สกรูน๊อตที่ทำมาจาสแตนเลส มีโอกาสโดนแม่เหล็กดูดได้!!?

        เชื่อว่าหลายๆ ท่านมีความเชื่อที่ว่า สินค้าที่ทำมาจากสแตนเลส แม่เหล็กจะต้องดูดไม่ติด เพราะถ้าหากแม่เหล็กดูดติด แปลว่าเป็นสแตนเลสเทียม

        ความเชื่อนี้ถูกต้องหรือไม่ ลองไปอ่านบทความด้านล่างดูนะครับ อาจยาวสักหน่อย แต่รับรองได้ว่าเป็นประโยชน์คุ้มค่ากับเวลาแน่นอนครับ

สลักภัณฑ์เหล็กกล้าไร้สนิมกับวิธีการตรวจสอบเหล็กกล้าไร้สนิม หรือ สเตนเลส

          สเตนเลสหรือเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นวัสดุที่ทำจากโลหะผสมโดยมีองค์ประกอบหลักคือเหล็กและเจือโลหะชนิดอื่นๆ ได้แก่ โครเมียม นิคเกิล โมลิบดินัม และอื่นๆ เป็นต้น จุดประสงค์ที่ทำการผสมก็เพื่อให้โลหะมีคุณสมบัติเปลี่ยนแปลงไปตามที่ต้องการ แต่จุดประสงค์หลักคือ เพื่อป้องกันการเกิดสนิม เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าโลหะที่เราพบเจอตามธรรมชาติจะอยู่ในรูปของออกไซด์ และนั่นก็คือสนิมของโลหะชนิดนั้นๆ เหล็กก็เป็นโลหะอย่างหนึ่งที่พบได้มากตามธรรมชาติ มนุษย์มีการนำมาใช้อย่างแพร่หลาย ซึ่งเมื่อถูกน้ำกับออกซิเจนทำปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ผิวนอกที่สัมผัสถูกน้ำและออกซิเจนก็จะเกิดการออกซิเดชั่นแล้วกลายเป็นออกไซด์ของเหล็กหลุดร่อนไป เนื้อในก็จะถูกเผยออกมาเป็นผิวนอกแทน แล้วก็เกิดปฏิกริยาออกซิเดชั่นซ้ำแล้วซ้ำเล่าทีละชั้นๆ ลึกลงไปในเนื้อโลหะ ต่อมาได้มีการสังเกตพบโดยนักโลหะวิทยาชื่อ Harry Brearley ว่าเมื่อมีการนำส่วนผสมโลหะชนิดหนึ่งชื่อว่าโครเมี่ยม ผสมกับเหล็กปริมาณ 13% เหล็กกล้าผสมชิ้นนี้ก็ไม่เกิดสนิม และเกิดกัดกร่อนแม้วางทิ้งเอาไว้หลายเดือน แต่แท้จริงแล้วกรณีของเหล็กกล้าโครเมี่ยมก็เกิดออกไซด์ของโครเมี่ยมที่ผิวเช่นกัน เพียงแต่สีของออกไซด์ไม่ได้เปลี่ยนไปเป็นสีแดงเหมือนออกไซด์ของเหล็ก ทำให้เราสังเกตุไม่ออกว่าเนื้อสเตนเลสนั้นเกิดสนิม อีกทั้งขนาดโมเลกุลของโครเมียมออกไซด์ก็พอเหมาะกับขนาดโมเลกุลของเหล็กทำให้ออกไซด์ของโครเมียมเข้าไปแทรกแน่นอยู่ในเนื้อโลหะ จึงไม่หลุดร่อนออกมาเป็นแผ่น ดังในกรณีออกไซด์ของเหล็ก โดยหลักการแล้วเหล็กกล้าไร้สนิมใช้ผิวที่เป็นออกไซด์ไปแล้วมาป้องกันการเกิดออกซิเดชั่นนั่นเอง

