บทคัดย่อ : สเตนเลสกลุ่มออสเทนไนท์มีความไวต่ออุณหภูมิสูงช่วง 470-750 oC เนื่องจากการตกผลึกของคาร์ไบด์ที่ขอบเกรน การตกผลึกตรงขอบเกรนสามารถทำให้เกิดอันตรายต่อสมบัติต้านทานการกัดกร่อนรอบขอบเกรน และลดความแข็งแรงดึง (tensile) ของวัสดุ เฉพาะอย่างยิ่งความแข็งแรงและความเหนียว รายงานชิ้นนี้จะประเมินจุดเหมาะสมของกรรมวิธีทางความร้อนสำหรับแนวทางการอบอ่อนของสเตนเลส AISI304 หลังการกระตุ้น (sensitization) มาตรฐานชิ้นงานทดสอบแรงดึงและความแข็งจัดเตรียมโดยเครื่องกลึงความแม่นยำสูง ชิ้นงานเหล่านี้ผ่านกรรมวิธีทางความร้อนหลายขั้นตอน ประกอบด้วยการกระตุ้นที่ 660 oC ตามด้วยการเป่าให้เย็นด้วยลม จากนั้นนำไปอบอ่อนที่อุณหภูมิแตกต่างกันห้าแบบ 1010 oC 1050 oC 1090 oC 1140 oC 1190 oC ตามด้วยการชุปแข็งในน้ำ (water Quenching) ชิ้นงานเหล่านนี้จะนำไปทดสอบสมบัติเชิงกลด้าน ความแข็งและแรงดึง อิทธิพลของกระบวนการทางความร้อนและอุณหภูมิต่อสมบัติเชิงกลของชิ้นงาน 304 ทั้งชิ้นงานตั้งต้น (as-received) หลังกระตุ้น (sensitized) และหลังอบอ่อน (solution annealed) จะถูกประเมิน การสอบสวนเผยให้เห็นถึงชิ้นงานที่ผ่านการกระตุ้นให้ค่าความแข็งสูงสุดที่ 660 oC ขณะที่ค่าความแข็งสูงสุดไปถึงอุณหภูมิ 1090 oC สำหรับการอบอ่อนสเตนเลส 304 อุณหภูมินี้พบว่าดีที่สุดในการป้องกันเกรนโตในการอบอ่อนสเตนเลส 304

คีย์เวิร์ด  : การอบอ่อน  การกระตุ้น  สมบัติเชิงกล โครเมียมคาร์ไบด์   กรรมวิธีทางความร้อน

I. บทนำ

สเตนเลสเริ่มคิดค้นขึ้นในต้นศตวรรษที่ 20[1] อันเนื่องจากการใช้เหล็กกล้าคาร์บอนเริ่มมีข้อจำกัดต่อบรรยากาศที่มีการกัดกร่อนและการเกิดออกซิเดชั่นสูง[2] ในเดือนสิงหาคม 1913 เฮนรี่ แบร์เลย์ (Harry Brearley) ใน เซฟฟิลด์ (Sheffield อังกฤษ) ได้หลอมสเตนเลสขึ้นครั้งแรกที่มีโครงสร้างจุลภาคเป็นมาร์เทนไซด์จากส่วนผสมของคาร์บอน 0.24% และโครเมียม 12.8%[3] อย่างไรก็ตาม สทรัสส์และเมาเรอร์ (Strauss and Maurer) ในเยอรมันได้ผลิตเกรดออสเทนไนท์ขึ้นครั้งแรกในปีเดียวกันโดยเพิ่มสารเสถียรอย่าง นิกเกิล ยิ่งกว่านั้นในอังกฤษ แดนซิทเซน (Dansitzen) ได้ทำการวิเคราะห์ผลงานของแบร์เลย์แล้วทำการทดลองด้วยส่วนผสมคาร์บอนต่ำ นำไปสู่การค้นพบสเตนเลสโครงสร้างเฟอร์ไรด์[4] ปกติ สเตนเลสเกรดออสเทนไนท์ มาร์เทนไซด์และเฟอร์ไรด์ ได้ค้นพบตั้งแต่ก่อนสงครามโลกครั้งที่หนึ่ง[5] ทุกวันนี้เมื่อพิจารณาโลกที่ร้อนขึ้น มลภาวะด้านสิ่งแวดล้อม และวงจรต้นทุน ความต้องการวัสดุที่มีคุณค่าทำให้มีการเพิ่มการผลิตสเตนเลสขึ้นอย่างต่อเนื่อง  เหล็กกล้าผสมคาร์บอนมีการผลิตอย่างกว้างขวาง ประมาณการณ์ราว 2% เป็นสเตนเลส[1] สเตนเลสกลุ่มออสเทนไนด์เนื่องจากมีความต้านทานกัดกร่อนยอดเยี่ยม สมบัติเชิงกลที่ดี และ เชื่อมประสานได้ดี จึงมีการใช้งานในอุตสาหกรรมผลิตน้ำมัน แก๊สและพลังงาน[4,6,7]

