cover

บทนำ

การซ่อมบำรุงตามระยะเวลา ไม่ว่าจะเป็นส่วนประกอบทางด้านไฟฟ้าหรือเครื่องจักรกล ล้วนต้องใช้เวลานานพอควร ทุกวันนี้ต้นทุนทางด้านแรงงานได้สูงขึ้นตามลำดับ ดังนั้นการพิจารณาการออกแบบ (Design) เพื่อลดจำนวนครั้งของการซ่อมบำรุงหรือกระทั่งไม่ต้องซ่อมบำรุงเลย จึงเป็นสิ่งที่ต้องคำนึงถึงในขั้นตอนของการออกแบบ

ในการถอดหรือประกอบ สมบัติความทนต่อการกัดกร่อนของตัวยึด (Fastener) เป็นสิ่งที่สำคัญมาก ทั้งนี้เพื่อป้องกันความเสียหายจากการกัดกร่อน หรือป้องกันการคลายตัวของตัวยึดเอง ดังนั้นต้นทุนการนำสลักเกลียว (Bolts) ออกหรือเปลี่ยนใหม่จึงมีสูงกว่า หากใช้ตัวยึดที่ทนการกัดกร่อนแต่เริ่มแรก

ผลกระทบอื่นอันเนื่องจากการเสื่อมสภาพของตัวยึดก็คือการสูญเสียเวลา การสูญเสียกำลังการผลิตสิ่งเหล่านี้เป็นประ เด็นสำคัญที่จะต้องนำมาพิจารณาถึงตัวยึดที่มีความทนทานสูง

สเตนเลสกลุ่ม 300 เป็นกลุ่มที่ให้ความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยมในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำจืด แต่ความแข็งแรงจำนน (Yield Strength) ของเกรดดังกล่าวยังต่ำ  จึงไม่เหมาะกับการใช้งานบางประเภท

ส่วนสเตนเลสกลุ่ม 400 เป็นกลุ่มที่ให้ความแข็งแรงเชิงกลค่อนข้างสูง แต่มีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็มและการกัดกร่อนในระบบน้ำจืดต่าง ๆ

ส่วนเหล็กสเตนเลสตกผลึกแข็ง (Precipitation Hardened) เป็นวัสดุอีกทางเลือกหนึ่งที่มีข้อดีทั้งความแข็งแรงและทนต่อการกัดกร่อน ขณะที่เหล็กสเตนเลสดูเพล็กซ์  (Duplex) และเหล็กสเตนเลสซุปเปอร์ออสเทนนิติก (Super Austenitic) มีข้อได้เปรียบคือทนต่อการขนส่งในสภาพแวดล้อมที่แย่ๆ ได้ดีเลิศ

ดังนั้น ผู้ออกแบบจึงจำเป็นต้องพิจารณาตัวยึดตัวใดตัวหนึ่งเสมือนว่าเป็นระบบๆหนึ่ง และตระหนักว่ารอยต่อที่ประกอบเข้าด้วยกันนั้น เป็นจุดวิกฤตจุดหนึ่งของการออกแบบ ด้วยเหตุนี้ผู้ออกแบบจึงควรพิจารณาตั้งแต่บริเวณพื้นที่ ที่ต้องรับแรงเค้นสูงสุดจนถึงบริเวณที่ซึ่งจะมีโอกาสเกิดความเสียหาย การเลือกใช้ตัวยึดที่เหมาะสม ทนทานต่อการกัดกร่อนมีความแข็งแรงเพียงพอกับลักษณะการใช้งาน จากนั้นจึงออกแบบจุดต่อบริเวณรอบๆให้สอดคล้องกับตัวยึดที่สามารถหามาได้ แทนที่จะเริ่มต้นจากการออกแบบแล้วจึงมองหาตัวยึดที่หลัง

คำประกาศ

อุตสาหกรรมเหล็กกล้าพิเศษแห่งอเมริกาเหนือ (SSINA) ขอแจ้งให้ทราบว่า บางส่วนของข้อมูลที่มีอยู่ในคู่มือนี้   มีที่มาจากคณะกรรมการของผู้ผลิตเหล็กกล้า สเตนเลส และสถาบันเหล็กกล้าและเหล็กอเมริกัน (American Iron and Steel Institute)

แนวการเลือกตัวยึดสเตนเลสให้เหมาะสม

การเลือกใช้ตัวยึดที่เหมาะสมนั้นเป็นสิ่งที่นักออกแบบทั้งหลายมีความวิตกกังวล  ทั้งนี้นอกจากตัวยึดจะมีให้เลือกมากกว่า 500,000 ชนิดแล้ว ในแต่ละชนิดยังมีหลากหลายขนาดให้เลือกเช่นกัน ตัวอย่างเช่น ตัวยึดมาตรฐานเล็กที่สุดจะมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของหัวตัวยึด 0.01 นิ้ว (0.254 มิลลิเมตร) ขณะที่มาตรฐานใหญ่ที่สุดจะมีขนาดของหัวตัวยึดถึง 4 ฟุต (1.219 เมตร)

สเตนเลสถูกใช้งานอย่างแพร่หลาย ไม่ว่าจะเป็นโรงงานผลิตเครื่องจักรกล หรือการใช้ทดแทน เป้าหมายของบทความนี้ เพื่อช่วยให้นักออกแบบสามารถเลือกใช้ตัวยึดจากที่มีความซับซ้อนมาใช้ตัวยึด สเตนเลสที่เติมเต็มได้ทุกความต้องการ

ตัวยึดที่ทำจากสเตนเลส

ตัวยึดที่ทำจากสเตนเลสจะถูกระบุเป็นคลาส B8 ของโลหะผสมและข้อกำหนดของ ASTM A193 / 193M (ข้อกำหนดมาตรฐานสำหรับวัสดุที่ใช้ทำสลักเกลียว สเตนเลสและเหล็กกล้าผสมเพื่อการใช้งานที่  อุณภูมิสูง)  ในส่วนข้อกำหนดของนัต (Nut) จะเป็นข้อกำหนด ASTM A194 / 194M

ตารางที่ 1 สเตนเลส  Grade 8 ที่ใช้ทำตัวยึด ตามมาตรฐาน

สัญลักษณ์ ชนิด
B8/B8A Type 304
B8C/B8CA Type 347
B8M/B8MA/B8M2/B8M3 Type 316
B8P/B8PA Type 305
B8N/B8NA Type 304N
B8MN/B8MNA Type 316N
B8MLCuN/B8MLCuNA 6% molybdenum alloy
B8T/B8TA Type 321
B8R/B8RA Nitronic 50
B8S/B8SA Nitronic 60

ข้อกำหนด ASTM F593 (ข้อกำหนดมาตรฐานสำหรับสลักเกลียวเหล็กกล้าสเตนเลส สกรูหัวหกเหลี่ยมและสลักเกลียวปล่อย) โดยครอบคลุมถึงสเตนเลสกลุ่มเฟอร์ริติก มาเทนซิติก และกลุ่มตกผลึกแข็งที่ใช้ในเชิงพาณิชย์ที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 0.25 นิ้ว จนถึง 1.5 นิ้ว

โดยขนาดดังกล่าวจะครอบคลุมถึงตัวยึดที่ทำจากสเตนเลสกลุ่ม 300 ซึ่งรวมถึงออสเทนนิติก  เกรดที่มีแมงกานีสและซิลิกอนสูง โดยทั้งหมดนี้จะมีธาตุพื้น ฐาน 18-8 (โครเมียม 18% และ นิกเกิล 8%) ที่ใกล้เคียงกับสเตนเลสเกรด 304 มาก ทั้งนี้เพราะว่าเกรดดังกล่าวมีสมบัติต้านทานการกัดกร่อนที่คล้ายกัน ทำให้มีการใช้งานตัวยึดทดแทนกันอยู่เสมอระหว่างตัวยึดที่ทำจาก สเตนเลส 18-8 และเกรด 304 โดยที่ ถ้าอุปกรณ์ที่ใช้งานเป็นเกรด 304 นักออกแบบสามารถกำหนดตัวยึดที่ทำจากสเตนเลส 18-8 (เกรด 8) ได้

โรงงานผลิตตัวยึดสเตนเลส

ถึงแม้ว่านานๆ ครั้งนักออกแบบจึงจะมีส่วนเข้าไปเกี่ยวข้องกับการผลิตตัวยึด แต่จะเป็นประโยชน์ สำหรับนักออกแบบเอง  ถ้าสามารถได้รู้บางสิ่งเกี่ยวกับการผลิตตัวยึดนี้ ซึ่งเป็นสิ่งที่นักออกแบบต้องคำนึงถึง  โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเป็นงานที่จำเป็นต้องใช้ตัวยึดที่ต้องมีการออกแบบเป็นพิเศษ

 

วิธีการพื้นฐานสำหรับการผลิตตัวยึดที่ทำจากสเตนเลส

มีอยู่ 2 วิธีคือ

1. การกลึง (Machining) เป็นวิธีการผลิตตัวยึดที่เก่าแก่ที่สุด และในปัจจุบันยังคงใช้สำหรับการผลิตตัวยึดขนาด

ใหญ่ ที่มีการผลิตครั้งละไม่มาก อย่างไรก็ตามการผลิตแบบกลึงนี้มีข้อเสียอย่างเห็นได้ชัด คือผลของการกลึงจะทำให้เกรนของโลหะไหลไม่เป็นระเบียบ (ดังรูปที่ 1a ) ซึ่งจะทำให้เกิดจุดอ่อนค่อนข้างวิกฤตจากบริเวณหัวตัวยึด จนถึงบริเวณส่วนก้าน  และผลที่ตามมาคือ ทำให้ตัวยึดที่ผลิตโดยวิธีนี้สูญเสียความสามารถในการรับแรง รวมทั้งทำให้ความสามารถในการต้านทานการแตกหักลดน้อยลง

2. การขึ้นรูปหัวเย็น (Cold Heading) เป็นกระบวนการขึ้นรูปแบบต่าง ๆ โดยการใช้ลวดสเตนเลส (ดังรูปที่ 1b ) อัดเข้าไปในโพรงระหว่างแม่พิมพ์ให้ได้ตัวยึดตามรูปร่างที่ต้องการโดยไม่มีการใช้ความร้อน ซึ่งการผลิตสลักเกลียว สกรู ตะปู และ หมุดย้ำ โดยวิธีนี้ได้มีการผลิตมาเป็นเวลานานแล้ว แต่ในปัจจุบันการผลิตในลักษณะนี้ได้มีการพัฒนาไปอย่างมาก โดยมีวัตถุ ประสงค์เพื่อเป็นการขยายตลาดตัวยึดโดยเฉพาะ

ตัวยึดที่ผลิตด้วยวิธีการขึ้นรูปหัวเย็นนี้มีข้อดีหลายประการทั้งในด้านคุณภาพ ความประหยัดและอัตราการผลิต ตัวอย่างเช่น วิธีนี้สามารถที่จะผลิตตัวยึดได้ถึง 12,000 ชิ้นภายในเวลา 1 ชั่วโมง นอกจากนี้ยังสามารถขึ้นรูปเย็นสเตนเลส ซึ่งจะมีผลทำให้ความแข็ง แรงของตัวยึดเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด สำหรับตัวยึดที่ทำจาก สเตนเลสกลุ่ม 300

นอกจาก 2 วิธีการผลิตดังกล่าวแล้ว ยังมีวิธีการผลิตอื่นที่เกี่ยวข้องกับการผลิตตัวยึดสเตนเลส เช่น การเจาะรูส่วนผิว (Head Slotting), การเจาะรูส่วนก้าน (Shank Slotting), เครื่องเจาะส่วนหัว (Heading drill)  เป็นต้น

นอกจากนี้ข้อกำหนดสำหรับตัวยึดที่ทำจาก สเตนเลสยังถูกระบุไว้ในมาตรฐาน ASTM A193/193M โดยเกรดของสเตนเลสที่ใช้สำหรับผลิตตัวยึดได้ถูกรวมไว้ในมาตรฐานนี้ด้วยเช่นกัน ดังแสดงที่ตารางที่ 1

เหล็กกล้าไร้สนิมคืออะไร

เหล็กกล้าไร้สนิมหรือ สเตนเลส คือ กลุ่มหนึ่งของโลหะผสมเหล็กที่มีโครเมียมอย่างน้อยที่สุด 10.5% รวมทั้งมีธาตุอื่นผสมเช่น นิกเกิล แมงกานีส โมลิบดินัม ซัลเฟอร์ ซิลิเนียม ไททาเนียม เป็นต้น (ดูตารางที่2) โดยโครเมียมเป็นธาตุที่ทำหน้าที่หลักในการต้านทานการกัดกร่อนและทนทานต่อความร้อน ส่วนธาตุผสมอื่นที่มีอยู่ในสเตนเลสจะช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนและให้สมบัติทางด้านความแข็งแรงและความสามารถในงานขึ้นรูป

สเตนเลสทั้งหมด 60 ชนิดในเชิงพาณิชย์จะถูกระบุเป็นหมวดหมู่มาตรฐานไว้ในสถาบันเหล็กกล้าและเหล็กอเมริกัน (American Iron and Steel Institute: AISI) ส่วนรายการที่สมบูรณ์ของสเตนเลสทั้งหมดและคำบรรยายของสเตนเลส แต่ละชนิดจะถูกบรรจุไว้ในสิ่งพิมพ์ของ SSINA และแนวทางการออกแบบสำหรับการเลือกใช้สเตนเลส

นอกจากนี้มาตรฐาน AISI ที่มีการวิเคราะห์พิเศษและมาตรฐานสเตนเลสของภาคเอกชนส่วนใหญ่จะมีในประเทศสหรัฐอเมริกาและแคนาดา

การบ่งชี้เหล็กกล้าสเตนเลส

โดยส่วนใหญ่ สเตนเลสตามมาตรฐาน AISI จะถูกระบุโดยระบบของตัวเลขในแต่ละอนุกรมของ 200 300 หรือ 400 ซึ่งทั้งหมดจะถูกระบุโดย ระบบการนับตัวเลขรวมกัน (Unified Numbering System: UNS) ตัวอย่างเช่น ชนิด 304 ก็คือ ชนิด  S30400 ใน UNS ส่วนการวิเคราะห์พิเศษและสเตนเลสของภาคเอกชนจะถูกระบุโดยชื่อการค้า หรือบางส่วนที่เหมือนของตัวเลข AISI

สเตนเลสแบ่งออกเป็นกลุ่มพื้นฐานได้ 5 กลุ่มคือ :

ออสเทนนิติก (Austenitic)

เฟอร์ริติก (Ferritic)

มาร์เทนซิติก (Martensitic)

กลุ่มตกผลึกแข็ง (Precipitation hardening)

ดูเพล็กซ์ (Duplex)

แต่ละเกรดจะมีโครงสร้างทางโลหะวิทยาที่สะท้อนถึงคุณลักษณะที่แตกต่างกันในการต้านทานการกัดกร่อน ความสามารถในการทำให้แข็ง และความ สามารถในงานขึ้นรูป

กลุ่มออสเทนนิติก  เป็นสเตนเลสที่มีส่วนผสมของโครเมียม – นิกเกิล – แมงกานิส และโครเมียม – นิกเกิล ที่ถูกระบุเป็นตัวเลขอนุกรม 200 และ 300 ตามลำดับ ซึ่งเกรดดังกล่าวสามารถทำให้แข็งโดยการขึ้นรูปเย็น (Cold Work) และแม่เหล็กดูดไม่ติดในสภาวะที่ผ่านการอบอ่อนแล้ว สำหรับตัวเลขที่ใช้เป็นแบบฉบับของกลุ่มออสเทนนิติก คือ 304  ซึ่งมีโครเมียม 18% และ นิกเกิล 8% โดยจากนี้ไปจะเรียกชื่อเกรดนี้ว่า 18-8

เฟอร์ริติก  เป็นสเตนเลสที่มีโครเมียมเป็นธาตุผสมหลักในเหล็กกล้า ในอนุกรม 400 ซึ่งไม่สามารถที่จะทำให้แข็งได้โดยกระบวนการทางความร้อน (Heat Treatment) และสามารถทำให้แข็งได้เล็กน้อยโดยวิธี การแปรรูปเย็น (Cold Working) ซึ่งสเตนเลสในกลุ่มเฟอร์ริติกทั้งหมดแม่เหล็กจะดูดติด  สำหรับตัวเลขที่ใช้เป็นแบบฉบับของกลุ่มเฟอร์ริติก คือ 430

มาร์เทนซิติก  เป็นสเตนเลสที่มีโคร – เมียมเป็นธาตุผสมหลักในเหล็กกล้าในอนุกรม 400 ที่สามารถปรับความแข็งได้โดยกระบวนการทางความร้อน (Heat Treatment) ซึ่งสเตนเลสในกลุ่มมาร์เทนซิติกทั้งหมดแม่เหล็กจะดูดติด  สำหรับตัวเลขที่ใช้เป็นแบบฉบับของกลุ่มมาร์เทนซิติก คือ 410

กลุ่มเพิ่มความแข็งโดยวิธีการตกผลึก เป็น สเตนเลสที่สามารถปรับความแข็งได้ โดยการบ่มที่อุณหภูมิต่ำและโดยวิธีการแปรรูปเย็น มาตรฐาน AISI ที่พิมพ์จะระบุเป็นตัวเลขของ UNS เท่านั้น ตัวอย่างเช่น  S17400 นอกจากนี้ยังมีชื่อทางการค้าของภาคเอกชนที่อ้างอิงถึงเกรดนี้ เช่น 17-4PH สเตนเลสกลุ่มเพิ่มความแข็งโดยวิธีการตกผลึกนี้เป็นสเตนเลสที่ถูกนำมาใช้สำหรับงานเฉพาะประโยชน์ ทั้งนี้เพราะว่าการประกอบงานนั้นจะสามารถทำให้เสร็จสมบูรณ์ได้ใน สภาวะที่สเตนเลสผ่านการอบอ่อนแล้วและได้ความแข็งสม่ำเสมอโดยปราศจากการทำให้ร้อนที่อุณภูมิสูงที่อาจส่งผลให้เกิดการบิดเบิ้ยวและเกิดตะกรัน

ดูเพล็กซ์ เป็นสเตนเลสกลุ่มที่มีโครงสร้างผสมระหว่างออสเทนนิติกและเฟอร์ริติก อย่างละ 50% ซึ่งโครงสร้างดังกล่าวจะให้ความต้านทานการกัดกร่อนที่ทดแทนเกรดออสเทนิติกได้ขณะที่ให้คุณสมบัติการออกแบบที่สูงกว่า

ซุปเปอร์ออสเทนนิติก (Supper Austenitic) สเตนเลสเกรดนี้ควรให้พิจารณาในกรณีที่ซึ่งมีสภาพ แวดล้อมที่เต็มไปด้วยคลอไรด์ เกรดดังกล่าวจะมีส่วน ผสมของนิกเกิล และโมลิบดินัมที่สูงกว่าออสเทนิติกเกรดอื่น โดยจะช่วยปรับปรุงความต้านทานการกัดกร่อนตามมุมอับและการกัดกร่อนแบบรูเข็ม

ลักษณะเฉพาะของเหล็กกล้าสเตนเลส

สเตนเลสออสเทนนิติกจะมีลักษณะที่มีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี ตัวอย่างเช่น เกรด 304  ที่มีการนำมาใช้งานอย่างกว้างขวางซึ่งเป็นวัสดุที่มีความต้านทานต่อการเกิดสนิม รวมถึงทนทานต่อสารปน เปื้อนในอาหารทั่วไป (Foodstuffs) การฆ่าเชื้อโรคโดยวิธีการให้ความร้อน (Sterilizing) ทนทานต่อสารประ กอบอินทรีย์ (Organic Chemical) สีย้อมและสารประ กอบอนินทรีย์ (Inorganic Chemical) ที่หลากหลาย ซึ่งในข้อเท็จจริง สเตนเลสออสเทนิติก 18-8 จะถูกนำไปใช้เกี่ยวกับอาหารและเครื่องดื่มเภสัชกรรมและอุตสาหกรรมชิบอิเลคทรอนิคส์

การจัดลักษณะโดยทั่วไปของสเตนเลสที่สัมผัสกับสภาพแวดล้อมเหล่านี้สรุปได้ดังต่อไปนี้

corrosion

แนวทางนี้จะช่วยตีกรอบให้แคบลงในการเลือกสเตนเลสให้เหมาะกับสภาพแวดล้อม ที่ทำให้เกิดการกัดกร่อน อย่างไรก็ตามในการตัดสินใจเลือก ควรอยู่บนพื้นฐานของการทดลองใช้งานภายใต้สภาวะการใช้งานจริง แต่ถ้าผู้ออกแบบไม่ประสงค์ที่จะดำเนินการทดลองควรปรึกษาวิศวกรที่มีประสบการณ์ในด้านการการกัดกร่อนของสเตนเลส

