คำแนะนำเกี่ยวกับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกประสิทธิภาพสูง -- ภาพรวมทางโลหะวิทยา

1. ประเภทของสแตนเลส

เหล็กกล้าไร้สนิมเป็นโลหะผสมที่มีธาตุเหล็กเป็นส่วนประกอบโดยมีโครเมียมไม่น้อยกว่าร้อยละ 10.5 มีการใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความทนทานต่อการกัดกร่อนและประสิทธิภาพการทำงานที่อุณหภูมิสูง เมื่อปริมาณโครเมียมถึงร้อยละ 10.5 จะเกิดชั้นออกไซด์ที่อุดมด้วยโครเมียมบนพื้นผิวของเหล็ก ซึ่งเรียกว่าชั้นฟิล์มเคลือบผิวหรือฟิล์มเคลือบผิว ฟิล์มนี้ช่วยปกป้องสแตนเลสไม่ให้เกิดสนิมเหมือนเหล็กทั่วไป เหล็กกล้าไร้สนิมมีหลายชนิด แต่เหล็กกล้าไร้สนิมทั้งหมดควรเป็นไปตามข้อกำหนดปริมาณโครเมียมขั้นต่ำ

เหล็กกล้าไร้สนิมแบ่งออกเป็นห้าประเภท: เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติก เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ (มีโครงสร้างผสมระหว่างเฟอร์ไรต์และออสเทนไนท์) เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก และเหล็กกล้าไร้สนิมชุบแข็งแบบตกตะกอน การจำแนกประเภทเหล่านี้เกี่ยวข้องกับโครงสร้างผลึก (การจัดเรียงตัวของอะตอม) และการอบชุบด้วยความร้อนของเหล็กกล้าไร้สนิม กลุ่มของผลึกที่มีโครงสร้างผลึกเหมือนกันในโลหะเรียกว่าเฟส เหล็กกล้าไร้สนิมมีสามขั้นตอนหลัก: ออสเทนไนท์ เฟอร์ไรต์ และมาร์เทนไซต์ ชนิดและปริมาณของโครงสร้างทางโลหะวิทยาของเหล็กกล้าไร้สนิมสามารถกำหนดได้โดยกระบวนการตรวจสอบทางโลหะวิทยามาตรฐานและกล้องจุลทรรศน์ทางโลหะวิทยาแบบใช้แสง

ลักษณะของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกคือโครงสร้างทางโลหะส่วนใหญ่เป็นออสเทนนิติก โครงสร้างผลึกของเฟสออสเทนไนต์เป็นโครงสร้างแบบ face-centered cubic (fcc) นั่นคือมีอะตอมอยู่ที่แต่ละมุมและตรงกลางของแต่ละหน้าของลูกบาศก์ ในทางตรงกันข้าม โครงสร้างผลึกของเฟสเฟอร์ไรต์คือโครงสร้างลูกบาศก์ (bcc) ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ร่างกาย โดยมีอะตอมหนึ่งอะตอมอยู่ที่แต่ละมุมและศูนย์กลางของลูกบาศก์ โครงสร้างผลึกของเฟสมาร์เทนไซต์เป็นโครงสร้าง tetragonal ที่มีความเครียดสูงซึ่งมีศูนย์กลางอยู่ที่ร่างกาย

โครงสร้างผลึกของเฟสออสเทนไนต์คือโครงตาข่ายลูกบาศก์ศูนย์กลางใบหน้า (fcc) เฟสเฟอร์ไรต์คือโครงร่างลูกบาศก์กลางลำตัว (bcc) และเฟสมาร์เทนไซต์คือโครงตาข่ายเตตระโกนัลที่มีลำตัวเป็นศูนย์กลาง (bct)

 

1.1 เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก:

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกไม่มีอำนาจแม่เหล็ก ความแข็งแรงของผลผลิตปานกลาง อัตราการชุบแข็งสูง ความต้านทานแรงดึงสูง ความเป็นพลาสติกที่ดี และความเหนียวที่อุณหภูมิต่ำที่ดีเยี่ยม ซึ่งแตกต่างจากเหล็กกล้าไร้สนิมอื่น ๆ ความเหนียวของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกจะลดลงอย่างช้า ๆ ตามอุณหภูมิที่ลดลง เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกไม่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านที่เหนียวและเปราะ (DBTT) ที่แน่นอน ดังนั้นจึงเป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำ

ไดอะแกรมของอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านแบบเหนียว-เปราะ (DBTT) ของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก เฟอร์ริติก และดูเพล็กซ์ (ออสเทนนิติก-เฟอร์ริติก) DBTT จริงขึ้นอยู่กับความหนาของส่วน องค์ประกอบทางเคมี และขนาดเกรน โดยทั่วไป DBTT ของเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกจะอยู่ที่ 20 ถึง - 30 องศา C (70 ถึง - 22 องศา F)

