ทำความรู้จักเหล็กกล้าไร้สนิม โลหะมากค่านาม "สเตนเลส" (Stainless)

มาทำความรู้จักสเตนเลส แบบฉบับที่เข้าใจได้ง่าย ทั้งประวัติและความเป็นมาของสเตนเลส เพราะเมื่อเราเข้าใจที่มาและวิวัฒนาการของการพัฒนาสเตนเลส ก็จะทำให้เข้าใจถึงจุดมุ่งหมายของการผลิตและการใช้งานอย่างแท้จริง

สเตนเลสเกิดขึ้นได้อย่างไร ?
ในอดีตก่อนที่จะมีการผลิตสเตนเลสขึ้นมาใช้งาน มนุษย์ยังใช้เหล็กกล้าคาร์บอน (Carbon Steels) ในการผลิตชิ้นงานหรือโครงสร้างต่างๆ แต่เนื่องจากเหล็กกล้าคาร์บอนมีอัตราในการเกิดการกัดกร่อนที่สูง (เกิดสนิมได้ง่าย) สังเกตได้จากเมื่อนำเหล็กกล้าคาร์บอนไปสัมผัสกับความชื้นหรือน้ำ  เหล็กจะเกิดสนิมสีแดงที่ผิวหน้าอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้อายุการใช้งานของชิ้นส่วนต่างๆ ลดลง ดังนั้นวิธีการป้องกันการกัดกร่อนแบบต่างๆ จึงถูกคิดค้นขึ้น เพื่อป้องกันและยืดอายุการใช้งานของเหล็กกล้าให้เพิ่มมากขึ้น เช่น การเคลือบด้วยสี (ทาสี) การเคลือบด้วยสังกะสี เป็นต้น เพื่อป้องกันไม่ให้ผิวหน้าของเหล็กกล้าสัมผัสโดยตรงกับน้ำหรือความชื้น อย่างไรก็ตามหากสีที่ใช้เคลือบถูกรอยขีดข่วน หรือใช้งานเป็นเวลานานๆ เหล็กกล้าคาร์บอนจะมีโอกาสในการเกิดการกัดกร่อนอีกครั้ง ดังนั้นการพัฒนาเหล็กกล้าเพื่อให้ทนต่อการกัดกร่อนในสภาวะการใช้งานต่างๆ จึงเป็นสิ่งที่ท้าทายอย่างมากสำหรับนักโลหะวิทยาในยุคก่อน

สตนเลสถูกคิดค้นขึ้นครั้งแรกใน ปี พ.ศ.2447-2452 โดยนักโลหะวิทยาชาวฝรั่งเศล ชื่อ Leon B. Guillet และ Albert M. Portevin ได้ทดลองผสมโครเมียม ลงในเหล็กกล้าคาร์บอนในปริมาณ 13 และ 17 เปอร์เซ็นต์ ผลจากการทดลองพบว่า เหล็กกล้าชนิดใหม่ที่ได้สามารถทนต่อการเกิดการกัดกร่อนได้ดีกว่าเหล็กกล้าทั่วๆไป จึงเป็นที่มาของสเตนเลสมาเทนซิติค (Matensitic Stainless Steel) และสเตนเลสเฟอร์ริติค (Ferritic Stainless Steel) ตามลำดับ

ในขณะเดียวกันใน ปี พ.ศ.2452 ก็ได้มีการทดลองใช้ธาตุนิเกิล ผสมลงในเหล็กกล้าผสมโครเมียม และจากการทดลองทำให้ได้ สเตนเลสออสเทนนิติค (Austenitic Stainless Steel) เกิดขึ้นซึ่งคิดค้นโดย นาย Leon B. Guillet และ W. Giesen นอกจากนี้จากผลการทดลองดังกล่าวยังพบอีกว่า สเตนเลสออสเทนนิติค ที่ผลิตได้สามารถด้านทานต่อการกัดกร่อนเป็นอย่างดี

ชื่อของสเตนเลส (Stainless steel) มีที่มาอย่างไร?
ในปี พ.ศ.2451 นักโลหะวิทยาชาวเยอรมันชื่อ Philipp Monnartz ได้ศึกษาผลกระทบของคาร์บอนต่อการกัดกร่อนของเหล็กกล้าผสมโครเมียม จากการทดลองในสภาวะต่างๆ พบว่าไม่ปรากฎรอยคราบหรือรอยสนิม อันเนื่องมาจากการกัดกร่อนที่ผิวหน้าของเหล็กแม้แต่น้อย และนี่เป็นที่มาของชื่อ "Stainless" โดยเป็นการผสมกันของภาษาอังกฤษ 2 คำ คือ Stain หมายถึง คราบที่เกิดจากการกัดกร่อน เช่น คราบสนิมสีแดง และคำว่า Less หมายถึง มีเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย แต่ในภาษาฝรั่งเศสจะใช้ชื่อ Inoxyable และในภาษาเยอรมันจะใช้ Rostfrei