ความต้านทานการกัดกร่อน

โครเมียมเป็นธาตุที่ทำให้เหล็กกล้าสเตนเลสมีความเป็นสเตนเลสได้ด้วยตัวของมันเอง ซึ่งโดยทั่วไปแล้วโลหะผสมที่มีความเป็นสเตนเลสดังกล่าวจะมีส่วน ผสมของโครเมียมมากกว่า 12% จึงจะไม่เกิดสนิมด้วยเหตุนี้สเตนเลสเกรดมาร์เทนซิติกทั้งหลาย เช่น ชนิด 400 จึงให้สมบัติที่ต้านทานการกัดกร่อนได้ต่ำกว่า สเตนเลสอนุกรม 300

อย่างไรก็ตาม ชนิด 410 จะมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีในสภาพบรรยากาศอุ่น น้ำจืด น้ำแร่ ไอน้ำร้อน กรดคาร์บอนิค น้ำมันดิบ

แก็สโซลีน เลือด แอมโมเนีย ปรอท สบู่ น้ำเชื่อมและอื่นๆ ที่ใช้เป็นตัวกระทำปฏิกิริยาอื่นๆ (Reagents) นอกจากนี้เกรด 410 ยังมีความทนทานต่อการเกิดคราบดำ (Scaling) และมีความต้านทานการเสื่อมสภาพอันเนื่องมาจากการเกิดปฎิกิริยากับออกซิเจน ที่อุณภูมิสูง (Oxidation resistance) ถึง 1000 F (649 °C) ส่วนชนิด 416 มีความแตกต่างจากชนิด 410 ตรงที่สามารถกัดแต่ง (Free Machining)ได้ง่ายกว่า ส่วนลักษณะอื่นๆจะคล้ายกับชนิด 410

แต่ถ้าหากว่าต้องการสเตนเลสสำหรับใช้งานที่ต้องการความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีกว่าชนิด 304  ชนิด 316 เป็นชนิดถัดไปที่ควรพิจารณา โดยชนิด 316 นี้จะมีโมลิบดินัมผสมอยู่ 2-3 % ซึ่งมากกว่าที่ผสมอยู่ในชนิด 304 ซึ่งจะช่วยปรับปรุงสมบัติต้านทานการกัดกร่อนแบบรูเข็มและการกัดกร่อนตามมุมอับโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์ และยังถูกนำไป ใช้งานอย่างกว้างขวางในเครื่องบดกระดาษและเยื่อกระ ดาษและโรงงานบำบัดน้ำเสีย (ดูภาพของโครงสร้างบ่อตกตะกอนปรับปรุงบ่อตกตะกอน โพรงที่ยึดด้วยสลักเกลียว ราวจับ ของโรงงานบำบัดน้ำเสียของเทศบาลแห่งหนึ่ง) นอกจากนี้ชนิด 316 ยังมีการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุปกรณ์ที่ต้องสัมผัสกับกรดฟรอริค กรดอะซิติค ที่มีแนวโน้มทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็มใน สเตนเลสชนิด 18-8

ในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนแบบรูเข็มมากกว่าปกติ ควรพิจารณาเลือกใช้สเตนเลสที่มีโมลิบดิ นัมผสมอยู่มากกว่า 2-3% ส่วนแนวทางการเลือกใช้ สเตนเลสที่นอกเหนือจากนี้ ผู้ออกแบบควรปรึกษาวิศวกรผู้เชี่ยวชาญด้านการกัดกร่อน

ความแข็งแรง (Strength)

นิกเกิลที่เติมเข้าไปในโลหะผสมเหล็ก มีวัตถุ ประสงค์เพื่อให้วัสดุมีความสามารถในงานประกอบและปรับปรุงในด้านความเหนียว (Ductility) ที่เป็นโครงสร้างพื้นฐานของออสเทนไนต์ ซึ่งเป็นประโยชน์โดยตรงต่อความสามารถของลักษณะการขึ้นรูปสำหรับโลหะผสมดังกล่าว คาร์บอนและไนโตรเจนเป็นธาตุที่ส่งผลกระทบโดยตรงต่อความแข็งแรงของโลหะผสม

ไนโตรเจนที่มีอยู่ในโลหะผสมจะส่งผลเสียต่อคุณสมบัติทางกลของสเตนเลสออสเทนนิติกคาร์บอนต่ำ

ในทางกลับกัน การเติมอลูมิเนียม และหรือ  โคลัมเบียมเข้าไปในสเตนเลสออสเทนนิติก จะสามารถเพิ่มคุณสมบัติทางกลอย่างเห็นได้ชัด ด้วยกรรมวิธีทางความร้อน (Heat treatment) ผู้ออกแบบจะใช้ สเตนเลสชนิด UNS S13800 UNS S15500, UNS S17400 และ UNS S17700 เป็นประโยชน์สำหรับอุตสาหกรรมการบินอวกาศ หรือในการผลิตสลักเกลียวที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางขนาดใหญ่ที่จำเป็นสำหรับงานส่วนสำคัญของวิศวกรรมโยธา

สเตนเลสโครงสร้างผสม (เฟอไรต์/ออสเทนไนต์) เช่นสเตนเลสดูเพล็กซ์จะช่วยให้สเตนเลสมีความแข็งแรงสูงกว่าเกรดออส เทนนิติกที่มีโครงสร้างแบบออสเทนไนต์เพียงอย่างเดียว ขณะที่เกรดดูเพล็กซ์ยังคงรักษาคุณสมบัติในด้านการต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเยี่ยม

 

ความสามารถในการกัดแต่ง (Machinability)

กำมะถันและเซเลเนียมที่ใส่เข้าไปในสเตนเลสออสเทนนิติกนั้น  เพื่อเป็นการปรับปรุงความสามารถในการกัดแต่งของโลหะผสมดังกล่าวเมื่อธาตุเหล่านี้รวมตัวกับโครเมียมและแมงกานีสในโลหะผสมรูปแบบการรวมตัวกันคล้ายเส้นใย (Stringers) ในโครงสร้างของโลหะจะทำให้ขจัดรอยบิ่นได้ดีขึ้น

ตัวอย่างเช่น ชนิด 303 พบว่าส่วนใหญ่จะมีปริมาณกำมะถันที่สูงกว่าซึ่งจะช่วยเพิ่มลักษณะการกัดแต่ง โดยสมบัติดังกล่าวนี้อาจจะเป็นประโยชน์อย่างมากในการผลิตสลักเกลียวขนาดใหญ่ (Large Bolts) หรือที่มีการผลิตจำนวนน้อยหรือการผลิตพิเศษตามความจำเป็น

อย่างไรก็ตามควรระลึกว่า ขณะที่สเตนเลส เกรด 18-8 ได้ถูกพิจารณาเพื่อให้มีความต้านทานการกัดกร่อนที่คล้ายกันกับเกรดอื่น เส้นใยซัลไฟล์ (Sulfide Stringers) ในชนิด 303  อาจถูกโจมตีเกรนส่วนปลายที่จุดสิ้นสุดการตัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีการแพร่กระ จายสู่น้ำหรือในสารละลายเคมีบางชนิด ด้วยเหตุนี้ผู้ออก แบบควรเจาะจงเลือกใช้ชนิด 304 เมื่อรู้ว่าชนิด 303 ไม่เหมาะกับการใช้งานหรือเมื่อมีข้อสงสัย ผู้ออกแบบควรปรึกษาวิศวกรผู้เชี่ยวชาญทางด้านการกัดกร่อน

สเตนเลสเฟอร์ริติกชนิด 416 จะมีกำมะถันผสมอยู่ด้วยเช่นเดียวกัน ทั้งนี้เพื่อปรับปรุงความสามารถในการกัดแต่งเพื่อการใช้งานทดแทนสเตนเลสเกรดมาร์เทนซิติก

คุณภาพการขึ้นรูปหัวเย็น (Cold Heading Quality)

ทองแดงที่เพิ่มเข้าไปในสเตนเลสชนิด 302  (UNS S30430) และระดับของนิกเกิลที่สูงกว่าในชนิด 305 (UNS S30500) และ 384 ( UNS S38400) ส่งผลให้อัตราการชุบแข็งต่ำ (Low Work Hardening Rate) จะช่วยให้สามารถปรับปรุงความสามารถในการแปรรูปและการขึ้นรูปหัวเย็นสำหรับสเตนเลส เกรดดังกล่าว ซึ่งสิ่งนี้คือสิ่งที่ต้องการเพื่อให้ได้ต้นทุนที่ต่ำและการผลิตครั้งละมากๆ วัสดุดังกล่าวได้มีการนำไปใช้สำหรับตัวยึดหลายชนิด สลักเกลียวหัวเย็น สกรู อัพเซ็ตนัต ชิ้นส่วนเครื่องมือวัด และงานที่เกี่ยวข้องกับการผลิตเหรียญ การอัดขึ้นรูปและการอัดขยายขึ้นรูป เป็นต้น

สุนทรียภาพแห่งการมอง (Appearance / Aesthetics)

ได้มีการใช้ตัวยึดที่ทำจากสเตนเลสชนิด 304 และ 316 อย่างแพร่หลายในงานด้านสถาปัตยกรรมเพื่อเป็นการดึงดูดสายตาและสมบัติในด้านการต้านทานการกัดกร่อนของโครงสร้างสเตนเลสที่ยึดด้วยตัวยึดเหล่านี้ (ดูภาพราวและโครงป้ายสัญลักษณ์บอกทางที่สนามบินนานาชาติ โรนัลด์ เรแกน วอชิงตัน)

งานบางอย่างไม่จำเป็นต้องการระดับความต้านการกัดกร่อนที่สูงถึงขนาดต้องใช้สเตนเลส 18-8 หรือโลหะผสมชนิดที่สูงกว่า ในกรณีดังกล่าวผู้ออกแบบ สามารถพิจารณาสเตนเลสชนิดที่อาจช่วยลดต้นทุนที่ต่ำกว่าตัวอย่างเช่นสเตนเลสชนิด 430 ที่มีส่วนของโครเมียมประมาณ 18% แต่ไม่มีนิกเกิล  ถึงแม้ว่าสเตนเลสชนิดดังกล่าวมีคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อนได้ต่ำกว่าสเตนเลส 18-8 แต่ก็มีการนำมาใช้งานอย่างกว้างขวางในงานประดับตกแต่ง ทั้งนี้เพราะว่าเมื่อสเตนเลสชนิดนี้ถูกขัดจะมีสภาพเหมือนวัสดุเคลือบโครเมียมเป็นอย่างมาก การใช้งานดังที่กล่าวมารวมถึงอุปกรณ์ตกแต่งยานยนต์ กล้องถ่ายรูป เครื่องจำหน่ายสินค้า (Vending Machine) เคาน์เตอร์ และสินค้าอื่นๆ ที่เจ้าของต้องการการตกแต่งให้เป็นที่ดึงดูดสายตาเพื่อเป็นการเพิ่มความสามารถในด้านการขาย

