พี่ban.cha ขอมาผมจัดให้ครับ
จริงๆแล้วสแตนเลสกับเหล็กปลอดสนิมก็คือโลหะชนิดเดียวกันนะครับเพียงแต่ว่าจะแบ่งตามเกรดหรือแบ่งว่าใช้อะไรผสมส่วนใญ่ที่เราๆคุ้นกันก็คือเหล็กผสมโครเมียมครับก็ช้อนส้อมที่เรากินข้าวกันน่ะแหละครับแต่จะเป็นโลหะประเภทผสมต่ำส่วนที่เอามาทำอาวุธหรือชิ้นส่วนอากาศยานเป็นโลหะผสมสูง
ผลของธาตุผสม ธาตุผสมในเหล็กกล้ามีผลต่อคุณสมบัติของเหล็กกล้าต่างๆ กัน ผลของธาตุผสมหนึ่งๆ ในเหล็กกล้าอาจกระทบโดยธาตุผสมอื่น โดยทั่วไป ผลของธาตุผสมต่อคุณสมบัติของเหล็กกล้าสามารถสรุปได้ดังนี้
คาร์บอน (C) อลูมิเนียม (Al) ตะกั่ว (Pb) วาเนเดียม (V)
แมงกานีส (Mn) แคลเซี่ยม (Ca) โครเมี่ยม (Cr) โบรอน (B)
ซิลิคอน (Si) คอปเปอร์ (Cu) โมลิดินั่ม (Mo) ไนโตรเจน
ฟอสฟอรัส (P) นิกเกิล (Ni) ไทเทเนียม (Ti) ออกซิเจน
ซัลเฟอร์ (S) ดีบุก (Sn) ไนโอเบียม (Nb)
คาร์บอน (C)
คาร์บอนเป็นธาตุผสมหลักในเหล็กและมีผลต่อคุณสมบัติเชิงกลของเหล็กอย่างมาก จึงได้มีการแบ่งชนิดของเหล็กตามปริมาณคาร์บอนที่ผสมโดย
เหล็กกล้า (Steel) C <= 2 %
เหล็กหล่อ (Iron) C > 2%
คาร์บอนช่วยเพิ่มความแข็งแรง (Strength), ความแข็ง (Hardness) และความต้านทานการสึกหรอ (Wear resistance) ของเหล็กแต่ลดเปอร์เซ็นต์การยืดตัว (Percentage of elongation)
คาร์บอนมาจาก Pig iron และเศษเหล็ก (Scrap) การควบคุมปริมาณคาร์บอนในเหล็กทำได้ขณะที่น้ำเหล็กอยู่ที่ Electric arc furnace (EAF) โดยการพ่นออกซิเจนเพื่อเข้าไปรวมตัวเป็นก๊าซคาร์บอนมอนนอกไซด์
C + 1/2O2 --> CO + Heat
แมงกานีส (Mn)
แมงกานีสมาจากเศษเหล็ก แมงกานีสมีผลให้เพิ่ม Yield strength ของเหล็ก แมงกานีสมีประสิทธิภาพเป็น 1/6 เท่าของคาร์บอนในการเพิ่มความแข็งแรงให้เหล็ก แมงกานีสสามารถรวมกับซัลเฟอร์ (Sulphur) เป็นสารประกอบ MnS ซึ่งให้ผลดีกว่าที่ซัลเฟอร์รวมกับเหล็กเป็น FeS
แมงกานีสสามารถควบคุมได้ขณะที่น้ำเหล็กอยู่ที่ EAF โดยรวมตัวกับออกซิเจนที่พ่นเข้าไปเป็น MnO ซึ่งเบากว่าน้ำเหล็กและลอยไปรวมกับ Slag
Mn + O --> MnO (Low density) --> Slag
เราสามารถเติมแมงกานีสให้เหล็กได้ระหว่างที่น้ำเหล็กอยู่ที่ LHF ในหลายลักษณะ เช่น Ferromanganese และ Silicomanganese
ซิลิคอน (Si)
ใน Silicon killed steel จะใช้ Si เพื่อเป็นตัวกำจัดออกซิเจน ซิลิคอนมาได้ทั้งจากเศษเหล็กและจากการ Pick up จากอิฐทนความร้อน (Refractory) ในกรณีที่น้ำเหล็กถูกเก็บไว้ใน Ladle นาน
ซิลิคอนเพิ่มความแข็งแรง (Strength) ให้เหล็ก ปริมาณซิลิคอนยังมีผลต่อความสามารถของการชุบสังกะสีด้วย ปริมาณซิลิคอนที่สูงนี้จะทำให้ผิวเหล็กหยาบ อย่างไรก็ตาม ในเหล็กบางเกรดจะมี Si ประมาณ 0.25% เพื่อเพิ่มความแข็งแรง (Strengthening) และความสามารถในการอบชุบความร้อน (Heat treatability)
ซิลิคอนสามารถควบคุมได้ที่ EAF โดยจะรวมกับออกซิเจนฟอร์ม Slag
Si + O2 --> SiO2
