ซูเปอร์ดูเพล็กซ์ เอส32750/2507: การผลิตด้วยวิธีการอัดรีด อบชุบแบบละลาย และรีดเย็น

ซูเปอร์ดูเพล็กซ์ เกรด S32750 ซึ่งมักเรียกกันว่า 2507 เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีส่วนประกอบโดยประมาณ 25% โครเมียม-7% นิกเกิล-4% โมลิบดีนัม-ไนโตรเจน ท่อแบบไม่มีรอยต่อของวัสดุชนิดนี้ผลิตด้วยกระบวนการอัดร้อน (hot extrusion) ทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยการอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงใกล้ช่วง 1,050 ถึง 1,100 องศาเซลเซียส จากนั้นจึงดับความร้อนอย่างรวดเร็วด้วยน้ำ และขึ้นรูปเย็นด้วยวิธีพิลเกอร์ (pilgering) หรือดึง (drawing) กระบวนการดังกล่าวก่อให้เกิดโครงสร้างจุลภาคแบบออสเทนไนต์-เฟอร์ไรต์ที่สมดุลใกล้เคียงสัดส่วน 50/50 มีค่าพารามิเตอร์ความต้านทานการกัดกร่อนแบบพิตติ้ง (PREN) สูงกว่า 40 และมีค่าแรงดึงที่จุดยืดหยุ่นต่ำสุดประมาณ 550 เมกะพาสคาล (หรือราว 80 กิโลปอนด์ต่อตารางนิ้ว) ส่วนท่อที่ผ่านการขึ้นรูปเย็นจะมีค่าแรงดึงสูงสุดใกล้เคียง 125 กิโลปอนด์ต่อตารางนิ้ว ความแข็งแรงที่สูงควบคู่ไปกับความต้านทานการกัดกร่อนเป็นเหตุผลหลักที่ทำให้เกรด 2507 ถูกเลือกใช้ในงานที่มีสารคลอไรด์ในสภาวะรุนแรงที่สุด

โลหะวิทยาที่อยู่เบื้องหลังตัวเลข
ซูเปอร์ดูเพล็กซ์ได้สมรรถนะอันโดดเด่นจากโครงสร้างสองเฟสที่ออกแบบมาอย่างตั้งใจ โดยเฟสเฟอร์ไรต์ให้ความแข็งแรงสูงและความต้านทานต่อการกัดกร่อนแบบเครียดจากคลอไรด์ ส่วนเฟสออสเทนไนต์ช่วยเสริมความเหนียวและความต้านทานต่อการกัดกร่อนโดยทั่วไป องค์ประกอบเชิงนามธรรมโดยประมาณ คือ โครเมียมร้อยละ 25 นิกเกิลร้อยละ 7 โมลิบดีนัมร้อยละ 4 และไนโตรเจนร้อยละ 0.24 ถึง 0.32 ถูกกำหนดไว้เพื่อให้หลังผ่านกระบวนการโซลูชันแอนนีลิง เฟสทั้งสองจะมีสัดส่วนใกล้เคียงกัน ไนโตรเจนคือปัจจัยสำคัญยุคใหม่: มันเป็นธาตุที่ส่งเสริมการเกิดเฟสออสเทนไนต์อย่างเข้มข้น ยกระดับความแข็งแรงผ่านกลไกการเสริมความแข็งแบบสารละลายของแข็ง (solid-solution hardening) และเพิ่มความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบพิตติ้งอย่างมาก หากนำตัวเลขมาคำนวณด้วยสูตร PREN = %Cr + 3.3 × %Mo + 16 × %N จะพบว่า ตัวอย่างโลหะผสมเกรด 2507 หนึ่งชุดมักมีค่า PREN ประมาณ 43 ซึ่งสูงกว่าเกณฑ์ 40 ที่ใช้กำหนดกลุ่มซูเปอร์ดูเพล็กซ์อย่างชัดเจน
ราคาของการมีสมรรถนะนั้นคือความไวต่อการเปลี่ยนแปลงทางโลหะวิทยา ระหว่างอุณหภูมิประมาณ 600 ถึง 950 องศาเซลเซียส ระยะเวลานานเพียงไม่กี่นาทีก็เพียงพอให้เกิดเฟสอินเทอร์เมทัลลิกที่เปราะบาง เช่น เฟสซิกมา (sigma) และเฟสไช (chi) ขึ้นภายในวัสดุ ซึ่งจะดึงโครเมียมและโมลิบดีนัมออกจากโครงสร้างพื้นฐาน ส่งผลให้ทั้งความเหนียวและความต้านทานการกัดกร่อนลดลงอย่างรุนแรง ทุกขั้นตอนในการผลิตจึงออกแบบมาเพื่อพาผ่านช่วงอุณหภูมินี้ให้เร็วที่สุด และให้วัสดุอยู่ในสภาพที่ผ่านการอบละลายอย่างสมบูรณ์แล้ว ความไวเช่นเดียวกันนี้ยังจำกัดกระบวนการขึ้นรูปในขั้นตอนต่อมาด้วย: ปริมาณความร้อนที่ใช้ในการเชื่อม อุณหภูมิระหว่างการเชื่อมแต่ละรอบ และการให้ความร้อนหลังขึ้นรูปทุกชนิด ล้วนต้องอยู่ภายใต้ข้อจำกัดด้านอุณหภูมิเดียวกันนี้ เพราะแม้ผลิตภัณฑ์จากโรงกลิ้นจะสมบูรณ์แบบเพียงใด ก็อาจเสียหายได้จากวิธีปฏิบัติที่ไม่ระมัดระวังในสนาม

