะแผ่น เป็นเทคนิคขั้นสูงที่ต้องการความแม่นยำและความชำนาญการในการผลิต และปรับจูนให้ดีในกระบวนการขึ้นรูป การเปลี่ยนแปลงของมิติ รูปร่างและตำแหน่งของตำหนิบนโลหะแผ่น เป็นเรื่องที่สำคัญในกระบวนการขึ้นรูปเย็น การนำเสนอปัญหาเฉพาะของแต่ละอุตสาหกรรม โดยเฉพาะการผลิตปริมาณมากอย่างเครื่องจักรในโรงงานอุตสาหกรรม ดังนั้น สิ่งที่เกิดขึ้นทั้งหลายจำเป็นต้องรับการพัฒนาระบบในอุตสาหกรรมเพื่อลดละไม่ให้เกิดรอยย่นในการขึ้นรูป แรงซับซ้อนที่กระทำต่อโลหะแผ่นเปล่าระหว่างการขึ้นรูปเป็นสิ่งที่เกินคาดเดา เนื่องด้วยความยุ่งยากในการตรวจสอบและการคำนวณ แรงทั้งหลายเหล่านี้อาจเป็นเหตุให้เกิดรอยย่น (Wrinkles) และตำหนิอื่นๆ บนผิวหรือผนังของชิ้นงานได้ เป้าหมายของเอกสารนี้ก็เพื่อนำเสนอหลักการและการสืบสวนปัจจัยที่ส่งผลต่อการเกิดรอยย่น ในอันดับแรกจะใช้องค์ประกอบของ 3D โมเดล(3D-modeled) ใน คาเทีย (CATIA) เพื่อทำการวิเคราะห์หาแนวโน้มตำแหน่งที่จะเกิดรอยย่นโดยอาศัยโปรแกมขึ้นรูปเร็ว (fast form software) การป้อนข้อมูลลงในโปรแกรมประกอบด้วย ระบบแลกเปลี่ยนรูปภาพตั้งต้น (initial graphics exchange system) วัตถุดิบอย่างโลหะแผ่นชั้นคุณภาพสำหรับงานขึ้นรูปเย็น ผลที่ได้ออกมาก็คือแนวโน้มบริเวณที่จะเกิดรอยย่นให้ใกล้เคียงกับผลการปฏิบัติจริง สิ่งหนึ่งที่อาจง่ายต่อการคาดเดาได้และตรวจจับแนวโน้มของรูปแบบการคาดการการเกิดรอยย่นและการกระจายของความเครีดในชิ้นงานขึ้นรูป บางวิธีได้แนะนำให้ใช้สำหรับการป้องกันการเกิดรอยย่นในการขึ้นรูปลึก

บทนำ

การขึ้นรูปลึกเป็นกระบวนการแปรรูปแผ่นโลหะให้เกิดรูปร่างขึ้นเช่น รูปถ้วย โดยแผ่นโลหะความหนาไม่เกิดการบางลง และไม่เกิดการแตกหักหรือเกิดรอยย่น กระทำโดยการวางแผ่นเปล่าตามขนาดรูปร่างของแม่พิมพ์และกดทับแผ่นเปล่าด้วยหัวกดเข้าไปในแม่พิมพ์ ในการผลิตตัวถังรถยนต์ ส่วนประกอบมอเตอร์ไซด์ การขึ้นรูปลึกเป็นวิธีการหนึ่งที่สำคัญในกระบวนการของโรงงาน ปกติแม่พิมพ์ในการขึ้นรูปจะแสดงได้ดังรูปที่ 1(a) ประกอบด้วย เบ้าแม่พิมพ์ (die cavity) ตัวยึดแผ่นเปล่า (blank holder) และหัวกด (punch)

wrinkling1

ขณะทำการขึ้นรูปแผ่นเปล่าจะถูกยึดไว้ระหว่างเบ้าแม่พิมพ์และตัวยึดแผ่นเปล่า ตัวยึดแผ่นเปล่าทำหน้าที่ป้องกันไม่ให้เกิดรอยย่นและกระตุ้นให้เกิดแรงดึงกลับ ขณะที่หัวกดกำลังแปรรูปแผ่นเปล่าเข้าไปในเบ้าแม่พิมพ์ แผ่นเปล่าจะไหลเข้าไปในเบ้าแม่พิมพ์ สิ่งที่เกิดขึ้นเรียก เกิดการไหลของวัสดุ (material flow) ในกระบวนการขึ้นรูปลึก มันมีความสำคัญมากในการควบคุมการไหลของวัสดุเพื่อป้องกันไม่ให้เกิดตำหนิกับชิ้นงาน [1]

มีหลานปัจจัย เช่น รูปทรง ชนิดวัสดุ ประเภทการขึ้นรูปโลหะแผ่นทั้งแบบ การลากขึ้นรูป (deep drawing) หรือ การดึงขึ้นรูป (stretch forming) ในกระบวนการขึ้นรูปโลหะแผ่น อาจมีหลายสาเหตุที่ทำให้เกิดความล้มเหลว เช่น เกิดแตกหัก (rupturing) เกิดรอยคอด (necking) เกิดรอยย่น (wrinkling)  เกิดการดีดกลับ (spring back) ล้วนเป็นสิ่งที่ไม่พึงปรารถนาทั้งสิ้น [2] ตำหนิหลักในกระบวนการขึ้นรูปลึกได้แก่การแตกและรอยย่นบนผนัง ดังแสดงในรูป 1(b) และ 1(c)

 

1.1. ชิ้นงานขึ้นรูป

ชิ้นงานทั้งหลายเหล่านี้ผลิตในโรงงานที่มีการช่วยเหลือเรื่องแม่พิมพ์การขึ้นรูป ดังแสดงในรูป

wrinkling2

 

 

1.2. รอยย่นบนชิ้นส่วนขึ้นรูปลึก

วัสดุบางลงและแตก อาจจะเกิดขึ้นเมื่อมีแรงภายในกระทำต่อแผ่นเปล่าเกินกว่าระดับการยืดตัว (uniform elongation) ในทางตรงข้าม จะเกิดรอยย่นบนผนังเมื่อแรงอัดรอบวงสัมผัสทำให้เกิดการบิดงอบนผนัง ในงานขึ้นรูปลึก รอยย่นและการแตกหักต้องหลีกเลี่ยงทั้งคู่โดยควบคุมการไหลของวัสดุ แรงกดยึดแผ่นเปล่า (blank holder force)  ดรอว์บีด (สันโก่ง, draw bead) หรือ ล็อกบีด (ล็อกขอบ, lock beads) ชนิดและปริมาณของสารหล่อลื่น รูปทรงและขนาดของแผ่นเปล่าเริ่มต้น อาจมีผลต่อการไหลของวัสดุ รอยย่นปกติจะเป็นสิ่งที่ไม่ต้องการในชิ้นงานขึ้นรูป ด้วยเหตุผลการใช้งานและความสวยงาม มันเป็นตำหนิที่รับไม่ได้สำหรับงานทำผนังด้านนอก ซึ่งผิวที่ปรากฎมีความสำคัญมาก รอยย่นที่เกิดบนผิวอาจกระทบต่อการประกอบชิ้นงานกับส่วนอื่น เช่น งานปิดผนึก (sealing) และงานเชื่อมประสาน (welding) ยิ่งกว่านั้น รอยย่นที่รุนแรง อาจทำความเสียหายหรือเป็นอันตรายต่อแม่พิมพ์ ดังนั้น การประเมินและการป้องกันการเกิดรอยย่น จึงมีความสำคัญเป็นอย่างยิ่งในงานขึ้นรูปโลหะแผ่น หนึ่งในหลายๆ ปัจจัยที่ทราบกันดีคือ แรงยึดแผ่นเปล่า (blank holder forces) จากผลงานตีพิมพ์ของเฉิง (Sheng) ในกราฟจำลองรูป 5 การประเมินและใช้ประโยชน์จากแนวโน้มแรงยึดแผ่นเปล่าเพื่อหาจุดที่ดีที่สุดในงานขึ้นรูปลึกตัวถ้วย จุดที่ดีที่สุดของหลายๆ แรงยึดแผ่นเปล่ามีลักษณะกระจายและเป็นปัจจัยที่ต้องตัดสินใจด้วย

1.3. สรุปสาเหตุของรอยย่น (Wrinkling) ในชิ้นงานขึ้นรูปลึก: หลายปัจจัยเป็นเหตุของรอยย่นในชิ้นงานขึ้นรูปลึก รวมถึง :

  • แรงกดตัวยึดแผ่นเปล่า (Blank holder pressure)
  • ระยะเบ้าแม่พิมพ์และรัศมี (Die cavity depth and radius)
  • แรงต้านระหว่างแผ่นเปล่า ตัวยึดแผ่นเปล่า หัวกดและเบ้าแม่พิมพ์
  • ช่องว่างระหว่างแผ่นเปล่า หัวกด และเบ้าแม่พิมพ์
  • รูปร่างแผ่นเปล่าและความหนา
  • รูปทรงสุดท้าย
  • ความเร็วหัวกด (Punch speed )

รอยย่นเป็นพติกรรมผลความไม่สม่ำเสมอของแรงอัด  ความเค้นอัดตามแนวเส้นรอบวง (compressive hoop stresses) จะเกิดขึ้นและรอยย่นจะค่อยๆเกิดขึ้นบนแผ่นโลหะภายใต้ตัวยึด (รอยย่นตรงปีก) เฉกเช่นเดียวกับที่เกิดตรงผนัง [3] การคาดการจุดเริ่มต้นของการเกิดรอยย่นตรงปีกได้กำหนดขึ้นจากงานวิเคราะห์เชิงตัวเลขของชิ้นงานที่ผ่านมา [4-8] การศึกษาความลึกของการขึ้นรูปลึก เพื่อมุมมองการอธิบายถึงกระบวนการที่ยังมีความเข้าใจอยู่น้อยนิด โดยเฉพาะอย่างยิ่งการขึ้นรูปลึกของชิ้นงานที่ไม่ใช่ทรงกลมและชิ้นงานคล้ายตัวกรองเสียง ดังแสดงในรูป 6

 

2. การทบทวนวรรณกรรม

นนมู (Nonmu)[8] เป็นบุคคลแรกที่ทำการศึกษาตำหนิรอยย่นในงานขึ้นรูปลึก เขาได้ทำการตรวจสอบพฤติกรรมจริงของการเกิดรอยย่นในงานขึ้นรูปแบบดั้งเดิมที่ปราศจากตัวยึดแผ่นเปล่า โดยพิจาราณาความสมดุลของการเคลื่อนที่เพียงครึ่งเดียวและประเด็นความหนาของแผ่นเปล่า เอ็ม เอ็ม อักกี่ และ ดี เอ็ม วู (M. M. Alkky & D.M.Woo)[9] ตรวจสอบผลของรูปร่างแม่พิมพ์หนึ่งที่อยู่ใกล้กับรูปร่างแทร็กทริกซ์ (tractrix form) และอีกสองอันที่มีรัศมีความโค้งใหญ่ในงานขึ้นรูป เขาแสดงให้เห็นว่าแรงของหัวกดสามารถลดลงโดยใช้แม่พิมพ์แบบแทร็กทริกซ์ ที่มีรัศมีความโค้งมาก โยสสิฟอน และไทรอสห์[10] ตีพิมพ์บทความหลายตอนในงานวิเคราะห์ตัวอย่างของการบวนการขึ้นรูปลึก โดยการประยุกต์กับสมการรูปถ้วยโลหะอย่างทองแดง อลูมิเนียม เหล็กกล้า และเหล็กกล้าไร้สนิม เซวกิ (Shawki)[11] ได้ทำการสืบวิเคราะห์อย่างเป็นระบบถึงอิทธิพลของเงื่อนไขความแตกต่างในข้อจำกัดของสัดส่วนการขึ้นรูป (LDR) ในการทดลอง ความแตกต่างของรูปทรงสองแบบระหว่าง ทรงกรวย (conical) และ ทรงแทร็กทริกซ์ (tractrix) และพบว่า แม่พิมพ์แบบแทร็กทริกซ์ให้ประสิทธิผลดีกว่า โลฮูส์ และ วิลสัน (Lo, Hsu and Wilson) [12] อธิบายเรื่องราวงานของโยสสิฟอนและไทรอสห์ได้ประยุกย์ทฤษฎีการขึ้นรูปลึกระบบน้ำ เพื่อวิเคราะห์กระบวนการขึ้นรูปลึกระบบน้ำด้วยแม่พิมพ์ครึ่งทรงกลม เป้าหมายของการทดลองนี้เพื่อตรวจสอบทฤษฎีการทำนายความล้มเหลวเนื่องจากการเกิดรอยย่น (โก่ง) หรือการแตกหัก (ความไม่เสถียรของแรงดึง) ระหว่างแม่พิมพ์การขึ้นรูประบบน้ำแบบถ้วยครึ่งทรงกลม งานนี้เป็นฐานในการขยายงานของ โยสสิฟอนและไทรอสห์ โดยการผสมผสานแรงยึดที่ได้กับการวิเคราะห์และขยายไปใช้กับรูปร่างที่หลากหลายมากขึ้น ในปี 1994  นายันซามิ & ซอเวอบิ (Naryansamy & Sowerby)[13] แสดงให้เห็นถึงสเตนเลส 304 ที่มีค่าแอนไอโซทรอปิต่ำและค่าอัตราการแข็งตัวสูงจะมีความต้านทานการเกิดรอยย่นได้ดีกว่าเมื่อทำการขึ้นรูปลึกแบบกรวย รอยย่นในงานขึ้นรูปโลหะแผ่น อาจเป็นเหตุให้เกิดการฉีกขาด นับเป็นความไร้เสถียรภาพที่สำคัญที่สุดในการบวนการปั้มขึ้นรูปหรือการลากขึ้นรูปลึก พฤษติกรรมเหล่านี้จำกัดรูปทรงของชิ้นงานที่สามารถใช้เพื่อการขึ้นรูป การจำลองพฤษติกรรมของการเกิดรอยย่นด้วยระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (Finite element method, FEM) ในงานปั้มขึ้นรูปโลหะแผ่นเป็นเครื่องมือที่มีความสำคัญมาก ความแม่นยำของระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ สามารถทำนายได้แม่นยำถึงรูปแบบรอยย่นของเครื่องจักรตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบชิ้นงานในหลากหลายรูปทรง

เคลาส์ เอ็ม วูร์สเตอร์ (Klaus M. Wurster) ได้อธิบายขั้นตอนการเพิ่มประสิทธิภาพแบบอัตโนมัติของการกระจายแรงยึดแผ่นเปล่า (blank holder force) ในกระบวนการขึ้นรูปลึกด้วยตัวยึดแผ่นเปล่าแบบปรับได้แยกส่วน (segment-elastic blank holder) ดังนั้น มันจึงเป็นไปได้ที่จะกำหนดค่าการกระจายของแรงยึดแผ่นเปล่าได้เป็นอย่างดีในช่องว่างแต่ละช่วงเวลา ไม่ต้องปรับกันเอง โดยการใช้เทคนิคระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ (Finite element method, FEM) กับแม่พิมพ์การขึ้นรูป สิ่งเหล่านี้สามารถสืบย้อนกลับไปถึง โยซิดะ (Yoshida)[14] วังเอ็ซและเชาเจ (Wang X. and Cao J.) [15] จาง เอ็วซี (Zhang LC) ยู ทีเอ็ซ (Yu TX) วัง อา (Wang R)[16] และ ฟัสเทสซี่ เอ (Fatnassi A) โตมิตะ วาย (Tomita Y) ซินโตะ (Shindo)[17] คอลแกน (Colgan) เอ็ม โมนักฮัน เจ (M., Monaghan, J)[18] ที่ทำการทดลองตั้งแต่แรก ในการรวมประสบการณ์และระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ของกระบวนการขึ้นรูปลึก จุดประสงค์ของงานนี้ เพื่อทำการตรวจสอบปัจจัยที่มีอิทธิพลสูงสุดต่อกระบวนการขึ้นรูป ใช้ประโชยน์จากประสบการณ์การออกแบบและหลักการวิเคราะห์เชิงสถิติ เอ็มไฟรัท (M. Firat) [19] ทำงานกับการจำลองวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ในกระบวนการขึ้นรูปโลหะแผ่น วิธีการของเขา ช่วยให้การออกแบบการขึ้นรูปตัวปั้ม ขยับค่าใช้จ่ายจากการทดลองผลิตจริง ไปทำการจำลองในคอมพิวเตอร์แทน รูปแบบของไฟไนต์เอลิเมนต์ที่ใช้ในการขึ้นรูปโลหะแผ่น และ การศึกษาความเป็นไปได้ในการปั้มขึ้นรูปโดยปกติจะขึ้นกับการออกแบบผิวของวัสดุแม่พิมพ์ (rigid die-face design) ผลลัพธ์บ่งชี้ว่า ขึ้นกับความสัมพันธ์ของการผิดรูปของผิวแม่พิมพ์กับความสามารถในการขึ้นรูปและการดีดกลับ  อับบะซิ เอ็ม เคทับซิ (Abbasi, M. Ketabchi) [20] ทำงานที่ เทลเลร์ เวลด์ (tailor welded blanks ,TWBs) ที่ซึ่งเหล็กแผ่นหลายรูปทรงจะเชื่อมเข้ากับแผ่นเปล่าแผ่นเดียว ก่อนนำไปขึ้นรูปเพื่อการจัดระเบียบละการลดน้ำหนักของรถ และเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการบวนการและความยืดหยุ่นของเครื่องจักร ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าคลื่นรอยย่นจะเกิดตรงบริเวณเนื้อบางของทีดับบิวบี (TWB) และรอยย่นเริ่มต้นจากคลื่นรอยย่นสามคลื่น อักราเวล เอ รีดดี่ เอน วี (Agrawal, A., Reddy, N. V.,) ศึกษาการตรวจสอบพารามิเตอร์ที่ดีที่สุดของกระบวนการเพื่อให้ผลิตภัณฑ์ปราศจากรอยย่นในกระบวนการขึ้นรูปลึก[21]

