เหล็กกล้าไร้สนิม (อังกฤษ: stainless steel) นั้น ในทางโลหกรรมถือว่า เป็นโลหะผสมเหล็ก ที่มีโครเมียมอย่างน้อยที่สุด 10.5% ชื่อในภาษาไทย แปลจากภาษาอังกฤษว่า stainless steel เนื่องจากโลหะผสมดังกล่าวไม่เป็นสนิมที่มีสาเหตุจากการทำปฏิกิริยากันระหว่าง ออกซิเจนในอากาศกับโครเมียมในเนื้อเหล็กกล้าไร้สนิม เกิดเป็นฟิล์มบางๆ เคลือบผิวไว้ ทำหน้าที่ปกป้องการเกิดความเสียหายให้กับตัวเนื้อเหล็กกล้าไร้สนิมได้เป็นอย่างดี ปกป้องการกัดกร่อน และไม่ชำรุดหรือสึกกร่อนง่ายอย่างโลหะทั่วไป สำหรับในสหรัฐอเมริกาและในหลายประเทศ
โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมการบิน นิยมเรียกโลหะนี้ว่า corrosion resistant steel เมื่อไม่ได้ระบุชัดว่า เป็นโลหะผสมชนิดใด และคุณภาพระดับใด แต่ในท้องตลาดเราสามารถพบเห็น เหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 18-8 มากที่สุด ซึ่งเป็นการระบุถึง ธาตุที่เจือลงในในเนื้อเหล็กคือ โครเมียมและนิเกิล ตามลำดับ สเตนเลสประเภทนี้จัดเป็น Commercial Grade คือมีใช้ทั่วไปหาซื้อได้ง่าย มักใช้ทำเครื่องใช้ทั่วไป ซึ่งเราสามารถจำแนกประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิมได้จากเลขรหัสที่กำหนดขึ้นตามมาตรฐาน AISI เช่น 304 304L 316 316L เป็นต้น ซึ่งส่วนผสมจะเป็นตัวกำหนดเกรดของเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งมีความต้องการในการใช้งานที่แตกต่างกันออกไป เหล็กกล้าไร้สนิมกับการเกิดสนิม ปกติ Stainless steel จะไม่เป็นสนิม เพราะที่ผิวของมันจะมีฟิล์มโครเมียมออกไซด์ บางๆ เคลือบผิวอยู่อันเนื่องมาจากการทำปฏิกิริยากันระหว่าง Cr ใน Stainless steel กับ ออกซิเจนในอากาศ การทำให้ Stainless steel เป็นสนิมคือการถูกทำลายฟิล์มโครเมียมออกไซด์ ที่เคลือบผิวออกไปในสภาวะที่ Stainless steel สามารถเกิดสนิมได้ ก่อนที่ฟิล์มโครเมียมออกไซด์จะก่อตัวขึ้นมาอีกครั้งเช่น ถ้าเหล็กกล้าไร้สนิมถูกทำให้เกิดรอยขีดข่วน แล้วบริเวณรอยนั้นมีความชื้น ซึ่งสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยากับธาตุเหล็กก่อนที่ฟิล์มโครเมียมออกไซด์จะก่อตัวขึ้นมา ก็จะเป็นสาเหตุให้เกิดสนิมขึ้นได้
สแตนเลสสำเร็จรูป
•สแตนเลสเส้น (Stainless Bar)
•สแตนเลสเส้นกลม (Stainless Round Bar)
•สแตนเลสเส้นสี่เหลี่ยม (Stainless Square Bar)
•สแตนเลสเส้นหกเหลี่ยม (Stainless Hexagon Bar)
•สแตนเลสเส้นฉาก (Stainless Angle)
•เส้นแบน (Stainless Flat Bar)
•แผ่น (Stainless Sheet) No. 304, 316L, 430
•สแตนเลสแผ่นเรียบ (Stainless steal sheet)
•สแตนเลสแผ่นลายกันลื่น Checker plate stainless steel
•สแตนเลสแผ่นเจาะรู
•แป๊ปสแตนเลส (Stainless Pipe) No. 304, 316L, 420
•แป๊ปสแตนเลสเงา (Stainless steal solid pipe)
•แป๊ปสแตนเลสด้าน (Stainless steel pipe ASTM)
•แป๊ปสแตนเลสด้านมีตะเข็บ
•แป๊ปสแตนเลสด้านไม่มีตะเข็บ (Seamless stainless pipe)
•แป๊ปสแตนเลสกลม (Round stainless pipe)
•แป๊ปสแตนเลสสี่เหลี่ยม (Square stainless steal pipe)
การตัดโลหะเป็นงานที่ยากและใช้เวลาสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ถ้างานนั้นเป็นงานที่กำหนดค่าความผิดพลาดเอาไว้ต่ำมากหรือมีรูปร่างที่ไม่สามารถที่จะทำได้โดยใช้วิธีการเลื่อย ซึ่งการที่จะเลือกใช้การตัดแบบใด ก็ขึ้นอยู่กับว่างานนั้นเป็นงานที่ต้องการความพิถีพิถันหรือเป็นงานที่ต้องใช้ความเร็วเพียงใด
1.Plasma arc Cutting
เป็นเทคโนโลยีที่นิยมใช้กันมากในสถานที่ซ่อมบำรุง ซึ่ง Plasma arc Cutting ใช้การชาร์จแก๊สด้วยไฟฟ้า แล้วฉีดออกมาด้วยความเร็วสูงที่อุณหภูมิประมาณ 50,000 องศาฟาเรนไฮด์ขึ้นไป ซึ่งสามารถที่จะใช้ตัดแผ่นโลหะที่หนาขนาด 6 นิ้วได้
ข้อดีของ Plasma arc Cutting
Plasma arc Cutting ใช้เวลาในการตัดได้เร็วกว่าแบบ Oxyful Cutting และสามารถที่จะตัดโลหะที่มีขนาดหนากว่าได้ และยังมีราคาถูกกว่าแบบ Waterjet และ Laser ซึ่ง Plasma arc Cutting แบบระบบไนโตรเจนนั้นเหมาะสำหรับโลหะจำพวก สแตนเลสสตีล (Stainless steel) , อลูมิเนียม (Aluminium) และ นิกเกิล (Nickel) ส่วนแบบระบบออกซิเจนนั้นเหมาะสำหรับผลิตภัณฑ์จำพวกคาร์บอน และไม่ทิ้งพวกตะกอนไนไตรด์
ข้อเสียของ Plasma arc Cutting
Plasma arc Cutting มีอายุการใช้งานที่ต่ำ ซึ่งขึ้นอยู่กับว่า ใช้แก๊สชนิดใด ความเชี่ยวชาญของผู้ใช้ และจะเกิดรอยจากความร้อน ทิ้งอยู่บริเวณที่ทำการตัด ซึ่งถ้าทำการตัดโลหะในน้ำนั้นจะช่วยลดขนาดของรอยตัดที่เกิดจากความร้อนได้
2.Oxyful Cutting
มีความสามารถที่เด่นมากในเรื่องของการตัดวัสดุจำพวก คาร์บอนสตีล การทำงานของ Oxyful Cutting จะใช้แก๊สอะเซทิลีนและออกซิเจน เพื่อสร้างเปลวไฟ สามารถนำตัดวัสดุจำพวก คาร์บอนสตีล (Carbon Steel) และ อัลลอยด์ (Alloy) ได้อย่างง่ายดาย แต่อย่างไรก็ตาม Oxyful Cutting ก็ยังสร้างรอยที่เกิดจากความร้อนเช่นกัน ทำให้ต้องนำมาตก แต่งรอยใหม่
ข้อดีของ Oxyful Cutting
Oxyful Cutting จะมีหัวฉัดหลายหัว ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตที่ต้องการปริมาณจำนวนการผลิตที่สูง นอกจากนี้ Oxyful Cutting ยังเหมาะสำหรับตัดวัสดุที่ต้องนำไปทำการกลึง ไส ด้วย
ข้อเสียของ Oxyful Cutting
Oxyful Cutting ตัดโลหะได้ช้ากว่าระบบการตัดแบบอื่นมากและยังปล่อยให้เกิดรอยจากความร้อนในการตัดที่เป็นบริเวณกว้างกว่าแบบอื่น และยังให้ความแม่นยำในการตัดที่ไม่ละเอียดเท่ากับแบบ Plasma , Waterjet และ Laser
3.Laser Cutting
แสงเลเซอร์ที่ใช้เป็นแสงที่มีความหนาแน่นสูงมาก ซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.005 นิ้ว โดยที่ Laser Cutting นั้นประกอบไปด้วยส่วนประกอบพื้นฐาน 5 ส่วนด้วยกันได้แก่ the laser , beam-focusing optics , material-handing system , heat exchanger และ the control computer โดยที่ heat exchange จะทำหน้าที่ลดความร้อนของระบบ
ข้อดีของ Laser Cutting
Laser Cutting ให้ความแม่นยำที่สูงมากและทำให้รอยที่เกิดจากการตัดโลหะด้วยความร้อนมีขนาดเล็กที่สุดจากกลุ่มของการตัดโดยใช้อุณหภูมิ สามารถที่จะตัดคาร์บอนหนา 1 นิ้วได้ และยังใช้ทรัพยากรที่ประหยัดกว่าแบบ Plasma และ Oxyful
ข้อเสียของ Laser Cutting
ค่าใช้จ่ายในการใช้ Laser นั้นมีค่าสูงกว่าระบบการตัดแบบอื่นๆ ทั้งหมด แต่ความหนาของวัสดุที่จะทำการตัดมีความจำกัดและอาจจะมีปัญหาในการตัดวัสดุที่สะท้อนแสงได้
4.Abrasive Waterjet Cutting
ทำการตัดโดยเพิ่มความดันน้ำให้ขึ้นไปถึง 60,000 psi (pounds per square inch) ซึ่งมีอนุภาคพอที่จะทำการตัดโลหะต่างๆ ให้ขาดได้ โดยจะมีการปล่อยสารกัดกร่อนเป็นแร่โกเมน ลงไปรวมกับกระแสน้ำก่อนที่จะออกจากหัวฉีด ซึ่งจากการผสมผสานกันนี้ทำให้สามารถตัดวัสดุต่างๆ ได้หลากหลายกว่าการใช้น้ำตัดอย่างเดียว โดยทั่วไปการตัดส่วนมากจะตัดภายใต้น้ำ ทั้งนี้เพื่อเป็นการลดเสียงดังที่เกิดขึ้น
สแตนเลสคืออะไร
สแตนเลส หรือตามศัพท์บัญญัติเรียกว่า เหล็กกล้าไร้สนิม
เป็นเหล็กที่มีปประริมาณคาร์บอนน้อยกว่า 25% ของน้ำ้หนัก
มีส่วนผสมของโครเมียม อย่างน้อย 10.5% กำเนิดขึ้นในปี ค.ศ.1903
เมื่อนักโลหะวิทยาพบว่า การเติมนิเกิล โมบิดินัน ไททาเนียม หรือโลหะอื่นที่แตกต่างกัน
ไปตามชนิดของคุณสมบัติเชิงกล และการใช้ลงไปในเหล็กธรรมดา ทำให้เหล็กมีความต้า้นทานการเกิดสนิมได้
ประเภทของสแตนเลส
เกรด ออสเตนิติก (Austenitic)
แม่เหล็กดูดไม่ติด นอกจากส่วนผสมของโครเมียม 18%
แล้วยังมีนิเกิลที่ช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนอีกด้วย ชนิดของออสเตนิติกเป็นที่นิยมใช้กัน
อย่างกว้างขวางมากที่สุดในบรรดาสแตนเลสด้วยกัน ส่วนออสเตนิติก
ที่มีส่วนผสมของโครเมียมสูง20%ถึง25% และนิเกิล10%-15%จะสามารถทนการเกิด
ออกชิไดซ์ ที่อุณหภูมิสูง ซึ่งใช้ในงานทำส่วนประกอบของเตาหลอม
ท่อนำความร้อน และแผ่นกันความร้อนในเครื่องยนต์ จะเรียกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมชนิดทนร้อน(Heat resisting steel
เกรดเฟอร์ริติก (Ferritic)
ชึ่งเกรดนี้แม่เหล็กดูดติด มีส่วนผสมของคาร์บอนต่ำ
และมีโครเมียมเป็นส่วนผสมหลัก คิอประมาณ13% - 17%
เกรดมาร์เทนซิติก (Martensitic)
แม่เหล็กดูดติด โดยทั่วไปจะมีโครเมียมผสมอยู่ 12%
และมีส่วนผสมขอคาร์บอนในระดับปานกลาง มักนำไปใช้ทำ ส้อม มีด เครื่องครัว และเครื่องมือทางวิศวกรอื่นๆ
ซึ่งต้องการ คุณสมบัติเด่นในด้านการต้านทานการกัดกร่อน และความแข็งแรงทนทาน
เกรดดูเพล็กซ์ (Duplex)
แม่เหล็กดูดติด มีโครงสร้างหสมระหว่าง เฟอร์ไรต์ และ
ออสเตไนต์ มีโครเมียม ผสมอยู่ประมาณ 18% - 20% และนิเกิล 405-8%
เหล็กชนิดนี้มักถูกนำไปใช้ งานที่มีคลอรีนสูง เพื่อป้องกันการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (pitting corrosion)
และช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน ที่เป็นรอยร้าวอันเกิดจากแรงกดดัน
(stess corrosion crackund resistance) เหล็กกล้าชุบแข็งแบบตกผึก
(precipitation haedening steel) มีโครเมียมผสมอยู่ 17% และ นิเกิล ทองแดง
และ ไนโอเบียม ผสมอยุ่ด้วย เนื่องจากเหล็กชนิดนี้สามารถชุบแข็งได้ในคราวเดียวกัน
จึงเหมาะสำหรับทำแกน ปั้ม หัววาล์ว และส่วนประกอบของอากาศยาน
สแตนเลส สตีล ที่นิยมใช้กันทั่วโลก คือ เกรด ออสเตนิติก และ เฟิอร์ริติก ซึ่งคิดเป็น95%
ของเหล็กกล้าไร้สนิมที่ใช้งานอยู่ในปัจจุบัน ธาตุผสมทางเคมีคาร์บอน(Carbon)คอร์บอน(c)
เป็นธาตุที่มีอยู่ในเหล็กกล้าไร้สนิม โดยทั่วไปจะไม่เกิน0.15%(ยกเว้น เหล็กกล้าไร้สนิม กลุ่มมาร์เทนซิติก)
เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีคาร์บอนต่ำ จะเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อนตามขอบเกรน
เพิ่มความสามารถในการขึ้นรูปเย็นตลอดจนเพิ่มความสามารถในการเชื่อม
เหล็กกล้าไร้สนิมส่วนใหญ่ผสมคาร์บอนอยู่2ช่วงคือ0.02%(<=0.03%)และ0.07%(0.04-0.15%)
นอกจากนี้ การผสมไททาเนียม หรือ ไน โอเบียม ไปในเหล็กกล้าไร้สนิม
จะช่วยให้จับตัวกับคาร์บอนและ ให้ผลดีต่อคุณสมบัติทั้งสามข้อที่กล่าวมา
เหมือนเหล็กกล้าไร้สนิมคาร์บอน0.02% เหล็กกล้าไร้สนิม ที่ในเกรดมีอักษร(L)กำกับ
จะควบคุมคาร์บอนไม่ให้เกิน0.03% ทำให้สามารถเชื่อมได้ดี มีความต้านทานต่อการกัดกร่อน
ตามขอบเกรน(Intergranular corrosion) และความสามารถในการขึ้นรูปเย็นสูงกว่าเกรดที่มีคาร์บอนสูงกว่า
โครงเมียน(chromium)โครเมียม(Cr)ช่วยเพิ่มความต้านทาน ต่อการกัดกร่อดในสภาพบรรยากาศทั่วไป
โดยผสมอยู่ในเหล็กกล้าไร้สนิมอย่างน้อย10.5%
แต่เพื่อให้มั่นใจว่า เนื้อเหล็กกล้าไร้สนิมมีการกระจายของโครเมียมอยู่2ช่วง
คือ12%(10.5-14.0%)และ17%(16.0-24.0)ถ้าผสมโครเมียมเกินกว่า30 %จะทำให้เหล็กเปราะ
นิเกิล(Nickel) นิเกิล(ni) ช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อดแบบมุมอับในสารละลายกรด
เพิ่มความสามารถในการขึ้นรูปเย็น ตลอดจนเพิ่มความสามารถในการเชื่อม
เหล็กกล้าไร้สนิมส่วนใหญ่ผสมนิเกิลอยู่2ช่วงคือ0%(ปริมาณเเล็กน้อยติดมากับเหล็ก) และ 9% (6.0-15%
โมลิบดินัม(molybdenum)โมลิบดินัม(mo) ช่วยเสริมผลความต้านทานต่อการกัดกร่อดของโครเมียม
โดยเฉพาะการกัดกร่อดแบบมุมอุบ และช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนในสภาพคลอไรด์ด้วยเหล็กกล้าไร้สนิม ส่วนใหญ่ผสมโมลิบดินัมอยู่2 ช่วง คือ 0%(ปริมาณเล็กน้อยติดมากับหล็ก) และ2%(1.0-3.0%)