ส่วนผสมทางเคมีในสัดส่วนของแต่ละองค์ประกอบ และการตรวจวัดช่วงอุณหภูมิที่ใช้สำหรับสเตนเลสออสเทนไนติกในการทำกรรมวิธีทางความร้อนที่อุณหภูมิห้อง[8] เฟรสของออสเทนไนท์เป็นสารละลายของแข็งอิ่มตัวซึ่งไม่สามารถมีปริมาณคาร์บอนสูงเกิน 0.006 wt% ในสภาวะสมดุล อย่างไรก็ตาม สเตนเลสออสเทนไนท์หากมีคาร์บอนประมาณ 0.05% เมื่ออยู่ในสภาวะอุณหภูมิสูงจะก่อให้เกิดการตกผลึกแข็งของคาร์ไบด์ โดยปกติอยู่ในรูปของโครเมียมคาร์ไบด์ในสเตนเลสกลุ่ม 300[9,10] การตกผลึกแข็งของคาร์ไบด์อาจเป็นอันตรายต่อความต้านทานการกัดกร่อนตามขอบเกรนและลดสมบัติแรงดึงขอสเตนเลส โดยเฉพาะความแข็งแรงและความเหนียว[11]  สมบัติเชิงกลของออสเทนไนติกสเตนเลสจะรุนแรงมากแค่ไหนขึ้นกับส่วนผสมทางเคมี กรรมวิธีทางความร้อนและปริมาณการแปรรูปเย็น อย่างไรก็ตาม ความไวต่อความเปราะของไฮโดรเจน (hydrogen embrittlement, sensitization) ความแตกต่างของโครงสร้างคาร์ไบท์และเฟรสซิกม่าอาจนำไปสู่ผลกระทบต่อสมบัติเชิงกลได้[34] ในออสเทนไนติกสเตนเลส การเพิ่มส่วนผสมจะเพิ่มจำนวนตาข่ายผลึก (lattice parameters) ของออสเทนไนท์ซึ่งเป็นฟังค์ชั่นของเส้นผ่านศูนย์กลางของอะตอมของสะสารที่ใส่เข้าไป การเปลี่ยนแปลงของตาข่ายออสเทนไนท์ส่งผลให้เกิดความเครียดในตาข่ายของออสเทนไนท์พร้อมกับทำให้ค่าความแข็งแรงจำนนเพิ่มขึ้น เพื่อเพิ่มการต้านทานความบกพร่องจากการเลื่อนไถลของอะตอม (dislocation glide)[9,6] ในเหล็กกล้าที่มีความอ่อนไหว เมื่อโดนแรงกระทำ จะเกิดการแตกขยายผ่านตามของเกรน ทำให้เกิดความเสียหายเร็วขึ้นและส่วนใหญ่เกิดความเสียหายก่อนอันควรกับโครงสร้างทางวิศวกรรม[12]

เพื่อที่จะป้องกันการตกผลึกเป็นคาร์ไบด์ M2C บริเวณขอบเกรน (grain boundaries) การเติมสะสารอย่าง Ti และ Nb ในสเตนเลสจึงจำเป็น[9,11] ยิ่งกว่านั้น ยังมีรายการช่วงเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของสเตนเลสหลังการทำกรรมวิธีทางความร้อนไม่เกิน 1100 0C ตามด้วยการชุปแข็งในน้ำ สังเกตุได้ว่าอุณหภูมิของการทำออสเทนไนท์ได้สูงถึง 1100 0C สนับสนุนให้เกิดการสลายของคาร์ไบท์และทำให้โครเมียมมีมากขึ้น (Cr Enrichment) ในเมทริก[13] การละลายนี้ช่วยเพิ่มการคงอยู่ของโครงสร้างเฟรสออสเทนไนท์ในสเตนเลส ซึ่งส่งผลต่อสมบัติความต้านทานการกัดกร่อนดีขึ้น[14] ถึงแม้ว่าการศึกษาก่อนหน้านี้ได้ค้นพบอิทธิพลของความต้านทานการกัดกร่อนของสเตนเลสที่มีความอ่อนไหวภายหลังการทำกรรมวิธีทางความร้อน แต่การจำกัดสังเกตุจากเป้าหมายการทำกรรมวิธีทางความร้อนที่ดีที่สุดสำหรับการอบบอ่น AISI 304 เพื่อดูทั้งค่าความแข็ง ควมแข็งแรงจำนน ความแข็งแรงสูงสุด และความเหนียวหลังเกิดการกระตุ้น (เซนซิไทเชชั่น) จุดประสงค์ของการศึกษาครั้งนี้ เพื่อที่จะประเมินหาความเหมาะสมที่ดีที่สุดของอุณหภูมิในการทำกรรมวิธีทางความร้อนสำหรับการอบอ่อนสเตนเลส AISI 304

II. วัสดุกับวิธีการ

ตัวอย่างสเตนเลส 304 จากบิลเลทหมายเลข 123744 ได้ผ่านการรับรองคุณภาพและสมบัติเชิงกลจากห้องทดสอบของบริษัทเดลต้า สตีล อลักกิจา ลากอส นิจีเรีย ส่วนผสมทางเคมีของชิ้นงานที่รับมาเป็นชิ้นงานตั้งต้นประกอบด้วย C : 0.08%, Cr: 18.75%, Si:  1.0%, Ni: 10.5%, Mn: 2.0%. ส่วนผสมทางเคมีของเกรดที่รับมาตรงกับมาตรฐานข้อกำหนดของ AISI 304

A)     กรรมวิธีทางความร้อน

สิบสองชิ้นงานทำการกระตุ้น (เซนซิไทเชชั่น) โดยใช้เตาอุณหภูมิสูงที่  660 0C เป็นเวลา 30 นาที ชิ้นงานที่ผ่านการกระตุ้นแล้วจะทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้องในบรรยากาศปกติ กรรมวิธีการอบอ่อนจะกระทำทันทีจากชิ้นงานสิบชิ้นที่ผ่านการกระตุ้นแล้ว ด้วยอุณหภูมิที่ต่างกัน 1010 0C 1050 0C 1090 0C 1140 0C และ 1190 0C เป็นเวลา 30 นาทีภายในเตา

B)     การทดสอบสมบัติเชิงกล

ชิ่นงานทดสอบแรงดึงและความแข็งของสเตนเลส AISI304 จะเตรียมโดยเครื่องกลึงมาตรฐาน ASTM การทดสอบทางกลกระทำกับชิ้นงานตั้งต้น ชิ้นงานผ่านการกระตุ้นและชิ้นงานผ่านการอบอ่อนเพื่อประเมินคุณสมบัติแรงดึงและความแข็ง โดยความแข็งจะทดสอบจากเครื่องทดสอบความแข็งรอกแวลล์ (HV-1000 rockwell) ค่าความแข็งจะตรวจสอบจากค่าเฉลี่ย HRC ห้าจุดที่ทดสอบบนชิ้นงาน เช่นเดียวกันกับการทดสอบแรงดึง ก็จะทำกับชิ้นงานตั้งต้น ชิ้นงานผ่านการกระตุ้น และชิ้นงานผ่านการอบอ่อนที่อุณหภูมิห้องโดยใช้เครื่องทดสอบรุ่น 600kN อาเวรี่-เดนิสัน (600kN Avery-Denison) ปลายของชิ้นงานจะยึดกับเครื่องแล้วดึงจนกว่ามันจะขาด

A)     ความแข็ง

รูป 2 แสดงค่าความแข็งจุลภาคของชิ้นงานตั้งต้น ที่ผ่านการกระตุ้น และผ่านการอบอ่อน ชิ้นงานที่ผ่านการกระตุ้นที่ 660 0C ให้ค่าความแข็งสูงสุด (41HRC) เทียบกับชิ้นงานตั้งต้นและชิ้นงานผ่านการอบอ่อน การเพิ่มขึ้นของความแข็งอาจมาจากการเหตุผลของการตกผลึกแข็งของโครเมียมคาร์ไบด์ตรงบริเวณขอบเกรนของชิ้นงานที่ผ่านการกระตุ้น การตกผลึกแข็งของโครเมียมคาร์ไบด์ขัดขวางการเคลื่อนย้ายของความบกพร่องจากการเลื่อนไถลของอะตอม (dislocation movement) และลดความบกพร่องในตาข่ายผลึก (crystal’s lattice) ของชิ้นงานผ่านการกระตุ้น ยิ่งกว่านั้น การเคลื่อนย้ายของความบกพร่องจากการเลื่อนไถลของอะตอมมักอ้างอิงกับการเคลื่อนย้ายของคุณสมบัติความเป็นพลาสติก (plasticity) และความเหนียวของวัสดุในปริมาณมากจะขึ้นกับความง่ายของการแพร่ขยายของการเลื่อนไถลของตาข่ายผลึก (crystal lattice dislocation)[3]  ความแข็งของชิ้นงานอบอ่อนลดลงอย่างเห็นได้ชัดจากกรรมวิธีทางความร้อนที่อุณหภูมิ 1010 0C และ 1050 0C ซึ่งเพิ่มเล็กน้อยที่ 1090 0C การลดลงของความแข็งอาจเนื่องจากการเคลื่อนย้ายของคาร์ไบด์และการเพิ่มของโครเมียมในเมทริกที่อุณหภูมิเหล่านั้น อย่างไรก็ตาม ความแข็งจะพิ่มขึ้นจาก 20.4 HRC ถึง 24 HRC ที่ 10900C สิ่งนี้บ่งชี้ให้เห็นว่าโครเมียมคาร์ไบด์ละลายในตาข่ายผลึก (crystal’s lattice) มากขึ้นที่ 1090 0C เป็นสัญญาณชี้ว่าเมทริกของชิ้นงานถูกยืดออก ซึ่งส่งผลให้ความแข็งแรงของชิ้นงานเพิ่มขึ้น ยิ่งกว่านั้นคาร์ไบด์ทั้งหลายจะละลายอย่างสมดุลก่อนทำการหล่อเย็น (cooling stage) และจำเป็นต้องละลายโครเมียมคาร์ไบด์ช้าลง ตามแนวทางการพิจารณาข้างต้น อุณหภูมิสูงสุดเพื่อรักษาขอบเขตของการเติบโตของเกรนในการอบอ่อนสเตนเลส 304 พบที่ 1090 0C ชิ้นงานที่ผ่านกรรมวิธีทางความร้อนเหนืออุณหภูมินี้ (อุหณภูมิ 1140 0C และ 1190 0C) แสดงการลดลงของค่าความแข็ง หากอุณหภูมิมากกว่า 1190 0C การสังเกตุเห็นถึงการลดลงของความแข็ง ซึ่งจะสัมพันธ์กับพฤติกรรมการเติบโตของเกรนของชิ้นงาน  ผลเหล่านี้บ่งชี้ให้เห็นว่าอุณหภูมิที่ใช้ในการอบอ่อนสูงกับสเตนเลส AISI 304 จะขจัดรูปแบบการแยกของโลหะผสมกับเฟรสซิกม่า (sigma phase) ภายหลังการกระตุ้น (sensitization) ซึ่งส่งผลต่อการเพิ่มขึ้นของความเหนียวของสเตนเลส 304 อันเป็นผลของการละลายโครเมียมคาร์ไบด์ที่ขอบเกรนซึ่งได้ขัดขวางการเคลื่อนย้ายของความบกพร่องจากการเลื่อนไถลของอะตอม ดังนั้นเมทริก (matrix) จะถูกดึงน้อยลง และการเคลื่อนย้ายของความบกพร่องจากการเลื่อนไถลของอะตอมจะพบว่ามีความสัมพันธ์กับการการเลื่อนไถลของของผลึกส่งผลให้วัสดุอ่อนลง  การเติบโตของเกรนเกิดขึ้นระหว่างกรรมวิธีทางความร้อนในขั้นตอนการอบคืนตัว (recovery) และการเกิดผลึกใหม่ (recrystallization) อย่างสมบูรณ์ และการลดลงของพลังงานภายในอาจทำได้เพียงโดยการลดพื้นที่ทั้งหมดของขอบเกรน

hardness

 

 

B) ความแข็งแรง

การพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างความแข็งและความแข็งแรงของวัสดุเพื่อประเมินในรูปเส้นตรงตามรูปที่ 3 แสดงเปรียบเทียบผลการวัดค่าความแข็งแรงจำนนของชิ้นงานตั้งต้น ชิ้นงานผ่านกระตุ้น และชิ้นงานผ่านการอบอ่อน ชิ้นงานผ่านการกระตุ้นแสดงความแข็งแรงเพิ่มขึ้นมากสุดเมื่อเทียบกับชิ้นงานตั้งต้นและชิ้นงานอบอ่อน ทั้งหลายเหล่านนี้เป็นผลจากการตกผลึกแข็งของโครงสร้างโครเมียมคาร์ไบด์ตรงบริเวณขอบเกรนซึ่งส่งผลให้ขัดขวางการเคลื่อนย้ายของความบกพร่องจากการเลื่อนไถลของอะตอม (dislocation movement) และเป็นเหตุให้ความแข็งจำนนเพิ่มสูงขึ้น