 

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมีความสามารถในการเชื่อมได้ดีและสามารถขึ้นรูปเป็นรูปทรงต่างๆ ที่ซับซ้อนได้ เหล็กกล้าไร้สนิมชุดนี้ไม่สามารถชุบแข็งหรือเสริมความแข็งแรงได้ด้วยการอบชุบด้วยความร้อน แต่สามารถเสริมความแข็งแรงได้ด้วยการขึ้นรูปเย็นหรือการชุบแข็ง (ดู ASTM A666) เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมาตรฐาน มีข้อเสียที่อาจเกิดขึ้น กล่าวคือ เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกและเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ มีแนวโน้มที่จะเกิดการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเครียดจากคลอไรด์

ซีรีส์ 300 หรือเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมาตรฐานโดยทั่วไปประกอบด้วยนิกเกิล 8 เปอร์เซ็นต์ ~ 11 เปอร์เซ็นต์ และโครเมียม 16 เปอร์เซ็นต์ ~ 20 เปอร์เซ็นต์ โครงสร้างทางโลหะวิทยาของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมาตรฐานส่วนใหญ่ประกอบด้วยเกรนออสเทนนิติกและประกอบด้วยเฟสเฟอร์ไรต์ δ ในปริมาณเล็กน้อย (โดยทั่วไป 1~5 เปอร์เซ็นต์) (รูปที่ 3) เนื่องจากมีเฟสเฟอร์ไรต์ เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกเหล่านี้จึงมีความเป็นแม่เหล็กเล็กน้อย

โครงสร้างทางโลหะทั่วไปของเหล็กกล้าไร้สนิมหลอม 304L ประกอบด้วยเมล็ดออสเทนนิติกและเฟอร์ไรต์แถบเฉพาะ © TMR Stainless

 

เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิมซีรีส์ 300 เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกซีรีส์ 200 มีปริมาณ Ni ต่ำกว่า แต่มีปริมาณ Mn และ N สูงกว่า ค่าสัมประสิทธิ์ความแข็งแรงและความเครียดของเหล็กกล้าไร้สนิมซีรีส์ 200 นั้นสูงกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมซีรีส์ 300 เนื่องจากมีปริมาณนิกเกิลต่ำ บางครั้งเหล็กกล้าไร้สนิมซีรีส์ 200 จึงถูกใช้แทนเหล็กกล้าไร้สนิมซีรีส์ 300 ในราคาถูก

โครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกสมรรถนะสูงเป็นเฟสออสเทนนิติกทั้งหมดที่ไม่มีเฟอร์โรแมกเนติก (รูปที่ 4) เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมาตรฐาน เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกประสิทธิภาพสูงมีธาตุนิกเกิล โครเมียม และโมลิบดีนัมมากกว่า และโดยทั่วไปประกอบด้วยไนโตรเจน เหล็กกล้าไร้สนิมเหล่านี้มีความต้านทานการกัดกร่อนที่แข็งแกร่งในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อน เช่น กรดแก่ ด่างแก่ และตัวกลางที่มีคลอไรด์สูง รวมถึงน้ำกร่อย น้ำทะเล และน้ำเกลือ เมื่อเทียบกับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมาตรฐาน เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกประสิทธิภาพสูงมีเกรดความแข็งแรงสูงกว่าและต้านทานการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเครียดได้ดีกว่า

โครงสร้างทางโลหะของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกสมรรถนะสูงร้อยละ 6 Mo ทั้งหมดประกอบด้วยธัญพืชออสเทนนิติก © TMR Stainless

 

1.2 เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติก:

โครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกเป็นเฟอร์ไรต์เฟส เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกมีปริมาณนิกเกิลต่ำหรือไม่มีเลย และเป็นเฟอร์โรแมกเนติก ไม่สามารถชุบแข็งได้ด้วยการอบชุบด้วยความร้อน คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของเหล็กกล้าไร้สนิมประเภทนี้คล้ายกับเหล็กกล้าคาร์บอน เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกมีความแข็งแรงและทนทานต่อการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเครียดจากคลอไรด์ได้ดีกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมาตรฐาน 300 ซีรีส์ อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการขึ้นรูปและการเชื่อมไม่ดี ความเหนียวไม่ดีเท่าเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติก และจะลดลงเมื่อความหนาของส่วนเพิ่มขึ้น เมื่ออุณหภูมิลดลง เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกจะแสดงการเปลี่ยนแปลงที่เหนียว-เปราะอย่างเห็นได้ชัด ปัจจัยเหล่านี้จำกัด การใช้เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกมักจะจำกัดเฉพาะผลิตภัณฑ์ที่มีความหนาของผนังบาง เช่น แผ่นบาง แถบ และท่อผนังบาง