ฟอสฟอรัส (P)
ฟอสฟอรัสเป็นสิ่งเจือปนที่ไม่ต้องการในเหล็ก ฟอสฟอรัสสามารถมาได้จาก Pig iron, เหล็กบางชนิด, สี, น้ำมันที่ติดมากับเศษเหล็ก
ฟอสฟอรัสทำให้เหล็กเปราะและง่ายต่อการเกิดรอยแตก (Cracking) ในเหล็กบางเกรดมีการเติมฟอสฟอรัสเพื่อเพิ่มความแข็งแรง, ความสามารถในการตัดกลึง (machinability) และความสามารถในการทาสีติด (Paintability)
การลดฟอสฟอรัสทำได้ง่ายใน EAF โดยจะรวมกับออกซิเจนและ Lime (CaO) เกิดเป็นสารประกอบที่มีความถ่วงเฉพาะต่ำ (Low density) และลอยไปรวมกับ Slag ดังสมการ
FeO + P --> P2O5 + Fe
P2O5 + CaO --> CaO.P2O5 (Low density) --> Slag
สำหรับเหล็กบางเกรดจะมีการเติม P เพื่อเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อน
ซัลเฟอร์ (S)
ซัลเฟอร์เป็นสิ่งเจือปนที่ไม่ต้องการในเหล็ก (นอกจากกรณีที่ต้องการความสามารถในการตัดกลึงสูง (Machinability)) ซัลเฟอร์มาจากน้ำมัน, เหล็กโครงสร้าง เช่น I-beams
ซัลเฟอร์ลดความแกร่ง (Toughness) ของเหล็กและทำให้เกิดการแตก (Cracking) ของเหล็กระหว่าง Casting
เหล็กที่มีซัลเฟอร์ (S) สูงและแมงกานีสต่ำ S จะรวมกับเหล็ก (Fe) เป็น FeS ซึ่งจะแยกตัวออกมาตามขอบเกรน สารประกอบ FeS มีจุดหลอมเหลวต่ำทำให้มีปัญหา Hot shortness เวลาที่ทำการแปรรูปที่อุณหภูมิสูงโดยเฉพาะเมื่อรับแรงดึงด้วย
เหล็กที่มีซัลเฟอร์ (S) ต่ำและแมงกานีส (Mn) สูง S จะรวมกับ Mn เป็น MnS สารประกอบ MnS มีความสามารถในการยืดตัวสูงสามารถยืดตัวตามเนื้อเหล็กได้ขณะแปรรูป
ซัลเฟอร์สามารถควบคุมได้ที่ Ladle heating furnace (LHF) โดยการเติม Lime (CaO) และอลูมิเนียม (Al)
3CaO + 2Al + 3S --> 3CaS + Al2O3
อลูมิเนียม (Al)
อลูมิเนียมเป็นตัวไล่ออกซิเจนได้ดีและใช้ปรับรูปร่างของ Inclusion เพื่อเพิ่มความสามารถในการหล่อ (Castability)
หมายเหตุ เหล็กที่มีความสามารถในการหล่อดีหมายถึงน้ำเหล็กสามารถลื่นไหลไปใน Mold ได้ดี ทำให้สามารถใช้ Mold ที่มีรูปร่างซับซ้อนได้ โดยน้ำเหล็กจะหล่อได้เต็ม Mold
แคลเซี่ยม (Ca)
แคลเซี่ยมที่ใช้ในอุตสาหกรรมเหล็กมีหลายรูปแบบ แคลเซี่ยมในรูป Lime (CaO) ใช้สำหรับเป็น Flux (สารที่ใช้เพื่อจับกับสิ่งสกปรกไปฟอร์ม Slag) แคลเซี่ยมในรูป Calcium carbide (Ca2C), CaSi, CaFe wire ใช้เพื่อขจัดออกซิเจน, ขจัดซัลเฟอร์และควบคุมรูปร่างของ Inclusion
คอปเปอร์ (Cu)
คอปเปอร์เป็นธาตุที่ไม่สามารถขจัดออกไปได้จากขบวนการผลิตเหล็ก คอปเปอร์ (หรือทองแดง) ติดมากับเศษเหล็ก, Electric motors, Wiring จากเศษชิ้นส่วนรถยนต์ Shreded cars, เหล็กโครงสร้าง
ข้อเสียของทองแดง คือ สามารถทำให้เกิดรอยแตกเป็นขนที่ผิวเหล็กหลังจากการทดสอบดัดโค้งและรอยแตกที่ขอบ (Edge cracks)
ข้อดีของทองแดงคือ เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน (Corrosion resistance) ให้เหล็ก
Edge crack