การผลิตสเตนเลสเชิงอุตสาหกรรมเริ่มเกิดขึ้นเมื่อใด ?
สเตนเลสเริ่มมีการผลิตและใช้งานในเชิงอุตสาหกรรม ครั้งแรกเมื่อปี พ.ศ.2458 โดยนาย Harry Brearley ชาวอังกฤษ ได้ผลิต สเตนเลสมาเทนชิติค ขึ้นเป็นครั้งแรกของโลกเนื่องจากในขณะนั้น เทคโนโลยีในการลดคาร์บอนออกจากเหล็กกล้ายังทำได้จำกัด ในอีกหลายปีต่อมา จึงเริ่มมีการผลิต สเตนเลสเฟอร์ริติค ซึ่งผลิตขึ้นในประเทศอเมริกา ในส่วนของสเตนเลสออสเทนนิติค นั้นเริ่มมีการผลิตขึ้นครั้งแรกในประเทศเยอรมัน

สเตนเลสต้านทานต่อการกัดกร่อนได้อย่างไร ?
โครเมียมเป็นธาตุที่มีบทบาทสำคัญ ต่อคุณสมบัติด้านการต้านทานการกัดกร่อน (การเกิดสนิม) ของสเตนเลสมากที่สุด เนื่องจากเมื่อผสมโครเมียมลงในสเตนเลสมากกว่า 10.5 เปอร์เซ็นต์ โครเมียมจะทำปฏิริยากับออกซิเจนในอากาศ ฟอร์มตัวกันเป็นฟิล์มบางๆ ที่ผิวของสเตนเลส ฟิล์มที่เกิดขึ้นจะเรียกว่า ฟิล์มโครเมียมออกไซด์ (Chromium-Oxide Cr2O3) โดยทั่วไปฟิล์มโครเมียมออกไซด์ สามารถเกิดขึ้นได้เองตามธรรมชาติแต่ต้องใช้เวลาในการฟอร์มนานพอสมควร นอกจากนี้ความแข็งแรงและความหนาแน่นของฟิล์มอาจจะไม่ดีมากนัก ดังนั้นในกระบวนการผลิตจึงนิยมใช้วิธีการกระตุ้นด้วยสารเคมี (ใช้กรดในตริค) เพื่อทำให้การสร้างฟิล์มเกิดได้อย่างรวดเร็ว และได้ฟิล์มที่มีความแข็งแรงและความหนาสูง

ดังนั้น ถึงแม้ว่าสเตนเลสจะถูกนำไปใช้งาน หรือถูกทำให้เกิดรอยขีดข่วนเกิดขึ้น มากเพียงใดก็ตาม ฟิล์มโครเมียมออกไซด์ นี้ก็จะสามารถซ่อมแซมตัวเองได้อย่างรวดเร็ว โดยการทำปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศไปเรื่อยๆ เพื่อรักษาคุณสมบัติ ด้านการต้านทานต่อการกัดกร่อนเอาไว้ เราเรียกสภาพนี้ว่า Passivation พฤติกรรมดังกล่าวของสเตนเลสในรูปด้านล่าง
    

สเตนเลส ทำไมต้องมีนิเกิล (Ni) ?
บ่อยครั้งที่ผมมักจะได้ยินคำถามที่ว่า
 ทำไมเราต้องผสมนิเกิลลงในสเตนเลส?
 ในสเตนเลสมีแค่โครเมียมเพียงอย่างเดียวไม่พอหรือ?
 จะต้องจ่ายแพงกว่าทำไม ในเมื่อสเตเลสทุกเกรดก็ต้านทานต่อการกัดกร่อนได้เหมือนกัน?