 

1.3 เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์:

เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ประกอบด้วยเฟสเฟอร์ไรต์และเฟสออสเทนไนต์ ซึ่งแต่ละเฟสมีสัดส่วนประมาณครึ่งหนึ่ง เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์มีคุณสมบัติหลายอย่างของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกและเฟอริติก แม้ว่าการอบชุบด้วยความร้อนจะไม่สามารถทำให้เหล็กกล้าดังกล่าวแข็งตัวได้ แต่ความแข็งแรงของผลผลิตมักจะเป็นสองเท่าของเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมาตรฐาน และแรงดึงดูดของแม่เหล็กจะแปรผันตามสัดส่วนของปริมาตรของเฟสเฟอร์ไรต์ คุณสมบัติดูเพล็กซ์ของโครงสร้างโลหะของเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ทำให้ต้านทานการแตกร้าวจากการกัดกร่อนจากความเครียดได้ดีกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมาตรฐาน

 

1.4 เหล็กกล้าไร้สนิม Martensitic:

โครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกส่วนใหญ่เป็นมาร์เทนไซต์ ซึ่งอาจมีเฟสทุติยภูมิจำนวนเล็กน้อย เช่น เฟอร์ไรต์ ออสเทนไนต์ และคาร์ไบด์ เหล็กกล้าไร้สนิม Martensitic เป็นเหล็กเฟอร์โรแมกเนติกและคล้ายกับเหล็กกล้าคาร์บอน ความแข็งสุดท้ายขึ้นอยู่กับการรักษาความร้อนเฉพาะ เหล็กกล้าไร้สนิม Martensitic มีความแข็งแรงสูง ต้านทานการสึกหรอได้ดี มีความเหนียวต่ำ และอุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านที่เหนียวและเปราะสูง เชื่อมยากและโดยทั่วไปต้องใช้ความร้อนหลังการเชื่อม ดังนั้น เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกโดยทั่วไปจึงจำกัดเฉพาะการใช้งานที่ไม่เชื่อมเท่านั้น ปริมาณโครเมียมของเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกไม่สูงเกินไป ธาตุโครเมียมบางชนิดจะตกตะกอนในรูปของคาร์ไบด์ ทำให้มีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำ โดยทั่วไปต่ำกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมาตรฐาน 304/304L เนื่องจากความเหนียวและความทนทานต่อการกัดกร่อนต่ำ เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติกจึงมักใช้กับงานที่ต้องการความแข็งแรงและความแข็งสูง เช่น เครื่องมือ ตัวยึด และเพลา

 

1.5 เหล็กกล้าไร้สนิมชุบแข็งแบบตกตะกอน:

สเตนเลสสตีลชุบแข็งแบบตกตะกอน (PH) สามารถเสริมความแข็งแกร่งได้ด้วยการอบชุบด้วยความร้อน คุณสมบัติพื้นฐานของเหล็กกล้าไร้สนิมประเภทนี้คือการเสริมความแข็งแรงบางส่วนด้วยกลไกการตกตะกอน การตกตะกอนระหว่างโลหะละเอียดเกิดขึ้นจากการอบชุบด้วยความร้อนเพื่อเพิ่มความแข็งแรง เนื่องจากมีปริมาณโครเมียมสูง เหล็กกล้าไร้สนิมชุบแข็งแบบตกตะกอนจึงมีความทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก และเหมาะสำหรับการใช้งานที่มีความแข็งแรงสูงซึ่งต้องการความทนทานต่อการกัดกร่อนที่ดี เหล็กกล้าไร้สนิมชุบแข็งแบบตกตะกอนส่วนใหญ่จะใช้สำหรับสปริง ตัวยึด ชิ้นส่วนเครื่องบิน เพลา เกียร์ เบลโลว์ และชิ้นส่วนเครื่องยนต์ไอพ่น

 

2. องค์ประกอบของเฟส:

องค์ประกอบที่เป็นโลหะผสมส่งผลต่อความสัมพันธ์ของเฟสและมีอิทธิพลอย่างมากต่อความเสถียรของเฟสออสเทนไนท์ เฟอร์ไรต์ และมาร์เทนไซต์ องค์ประกอบที่เติมลงในเหล็กกล้าไร้สนิมสามารถแบ่งออกเป็นองค์ประกอบการขึ้นรูปเฟสเฟอร์ไรต์หรือองค์ประกอบการขึ้นรูปเฟสออสเทนไนท์ ความสมดุลของเฟสขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมี อุณหภูมิการหลอม และอัตราการเย็นตัวของเหล็ก ความต้านทานการกัดกร่อน ความแข็งแรง ความเหนียว ความสามารถในการเชื่อม และความสามารถในการขึ้นรูป ล้วนได้รับผลกระทบจากสภาวะสมดุลของเฟส

องค์ประกอบที่ก่อตัวเป็นเฟอร์ไรต์มีส่วนทำให้เกิดเฟสเฟอร์ไรต์ ในขณะที่องค์ประกอบที่ก่อตัวเป็นออสเทนไนต์ส่งเสริมการก่อตัวของเฟสออสเทนไนต์ ตารางที่ 3 แสดงองค์ประกอบการขึ้นรูปเฟสเฟอร์ไรต์และออสเทนไนต์ทั่วไป เกรดของเหล็กกล้าไร้สนิมและการใช้งานจะเป็นตัวกำหนดความสมดุลของเฟสที่ต้องการ เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกมาตรฐานส่วนใหญ่มีเฟสเฟอร์ไรท์เล็กน้อยภายใต้การหลอมด้วยสารละลาย การหลอมเหลวของสารละลายสามารถปรับปรุงความสามารถในการเชื่อมและความเหนียวที่อุณหภูมิสูง อย่างไรก็ตาม หากเนื้อหาของเฟสเฟอร์ไรต์สูงเกินไป คุณสมบัติอื่นๆ เช่น ความต้านทานการกัดกร่อนและความเหนียวจะลดลง เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกประสิทธิภาพสูงได้รับการออกแบบตามขั้นตอนออสเทนนิติกทั้งหมดภายใต้สภาวะการหลอมเหลวของสารละลาย

 

ในการควบคุมองค์ประกอบเฟสของเหล็กและคุณสมบัติของเหล็ก จำเป็นต้องรักษาองค์ประกอบของโลหะผสมให้อยู่ในสมดุล แผนภาพโครงสร้างแชฟฟ์เลอร์ (รูปที่ 5) สะท้อนความสัมพันธ์ระหว่างองค์ประกอบทางเคมีของเหล็กกล้าไร้สนิมและโครงสร้างเฟสที่คาดหวังในสถานะการแข็งตัว ตามที่เปิดเผยโดยโครงสร้างจุลภาคของการเชื่อม ด้วยวิธีนี้ ผู้ใช้สามารถทำนายสมดุลของเฟสตามองค์ประกอบทางเคมีที่กำหนด คำนวณ "การเทียบเท่านิกเกิล" และ "การเทียบเท่าโครเมียม" จากองค์ประกอบทางเคมีแล้ววาดในรูป สูตรของพารามิเตอร์ทั่วไปของแผนผังองค์กรของแชฟฟ์เลอร์มีดังนี้:

เทียบเท่านิกเกิล{{0}} เปอร์เซ็นต์ Ni บวก 30 เปอร์เซ็นต์ C บวก 0.5 เปอร์เซ็นต์ Mn บวก 30 เปอร์เซ็นต์ N

เทียบเท่าโครเมียม{{0}} เปอร์เซ็นต์ Cr บวกเปอร์เซ็นต์ Mo บวก 1.5 เปอร์เซ็นต์ Si บวก 0.5 เปอร์เซ็นต์ Nb

เหล็กกล้าไร้สนิมออสเทนนิติกประสิทธิภาพสูงทั่วไปประกอบด้วย Cr ประมาณ 20 เปอร์เซ็นต์ โม 6 เปอร์เซ็นต์ Ni 20 เปอร์เซ็นต์ และ N 0.2 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งอยู่ในโซนเฟสเดียวของออสเทนนิติกในรูป ใกล้กับ "เฟอร์ริติก " มีค่าเทียบเท่านิกเกิลประมาณ 24 และเทียบเท่าโครเมียมประมาณ 26 ในทางตรงกันข้าม องค์ประกอบทางเคมีของเหล็กกล้าไร้สนิมมาตรฐาน (เช่น 304) สอดคล้องกับโซนดูเพล็กซ์ของออสเทนไนท์บวกเฟอร์ไรต์ (A บวก F) ที่มีเฟอร์ไรต์จำนวนเล็กน้อย เฟส เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอริติกอยู่ในโซนเฟสเฟอร์ไรต์ในรูป และเหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์อยู่ในโซนดูเพล็กซ์ออสเทนไนท์บวกเฟอร์ไรต์ (A บวก F)