ไททาเนียม(ti)หรือ ไน โอเบียม (nb)ไททาเนียม(ti)หรือ ไน โอเบียม (nb) ช้วยต้านทานการกัดกร่อนแบบแขอบเกรน(intergranular corrosion)โดยทั้งสองตัวจะช้วยป้องกันการเกิดโครเมียมคาร์ไบร์ นอนจากนี้ ไททาเนียม หรือ ไนโอเบียม ยังเพิ่ม ความสามารถในการขึ้นรูปเย็น และความสามารถในการเชื่อมด้วย คุณสมบัติทั้วไป และคุณสมบัติทางกายภาพคุณสมบัติทางกายภาพของสแตนเลส เมื่อเปรียบเทียบกับวัสถุประเภทอื่น ชึ่งความหนาแน่นสูงของสแตนเลสแตกต่างจากวัสถุชนิดอื่นอย่างเ้ห็นได้ชัดคุณสมบัติเชิงกล
สแตนเลสมีส่วนผสมของเหล็กประมาณ70-80%จึงมีคุณสมบัติในความแข็ง แกร่งสแตนเลสให้ค่าเป็นกลางของทั้งความแข็งแกร่งความเหนียว เนื่องจากมีสว่นผสมของธาตุเหล็กอยู่มากความต้านทานการกัดกร่อนเหตุใด สแตนเลสจึงทนการกัดกร่อนได้ดีกว่าโลหะชนิดอื่น โลหะโดยทั้วไปจะทำปฎิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ เกิดเป็นฟีล์มออกไซด์บนผิวโลหะออกไซด์ที่เกิดบนผิวโลหะ ทั่วไปจะทำปฎิกิริยาออกซิไดซ์และทำให้พื้นผิวโลหะผุกร่อนที่เราเรียกว่าสนิม สแตนเลสที่มีโครเมียมผสมอยู่10.5%ขึ้นไปจะทำให้คุณสมบัติของฟีล์มออกไซด์บนผิวเปลี่ยน
เป็นฟีล์มป้องกันหรือพาสซิฟเลเยอร์๖passive layel)
สแตนเลส แต่ละเกรดมีคุณสมบัติดังนี้
สแตนเลส 304
- ใช้งานทั่วไปไม่เป็นสนิม ทนต่อการกัดกร่อนสูง สามารถขึ้นรูปเย็น
และเชื่อมได้ดี
สแตนเลส 304L
- ใช้งานเชื่อมที่ดีกว่า ไม่เป็นสนิม เหมาะสำหรับงานแท้งค์ต่างๆ
สแตนเลส 316
- ใช้กับงานทนกรด ทนเคมี หรือเป็นเกรดที่ปฏิกิริยากับกรดน้อย
สแตนเลส 316L
- ใช้กับงานทนกรดที่เข้มข้นมากกว่า ทนเคมีมากกว่า หรือเป็นเกรดที่ปฏิกิริยากับกรดน้อยมาก (มีความทนกรดมากกว่า)
สแตนเลส 420 (มาตรฐานอเมริกา) 420J2 (มาตรฐานญี่ปุ่น)
- เป็นสแตนเลสเกรดชุบแข็ง สามารถนำไปชุบแข็งได้
(ชุบแล้วความแข็งขึ้นประมาณ 58 HRC)
สแตนเลส 431
- เป็นสแตนเลสที่เคลือบแข็งที่ผิวมา สามารถนำไปชุบแข็งได้เช่นกัน
(ชุบแล้วความแข็งขึ้นประมาณ 50-55 HRC) แต่น้อยกว่าเกรด 420
สแตนเลส 301
-ใช้เกี่ยวกับงานสปริง คอนแทค สายพานลำเลียง
สแตนเลส 310 /310S
-ใช้กับงานทนความร้อนสุง 1,150 องศา งานเตาอบ เตาหลอม ฉนวนกั้นความร้อน
สแตนเลส 309/309S
-ใช้เกี่ยวกับงานทนความร้อนเช่นกัน 900 องศา (น้อยกว่า 310/310S)
สแตนเลส 409/409S
-ใช้กับงานอุปกรณ์ท่อไอเสีย ชิ้นส่วนผนังท่อเป่าลมร้อนต่าง ๆ
Duplex Plate 2205
-ใช้งานขุดเจาะแก๊สและน้ำมัน อุตสาหกรรมเคมี ปิโตรเคมี
อุตสาหกรรมกระดาษและเยื่อ
คุณสมบัติสำคัญของสเตนเลส
คงทนต่อการกัดกล่อน หรือเป็นสนิม เนื่องจากเนื้อสเตนเลสจะสร้างฟิล์มบางๆ เรียกว่า PASSIVE FILM มาเคลือบผิวหน้าตลอดเวลาเมื่อผิวนั้นทำปฏิกิริยากับอ๊อกซิเจน (H2O) ที่มีอยู่ในบรรยากาศทั่วไป
ทำความสะอาดและดูแลรักษาง่าย เนื่องจากสเตนเลสไม่เกิดสนิมจึงสามารถทำความสะอาดได้ง่าย
แข็งแกร่ง เนื้อสเตนเลสมีความแข็งแกร่ง และมีจุดหลอมเหลวสูงกว่าเหล็กมาก ส่งผลให้ชิ้นงานที่ทำจากสเตนเลสมีความแข็งแรงทนทานมาก แต่การทำชิ้นงานจากสเตนเลสก็ทำได้ยากเช่นกัน อุปกรณ์สำหรับงานแปรรูป ตัด เจาะ หรือเชื่อม ต้องเป็นเฉพาะที่ใช้กับงานสเตนเลส
จุดด้อยของสเตนเลส
มีความเปราะกว่าเหล็ก จึงไม่เหมาะสำหรับทำวัสดุที่ต้องดัดงอมากๆ และบ่อยๆ เช่น ลวดสลิงสำหรับงานรอก
เคลือบสีไม่ติด เนื่องจากสเตนเลสมีการสร้างฟิล์มด้วยตัวเองทำให้สีที่เคลือบไม่สามารถเกาะติดบนผิวสเตนเลสได้
เป็นสนิมได้ หากใช้งานในสิ่งแวดล้อมที่ไม่มีอ๊อกซิเจนปกคลุมผิวสเตนเลส
ผุ กร่อนได้ หากผิวสเตนเลสสัมผัสกับกรดเข้มข้น หรือคลอไรด์ (Cl) เพราะสเตนเลสไม่สามารถคงทนต่อกรดเข้มข้นหรือคลอไรด์ จึงจำเป็นต้องเพิ่มนิเกิ้ล (Ni) เข้าไปในส่วนผสมให้มากขึ้น เพื่อเพิ่มความคงทนต่อการกัดกร่อน
สเตนเลสแบ่งออกได้เป็น 4 กลุ่มหลัก
MARTENSITIC เป็นกลุ่มที่มีส่วนผสมของโครเมี่ยม (Cr) ระหว่าง 12 - 18% โดยมีเกรด 403, 410, 414,416, 420, 431, 416, 440A/B/C, 501 และ 502 คุณสมบัติหลักคือ สามารถชุบแข็งได้ ซึ่งส่งผลให้เนื้อสเตนเลสมีความแข็งแกร่งมากและทนต่อการเสียดสีได้ดี จึงเหมาะกับงานทำชิ้นส่วนเครื่องมือ เครื่องจักร แต่แม่เหล็กสามารถดูดติดได้