แม่เหล็กกับสลักภัณฑ์เหล็กกล้าไร้สนิม

          สลักภัณฑ์มีบทบาทมากมาย มีการนำไปใช้งานอย่างแพร่หลายในงานอุตสาหกรรมต่างๆ ทุกอุตสาหกรรม เนื่องจากสลักภัณฑ์เป็นชิ้นส่วนที่มีความสำคัญอย่างมาก อาจจะดูเล็กเมื่อเทียบกับขนาดของชิ้นงานแต่การเลือกซื้อสลักภัณฑ์ที่ถูกต้องตามความต้องการจึงมีส่วนสำคัญมากและยังเป็นชิ้นส่วนที่ต้องการความถูกต้องตรงตามข้อกำหนด หลายๆ ท่านก็มีวิธีการตรวจสอบการเลือกซื้อวัตถุดิบ สินค้าต่างๆ นานา ซึ่งโดยทั่วไปก็จะใช้คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุชนิดนั้นมาเป็นตัวตัดสิน สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมก็มีคุณสมบัติทางกายภาพเช่นกัน ได้แก่ สีผิว ความถ่วงจำเพาะ ความต้านทานการกัดกร่อน คุณสมบัติการซึมซาบได้ของสนามแม่เหล็ก เป็นต้น

          “สลักภัณฑ์สเตนเลสที่ซื้อมาพอเอาแม่เหล็กไปดูดติดก็บอกว่านี่ไม่ใช่สเตนเลส” นี่เป็นวิธีการตรวจสอบสลักภัณฑ์สเตนเลสของผู้ซื้อทั่วๆ ไปและพบเห็นบ่อยมาก ซึ่งมันก็ไม่ผิดซะทีเดียวเว้นแต่ว่าวิธีการนี้ยังไม่ดีพอที่จะนำมาคัดแยกสลักภัณฑ์สเตนเลสอย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากวิธีการนี้มีการนำความรู้เพียงผิวเผินมาเป็นตัวตัดสิน และใช้เกณฑ์การตัดสินอย่างไม่เพียงพอ นั่นก็คือประโยคที่ว่า สเตนเลสเป็นโลหะที่สนามแม่เหล็กไม่สามารถซึมซาบได้ แต่แท้จริงแล้วยังมีปัจจัยอื่นๆ อีกที่สามารถทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมกลายมาเป็นโลหะที่สนามแม่เหล็กซึมซาบได้ หากเรามาทำความเข้าใจถึงสาเหตุของการซึมซาบได้ของสนามแม่เหล็ก ก็จะทำให้เราทราบว่าควรเลือกวิธีการใดมาใช้ในการตรวจสอบสลักภัณฑ์สเตนเลส

        เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถแบ่งออกได้เป็น 5 ประเภทได้แก่ Ferritic, Austenitic, Martensitic, Duplex และ Precipitate-hardened เหล็กกล้าไร้สนิม 4 ประเภทแรก แบ่งตามโครงสร้างจุลภาค (Micorstructure) ส่วนประเภทสุดท้ายขึ้นกับกระบวนการอบชุบทางความร้อน และมีเหล็กกล้าไร้สนิมเพียงประเภทเดียวที่สนามแม่เหล็กซึมซาบไม่ได้คือ Austenitic และบังเอิญว่า Austenitic เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมประเภทที่ใช้ในท้องตลาดทั่วไปมากที่สุด ได้แก่เหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 304 และ 316

ตารางแสดงประเภทของเหล็กกล้าไร้สนิมและคุณสมบัติบางส่วนโดยสังเขป

ประเภท	โครงสร้างผลึก Crystal structure	ความซึมซาบแม่เหล็ก2	ยกตัวอย่างเกรดสเตนเลส
Ferritic	BCC1	ซึมซาบได้	405, 430, 442
Austenitic	FCC1	ซึมซาบไม่ได้	201, 301, 302, 303, 304, 316
Martensitic	BCT1	ซึมซาบได้	403, 410, 416
Duplex	ผสม	ซึมซาบได้	2205, Alloy 255
Precipitate-Hardened	ผสม	ซึมซาบได้	17-4PH, PH 17-7

1.     BCC – Body Centered Cubic, FCC – Face Centered Cubic, BCT – Body Centered Tetragonal

2.     โลหะที่มีความซึมซาบแม่เหล็กหมายถึง โลหะที่สนามแม่เหล็กสามารถผ่านเนื้อโลหะได้