เหล็กกล้าสเตเลส – ไม่จำเป็นต้องเคลือบป้องกัน

ผู้ออกแบบบางคนอาจถูกโน้มน้าวให้คิดว่าตัวยึดที่ชุบด้วยโลหะ (Plated Fasteners) เป็นการแก้ปัญหาการกัดกร่อนด้วยค่าใช้จ่ายที่ต่ำ ขณะที่ตัวยึดที่ชุบด้วยโลหะมีประโยชน์ในการใช้งานบางประเภท เช่นการเคลือบด้วยวิธีชุบด้วยโลหะโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างความสำเร็จหรือการจับคู่สีเป็นพิเศษ ซึ่งมันยากที่จะได้ตามความต้องการต่อการใช้งานตัวยึด ทั้งที่การป้องกันการกัดกร่อนจะมีอยู่ในเนื้อวัสดุเองและไม่ต้องเพิ่มการป้องกันที่ผิวตัวยึด

เมื่อเปรียบเทียบกับตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าธรรมดา และวัสดุทำตัวยึดที่ไม่ใช่เหล็กแล้วเหล็กกล้าสเตนเลสไม่จำเป็นต้องเคลือบป้องกัน เพื่อให้เกิดความต้านทานการกัดกร่อน ขณะที่ตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าชุบกัลวาไนท์หรือชุบด้วยโลหะจะทนทานต่อสภาวะการกัดกร่อนที่ไม่รุนแรง ดังนั้นผู้ออกแบบหลายคนจึงพิจารณาต้นทุนที่เพิ่มขึ้นของตัวยึดที่ทำจากสเตนเลส เพื่อแลกกับการประกันความบกพร่องหรือเสียหายต่อภาพพจน์ นอกจากนี้เมื่อพิจารณาต้นทุนของข้อบกพร่องร่วมกับความชำรุดเสียหายที่สามารถเกิดขึ้นได้ง่ายต่อการเคลือบป้องกันแล้ว จึงเป็นสิ่งที่ดี ในการเจาะจงตัวยึดตัวใดตัวหนึ่งที่ทำจากวัสดุมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ด้วยตัวมันเอง และบ่อยครั้งเมื่อผิวที่ชุบด้วยโลหะหมดไปสิ่งที่จะตามมาก็คือความเสียหายที่เกิดจากการกัดกร่อน ตัวอย่างเช่น  ผลจากประแจปากตายหรือความชำรุดของตัวขับ หรือการชุบด้วยโลหะทำได้ไม่ดี หรือเกิดจากการปีนของเกลียว

แต่ทั้งนี้ค่าใช้จ่ายของตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้า สเตนเลสอาจจะมากกว่าตัวยึดที่ทำจากเหล็กชุบด้วยโลหะ ค่าใช้จ่ายโดยภาพรวมของผลิตภัณฑ์สำเร็จ (จากเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาดเล็กไปจนถึงโรงงานขนาดใหญ่)โดยทั่วไปจะได้รับผลกระทบจำนวนเล็กน้อยเท่านั้น

เป็นที่น่าสนใจว่าการเคลือบโลหะถูกประยุกต์ใช้กับเหล็กล้าสเตนเลส  โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อเป็นการเปลี่ยนแปลงภาพลักษณ์ ตัวอย่างเช่น ผู้ออก แบบอาจต้องการตัวยึดสีดำหรือตัวยึดที่ทำจากเหล็กชุบด้วยโลหะโครเมียมที่มีการสะท้อนแสงสูงเพื่อให้สมดุลกันกับผิวที่กำลังถูกต่อเข้าด้วยกัน ความต้องการเช่นนี้สามารถทำได้ในเหล็กกล้าสเตนเลส

การเลือกเหล็กกล้าสเตเลสให้ถูกต้อง

ในอดีตวิศวกรที่ออกแบบได้ตัดสินใจเลือกใช้วัสดุที่ทำตัวยึด บนพื้นฐานของสมบัติต้านทานการกัดกร่อนจากนั้นจึงพิจารณาสมบัติเชิงกลและสมบัติทาง ด้านกายภาพของวัสดุ ดังนั้นเหล็กกล้า สเตนเลสจึงเป็นวัสดุที่ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในการผลิตตัวยึด

วิศวกรหลายคนที่ได้ทดลองออกแบบผลิตภัณฑ์โดยใช้ตัวยึดสเตนเลส ได้เรียนรู้ว่าข้อมูลที่สำคัญของตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าสเตนเลสในบางครั้งเป็นเรื่องยากที่จะค้นพบ ในหลายสถานการณ์ผู้ออกแบบต้องมีความไว้ใจบนพื้นฐานข้อมูลทางเทคนิคของสม บัติทางกลของวัสดุที่ใช้ทำตัวยึด โดยบ่อยครั้งจำเป็น ต้องพิจารณาเป็นพิเศษจากสมบัติที่แท้จริงของตัวยึด

ข้อกำหนด ASTM A193/193M, A194 / 194M, F593 และ F594 เป็นข้อกำหนดเพื่อเป็นเอกสารอ้างอิงพื้นฐานสำหรับการเลือกวัสดุและข้อกำหนดตามจุดประสงค์

ข้อกำหนดต้นแบบของสถาบันอุตสาหกรรมตัวยึด (Industrial Fastener Institute: IFI) IFI-104 ที่ครอบ คลุมถึงความต้องการคุณสมบัติเชิงกล เชิงโลหะวิทยาและคุณภาพของเหล็กกล้าสเตนเลสทั่วไปที่ใช้สำหรับสลักเกลียว (Bolt) สกรู สลักเกลียวปล่อย (Stud) และ นัต ได้ใช้แทนโดยข้อกำหนด ASTM ซึ่งเกี่ยวข้องกับวัสดุและรูปแบบของวัสดุดังกล่าว F468/468M, F378M, F386M, F837 / 837M, F879 / 879M และ F880 / 880M เป็นต้น

ความต้านทานแรงดึงและความแข็งแรงจำนน

ความต้านทานแรงดึง (Tensile) หรือ ความต้านทานแรงดึงสูงสุด (Ultimate Strength)  คือคุณ สมบัติของวัสดุ ซึ่งตัดสินว่าวัสดุมีความสามารถทนทานได้เท่าไรต่อแรงดึงก่อนที่จะเสียหาย ความแข็งแรงจำนน (Yield Strength) คือการวัดความต้านทานของวัสดุจนถึงจุดที่วัสดุจะมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวรภายใต้แรงที่กระทำ สำหรับเหล็กกล้าสเตนเลส ความแข็งแรงจำนน จะถูกคำนวณบนกราฟความเค้น-ความเครียดดังรูปที่ 2 โดยการลากเส้นตรง (เส้นปะ) จากจุด 0.2% ให้ขนานกับเส้นตรงของกราฟความเค้น-ความเครียด สำหรับจุดจำนน (Yield Point) ของเหล็กกล้าสเตนเลสนั้นอาจไม่สามารถระบุตำแหน่งที่แน่นอนได้

ตารางที่ 4 อัตราส่วนของความแข็งแรงต่อน้ำหนัก

ration

ข้อมูลในตารางที่ 3 นั้นแสดงค่ากระจายระหว่าง เทนไซด์และยีลด์ ซึ่งคือลักษณะของเหล็กกล้าสเตนเลส ความแข็งแรงจำนนได้ถูกนำมาใช้สำหรับคำนวณการออกแบบ และเป็นความเค้น ที่คุณ สมบัติเชิงกล (ความต้านทานแรงดึงและความแข็งแรงจำนน) สามารถเพิ่มขึ้นได้ด้วยวิธีการขึ้นรูปเย็นหรือการทำให้แข็งด้วยความเครียด (Strain Hardening)

ข้อกำหนด ASTM ได้แบ่งแยกสภาพของการอบอ่อนไว้อย่างชัดเจนเป็น 2 กลุ่มคือ

กลุ่ม 1 การอบอ่อนกับคาร์ไบด์

กลุ่ม 2 การอบอ่อนการคาร์ไบด์และอบแข็งจากความเครียด

ตัวอย่างเช่น สลักเกลียวเต็มขนาดของเหล็กกล้า สเตนเลส 18-8 ในสภาวะอบอ่อนจะมีความแข็งแรงจำนนต่ำสุดที่ 30 ksi (207MPa) ซึ่งถ้าสลักเกลียวถูกขึ้นรูปเย็นที่ 15-20% อย่างต่ำสุดระดับ ความแข็งแรงจำนนของมันจะเพิ่มเป็น 50 ksi (345MPa) การถูกขึ้นรูปเย็นจาก 35% ถึง 40%  วัสดุจะถูกพิจารณาว่าเป็นการทำให้แข็งด้วยความ เครียดและระดับความแข็งแรงจำนนจะสูงเท่าที่จะเป็นไปได้ที่ 100 ksi (690MPa ) โดยขึ้นอยู่กับขนาดของตัวยึด  สภาวะนี้ทำให้วิศวกรที่ออกแบบมีความได้เปรียบเรื่องความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุ ด้วยค่าความแข็งแรงที่สูงกว่า

เหมือนกับ ลักษณะของเส้นโค้ง ความเค้น-ความเครียด ที่สามารถเปลี่ยนได้โดยกรรมวิธีทางความร้อน (Heat treatment) และการบ่ม (Aging) ของเหล็กกล้าสเตนเลส อบตกผลึกแข็ง (Precipitation Hardened) การเพิ่มความแข็ง (Hardening) และการทำเทมเปอร์ (Tempering) ของสเตนเลส เกรดมาร์เทนซิติก โดยเงื่อนไขที่แตกต่างจะระบุโดยใช้เครื่องหมายดังนี้

A-การอบอ่อน (Solution annealed)

SH- ทำให้แข็งจากความเครียด (Strain hardened)

H – ทำให้แข็ง (Hardened)

HT- ทำให้แข็งและทำเทมเปอร์ (Hardened and tempered)

AH- การบ่มแข็ง (Age hardened)

 

รูปที่ 3 คือความสัมพันธ์เชิงเปรียบเทียบของค่าความแข็งแรง ระหว่างเหล็กกล้าสเตนเลสและตัวยึดต่างๆ ที่มีความต้านทานการกัดกร่อน

ในการใช้งานที่ใดก็ตาม น้ำหนักคือสิ่งสำคัญที่ต้องพิจารณาการออกแบบเครื่องบิน ผู้ออกแบบมองถึงอัตราส่วนของความแข็งแรงต่อน้ำ หนัก เพื่อเป็นการชี้วัดการมีประสิทธิภาพมากที่สุดของวัสดุที่ใช้ ความแข็งแรงต่อน้ำหนักถูกกำหนดเป็นอัตราส่วนของความต้านทานแรงดึง (Tensile Strength) ต่อความหนาแน่นของวัสดุ  คุณสมบัติบางประการของวัสดุตัวยึดที่มีความต้านทานการกัดกร่อนโดยรวมถึงอัตราส่วนของความแข็งแรงต่อน้ำหนักดังแสดงไว้ในตารางที่ 4 สิ่งที่น่าสนใจเป็นพิเศษ คือความใกล้เคียงกันของเหล็กกล้า สเตนเลสชนิด 410 และอลูมิเนียม ซึ่งข้อเท็จจริงคือเหล็กกล้า สเตนเลสชนิด 410 มีอัตราส่วนของความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูงกว่าอลูมิเนียม 2024-T4

 

ตัวยึดเกี่ยว (Anchors)

ชนิดของระบบตัวยึดเกี่ยวเชิงกลได้แก่แบบสอด (Insert) แบบลิ่ม (Wedge-Type) แบบหยอด (Drop-in) แบบสวม (Shell-Type) และ แบบทาบ (Sleeve-Type) โดยทั้งหมดนี้สามารถที่จะนำไปใช้ยึดเกี่ยวในคอนกรีต ส่วนตัวยึดเกี่ยวชนิดแบบทาบ (Sleeve Type) สามารถนำไปใช้กับสิ่งก่อสร้างที่ทำจากอิฐ ปูนที่ใช้เทยึด อิฐบล็อกเต็ม และอิฐบล็อกกลวง

ส่วนตัวยึดเกี่ยวเชิงกลชนิดอื่นนอกเหนือจากนี้ ได้แก่ตัวยึดเกี่ยวที่ต้องออกแรงกดบนคอนกรีตเพื่อขยายให้มีการยึดเกี่ยว ตัวยึดเกี่ยวเชิงเคมีที่ใช้สารเกาะติดมีวัตถุประสงค์เพื่อให้เกิดความปลอดภัยในการยึดเหนี่ยว ตามความยาวของตัวยึดเกี่ยวที่มีโหลดกระทำซึ่งระบบการยึดเกี่ยวนี้เหมาะกับงานคอนกรีตและงานก่อสร้างที่ใช้อิฐบล็อกกลวง

เหล็กกล้าสเตนเลสออสเทนนิติกให้ความต้านทานการผุกร่อนได้ดีเยี่ยมในความหลากหลายของสภาพแวดล้อมที่เป็นคอนกรีต งานก่อสร้างที่ใช้อิฐ และในบริเวณที่ซึ่งมีความเป็นด่างสูง (High Alkalinity) นอกจากนี้เหล็กกล้าสเตนเลส   ออสเทนนิติกให้ความแข็งแรงตามแนวแกนของกำแพงที่ยึดเข้าด้วยกัน (Wall Tie System) ซึ่งจะช่วยต้านทานต่อแรงปะทะของลม ความเค้นดึง (Tension Stress) และความเค้นกด (Compression Stress) ในที่พักอาศัยประเภทที่ต้องมีการเคลื่อนย้ายบ่อย

 

การพิจารณาทางด้านวิศวกรรมและการออกแบบ

ในการเลือกเหล็กกล้าสเตนเลสชนิดหนึ่ง บนพื้นฐานของสมบัติเชิงกลและสมบัติทางกายภาพนั้นควรอยู่ในใจผู้ออกแบบ โดยพิจารณาดังต่อไปนี้

ความแข็งแรงของเกลียว (Thread Strength) ลักษณะของเกลียวบนตัวยึดจะผลิตโดยการตัด การกลึงหรือการเจียร์ อย่างไรก็ตามเกลียวที่มีความแข็งแรงสูงที่สุดและคุณภาพดีที่สุดจะถูกผลิตโดยวิธีการกลึงทั้งนี้เพราะว่าการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างถาวร หรือการขึ้นรูปเย็นที่เกี่ยวข้องในการกลึงเกลียวส่งผลดังนี้ (1) มิติของเกลียวมีความแม่นยำมากกว่า (2) ผิวของเกลียวมีความเรียบกว่า ดังนั้นจึงมีรอยขีดข่วน และรอยอื่นๆ เพียงเล็กน้อยที่จะส่งผลต่อการแตกหรือรอยครูด (3) มีสมบัติเฉือน สมบัติแรงดึง และการครากที่สูงกว่า ซึ่งจะส่งผลดีต่อการต้านทานต่อโหลดที่เลวร้ายได้  ลักษณะการออกแบบเกลียวถูกกำหนดพื้นฐานจากจำนวนของเกลียวต่อความยาวหน่วยเป็นนิ้วและเส้นผ่านศูนย์กลางของสลักเกลียวดังแสดงในตารางที่ 5 สิ่งนี้สำคัญต่องานวิศวกรรมโยธาดังแสดงในรูปของประตูระบายน้ำ (Sluice Gate)

ความแข็งแรงเฉือน (Shear Strength) การเฉือน คือการแตกหักในแนวทแยงที่เกิดจากแรงผลักหรือแรงดึง ณ ตำแหน่ง 90 องศาจากแนวแกนของชิ้นงาน ดังนั้นหมุดย้ำ (Rivet) ที่ใช้กับแกนพุลเลย์ (Pulley) จะถูกเฉือนถ้าโหลดบนพุลเลย์เกินจากค่าต้านแรงเฉือนของหมุดย้ำ ความแข็งแรงเฉือนถูกกำหนดจากโหลดมีหน่วยเป็นปอนด์ที่ทำให้แตกหักหารด้วยพื้นที่ หน้าตัดมีหน่วยเป็นตารางนิ้วของชิ้นงานตามแนวราบที่แตก

ค่าความเค้นเฉือน (Shear Stresses) สำหรับสลักเกลียวที่ทำจากเหล็กกล้าสเตนเลส ที่ยอมได้ ดังแสดงในตารางที่ 6 ซึ่งอยู่บนพื้นฐานการประกาศของ AISI  ตามคู่มือการออกแบบเชิงโครงสร้างของเหล็ก กล้าสเตนเลสขึ้นรูปเย็น ฉบับแก้ไข ปี1994 (Stainless Steel Cold-Formed Structural Design Manual, 1974 Edition) ซึ่งความเค้นเฉือนที่ยอมได้สำหรับสลักเกลียวในส่วนที่ไม่ใช่เกลียวตามแนวระนาบการเฉือนถูกนำมา ใช้ร้อยละ 60 ของค่าต่ำสุดของความต้านทานแรงดึงหารด้วยปัจจัยความปลอดภัยของ 3.0 ซึ่งความเค้นเฉือนที่ยอมได้นี้ให้ปัจจัยความปลอดภัยต่ำสุดประมาณ 1.2 ตัดกับการจำนนเฉือน (Shear Yielding) ของวัสดุที่ใช้ทำสลักเกลียว

เมื่อเกลียวถูกรวมไว้ในระนาบเฉือน (Shear Plane) ร้อยละ 70 ของตัวเลขค่าความเค้นเฉือนยอมได้ถูกนำมาใช้ เนื่องจากความจริงที่ว่าความเค้นเฉือนในสลักเกลียวถูกคำนวณบนพื้นฐานของพื้นที่ตัดขวางทั้งหมด (Gross Cross-Section Area) ตามตัวเลขของช่วงพื้นที่ จาก 0.65 ถึง 0.76 ของเส้นผ่าศูนย์กลางสลักเกลียวขนาดต่างๆ จาก ¼ ถึง ¾ นิ้ว (6.3-19.10 มิลลิเมตร)

การทดสอบนี้เปรียบได้กับสลักเกลียวโครงสร้างเหล็กกล้าคาร์บอนที่มีความแข็งแรงสูง อย่างไรก็ตาม การทดสอบนี้ค่อนข้างกว้าง เพราะโดยทั่วไปความยาวของรอยต่อจะสั้นกว่าในโครงสร้างของเหล็กกล้า สเตนเลสขึ้นรูปเย็น สำหรับค่าความเค้นเฉือนที่ยอมได้ของสลักเกลียวโครงสร้างเหล็กกล้าคาร์บอนนี้ไม่ได้ลงรายการไว้ในตารางที่ 6 ทั้งนี้เนื่องจากสามารถใช้ค่านี้ได้เหมือนกัน

แรงบิด (Torque) การพิจารณาปัจจัยอื่นๆ ว่าข้อต่อมีการขันแน่นอย่างเหมาะสมนั้น อยู่ที่แรงบิดที่ใช้กับตัวยึด ตารางที่ 7 เป็นค่าแรงบิดสูงสุดที่แนะนำสำหรับตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าสเตนเลส ค่าที่ปรากฎในตารางนี้ มาจากการทดสอบของอุตสาหกรรมที่ให้ค่าการหนีบสูงสุดและมีความเสี่ยงของการจับยึดต่ำสุด โดยตัวยึดที่ทดสอบต้องแห้งปราศจากสารหล่อลื่น และถูกเช็ดทำความสะอาดแล้วเป็นอย่างดี

สายการผลิตส่วนใหญ่จะประกอบด้วยส่วนต่างๆ ของเครื่องจักรที่สามารถปรับได้เพื่อกำหนดค่าแรงบิด ปัญหาส่วนใหญ่เกิดเมื่อมีการเปลี่ยนเครื่องจักรโดยที่ไม่มีเครื่องมือวัดแรงบิด ซึ่งในสภาพดังกล่าวมีแนวทางที่ควรปฏิบัติดังนี้

1. ขันน๊อตให้แน่นด้วยนิ้วมือ แรงบิดประมาณ 1 ฟุต-ปอนด์ หรือน้อยกว่า

2. ขันน๊อตให้แน่นเพิ่มอีกหนึ่งรอบ 360 องศา เพื่อให้ได้แรงบิดที่ถูกต้อง แนวทางนี้เป็นตัวเลขคร่าวๆที่นำมาประยุกต์ใช้เบื้องต้นสำหรับตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าสเตนเลส อนุกรม 300 แต่สำหรับตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าสเตนเลสอนุกรม 400 ที่มีการอบชุบแข็งและการอบคืนตัว (Hardened and Tempered) แรงขันนี้อาจสูงเกินไป และไม่ว่ากรณีใดก็ตามการทดลองเพื่อทดสอบควรใช้ประแจปอนด์ (Torque Wrench) จะเป็นวิธีที่ดีที่สุด