FERRITIC เป็นกลุ่มที่มีโครเมี่ยม (Cr) อยู่ระหว่าง 12 - 18% และมีคาร์บอน (C) น้อยกว่า 0.2% สเตนเลสในกลุ่มนี้มีราคาถูกที่สุด ไม่สามารถรีดให้แข็งขึ้นได้ แม่เหล็กดูดติด และไม่สามารถชุบแข็งได้ มีโอกาสเป็นสนิมได้ง่ายกว่ากลุ่มอื่น หากใช้งานในสิ่งแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม จึงนิยมนำมาใช้งาน บางชนิดที่ไม่สัมผัสกับกรดโดยตรง เช่น ฝอยขัดหม้อ ลวดรัดสายไฟฟ้า โครงโต๊ะวางเตาแก๊ส เกรดในกลุ่มนี้มี 405, 430, 442 และ 446
AUSTENITIC เป็นกลุ่มที่นิยมใช้กันมากที่สุด โดยมีโครเมียม (Cr) 10.5 -24% เมื่อเพิ่มนิเกิ้ล (Ni) จะทำให้สเตนเลสมีคุณสมบัติทนต่อสนิมและการกัดกร่อนได้ดี สามารถเพิ่มความแข็งด้วยการรีดเย็นได้ แม่เหล็กดูดไม่ติด แต่ไม่สามารถชุบแข็งได้ เกรดในกลุ่มนี้มี 201, 202, 301, 302, 303, 304, 305, 308, 309, 310, 314, 316, 347 และ 348
DUPLEX เป็นกลุ่มที่ผสมกันระหว่า AUSTENITIC และ FERRITIC ซึ่งนำข้อดีของทั้งสองกลุ่มมารวมกันเพื่อวัตถุประสงค์ของการใช้งานเฉพาะเจาะจงบางประเภท ซึ่งไม่ค่อยมีการผลิตมากนัก
ประวัติเรื่องราวการคิดค้นผลิตเหล็กกล้าไร้สนิม (History of Stainless Steel)
โลหะที่ทนต่อการกัดกร่อนถูกค้นพบครั้งแรกโดยนักโลหะวิทยาชาวฝรั่งเศส ปิแอร์ เบอร์แทร์ (Pierre Berthier) ในปี ค.ศ. 1821 เขาพบว่า เมื่อโลหะผสมกับโครเมียมจะมีคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อนจากกรดบางชนิด อย่างไรก็ตาม โลหะผสมโครเมียมในยุคนั้นยังมีความเปราะสูง แม้ ต่อมาในปี 1875 บรัสท์สเลอิน (Brustlein) ชาวฝรั่งเศส จะได้ค้นพบว่า จุดสำคัญของเหล็กกล้าโครเมียมต้องควบคุมปริมาณคาร์บอนให้ต่ำมากมากที่ประมาณ 0.15 % ก็ตาม แต่ยังไรก็ตามด้วยเทคโนโลยียุคนั้นก็ยังไม่สามารถผลิตโลหะที่มีคาร์บอนต่ำได้
ปี 1872 หลังการค้นพบของ ปิแอร์ เบอร์แทร์ (Pierre Berthier) กว่า 50 ปี มีชาวอังกฤษสองคนคือ วูดส์และคลาร์ค (Woods and Clark) ได้จดสิทธิบัตรโลหะที่ทนต่อการกัดกร่อนจากสภาพอากาศและกรดเป็นครั้งแรก โดยประกอบด้วย โครเมียม 30-35 % และทังสเตน 1.5-2.0 %
โลหะทนต่อการกัดกร่อนมีการพัฒนาอย่างมากในยุคหลังศตวรรษที่ 19 เมื่อ ฮันส์ โกลชมิดท์ (Hans Goldschmidt) ชาวเยอรมัน ได้พัฒนากระบวนการผลิตที่สามารถผลิตโลหะที่มีคาร์บอนต่ำได้ ในปี 1895 และหลังจากนั้นเพียง 10 ปี ก็มีนักวิทยาศาสตร์ขาวฝรั่งเศส ลีอ็อน กิวล์เลด (Leon Guillet) ได้ตีพิมพ์ผลงานวิจัยโลหะผสม ซึ่งปัจจุบันเป็นที่รู้จักกันว่า คือเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มเฟอร์ริติกบางชนิด และออสเทนนิติกกลุ่ม 300
การผลิตโลหะทนต่อการกัดกร่อนในเชิงอุตสาหกรรมเริ่มต้นจริงๆ ในปี 1908 เมื่อบริษัท ครุปป์ไอออนเวิร์ค (Krupp Iron Works) ของเยอรมนีได้นำเหล็กกล้าผสมโครเมียม-นิกเกิลมาผลิตเป็นตัวเรือเดินสมุทร นอกจากนั้น บรัษัทยังได้พัฒนาเหล็กกล้าออสเทนนิติกด้วยส่วนผสม คาร์บอน < 1% นิกเกิล < 20% และ โครเมียม 15-40 % ระหว่างปี ค.ศ. 1912-1914
ในระหว่างปี 1904-1908 มีการศึกษาและเสนอผลงานวิจัยคิดค้นมากมาย ทั้งในประเทศอังกฤษ ฝรั่งเศส และเยอมนี โดยผลงานที่โดดเด่นได้แก่การตีพิมพ์ผลงานรายละเอียดของเหล็กกล้าผสมโครเมียม – นิกเกิลของ จิเซน (Giesen) ชาวอังกฤษ ผลงานการพัฒนาเหล็กกล้าผสมโครเมียมของปอร์ตแว็ง (Portevin) ชาวฝรั่งเศส และที่สำคัญที่สุดก็คือ ผลงานของชาวเยอรมันสองท่าน พี มอนนาร์ท และ ดับบิว บอร์เชอร์ส (P. Monnartz and W. Borchers) ที่ได้ค้นพบว่า เหล็กกล้าที่ทนต่อการกัดกร่อนต้องมีโครเมียมผสมอย่างน้อย 1.5 %
อุตสาหกรรมการผลิตเหล็กกล้าทนการกัดกร่อน เพื่อการค้าและผลิตภัณฑ์ที่มีความรุ่งเรื่องอย่างมากในยุคเริ่มต้นอยู่ระหว่าง ปี 1911-1913 เริ่มที่ปี 1911 เอลวูด เฮย์เนส (Elwood Haynes) ชาวอเมริการได้คิดค้นและผลิตมีดโกนหนวดไร้สนิมเป็นผลสำเร็จ โดยมีส่วนผสมของโครเมียม 14-16 % และ คาร์บอน 0.07-0.15 % ในขณะที่ แฮร์รีย์ เบรียรเลย์ (Harry Brearley) ชาวอังกฤษได้คิดค้นและผลิตลำกล้องปืนที่ทนต่อการกัดกร่อนเป็นผลสำเร็จด้วยส่วนผสมโครเมียม 6-15% คาร์บอน ประมาณ 0.2 % นอกจากนี้ แฮร์รีย์ เบรียรเลย์ ยังได้นำโลหะที่ค้นพบนี้ไปผลิตเป็น มีด กรรไกร และเครื่องครัวอีกด้วย ด้วยเหตุนี้เขาได้ตั้งชื่อเหล็กกล้าที่ทนต่อากรกัดกร่อนนี้ว่า “Rustless steel” ก่อนที่จะมาเปลี่ยนชื่อเป็น คำว่า “stainless steel” ด้วยคำแนะนำของเออร์เนส์ท สะทูอาร์ท (Ernest Stuart) เจ้าของโรงงานผลิตพวกเครื่องใช้คัดเตอร์รีที่คิดว่า มีความไพเราะกว่าในปี 1912 ต่อมาในปี 1913 ในงานแสดงนิทรรศการที่กรุงเวียนนา แม็คซ์ เมียวร์แมนน์ (Max Mauermann) ชาวโปแลนได้นำเสนอผลงานว่า เขาได้ผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมสำเร็จเป็นครั้งแรกในปี 1912
ประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิม
คนโดยทั่วไปจะไม่ทราบว่า เหล็กกล้าไร้สนิมมีกี่ประเภท และมักจะมีการเข้าใจผิดว่า เหล็กกล้าไร้สนิมแท้ต้องแม่เหล็กดูดไม่ติด แต่จริงๆ แล้วการที่แม่เหล็กจะดูดติดหรือไม่ติดนั้นขึ้นอยู่กับประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิม เหล็กกล้าไร้สนิมแบ่งออกเป็นกลุ่มพื้นฐาน ได้ 5 กลุ่มคือ ออสเทนนิติค, เฟอริติค, ดูเพล็กซ์, มาร์เทนซิติก และ กลุ่มเพิ่มความแข็งโดยวิธีการตกผลึก
กลุ่มออสเทนนิติก (Austenitic) หรือเหล็กกล้าไร้สนิมตระกูล 300 เป็นเกรดที่ใช้งานแพร่หลายมากที่สุดถึง 70%
มีคุณสมบัติที่แม่เหล็กดูดไม่ติด (non – magnetic) มีส่วนผสมของโครเมียม 16% คาร์บอนอย่างมากที่สุด 0.15% มีส่วนผสมของธาตุนิกเกิล 8% เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติในการทำการประกอบ(Fabrication)และเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน เกรดที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายและนิยมเรียก 18/8 คือการที่มีส่วนผสมของโครเมียม 18% และนิกเกิล 8%
กลุ่มเฟอริติก (Ferritic) แม่เหล็กดูดติด(magnetic) มีธาตุคาร์บอนผสมปริมาณที่ต่ำ และมีโครเมียมเป็นธาตุผสมหลักที่สำคัญอาจอยู่ระหว่าง 10.5%-27% และมีนิกเกิ้ลเป็นส่วนผสมอยู่น้อยมากหรือไม่มีเลย
กลุ่มมาร์เทนซิติก (Martensitic) แม่เหล็กดูดติด(magnetic) มีส่วนผสมของโครเมียม 12-14% และมีธาตุคาร์บอนผสมอยู่ปานกลาง มีโมลิบดีนัมเป็นส่วนผสมอยู่ประมาณ 0.2-1% ไม่มีนิกเกิล
เหล็กกล้าไร้สนิมตระกูลนี้สามารถปรับความแข็งได้โดยการให้ความร้อนแล้วทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว (Quenching)และอบคืนตัว (Tempering) สามารถลดความแข็งได้ คล้ายกับเหล็กกล้าคาร์บอน และพบการใช้งานที่สำคัญในการผลิตเครื่องตัด, อุตสาหกรรมเครื่องบินและงานวิศวกรรมทั่วไป
กลุ่มเพิ่มความแข็งโดยการตกผลึก (Precipitation hardening)เกรดที่เป็นที่รู้จักในตระกูลนี้ คือ 17-4H ซึ่งมีส่วนผสมของโครเมียม 17% และนิกเกิล 4% สามารถเพิ่มความแข็งแรงได้โดยกลไกเพิ่มความแข็งจากการตกผลึก (Precipitation hardening mechanism) โดยสามารถเพิ่มความแข็งแรงสูงมาก มีค่าความเค้นพิสูจน์ (Proof stress) อยู่ระหว่าง 1,000 ถึง 1,500 เมกาปาสคาล (MPa) ขึ้นอยู่กับชนิดและกรรมวิธีปรับปรุงคุณสมบัติด้วยความร้อน (Heat treatment)
กลุ่มดูเพล็กซ์ (Duplex) มีโครงสร้างผสมระหว่าง โครงสร้างเฟอริติค และออสเทนนิติค มีโครเมียมเป็นธาตุผสมอยู่ระหว่าง 19-28% และโมลิบดินัมสูงกว่า 5% และมีนิกเกิลน้อยกว่าตระกูลออสเทนนิติค พบว่า มีการใช้งานมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในบรรยากาศแวดล้อมของคลอไรด์
ประโยชน์ของการใช้งานเหล็กกล้าไร้สนิม
ใช้ในสิ่งแวดล้อมที่กัดกร่อน (Corrosive Environment)
งานอุณหภูมิเย็นจัด ป้องกันการแตกเปราะ
