ความต้านทานการกัดกร่อนและการเลือกเกรดสกรูสแตนเลส
304 กับ 316 กับโลหะผสมพิเศษ: การจับคู่เกรดสกรูสแตนเลสให้สอดคล้องกับภัยคุกคามจากสภาพแวดล้อม
การเลือกสกรูสแตนเลสที่เหมาะสมเริ่มต้นจากการเข้าใจสภาพแวดล้อมที่สกรูเหล่านั้นจะต้องเผชิญ AISI 304 ใช้งานได้ดีเพียงพอในสถานการณ์ทั่วไปส่วนใหญ่ภายในอาคารหรือในพื้นที่แห้ง แต่เมื่อมีน้ำเค็มหรือคลอรีนอยู่รอบๆ วัสดุชนิดนี้จะไม่เพียงพอ เนื่องจากไม่มีโมลิบดีนัมเลย ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดความแตกต่างอย่างมาก ขณะที่เกรด 316 มีโมลิบดีนัมประมาณ 2 ถึง 3 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งช่วยยกระดับความสามารถในการต้านทานรอยบุ๋มและรอยร้าวที่เกิดขึ้นภายใต้สภาวะกัดกร่อนได้อย่างมีน้ำหนัก ด้วยเหตุนี้ ผู้คนจำนวนมากจึงเลือกใช้เกรด 316 สำหรับชิ้นส่วนเรือ สระว่ายน้ำ และสิ่งของใดๆ ที่อยู่ใกล้ชายฝั่งทะเล ตามรายงานของ NACE International เมื่อปีที่แล้ว เกรด 316 สามารถทนต่อระดับคลอไรด์ได้สูงกว่าที่จะทำลายเกรด 304 ได้ถึงห้าเท่า ก่อนที่วัสดุจะเสื่อมสภาพ อย่างไรก็ตาม เมื่อต้องเผชิญกับสารเคมีรุนแรง เช่น กรดซัลฟิวริก กรดไฮโดรคลอริก หรือสารฟอกขาว จำเป็นต้องใช้อัลลอยพิเศษแทน โดยเกรดเช่น 254 SMO หรือ AL-6XN ให้การป้องกันที่เหนือกว่ามาก เนื่องจากมีปริมาณโมลิบดีนัมสูงถึงประมาณ 6 เปอร์เซ็นต์ พร้อมทั้งมีไนโตรเจนเสริมซึ่งช่วยเสริมความแข็งแกร่งต่อสารรุนแรงเหล่านี้
| เกรด | ธาตุโลหะผสมหลักที่เติมเข้าไป | ความทนทานสูงสุดต่อคลอไรด์ | การใช้งานทั่วไป |
|---|---|---|---|
| 304 | 18% Cr, 8% Ni | 200 ppm | อุปกรณ์ภายในอาคาร ภูมิอากาศแห้ง |
| 316 | 16% Cr, 10% Ni, 2% Mo | 1000 ppm | อุปกรณ์สำหรับงานทางทะเล ระบบสระว่ายน้ำ |
| 254 SMO | โครเมียม 20% นิกเกิล 18% โมลิบดีนัม 6% ไนโตรเจน | มากกว่า 5000 ppm | โรงงานผลิตสารเคมี ระบบน้ำจืดจากน้ำเค็ม |
การใช้งานในงานทางทะเล งานอุตสาหกรรมเคมี และงานที่ต้องผ่านมาตรฐานความปลอดภัยสำหรับอาหาร: วิธีที่ระดับการสัมผัสกำหนดการเลือกสลักเกลียวสแตนเลส
วัสดุที่เราเลือกใช้ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมที่วัสดุนั้นจะต้องเผชิญเป็นอย่างมาก ยกตัวอย่างเช่น สภาพแวดล้อมทางทะเล ซึ่งอากาศที่มีเกลือและระดับความชื้นสูงอย่างต่อเนื่องส่งผลเสียต่อชิ้นส่วนโลหะอย่างรุนแรง นี่คือเหตุผลที่สลักเกลียวสแตนเลสเกรด 316 ทนต่อการกัดกร่อนแบบเครียด (stress corrosion cracking) ได้ดีกว่าสแตนเลสเกรด 304 ทั่วไปอย่างมาก เนื่องจากสแตนเลสเกรด 304 มักเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วในสภาวะดังกล่าว สำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับสารเคมีรุนแรง เช่น ถังกรดไนตริก หรือปฏิกรณ์กรดอะซิติก วิศวกรโดยทั่วไปมักเลือกใช้อะลลอยด์ที่มีนิกเกิลสูง เช่น Hastelloy C276 หรือเลือกใช้วัสดุเกรดซูเปอร์ดูเพล็กซ์แทน เนื่องจากวัสดุเหล่านี้สามารถทนต่อการโจมตีของสารเคมีรุนแรงได้ดีกว่ามากเมื่อใช้งานเป็นเวลานาน โรงงานแปรรูปอาหารมีข้อพิจารณาที่แตกต่างออกไปโดยสิ้นเชิง ซึ่งข้อบังคับต่าง ๆ มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากทุกสิ่งทุกอย่างต้องทำความสะอาดได้ง่าย และไม่ก่อให้เกิดการปนเปื้อนต่อผลิตภัณฑ์ พื้นผิวเรียบของสแตนเลสเกรด 316 สอดคล้องตามข้อกำหนดของสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยาสหรัฐอเมริกา (FDA) อย่างไรก็ตาม บางโรงงานผลิตผลิตภัณฑ์นมกลับให้ความชอบสลักเกลียวไทเทเนียมมากกว่า เนื่องจากไม่มีความเสี่ยงที่ธาตุเหล็กจะละลายปนเข้าไปในผลิตภัณฑ์ที่ไวต่อการเปลี่ยนแปลง สำหรับชิ้นส่วนที่สัมผัสกับวงจรความร้อนสุดขั้ว เช่น ระบบไอเสีย หรือโครงครอบเทอร์ไบน์ สแตนเลสเกรด A286 ยังคงรักษาความแข็งแรงไว้ได้แม้ที่อุณหภูมิใกล้เคียง 700 องศาเซลเซียส ผู้ที่ทำงานกับชิ้นส่วนโลหะควรตรวจสอบตารางแสดงความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนอย่างละเอียดทุกครั้งก่อนวางแผนการติดตั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากมีความเสี่ยงต่อการกัดกร่อนบริเวณรอยแยก (crevice corrosion) หรือปัญหาที่เกิดจากการนำโลหะชนิดต่าง ๆ มาใช้ร่วมกัน
ข้อกำหนดด้านความแข็งแรงเชิงกลสำหรับสกรูสแตนเลส
ความแข็งแรงดึงและแรงดึงที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปถาวรในเกรดหลัก: 304, 316, 17-4 PH และ A286
ความแข็งแรงดึงแสดงถึงความสามารถในการรับน้ำหนักสูงสุดก่อนที่วัสดุจะหัก; ความแข็งแรงที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนรูปถาวร (Yield Strength) บ่งชี้จุดขอบเขตที่วัสดุเริ่มเกิดการเปลี่ยนรูปอย่างถาวร คุณสมบัติเหล่านี้แตกต่างกันอย่างมากตามเกรดของสกรูสแตนเลส — และจำเป็นต้องเลือกให้สอดคล้องกับความต้องการใช้งานจริง:
- 304: มีความแข็งแรงดึงระดับปานกลาง (~70,000–90,000 PSI) พร้อมความสามารถในการขึ้นรูปได้ดีและทนต่อการกัดกร่อนโดยทั่วไป
- 316: มีลักษณะเชิงกลคล้ายกับเกรด 304 แต่มีความต้านทานต่อไอออนคลอไรด์ดีกว่าอย่างเห็นได้ชัด — เหมาะอย่างยิ่งเมื่อสภาพแวดล้อม ไม่ใช่ความแข็งแรง เป็นปัจจัยจำกัดหลัก