ในการใช้งานที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น การเกิดออกไซด์หรือตะกรันบนผิวตัวยึดอาจจะละลายผิวเกลียวเข้าด้วยกัน การคลายและการขันแน่นน๊อตใหม่จะช่วยป้องกันปัญหานี้ได้

วิศวกรบางคนมีความเห็นว่ามีหนทางเดียวเท่านั้นที่จะหลีกเลี่ยงการติดยึดแน่นและการเสียดสีอย่างรุนแรงของตัวยึด คือการหล่อลื่นเกลียวก่อนที่จะประกอบยึดชิ้นงานเข้าด้วยกัน นอกจากนี้สารหล่อลื่นยังสามารถทำให้ความสัมพันธ์ของแรงบิด – แรงดึงเป็นดังรูปที่ 4 ตัวยึดที่หล่อลื่นแล้วจะต้องการแรงบิดที่น้อยเพื่อให้ได้องศาเดียวกันกับแรงดึงหรือแรงที่จับยึด สารหล่อลื่นที่แตกต่างจะมีผลกระทบที่แตกต่างเช่นกัน สำ หรับตัวอย่างเช่นขี้ผึ้งที่ทาบนสลักเกลียวหรือน็อตอันใดอันหนึ่ง หรือทั้งคู่  ก็มีวัตถุประสงค์เพื่อลดแรงบิด

ถ้าจะทดสอบใช้สารหล่อลื่น ควรกำหนดค่าแรงบิดที่ต้องการเพื่อประเมินประสิทธิภาพของสารหล่อลื่นนั้น ต่อสภาพแวดล้อมที่ทดสอบเช่นทดสอบที่อุณหภูมิสูงเป็นต้น สารหล่อลื่นนิยมใช้ทั้งหลายจะประกอบด้วย โมลิบดินัมซัลไฟด์ที่ประกอบด้วย 2 อะตอมของกำมะถัน แกรไฟด์ ไมก้าแทนคัม  ทองแดง สังกะสี สังกะสีออกไซด์ อย่างไรก็ตาม สารหล่อลื่นที่ป้องกันการเกาะยึดสำหรับสังกะสีและแบริ่งทองแดง ไม่แนะนำให้ใช้กับเหล็กกล้าสเตนเลส

การเสียดสีที่ทำให้เกิดความรุนแรงและการยึดติดแน่น

เพื่อให้ระบบของตัวยึดมีประสิทธิภาพ ผู้ออกแบบควรมีส่วนเกี่ยวข้องกับการใช้ตัวยึดอย่างเหมาะสมโดยเฉพาะอย่างยิ่งว่าควรจะติดตั้งตัวยึดอย่างไร

ไม่ว่าผลิตภัณฑ์ใดๆ การใช้งานตัวยึดอย่างมีประสิทธิภาพนั้นจำเป็นต้องมีความรู้เกี่ยวกับลักษณะของผลิตภัณฑ์นั้นๆ เช่นเดียวกันกับการใช้งานตัวยึดที่ถูกต้องเหมาะสม ความล้มเหลวในการติดตามและความล้มเหลวจากการฝึกฝนทดสอบ จะนำไปสู่ความยุ่งยากเช่น การยึดติดแน่นและการเสียดสีของผิวชิ้นงาน ซึ่งสามารถเผชิญกับตัวยึดที่ทำจากวัสดุชนิดต่างๆ รวมถึงตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าสเตนเลส มีสาเหตุหลายประการที่เปิดเผยการกระทำของผู้ออกแบบว่าจะขจัดหรือลดความยุ่งยากเช่นนั้นให้มีน้อยที่สุดได้อย่างไร

หนึ่งในสาเหตุทั่วไปที่ทำให้เกิดการเสียดสีของผิวชิ้นงานอย่างรุนแรงคือ การจัดคู่เกลียวไม่ถูกต้องหรือเกลียวอยู่ในรูปแบบเดียวกันจากส่วนก้านจนถึงส่วนบ่าของสลักเกลียวตัวยึดที่ผลิตตามมาตรฐานระหว่างประเทศดังที่ประกาศโดย

สถาบันมาตรฐานแห่ง ชาติอเมริกัน (ANSI) ซึ่งจะรับประกันว่าเกลียวของน๊อตและโบลท์อยู่ในหน่วยเดียวกัน

การดูแลรักษาตัวยึดที่ถูกวิธีนั้นควรจะระมัดระวังตั้งแต่การเคลื่อนย้ายการเก็บรักษาเกลียวของตัวยึดให้สะอาด โดยเฉพาะยิ่งความสกปรกที่เกิดจากฝุ่นหยาบและทราย เนื่องจากสิ่งสกปรกเหล่านี้จะส่งผลต่อการการเสียดสีของผิวชิ้นงานอย่างรุนแรงและการยึดติดแน่นอย่างมีนัยสำคัญ

 

การออกแบบเพื่อความต้านการการกัดกร่อนดีที่สุด

การพิจารณาการป้องกันการผุกร่อนสำหรับจุดที่ต่อเข้าด้วยกันควรมีมากกว่าที่จะพิจารณาถึงความต้านทานการกัดกร่อนของตัวยึดเอง ทั้งนี้เพราะถ้าไม่มีการออกแบบหรือไม่ระบุรายละเอียดสำหรับเงื่อนไขของการปฏิบัติงานอย่างถูกต้องแล้ว โดยธรรมชาติของระบบตัวยึดที่มีอยู่หลากหลายเสมือนเป็นตัวแทนที่แสดงให้เห็นถึงรอยแตกที่มีอยู่ก่อนแล้ว (ภายใต้สภาวะที่เป็นน้ำ) และรอยบาก (การกระแทกที่ทำให้เกิดความล้าและการผุกร่อน) ก็จะทำให้เกิดความเสียหายได้ง่าย การวิเคราะห์จุดต่อที่ประกอบเข้าด้วยกัน เสมือนเป็นระบบหนึ่ง คือสิ่งที่ต้องการ ซึ่งจะรวมถึงการประเมินค่าของการออกแบบโครงสร้างวัสดุ ความเค้น การคาดคะเนอายุผลิตภัณฑ์และเงื่อนไขทางด้านสิ่งแวดล้อม

นับตั้งแต่ความต้านทานการผุกร่อนคือลักษณะที่สำคัญของความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ ในความพยายามใดๆ ที่มีอยู่แล้วเพื่อป้องกันการผุกร่อนคือการเลือกวัสดุสำหรับผลิตตัวยึดด้วยความระมัดระวัง การฝึกฝนทั่วไปในอุตสาหกรรมคือการใช้วัสดุสำหรับผลิตตัวยึดจากโลหะหรือโลหะผสม ที่มีความต้านทานการผุกร่อนได้ดีกว่าวัสดุที่ต่อเข้าด้วยกัน

เหล็กกล้าสเตนเลสออสเทนิติกที่มีธาตุโครเมียมผสมอยู่มากกว่า 12% โดยน้ำหนัก จึงทนต่อการกัดกร่อนหลายสภาพ แวดล้อมโดยเฉพาะอย่างยิ่งน้ำที่มีคลอไรด์ต่ำ (ต่ำกว่า 2000 ppm) นอกจากนี้เหล็กกล้าสเตนเลสยังมีศักดิ์ทางไฟฟ้าสูงกว่าโครงสร้างที่ต่อเข้าด้วยกัน ดังนั้นเหล็กกล้าสเตนเลสจึงได้รับการป้องกันการกัดกร่อนโดยโครงสร้างเหล่านั้น

ลักษณะที่ปราศจากการเกิดสนิมของเหล็กกล้าสเตนเลสทำให้ตัวยึดที่ทำจากวัสดุนี้เหมาะสำหรับนำไปใช้เกี่ยวกับงานสถาปัตยกรรมที่หลากหลายและเหมาะสำหรับการใช้งานตามสภาพอากาศทั่วไป (ภายนอกและภายใน)

การผุกร่อนที่เกิดจากน้ำ (Aqueous Corrosion)

การผุกร่อนคือการเสื่อมสภาพของโลหะอันเกิดจากปฏิกิริยาไฟฟ้าหรือจากปฏิกิริยาเคมีโดยตรงหรืออย่างใดอย่างหนึ่ง การผุกร่อนเหล่านี้สามารถนำไปสู่ระบบทางโครงสร้างที่ทรุดโทรมไม่แข็งแรงส่งผลให้เสียเวลาในการเปลี่ยนชิ้นส่วนและซ่อมแซมเป็นอย่างมาก

ความเสียหายจากการผุกร่อนโดยรวมสะท้อนให้เห็นจากความเสียหายของน้ำหนักวัสดุซึ่งเป็นรูปแบบทั่วไปที่พบมากที่สุด ที่น่ากังวลอีกก็คือความเสียหายจากการกัดกร่อนที่สามารถพบเห็นอยู่บ่อยๆ จะอยู่ในรูปแบบของการกัดกร่อนแบบรูเข็มเฉพาะจุด และ ความเสียหายในลักษณะเป็นรูเข็ม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่เป็นคลอไรด์และกรดคลอไรด์  ถ้าไม่สามารถควบคุมสภาพแวดล้อมได้ การแก้ไขหรือเปลี่ยนวัสดุ ให้มีความความต้านทานการผุกร่อนสูงขึ้นอาจเป็นทางเลือกหนึ่งที่ต้องพิจารณา

ชนิดของการกัดกร่อนโดยพื้นฐานแล้วมีอยู่ด้วยกันหลายชนิดที่อาจปรากฏให้เห็น ทั้งในรูปแบบของการเกิดการกัดกร่อนแยกกันหรือการกัดกร่อนรวมกันทำให้เกิดความจำเป็นที่จะต้องเข้าใจถึงการเลือกวัสดุสำหรับเป็นแนวทางในการออกแบบพื้นฐานดังนี้

การกัดกร่อนเนื่องจากความต่างศักย์ไฟฟ้า (Galvanic Corrosion) การกัดกร่อนแบบนี้สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อโลหะต่างชนิดกันมาสัมผัสกันในสารละลาย โดยจะเกิดการกัดกร่อนมากในบรรยากาศของอุตสาหกรรมที่มีความเปียกชื้น