ใช้งานอุณหภูมิสูง (High temperature) ป้องกันการเกิดคราบออกไซด์ (scale) และยังคงความแข็งแรง
มีความแข็งแรงสูงเมื่อเทียบกับมวล (High strength vs. mass)
งานที่ต้องการสุขอนามัย(Hygienic condition) ต้องการความสะอาดสูง
งานด้านสถาปัตยกรรม (Aesthetic appearance) ไม่เป็นสนิม ไม่ต้องทาสี
ไม่ปนเปื้อน (No contamiation) ป้องกันการทำ ปฏิกิริยากับสารเร่งปฏิกิริยา
ต้านทานการขัดถูแบบเปียก (Wet abrasion resistance)
ผิวของเหล็กกล้าไร้สนิม
No.1- รีดร้อนหรือรีดเย็น / อบอ่อน หรือปรับปรุงด้วยความร้อน คราบออกไซด์ไม่ได้ขจัดออก / ใช้งานในสภาพที่รีดออกมาโดยทั่วไปจะใช้งานที่ทนความร้อน
2D- สภาพผิว 2D หลังจากการรีดเย็นโดยลดความหนาลง ผ่านการอบอ่อนและการกัดผิวโดยกรดลักษณะผิวสีเทาเงินเรียบ
2B- ผิว 2D ที่ผ่านลูกรีดขนาดใหญ่กดทับปรับความเรียบ เพิ่มความเงาผิวเงาสะท้อนปานกลาง ผลิตโดยวิธีการรีดเย็น ตามด้วยการอบนำอ่อนขจัดคราบออกไซด์ และนำไปรีดเบาๆ ผ่านไปยังลูกกลิ้งขัด ซึ่งเป็นวิธีการทั่วไปของการรีดเย็น ผิวที่ได้ส่วนมากจะอยู่ในระดับ 2B
BA-ผ่านกระบวนการรีดเย็นโดยความหนาลดลงทีละน้อยๆ ผ่านการอบอ่อนด้วยก๊าซไฮโดรเจน เพื่อป้องกันกันการออกซิเดชั่นกับออกซิเจนในอากาศ ผิวมันเงา สะท้อนความเงาได้ดี ผิวผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าไร้สนิมจะกระทำด้วยวิธีนี้ ซึ่งจะมีเครื่องหมาย BA หรือ No.2BA, A ซึ่งผิวอบอ่อนเงา จะมีลักษณะเงากระจก ซึ่งเริ่มต้นจากการรีดเย็น อบอ่อนในเตาควบคุมบรรยากาศ ผิวเงาที่เห็นจะเป็นการขัดผิวด้วยลูกกลิ้งขัดผิว หรือเจียรนัยผิวตามเกรดที่ต้องการ ผิวอบอ่อนเงาส่วนมากจะใช้กับงานสถาปัตยกรรม ที่ต้องการผิวสะท้อน ผิวอบอ่อนสีน้ำนมจะไม่สะท้อนแสงเหมือนกับ No.8 จะใช้กับงานที่เป็นขอบ ชิ้นส่วนทางสถาปัตยกรรม ภาชนะในครัว อุปกรณ์ในกระบวนการผลิตอาหาร
No.4, Hair Line- สภาพผิว 2B ที่ผ่านการจัดถูด้วยกระดาษทรายเบอร์ 120-220 โดยค่าความหยาบขึ้นอยู่กับแรงกด, ขนาดของอนุภาคเม็ดทราย และระยะเวลาการใช้งานของกระดาษทราย ผิว No.4 เป็นสภาพผิวที่สนองต่อการนำไปใช้งานทั่วไป เช่นร้านอาหาร อุปกรณ์เครื่องใช้ในครัว อุปกรณ์รีดนม
No.8- สภาพผิว 2B, BA ขัดด้วยผ้าขัดอย่างละเอียดมากขั้นตามลำดับ เช่น #1000, ผ้าขนสัตว์ โดยมีผงขัดอะลูมิเนียมและโครเมียมออกไซด์ ผิว No.8 ส่วนมากจะเป็นผิวเงาสะท้อนคล้ายกระจกเงา ผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่จะเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมชนิดแผ่นโดยผิวจะถูกขัดด้วยเครื่องขัดละเอียด นำไปใช้กับงานตก แต่งทางด้านสถาปัตยกรรม และงานที่เน้นความสวยงาม
การกัดกร่อน
เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นวัสดุที่ทนและต้านทานการกัดกร่อน อย่างไรก็ตามมีเหล็กกล้าไร้สนิมหลายตระกูลที่สามารถต้านทานการกัดกร่อนได้ดีเลิศ ในประเด็นการใช้งานที่ต่างกัน ซึ่งต้องเลือกไปใช้ในงานผลิตหรืองานประกอบโครงสร้าง ในงานอุตสาหกรรมต่างๆ อย่างระมัดระวัง
การกัดกร่อนทั่วไป (General corrosion)
เป็นการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นตลอดทั่วผิวหน้า (Uniform attack) การกัดกร่อนแบบนี้มีอันตรายน้อย เพราะว่า สามารถวัด และทำนายการกัดกร่อนที่จะเกิดขึ้นล่วงหน้าได้ การกัดกร่อนแบบนี้จะเกิดขึ้นกับเหล็กกล้าไร้สนิมในสิ่งที่แวดล้อมที่มีผลต่อการกัดกร่อนในอัตราที่ต่ำมาก
การกัดกร่อนเนื่องจากความต่างศักย์ไฟฟ้า (Galvanic corrosion)
เป็นการกัดกร่อนที่เกิดจากโลหะ 2 ชนิดที่มีศักย์ทางไฟฟ้าแตกต่างกันมาอยู่ติดกัน จุ่มอยู่ในสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเดียวกัน เหล็กกล้าไร้สนิมจะเป็นโลหะที่มีศักย์สูงกว่า ดังนั้นอัตราการกัดกร่อนแบบกัลวานิคมักจะไม่ค่อยเพิ่มขึ้นในเหล็กกล้าไร้สนิม