อย่างไรก็ตาม จากประสบการณ์ของผู้เขียนก็ยังเคยพบโลหะที่มีโครงสร้าง Austenitc แต่แม่เหล็กดูดไม่ติดมาแล้ว เนื่องจากโครงสร้าง  Austenitic เกิดได้จากโครงสร้างที่เป็น FCC และกรณีที่เป็นประเด็นก็คือโครงสร้าง Fe-Mn-C กล่าวคือแม้จะมีคุณสมบัติแม่เหล็กซึมซาบไม่ได้แต่ก็ยังเกิดการกัดกร่อนอย่างรุนแรงจากสารละลายอย่างน้ำเกลือได้เช่นกัน ซึ่งคุณสมบัติหลักของเหล็กกล้าไร้สนิมคือไม่เกิดออกซิเดชั่น และไม่เกิดการกัดกร่อน

เหล็กกล้าไร้สนิมประเภท Austenitic มีความซึมซาบแม่เหล็กได้อย่างไร?

   โครงสร้างจุลภาคของโลหะ จะเป็นตัวกำหนดว่าเหล็กกล้าไร้สนิมมีอำนาจแม่เหล็กเกิดขึ้นหรือไม่ เหล็กกล้าไร้สนิมประเภท Austenitic มีโครงสร้างผลึกที่เป็นแบบ FCC และเป็นโครงสร้างเดียวที่ไม่ทำให้เหล็กกล้าไร้สนิมเกิดความซึมซาบแม่เหล็ก แต่หากมีการเปลี่ยนแปลงสัดส่วนของโครงสร้างจุลภาคไปเป็นประเภทอื่นนอกจาก Austenitic ปริมาณมีมากพอก็จะทำให้มีสภาพสนามแม่เหล็กซึมซาบได้เกิดขึ้น

โครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิม Austenitic สามารถเปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างจุลภาค Martensitic ได้ 2 อย่าง

           อย่างแรกคือการที่เหล็กกล้าไร้สนิมถูกให้ความร้อนจนไปจนถึงอุณหภูมิที่โครงสร้างจุลภาคกลายเป็น Austenitic แล้วถูกปล่อยให้เย็นตัวลงอย่างช้าๆ โครงสร้างจุลภาคจะเรียงตัวใหม่กลายเป็น Martensitic โดยปกติแล้วการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมจะต้องการให้โครงสร้างเป็น Austenitic เมื่อโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมกลายเป็น Austenitic แล้ว ก็จะนำมาทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็วเพื่อให้โครงสร้างจุลภาคอยู่ในสภาวะ Austenitic แม้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมที่ได้จากโรงงานผลิตจะมีโครงสร้างจุลภาคอยู่ในสภาวะ Austenitic วิธีการตรวจสอบของโรงงานผลิตเหล็กกล้าไร้สนิมก็ไม่ได้ใช้การตรวจสอบด้วยแม่เหล็ก แต่ใช้วิธี Dye Penetrant Inspection หรือเรียกว่า Liquid Penetrant Inspection

      อย่างที่สอง เกิดได้จากการขึ้นรูปแบบเย็น ซึ่งโครงสร้างจุลภาคจะเกิดการเปลี่ยนแปลงที่เรียกว่า Martensitic Stress Induced Transformation (MSIT) เป็นการเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคจาก Austenitic กลายมาเป็น Martensitic การทุบ การดึง หรือการกระทำใดๆ ที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของเหล็กกล้าไร้สนิมในสภาวะอุณหภูมิห้อง ยิ่งมีการเปลี่ยนแปลงของรูปทรงมากก็ยิ่งทำให้เกิดโครงสร้างจุลภาคเป็น Martensitic มากยิ่งขึ้น ซึ่งการขึ้นรูปเย็นเป็นกระบวนการที่ใช้เป็นปกติในกระบวนการผลิตสลักภัณฑ์ หากพิจารณาตั้งแต่วัตถุดิบที่ใช้ต้องผ่านกระบวนการทางการเปลี่ยนรูปตลอดตั้งแต่ต้นจนจบ ได้แก่ การดึงลดขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางวัตถุดิบ การปั๊มขึ้นรูป และการรีดเกลียว กระบวนการเหล่านี้ทำให้เกิดสัดส่วนโครงสร้างจุลภาคประเภท Martensitic มากเพียงพอที่จะทำให้สนามแม่เหล็กซึมซาบสลักภัณฑ์สเตนเลสได้