การอัดรีดร้อนของท่อกลวง
ท่อซูเปอร์ดูเพล็กซ์แบบต่อเนื่องเริ่มต้นจากบิลเล็ตแข็งหรือบิลเล็ตที่เจาะรูไว้ล่วงหน้า แล้วนำมาร้อนด้วยการเหนี่ยวนำจนถึงอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการอัดขึ้นรูป จากนั้นเคลือบด้วยสารหล่อลื่นชนิดแก้ว และดันผ่านแม่พิมพ์รอบแกนกลาง (mandrel) เพื่อให้ได้ท่อกลวงขนาดใหญ่ (mother tube) การอัดขึ้นรูปเหมาะกับเกรดโลหะผสมสูง เพราะกระบวนการนี้ทำให้วัสดุอยู่ภายใต้แรงกด ซึ่งช่วยยับยั้งการแตกร้าวในโลหะที่มีความทนทานต่ำกว่าเกรด 304 หรือ 316 อย่างมาก อุณหภูมิสูงระหว่างการอัดขึ้นรูปช่วยควบคุมภาระจากการเปลี่ยนรูปร่างให้อยู่ในระดับที่จัดการได้ แต่ท่อไม่อาจคงอยู่ในช่วงอุณหภูมิที่เกิดการตกผลึกของเฟสอินเทอร์เมทัลลิก (intermetallic range) ขณะเย็นตัว จึงต้องส่งผ่านเข้าสู่ขั้นตอนการอบละลาย (solution treatment) ทันที

การอบละลายและดับความร้อนด้วยน้ำ
การอบอ่อนแบบแก้ปัญหาเป็นการรักษาความร้อนที่มีความสำคัญยิ่ง ซึ่งต้องคงอุณหภูมิของท่อไว้ที่ประมาณ 1,050 ถึง 1,100 องศาเซลเซียส เพื่อให้เฟสซิกมา (sigma) หรือเฟสไค (chi) ละลายหมด ทำให้โครเมียมกับโมลิบดีนัมกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ และฟื้นฟูสัดส่วนออสเทนไนต์กับเฟอร์ไรต์ให้อยู่ในภาวะสมดุล จากนั้นต้องตามด้วยการดับความร้อนด้วยน้ำอย่างรวดเร็ว: การระบายความร้อนต้องเร็วพอที่จะคงโครงสร้างจุลภาคไว้โดยไม่เปลี่ยนแปลง และหยุดการตกตะกอนซ้ำขณะที่ท่อลดอุณหภูมิผ่านช่วง 950 ถึง 600 องศาเซลเซียส หากการดับความร้อนช้าเกินไป ถือเป็นหนึ่งในสาเหตุหลักที่ทำให้ผลการทดสอบแรงกระแทกหรือการกัดกร่อนล้มเหลวในผลิตภัณฑ์ดูเพล็กซ์ ดังนั้น ปริมาตรน้ำที่ใช้ดับความร้อนและวิธีการจัดการชิ้นงานจึงถูกควบคุมอย่างเข้มงวด และท่อสำเร็จรูปจะต้องผ่านการตรวจสอบด้วยการทดสอบแรงกระแทกและการทดสอบการกัดกร่อนตามมาตรฐาน ASTM A790 และ A923