 

3. วิธีการ (Methodology)

รูป 9 ภาพจำลองแสดงให้เห็นขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับงาน ข้อมูล 3D ของชิ้นงานจะส่งไปยัง ฟาสท์ฟอร์ม (FASTFORM) สำหรับการพัฒนาแผ่นเปล่า โดยการประยุกต์สภาพที่แตกต่างขององค์ประกอบของการขึ้นรูป 3D เพื่อการวิเคาะห์ด้วย ฟาสท์ฟอร์ม (FASTFORM)

3.1. การพัฒนาและการวิเคราะห์แผ่นเปล่า (Blank developments and analysis)

ฟาสท์ฟอร์ม (FASTFORM) เป็นโปรแกรมซึ่งใข้ประโยชน์ในการพัฒนาแผ่นเปล่าและการวิเคราะห์ผล ความแม่นยำของการพัฒนาแผ่นเปล่าขึ้นกับขนาดที่เข้ากัน

 

4. ผลและการหารือ (Result and Discussion)

ภาพ 11-17 แสดงให้เห็นว่า

  • ความเครียดต่ำ  - ใช้แรงดึงและแรงอัดน้อยที่สุดทั้งทิศทางหลักและทิศทางรอง
  • แนวโน้มเกิดรอยย่นสูง – ค่อยๆ ดึงในทิศทางหนึ่งและมีแรงอัดในทิศทางอื่น อันส่งผลให้ความหนาเพิ่มขึ้น ลักษณะเช่นนี้ รอยย่นจะเกิดได้ง่ายมาก
  • แนวโน้มเกิดรอยย่น – มีแรงดึงในทิศทางหนึ่งและมีแรงอัดในทิศทางอื่น ส่งผลให้ความหนาค่อยๆ เพิ่มขึ้น ลักษณะเช่นนี้ รอยย่นอาจจะเกิดขึ้นได้
  • วัสดุหลวม (Loose Material) – แรงดึงในทิศทางหนึ่งและมีแรงอัดในทิศทางอื่น ทำให้วัสดุเกิดบางลง ลักษณะผิวจะเกิดเป็นรอย  ”oil canning”
  • แผงกึ่งแน่น (Semi-Tight Panel) – แรงดึงในทิศทางหนึ่งและค่อยๆ อัดในทิศทางอื่น ส่งผลให้ความหนาลดลง
  • ความเครียดระนาบ (Plain Strain) – แรงดึงเพียงทิศทางเดียว ส่งผลให้ชิ้นงานความหนาลดลง
  • แผงแน่น (Tight Panel) – แรงดึงสองทิศทางส่งผลให้ชิ้นงานความหนาลดลงอย่างมาก อาจส่งผลให้ผนังเกิดรอยบุ๋มได้

 

5. วิธีป้องกันรอยย่นในชิ้นงานขึ้นรูปลึก

 

5.1. ใช้ตัวยึดแผ่นเปล่า (Blank Holder)

ในกระบวนการขึ้นรูปลึกทั้งหลาย ความสม่ำเสมอของแรงอัดที่ใช้ต่อตัวยึดแผ่นเปล่าในช่วงเริ่มต้นการขึ้นรูป ความแปรปรวนของแรงอัดต่อตัวยึดแผ่นเปล่า อย่างไรก็ตาม มันเป็นปัจจัยแห่งความสำเร็จ ไม่ว่าจะใช้ระบบนิวเมติกหรือไฮโดรลิก ก็จะปรับค่าแรงกดตัวยึดแผ่นเปล่าเป็นเส้นตรงตลอดระยะชักของเครื่องจักร การควบคุม (NC) ตัวกันกระแทกแม่พิมพ์ (die cushion) ทำให้สามารถใช้เตรียมแรงกดหลากหลายต่อตัวยึดแผ่นเปล่าในขณะการขึ้นรูป และ ตัวกันกระแทกแม่พิมพ์ จะทำให้ระยะเบ้าแม่พิมพ์เพิ่มขึ้นอย่างมากขณะช่วยป้องกันทั้งรอยย่นและการแตก

 

5.2. การออกแบบเบ้าแม่พิมพ์ (Die Cavity Design)

การเลือกขนาดรัศมีส่วนปีก (flange radius) เพื่อให้มีขนาดที่ใหญ่พอที่จะป้องกันการแตก หรือ สามารถปรับให้มีรอยย่นน้อยที่สุด ยิ่งกว่านั้น หากได้พิจารณา ให้มีความซับซ้อนของชิ้นงานและความไม่สมมาตรเกิดให้น้อยที่สุด การใช้มาตรการในการขึ้นรูปหลายขั้นตอน ทำให้เกิดข้อได้เปรียบหลายประการในการป้องกันการเกิดรอยย่นกับชิ้นงานในการขึ้นรูปลึก การออกแบบรูปทรงของแผ่นเปล่า เพื่อลดวัสดุส่วนเกิน ก็สามารถลดโอกาสการเกิดรอยย่นได้ และในบางครั้ง อาจต้องพิจารณาถึงการปรับเกรนของแผ่นโลหะในงานออกแบบที่ไม่สมมาตร เพื่อลดองค์ประกอบของความเค้นเกรนและความเค้นทั่วไปของกระบวนการขึ้นรูปลึก

 

5.3. ปัจจัยอื่น

สารหล่อลื่นลดความเสียดทานระหว่างแผ่นเปล่าและหัวกดและเบ้าพิมพ์อาจใช้เป็นของเหลว (เปลียก) หรือ ฟิล์ม (แห้ง) โดยทั่วไป จะมีการใช้บนแผ่นเปล่าก่อนทำการขึ้นรูป ขณะที่สารหล่อลื่นจะช่วยให้โลหะไหลเข้าไปในเบ้าแม่พิมพ์ ลองคิดว่าการเพิ่มแรงยึดแผ่นเปล่าเพื่อประโยชน์ต่อการลดแรงเสียดทาน ทุกวันนี้ การออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์และรูปแบบระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์ได้ถูกใช้เพื่อสร้างชิ้นงานและออกแบบแม่พิมพ์และจำลองกระบวนการขึ้นรูปลึก ทำให้เกิดความชัดเจนอย่างมากต่อการลดต้นทุนของเครื่องจักรและแรงงานในกระบวนการออกแบบ

 

6. สรุป

รายงานการศึกษาและข้อเท็จจริงในการวิเคราะห์นี้ เสมือนว่า ทุกมาตรการได้มีการป้องกันไว้ก่อนแล้ว ไม่ว่าระดับภาพใหญ่และภาพเล็ก กับโอกาสที่จะเกิดรอยบุ๋ม แตกหัก และรอยย่น ซึ่งจำเป็นอย่างยิ่งต้องลดทอนการใช้วิธีความน่าจะเป็น ส่วนประกอบและแม่พิมพ์ การขึ้นรูปลึกได้จำลองขึ้นแล้ว ข้อมูล ไอจีอีเอส (IGES) ได้มาอย่างง่ายผ่านโปรแกรมฟาสท์ฟอร์ม ชิ้นงานอย่างตัวป้องกันเสียงได้จำลองขึ้นใน คาเทีย & โปรแกรมฟาส์แบล็ง (CATIA & the Fast Blank software) ได้ถูกนำมาใช้ประโยชน์ต่อการพัฒนาแผ่นเปล่า ด้วยระบบหัวกดและแม่พิมพ์ได้ถูกจำลองขึ้นและได้พัฒนาแล้ว มันมีข้อสังเกตุว่า การเกิดรอยย่นบนชิ้นงานขึ้นรูปลึก จะพบกับชิ้นงานแผ่นบางและรอยย่นจะเกิดเมื่อแม่พิมพ์และหัวกดไม่สอดรับและการเยื้องศูนย์ไม่เหมาะสม การเสริมสร้างระดับคุณภาพ ให้ปราศจากรอยย่นในงานขึ้นรูป แนะนำให้ใช้แม่พิมพ์และหัวกดที่มีการเคลือบโครเมียม โดยสังเกตุได้ว่า รอยย่นจะรุนแรงเมื่อทำการวิเคราะห์การขึ้นรูปแบบปราศจากแรงยึดแผ่นเปล่า ข้อสังเกตุบางวิธีการในการป้องกันรอยย่นในชิ้นงานขึ้นรูปลึก เช่น การใช้ตัวยึดแผ่นเปล่า ออกแบบเบ้าแม่พิมพ์ สารหล่อลื่น และ รูปแบบระเบียบวิธีไฟไนต์เอลิเมนต์

อ่านบทความฉบับสมบูรณ์

siamstainless-downloads-smartrue

บทความแปลโดย หรูเรียดเฉียง  (吕烈强) สเตนเลสเพื่อคนไทย www.siamstainless.com

การใช้งานสเตนเลสที่อุณหภูมิสูง (Stainless Steels at High Temperatures)

SS Hight temperatures1 บทนำ (Introduction)

สเตนเลสส่วนใหญ่ ถูกใช้เพื่อป้องกันการกัดกร่อนในสารละลาย (Aqueous corrosion) แต่ก็มีการใช้งานอย่างกว้างขวางที่อุณหภูมิสูงซึ่งเป็นสภาวะที่เหล็กกล้าคาร์บอนและเหล็กกล้าธาตุผสมต่ำ (Low alloyed steel) มีความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อน (Corrosion resistance) หรือความแข็งแรง (Strength) ไม่เพียงพอ เราจึงพบสเตนเลสได้ในการใช้งานซึ่งต้องการความต้านทานการเกิดออกซิเดชั่นหรือต้องการความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง [1] ตัวอย่างเช่น วัสดุโครงสร้างที่มีการใช้งานที่อุณหภูมิสูง ทั้งในภาค อุตสาหกรรม ในที่สาธารณะและการใช้งานในประเทศ โดยบางครั้งอาจมีสภาพ แวดล้อมที่กัดกร่อนเข้ามาเกี่ยวข้อง

การเลือกใช้วัสดุที่อุณหภูมิสูงจำเป็นต้องพิจารณาตามเงื่อนไขการใช้งานต่าง ๆ ดังนี้

  • ความแข็งแรงต่อการคืบ (Creep strength) และ / หรือความเหนียว (Ductility) สูง
  • ความต้านทานการเกิดออกซิเดชั่น (Oxidation resistance) และความต้านทานการกัดกร่อน (Corrosion resistance) สูง
  • มีโครงสร้าง (Microstructure) เสถียร
  • ความต้านทานการสึกกร่อนจากการไหล (Erosion) สูง

การเลือกใช้วัสดุควรจะต้องเลือกจากการใช้งานที่เฉพาะ เจาะจงและเงื่อนไขการดำเนินการในแต่ละกรณี [2]

2 อิทธิพลของธาตุผสม (The role of alloying elements)

โลหะผสมสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงต้องสามารถสร้างฟิล์มปกป้อง (Protective oxide) ขึ้นได้ ซึ่งออกไซด์ที่มีสมบัติเหมาะสมต่อการปกป้อง ได้แก่ โครเมียมออกไซด์ (Chromium oxide, Cr2O3) อลูมิเนียมออกไซด์ (Aluminium oxide, Al2O3) รวมถึงซิลิคอนออกไซด์ (Silicon oxide, SiO2)

โครเมียม อิทธิพลของโครเมียมสามารถเห็นได้อย่างชัดเจนที่อุณหภูมิสูงกว่า 500 ᵒC เนื่องจากโครเมียมสามารถสร้างชั้นฟิล์มโครเมียมออกไซด์ที่มีความหนา แน่นและยึดติดบนพื้นผิวโลหะได้ดี ทำให้สามารถยับ ยั้งการแพร่ของออกซิเจนที่จะเข้าทำปฏิกริยากับเนื้อโลหะด้านในต่อไป [3]

ธาตุอื่น ๆ นอกจากโครเมียมอาจถูกผสมในสเตนเลสเพื่อเพิ่มความต้านทานการเกิดออกซิเดชั่นเช่นเดียวกัน ซิลิคอนและอลูมิเนียมมีความคล้ายคลึงกับโครเมียมอย่างมาก เนื่องจากโลหะทั้งสองชนิดสามารถออกซิไดซ์ได้และหากมีฟิล์มเกิดขึ้นมากเพียงพอก็สามารถทำให้เกิดฟิล์มต่อเนื่องของ SiO2 และ Al2O3 ขึ้น โดยการยึดติดของออกไซด์สามารถปรับปรุงได้ โดยการใส่ธาตุหายาก (Rare earth) ปริมาณเล็กน้อย เช่น ซีเรียม (Cerium) หรือ แลนทาลัม (Lanthanum) [4] การปรับปรุงดังกล่าวจะมีประโยชน์อย่างมากในสภาวะที่อุณหภูมิเปลี่ยนแปลงแบบวัฎจักร (Thermal cycling) [5]

นิกเกิล ช่วยเพิ่มความเหนียว (Ductility) ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง (High temperature strength) และต้านทานการเพิ่มของปริมาณคาร์บอน (คาร์บูไรเซชั่น, Carburization) และไนโตรเจน (ไนไตรเดชั่น, Nitridation) อย่างไรก็ตามโลหะผสมที่มีนิกเกิลสูงควรหลีกเลี่ยงสภาพแวดล้อมแบบรีดิวซิ่งจากซัลเฟอร์ (Reducing sulphidising) เพราะเสี่ยงต่อการเกิดสาร ประกอบนิกเกิล-ซัลเฟอร์ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ นิกเกิลยังช่วยต่อต้านแนวโน้มการเกิด แต่อาจจะไม่เพียงพอต่อการยับยั้งการเกิดซิกมาเฟส (Sigma phase) ได้โดยสมบูรณ์

ไนโตรเจนและคาร์บอน ช่วยเพิ่มความแข็งแรงต่อการคืบ (Creep strength) ของวัสดุได้

โมลิบดีนัม ช่วยเพิ่มความแข็งแรงต่อการแตกหักจากการคืบที่อุณหภูมิสูง (High temperature creep-rapture strength) แต่ขีดจำกัดในการเติมไม่ควรเกิน 3% เนื่องจากปริมาณที่สูงกว่านั้นอาจทำให้เกิดปัญหาจากการออกซิเดชั่นอย่างรุนแรง รวมถึงเร่งให้เกิดเฟสซิกม่าขึ้นได้ ยกเว้นในกรณีที่มีการเติมธาตุที่ทำให้เฟสออสเทนไทต์เสถียร เช่น นิกเกิลเพิ่มขึ้น

ไทเทเนียมและไนโอเบียม ในปริมาณเล็กน้อย ประมาณ 0.3 – 0.7% ช่วยเพิ่มความแข็งแรงของโลหะผสมออสเทนไนต์ แต่ก็เป็นตัวเร่งให้เกิดซิกมาเฟสเช่นกัน

โบรอน ช่วยเพิ่มความแข็งแรงต่อการแตกหักจากการคืบ (Creep-rapture strength) โดยมักเติมในปริมาณเล็กน้อยราว 0.002% ซึ่งโบรอนมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันที่ขอบเกรนเป็นหลัก

3 อิทธิพลของโครงสร้าง (The role of microstructure)

โครงสร้างอาจมีความสำคัญทางด้านความต้านทานความร้อน (Heat resistance) น้อยกว่าองค์ประกอบทางเคมีหรือ การเลือกใช้ธาตุผสมที่เหมาะสม แต่มีอิทธิพลต่อความเหมาะสมในการใช้งานที่อุณหภูมิสูงในด้านอื่น

เกรดของสเตนเลสหรือโลหะผสมเนื้อพื้นนิกเกิลที่ใช้ในงานที่ต้องทนต่ออิทธิพลของแก๊สร้อนหรือผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 550 ᵒC ถูกแสดงไว้ในมาตรฐานยุโรป (EN 10095 – Heat resistant steels and nickel alloys) [6] โดยมาตรฐานดังกล่าวประกอบด้วยเฟอร์ริติก 6 เกรด (ตารางที่ 1) ออสเทนไนต์ทนความร้อน 14 เกรด (ตารางที่ 2) และดูเพล็กซ์ทนความร้อน 1 เกรด (ตารางที่ 3)

Tensile vs Temerature

โดยทั่วไปโครงสร้างของโลหะมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนไปตามเวลาและอุณหภูมิ สำหรับสเตนเลสเองวัสดุอาจเกิดการอ่อนตัว (Softening) การตกตะกอนของคาร์ไบด์ (Carbide precipitation) หรือสามารถเกิดการเปราะ (Embrittlement) ขึ้นได้ [8]

สำหรับเฟอร์ริติกเกรดส่วนใหญ่ การใช้งานที่อุณหภูมิสูงเป็นระยะเวลานาน จะถูกจำกัดที่อุณหภูมิไม่เกิน 250 ᵒC      เนื่องจากปัญหาการเปราะที่อุณหภูมิประมาณ 475 ᵒC (475 Embrittlement) ปัญหาดังกล่าวอาจจะไม่สำคัญกับสเตนเลสที่มีโครเมียมต่ำประมาณ 10.5 – 12.5 % ซึ่งมีการใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า 575 ᵒC เป็นบางครั้ง เนื่องจากปัญหาการแตกเปราะที่อุณหภูมิ 475 ᵒC สามารถทำให้ลดลงได้ด้วยการอบที่อุณหภูมิสูงขึ้น

ความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนจากบรรยากาศ (Atmospheric corrosion) และต้านทานการเกิดออกซิไดซ์ที่อุณหภูมิสูง (High temperature oxidation) รวมถึงราคาที่ค่อนข้างต่ำของเฟอร์ริติก ทำให้มีการใช้งานอย่างกว้างขวาง ในระบบท่อไอเสียรถยนต์ [7] สำหรับข้อยกเว้นด้านข้อจำกัดของอุณหภูมิใช้งานสูงสุดคือโลหะผสมโครเมียมสูง 23-27% ซึ่งมีความต้านทานการเกิดออกไซด์ที่โดดเด่นในอากาศที่อุณหภูมิสูง อันเป็นผลจากปริมาณโครเมียมที่เติมลงไป

รายละเอียดเกี่ยวกับความเสถียรของโครงสร้างจะได้อธิบายต่อไปในส่วนหลังของบทความ รวมไปถึงอุณหภูมิการใช้งานต่ำสุดเพื่อหลีกเลี่ยงความเปราะซึ่งอาจเกิดขึ้นในบางกรณี

รูปที่ 1 แสดงแนวคิดด้านความได้เปรียบของสเตนเลสเมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าผสมคาร์บอนต่ำในด้านความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตามเกรดเฟอร์ริติกยังมีสมบัติเชิงกลที่ไม่โดดเด่นที่อุณหภูมิสูงเนื่องจากความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงของเฟอร์ริติกและมาร์เทนซิติกมีค่าค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับเกรดออสเทนนิติก

สเตนเลสมาร์เทนซิติก (Martensitic stainless steel) ถูกจัดอยู่ในกลุ่มเหล็กกล้าต้านทานการคืบ (Creep-resistant steel) ตามมาตรฐานยุโรป EN 10088-1 [9] และ EN 10302 [10] อย่างไรก็ตามปริมาณโครเมียมที่ต่ำ (โครเมียมสูงสุด 12.5%) ทำให้ไม่สามารถจัดอยู่ในกลุ่มเกรดทนความร้อน (Heat resistant grade) แต่ยังคงสามารถใช้งานในสภาพที่ต้องการความแข็งแรง (Tensile strength) และความแข็งแรงต่อความล้าและการคืบ (Creep and fatigue strength) ร่วมกันความต้านทานการกัดกร่อนปานกลางและต้องทนความร้อนไม่เกิน 650 ᵒC โดยส่วนมากเกรดมาร์เทนซิติกคาร์บอนต่ำและคาร์บอนกลางจะถูกใช้ในกังหันไอ้น้ำ (Stream turbine) เครื่องยนต์ไอพ่น (Jet engine) และกังหันแก๊ส (Gas turbine)

สเตนเลสออสเทนนิติก (Austenitic stainless steel) มีสมบัติทั้งทางด้านความต้านทานการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงและความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงที่ดีเยี่ยมรองมาจากโลหะผสมเนื้อพื้นนิกเกิล ด้วยสาเหตุนี้ออสเทนนิติกทนความร้อนพิเศษหลายเกรดจึงถูกจัดอยู่ใน EN 10095 และออสเทนนิติกต้านทานการคืบพิเศษใน EN 10302 ทั้งนี้เกรดออสเทนนิติกทนความร้อนเป็นวัสดุที่มีความเหมาะสมเป็นอย่างยิ่งต่อการใช้งานที่อุณหภูมิสูง

สเตนเลสดูเพล็กซ์ (Duplex stainless steel) มีโครงสร้างผสมระหว่างเฟอร์ไรต์และออสเทนไนต์ และมีความแข็งแรง ณ จุดคราก (Yield strength) ในช่วง 550 ถึง 690 เมกะพาสคาลในสภาวะอบอ่อน ซึ่งสูงกว่าออสเทนนิติกและเฟอร์ริติกเกรดอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตามถึงแม้ว่า   ดูเพล็กซ์จะมีความแข็งแรงสูงที่อุณหภูมิห้อง แต่กลับมีปัญหาด้านความเปราะ (Embrittlement) และสมบัติเชิงกลโดยเฉพาะอย่างยิ่งความเหนียว (Toughness) ที่ลดลงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน สเตนเลสดูเพล็กซ์จึงไม่เหมาะสมต่อการใช้งานที่อุณหภูมิสูง โดยทั่วไปอุณหภูมิการใช้งานที่เหมาะสมไม่ควรเกิน 300 ᵒC

จากผลการวิจัยล่าสุดยืนยันว่า เกรดดูเพล็กซ์สามารถรักษาความแข็งแรงไว้ได้น้อยกว่าออสเทนนิติกเมื่อเปรียบกันในช่วงอุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตามความแข็งแรงของดูเพล็กซ์ที่เหลืออยู่ยังคงใกล้เคียงกับออสเทนนิติกในช่วงอุณหภูมิที่เกิดเพลิงไหม้ [11] ดังนั้นอุณหภูมิสูงสุดที่ใช้งานจึงขึ้นกับความต้องการทางสมบัติเชิงกล (เช่น ท่อความดัน) และปัจจัยอื่น ๆ ที่ต้องพิจารณา

สเตนเลสชุบแข็งตกตะกอน (Precipitation-hardening stainless steel) เป็นเกรดที่มีโครเมียมและนิกเกิล และสามารถเพิ่มความแข็งแรงได้โดยการบ่มแข็งด้วยการอบที่อุณหภูมิปานกลาง อย่างไรก็ตาม สเตสเลสชนิดนี้มีขีดจำกัดของการใช้งานที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากจะสูญเสียความแข็งแรงอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิ 425 ᵒC ดังนั้นสเตนเลสกลุ่มนี้ไม่ถูกพิจารณาต่อไป

เกรดที่เหมาะสมต่อการใช้งานในสภาพต้านทานการกัดกร่อนจากสารละลาย อาจถูกเลือกใช้ในงานที่ต้องการความต้านทานความร้อนเช่นเดียวกัน ในกรณีที่ความต้านทานการกัดกร่อนมีความสำคัญมาก เกรดเหล่านี้ถูกแสดงไว้ในมาตรฐานยุโรป EN 10088-1 และ EN 10028-7 [13] ดังแสดงในตารางที่ 4

จะเห็นได้ว่า ช่วงอุณหภูมิใช้งานของสเตนเลสด้านบนจะต่ำกว่าเกรดที่ออกแบบไว้เพื่อต้านทานความร้อนโดยเฉพาะ และควรตระหนักว่าอุณหภูมิการใช้งานสูงสุดมีความแตกต่างกัน โดยขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งานว่าเป็นแบบต่อเนื่องหรือการใช้เป็นช่วง

กลไกการเกิดความเปราะบนพื้นฐานของความเสถียรทางโครงสร้างควรนำมาพิจารณาร่วมด้วยเสมอ การใช้งานจึงควรกำหนดไว้ที่ต่ำกว่าอุณหภูมิการใช้งานสูงสุด

4 สมบัติเชิงกลที่อุณหภูมิสูง (Mechanical properties at high temperature)

ที่อุณหภูมิสูงโลหะที่ได้รับความเค้นจะเกิดการเปลี่ยนรูปถาวร (Plastic deformation) อย่างช้า ๆ รวมถึงเกิดการแปรรูปแบบยืดหยุ่น (Elastic deformation) ดังนั้นเวลาจึงกลายเป็นปัจจัยสำคัญ และการทดสอบแรงดึงแบบปกติ (Conventional tensile test) ไม่สามารถให้ผลที่สามารถใช้ในการออกแบบได้ ข้อมูลสำหรับการใช้งานต้องสามารถระบุแรงที่ไม่ทำให้เกิดการยืดตัว (Elongation) ที่มากกว่าค่าที่ยอมรับ ณ อุณหภูมินั้น ตลอดช่วงระยะเวลาการใช้งาน ดังนั้นความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงต้องคำนึงถึงปัจจัยของเวลาและการแปรรูปรวมถึง ความเค้นและอุณหภูมิอีกด้วย [14]

ความแข็งแรงของวัสดุที่อุณหภูมิสูงไม่สามารถทดสอบด้วยวิธีเดียวกับที่อุณหภูมิห้องได้ ในกรณีการใช้งานที่อุณหภูมิห้องเช่น โครงรถยนต์ ค้อน คีม ผู้ออกแบบจำเป็นต้องรู้ความแข็งแรงต่อแรงดึง (Tensile strength) ความแข็งแรง ณ จุดคราก (Yield strength) หรือความแข็ง (Hardness) แต่เมื่อวัสดุต้องสัมผัสกับอุณหภูมิสูง สมบัติเชิงกลที่สำคัญที่สุดคือความแข็งแรงต่อการคืบ (Creep strength) และความแข็งแรงต่อการแตกหัก (Rupture strength) [15]

4.1 ความแข็งแรงต่อการคืบ (Creep strength)

โลหะมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันอย่างมากระหว่างที่อุณหภูมิห้องและอุณหภูมิสูง เมื่อแท่งโลหะได้รับแรงกระทำต่ำกว่า ความแข็งแรง ณ จุดคราก (Yield strength) เล็กน้อยที่อุณหภูมิห้อง โลหะนั้นจะสามารถทนต่อแรงนั้นได้เกือบในทุกกรณีโดยไม่เกิดการเสียหายหากไม่เกิดการกัดกร่อน (Corrode) หรือการกัดกร่อนร่วมกับความเค้น (Stress corrosion cracking)

แต่ ณ อุณหภูมิสูง หากวัสดุเริ่มเกิดการยืดอย่างช้า ๆ โลหะนั้นจะเกิดการยืดต่อไปจนกว่าจะเกิดความเสียหาย [15] ความเร็วในการยืดตัวของโลหะในหน่วยเปอร์เซนต์ต่อชั่วโมงจะเรียกว่า “อัตราการคืบ” (Creep rate) และ

ค่าความแข็งแรงของวัสดุที่อุณหภูมิสูงสามารถอธิบายได้ในรูปของ “ความแข็งแรงต่อการคืบ” (Creep strength) ซึ่งเป็นความสามารถในการต้านทานการเปลี่ยนรูปตลอดระยะเวลาที่สัมผัสกับอุณหภูมิสูง

การคืบสามารถเกิดขึ้นได้ในการใช้งาน เมื่ออุณหภูมิสูงกว่า 480 ᵒC และการคืบสามารถทำให้เกิดการแปรรูปอย่างมากจนเกิดการแตกหักได้ แม้ว่าความเค้นจะต่ำกว่าค่าที่ได้จากการทดสอบแรงดึงในระยะเวลาสั้น (Short term tensile test) ที่อุณหภูมิห้องและอุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตามการคืบสามารถยอมรับได้หากมีอัตราการเปลี่ยนแปลงไม่เกิน 1% ในเวลา 10,000 ชั่วโมง แต่ไม่ได้หมายความว่าอัตราการคืบนี้สามารถเกิดได้โดยไม่เกิดความเสียหายในทุกสถานการณ์หลังจากการใช้งานต่อไปอีก 10,000 ชั่วโมง

ค่าการคืบที่วัดได้ภายใต้แรงคงที่และเงื่อนไขของอุณหภูมิใช้งานอาจสามารถใช้ในการออกแบบได้ อย่าง ไรก็ตามควรมีการพิจารณาค่าความปลอดภัย (Safety factor) ด้วยเสมอ ซึ่งค่าความปลอดภัยจะขึ้นกับระดับความสำคัญของลักษณะการใช้งาน [14] โดยทั่วไป  ออสเทนนิติกจะมีความแข็งแรงต่อการคืบสูงที่สุด

ค่าความเค้นออกแบบ (A design stress figure) ซึ่งโดยทั่วไปใช้กับชิ้นส่วนที่ได้รับความร้อนแบบสม่ำเสมอ (ไม่เกิดการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิแบบกระทันหัน) (Thermal shock) หรือเปลี่ยนแปลงแรงกระทำแบบกระทันหัน (Mechanical shock)) จะมีค่าเท่ากับ 50% ของความเค้นที่ทำให้เกิดความคืบ 1% ใน 10,000 ชั่วโมง อย่างไรก็ตามควรมีการพิจารณาอย่างระมัดระวังและตรวจสอบกับผู้ผลิตอีกครั้ง [16] โดยทั่วไปเราใช้แรงที่ทำให้เกิดการแตกหักที่ 100,000 ชั่วโมงเป็นเกณฑ์ โดยจะเพิ่มค่าความปลอดภัยที่ 1.5 (ดูตัวอย่างเพิ่มเติมในคู่มือ ASME) คำแนะนำสำหรับสมบัติการคืบยังได้แสดงไว้ในตารางท้ายบทความนี้ด้วย

4.2 สมบัติการแตกร้าวจากความเค้น (Stress rupture properties)

สมบัติการแตกร้าวจากความเค้น ซึ่งทดสอบภายใต้แรงและอุณหภูมิคงที่มีประโยชน์อย่างมากในการประเมินอายุการใช้งานของวัสดุ (เวลาในการแตกหัก) ในสภาวะการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง รวมถึงสามารถใช้เปรียบ เทียบวัสดุได้ สมบัตินี้นับเป็นข้อมูลเพิ่มเติมในการเลือก ใช้วัสดุทนความร้อนนอกเหนือจากความแข็งแรงต่อการคืบ โดยทั่วไปค่าการคืบและการแตกร้าวจากความเค้นในระยะยาว (long terms creep and stress rupture) เช่น 100,000 ชั่วโมงสามารถประมาณได้จากการทดสอบในระยะสั้น (Short term test) โดยใช้ค่าความเค้นสูง

เมื่อพิจารณาผลการทดสอบจะสามารถสังเกตเห็นการกระจายตัวของข้อมูล แม้แต่กับวัสดุที่ผลิตขึ้นพร้อมกัน ดังนั้นความแข็งแรงต่อการคืบและการแตกร้าวที่ได้จากการคำนวณอาจมีความไม่น่าเชื่อถือ ความคลาดเคลื่อนจะมีค่าอยู่ในช่วง + 20 % ของความเค้น ความแตกต่าง

ดังกล่าวอาจเกิดจากความแตกต่างของกระบวนการอบอ่อน และขนาดของเกรน  ด้วยเหตุนี้เราจำเป็นต้องใช้ความระมัดระวังอย่างมากในการแปลผลถึง แม้จะทดสอบโดยใช้ระยะเวลานานที่สุดแล้วก็ตาม

พฤติกรรมที่แท้จริงของวัสดุอาจเป็นสิ่งที่ทำนายได้ยาก เนื่องจากความซับซ้อนของค่าความเค้นในการใช้งานจริงแตกต่างจากในอุดมคติ ซึ่งทดสอบโดยใช้แรงกระทำในทิศทางเดียว นอกจากนี้ปัจจัยอื่น เช่น แรงแบบวัฏจักร อุณหภูมิที่ผันผวน และการสูญเสียเนื้อโลหะจากการกัดกร่อนอาจสามารถส่งผลต่อพฤติกรรมของวัสดุที่เกิดขึ้นในสภาพการใช้งานจริงเช่นเดียวกัน [3, 17]

SCC vs Temerature

4.3 ความแข็งแรงต่อแรงดึงระยะสั้น (Short term tensile strength)

ตั้งแต่อดีต กระบวนการทดสอบที่ใช้ในการศึกษาสมบัติที่อุณหภูมิสูงของโลหะและโลหะผสมเป็นการทดสอบความแข็งแรงในระยะสั้น (Short term tensile testing) ทั้งสิ้น และถึงแม้การทดสอบนี้ถูกแทนที่สำหรับการออกแบบด้วยการทดสอบการคืบและการแตกร้าวในระยะยาว (Long term creep and rupture) แต่การทดสอบความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง (High temperature tensile test) ยังคงเป็นข้อมูลที่สำคัญสำหรับการประเมินเบื้องต้น

การทดสอบความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงนั้นคล้ายคลึงกับการทดสอบที่อุณหภูมิห้อง โดยทั่วไปชิ้นงานจะถูกล้อม รอบด้วยเตาความต้านทานไฟฟ้า (Electric resistance furnace) เพื่อรักษาระดับอุณหภูมิให้คงที่ตามความต้องการตลอดระยะเวลาที่รับแรง ซึ่งอัตราการทดสอบหรืออัตราการเปลี่ยนแปลงความเครียด (Rate of testing, or strain rate) คือส่วนสำคัญที่ต้องพิจารณา [3]

 

ค่าที่ได้อาจมีค่ามากถึงห้าถึงหกเท่าของค่าขีดจำกัดความแข็งแรงจากการคืบ (Limit creep strength) และมีค่าเกินกว่าค่าประมาณ (Over evaluate) ความ สามารถในการรับแรงตลอดช่วงเวลาระยะยาว อย่างไรก็ตามค่าความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงยังคงมีประโยชน์ในการทดสอบความต้านทานต่อแรงกระทำที่เกินชั่วคราว (Momentary overload) และมีรวมอยู่ในบางข้อกำหนด (Specification)

สำหรับที่อุณหภูมิมากกว่า 550 ᵒC ค่าความแข็งแรงและความแข็งแรง ณ จุดครากจะไม่สามารถใช้เพื่อการออกแบบ

4.4 ความเนียว (Ductility)

การเปรียบเทียบความเหนียวร้อน (Hot ductility) ของวัสดุทนความร้อนอย่างแม่นยำนั้นเป็นเรื่องยากเนื่องจากยังไม่มีการทดสอบอ้างอิงซึ่งเป็นที่ยอมรับ ค่าการยืดตัวรวม (Total elongation) ของการคืบตัว (Creep) และความเครียดแตกร้าว (Stress rapture) จึงจะถูกใช้เป็นเกณฑ์ในการพิจารณา นอกจากนี้การยืดตัวในการทดสอบแรงดึงระยะสั้น (Short term tensile test) ก็ถูกใช้เป็นข้อกำหนดและเป็นตัวบ่งชี้ความเหนียวที่อุณหภูมิสูง