การวิเคราะห์ก่อนหน้านี้รายงานว่า การผิดรูปของตาข่าย (lattice distortion) และผลต่อโมดูลัส (modulus) เป็นตัวบ่งชี้อย่างมีนัยะต่อการเพิ่มขึ้นของความแข็งแรงภายหลังกรรมวิธีทางความร้อน[3] การลดลงอย่างรุนแรงของความแข็งแรงในชิ้นงานผ่านการอบอ่อนที่อุณหภูมิ 1010 0C และ1050 0C สิ่งนี้อาจเนื่องจากการละลายของคาร์ไบด์และโครเมียมส่วนเพิ่มในเมทริก (matrix) ส่งผลให้ชิ้นงานมีคามแข็งแรงลดลง

เฉกเช่นเดียวกับที่อุณหภูมิการอบอ่อนที่ 1090 0C จะพบการเพิ่มขึ้นของความแข็งแรงอย่างช้าๆ ตามด้วยการลดลงอย่างมากของความแข็งแรงที่อุณหภูมิการอบอ่อนสูง ตามที่เคยกล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าการพบการลดลงของความแข็งแรงที่อุณหภูมิการอบอ่อนสูงอาจเป็นพฤติกรรมของการเติบโตของเกรน (grain growth) ในชิ้นงาน

Strength

 

 

C) ความเหนียว

รูปที่ 4 แสดงผลของการวัดความเหนียวจากการทดสอบชิ้นงานต่ออุณหภูมิในการทำกรรมวิธีทางความร้อน ความเหนียวของชิ้นงานที่ถูกกระตุ้นลดลงเมื่อเทียบกับชิ้นงานตั้งต้น แต่ชิ้นงานที่ผ่านการอบอ่อนจะให้ค่าสูงขึ้น แต่ลดลงเล็กน้อยที่อุณหภูมิอบอ่อน 1090 0C ค่าความเหนียวต่ำสุดอยู่ที่ 50.4% พบในชิ้นงานที่ผ่านการกระตุ้นแล้ว สิ่งนี้อาจเนื่องจากการขัดขวางการเคลื่อนย้ายของความบกพร่องจากการเลื่อนไถลของอะตอมของการตกผลึกของโครเมียมคาร์ไบด์ตรงบริเวณขอบเกรน ค่าความเหนียวสูงสุดประมาณ 72.3% พบในชิ้นงานที่ใช้อุณหภูมิการอบอ่อนสูงสุด (1190 0C) อันเนื่องจากกระบวนการอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงสามารถที่จะเพิ่มจำนวนของระนาบในการเคลื่อนย้ายของความบกพร่องจากการเลื่อนไถลของอะตอม (dislocation movement) มากขึ้น

ductivity

 

 

IV. ผลสรุป

การะประเมินอิทธิพลของกรรมวิธีทางความร้อน (heat treatment process) และอุณหภูมิต่อสมบัติเชิงกลของชิ้นงานสเตนเลส 304 ตั้งต้น ชิ้นงานกระตุ้น และชิ้นงานอบอ่อน ผลการวิเคราะห์เผยให้เห็นถึงชิ้นงานที่ผ่านการกระตุ้นจะให้ความแข็งสูงสุดที่ 660 0C ขณะที่ความแข็งสูงสุดจะยังคงรักษาจนถึงอุณหภูมิ 1090 0C กับการอบอ่อนสเตนเลส 304 อุณหภูมินี้พบว่าเป็นจุดที่ดีที่สุดที่จะหลีกเลี่ยงการเติบโตของเกรน (grain growth) ในขบวนการอบอ่อนของสเตนเลส 304

 

อ่านบทความฉบับสมบูรณ์ในรูป PDF
siamstainless-downloads-smartrue
บทความแปลโดย หรู-เรียด-เฉียง สเตนเลสเพื่อคนไทย  www.siamstainless.com

หมายเหตุ : บทความนี้แปลเพื่อการศึกษาเรียนรู้เท่านั้น ผู้แปลสงวนสิทธิ์ไม่รับรองความถูกต้องของเนื้อหาในบทความดังกล่าวนี้ และไม่อนุญาตในการนำเนื้อหานี้ไปเพื่อการค้าและเป็นส่วนหนึ่งของการค้า