จากคำถามทั้งหมดเหล่านี้ที่มีต่อนิเกิลนั้น ผมขอบอกว่า มีทั้งส่วนที่คลาดเคลื่อนจากความเป็นจริงและส่วนที่ถูกต้องแล้วปนอยู่ด้วยกันครับ ดังนั้นผมจะขอธิบายให้เข้าใจได้ง่ายๆ ดังนี้ครับ

เมื่อสเตนเลส มีนิเกิลผสมอยู่ในอัตราส่วน ที่มากกว่า 8 เปอร์เซ็นต์ ทำให้ต้านทานต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่า สเตนเลสที่ไม่นิเกิลผสมอย่างแน่นอนครับ นอกจากนี้นิเกิลยังส่งผลดีต่อคุณสมบัติด้านต่างๆ ของสเตนเลสอีกหลายประการ เรามาพิจารณาเป็นข้อๆ ดังต่อไปนี้นะครับ

1. นิเกิลจะเพิ่มความสามารถในการต้านทานต่อการกัดกร่อนให้สูงขึ้น เนื่องจากจะไปยับยั้งปฏิกิริยาเคมีของกระบวนการกัดกร่อนที่มีต่อสเตนเลส ดังนั้น สเตนเลสออสเทนนิติค จึงมีความสามารถในการต้านทานต่อการกัดกร่อนได้สูงกว่าสเตนเลสกลุ่มอื่นๆ เช่น เกรด 304 ต้านทานต่อการกรัดกร่อนได้ดีกว่าเกรด 430 (เทียบจากเปอร์เซ็นต์โครเมียมเท่ากัน)

2. ทำให้สเตนเลสเปลี่ยนจากกลุ่ม เฟอร์ริติค ซึ่งมี เฟสเฟอร์ไรท์ เป็นโครงสร้างพื้น และมีโครงสร้างผลึกเป็น BCC (Body Centered Cubic) กลายเป็นกลุ่มออสเทนนิติคซึ่งมีเฟสออสเทนไนท์เป็นโครงสร้างพื้น และมีโครงสร้างผลึกเป็น FCC (Face Centered Cubic) ดังนั้นหากในสเตนเลสใด ไม่มีนิเกิลผสมหรือมีผสมอยู่เพียงเล็กน้อย ก็จะไม่ใช่ สเตนเลสออสเทนนิติค อย่างไรก็ตามเหตุผลในข้อนี้ค่อนข้างซับซ้อนครับ เอาไว้ในบทความต่อๆ ไปผมจะเอาเรื่องนี้มาอธิบายอย่างละเอียดอีกครั้ง

3. จากข้อ 2 ทำให้ สเตนเลสออสเทนนิติค แข็งแรงกว่ากลุ่ม เฟอร์ริติค เนื่องจากความสามารถในการละลายของ คาร์บอน และธาตุผสมของโครงสร้าง ออสเทนไนท์

4. จากข้อ 2 ทำให้ สเตนเลสออสเทนนิติค มีความสามารถในการขึ้นรูปดีกว่ากลุ่ม เฟอร์ริติค และ มาเทนชิติค สามารถนำไปขึ้นรูปร่างที่ชับช้อนได้ โดยไม่เกิดการแตกร้าวหรือจุดบกพร่องต่างๆ โดยเฉพาะการดัดโค้ง และการขึ้นรูปลึก (Deep Drawing)

5. จากข้อ 2 ทำให้ สเตนเลสออสเทนนิติค แม่เหล็กดูดไม่ติดในสภาพหลังการอบอ่อน แต่ในสภาพหลังการขึ้นรูป เช่น การรีดหรือการดัด แม่เหล็กจะดูดติดได้บ้าง

6. เพิ่มคุณสมบัติ การนำไปใช้งานที่อุณหภูมิสูงและต่ำ โดยนิเกิลจะช่วยรักษาคุณสมบัติทางกลไม่ให้เปลี่ยนแปลง โดยเฉพาะในกรณีที่นำไปใช้งานที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิห้อง เช่น ห้องเย็น ถังเก็บไนโตรเจนเหลว เป็นต้น

7. ทำให้ สเตนเลสออสเทนนิติค เชื่อมได้ง่ายกว่า เมื่อเทียบกับสเตนเลสกลุ่มอื่นๆ ดังนั้นถึงแม้ราคาของนิเกิลในตลาดโลกจะเพิ่มขึ้น และส่งผลให้ราคาของสเตนเลสออสเทนนิติค กลุ่ม 300 ที่มีนิเกิลผสมมีราคาเพิ่มขึ้นไปด้วย อย่างไรก็ตามจากข้อดีต่างๆ ที่กล่าวมาข้างต้นจะทำให้สเตนเลสกลุ่มนี้ จะยังคงมีความสำคัญต่ออุตสาหกรรมต่อไป โดยเฉพาะเมื่อเราต้องการให้ชิ้นส่วน และอุปกรณ์ของเรามีอายุการใช้งานที่ยาวนาน


ที่มา : STAINLESS TODAY Magazine For Ultimate Stainless Steel Insider
ผู้เขียน : บรรณาธิการวิชาการ : อ.วิทยา เอียดเหตุ ภาควิชาเทคโนโลยีทางการศึกษา คณะวิศวกรรมศาสตร์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือ