สิ่งเจือปนในเหล็ก
โพสต์เมื่อ : 13 พ.ย 2566 เวลา 5:17 น.
โดย ศูนย์เครือข่ายบริการทดสอบ วิเคราะห์ วิจัยด้านอุตสาหกรรม (Technical Service Network Center) : TSNC
สิ่งเจือปนในเหล็กถือเป็นพารามีเตอร์สำคัญตัวหนึ่งที่ส่งผลต่อคุณภาพผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น เหล็กจะมีความสามารถในการขึ้นรูป (formability) ความเหนียว (ductility) และความลำ (fatigue strength) แย่ลง เมื่อผลิตภัณฑ์เหล็กมีปริมาณสิ่งเจือปนในรูปของสารประกอบซัลไฟด์และสารประกอบออกไซด์มากขึ้น อย่างไรก็ตามสารประกอบ MnS ในเหล็กจะช่วยให้เหล็กมีความสามารถในการกลึง ไส กัด เจาะ (machinability) ได้ดีขึ้น ด้วยเหตุนี้ การประเมินสิ่งเจือปนในเหล็กจะขึ้นอยู่กับประเภทผลิตภัณฑ์ และการตกลงกับคู่ค้าเป็นสำคัญ
นอกจากปริมาณ (volume fraction) ของสิ่งเจือปนแล้ว ขนาด (size)รูปร่าง (morphology)และการกระจายตัว (distribution) ในเหล็กยังส่งผลต่อความเหนียว ความแกร่ง ความต้านทานต่อการล้า รวมถึงความสามารถในการขึ้นรูปอีกด้วย ซึ่งจะส่งผลต่อการใช้งานของอุตสาหกรรมต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น อุตสาหกรรมชิ้นส่วนยานยนต์ อุตสาหกรรมการขึ้นรูปโลหะ เป็นต้น ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นที่จะต้องทำการตรวจประเมินและควบคุมสิ่งเจือปนในเหล็ก เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพตามที่ต้องการ
สิ่งเจือปนในเหล็ก แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทหลักๆ ได้แก่
Indigenous inclusion เป็นสิ่งเจือปนที่เกิดจากการรวมตัวของธาตุที่อยู่ในน้ำเหล็กกลายเป็นสารประกอบด่างๆ ระหว่างการเย็นตัว แบ่งเป็น 4 ประเภทตามมาตรฐาน ASTM E-7 ได้แก่
วิธีการตรวจประเมินสิ่งเจือปนในเหล็กแบ่งได้เป็น 2 วิธีหลักๆ ได้แก่
Step-down method วิธีนี้เป็นวิธีการตรวจหาสิ่งเจือปนที่อยู่ที่ผิวหลังการกลึงของชิ้นงานรีดหรือทุบขึ้นรูป ชิ้นงานทดสอบจะถูกกลึงให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางตามที่กำหนด และจะทำการตรวจหาสิ่งเจือปนภายใต้สภาวะความส่องสว่างที่เหมาะสมโดยใช้สายตา หรือแว่นกำลังขยายต่ำ ในบางกรณีอาจจะตรวจหาสิ่งเจือปนบนที่ผิวชิ้นงานทดสอบที่หลายตำแหน่ง โดยทำการกลึงชิ้นงานให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างๆกัน วิธีการนี้จะเหมาะกับการตรวจหาสิ่งเจือปนที่มีขนาด 3 มิลลิเมตรขึ้นไป
Method A (worst field) วิธีนี้เป็นหนึ่งในวิธีการตรวจประเมินสิ่งเจือปนในเหล็กระดับจุลภาคตามมาตรฐาน ASTM E45 โดยจะแสดงผลเป็นระดับความรุนแรงที่มากที่สุดของสิ่งเจือปนแต่ละประเภท ทำได้โดยเตรียมผิวชิ้นงานให้เป็นมันวาว (polished surface) และมีพื้นที่ผิวไม่น้อยกว่า 160 ตารางมิลลิเมตร ตรวจประเมินสิ่งเจือปน โดยในการตรวจประเมินนั้น พื้นที่สำหรับตรวจประเมิน (field size) จะเท่ากับ 0.5 ตารางมิลลิเมตร โดยทั่วไปจะใช้เลนส์ตาที่มี glass scale ขนาด 0.71 x 0.71 มิลลิเมตร ช่วยในการประเมิน
ประเมินระดับความรุนแรงของสิ่งเจือปนในแต่ละ field แบ่งตามประเภท และขนาด (หนา และ บาง) โดยเทียบกับ Plate I-r (แผนภาพมาตรฐานแสดงระดับความรุนแรงของสิ่งเจือปนตามประเภทและขนาด) บันทึกระดับความรุนแรงของสิ่งเจือปนที่มากที่สุดของแต่ละประเภทและขนาดของสิ่งเจือปน
Total oxygen measurement วิธีนี้เป็นวิธีการประเมินสิ่งเจือปนทางอ้อม โดยจะตรวจวัดสัดส่วนของออกซิเจนในเหล็ก สัดส่วนของออกซิเจนในเหล็กนี้ จะเป็นตัวบ่งบอกถึงปริมาณสารประกอบออกไซด์ที่มีอยู่ในเหล็กได้ เนื่องจากออกซิเจนที่มีอยู่ในเหล็กส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของสารประกอบออกไซด์ (ประมาณ 3 – 5 ppm ของออกซิเจนในเหล็กที่อยู่ในรูปของออกซิเจนอิสระ) การหาสัดส่วนออกซิเจนในเหล็กสามารถทำได้โดยใช้เครื่อง oxygen/nitrogen analyzerซึ่งค่าที่ได้จะเป็นผลรวมของสัดส่วนทั้งออกซิเจนอิสระและออกซิเจนในรูปของสารประกอบออกไซด์)
นอกจากวิธีการเหล่านี้แล้ว ยังมีอุปกรณ์ที่ช่วยในการวิเคราะห์สิ่งเจือปน เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งสามารถใช้ในการตรวจสอบรูปร่างสามมิติ (ชิ้นงานที่ผ่านการทำ slime extraction) รวมถึงวิเคราะห์ส่วนผสมทางเคมีของสิ่งเจือปนได้ โดยใช้เทคนิค energy dispersive spectroscopy(EDS)
สิ่งเจือปนในเหล็กถือเป็นพารามีเตอร์สำคัญตัวหนึ่งที่ส่งผลต่อคุณภาพผลิตภัณฑ์ ตัวอย่างเช่น เหล็กจะมีความสามารถในการขึ้นรูป (formability) ความเหนียว (ductility) และความลำ (fatigue strength) แย่ลง เมื่อผลิตภัณฑ์เหล็กมีปริมาณสิ่งเจือปนในรูปของสารประกอบซัลไฟด์และสารประกอบออกไซด์มากขึ้น อย่างไรก็ตามสารประกอบ MnS ในเหล็กจะช่วยให้เหล็กมีความสามารถในการกลึง ไส กัด เจาะ (machinability) ได้ดีขึ้น ด้วยเหตุนี้ การประเมินสิ่งเจือปนในเหล็กจะขึ้นอยู่กับประเภทผลิตภัณฑ์ และการตกลงกับคู่ค้าเป็นสำคัญ
นอกจากปริมาณ (volume fraction) ของสิ่งเจือปนแล้ว ขนาด (size)รูปร่าง (morphology)และการกระจายตัว (distribution) ในเหล็กยังส่งผลต่อความเหนียว ความแกร่ง ความต้านทานต่อการล้า รวมถึงความสามารถในการขึ้นรูปอีกด้วย ซึ่งจะส่งผลต่อการใช้งานของอุตสาหกรรมต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น อุตสาหกรรมชิ้นส่วนยานยนต์ อุตสาหกรรมการขึ้นรูปโลหะ เป็นต้น ด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นที่จะต้องทำการตรวจประเมินและควบคุมสิ่งเจือปนในเหล็ก เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีคุณภาพตามที่ต้องการ
สิ่งเจือปนในเหล็ก แบ่งออกได้เป็น 2 ประเภทหลักๆ ได้แก่
- Indigenous inclusions
- Exogenous inclusions
Indigenous inclusion เป็นสิ่งเจือปนที่เกิดจากการรวมตัวของธาตุที่อยู่ในน้ำเหล็กกลายเป็นสารประกอบด่างๆ ระหว่างการเย็นตัว แบ่งเป็น 4 ประเภทตามมาตรฐาน ASTM E-7 ได้แก่
- Type A สารประกอบซัลไฟด์ เช่น FeS หรือ MnS
- Type B สารประกอบออกไซด์ของอลูมิเนียม A20g (alumina)
- Type C สารประกอบซิลิเคต (Silica)
- Type D สารประกอบออกไซด์รูปร่างกลม (globular oxide)
วิธีการตรวจประเมินสิ่งเจือปนในเหล็กแบ่งได้เป็น 2 วิธีหลักๆ ได้แก่
- วิธีการทดสอบทางตรง (direct method) ตามมาตรฐาน ASTM E45 ได้แก่
- Macroscopical method ได้แก่ macroetch test, fracture test, step-down method รวมถึง magnetic particle method
- Microscopical method ได้แก่ method A (worst fields), method B (length), method C (oxides & silicates), method D (low inclusioncontent) และ method E (SAM rating)
- วิธีการทดสอบทางอ้อม (indirect method) ได้แก่
- Total oxygen measurement
- Nitrogen pickup
Step-down method วิธีนี้เป็นวิธีการตรวจหาสิ่งเจือปนที่อยู่ที่ผิวหลังการกลึงของชิ้นงานรีดหรือทุบขึ้นรูป ชิ้นงานทดสอบจะถูกกลึงให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางตามที่กำหนด และจะทำการตรวจหาสิ่งเจือปนภายใต้สภาวะความส่องสว่างที่เหมาะสมโดยใช้สายตา หรือแว่นกำลังขยายต่ำ ในบางกรณีอาจจะตรวจหาสิ่งเจือปนบนที่ผิวชิ้นงานทดสอบที่หลายตำแหน่ง โดยทำการกลึงชิ้นงานให้มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่างๆกัน วิธีการนี้จะเหมาะกับการตรวจหาสิ่งเจือปนที่มีขนาด 3 มิลลิเมตรขึ้นไป
Method A (worst field) วิธีนี้เป็นหนึ่งในวิธีการตรวจประเมินสิ่งเจือปนในเหล็กระดับจุลภาคตามมาตรฐาน ASTM E45 โดยจะแสดงผลเป็นระดับความรุนแรงที่มากที่สุดของสิ่งเจือปนแต่ละประเภท ทำได้โดยเตรียมผิวชิ้นงานให้เป็นมันวาว (polished surface) และมีพื้นที่ผิวไม่น้อยกว่า 160 ตารางมิลลิเมตร ตรวจประเมินสิ่งเจือปน โดยในการตรวจประเมินนั้น พื้นที่สำหรับตรวจประเมิน (field size) จะเท่ากับ 0.5 ตารางมิลลิเมตร โดยทั่วไปจะใช้เลนส์ตาที่มี glass scale ขนาด 0.71 x 0.71 มิลลิเมตร ช่วยในการประเมิน
ประเมินระดับความรุนแรงของสิ่งเจือปนในแต่ละ field แบ่งตามประเภท และขนาด (หนา และ บาง) โดยเทียบกับ Plate I-r (แผนภาพมาตรฐานแสดงระดับความรุนแรงของสิ่งเจือปนตามประเภทและขนาด) บันทึกระดับความรุนแรงของสิ่งเจือปนที่มากที่สุดของแต่ละประเภทและขนาดของสิ่งเจือปน
Total oxygen measurement วิธีนี้เป็นวิธีการประเมินสิ่งเจือปนทางอ้อม โดยจะตรวจวัดสัดส่วนของออกซิเจนในเหล็ก สัดส่วนของออกซิเจนในเหล็กนี้ จะเป็นตัวบ่งบอกถึงปริมาณสารประกอบออกไซด์ที่มีอยู่ในเหล็กได้ เนื่องจากออกซิเจนที่มีอยู่ในเหล็กส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของสารประกอบออกไซด์ (ประมาณ 3 – 5 ppm ของออกซิเจนในเหล็กที่อยู่ในรูปของออกซิเจนอิสระ) การหาสัดส่วนออกซิเจนในเหล็กสามารถทำได้โดยใช้เครื่อง oxygen/nitrogen analyzerซึ่งค่าที่ได้จะเป็นผลรวมของสัดส่วนทั้งออกซิเจนอิสระและออกซิเจนในรูปของสารประกอบออกไซด์)
นอกจากวิธีการเหล่านี้แล้ว ยังมีอุปกรณ์ที่ช่วยในการวิเคราะห์สิ่งเจือปน เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ซึ่งสามารถใช้ในการตรวจสอบรูปร่างสามมิติ (ชิ้นงานที่ผ่านการทำ slime extraction) รวมถึงวิเคราะห์ส่วนผสมทางเคมีของสิ่งเจือปนได้ โดยใช้เทคนิค energy dispersive spectroscopy(EDS)