- 17-4 PH : โลหะผสมที่ผ่านกระบวนการแข็งตัวจากการตกตะกอน (Precipitation-hardened alloy) ให้ความแข็งแรงดึง 130,000–160,000 PSI และความต้านทานต่อการเปลี่ยนรูปถาวรสูงมาก (100,000–120,000 PSI) เหมาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ งานในแหล่งน้ำมัน และงานโครงสร้าง
- A286 : รักษาความแข็งแรงที่จุดไหล (yield strength) ประมาณ 130,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว ที่อุณหภูมิสูงถึง 1300 องศาฟาเรนไฮต์ — ทำให้วัสดุชนิดนี้จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการยึดติดในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง เช่น ในเครื่องยนต์เจ็ตและระบบผลิตพลังงาน
| เกรด | แรงดึง (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) | ความต้านทานแรงดึง (psi) | กรณีการใช้งานที่เหมาะสมที่สุด |
|---|---|---|---|
| 304 | 70,000–90,000 | 25,000–40,000 | อุปกรณ์ทั่วไป |
| 316 | 70,000–90,000 | 25,000–40,000 | การสัมผัสกับสภาพแวดล้อมทางทะเล/สารเคมี |
| 17-4 PH | 130,000–160,000 | 100,000–120,000 | แรงโครงสร้าง/แรงบิน |
| A286 | 120,000–150,000 | 85,000–110,000 | สภาพแวดล้อมที่มีความร้อนสุดขั้ว |
ตามมาตรฐานของ ASM International (พ.ศ. 2566) วัสดุเกรด 17-4 PH มีความสามารถในการรับน้ำหนักได้มากกว่าเกรดออสเทนิติกทั่วไปประมาณ 80% — ซึ่งเน้นย้ำถึงคุณค่าของวัสดุนี้ในการออกแบบที่ต้องรับแรงสูง
เมื่อความแข็งแรงที่จุดไหล (Yield Strength) เป็นปัจจัยสำคัญที่สุดต่อประสิทธิภาพของสลักเกลียวสแตนเลส
ในการออกแบบข้อต่อ วิศวกรจำเป็นต้องให้ความสำคัญกับความแข็งแรงขณะเกิดการไหล (yield strength) มากกว่าเพียงแค่กังวลเรื่องการป้องกันการแตกหักเท่านั้น ประเด็นที่แท้จริงคือข้อต่อนั้นสามารถต้านทานการเปลี่ยนรูปถาวรได้หรือไม่เมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในอุปกรณ์ที่สั่นสะเทือนอย่างต่อเนื่อง ภาชนะรับแรงดันที่มีข้อต่อแบบฟลานจ์ (flanged connections) โครงสร้างที่ออกแบบมาเพื่อต้านทานแผ่นดินไหว และระบบที่สัมผัสกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ อย่างต่อเนื่อง การล้มเหลวภายใต้แรงดึง (tensile failure) เกิดขึ้นอย่างฉับพลันและชัดเจน ในขณะที่ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับความแข็งแรงขณะเกิดการไหลพัฒนาขึ้นอย่างช้าๆ ทุกครั้งที่มีการโหลดซ้ำ รอยบิดเบี้ยวเล็กน้อยจะสะสมทีละน้อยจนกระทั่งเริ่มส่งผลต่อระดับความแน่นของข้อต่อ และทำให้การปิดผนึก (seals) เสียประสิทธิภาพโดยสิ้นเชิง ตามมาตรฐาน ASME B16.5 เมื่อแรงปฏิบัติงานเกิน 90% ของค่าความแข็งแรงขณะเกิดการไหลของวัสดุ โบลต์จะมีแนวโน้มล้มเหลวสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะสำหรับฟลานจ์ที่ใช้ในท่อ (pipeline flanges) ผู้ออกแบบมักกำหนดให้ความแข็งแรงขณะเกิดการไหลขั้นต่ำมีค่าไม่น้อยกว่า 60% ของความแข็งแรงแรงดึง (tensile strength) ของวัสดุ เพื่อให้ก๊าซเก็ต (gaskets) ยังคงถูกบีบอัดไว้อย่างเหมาะสมแม้หลังจากผ่านรอบแรงดันจำนวนมากแล้ว นี่คือเหตุผลที่วัสดุ เช่น สแตนเลสสตีลที่ผ่านกระบวนการตกตะกอนเพื่อเพิ่มความแข็ง (precipitation-hardened stainless steel) ชนิด 17-4 PH มีคุณค่าสูงมากในบริบทนี้ อัลลอยด์เหล่านี้ให้ความต้านทานต่อการเกิดการไหลได้ดีกว่าสแตนเลสสตีลเกรด 304 ทั่วไปประมาณสามเท่า ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญยิ่งต่อข้อต่อที่ต้องคำนึงถึงทั้งความเหนื่อยล้า (fatigue) และความปลอดภัย
ความเสี่ยงของการเกิดการยึดติดกัน (Galling) และความเข้ากันได้ของวัสดุกับสกรูสแตนเลส
เหตุใดการยึดติดด้วยสแตนเลสบนสแตนเลสจึงเพิ่มความเสี่ยงของการเกิดการยึดติดกัน (Galling) — และแนวทางการลดความเสี่ยงนี้
การยึดติดกัน (Galling) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อเกลียวสแตนเลสเชื่อมติดกันแบบเย็น (cold weld) ระหว่างการติดตั้ง เป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้การติดตั้งล้มเหลว กล่าวโดยสรุปคือ แรงเสียดทานจะก่อให้เกิดความร้อนและความดัน ซึ่งส่งผลให้ชั้นออกไซด์โครเมียมที่ทำหน้าที่ป้องกันถูกสึกกร่อนไป เมื่อชั้นป้องกันนี้หายไป โลหะฐานที่มีปฏิกิริยาเคมีได้ง่ายกว่าจะถูกเปิดเผยออกมารวมทั้งเริ่มยึดติดกับพื้นผิวอื่นๆ ปัญหานี้จะรุนแรงยิ่งขึ้นเมื่อใช้วัสดุชนิดเดียวกัน เช่น สกรูเกรด 304 กับนัตเกรด 304 เนื่องจากทั้งสองวัสดุมีระดับความแข็งและองค์ประกอบทางเคมีที่ใกล้เคียงกัน จึงทำให้ยึดติดกันได้ง่ายยิ่งขึ้น เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการยึดติดกัน ผู้ผลิตสามารถดำเนินการเชิงปฏิบัติได้หลายวิธี
- ใช้สารหล่อลื่นประเภทแอนตี้-ซีซ (anti-seize) ที่มีส่วนผสมของนิกเกิลระหว่างการประกอบ เพื่อลดแรงเสียดทานและยับยั้งการยึดติดกัน
- จับคู่เกรดวัสดุที่ต่างกันเมื่อเป็นไปได้ — เช่น ใช้สกรูเกรด 304 ร่วมกับน็อตเกรด 316 — เพื่อทำลายความเข้ากันได้ทางโลหะวิทยา
- ใช้การควบคุมแรงบิดอย่างแม่นยำและลดความเร็วในการขันให้ช้าลง เพื่อจำกัดการสะสมความร้อน
- ระบุสกรูที่ผ่านการชุบผิวให้แข็งหรือเคลือบพิเศษ (เช่น เคลือบ Xylan หรือเคลือบเซรามิก) สำหรับการใช้งานที่ต้องการแรงบิดสูง
- ให้เลือกใช้หัวสกรูแบบสิบสองเหลี่ยมแทนแบบหกเหลี่ยม เพื่อกระจายแรงบิดอย่างสม่ำเสมอมากขึ้น และลดความเครียดเฉพาะจุด
เกลียวที่สะอาดและไม่มีรอยเสียหาย รวมทั้งความลึกของการขันเกลียวที่เหมาะสม ก็มีบทบาทสำคัญยิ่งในการป้องกันปรากฏการณ์การยึดติดกันของผิว (galling) — โดยเฉพาะในระบบที่ต้องบำรุงรักษาบ่อยครั้ง หรือระบบที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูง
สภาพแวดล้อมและเงื่อนไขการใช้งานที่ส่งผลต่ออายุการใช้งานของสกรูสแตนเลส
สารคลอไรด์ การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความชื้น และการรับโหลดแบบเป็นรอบ: ปัจจัยที่ก่อให้เกิดการเสื่อมสภาพในโลกแห่งความเป็นจริง
มีปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมและการใช้งานที่เกี่ยวข้องกันสี่ประการ ซึ่งมีอิทธิพลเหนือการเสื่อมสภาพของสกรูสแตนเลสขณะใช้งาน:
- คลอไรด์ เร่งการกัดกร่อนแบบท้องถิ่น—โดยเฉพาะการกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (pitting) และการกัดกร่อนในรอยต่อหรือร่องแคบ (crevice attack)—ในวัสดุเกรดที่มีโมลิบดีนัมไม่เพียงพอ โครงสร้างที่ติดตั้งในบริเวณชายฝั่งจะเกิดการกัดกร่อนเร็วกว่าบริเวณภายในประเทศได้สูงสุดสามเท่า
- การหมุนเวียนทางความร้อน ทำให้เกิดการขยายตัวต่างกันระหว่างสลักเกลียวและวัสดุพื้นฐาน ส่งผลให้เกิดแรงเฉือนซึ่งค่อยๆ คลายการยึดแน่นของข้อต่อ และส่งเสริมการเสียดสีกันจนติดขัด (galling) ขณะทำการขันใหม่
- การกักเก็บความชื้น โดยเฉพาะในชิ้นส่วนที่ระบายน้ำได้ไม่ดี หรือในรอยต่อหรือร่องแคบที่ถูกบังไว้ ความชื้นจะทำให้เกิดการกัดกร่อนจากแรงดึง (Stress Corrosion Cracking: SCC) ซึ่งเป็นกลไกการล้มเหลวแบบเปราะบาง มักมองไม่เห็นด้วยตาเปล่า และพบได้บ่อยใกล้สถานที่ตั้งโรงงานเคมี
- การโหลดแบบเป็นรอบ การสั่นสะเทือน การแปรผันของแรงดัน หรือการขยายตัวและหดตัวจากอุณหภูมิซ้ำๆ จะเริ่มต้นและขยายรอยร้าวจุลภาค จนนำไปสู่การหักจากการเหนื่อยล้า (fatigue fracture) แม้ภายใต้ระดับความเครียดที่ต่ำกว่าค่าความเครียดที่ทำให้วัสดุเริ่มไหล (yield threshold)
การบรรเทาผลกระทบอย่างมีประสิทธิภาพต้องบูรณาการการเลือกวัสดุ การบำบัดผิว และกลยุทธ์การบำรุงรักษา: อัปเกรดเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 316 หรือเกรดซูเปอร์-ออสเทนิติกสำหรับบริเวณที่มีคลอไรด์สูง; ใช้สารหล่อลื่นป้องกันการยึดติด (anti-seize compounds) เพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงจากอุณหภูมิ; จัดกำหนดเวลาการตรวจสอบเป็นประจำในพื้นที่ที่มีความชื้นสูง; และระบุโลหะผสมที่ทนต่อการเหนื่อยล้า เช่น โลหะผสม 17-4 PH สำหรับข้อต่อที่รับโหลดแบบไดนามิก