ในหลายสภาวะการใช้งานที่มีความไม่แน่นอนของความเค้น อุณหภูมิและความแข็งแรงนั้น นับเป็นสิ่งสำคัญมากที่โลหะต้องรักษาความเหนียวไว้ได้ตลอดอายุการใช้งาน และความเสียหายจะต้องไม่เกิดขึ้นโดยไม่มีการเตือน สำหรับในอุตสาหกรรมน้ำมันและปิโตรเคมีเช่น ท่อภายใต้ความดันสูงนั้น จะต้องการความเหนียวในระยะยาวที่สูง ในกรณีดังกล่าวการแตกร้าวที่ใกล้จะเกิดสามารถตรวจสอบได้จากการบวมตัวของท่อ [3]

 

4.5 การล้าจากความร้อน (Thermal fatigue)

การขยายตัวของโลหะเมื่อได้รับความร้อน และการหดตัวเมื่อเย็นตัวลงนั้นจะเกิดความเครียดขึ้นทั้งตรงกลางและพื้นผิวภายนอก ซึ่งภายหลักการเกิดความเครียดเป็นวัฏจักรจำนวนมากโลหะอาจเกิดการแตกขึ้นได้ โดยการแตกนั้นจะเริ่มต้นจากที่ผิวและรุกรามต่อไปในเนื้อโลหะ เช่นในกรณีของบรรยากาศแบบการคาร์บูไรซิ่ง(Carburizing environment) หรือการแตกอาจเกิดขึ้นจากภายในเช่นในกรณีของการชุบแข็งแบบเป็นกลาง (Neutral hardening) ซึ่งไม่มีสัญญาณภายนอกใดบ่งชี้ว่ามีความผิดปกติจนกว่าวัสดุจะเกิดการแตกแบบทันทีทันใด [15]

ในหลายการใช้งานที่อุณหภูมิสูง วัสดุอาจจะสัมผัสกับอุณหภูมิแบบไม่ต่อเนื่องหรือมีแปรปรวนของอุณหภูมิ (Cyclic heating) ดังนั้นความสามารถในการทนความล้าจากอุณหภูมิต้องถูกนำมาพิจารณาด้วยเสมอ

 

ปัจจุบัน มีข้อมูลการทดลองเกี่ยวกับความล้าจากอุณหภูมิที่เปรียบเทียบโลหะผสมหลายชนิดที่สามารถใช้อ้างอิงได้อยู่น้อยมาก และยังไม่มีการทดสอบมาตรฐานถูกกำหนดขึ้น แต่จากการทดลองภาคสนามพบว่า ความต้านทานความล้าจากความร้อนสามารถปรับปรุงได้ด้วยการเพิ่มปริมาณนิกเกิล

เป็นที่ทราบกันว่า ความแตกต่างของความเค้นนำไปสู่การบิดเบี้ยวหรือการแตกหักของชิ้นส่วนได้ ในบางกรณี เราสามารถออกแบบชิ้นส่วนขนาดเล็กจำนวนมากที่สามารถขยายตัวและสัมผัสกันได้อย่างอิสระ อย่างไรก็ตามควรระมัดระวังบริเวณมุมแหลมและการเปลี่ยนรูปร่างอย่างกระทันหัน [14]

4.6 ความแตกต่างของอุณหภูมิ (Thermal gradient)

โลหะผสมทนความร้อนจะมีสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (Coefficients of thermal expansion) ที่สูงและมีค่าการนำความร้อน (Heat conductivity) ต่ำ ซึ่งสมบัติทั้งสองอย่างมีแนวโน้มที่ทำให้เกิดความแตกต่างของความเค้นและอุณหภูมิระหว่างบริเวณของชิ้นส่วนที่แตกต่างกัน

สัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (Coefficients of thermal expansion) สามารถอธิบายได้ในรูปของการเปลี่ยนแปลงความยาวต่อการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิคือ 10-6.K-1 และในบางครั้งอาจใช้หน่วยอื่นๆเช่น 10-6/ᵒC หรือ µm/m/ᵒC หรือ 10-6cm/cm/ᵒC ซึ่งหน่วยทั้งหมดมีค่าเท่ากันแต่ไม่อยู่ในหน่วยของระบบระหว่างประเทศ (International System of Units)2

การเพิ่มขึ้นของความยาว (หรือเส้นผ่านศูนย์กลาง หรือความหนา) สามารถคำนวณได้จากการคูณกันของขนาดดั้งเดิมกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนไปและสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน ยกตัวอย่างเช่น ถ้าแท่งสเตนเลส 1.4301 ความยาว 3 เมตร ซึ่งมีสัมประสิทธิ์การขยายตัว 17.2*10-6.K-1 หรือ 17.2 µm/m/ᵒC ถูกให้ความร้อนจากอุณหภูมิ 20 ᵒC ไปถึง 200 ᵒC จะมีความยาวเพิ่มขึ้นเท่ากับ:

ΔL = α * Lo * ΔT = 17.2*3.00*180 = 9288 μm = 9.3 mm

 

โดยค่า α คือสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (Coefficient of thermal expansion) Lo  คือความยาวเริ่มต้น และ ΔT คืออุณหภูมิที่เปลี่ยนไป

4.7 อิทธิพลของการแปรรูปเย็นต่อสมบัติต่าง ๆ (Effect of cold working on properties)

ความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงของโลหะผสมออสเทนนิติกทนความร้อน สามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยกระบวนการแปรรูปเย็น (Cold working) เช่น การรีด (Rolling) อย่างไรก็ตามความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นจะคงอยู่ได้จนถึงอุณหภูมิตกผลึกใหม่ (Crystallization Temperature) เท่านั้น

ภาพที่ 3 แสดงอิทธิพลของอุณหภูมิที่มีต่อสมบัติทางแรงดึงของสเตนเลส 1.4310 (301) ที่ผ่านกระบวนการแปรรูปเย็น โดยทั่วไปผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการขึ้นรูปเย็นจะมีความต้านทานต่อการคืบต่ำซึ่งเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงกว่าอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ของโลหะเล็กน้อย

ระหว่างการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน ประโยชน์ที่ได้จากกระบวนการแปรรูปเย็นจะเสียไปและความแข็งแรงต่อการแตกร้าวจากความเค้น อาจจะลดลงจนต่ำกว่าความแข็งแรงในสภาพอบอ่อน [25]

5 ความเสถียรของโครงสร้างจุลภาค (Microstructure stability)

วัสดุบางชนิดอาจเกิดการเปลี่ยนแปลงหลังจากการใช้งานหลายร้อยหรือหลายพันชั่วโมง โดยเกิดความเปราะขึ้นแทนที่ความแกร่งหรือความเหนียว ซึ่งปัญหาหลักเกิดจากการรวมตัวของเฟสที่มีความแข็ง เปราะ และไม่มีสมบัติแม่เหล็กเรียกว่า “ซิกม่าเฟส (Sigma phase)” ที่เกิดขึ้นในช่วงอุณหภูมิระหว่าง 500-980 ᵒC [15] และสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในเฟอร์ริติก ออสเทนนิติกหรือ    ดูเพล็กซ์สเตนเลส โดยการเกิดจะขึ้นอยู่กับทั้งอุณหภูมิและเวลา

เกรดเฟอร์ริติกที่มีโครเมียมต่ำบางชนิด สามารถเกิดการรวมตัวของเฟสซิกม่าได้ที่อุณหภูมิเพียง 480 ᵒC หากถูกถูกใช้งานเป็นระยะเวลานาน ซึ่งนอกเหนือจากอุณหภูมิแล้ว เวลาที่ทำให้เกิดการรวมตัวของซิกม่าเฟสยังขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีและกระบวนการผลิต (เช่นปริมาณการแปรรูปเย็น) และเราจะพบว่าความเปราะจากซิกม่าเฟสจะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วถ้าได้รับการแปรรูปเย็น

การรวมตัวของซิกม่าเฟสสามารถยับยั้งโดยสมบูรณ์ด้วยการเติมนิกเกิลในปริมาณที่เพียงพอ และในกรณีที่วัสดุถูกใช้ในสภาพแวดล้อมซึ่งสามารถเกิดการรวมตัวของซิกม่าเฟสได้นั้น จำเป็นอย่างมากที่ต้องมีการประเมินว่า ความเปราะตลอดช่วงอายุการใช้งานของส่วนประกอบนั้นจะสูงแค่ไหน รวมถึงอิทธิพลใดที่อาจส่งผลต่อสมรรถภาพในการใช้งาน ซึ่งโดยทั่วไปความเปราะจะไม่เป็นปัญหาเมื่อวัสดุอยู่ ณ อุณหภูมิใช้งาน (ยกเว้นกรณีที่มีความล้าจากความร้อนมาเกี่ยวข้อง) แต่จะกลายเป็นปัญหาร้ายแรงที่อุณหภูมิห้อง [19] เพราะที่อุณหภูมิสูงนั้นวัสดุมีความเหนียวและความแกร่งสูงทำให้เฟสที่เกิดขึ้นนั้นไม่เป็นปัญหาสำคัญ แต่เฟสเหล่านี้จะน่าเป็นห่วงเมื่อชิ้นส่วนนั้นเย็นตัวลงมาที่อุณหภูมิห้อง

นอกจากซิกม่าเฟสแล้วเฟสอื่น ๆ ที่สามารถพบได้คือ ไชเฟส (chi phase) และเลฟส์เฟส (Laves-phase) ซึ่งกรณีของเลฟส์เฟสนั้นสามารถช่วยเพิ่มความแข็งแรงต่อการคืบที่อุณหภูมิสูงได้อีกด้วย อย่างไรก็ตาม ความเปราะของสารประกอบกึ่งโลหะนั้นนับเป็นปัญหาหลักสำหรับการใช้งานเป็นระยะเวลานานที่อุณหภูมิสูง ซึ่งเฟสดังกล่าวสามารถทำให้สลายตัวได้โดยการให้ความร้อนสูงกว่า 1000ᵒC [12]

ในช่วงอุณหภูมิระหว่าง 400 ถึง 500 ᵒC สเตนเลส  เฟอร์ริกติกมีแนวโน้มที่จะแยกตัวออกเป็น 2 เฟสที่มีปริมาณโครเมียมสูงและต่ำ ซึ่งอัตราการเกิดปฏิกริยาจะสูงสุดที่อุณหภูมิ 475 ᵒC จึงถูกเรียกว่า “การเปราะที่อุณหภูมิ 475 ᵒC (475 ᵒC Embrittlement)” เฟอร์ริติกที่มีปริมาณโครเมียม 11% เป็นเกรดที่มีความอ่อนไหวต่อปรากฏการณ์นี้น้อยที่สุด และมีขอบเขตที่โลหะผสมปริมาณโครเมียมที่ 17% ในขณะที่วัสดุที่มีโครเมียม 25% ซึ่งรวมไปถึงสเตนเลสดูเพล็กซ์นั้นมีความเสี่ยงต่อการเกิดปัญหาข้างต้นเป็นอย่างมาก [23]

สำหรับที่อุณหภูมิสูงนั้น ปรากฎการณ์หนึ่งที่สามารถเกิดขึ้นได้คือการโตของเกรน (Grain growth) ซึ่งเป็นผลให้ความแข็งแรงต่อการคืบสูงขึ้นแต่ก็ทำให้ความเหนียวลดลงไปในขณะเดียวกัน อย่างไรก็ตามถึงแม้การเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างอาจะทำให้วัสดุมีสมบัติแย่ลง แต่การเปลี่ยนแปลงนั้นสามารถยอมรับได้ตราบเท่าที่มีการเฝ้าระวัง และพิจารณาในระหว่างการใช้งานและการซ่อมบำรุงตามแผนงาน (Maintenance shutdown) [2]

6 ความต้านทานการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง (Resistance to high-temperature corrosion)

คำว่า “การกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง (High temperature corrosion)” นั้นอาจจะยังไม่ถูกต้องนัก เนื่องจากปัญหาดังกล่าวมักจะเป็นการกัดกร่อนแบบแห้ง (“Dry” corrosion) เช่นในสภาวะแก๊ส แต่สภาวะที่รุนแรงกับวัสดุชนิดหนึ่งอาจจะไม่รุนแรงกับวัสดุชนิดอื่นๆ อย่างไรก็ตามสำหรับสเตนเลสปัญหาดังกล่าวมักจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิ 500ᵒC หรือสูงกว่า ในขณะที่พื้นผิวที่เปลี่ยนแปลง ณ อุณหภูมิต่ำกว่านี้จะเกิดขึ้นแบบค่อนข้างสม่ำเสมอ

กลไกการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง จะแตกต่างกันไปตามปริมาณออกซิเจนในบรรยากาศและสารที่ทำให้เกิดการกัดกร่อน บรรยากาศที่มีปริมาณออกซิเจนสูง ได้แก่ การมีแก๊สออกซิเจน ไอน้ำ ซัลเฟอร์และออกไซด์ของซัลเฟอร์ (SO2 และ SO3) คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ไนโตรเจนออกไซด์ (NOx) คลอรีน และอื่น ๆ ขณะในที่บรรยากาศที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำ ปัญหาจะเกิดขึ้นจากไฮโดรเจนซึ่งอาจเป็นในรูปของไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H2S) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) ไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) ไฮโดรคาร์บอน และแอมโมเนีย เป็นต้น

บรรยากาศดังกล่าวมักถูกเรียกโดยรวมว่าเป็นบรรยากาศแบบออกซิไดซิ่ง (Oxidising) และแบบรีดิวซิ่ง (Reducing) ตามลำดับ ซึ่งเป็นการแปลความหมายตามสิ่งที่เกิดขึ้นกับเหล็ก เนื่องจากบรรยากาศแบบรีดิวซ์ สามารถออกซิไดซ์ธาตุเช่น อลูมิเนียม ซิลิคอน รวมไปถึงโครเมียมได้ [4] ซึ่งโดยทั่วไปโลหะผสมชนิดหนึ่ง ๆจะไม่สามารถต้านทานสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูงได้ทุกชนิด [14]

6.1 การเกิดออกซิเดชั่น (Oxidation)

เมื่อวัสดุสัมผัสกับบรรยากาศแบบออกซิไดซิ่งที่อุณหภูมิสูง จะเกิดการก่อตัวของออกไซด์ที่ผิวของวัสดุและสามารถยับยั้งการออกซิไดซ์ต่อไปได้ แต่เมื่ออุณหภูมิของวัสดุสูงขึ้น อัตราการเกิดออกไซด์จะเพิ่มขึ้นทำให้ชั้นออกไซด์นั้นแตกและหลุดร่อนออกไป ทำให้ความสามารถในการปกป้องนั้นสูญเสียไปในที่สุด [25]

สำหรับเหล็กกล้าผสมโครเมียมนั้นมีความสามารถในการต้านทานการเกิดออกซิเดชั่นมากกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไป เนื่องจากมีการสร้างชั้นฟิล์มโครเมียมและโครเมียม-เหล็กออกไซด์ ซึ่งฟิล์มดังกล่าวมีความ สามารถในการปกป้องที่ดีกว่าชั้นออกไซด์ของเหล็กบริสุทธิ์ และเมื่อปริมาณโครเมียมเพิ่มขึ้นจาก 0 ไปถึง 27 % โดยน้ำหนัก จะสามารถเพิ่มอุณหภูมิใช้งานสูงสุดจากประมาณ 500 ᵒC เป็น 1150 ᵒC

ที่อุณหภูมิสูงกว่า 1000 ᵒC อลูมิเนียมออกไซด์จะมีความสามารถในการปกป้องมากกว่าโครเมียมออกไซด์ อย่างไรก็ตามปริมาณของอลูมิเนียมที่ต้องการสำหรับการสร้างชั้นฟิล์มดังกล่าว อาจทำให้โลหะผสมนั้นมีความเปราะเพิ่มขึ้น ผลิตยากขึ้นรวมถึงมีราคาแพง [26] และในกรณีที่อุณหภูมิมีการเปลี่ยนแปลงเป็นวัฏจักร นอกจากนี้เราสามารถลดการหลุดร่อนของสเกล (Scale spalling) ได้โดยการเพิ่มปริมาณนิกเกิล [25]

ไอน้ำมีอิทธิพลต่อการเกิดออกไซด์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในอากาศซึ่งอัตราการเกิดปฏิกริยาต่ำกว่าในแก๊สออกซิ เจนบริสุทธิ์ ไอน้ำจะเพิ่มอัตราการกัดกร่อนอย่างมีนัย สำคัญโดยเฉพาะในโลหะผสมของเหล็ก เนื่องจากออกไซด์ที่เกิดขึ้นมีแนวโน้มที่จะมีความพรุนและมีสมบัติปกป้องน้อยอันมีสาเหตุมาจากการรวมตัวของไอระเหยโครเมียมออกไซด์ (Volatile chromium-oxide) และสารกลุ่มไฮดรอกไซด์ (Hydroxide species)

การแปรรูปเย็นที่ผิวสามารถช่วยปรับปรุงสมบัติในไอน้ำให้ดีขึ้นได้ เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างอบอ่อน เนื่อง จากช่วยส่งเสริมให้เกิดการสร้างชั้นโครเมียมออกไซด์ (Cr2O3) ที่มีความหนาแน่นขึ้น [4] อย่างไรก็ตามหากมีไอน้ำอุณหภูมิสูงเข้ามาเกี่ยวข้อง อุณหภูมิการใช้งานสูงสุดที่แนะนำจะลดลงประมาณ 50 – 150 ᵒC ขึ้นอยู่กับส่วนประกอบของไอน้ำดังกล่าว [27]

โดยพื้นฐานแล้วความต้านทานการเกิดออกซิเดชั่นของโลหะผสมถูกนิยามโดย “อุณหภูมิการเกิดสเกล (Scaling temperature)” ซึ่งก็คืออุณหภูมิที่อัตราการเกิดออกซิเดชั่นสูงขึ้นจนไม่สามารถยอมรับได้ อย่างไรก็ตามอุณหภูมิดังกล่าวค่อนข้างเป็นความสำคัญทางเทคนิค แนวคิดเรื่อง “อุณหภูมิการเกิดสเกล” จึงไม่ค่อยได้รับความสนใจ

สำหรับอุณหภูมิการใช้งานสูงสุดในอากาศมีการระบุไว้ในมาตรฐาน EN 10095

 SS oxidation vs times

การออกซิเดชั่นแบบหายนะ (Catastrophic oxidation) คือการเกิดออกซิเดชั่นที่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วและนำไปสู่การเสียหายอย่างสมบูรณ์ของวัสดุในระยะเวลาอันสั้น โลหะกลุ่มโมลิบดีนัม ไนโอเบียม วาเนเดียม และทังสเตน สามารถเกิดออกไซด์ที่ระเหยได้ที่อุณหภูมิต่ำและหากออกไซด์ดังกล่าวตกค้างอยู่ในสเกล ออกไซด์นั้นสามารถกลายเป็นตัวทำลายฟิล์มปกป้องได้ สำหรับการเกิดออกซิเดชั่นแบบหายนะนี้ อาจเป็นปัญหาร้ายแรงได้ในสภาวะการใช้งานที่เฉพาะเจาะจง เช่น ในอุณหภูมิสูงมาก หรือในบรรยากาศแบบไม่เคลื่อนไหว (Stagnant atmosphere) หรือเมื่อมีการตกตะกอนของแข็ง [15,29]

6.2 การเกิดซัลฟิเดชั่น (Sulphidation)

ความต้านทานการเกิดซัลฟิเดชั่นมีความสัมพันธ์กับปริมาณโครเมียมเช่นเดียวกัน เหล็กที่ไม่มีการเติมโลหะผสมสามารถเกิดการเปลี่ยนเป็นซัลไฟต์สเกลได้อย่างรวดเร็ว ในขณะที่เหล็กที่มีการเติมโครเมียมจะมีความต้านทานการเกิดซัลฟิเดชั่นเพิ่มขึ้น สำหรับธาตุชนิดอื่นที่สามารถเพิ่มการปกป้องต่อการเกิดซัลฟิเดชั่นได้แก่ ซิลิคอน อลูมิเนียม และไทเทเนียม

สารประกอบซัลไฟต์หลายชนิดสามารถพบได้ในแก๊สเชื้อเพลิง และแก๊สในกระบวนการผลิตอื่นๆ สารเหล่านี้ส่งผลเสียอย่างมากต่ออายุการใช้งานของชิ้นส่วน ซึ่งปัจจัยทางจลนพลศาสตร์ (Kinetic) ทำให้ซัลไฟต์ที่อยู่ในสภาวะไม่สมดุลสามารถเกิดและโตขึ้นได้ภายใต้เงื่อนไขการเกิดออกซิเดชั่น และถึงแม้การเกิดซัลไฟต์ในช่วงแรกจะถูกปกคลุมด้วยออกไซด์ในภายหลังหรืออาจละลายไป แต่การเกิดขึ้นในช่วงแรกของซัลไฟต์ก็ส่งผลให้ชั้นออกไซด์มีความสามารถในการปกป้องลดลงเนื่องจากออกไซด์ฟิล์มมีช่องว่างหรือรอยแตกเกิดขึ้น

ในการที่วัสดุจะสามารถสร้างชั้นออกไซด์ที่บาง แกร่ง และมีการยึดเกาะที่ดีได้นั้นจำเป็นต้องมีปริมาณโครเมียมสูง รวมถึงมีการเติมซิลิคอน อลูมิเนียมและ REM

นอกเหนือจากปัจจัยทางด้านเวลา อุณหภูมิและความเข้มข้นแล้ว ซัลฟิเดชั่นยังขึ้นอยู่กับรูปแบบของซัลเฟอร์ทีมีอยู่ ไม่ว่าจะเป็น ซัลเฟอร์ไดออกไซด์ (Sulphur dioxide, SO2) ไอของซัลเฟอร์ (Sulphur vapour) ไฮโดรเจนซัลไฟต์ (Hydrogen sulphide, H2S) หรือในรูปของแก๊สเชื้อเพลิง (Fuel gas) เนื่องจากแก๊สเผาไหม้ (Combustion gas) มักจะมีส่วนผสมของสารประกอบซัลเฟอร์ ซึ่งปกติแล้วซัลเฟอร์ไดออกไซด์จะอยู่ในรูปของออกซิไดซิ่งแก๊ส โดยพบร่วมกับคาร์บอนมอนอก ไซด์ (CO) คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ไนโตรเจน (N2) และออกซิเจน (O2) ส่วนเกิน

โดยทั่วไปออกไซด์ปกป้องจะสร้างขึ้นโดยขึ้นกับสภาพ แวดล้อม ซึ่งอัตราการกัดกร่อนอาจมีค่าเท่ากับในอากาศหรืออาจมีค่ามากกว่าเล็กน้อย อย่างไรก็ตามความต้าน ทานของสเตนเลสต่อแก๊สเผาไหม้จะมีค่าเพิ่มขึ้น เมื่อปริมาณโครเมียมเพิ่มขึ้น

หลักการประเมินอย่างง่าย (Rule-of-Thumb) แบบเก่าอธิบายว่าโลหะผสมที่เติมโครเมียมควรหลีกเลี่ยงสภาพ แวดล้อมแบบรีดิวซิ่งและซัลฟิไดซ์ซิ่ง เนื่องจากการรวม ตัวของสารประกอบนิกเกิล-ซัลเฟอร์ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำอาจนำไปสู่การเสิ่อม สภาพอย่างรวดเร็วของวัสดุ อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติบรรยากาศแบบรีดิวซิ่งอาจมีปริมาณออกซิเจนสูงพอ (เช่นในรูปของซัลเฟอร์ไดออก ไซด์, SO2) ต่อการสร้างชั้นออกไซด์ปกป้อง บนเงื่อนไขที่ปริมาณโครเมียมนั้นสูงเพียงพอ [30]

นิกเกิล/นิกเกิลซัลไฟต์ยูเทคติก (Eutectic) ที่มีจุดหลอมเหลวต่ำอาจเกิดการรวมตัวใน สเตนเลสออสเทนนิติกที่มีนิกเกิลมากกว่า 25 % แม้แต่ในสภาวะที่มีปริมาณโครเมียมสูง ซึ่งการเกิดขึ้นของเฟสที่เป็นของ เหลวระหว่างการใช้งานที่อุณหภูมิสูงสามารถนำไปสู่การการเสียหายอย่างร้ายแรงของวัสดุได้

แก๊สเชื้อเพลิงแบบรีดิวซิ่งมีปริมาณของคาร์บอนมอนอก ไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ ไฮโดรเจน ไฮโดรเจนซัลไฟต์ และไนโตรเจนที่แตกต่างกัน ซึ่งอัตราการกัดกร่อนที่พบในสภาพแวดล้อมแบบนี้จะขึ้นกับปริมาณของไฮโดรเจนซัลไฟต์และอุณหภูมิ ดังนั้นการเลือกวัสดุที่เหมาะสมมักต้องการการทดสอบในสภาวะใช้งานจริง อย่างไรก็ตามในบรรยากาศซัลเฟอร์แบบรีดิวที่แท้จริงจะพบว่าชั้นออกไซด์ทุกชนิดจะถูกละลายอย่างรวดเร็วทำให้เนื้อวัสดุเกิดการกัดกร่อนได้ การใช้งานในสภาวะดังกล่าวจึงควรเลือกใช้โลหะผสมที่ไม่มีการเติมนิกเกิล [25, 30]

6.3 คาร์บูไรเซชั่นและไนไตรเดชั่น (Carburisation and Nitridation)

การคาร์บูไรเซชั่นของสเตนเลสสามารถทำได้ในบรรยา กาศคาร์บอนไดออกไซด์ มีเทน (CH4) และแก๊สไฮโดร คาร์บอนอื่น ๆ เช่น โพรเพน (C3H8) ที่อุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตามคาร์บูไรเซชั่นสามารถเกิดขึ้นได้ เมื่อสเตนเลสปนเปื้อนน้ำมันถูกนำไปอบอ่อนในสภาวะที่มีออกซิเจนไม่เพียงพอต่อการเผาไหม้คาร์บอน เช่นในกรณีของการอบภายใต้สูญญากาศหรือแก๊สเฉื่อย หรือแม้กระทั่งการอบในระบบเปิด (มีอากาศ) ที่รูปร่างของชิ้นส่วนเองทำให้อากาศไม่สามารถเข้าถึงได้ แต่ปัญหาเหล่านี้จะพบได้ในเหล็กกล้าโลหะผสมต่ำ (Low alloy steel) มากกว่าในสเตนเลส

ปัญหาจากการเกิดคาร์บูไรเซชั่น สามารถพบได้บ่อยในชิ้นส่วนที่ทำการชุบแข็งด้วยกระบวนการคาร์บูไร ซิ่ง นอกจากนี้อุตสาหกรรมปิโตรเคมียังจัดให้คาร์บูไรเซชั่นเป็นปัญหาหลักข้อหนึ่งของการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงของอุปกรณ์การผลิต [25] เนื่องจากการรับคาร์บอนปริมาณสูงเข้าไปในเนื้อวัสดุ ทำให้ปริมาตรของวัสดุเปลี่ยนไปและนำไปสู่การบิดบี้ยวของรูปร่างได้ รวมถึงทำให้เกิดความยุ่งยากหากอุปกรณ์นั้นต้องซ่อมแซมด้วยกระบวนการเชื่อม [14]

การเกิดไนไตรเดชั่น นับได้ว่าเป็นรูปแบบหนึ่งของการกัดกร่อนเมื่อสเตนเลสถูกใช้งานที่อุณหภูมิสูงในบรรยากาศที่มีไนโตรเจน [3] ซึ่งโดยทั่วไปไนไตรเดชั่นมักจะเกิดขึ้นเนื่องจากการให้ความร้อนสูงเกินไปในบรรยากาศที่มีไนโตรเจนหรือบรรยากาศแตกตัวของแอมโมเนีย (Cracking Ammonia) ดังนั้นในอุตสาหกรรมอบชุบ (Heat-treating industry) จึงมีโลหะผสมโครเมียมและนิกเกิลสูงเท่านั้นที่สามารถใช้งานได้ภายใต้สภาพแวดล้อมแบบไนโตรดิ่ง [14]

ความต้านทานของโลหะผสมทนความร้อนต่อการดูดซับคาร์บอนและไนโตรเจน จะเพิ่มขึ้นตามปริมาณนิกเกิลเป็นหลัก ในขณะที่ซิลิคอนรวมถึงโครเมียมมีผลรองลงมา ซึ่งจากประสบการณ์พบว่าธาตุเหล่านี้สามารถทำปฏิกริยากับออกซิเจนที่มีอยู่เพียงเล็กน้อย (แม้แต่ในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์หรือไอน้ำ) เพื่อสร้างฟิล์มบางที่แข็งแกร่งบนผิวของเกรด 1.4835 ซึ่งสามารถป้องกันการรับคาร์บอนและไนโตรเจนเข้าสู่เนื้อวัสดุได้เป็นอย่างดี [31]

 

ปัญหาหลักที่เกิดขึ้นในบรรยากาศแบบคาร์บูไรซิ่งคือฝุ่นผงโลหะ (Metal dusting) หรือเรียกว่าคาร์บูไรซิงหายนะ (Catastrophic carburisation) หรือ การสลายตัวจากคาร์บอน (Carbon rot) ซึ่งมักเกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำลงมาในช่วง 430 ถึง 650 ᵒC [15] ในการกลั่น (Refining) กระบวนการทางปิโตรเคมี การอบชุบความร้อน หรือกระบวนการอื่นๆ [25] ปัจจุบันกลไกการเกิดปัญหาดังกล่าวยังไม่เป็นที่ชัดเจนนัก แต่ผลคือทำให้เนื้อโลหะหายไป ซึ่งบ่อยครั้งทำให้ดูเหมือนเนื้อโลหะถูกหนอนกัดกินไป (Worm eaten)

6.4 การกัดกร่อนจากแก๊สฮาโลเจน (Halogen gas corrosion – Chlorination)

การกัดกร่อนจากแก๊สฮาโลเจนเกิดจากการทำปฏิกริยาระหว่างโลหะกับคลอไรด์ ฟลูออไรด์ หรือไฮโดรเจนแฮไลด์ เช่น ไฮโดรเจนคลอไรด์ (HCl) และไฮโดรเจนฟลูออไรด์ (HF) เป็นต้น โดยทั่วไปฮาโลเจนหรือสาร ประกอบฮาโลเจนสามารถสร้างความเสียหายได้ในเฟสของแก๊สหรือในรูปสารประกอบของเกลือหลอมเหลว (molten salt) ซึ่งเกลือสามารถทำให้เกิดขี้โลหะ (Slag) และการแตกสลาย (Disintegration) ของชั้นฟิล์มออกไซด์ ในขณะที่ฮาโลเจนในรูปของแก๊สสามารถแทรกซึมเข้าสู่เนื้อโลหะได้โดยไม่ทำให้เกิดความเสีย หายกับชั้นฟิล์ม ดังนั้นการออกซิเดชั่นเพื่อสร้างฟิล์มจึงไม่เป็นประโยชน์ในกรณีนี้

ในบรรยากาศคลอไรด์ซึ่งไม่สามารถวัดปริมาณออกซิ เจนได้นั้น เหล็กและเหล็กกล้าคาร์บอนจะอ่อนไหวต่อการกัดกร่อนจากคลอไรด์เป็นอย่างมาก ซึ่งการเติมโครเมียมและนิกเกิลลงในเหล็กสามารถเพิ่มความต้าน ทานการกัดกร่อนของโลหะผสมได้ ดังนั้น สเตนเลสเฟอร์ริติกและออสเทนนิติก จึงสามารถต้านทานการกัดกร่อนจากคลอไรด์ที่อุณหภูมิสูงได้ดีกว่าเหล็กหล่อหรือเหล็กกล้าคาร์บอน ในขณะที่นิกเกิลและโลหะผสมเนื้อพื้นนิกเกิลมีความต้านทานการกัดกร่อนจากคลอไรด์ได้ดีกว่าสเตนเลส

สำหรับบรรยากาศแบบออกซิไดซ์ที่มีทั้งคลอไรด์ ออกซิ เจนนั้น โมลิบดินัมและทังสเตนส่งผลเสียต่อความต้าน ทานของโลหะผสมต่อการกัดกร่อนจากคลอไรด์

7 ความสามารถในการขึ้นรูปและความสามารถในการเชื่อม (Formability and Weldability)

การขึ้นรูปร้อนควรทำในช่วงอุณหภูมิที่กำหนดในตารางที่ 11 ซึ่งเหล็กกล้าทนความร้อนสามารถขึ้นรูปเย็นได้เช่นเดียวกับเหล็กกล้าออสเทนนิติกอื่น ๆ แต่ปริมาณไนโตรเจนที่สูงทำให้ความแข็งแรงเชิงกล (Mechanical strength) ของเหล็กกล้ากลุ่มดังกล่าวสูงขึ้น และแรงที่ใช้ในการขึ้นรูปย่อมต้องสูงตามมา นอกจากนี้ความแข็ง (Hardness) ที่สูงของเหล็กกล้าออสเทนนิติกและความสามารถในการเพิ่มความแข็งจากความเครียด (Strain hardening) จำเป็นต้องถูกยกมาพิจารณาด้วยเสมอระหว่างตัดแต่ง (Machining)

เหล็กกล้าชนิดนี้มีความสามารถในการเชื่อมที่ดีและสามารถใช้เชื่อมด้วยกระบวนการดังนี้ : การเชื่อมด้วยลวดเชื่อมหุ้มฟลักส์ (Shielded metal arc welding) การเชื่อมแก๊ส (Gas shielded welding) เช่น การเชื่อมทังสเตน (Gas tungsten arc welding, GTAW, TIG) การเชื่อมพลาสมา (Plasma arc welding, PAW) การเชื่อม MIG (Gas metal arc welding, GMAW) โดยใช้อาร์กอนบริสุทธิ์เป็นแก๊สปกคลุม และการเชื่อมใต้ฟลักซ์ (Submerged arc welding, SAW)

กระบวนการทางความร้อนหลังการขึ้นรูปร้อนหรือเย็นหรือการเชื่อม อาจไม่จำเป็นหากวัสดุต้องสัมผัสกับอุณหภูมิสูงระหว่างการใช้งาน อย่างไรก็ตามหากความร้อนดังกล่าวไม่เพียงพอ วิธีการที่เหมาะสมที่สุดคือการอบอ่อนเพื่อละลายเฟส (Solution annealing) สำหรับ สเตนเลสออสเทนนิติกและการอบอ่อน (Soft annealing) สำหรับสเตนเลสเฟอร์ริติก

8 การออกแบบสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง (Design for high-temperature applications)

การเสียรูปตามกาลเวลา (Time-dependent) และการแตกหักของวัสดุโครงสร้างที่อุณหภูมิสูงนับเป็นปัญหาที่ท้าทายที่สุดที่วิศวกรวัสดุต้องเผชิญ ดังนั้นในการพัฒนาปรับปรุงการออกแบบเครื่องจักรและอุปกรณ์สำหรับใช้งานที่อุณหภูมิสูงจำเป็น ต้องทราบและเข้าใจแนวคิดสำคัญรวมไปถึงข้อมูลสนับ สนุนต่าง ๆ ดังต่อไปนี้

  • ความไม่เสถียรของวัสดุ (Plastic instability) ที่อุณหภูมิสูง
  • กลไกการแปรรูป (Deformation mechanism) และความเครียด (Strain) ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการคืบ
  • ปัจจัยจากความเค้นและอุณหภูมิ
  • การแตกหักที่อุณหภูมิสูง
  • อิทธิพลของสิ่งแวดล้อม