Cu ไม่สามารถขจัดจากน้ำเหล็กระหว่างขบวนการผลิต การควบคุมปริมาณ Cu ทำโดยการเลือก/ผสมเศษเหล็กต่างๆ, การผสม Pig iron การผสม Ni ในเหล็กที่มี Cu สูงจะช่วยลดผลเสียของ Cu ต่อเหล็กกล้าได้ส่วนหนึ่ง
นิกเกิล (Ni)
นิกเกิลเป็นธาตุที่เพิ่มความแข็งแรง, ความแข็ง, ความแกร่งและความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็ก นิเกิลมาจากเศษเหล็ก (โดยเฉพาะจากเศษเหล็ก Stainless) Ni สามารถเติมได้ในระหว่างที่เหล็กอยู่ที่ LHF และเหมือนกับ Cu คือ Ni ไม่สามารถขจัดจากน้ำเหล็กได้ระหว่างขบวนการผลิตเหล็ก
นิเกิลช่วยลดผลเสียของทองแดง (โดยการเพิ่มความสามารถในการละลายของทองแดงในเหล็ก)
ดีบุก (Sn)
ดีบุกติดมากับเศษเหล็กที่ใช้ทำกระป๋องน้ำอัดลมโดยเป็นชั้นเคลือบที่ด้านใน ดีบุกขจัดได้ยากเหมือนกับทองแดง
ข้อเสียของดีบุก คือ ทำให้เหล็กเปราะและง่ายต่อการเกิดรอยแตก (Cracking) และเป็นอันตรายต่อการขึ้นรูปร้อนโดยลดความสามารถในการละลายของธาตุอื่นในเหล็ก Sn ในน้ำเหล็กไม่สามารถขจัดออกได้ระหว่างขบวนการผลิตเหล็ก ปริมาณของ Sn ควบคุมโดยการเลือก/ผสมเศษเหล็ก
ตะกั่ว (Pb)
ตะกั่วมาจากเศษเหล็กและบางครั้งเติมเข้าไปในเหล็กเพื่อเพิ่มความสามารถในการตัดกลึง ตะกั่วมีจุดหลอมเหลวและจุดเดือดต่ำจึงไม่เป็นปัญหาต่อการขจัดออกในขบวนการผลิตเหล็ก
โครเมี่ยม (Cr)
โครเมี่ยมเป็นธาตุที่เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน, ความต้านทานการสึกกร่อนและยังเพิ่มความแข็งแรง เหล็กที่เรียกว่า Stainless steel มี Cr ผสมมากกว่า 10.5 % ต่างจาก Cu และ Ni โครเมี่ยมสามารถควบคุมได้โดยการทำปฏิกิริยากับออกซิเจนดังสมการ
2Cr + 3O --> Cr2O3
โมลิดินั่ม (Mo)
โมลิดินั่มเป็นธาตุที่เพิ่มความแข็งแรง, ความแข็งและความต้านทานการสึกกร่อน นอกจากนี้ยังช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนในเหล็กกล้าไร้สนิม Mo มาจากเศษเหล็กกล้าเครื่องมือ เมื่อมี Mo ในน้ำเหล็กแล้วไม่สามารถขจัดออกได้
ไทเทเนียม (Ti)
ไทเทเนียมเป็นธาตุที่เพิ่มความแข็งแรงโดยรวมตัวกับคาร์บอน ช่วยลดการกัดกร่อนที่ขอบเกรน (Intergranular corrosion) ในเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดออสเตนนิติค นอกจากนี้ในเหล็กกล้าบางเกรดใช้เติมเพื่อจับไนโตรเจน
ไนโอเบียม (Nb)
ไนโอเบียมเป็นธาตุที่เพิ่มความแข็งแรงและความต้านทานการสึกหรอ
วาเนเดียม (V)
วาเนเดียมเป็นธาตุที่เพิ่มความแข็งแรงและความต้านทานการสึกหรอ
โบรอน (B)
โบรอนเป็นธาตุผสมที่ใช้ในปริมาณต่ำมาก (~0.0005%) เพื่อเพิ่มความแข็งในเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและใช้จับไนโตรเจน, ออกซิเจนและ/หรือซัลเฟอร์
โบรอนสามารถเติมได้ขณะที่น้ำเหล็กอยู่ที่ LMF ในรูป Ferroboron
ไนโตรเจน
ไนโตรเจนเป็นเป็นสิ่งเจือปนที่ไม่ต้องการในเหล็ก ไนโตรเจนทำให้เหล็กเปราะ (Embrittlement) และลดความสามารถในการขึ้นรูปเป็นผลให้เกิดการแตกเมื่อนำไปขึ้นรูป
