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