ขั้นตอนการทำงานสำหรับการบริการจัดการอายุของชิ้น ส่วน (Life management of component) จะอนุมานว่าวัสดุจะเกิดการเสื่อมหรือเสียหายเมื่อความเครียดจากการคืบ (Creep strain) และเวลาการปฏิบัติงานเพิ่มขึ้น อย่างไรก็ตามเพื่อเหตุผลด้านการจัดการอายุของชิ้นส่วนซึ่งจะนำไปใช้ตัดสินใจเปลี่ยน (Replace)

ซ่อมแซม (Repair) หรือ การปรับปรุงให้เหมือนใหม่ (Rejuvenation)

เราจำเป็นอย่างมากที่ต้องประเมินความเสียหายที่เป็นผลจากการใช้งาน ซึ่งโดยทั่วไปมีแนวทางพื้นฐาน 2 แนวทางในการประเมินความเสียหายที่เกิดขึ้นสำหรับการบริหารจัดการอายุชิ้นส่วนดังนี้

  • อายุที่เหลืออยู่สามารถประเมินได้จากสมบัติดัง เดิมของวัสดุที่ใช้ โดยพิจารณารายละเอียดของเงื่อนไขการใช้งาน เช่น อุณหภูมิและความเค้นที่เปลี่ยนไป
  • อายุที่เหลืออยู่ประเมินโดยวิเคราะห์โครงสร้างที่เปลี่ยนไป หรือการเกิดโพรงอากาศที่ขอบเกรน (Intergranular cavitation)  หรือสมบัติเชิงกลเช่น ความแข็ง พลังงานการกระแทก (Impact energy) หรืออายุการใช้งานในการแตกหักจากความเค้น (Stress rapture life) [25]

9 การออกเพื่อต้านทานการเกิดออกซิเดชั่น (Design for oxidation resistance)

ความน่าเชื่อถือของโลหะผสมสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง ขึ้นอยู่กับความสามารถในการสร้างชั้นออก ไซด์ที่ต่อเนื่อง (Continuous) แน่นหนา (Compact) และมีการเติบโตของออกไซด์อย่างช้าๆ เพื่อช่วยป้องกันการเกิดออกซิเดชั่นและการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง นอก จากนี้ชั้นออกไซด์ดังกล่าวจำเป็นต้องมีความเสถียรทั้งทางเคมี ทางกล รวมถึงทางอุณหพลศาตร์ (Thermodynamic) เพื่อสมบัติการปกป้องที่ดี ซึ่งโลหะผสมที่เหมาะสมต่อการใช้งานในบรรยากาศแบบออกซิ ไดซ์ต้องสามารถสร้างชั้นฟิล์มออกไซด์ที่ติดแน่นของอลูมิเนียม (Al2O3) โครเมียม (Cr2O3) หรือซิลิกา (SiO2) ได้เป็นอย่างดี

วิธีพื้นฐานในการประเมินความต้านทานการเกิดออกซิเด ชั่น คือการทดสอบวัสดุในสภาพแวดล้อมที่ต้องการและติดตามการเปลี่ยนแปลงทางจลนพลศาสตร์ (Kinetic) และวิเคราะห์ผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการออกซิไดซ์และตัวเนื้อวัสดุเอง ซึ่งแม้ทั่วไปการทดสอบนิยมทำในอากาศ

แต่ก็สามารถทดสอบในแก๊สกัดกร่อนแบบผสม เช่น H2/H2S หรือ CO/CO2 หรือ O2/SO2 ได้เช่นเดียวกัน

การเก็บข้อมูลของจลนพลศาสตร์ของการออกซิเดชั่น อาจอยู่ในรูปของน้ำหนักที่เปลี่ยนแปลงไป หรือใช้การวิเคราะห์ความหนาของชั้นสเกล (Scale) ที่เปลี่ยนไปได้เช่นเดียวกัน ซึ่งน้ำหนักที่เปลี่ยนแปลงอย่างต่อเนื่องสามารถวิเคราะห์ได้จากเทคนิค “Thermo-gravimetric analysis (TGA)” และข้อมูลดังกล่าวมีประโยชน์อย่างยิ่งในการวิเคราะห์ปริมาณเนื้อโลหะที่ทำปฏิกริยาและเปลี่ยนเป็นออกไซด์รวมถึงสามารถใช้เปรียบเทียบโลหะที่ต่างกันได้อีกด้วย อย่างไรก็ตามหลักเกณฑ์สำคัญที่สุดสำหรับการต้านทานการเกิดออกซิเดชั่นของวัสดุก็คือ สมบัติเชิงกลที่เหลืออยู่ของวัสดุนั้นหลังการใช้งาน

สำหรับข้อมูลการแตกหักจากการคืบ (Creep rapture) ที่ทดสอบในบรรยากาศแบบเฉื่อย (Inert atmosphere) จะไม่สามารถใช้ได้ในการออกแบบเมื่อวัสดุถูกใช้ในบรรยากาศที่เกิดการออกซิเดชั่นอย่างรุนแรง [25]

10 การเลือกใช้โลหะผสม (Selecting the alloy)

ข้อมูลทางเทคนิคที่แสดงให้เห็นถึงสมบัติของโลหะทนความร้อนนั้น มีประโยชน์อย่างยิ่งในการเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมสำหรับลักษณะการใช้งานต่าง ๆ อย่างไรก็ตามข้อมูลการใช้งานระยะยาวในสภาพแวดล้อมและอุณหภูมิที่แตกต่างกันอาจจะไม่สามารถบันทึกหรืออธิบายได้อย่างครบถ้วนด้วยการทดสอบในห้องแลบ ประสบการณ์ที่ได้จากการใช้งานจริงจึงนับเป็นข้อมูลที่เป็นประโยชน์สูงสุด ดังนั้นผู้เลือกใช้จำเป็นต้องระบุให้ได้ว่าปัจจัยใดที่มีความสำคัญสูงสุด

10.1 อุณหภูมิ (Temperature)

อุณหภูมิมักจะเป็นข้อมูลอย่างแรก หรือบางครั้งอาจเป็นข้อมูลเพียงอย่างเดียวที่ใช้ในการเลือกใช้วัสดุ และถึงแม้การเลือกใช้วัสดุที่เหมาะสมจะพิจารณาอุณหภูมิเพียงอย่างเดียวไม่ได้ แต่โดยทั่วไปแนวทางการเลือก ใช้วัสดุอย่างง่ายก็คือการพิจารณาอุณหภูมิสูงสุดที่วัสดุต้องสัมผัสตลอดการใช้งานร่วมกับสมบัติทางวิศวกรรมในระยะยาวของวัสดุนั้น สำหรับวัสดุแบบแผ่นบาง (Thin sheet material) จะมีขีดจำกัดของอุณหภูมิการใช้งานที่ต่ำกว่าวัสดุรูปแบบอื่น เนื่องจากมีอัตราการสูญเสียจากการออกซิเดชั่นที่สูงกว่า

 10.2 บรรยากาศและแก๊สจากการเผาไหม (Atmosphere and combustion gases)

สูญญากาศ (Vacuum) – เนื่องจากการสูญเสียจากออกซิเดชั่นไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในบรรยากาศนี้ โลหะผสมต่ำ (Lean alloy) ส่วนมากจึงสามารถงานได้ที่อุณหภูมิสูงตราบใดที่สมบัติเชิงกลของวัสดุนั้นมีความเหมาะสม

อากาศ (Air) – โลหะผสมส่วนมากที่สามารถใช้งานได้ในอากาศร้อนส่วนใหญ่ จะสามารถใช้งานได้ในแก๊สประเภทออกซิไดซ์ที่เกิดจากการเผาไหม้แก๊สธรรมชาติหรือถ่านหิน โดยทั่วไปการเกิดออกซิเดชั่นและความแข็งแรงจะเป็นประเด็นสำคัญในบรรยากาศนี้ ซึ่งการเกิดออกซิเดชั่นมักจะพิจารณาในเรื่องการสูญเสียเนื้อโลหะ แต่ในบางกรณีอาจมีประเด็นเรื่องการปนเปื้อนจากสเกลที่เกิดขึ้นร่วมด้วย

การเผาไหม้ของเชื้อเพลิงฟอสซิล เชื้อเพลิงชีวภาพ และกากของเสีย (The combustion of fossil fuels, biofuels or waste)

แก๊สธรรมชาติที่ได้จากการผลิตมีส่วนผสมของสารปนเปื้อนที่มีฤทธิ์กัดกร่อนหลายชนิด ซึ่งแก๊สธรรมชาติที่มีการปนเปื้อนน้อยที่สุดคือแก๊สธรรมชาติ โดยผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ประกอบไปด้วย คาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออก ไซด์และน้ำ และอาจมีซัลเฟอร์ปนเปื้อนเล็กน้อย ดังนั้นอุณหภูมิการใช้งานสูงสุดเมื่อเปรียบเทียบกับอากาศปกติจะลดลงเล็กน้อยราว 50 ถึง 100 ᵒC ในขณะที่ถ่านหินหรือน้ำมันจะมีซัลเฟอร์ปนเปื้อนสูงกว่า นอกจากนี้ถ่านหินยังมีการปนเปื้อนคลอรีน ส่วนน้ำมันอาจพบการปน เปื้อนวานาเดียมในปริมาณสูง

ปริมาณสิ่งเจือปน อาจมีการเปลี่ยนแปลงตามเกรดและที่มาของเชื้อเพลิงนั้นและอาจนำไปสู่การลดลงของอุณหภูมิการใช้งานสูงสุดกว่า 500 ᵒC เมื่อเปรียบเทียบกับการใช้งานในอากาศ (รายละเอียดเพิ่มเติมในตารางที่ 7 และ 8) ซึ่งโดยทั่วไปโลหะผสมนิกเกิลสูงจะมีความเหมาะสมต่อการใช้งานในบรรยากาศที่มีคลอรีนหรือฟลูออรีนปริมาณสูง [26]

11 การใช้งาน (Application)                                        

การใช้งานโดยทั่วไปสามารถแบ่งออกได้เป็นสองกลุ่ม กลุ่มแรก คือชิ้นส่วนที่ต้องผ่านเตาและได้รับการเปลี่ยน แปลงความร้อนหรือสมบัติเชิงกล (Thermal and mechanical shock) กระทันหัน เช่น ถาด (Tray) ชิ้นส่วนจับยึด (Fixture) โซ่สายพาล (Conveyor chain) สายรัด (Belt) และชิ้นส่วนที่สำหรับการชุบแข็ง (Quenching fixture)

กลุ่มที่ 2 คือ ชิ้นส่วนที่ต้องอยู่ในเตาซึ่งไม่ต้องสัมผัสกับการเปลี่ยนแปลงทางความร้อนหรือสมบัติเชิงกลอย่างรวดเร็ว เช่น คานค้ำ (Support beam) ผิวของเตา (Hearth plates) ท่อสำหรับการเผาไหม้ (Combustion tubes) ท่อรัศมี ท่อเรเดี้ยน (Radiant tubes) หัวเผา (Burner) เทอร์โมเวลล์ (Thermowells) ลูกกลิ้งและไม้ค้ำราง (Roller and skid rail) ลูกกลิ้งลำเลียง (Conveyor roll) คานลำเลียง (Walking beam) หม้อฆ่าเชื้อแบบหมุน (Rotary retort) เครื่องฆ่าเชื้อแบบหลุม (Pit-type retorts) อุปกรณ์ลดเสียง (Muffler) อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (Recuperator) และพัดลม เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีการใช้งานอื่นๆเช่น หม้อต้ม (Boiler) หลอดปฏิกริยา (Reaction vessel) ระบบไอเสีย (Exhaust system) และกังหันแก๊ส (Gas turbine) ที่ต้องการความแข็งแรงและความต้านทานการเกิดออกซิเดชั่นเป็นอีกกลุ่มการใช้งานซึ่งสเตนเลสทนความร้อนมีความได้เปรียบในการใช้งานอย่างมาก

อย่างไรก็ตาม เกรดที่ออกแบบเพื่อต้านทานการเกิดการกัดกร่อนจากสารละลายก็สามารถใช้งานเป็นสเตนเลส ทนความร้อนได้เช่นเดียวกัน [3, 22, 32, 33]

12 การพิจารณาค่าใช้จ่าย (Cost considerations)                                          

ปัจจัยบางอย่างที่มีผลต่ออายุการใช้งานคือการเลือกใช้โลหะผสม (Alloy selection) การออกแบบ (Design) การบำรุงรักษา (Maintenance procedure) การควบคุมอุณหภูมิและเตา (Furnace and temperature control) บรรยากาศ การปนเปื้อนในสภาพแวดล้อมหรือแรงที่ต้องรับ (Workload) อุบัติเหตุ จำนวนกะการทำงาน วัฏจักรอุณหภูมิ และแรงกระทำเกิน (Overloading) ซึ่งชิ้นส่วนที่ผลิตจากโลหะธาตุผสมสูงอาจใช้งานได้นานหลายเดือน หรือหลายปีขึ้นอยู่กับเงื่อนไขการใช้งานนั้น ดังนั้นการเลือกใช้เหล็กกล้าทนความร้อนจะต้องพิจารณาสมบัติทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับเงื่อนไขการใช้งานนั้น เพื่อความคุ้มค่าสูงสุดทางเศรษฐศาสตร์ตลอดอายุการใช้งาน

การประเมินอายุ (Life Expectancy) ควรจะวัดจากจำนวนวัฏจักร (Cycle) มากกว่าจำนวนชั่วโมง โดย เฉพาะอย่างยิ่งหากชิ้นงานถูกทำให้เย็นตัวลง ซึ่งการเปลี่ยนชิ้นส่วนทั้งหมดหลังการใช้งานเป็นจำนวนหลาย วัฏจักรอาจะคุ้มค่ากว่า การต้องหยุดการทำงานอย่างยาวนาน (Extensive shutdown) เนื่องจากความเสียหายภายในเตา สำหรับโซ่หรือสายรัดที่ผ่านวัฏจักรการเปลี่ยนแปลงจากอุณหภูมิห้องไปที่อุณหภูมิสูงไปหลายครั้งต่อหนึ่งกะ (Several times a shift) จะมีอายุการใช้งานได้สั้นกว่าชิ้นส่วนที่ใช้งาน ณ อุณหภูมิคงที่ ในขณะที่ชิ้นส่วนที่ผ่านการคาร์บูไรซิ่งในเตาจะไม่สามารถใช้งานได้นานเท่าชิ้นส่วนที่ใช้ในการอบอ่อนแบบปกติ [16]

สำหรับมุมมองด้านการแข่งขัน การเลือกใช้วัสดุต้องพิจารณาบนพื้นฐานของความคุ้มค่าด้านราคา (Cost effectiveness) ดังนั้นตัวเลือกที่ดีที่สุดมักจะเป็นวัสดุที่มีราคาต่ำที่สุดที่ตอบสนองต่อการออกแบบนั้น อย่างไรก็ตาม วัสดุราคาแพงที่มีความน่าเชื่อถือสูง (Great Reliability) อาจถูกเลือกใช้สำหรับชิ้นส่วนเฉพาะในระบบที่มีค่าใช้จ่ายสูง หรือมีความเสียหายร้ายแรงในกรณีที่ต้องปิดซ่อมบำรุง (Maintenance shutdown) ดังนั้นความรู้เรื่องความสามารถในการใช้งานของวัสดุจึงมีประโยชน์อย่างมากในการตัดสินใจเลือกใช้วัสดุอย่างถูกต้อง [25]

โลหะผสมทนความร้อนมีให้เลือกใช้งานทั้งแบบตีขึ้นรูป (Wrought) และแบบหล่อ (Cast form) ซึ่งในบางกรณีอาจมีการใช้ทั้งสองรูปแบบร่วมกัน อย่างไรก็ตามสมบัติและราคาของวัสดุทั้งสองรูปแบบจะแตกต่างกันถึงแม้สมบัติทางเคมีจะมีความคล้ายคลึงกันมาก

13 บทสรุป (Summary)  

จะเห็นได้ว่า การเลือกใช้ชนิดของโลหะผสมให้ชาญฉลาดในการใช้งานที่อุณหภูมิสูงนั้นเป็นสิ่งที่ซับซ้อนและไม่ควรดำเนินการโดยไม่มีความรู้ ซึ่งหลักฐานต่าง ๆได้แสดงให้เห็นว่าการเลือกใช้วัสดุไม่ใช่สิ่งที่ง่าย เนื่อง จากโลหะผสมในอุดมคติที่สามารถตอบสนองต่อทุกความต้องการและการใช้งานเป็นสิ่งที่ยังไม่ถูกค้นพบในปัจจุบัน [3]

ธรรมชาติที่ซับซ้อนของการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง และการขาดวิธีการทดสอบมาตรฐานทำให้เป็นไปไม่ได้หรืออย่างน้อยก็ไม่มีความถูกต้องในการนำเสนอข้อมูลการกัดกร่อน

ความต้องการความต้านทานการกัดกร่อนขึ้นอยู่กับกระบวนการและวิธีการก่อสร้างที่นำมาใช้ ในบางโรงงานชิ้นส่วนอาจสามารถบำรุงรักษา ซ่อมแซม หรือเปลี่ยนหากกระทบต่อการทำงานปกติเพียงเล็กน้อย ในขณะที่บางการใช้งานการบำรุงรักษาและซ่อมแซมต้องมีการวางแผนอย่างระมัดระวัง และสามารถทำได้ในช่วงการซ่อมบำรุงประจำปีเท่านั้น ดังนั้นการเลือกใช้งานวัสดุจึงต้องทำอย่างระมัดระวังเป็นพิเศษในกรณีเหล่านี้

การเลือกใช้วัสดุสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง ต้องการความรู้อย่างลึกซึ้งในเงื่อนไขการใช้งาน เช่น อุณหภูมิและส่วนผสมของแก๊ส รวมถึงอุณหภูมิของวัสดุ       นอกจากนี้ความรู้เกี่ยวกับวัสดุที่ถูกใช้ก่อนหน้า และ สมรรถภาพในการใช้งานรวมถึงสาเหตุในความเสียหายของวัสดุนั้นนับเป็นข้อมูลที่เป็นประโยชน์อย่างมากในการเลือกใช้เกรดที่เหมาะสม [26]

El vs temperature

creep vs temperature

อ่านบทความฉบับสมบูรณ์จากลิงค์ด้านล่างนี้

siamstainless-downloads-smartrue

บทความแปลโดย Sant De’ Cielo (ทรงธรรม)  เพื่อการศึกษาเท่านั้น

สเตนเลสเพื่อคนไทย  www.siamstainless.com

ภาชนะอาหารในเชิงพาณิชย์ คำตอบคือเฟอร์ริติก (COMMERCIAL FOOD EQUIPMENT)

stainless for food equipment

 

เฟอร์ริติกหนทางสู่ความอยู่รอด !

ในโลกของภาชนะอาหารในเชิงพาณิชย์ สเตนเลสเกรดเฟอร์ริติกได้ถือกำเนิดขึ้นมาเพื่อเป็นทางเลือกอย่างสมบูรณ์แบบ สำหรับทดแทนเกรดที่มีส่วนผสมของนิกเกิล

ไม่ต้องมีข้อสงสัยเลยว่าสเตนเลสคือโลหะที่ดีที่สุดสำหรับภาชนะอาหารในเชิงพาณิชย์ *

สเตนเลสถูกนำมาใช้ในงานพื้นผิว กระทะ ตู้เย็น อ่างล้างจาน ชุดโชว์ ภาชนะต้มเนื้อ ภาชนะทอดมันฝรั่ง ตู้ เครื่องล้างจาน กระทะก้นลึก ที่ระบายควันและเครื่องใช้อื่นๆอีกมากมาย จะเห็นได้ว่า สเตนเลสมีอยู่ทุกหนทุกแห่งในครัวทั่วโลก

ไม่มีวัสดุใดที่จะเทียบเท่าสเตนเลส ที่จะให้คุณสมบัติโดนใจแก่ผู้ใช้งานในภาคส่วนของภาชนะอาหารเชิงพาณิชย์ ด้วยคุณสมบัตินี้รวมถึงจุดเด่นในเรื่องของความต้านทานการกัดกร่อน ทนต่ออุณหภูมิ สะอาด คงทน ทนทานต่อการกระแทก และมีภาพลักษณ์ที่ดึงดูดใจ นอกจากนี้สเตนเลสยังเป็นวัสดุที่ปลอดภัยต่อสุขภาพ และไม่ทำให้รสชาติอาหารเปลี่ยนแปลง ในส่วนของผู้ผลิตเองก็ได้ค้น พบว่าสเตนเลส  คือวัสดุที่มีความเหมาะสมต่อความต้องการใช้งานทั้งในด้านการขึ้นรูป   การเชื่อมและการขัดเงารวมถึงเป็นวัสดุที่มีความเรียบ

ความกังวลต่อเกรดออสเทนิติก

เมื่อเร็วๆ นี้ผู้ออกแบบ ผู้ผลิต และผู้ใช้งานภาชนะอาหารในเชิงพาณิชย์เกือบจะเจาะจงใช้เฉพาะสเตนเลส เกรดที่มีส่วนผสมของนิกเกิล ในกลุ่มอนุกรม 300 (โดยเฉพาะชนิด 304)

ทางเลือกนี้มีสาเหตุมาจากการเผยแพร่ (แต่ไม่ถูกต้อง) โดยมีความเชื่อเพียงว่าเกรดออสเทนเนติกเท่านั้นที่มีความต้านทานการกัดกร่อนเพียงพอต่อความชื้นหรือสภาพแวดล้อมที่เลวร้าย

อย่างไรก็ตามเวลาย่อมมีการเปลี่ยนแปลง ความไม่แน่นอนของราคานิกเกิลที่เพิ่มสูงขึ้นได้กลายมาเป็นปัญหาใหญ่ โดยได้สะท้อนให้เห็นอย่างชัดเจนต่อราคาของสเตนเลสเกรดออสเทนนิติก

ปรากฎการณ์นี้ได้ส่งผลกระทบต่อ ลูกค้า และผู้ที่เกี่ยวข้อง เช่นเกิดความยุ่งยากในการที่จะควบคุมราคาสินค้า ในแคตตาล็อกประ จำปี เป็นต้น

เช่นเดียวกันกับสถาปนิกที่อาจต้องลดทอนการประมาณ สำหรับโครงการสำคัญๆ เนื่องจากไม่สามารถรู้ได้เลยว่าจะมีค่าใช้จ่ายเท่า ไรตลอดช่วงของสัญญา

  “…สเตนเลสมีทุกแห่งหนในครัวทั่วโลก !”

อาจสะท้อนเพียงด้านดีของสเตนเลส แต่ราคาของมันดูเหมือนจะค่อนข้างแพงเกินไป ผู้ประกอบงาน นักออกแบบ สถาปนิกเครื่องครัวอาจรู้สึกเหมือนถูกบังคับให้เลือกวัสดุที่ดีที่สุดเป็นลำดับที่สองรองจากต้นทุน

เฟอร์ริติกคือคำตอบ

ข่าวดีคือว่า ไม่มีความจำเป็นใดๆที่ต้องไปรับเอาปัญหารอบตัวด้วยการเปลี่ยนไปใช้วัสดุที่จะไม่มีสเตนเลสอยู่ในสาระบบของงานที่ให้ความประณีตและมีคุณภาพ

“สเตนเลสเกรดเฟอร์ริติก” ซึ่งไม่มีนิกเกิลเป็นส่วนผสม  เหมาะสำหรับภาชนะอาหารในเชิงพาณิชย์และทุกชิ้นงานเล็กๆ ได้เท่ากับการใช้งานสเตนเลสที่มีนิกเกิลเป็นส่วนประกอบ ที่เราทราบกันดีคืออนุกรม 400 ซึ่งสเตนเลสเฟอร์ริติกเกรดนี้จะไม่ถูกกระทบโดยตลาดนิกเกิล โดยจะมีความเสถียรทั้งในด้านราคาและด้วยความที่เป็นสเตนเลสที่ไม่มีความผันผวนตามตลาดนิกเกิล ทำให้สามารถเริ่มต้นด้วยค่าใช้จ่ายที่น้อยกว่า และไม่ต้องมีความกังวล เนื่องจาก สเตนเลสเฟอร์ริติกสามารถทนทานต่อการกัดกร่อนได้สูง นอกจาก นี้ความได้เปรียบเชิงเทคนิคบางอย่างของเฟอร์ริติก ก็เป็นสิ่งที่เพิ่มความน่าสนใจในตัวมันเอง สิ่งหนึ่งที่เฟอร์ริติกแตกต่างจากเกรด   อนุกรม 300 คือความเป็นแม่เหล็ก ซึ่งเป็นประโยชน์มากสำหรับการประยุกต์ใช้กับภาชนะอาหารในเชิงพาณิชย์

คนส่วนใหญ่เข้าใจผิดว่าความเป็นแม่เหล็กของมันบ่งบอกว่าเฟอร์ริติก ไม่ใช่สเตนเลสจริงซึ่งเป็นเรื่องที่ไม่มีเหตุผล เฟอร์ริติกคือสเตนเลสที่แท้จริง ความเป็นแม่เหล็กไม่ได้มีผลใดๆ เลยกับความต้าน ทานการกัดกร่อนของสเตนเลสเกรดเฟอร์ริติก

ความมหัศจรรย์ของโครเมียม

สเตนเลส คือ “ความไร้สนิม”  ทั้งนี้เพราะว่าโครเมียมที่ผสมอยู่ทำให้สเตนเลสมีความโดดเด่นต่อความต้านทานการกัดกร่อน ซึ่งคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนนี้ ไม่ได้เกิดจากนิกเกิลตามที่บางคนเข้าใจผิดกัน

เกรดเฟอร์ริติก จะประกอบด้วยเหล็ก คาร์บอน และโครเมียม(บางครั้งจะประกอบด้วยธาตุอื่นๆ เช่น โมลิบดินัม (Mo) ไททาเนียม (Ti) หรือไนโอเบียม (Nb) ซึ่งก็คือความเป็นจริงที่ทำให้สเตนเลสมีความต้านทานการกัดกร่อน

การปฏิวัติเกรดเฟอร์ริติก

เป็นที่ทราบกันดีว่าเกรดเฟอร์ริติกได้นำไปใช้ประโยชน์ 2 ประ การหลักๆ มานานหลายปีแล้ว กล่าวคือ เกรด 409 ใช้สำหรับระบบท่อไอเสีย และ เกรด 430 ใช้สำหรับถังเครื่องซักผ้า เป็นต้น

มันเป็นเรื่องยากที่จะหาหลักฐานพยานที่มีประสิทธิภาพ เพื่อยืน ยันในการใช้งานเกรดเฟอร์ริติก กระนั้นเกรดเฟอร์ริติกยังคงมีการนำไปใช้งานอยู่เรื่อยๆในภาคส่วนต่างๆ

อย่างไรก็ตามในปัจจุบัน เฟอร์ริติกได้เข้าไปสู่ภาคส่วนต่างๆ อย่างเห็นได้ชัด อันเนื่องมาจากความผันผวนของราคานิกเกิล ตามที่เราได้ทราบกันดี

“เฟอร์ริติกได้เข้าไปสู่ภาคส่วนต่างๆ อย่างเห็นได้ชัด”

stainless for food equipment 3เกรดดีๆ เหล่านี้มีศักยภาพเป็นอย่างมากสำหรับการนำไปใช้งานที่หลาก หลาย มีหลายๆ กรณี ที่สเตนเลสเกรดซึ่งมีส่วนผสมของนิกเกิลกำลังทำให้ผู้ใช้งานหันกลับไปสู่ค่าใช้จ่ายที่ไม่จำเป็น

กว่าปีมาแล้วที่เกรดเฟอร์ริติกใหม่ได้ถูกพัฒนา ให้มีความยอดเยี่ยม ตัวอย่างเช่น เกรด 439 เกรด 441 เกรด 436 เกรด 444 และเกรด 445 เป็นต้น ทั้งนี้เพื่อให้ตรงกับความต้องการใช้งานมากที่สุด ความต้านทานการกัดกร่อนที่น่าทึ่ง เกรดเฟอร์ริติกสามารถนำไปใช้กับงานที่มีรูปร่างซับซ้อนมากขึ้น การเชื่อมต่อมักใช้วิธีแบบดั้งเดิม

ไม่ต้องสงสัยเลยว่าในบรรดาตระกูลสเตนเลส เกรดเฟอร์ริติกสามารถที่จะยืนเทียบเคียงกับเกรด 304 ได้เป็นส่วนใหญ่ นอกจากนี้เกรดเฟอร์ริติกยังสามารถใช้ทดแทนสเตนเลสในกลุ่ม 200 ด้วยราคาที่ไม่ผันผวน

เฟอร์ริติกสามารถนำไปใช้ทดแทนวัสดุอื่นๆ (เช่น เหล็กกล้าคาร์บอน ทองแดง สังกะสี อลูมิเนียม พลาสติกเป็นต้น) ในหลายๆ พื้นที่ได้ด้วยเช่นกัน ซึ่งต้องขอขอบคุณในคุณสมบัติทางเทคนิคที่พิเศษนี้ของเกรดเฟอร์ริติก และ รวมถึงความได้เปรียบของค่าใช้จ่ายตลอดอายุการใช้งานของมัน

เกรดเฟอร์ริติกและอาหาร

ภาชนะอาหารในเชิงพาณิชย์ที่ผลิตจากเกรดเฟอร์ริติกจะมีความเงาอย่างเห็นได้ชัด การปฏิวัติเฟอร์ริติกในส่วนนี้จึงสามารถทำได้เป็นอย่างดี

ที่ไหนก็ตามที่มีความต้องการใช้สเตนเลส เช่น ใช้สำหรับงาน  เสริฟอาหาร เกรดเฟอร์ริติกทำหน้าที่นี้ได้ โดยเกรดเหล่านี้เหมาะสำหรับการใช้งานในทุกภาคส่วนของอาหารในเชิงพาณิชย์ในทุกๆเมือง ทุกวัฒนธรรม  ทุกประเพณีของการทำอาหาร ทุกรูปแบบของการทำอาหาร และภาชนะทุกชนิดสำหรับทำอาหาร

แต่จริงๆ แล้วเราสามารถนำเกรดเฟอร์ริติกไปใช้งานเฉพาะด้านได้เป็นอย่างดี ด้วยคุณสมบัติความเป็นแม่เหล็ก การขยายตัวทางความร้อนต่ำ นำความร้อนสูง มีความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชั่นที่อุณหภูมิสูง

ค่านิยมที่จำกัดความเชื่อที่ว่าเกรดเฟอร์ริติกไม่สามารถที่จะใช้งานตามที่ต้องการได้  หรือไม่ก็สามารถใช้ได้เป็นบางครั้ง  หรือไม่เป็นที่ต้องการ  ซึ่งค่านิยมดังกล่าวควรที่จะล้มเลิก  เพราะว่าในภาคส่วนที่เกี่ยวข้องกับอาหารนี้  ไม่ว่าจะเป็นงานใดๆ  เกรดเฟอร์ริติกสามารถที่จะตอบสนองได้

เฟอร์ริติก- ความยอดเยี่ยมของเหล็กกล้า

เฟอร์ริติกส่วนใหญ่จะต้านทานการกัดกร่อนแบบรูเข็มด้วยส่วนผสมของโครเมียม เฟอร์ริติกเกรดใหม่นำพาสู่การเพิ่มประสิทธิภาพ

โครงสร้างพื้นฐานของสเตนเลสประกอบด้วย เหล็ก คาร์บอน และมีโครเมียมอย่างน้อยร้อยละ 10.5 โดยโครเมียมเป็นธาตุที่ผสมเข้าไปเพื่อให้สเตนเลสมีความต้านทานต่อการกัดกร่อน โครเมียมยิ่งมากยิ่งมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีมากขึ้น

เมื่อเหล็กและคาร์บอน โครเมียมผสมกันจะเกิดรูปแบบของโครเมียมออกไซด์เป็นชั้นขึ้นมาปกป้องผิวสเตนเลส โดยที่เราไม่สามารถที่จะมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า อากาศและน้ำไม่สามารถผ่านเข้าไปได้ชั้นฟิล์มโครเมียมออกไซด์ที่เรียกว่า ฟิล์มต้าน (Passive Film) ซึ่งฟิล์มนี้จะช่วยต้านทานการกัดกร่อน และเพิ่มความต้านทานการเกิดคราบดำรวมถึงความต้านทานการสึกกร่อน และเมื่อฟิล์มนี้เสียหายมันจะสร้างชั้นฟิล์มขึ้นมาใหม่เอง

ความคงอยู่อย่างถาวรของเฟอร์ริติก

ประเภทต่างๆ ของสเตนเลสขึ้นอยู่กับคุณสมบัติที่เพิ่มขึ้นโดยการเติมธาตุผสมเข้าไปจากกระบวนการผสมขั้นพื้นฐาน

เกรดออสเทนเนติก (อนุกรม 300) คือตัวอย่างของสเตนเลสเกรดที่มีนิกเกิลผสมอยู่ ขณะที่มาตรฐานของเกรดออสเทนนิติกอนุกรม 200 จะมีทั้งนิกเกิลและแมงกานีสผสมอยู่ นิกเกิลจะเป็นตัวปรับโครงสร้างอะตอมทำให้เหล็กกล้าไม่มีความเป็นแม่เหล็ก และเพิ่มความเหนียว การฟอร์มขึ้นรูป  ความแกร่ง และความต้านทานการกัดกร่อนทั่วไป (เป็นเกณฑ์ที่เกี่ยวข้องกับอุตสาหกรรมเคมี ไม่เกี่ยว กับภาชนะอาหารในเชิงพาณิชย์) ซึ่งปัญหาของเกรดนี้เป็นเรื่องของราคา

เฟอร์ริติกหลายชนิดเป็นสเตนเลสเกรดดั้งเดิม ที่ไม่มีทั้งส่วนผสมของนิกเกิลและแมงกานิส แต่จะมีเพียงส่วนผสมของโครเมียมซึ่งเป็นส่วนผสมที่ช่วยต้านทานการกัดกร่อนสำหรับสเตนเลสทั้งหมด เกรดเฟอร์ริติกหลายชนิดตรงตามข้อกำหนดของภาชนะอาหารเชิงพาณิชย์อย่างสมบูรณ์

เกรดใหม่  การใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น

เกรดเฟอร์ริติกที่สูงขึ้นจะมีส่วนผสมของโครเมียมที่มากขึ้น นอก จากนี้ยังมีธาตุผสมเพิ่มเข้ามา เช่น ไทเทเนียม (Ti)  ไนโอเบียม (Nb) และโมลิบดินัม (Mo)

ISSF จำแนกเกรดเฟอร์ริติกออกเป็น 5 กลุ่ม โดยแบ่งเป็นเกรดมาตรฐาน 3 กลุ่มและเกรดพิเศษ 2 กลุ่ม

กลุ่ม 2 (ชนิด 430) เป็นเกรดปกติที่ใช้ในภาชนะอาหารเชิงพาณิชย์ และเหมาะสำหรับการใช้งานบางอย่าง อย่างไรก็ตามด้วยเศรษกิจใหม่และความต้องการของตลาดทางด้านเทคนิค ทำให้ผู้ ผลิตต้องเสนอเกรดที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นคือ กลุ่ม 3, 4 และ 5 ส่วนเกรดในกลุ่ม 1 จะไม่นำมาใช้กับภาชนะอาหาร เนื่องจากมีส่วนผสมของโครเมียมที่ต่ำ

เป็นเพราะว่าการขาดแคลนข้อมูลดีๆที่มีอยู่ตามท้องตลาด ความมีอคติเกี่ยวกับเกรดเฟอร์ริติกจึงมีอิทธิพลต่อตลาด ทั้งที่ในความเป็นจริงแล้วไม่มีความจำเป็นใดๆ เลยที่จะลังเลเกี่ยวกับการใช้เกรดเฟอร์ริติกกับภาชนะที่สัมผัสอาหาร ในสภาวะที่เปียกชื้นหรือในที่อุณภูมิสูง

มันมีความสำคัญสำหรับนักออกแบบ  ผู้ผลิต สถาปนิก และอื่นๆ ในห่วงโซ่อุปทานของวัสดุที่พวกเขาใช้ ซึ่งควรมีความเสถียรทาง ด้านราคา

ความเสถียรทางด้านราคาของวัสดุมีความสำคัญเทียบเท่ากับ    รา คาของตัวผลิตภัณฑ์เอง วัสดุอาจมีราคาแพง แต่ทันทีที่ได้ตัดสิน ใจเลือกใช้วัสดุนั้นแล้ว การคิดต้นทุนของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจึงเป็นเรื่องง่ายถ้าราคาของวัสดุนั้นมีความเสถียร

ความเสถียรของราคา กลายมาเป็นสิ่งที่สำคัญมากสำหรับระยะ เวลาที่ยืดยาว ระหว่างการกำหนดราคากับการขายหรือระหว่างการประเมินราคากับการครบกำหนดของสัญญา

ใช้น้อยก็สวยงาม

กราฟราคาของวัตถุดิบเผยให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของราคานิกเกิลในช่วงเวลามากกว่า 5 ปี ซึ่งสะท้อนให้เห็นได้อย่างชัดเจนของราคา สเตนเลสที่มีส่วนผสมของนิกเกิล โมลิบดินัมซึ่งผสมอยู่ในเฟอร์ริติกบางเกรดก็มีราคาเพิ่มอย่างชัดเจนเช่นเดียวกัน แต่ถือว่ายังโชคดีสำหรับผู้ใช้เกรดเฟอร์ริติกเพราะโมลิบดินัมถูกนำมาใช้พอประมาณในเกรดเฟอร์ริติกกลุ่ม 4 และ 5 เท่านั้น ซึ่งเกรดเหล่านี้ปกติแล้วไม่ได้มีการใช้บ่อยนักในภาชนะอาหารเชิงพาณิชย์

ความลับที่ยังไม่ได้เปิดเผย

การเปรียบเทียบการเพิ่มขึ้นของราคาระหว่างเกรด 430 กับเหล็ก กล้าคาร์บอน อลูมิเนียม และสเตนเลส 2 เกรดที่มีส่วนผสมของนิกเกิล จะเห็นได้ว่าเกรด 430 ราคาเพิ่มขึ้นต่ำกว่าวัสดุชนิดอื่น

เมื่อมองดูกราฟราคาของวัสดุ แสดงให้เห็นถึงราคาของนิกเกิลที่มีความผันผวนเกินไปในช่วงระยะเวลา 2 ปี นิกเกิลไม่ใช่ส่วนผสมหลักในสเตนเลส แต่เป็นโครเมียมซึ่งมีความเสถียรทางด้านราคาอยู่เสมอ

ชัดเจนแล้วว่าการใช้เกรดเฟอร์ริติกซึ่งมีโครเมียมเป็นส่วนผสมหลักที่ช่วยต้านทานการกัดกร่อน ทำให้ได้ต้นทุนที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยม เฟอร์ริติก คือวิธีแก้ปัญหาทางเทคนิคและทางเศรษฐกิจได้อย่างแท้จริงสำหรับผู้ที่ใช้สเตนเลส

การจัดลำดับ – ของอัตราต้านทานการกัดกร่อน

ความต้านทานการกัดกร่อนของเฟอร์ริติกหลายๆ เกรดเหมาะกับการใช้งานสำหรับภาชนะอาหารเชิงพาณิชย์

การกัดกร่อนมีผลกระทบต่อโลหะและโลหะผสมทั้งหมด แต่อย่าง ไรก็ตามโดยธรรมชาติของสเตนเลสแล้วจะสร้างชั้นโครเมียมออก ไซด์ขึ้นมาป้องกันการกัดกร่อนจากสภาพแวดล้อม

โครเมียมอย่างน้อยที่สุดร้อยละ 10.5 มีความจำเป็นที่ทำให้เกิดปรากฏการณ์ชั้นฟิล์มป้องกัน (Passivation) ในลักษณะคงที่โดยชั้นฟิล์มนี้สามารถซ่อมแซมตัวเองหากเกิดความเสียหาย

แน่นอนว่าความเสถียรของชั้นฟิล์มป้องกันนี้ ขึ้นอยู่กับสภาพ แวดล้อมที่ก่อให้เกิดการกัดกร่อนนั้นๆ ดังนั้นการเลือกใช้สเตนเลส จึงต้องขึ้นอยู่กับลักษณะของงาน เกรดที่สูงขึ้นมีโครเมียมที่มากกว่าจะสามารถป้องกันการกัดกร่อนได้ดีกว่า

“โครเมียมยิ่งมาก  การป้องกันยิ่งดี”

 

ความต้านทาน การกัดกร่อนแบบรูเข็ม

ด้วยประเภทต่างๆ ของการกัดกร่อน จึงเป็นเรื่องปกติที่ภาชนะอาหารเชิงพาณิชย์จะเสี่ยงต่อ การกัดกร่อนแบบรูเข็ม

ในภาคส่วนของอาหารเชิงพาณิชย์นั้นจะเห็นว่า ได้มีการนำเกลือ(Sodium Chloride) มาใช้ในการปรุงอาหารทั่วโลก รวมทั้งมีการนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์ปลอดเชื้อ ที่มีส่วนผสมของคลอไรด์สำหรับการทำความสะอาด ซึ่งทั้งเกลือและผลิตภัณฑ์ทำความสะอาดดัง กล่าว สามารถที่จะทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็มได้ถ้าใช้งานไม่ถูกวิธี

ออสเทนนิติกและเฟอร์ริติกเป็นสเตนเลส 2 ตระกูลที่สามารถแลกเปลี่ยนเปรียบเทียบในเรื่องของความต้านทานการกัดกร่อนแบบรูเข็ม

การเปรียบเทียบความต้านทานการกัดกร่อน ของเกรดเฟอร์ริติก 4 กลุ่ม โดยเกรดออสเทนนิติก 304 ซึ่งบทบาทสำคัญอยู่ที่โครเมียมและโมลิบดินัม จะเห็นได้ว่าเกรดเฟอร์ริติกส่วนใหญ่สามารถที่จะจับคู่ได้กับเกรดออสเทนนิติกที่มีส่วนผสมของนิกเกิล

เพื่อความมีสุขอนามัย ภาชนะอาหารเชิงพาณิชย์จำเป็นต้องถูกออกแบบให้ปราศจากโพรง รอยแยก รอยแตก และรอยตะเข็บเปิด เพื่อให้เชื้อแบคทีเรียสามารถถูกขจัดได้ พื้นที่ต้องสามารถทำสะอาดได้ สามารถขจัดเชื้อโรคในผลิตภัณฑ์ หรือล้างด้วยน้ำได้  ปัจจัยที่ต้องคำนึงถึงนี้จะรวมไปถึงการกัดกร่อนชนิดอื่นๆ ด้วยเช่น การกัดกร่อนตามมุมอับซึ่งไม่ควรจะเกิดขึ้นกับภาชนะอาหารดังกล่าว

 

ความต้านทานการกัดกร่อนจากสภาพบรรยากาศ

ปกติแล้วภาชนะอาหารเชิงพาณิชย์ภายนอกอาคารจะเสี่ยงต่อการกัดกร่อนจากสภาพบรรยากาศ ซึ่งสภาพแวดล้อมภายนอกจะเลวร้ายต่อการกัดกร่อนมาก สภาพแวดล้อมที่เลวร้ายส่วนใหญ่แน่นอนว่าจะอยู่บริเวณชายฝั่งทะเล ในทะเล การนำเกรดเฟอร์ริติกมาใช้งานกับภัตตาคารสภาพอากาศโล่งบริเวณชายหาดนั้นควรเลือกใช้ให้สัม พันธ์กันกับค่า PREN ด้วย

รักษาความเรียบ

ประสิทธิภาพของสเตนเลส ในส่วนของความสามารถในการทำความสะอาด และความต้านทานการกัดกร่อนจะสัมพันธ์กับความเรียบของผิว ผิวที่เรียบจะสะสมสารปนเปื้อนน้อยกว่าผิวที่หยาบ

กฎสำหรับห้องครัว

ขณะที่การกัดกร่อนสามารถที่เกิดขึ้นได้จากสาเหตุต่างๆ การทำความสะอาดที่ไม่ถูกต้องหรือไม่เพียงพอจึงเป็นเรื่องที่ถูกตำหนิบ่อย ครั้ง สเตนเลสทุกเกรดจะต้องได้รับการทำความสะอาดอย่างถูกต้องเพื่อหลีกเลี่ยงการกัดกร่อน

การป้องกันการกัดกร่อนในขั้นสุดท้ายจะต้องควบคุมอย่างระมัด ระวัง เป็นไปตามโปรแกรมการทำความสะอาดที่วางไว้ เพื่อขจัดคราบไขมัน เกล็ดปลา หรือสิ่งตกค้างอื่นๆ

การทำความสะอาดตามปกติเพื่อขจัดสิ่งสกปรกต่างๆจำเป็นต้องใช้ผลิตภัณฑ์ทำความสะอาดที่มีความเข้มข้น ซึ่งจะเป็นตัวช่วยลดความเสี่ยงที่จะเกิดการกัดกร่อนไปในตัว

แนวทางและความเสี่ยงทั้งหมดนี้สามารถประยุกต์ใช้ได้กับเกรดเฟอร์ริติกและเกรดที่มีส่วนผสมของนิกเกิล หากคำแนะนำนี้ได้รับการปฏิบัติตาม เกรดเฟอร์ริติก (หรือเกรดอื่นๆ ที่เหมาะสมต่อการใช้งาน) จะปราศจากการกัดกร่อนอย่างสมบูรณ์แบบไปอีกหลายปีไม่ว่าจะเป็น ภาชนะอาหารเชิงพาณิชย์ใดๆโดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการดูแลรักษา

“….เกรดเฟอร์ริติกจะปราศจากการกัดกร่อน

อย่างสมบูรณ์แบบไปอีกหลายปี

โดยไม่ต้องเสียค่าใช้จ่ายในการดูแลรักษา….

คุณภาพพิเศษบางอย่าง

เฟอร์ริติก มีคุณสมบัติพิเศษที่เหมาะจะนำมาใช้ทำภาชนะอาหารในเชิงพาณิชย์ ผู้ประกอบการและผู้ใช้งาน ในภาคส่วนของการบริการด้านอาหารกำลังพบว่าเฟอร์ริติกหลายๆ เกรดไม่ใช่มีความได้เปรียบในเรื่องของความมีเสถียรภาพทางด้านราคาเท่านั้น แต่ยังคุณลักษณะพิเศษบางอย่างทางด้านเทคนิค

สง่างามกับความเป็นแม่เหล็ก

เฟอร์ริติกแตกต่างจากสเตนเลสเกรดอื่นๆหลายเกรด ตรงที่ความเป็นแม่เหล็ก ซึ่งความเป็นแม่เหล็กนี้คือหนึ่งในเหตุผลที่มีอิทธิพลมากที่สุดของเกรดเฟอร์ริติก ในการใช้งานกับภาขนะอาหารเชิงพาณิชย์

อนึ่ง การหุงต้มด้วยการเหนี่ยวนำไฟฟ้า จะใช้กับเครื่องครัวและความเป็นแม่เหล็กเป็นสำคัญ โดยเหตุที่กระบวนการให้ความร้อนจะขึ้นกับตัวเครื่องครัวและการรับพลังงานจากแม่เหล็ก

 

“….ความเป็นแม่เหล็กนี้คือหนึ่งในเหตุผลที่มีอิทธิพลมากที่สุดของเกรดเฟอร์ริติก”

 

อาจต้องจินตนาการสักนิด จะเห็นถึงสมบัติความเป็นแม่เหล็ก ทำให้เกิดความสะดวกในบรรยากาศของงานบริการด้านอาหาร หลายๆ โอกาสสำหรับการรวมนวัตกรรม

การยึดติดแบบชั่วคราวหรือถาวร

• ฉลากชั่วคราว ดังเช่น ตัวอย่างสัญลักษณ์ของเกวียนหรือรถเข็นที่แสดงให้เห็นถึงวัตถุประสงค์หรือจุดหมายปลายทางชั่วคราว

ความเป็นส่วนตัว ใส่ชื่อลงบนถาด (ตัวอย่างเช่น ถาดอาหารพิเศษของผู้ป่วย)

ที่เก็บฝา ฝาเครื่องครัวพร้อมด้ามจับที่แยกแม่เหล็กได้เพื่อให้ง่ายต่อการจัดเก็บ

ที่จัดเก็บ มีด ช้อนส้อมและเครื่องมือต่างๆ ดังเช่นตัวอย่างของตู้โอโซนสำหรับการทำให้มีดปลอดเชื้อ (ยึดด้วยแถบแม่เหล็ก) ภาย ใต้หลอดโอโซน

ป้าย “พื้นที่อันตราย” “ร้อน” “เย็น” “ขอบคม” “ไม่ได้ล้าง” “ล้างแล้ว” เป็นต้น

ประตูที่ปิด ด้วยแม่เหล็ก

เทคนิคนี้ (ได้นำไปใช้แล้วในตู้เย็น) จะกำจัดกลไกในการปิดประตูทำให้มีความมั่นใจในการปิด

ประตูเลื่อน

การแขวนลอยด้วยแม่เหล็ก จะช่วยให้การเลื่อนประตูเป็นไปได้โดยไม่ติดขัด ไม่เกิดแรงเสียดทานและการสึกหรอ

การทำความเย็นด้วยแม่เหล็ก

เช่นเดียวกับเครื่องหุงต้มที่ใช้การเหนี่ยมนำกระแสไฟ ผลของความร้อนแม่เหล็ก (magneto–calorific) จะทำให้เกิดการทำความเย็นด้วยแม่เหล็ก โดยที่ไม่จำเป็นต้องใช้ของเหลวในการทำความเย็นซึ่งอาจก่อให้เกิดมลพิษ

การขยายตัวทางความร้อนต่ำ

เมื่อสัมผัสกับความร้อน เกรดเฟอร์ริติกจะมีการขยายตัวน้อยกว่าเกรดออสเทนนิติกมาก ซึ่งคุณสมบัตินี้เป็นข้อได้เปรียบ ทองแดงและอลูมิเนียมด้วยเหมือนกัน โดยการขยายตัวทางความร้อนต่ำนี้คือข้อได้เปรียบที่สำคัญ ตัวอย่างเช่น หม้อปรุงอาหาร หรือ ผนังสองชั้นของประตูเตาอบ ซึ่งจำเป็นต้องมีความเรียบสม่ำเสมอ

ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชั่นที่อุณหภูมิสูง

ด้วยการที่มีสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำ เฟอร์ริติกจึงมีโอกาสน้อยกว่าออสเทนนิติกในการเกิดออกซิเดชั่นที่อุณหภูมิสูง  เพราะจะไม่เกิดการร่อนออกหรือแตกออก  จึงไม่มีการเกิดออกซิเดชั่นใหม่ ด้วยเหตุนี้ เฟอร์ริติกจึงเหมาะนำไปใช้ทำเตาเผา

การนำความร้อนสูง

เกรดเฟอร์ริติกมีสัมประสิทธิ์การนำความร้อน  มากกว่าเกรดออส เทนนิติกซึ่งหมายความว่า  ถ้าเราทำอาหารโดยใช้ภาชนะที่ทำจากเกรดเฟอร์ริติกแล้วความร้อนจะแผ่กระจายและสม่ำเสมอ  มากกว่าเกรดออสเทนนิติกทำให้สามารถทำอาหารได้เร็วกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่า

ไม่เกิดการแตกหักเนื่องจากความเค้น เมื่อถูกกัดกร่อน

การแตกนื่องจากความเค้นเมื่อถูกกัดกร่อน เกิดขึ้นเมื่อมีแรงมา  กระทำ ภายใต้สภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนเป็นเวลานาน และนำ ไปสู่การเริ่มต้นของการแตก ไม่เหมือนกับเกรดออสเทนนิติก ซึ่งเฟอร์ริติกจะไม่เกิดปัญหาแบบนี้

คำแนะนำของเรา

stainless for food equipment 4ผู้ใช้ควรปรึกษาคำถามทางเทคนิคเกี่ยวกับการใช้งานเกรดเฟอร์ริติกกับผู้จำหน่าย ผู้ผลิตสเตนเลส หรือสมาคมการตลาดสเตนเลสที่มีชื่อเสียง  ในหลายๆ วันมานี้มีข้อมูลที่ยอดเยี่ยมที่จะช่วยให้ผู้ใช้งานสามารถเลือกเกรดที่เหมาะสมที่สุดกับการใช้งาน…..

 

 

 

 

 

 

 

อ่านบทความฉบับสมบูรณ์ในรูป PDF

 

siamstainless-downloads-smartrue

 

บทความโดย  ผาล้อม : สเตนเลสเพื่อคนไทย   www.siamstainless.com