เมื่อโลหะต่างชนิดกันมาสัมผัสกันในของเหลว เซลล์แบตตเตอรี่ก็จะถูกสร้างขึ้นโดยเกิดการไหลของกระแสไฟฟ้าพร้อมกับเกิดการกัดกร่อนขึ้นกับเซลล์ไฟฟ้าที่เป็นแอโนดิค (Anodic) หรือที่เป็นขั้วบวก รูปที่ 5 แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ที่เกี่ยวข้องกันระหว่างแอโนดิค (Anodic) และ แคโธดิค (Cathodic) ของโลหะเมื่อถูกปล่อยทิ้งไว้ในน้ำทะเล ทำให้ทราบถึงลำดับของโลหะหรือโลหะผสมซึ่งจะจัดตามแนวโน้มการสูญเสียอิเลคตรอนในน้ำทะเล (Galvanic Series) นอกจากนี้ การกัดกร่อนส่วนใหญ่จะโจมตีส่วนประกอบที่เป็นแอโนดิคของโลหะผสม ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีว่า แมกนีเซียม สังกะสี และอลูมิเนียมที่เป็นแอโนด เมื่อนำไปติดเข้ากับส่วนของเรือที่เป็นเหล็ก ทั้งแมกนีเซียม สังกะสี และอลูมิเนียมจะถูกกัดกร่อนแทนโครงสร้างเหล็กที่มีลักษณะเป็นแคโธด จากการเปรียบเทียบพบว่ามีน้อยที่การเกิดกัลวานิคจะส่งผลต่อประกับ (Coupling) ของโลหะที่อยู่ในกลุ่มเดียวกันเช่น สเตนเลสต่อเข้ากับสเตนเลส หรือ โลหะผสมที่ใกล้เคียงกันในอนุกรมกัลป์วานิค เช่น สเตนเลส ต่อเข้ากับทองแดง – นิเกิล เป็นต้น

เป็นสิ่งสำคัญเช่นเดียวกัน ถ้ามีความเข้าใจถึงพื้นที่ที่เกี่ยวข้องของวัสดุต่างชนิดกันที่สัมผัสกันโดยตรงเช่น ระบบตัวยึด (Fastener System) ที่โดยปกติจะมีพื้นที่ผิวสัมผัสน้อยที่สุดกับวัสดุที่ต่อเข้าด้วยกัน

ดังนั้น ระบบตัวยึดควรเป็นแคโธดิคกับวัสดุที่นำมาต่อเข้าด้วยกัน ซึ่งตัวอย่างเห็นได้จากภาพเครื่องกั้นแม่น้ำเธมส์ที่ใช้สลักเกลียวยึดโครงสร้าง

ในอุตสาหกรรมเครื่องบิน ผู้ออกแบบจะให้ความไว้ใจในหลักการความสัมพันธ์ของพื้นที่ที่เกี่ยวข้อง โดยเจาะจงใช้ตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าสเตนเลสในโครงสร้างที่เป็นอลูมิเนียม ทั้งนี้เนื่องจากพื้นที่เกี่ยวข้องมีลักษณะเป็น แอโนดิค ซึ่งการใช้ตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าสเตนเลสในโครงสร้างที่เป็นอลูมิเนียมดังกล่าวจะทำให้เกิดการผุกร่อนที่รุนแรงน้อยกว่า

จากการเปรียบเทียบจะเห็นได้ว่าสลักเกลียวปล่อย (Stud) ที่ทำจากเหล็กกล้าหรือโลหะผสมทองแดงที่ใช้สำหรับต่อชิ้นงานเหล็กกล้าสเตนเลสเข้าด้วยกันจะเป็นตัวเร่งการผุกร่อนของระบบตัวยึด ถึงแม้ว่าขอบเขตของการโจมตีแบบกัลวานิคจะขึ้นอยู่กับพื้นที่ที่เกี่ยวข้องของวัสดุแต่ละชนิดก็ตาม

ความสัมพันธ์เชิงพื้นที่ไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับพื้นที่ที่เกี่ยวข้องของวัสดุในโครงสร้างเท่านั้นแต่ยังขึ้นอยู่กับจำนวนของตัวยึดที่ใช้ บางครั้งความสมดุลที่สามารถยอมรับได้ของชนิดโลหะที่ไม่สอดคล้องกันนั้นอาจทำให้สำเร็จโดยการปรับจำนวนของตัวยึด เพื่อ กระจายให้เหมือนกันซึ่งจะเป็นการหลีกเลี่ยงเงื่อนไขที่พื้นที่ทั้งหมดมีความสัมพันธ์กันน้อย

กฎทั่วไป คือ ให้ใช้โลหะที่มีสกุลสูงกว่า (More Noble) กับโลหะที่มีพื้นที่ผิวเล็กกว่า  ด้วยเหตุนี้ทำให้ตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้าสเตนเลสเป็นทางเลือกที่ดีสำหรับต่อโลหะเข้าด้วยกัน ซึ่งจะทำให้เกิดการผุกร่อนน้อยกว่าการใช้ตัวยึดที่ทำจากโลหะชนิดอื่น ตารางที่ 12 ในหัวข้อ “พื้นฐานของตัวยึด” (Fastener Basics) เป็นข้อมูลที่สามารถใช้เป็นแนวทางในการเลือกใช้ตัวยึด สำหรับโลหะพื้นฐานต่างๆ  ซึ่งถ้ามีความเป็นไปได้สูงที่จะเกิดการผุกร่อนแบบกัลวานิคในจุดต่อที่ถูกขันแน่นเข้าด้วยกัน เป็นไปได้ที่จะต้องหุ้มฉนวนให้กับตัวยึด

 

การกัดกร่อนแบบเซลล์เข้มข้น  (Concentration Cell Corrosion) การกัดกร่อนแบบนี้จะเกิดขึ้นเมื่อพื้นที่สัมผัส 2 พื้นที่หรือมากกว่าถูกทิ้งไว้ในสภาพแวดล้อมที่มีความเข้มข้นของปัจจัยที่ทำให้เกิดการผุกร่อนที่แตกต่างกัน เช่น ทิ้งไว้ภายใต้สิ่งตกตะกอนต่างๆ หรือตามมุมอับเป็นต้น  ผลของความต่างศักดิ์ทางไฟฟ้าและสถานที่มีการผุกร่อน จะไม่เหมือนกับการผุกร่อนแบบกัลวานิคที่เกิดจากโลหะต่างชนิดกัน

ในกรณีของมุมอับที่แคบมากๆ และปริมาณออกซิเจนที่บริเวณผิวสัมผัสของโลหะมีน้อย ในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำสามารถสร้างความแตกต่างของขั้วไฟฟ้าบวกและลบ ของวัสดุที่สัมผัสกันดังเช่นในกรณีของหน้าแปลนที่มีซีลกันรั่ว เช่น ประเก็น หรือ   โอริง (O-Ring) หรือบริเวณที่เชื่อมต่อด้วยสลักเกลียว จะก่อให้เกิดการตกตะกอนของสิ่งสกปรกหรือเกิดมุมอับโดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบน้ำที่มีคลอไรด์

ในกรณีของอุณหภูมิแวดล้อมทั่วๆไป การกัดกร่อนในลักษณะนี้จะไม่เกิดขึ้นกับ สเตนเลสเกรด 304 เมื่อระดับคลอไรด์มีน้อยกว่า 200 ppm  และจะไม่เกิดขึ้นกับ สเตนเลสเกรด 316 เมื่อระดับคลอไรด์มีน้อยกว่า 1000 ppm โดยปริมาณโมลิบดินัม (Mo) ที่สูงกว่าในโลหะผสมนี้ จะช่วยให้มีความต้านทานการกัดกร่อนมากกว่าสเตนเลสอนุกรม 304

เพื่อหลีกเลี่ยงรูปแบบของการกัดกร่อนนี้ รวมทั้งเพื่อรักษาความเรียบของผิวสเตนเลส และทำให้เกิดรอยต่อน้อยที่สุดหรือเพื่อขจัดรอยต่อ รอยแตก และรอยตะเข็บ ผิวของสเตนเลสควรสะอาดปราศจากวัสดุอินทรีย์หรือสิ่งสกปรกอื่นๆ สลักเกลียวและนัทควรมีผิวที่เรียบโดยเฉพาะบริเวณที่สัมผัสและหากเป็นไปได้ตัวยึดควรเลือกใช้สลักเกลียวที่มีหัวเกลียวดีๆ

การแตกเนื่องจากความเค้นในสภาวะการกัดกร่อนจากไอออนของคลอไรด์ (Chloride Ion Stress Corrosion Cracking)         

เป็นปรากฏการณ์ของการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าสเตนเลสอนุกรม 300 โดยจะต้องอยู่ในสภาวะสามประการจึงจะก่อให้เกิดการกัดกร่อนดังกล่าวได้แก่ สภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์ ความเค้น (ซึ่งจะเกิดขึ้นอยู่แล้วกับการดึงตัวยึด) และอุณหภูมิ (ปกติจะไม่เกิดขึ้นกับอุณที่ต่ำกว่า 60 องศาเซนเซียส) ภายใต้สภาวะดังกล่าว สเตนเลสที่ควรถูกพิจารณาสำหรับการใช้งานคือเกรดดูเพล็กซ์ หรือวัสดุที่มีส่วนผสมของนิเกิลสูง มีโมลิบดินัม 6 เปอร์เซ็นต์ โดยรูปแบบของการเกิดรอยแตกเนื่องจากความเค้นในสภาวะการกัดกร่อนอันเนื่องมาจากไอออนของคลอไรด์นี้จะไม่เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าสเตนเลสอนุกรม 400 แต่ปกติสเตนเลส อนุกรม 400 นี้จะมีความต้านทานการกัดกร่อนที่ด้อยกว่า

การกัดกร่อนเนื่องจากความล้า (Corrosion Fatigue) เป็นการกัดกร่อนที่เกิดจากความล้า ซึ่งลักษณะความล้าโดยทั่วไปของเกรดเฟอร์ริติก มาร์เทนซิติก และเหล็กกล้าผสม มักจะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ อันเนื่องมาจากการกัดกร่อนของน้ำทั่วไปหรือการโจมตีของการกัดกร่อนแบบรูเข็ม ส่วนเหล็กกล้าสเตนเลส เกรดออสเทนนิติก เกรดดูเพล็กซ์ และเกรดซุปเปอร์   ออสเทนนิติกจะแสดงสมบัติความล้าอากาศ (Air Fatigue) ที่ค่อนข้างต่ำ

ปัจจัยที่ควรกระทำเพื่อให้ทนต่อความล้าคือการใช้งานและการบำรุงรักษาก่อนการรับโหลดที่สูงของชิ้นงาน และการวางแนวชิ้นงานให้ถูกต้องเพื่อหลีกเลี่ยงการดัดโค้งที่ทำให้เกิดความเค้น