ออกซิเจน
เหล็กที่มีปริมาณออกซิเจนต่ำจะหมายถึงเหล็กสะอาด ออกซิเจนจะรวมกับธาตุอื่นๆ เป็น Inclusion
เราขจัดออกซิเจนโดยการเติม Deoxidizers ระหว่าง Tap และที่ LMF ธาตุที่เป็น Deoxidizer ได้แก่ Al, Si, C, Mn โดยที่ Al เป็นธาตุ Deoxidizer.ที่แรงที่สุดในกลุ่ม
ธาตุที่สามารถขจัดได้ด้วยการพ่นออกซิเจนเข้าไปในเตาได้แก่ C, Mn (บางส่วน), P (ได้ถ้าสภาพ Slag ดี), Si, Cr (บางส่วน), Pb (บางส่วน), Ca, Al, V (บางส่วน), Nb (บางส่วน), Ti, B.
ธาตุที่ไม่สามารถขจัดได้ด้วยการพ่นออกซิเจนเข้าไปในเตาได้แก่: S, Cu, Ni, Mo, Sn
ความหมายของเหล็กกล้าไร้สนิม เหล็กกล้าไร้สนิม (Stainless steels) หมายถึงเหล็กกล้าที่ผสมโครเมี่ยมอย่างน้อย 10.5 % ทำให้มีคุณสมบัติต้านทานการกัดกร่อน โดยเหล็กกล้าไร้สนิมจะสร้างฟิล์มของโครเมี่ยมออกไซด์ที่บางและแน่นที่ผิวเหล็กกล้า ซึ่งจะปกป้องเหล็กกล้าจากบรรยากาศภายนอก
กลุ่มต่างๆ ของเหล็กกล้าไร้สนิม
เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถแบ่งตามลักษณะโครงสร้างจุลภาคได้เป็น 5 กลุ่มใหญ่ๆ ดังนี้
1. เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ริติก (Ferritic grade)
2. เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก (Austenitic grade)
3. เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ (Duplex grade)
4. เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก (Martensitic grade)
5. เหล็กกล้าไร้สนิมอบชุบแข็งด้วยการตกผลึก (Precipitation-hardening grade)
เหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ริติกที่ใช้กันมากจะผสมโครเมี่ยม (Cr) ประมาณ 12% หรือ 17% (ช่วงของส่วนผสมของ Cr +/-1%) มีนิกเกิลน้อยมาก (ติดมากับวัตถุดิบ) เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มนี้จะมีโครงสร้างจุลภาคเป็นเฟอร์ไรต์และมีคุณสมบัติที่แม่เหล็กสามารถดูดติดได้ มีค่าความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก (Yield strength) และค่าความต้านทานแรงดึง (Tensile strength) ปานกลาง มีค่าความยืด (Elongation) สูง เช่น เกรด 430, 409 เหล็กกล้าไร้สนิมชนิดเฟอร์ริติกมีราคาถูกกว่าเมื่อเทียบกับกลุ่มออสเตนนิติก แต่อาจพบปัญหาเรื่องเกรนหยาบ (Grain coarsening) และสูญเสียความแกร่ง (Toughness) หลังการเชื่อม การใช้งาน เช่น ชิ้นส่วนเครื่องซักผ้า ชิ้นส่วนระบบท่อไอเสีย และในบางเกรดจะผสมโครเมี่ยมสูงเพื่อใช้กับงานที่ต้องทนอุณหภูมิสูง
เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกที่ใช้กันมากจะผสมโครเมี่ยมประมาณ 17% (ช่วงของส่วนผสมของ Cr +/-1%) และนิกเกิล (Ni) ประมาณ 9% (ช่วงของส่วนผสมของ Ni +/-1%) การผสมนิกเกิลทำให้เหล็กกลุ่มนี้ต่างจากกลุ่มเฟอร์ริติกโดยนิกเกิลจะช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการกัดกร่อน และทำให้โครงสร้างจุลภาคเป็นออสเตนไนต์ เหล็กกลุ่มนี้บางเกรดจะผสมโครเมี่ยมและนิเกิลเพิ่มเพื่อให้สามารถทนต่อการเกิดออกซิเดชั่นที่อุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้สามารถใช้เป็นส่วนประกอบของเตาหลอม เหล็กกลุ่มออสเตนนิติกนี้จะทนทานต่อการกัดกร่อนดีกว่าเหล็กกลุ่มเฟอร์ริติก ในด้านคุณสมบัติเชิงกล เหล็กกลุ่มออสเตนนิติกจะมีค่าความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก (Yield strength) ใกล้เคียงกับของกลุ่มเฟอร์ริติก แต่จะมีค่าความต้านทานแรงดึง (Tensile strength) และค่าความยืด (Elongation) สูงกว่าจึงสามารถขึ้นรูปได้ดีมาก เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มนี้มีคุณสมบัติที่แม่เหล็กไม่ดูดติด (ในสภาพผ่านการอบอ่อน) เช่น เกรด 304, 316L, 321, 301 การใช้งาน เช่น หม้อ ช้อน ถาด
เหล็กกล้าไร้สนิมมาร์เทนซิติก จะผสมโครเมี่ยมประมาณ 11.5-18% เหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มนี้มีคาร์บอนพอสมเหมาะและสามารถชุบแข็งได้ เหล็กกล้ากลุ่มนี้มีค่าความต้านทานแรงดึงที่จุดคราก (Yield strength) และความต้านทานแรงดึง (Tensile strength) สูงมาก แต่จะมีค่าความยืด (Elongation) ต่ำ เช่น เกรด 420 การใช้งาน เช่น ใช้ทำเครื่องมือตัดชิ้นส่วน มีด
เหล็กกล้าไร้สนิมดูเพล็กซ์ จะมีโครงสร้างผสมระหว่างออสเตนไนต์และเฟอร์ไรต์ มีโครเมี่ยมผสมประมาณ 21-28% และนิกเกิลประมาณ 3-7.5% เหล็กกล้ากลุ่มนี้จะมีความต้านทานแรงดึงที่จุดครากสูงและค่าความยืดสูง จึงเรียกได้ว่ามีทั้งความแข็งแรงและความเหนียว (Ductility) สูง เช่น เกรด 2304, 2205, 2507
เหล็กกล้าไร้สนิมอบชุบแข็งด้วยการตกผลึก มีโครเมี่ยมผสมประมาณ 15-18% และนิกเกิลอยู่ประมาณ 3-8% เหล็กกล้ากลุ่มนี้สามารถทำการชุบแข็งได้ จึงเหมาะสำหรับทำแกน ปั๊ม หัววาล์ว ตัวอย่างเกรดของเหล็กกลุ่มนี้ เช่น PH13-9Mo, AM-350
ผิวสำเร็จชนิดต่างๆ ของเหล็กกล้าไร้สนิมชนิดของผิว(Surface finish)
ลักษณะ
No.1
ผิวผ่านการรีดร้อน อบอ่อน ขจัดสนิมและกัดกรด (Descaling & Pickling) ผิวมีสีขาวเทา ค่อนข้างหยาบเนื่องจากผ่านการกัดกรดที่รุนแรง
2D
ผิวผ่านการรีดเย็น อบอ่อนและกัดกรด
2B
ผิวผ่านการรีดเย็น อบอ่อน กัดกรดและรีดปรับความเรียบผิว (skin pass rolling)
BA
ผิวผ่านการรีดเย็นและอบอ่อนในสภาพบรรยากาศควบคุมทำให้ผิวมีลักษณะมัน เงา
No.3
ผิวที่ผ่านการขัดด้วยวัสดุสำหรับขัดเบอร์ 100-120
No.4
ผิวที่ผ่านการขัดด้วยวัสดุสำหรับขัดเบอร์ 150-180
#240
ผิวที่ผ่านการขัดด้วยวัสดุสำหรับขัดเบอร์ 240
#320
ผิวที่ผ่านการขัดด้วยวัสดุสำหรับขัดเบอร์ 320
#400
ผิวที่ผ่านการขัดด้วยวัสดุสำหรับขัดเบอร์ 400
HL
ผิวผ่านการขัดละเอียดโดยมีรอยขัดเป็นเส้นต่อเนื่องคล้ายเส้นผม (Hair line)