การกัดกร่อนแบบสึกกร่อนเนื่องจากการไหลของสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อนสูง (Erosion corrosion)/การกัดกร่อนเนื่องจากการขัดถู (Abrasion corrosion)
การกัดกร่อนแบบ Erosion/abrasion เป็นปฏิกิริยาที่เกิดร่วมกันระหว่างการสึกหรอทางกลกับการกัดกร่อนจากสารละลาย , ผงหรือเศษที่หลุดมาจากการขัดถู จะแขวนลอยอยู่ในสารละลาย และไหลด้วยความเร็วสูงจะทำให้ผิวหน้าสัมผัสมีอัตราการกัดกร่อนสูง เหล็กกล้าไร้สนิมจะมีความต้านทานการกัดกร่อนแบบสึกกร่อนฯ หรือแบบขัดถูสูงเนื่องจากมีฟิล์มถาวรที่ยึดแน่น และสร้างทดแทนขึ้นที่ผิวหน้าสม่ำเสมอ
การกัดกร่อนตามขอบเกรน (Intergranular corrosion)
การกัดกร่อนตามขอบเกรนเกิดขึ้นเนื่องจากเกิดการตกผลึกของโครเมียมคาร์ไบด์บริเวณขอบเกรน ที่อุณหภูมิสูงประมาณ 450 - 850C. ทำให้ขอบเกรนมีปริมาณโครเมียมลดลง มีความต้านทานการกัดกร่อนตามแนวขอบเกรนต่ำ แก้ไขโดยการเลือกใช้วัสดุเกรด “L” หรือ เกรดที่ช่วยให้โครงสร้างสถียร (Stabilized grade) และต้องระวังไม่ให้เกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรนระหว่างการเชื่อมประกอบโครงสร้าง
การกัดกร่อนแบบสนิมขุม (Pitting corrosion)
การกัดแบบเป็นจุดหรือแบบสนิมขุมเป็นการกัดกร่อนเฉพาะที่เป็นอันตรายมาก ซึ่งมีผลทำให้เกิดการกัดกร่อนที่ผิวหน้าเป็นรูเล็กๆ หรือเป็นรูทะลุตลอดเนื้อวัสดุ แต่สามารถวัดการสูญเสียเนื้อวัสดุได้น้อย สิ่งแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนแบบสนิมขุม ส่วนมากจะเป็นสารละลายที่มีคลอไรด์ไออน (Chloride ion) จะเป็นตำแหน่งที่ฟิล์มถาวรจะถูกทำลายได้ง่ายที่สุดในสิ่งแวดล้อมเช่นนี้ ควรจะเลือกใช้วัสดุด้วยความระมัดระวัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในสารละลายของกรดที่มีอุณหภูมิสูง ถ้าเงื่อนไขที่จะทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบสนิมขุมไม่สามารถแก้ไขได้ ให้แก้โดยการเลือกใช้โลหะผสมที่ต้านทานการกัดกร่อนสูงกว่า เช่น เหล็กกล้าไร้สนิมเกรดดูเพล็กซ์ และเกรดอื่นๆ ที่สามารถแก้ไขปัญหาได้
การกัดกร่อนในพื้นที่อับหรือถูกปกปิด (Crevice corrosion)
การกัดแบบนี้เกิดขึ้นที่ผิวหน้าส่วนที่ถูกปิด หรือกดทับของเหล็กกล้าไร้สนิม มีผลทำให้ปิดกั้นออกซิเจนไม่สามารถเข้าไปทำปฏิกิริยาออกซิเดชั่นสร้างฟิล์มออกไซด์ได้ ทำให้ฟิล์มป้องกันมีแนวโน้มที่จะแตกหรือถูกทำลายลงในพื้นที่อับนี้ ดังนั้นในสภาวะการใช้งานต้องหลีกเลี่ยงการมีพื้นที่อับ
การกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่มีจุลชีพ (Microbiologically Induced Corrosion : MIC)
การกัดกร่อนที่เป็นผลมาจากจุลชีพ เกิดจากแบคทีเรียที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อมเกาะติดที่ผิวหน้าของเหล็กกล้าไร้สนิมทำให้บริเวณนั้น ปิดกั้นออกซิเจน ดังนั้นเงื่อนไขในการกัดกร่อนจึงคล้ายกับแบบ Crevice แบคทีเรียจึงทำให้สถานการณ์ การกัดกร่อนเลวร้ายลง
การแตกร้าวเนื่องจากการกัดกร่อนภายใต้แรงเค้น (Stress Corrosion Cracking : SCC)
SCC คือการแตกเปราะที่เริ่มต้นจากการกัดกร่อนในวัสดุที่มีความเหนียว เหล็กกล้าไร้สนิมเกรดออสเทนนิติกจะมีแนวโน้มที่จะเกิด SCC สูงกว่าเกรดเฟอร์ริติก, เหล็กกล้าไร้สนิมเกรดเฟอร์ริติกจึงสามารถต้านทานการกัดกร่อนแบบ SCC ได้สูงกว่าเกรดออสเทนนิติก
เกร็ดความรู้ในการใช้เหล็กกล้าไร้สนิม
ค่าการนำความร้อน (Thermal conductivity)
เหล็กกล้าไร้สนิมทุกชนิดจะมีค่าการนำความร้อนต่ำกว่าเหล็กกล้าคาร์บอนมาก เหล็กกล้าไร้สนิมเกรดที่มีส่วนผสมโครเมียมอย่างเดียว (plain chromium steel) มีค่าการนำความร้อน +_1/3 และเกรดออสเทนนิติกมีค่าการนำความร้อน +_1/4 ของเหล็กกล้าคาร์บอน ทำให้มีผลต่อการใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่นมีผลต่อการควบคุมปริมาณความร้อนเข้าระหว่างการเชื่อม, ต้องให้ความร้อนเป็นระยะเวลานานขึ้น เมื่อต้องทำงานขึ้นรูปร้อน