ปริมาณโลหะที่เจือก็มีผลกับการเปลี่ยนโครงสร้างจุลภาคจากการขึ้นรูปเย็นของเหล็กกล้าไร้สนิมและส่งผลให้เกิดความซึมซาบแม่เหล็ก

          ธาตุที่เจือในเหล็กกล้าไร้สนิมได้แก่ นิคเกิล คาร์บอน ไนโตรเจน ก็มีผลกับความไวในการเปลี่ยนโครงสร้างจากกระบวนการ MSIT เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีการเจือน้อยกว่าเมื่อถูกกระทำการขึ้นรูปเย็นโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมที่เจือธาตุดังกล่าวน้อยกว่าจะเปลี่ยนเป็น Martensitic ได้ง่ายกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีการเจือธาตุดังกล่าวมากกว่า รูปด้านล่าง รูปที่ 3 แสดงให้เห็นถึงเหล็กกล้าไร้สนิมมีความซึมซาบแม่เหล็กมากขึ้นเมื่อผ่านกระบวนการขึ้นรูปเย็น และรูปที่ 4 แสดงให้เห็นถึงเหล็กกล้าไร้สนิมมีความซึมซาบแม่เหล็กเพิ่มขึ้นเมื่อค่าUltimate Tensile strength สูงขึ้น บ่อยครั้งที่เราจะพบว่าสลักภัณฑ์สเตนเลส 304 ดูดติดด้วยแม่เหล็กก็เพราะมีการขึ้นรูปเย็นซึ่งทำให้โครงสร้างจุลภาคเปลี่ยนแปลงเป็น Martensitic มากเพียงพอให้แม่เหล็กดูดติดได้       

                                               

รูปที่ 3 The lower alloy steels yield a higher magnetism with the same amount of cold working.        
                                               

รูปที่ 4 Magnetism of stainless steel (cold worked) vs. tensile strength. ที่มา: Carpenter Stainless Steel, Selection Alloy Data Fabrication, 1991, page 243.

การควบคุมอำนาจแม่เหล็กในเหล็กกล้าไร้สนิม

        อย่างไรก็ตามในบางอุตสาหกรรมก็ต้องการสลักภัณฑ์สเตนเลสที่ปลอดสภาพอำนาจแม่เหล็ก ซึ่งก็มีทั้งวิธีการลดการเกิดความซึมซาบแม่เหล็กจากกระบวนการผลิต และวิธีการกำจัดโดยนำสลักภัณฑ์สเตนเลสไปผ่านกระบวนการอบทางความร้อนแต่อย่างไรก็ตามก็ไม่ได้ทำให้อำนาจแม่เหล็กกลายเป็น 0 ถึงแม้ว่าการอบอ่อนซ้ำก็ไม่สามารถทำได้เนื่องจากคุณสมบัติบางประการของวัสดุ และเหตุผลทางด้านต้นทุน จึงต้องทำความเข้าใจระหว่างผู้ผลิตและผู้ใช้ว่าปริมาณอำนาจแม่เหล็กตกค้างในสลักภัณฑ์สเตนเลสมีค่าเป็นเท่าไหร่ที่ยอมรับได้

การตรวจสอบเกรดของเหล็กกล้าไร้สนิม

          วิธีการตรวจสอบเกรดของเหล็กกล้าไร้สนิมที่แม่นยำที่สุดจะใช้เครื่อง Spectro Analysis โดยอาศัยหลักการคือธาตุทุกธาตุประกอบขึ้นจากโปรตอน นิวตรอน และอิเลคตรอน ซึ่งปกติจะอยู่ในสภาวะเสถียร อิเลคตรอนจะวิ่งวนรอบนิวเคลียสที่วงโคจรของธาตุนั้นๆ ในสภาวะเสถียรจะมีผลรวมของการดูดและรับพลังงานรวมเป็น 0 เมื่อธาตุได้รับพลังงานก็จะทำให้อิเลคตรอนที่โคจรรอบนิวเคลียสของธาตุนั้นเกิดการเปลี่ยนแปลงชั้นของวงโคจร และโดยธรรมชาติเมื่อได้รับพลังงานเข้าไปทำให้โมเลกุลเกิดความไม่สมดุล ก็ต้องคายพลังงานกลับคืน โดยสามารถวัดจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาได้เรียกว่า Spectrum โดยที่ธาตุแต่ละตัวจะมีรูปแบบของ Spectrum ที่ปล่อยออกมาเฉพาะตัว ดังนั้นเมื่อนำ Spectrum มาวิเคราะห์ก็จะทำให้เราทราบได้ว่าเหล็กกล้าไร้สนิมนี้ประกอบจากธาตุอะไร มีสัดส่วนเท่าไหร่บ้าง และสามารถออกเป็นใบรับรองวัตถุดิบที่ใช้ได้ ผู้ใช้งานควรขอใบรับรองนี้เพื่อความมั่นใจในการเลือกสลักภัณฑ์

          วิธีการตรวจสอบโดยปฏิกิริยาเคมีก็เป็นอีกทางหนึ่ง ผู้ผลิตน้ำยาตรวจสอบสเตนเลสบางยี่ห้อก็มีผลิตภัณฑ์สำหรับทดสอบสเตนเลสเช่นกัน แต่ส่วนผสมของน้ำยาตรวจสอบแต่ละยี่ห้อก็แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความรู้ การทดลองของห้องปฏิบัติการว่าจะพัฒนาน้ำยาเคมีไปอย่างไรราคา ประสิทธิภาพ ก็แตกต่างกันไป โดยส่วนมากจะทำให้สีเปลี่ยนไปตามน้ำยาเคมีที่ใช้ทดสอบ

          อย่างไรก็ตามวิธีการตรวจสอบทั้งหมดที่ได้กล่าวไปยังคงเป็นวิธีการตรวจสอบแบบทำลายชิ้นงาน สลักภัณฑ์ที่ผู้ใช้งานได้รับไปจึงไม่ใช่ตัวที่ผ่านการทดสอบมาโดยตรง แต่อาศัยว่าวัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตหลอมมาจากโลหะก้อนเดียวกัน และกระบวนการผลิตที่เหมือนกัน โดยผู้ใช้งานควรอ้างอิงถึงหมายเลข Lot ที่ทำการผลิตและหมายเลข Heat บนฉลากของวัตถุดิบ ต้องเป็นหมายเลขเดียวกันกับที่ระบุอยู่บนใบรับรองสินค้า เพื่อความมั่นใจว่าสลักภัณฑ์สเตนเลสที่ได้รับไปเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดตามที่ต้องการ และการออกแบบเลือกใช้เหล็กกล้าไร้สนิม ผู้ใช้ควรจะตรวจสอบว่าเหล็กกล้าไร้สนิมที่จะนำมาใช้งาน ต้องใช้ในสภาวะแวดล้อมอย่างไร เพราะเหล็กกล้าไร้สนิมเกรดหนึ่งๆ ไม่สามารถป้องกันการกัดกร่อนจากสารละลายได้ทุกอย่าง โดยดูได้จากตารางการกัดกร่อนในเอกสารอ้างอิง [2]

          สำหรับวิธีการตรวจสอบสลักภัณฑ์สเตนเลสกรณีที่ไม่มีใบรับรองสินค้า เป็นวิธีต้นทุนต่ำสำหรับการตรวจสอบเหล็กกล้าไร้สนิม 304 และ 316 ซึ่งเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าเหล็กกล้าไร้สนิมมีคุณสมบัติป้องกันการเกิดออกซิเดชั่น และต้านทานการกัดกร่อนจากกรด เบส และเกลือ แต่ก็ไม่ได้ทนการกัดกร่อนทุกชนิด ให้ใช้เกลือแกงหรือ Sodium Chloride (NaCl) ละลายน้ำ แล้วนำสลักภัณฑ์สเตนเลสแช่ทิ้งไว้ 1 คืน หากทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 304 หรือ 316 จะไม่เป็นสนิมแดง

อ้างอิงจาก

[1] http://www.bssa.org.uk

[2] http://www.engineeringtoolbox.com/metal-corrosion-resistance-d_491.html

[3] Carpenter Stainless Steel, Selection Alloy Data Fabrication, 1991