 

การใช้งานตัวยึดที่อุณหภูมิสูง         

การเลือกตัวยึดที่ทำจากสเตนเลสสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงเป็นเรื่องที่ค่อนข้างซับซ้อน ทั้งนี้เพราะว่ามีปัจจัยหลายอย่างเข้ามาเกี่ยวข้อง เป็นต้นว่า สมบัติทางด้านกายภาพและสมบัติเชิงกลเป็นเรื่องที่ได้มีการหยิบยกขึ้นมาพิจารณาร่วมกันในด้านของความต้านทานการกัดกร่อน

โครเมียมเป็นส่วนสำคัญสำหรับสมบัติความต้านทานการการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูงของเหล็กกล้า สเตนเลส โดยผลของโครเมียมในโลหะผสมเหล็ก-โครเมียมต่อระดับความต้านทานการกัดกร่อนดังแสดงในรูปที่ 6 ด้วยเหตุนี้เหล็กกล้าสเตนเลสเกรด 309, 310, 442 และ 446 จึงมีความเหมาะสมสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมต่างๆ ขณะที่ สเตนเลสเกรดที่มีไททาเนียม โคลัมเบียมและแทนทาลัม เช่น เกรด 321, 347 และ 348 ก็อยู่ในข่ายที่สามารถนำมาพิจารณาสำหรับการใช้งานที่มีอุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น

corrosion high temp

ในข้อต่อทั้งหมดที่ถูกยึดเข้าด้วยกันนั้นตัวยึดจะถูกขันให้แน่นซึ่งจะส่งผลต่อความเค้นยืดหยุ่นและความเครียด ณ บริเวณที่อุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น การคืบ (Creep) เกิดขึ้นตรงบางส่วนของความเครียดยืดหยุ่นที่ถูกเปลี่ยนแปลงสภาพสู่ความเครียดถาวร ขณะที่ความเค้นที่เกี่ยวข้องกันจะลดลง ลักษณะที่เกิดนี้เป็นรูปแบบของการผ่อนคลาย เมื่อสลักเกลียว (Bolt) มีการผ่อนคลายระยะเวลาในการบำรุงรักษาข้อต่อที่แน่นก็จะน้อยลง

ความต้านทานต่อการคืบหรือการผ่อนคลายเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญข้อหนึ่งสำหรับระบบตัวยึด ในการใช้งานที่อุณหภูมิสูง ตารางที่ 8 แสดงให้เห็นถึงค่าความคืบสำหรับเหล็กกล้าสเตนเลสที่มีการใช้งานอย่างกว้างขวาง ซึ่งตัวอย่างจะเห็นได้จากตัวยึดชั้นวางของตามท้องตลาดทั่วไป

ข้อพิจารณาอื่นๆ สำหรับการใช้งานที่อุณภูมิสูงคือ ลักษณะการขยายตัวของวัสดุเนื่องจากความร้อน (Thermal Expansion) และความต้านทานการเกิดการเสื่อมสภาพอันเนื่องมาจากการทำปฏิกิริยากับออกซิเจน (Oxidation Resistance)

การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของตัวยึดควรจะสอดคล้องกับลักษณะการขยายของวัสดุที่กำลังถูกขันแน่นเข้าด้วยกัน (ตารางที่ 9) ซึ่งสามารถสรุปตามหลักความเป็นจริงได้ว่าตัวยึดที่ทำจากเหล็กกล้า สเตนเลส เป็นชนิดตัวยึดที่ดีที่สุดสำหรับจุดต่อที่มีโลหะพื้นฐานเป็นเหล็กกล้าสเตนเลส เพราะถ้าแตกต่างจากนี้จะมีความเค้นมากเกินไปและอาจนำไปสู่ความเสียหาย หรือเกิดความสูญเสียแรงยึดอย่างรวดเร็ว

ความต้านทานการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่นหรือความต้านทานการเกิดสเกลของเหล็กกล้าสเตนเลส ภายใต้สภาวะอุณหภูมิคงที่จะมีความสัมพันธ์มากที่สุดกับปริมาณโครเมียมที่มีเหล็กกล้าสเตนเลสดังแสดงให้เห็นในรูปที่ 6 สำหรับตารางที่ 10 จะแสดงให้เห็นถึงอุณหภูมิความต้านทานการเกิดสเกล ณ บริเวณที่มีการใช้งานอย่างต่อเนื่องสูงสุดและการใช้งานไม่ต่อเนื่องสูงสุด (อุณหภูมิเกิดการหมุนเวียน)

เนื่องจากอุณหภูมิสูงส่งผลให้สภาพแวดล้อมถูกปนเปื้อนโดยสารประเภทกำมะถัน คาร์บอน ไฮโดรเจนและฮาโลเจน  ทำให้ปัญหาการคัดเลือกวัสดุมีความซับซ้อนยิ่งขึ้น

ไม่ว่าอย่างไรก็ตาม เหล็กกล้าสเตนเลสเป็นวัสดุที่มีการนำมาใช้งานอย่างกว้างขวางในสภาพแวดล้อมดังกล่าว โดยถ้อยแถลงเกี่ยวกับการใช้งานเหล็กกล้าสเตนเลสนี้พบว่ามีการเผยแพร่โดยบริษัทนิกเกิล (The International Nickel Company) เรื่อง “ความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าสเตนเลส โครเมียม-นิกเกิล ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูง”

การใช้งานตัวยึดที่อุณหภูมิต่ำ               

ความสำคัญเบื้องต้นต่อการพัฒนาการจ่ายก๊าซธรรมชาติของโลกคือการขนถ่ายและการจัดเก็บก๊าซธรรมชาติเหลว (Liquid Natural Gas: LNG) โดยตัวยึดจะมีกฎในกระบวนการของก๊าซธรรมชาติเหลวสำหรับงานท่อและหน้าแปลนของอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน

เหล็กกล้าสเตนเลสออสเทนนิติกเป็นวัสดุที่มีการนำไปใช้งานอย่างกว้างขวางในที่มีอุณภูมิต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเกรด 304 ทั้งนี้เพราะว่าเกรดดังกล่าวจะไม่เปราะขณะที่ถูกแช่แข็ง เกรด 304 ไม่เพียงแต่ยังคงสภาพความทนทานต่อการแตกหักและความเหนียวที่อุณภูมิ LNG ซึ่งติดลบ 260F (-162 °C) เท่านั้น แต่ยังคงสมบัติดีเยี่ยมกับไฮโดรเจนเหลว ที่อุณหภูมิติดลบ 423F (-253 °C) และฮีเลียมเหลวอุณหภูมิติดลบ 452F (-268 °C) ตารางที่ 11 แสดงให้เห็นถึงสมบัติเชิงกลของเหล็กกล้า สเตนเลสชนิดต่างๆ ณ การใช้งานที่อุณภูมิต่ำ

สมบัติทางกายภาพของเหล็กกล้าสเตนเลส

สมบัติความเป็นแม่เหล็ก (Magnetic Properties)

สำหรับวัตถุประสงค์ของการกล่าวถึงสมบัติทางแม่เหล็กครั้งนี้ คือเพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับการที่ส่วนใดส่วนหนึ่งของเหล็กกล้าสเตนเลสสามารถถูกดูดติดได้และไม่ได้โดยแม่เหล็ก โดยวัสดุจะมีสมบัติทางแม่เหล็กชัดเจนยิ่งขึ้นจากค่าความซึมซาบทางแม่เหล็ก (Magnetic Permeability) และเป็นข้อที่พิจารณาสำคัญประการหนึ่งสำหรับการออกแบบและเหตุผลที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือความจำเป็นที่วัสดุต้องมีสมบัติทางแม่เหล็กเพื่อการทำงานของส่วนประกอบอย่างอัตโนมัติ อีกด้านหนึ่ง อุปกรณ์อิเลคทรอนิคที่มีความซับซ้อนสูง อาจต้องการวัสดุที่มีค่าความซึมซาบทางศูนย์แม่เหล็กต่ำมาก ซึ่งเหล็กกล้าสเตนเลสเป็นวัสดุที่สามารถสนองความต้องการได้ทั้งที่มีและไม่มีสมบัติทางแม่เหล็ก

สเตนเลสกลุ่มออสเทนนิติกมีศักยภาพความซึมซาบทางแม่เหล็กต่ำในสภาวะการอบอ่อนโดยแม่เหล็กจะไม่สามารถดูดติดได้ อย่างไรก็ตามหลังการขึ้นรูปเย็น แม่เหล็กจะสามารถดูดติดได้อย่างอ่อนๆ ในออสเทนนิติกบางเกรด ผลของการขึ้นรูปเย็นที่มีต่อสมบัติความเป็นแม่เหล็กสำหรับเหล็กกล้า สเตนเลสทั่วไปเกรด 18-8 ดังแสดงในรูปที่ 7 ส่วนค่าความซึมซาบทางแม่เหล็กที่อ้างถึงความต้านแรงดึงจะแสดงในรูปที่ 8

โดยปกติแล้วเหล็กกล้าสเตนเลสอนุกรม 400 จะมีสมบัติทางแม่เหล็กสูง โดยองศาความซึบซาบทางแม่เหล็กของเกรดดังกล่าว มีผลมาจากส่วนผสมทางเคมีและการทำให้ร้อน นอกจากนี้เพื่อให้ได้ค่าความซึมซาบเบื้องต้นสูงสุด ควรจะรักษาส่วนผสมของคาร์บอนให้ต่ำ  เกรด 416 และเกรด 430 ควรได้รับการอบอ่อนอย่างเต็มที่ เพื่อให้ลักษณะทางแม่เหล็กดีที่สุด

ในระหว่างการอบอ่อน ควรใช้ไฮโดรเจนแห้งเพื่อความเงาของผิวและป้องกันไม่ให้มีสารมลทินต่างๆ เช่นคาร์บอนหรือไนโตรเจน ซึ่งสิ่งเหล่านี้จะสามารถลดความซึมซาบของแม่เหล็กได้

นอกจากนี้การทำความสะอาดทางเคมีจะช่วยขจัดเศษจากผิวซึ่งอาจช่วยปรับปรุงความซึมซาบทางแม่เหล็กได้ เช่นเดียวกัน

อ่านและดาวโหลดบทความฉบับสมบูรณ์

siamstainless-downloads-smartrue

บทความโดย ผาล้อม (Wi@JJ) สเตนเลสเพื่อคนไทย www.siamstainless.com

แปลเพื่อการศึกษาเรียนรู้เท่านั้น