การรีดเย็น การดึง และการเสริมความแข็งแรง
เพื่อให้ได้ขนาดสุดท้ายและค่าความคลาดเคลื่อนตามที่กำหนด ท่อแม่ที่ผ่านการอบร้อนแบบละลายแล้วจะถูกขึ้นรูปเย็นด้วยวิธีพิลเกอร์รอลลิ่ง หรือดึงผ่านหัวปลั๊ก การพิลเกอร์รอลลิ่งแบบเย็นจะลดทั้งเส้นผ่านศูนย์กลางและความหนาของผนังในกระบวนการเดียวที่ควบคุมได้ ซึ่งช่วยปรับปรุงผิวเรียบและความแม่นยำของขนาด นอกจากนี้ยังเพิ่มความแข็งแรงผ่านปรากฏการณ์การแข็งตัวจากการขึ้นรูปเย็น ทำให้ท่อสามารถมีความต้านแรงดึงเกิน 125 ksi ในสภาพหลังขึ้นรูปเย็นโดยตรง เนื่องจากการขึ้นรูปเย็นทำให้เกิดพลังงานสะสมและลดความเหนียวลง จึงจำเป็นต้องทำการอบร้อนแบบละลายและดับด้วยน้ำระหว่างการขึ้นรูปครั้งใหญ่ และการอบร้อนแบบละลายครั้งสุดท้ายจะคืนโครงสร้างจุลภาคตามที่ระบุไว้ เว้นแต่ลูกค้าจะระบุอย่างชัดเจนว่าต้องการส่งมอบในสภาพที่ผ่านการขึ้นรูปเย็นเพื่อให้ได้ความแข็งแรงสูงกว่าปกติ การลดขนาดต่อรอบต้องควบคุมอย่างเข้มงวด: หากขึ้นรูปเย็นมากเกินไปในรอบเดียวอาจก่อให้เกิดรอยฉีกที่ผิวหรือรอยร้าวภายใน โดยเฉพาะในเกรดวัสดุที่มีความเหนียวต่ำอยู่แล้วเมื่อเทียบกับออสเทนิติกมาตรฐาน ดังนั้นพารามิเตอร์การผลิตจึงต้องได้รับการตรวจสอบและยืนยันสำหรับแต่ละชุดการหลอม

ตาราง: เป้าหมายเชิงบรรยายของกระบวนการและสมบัติ

ความก้าวหน้าภายในประเทศ และจุดที่ 2507 สร้างมูลค่า
เป็นเวลาหลายปีมาแล้วที่ท่อซูเปอร์ดูเพล็กซ์ที่มีความแข็งแรงสูงสุดนั้นผลิตโดยผู้ผลิตต่างประเทศเพียงไม่กี่ราย แต่โรงหลอมในจีนได้บรรลุความก้าวหน้าทางโลหะวิทยาอย่างแท้จริงในด้านความสะอาดของการหลอม การควบคุมไนโตรเจน และการขึ้นรูปเย็นแบบควบคุมได้ จนสามารถผลิตท่อซูเปอร์ดูเพล็กซ์แบบไม่มีรอยต่อที่มีความแข็งแรงสูงซึ่งสอดคล้องตามข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับงานนอกชายฝั่งและงานเคมีได้ ความก้าวหน้าดังกล่าวช่วยยกระดับความมั่นคงในการจัดหาสินค้า และลดระยะเวลาการจัดส่งสำหรับผู้ซื้อที่เคยต้องนำเข้าท่อทุกเมตร
การประยุกต์ใช้งานเหล่านี้คุ้มค่ากับความพยายามที่ลงทุน งานด้านน้ำมันและก๊าซนอกชายฝั่งใช้เหล็กกล้าเกรด 2507 สำหรับระบบท่อบนโครงสร้างเหนือผิวน้ำ (topside piping) สายเคเบิลแบบรวมหลายฟังก์ชัน (umbilicals) และระบบน้ำทะเล โดยเฉพาะในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง มีออกซิเจน และมีคลอไรด์ ซึ่งจะทำให้โลหะเกรดต่ำกว่านี้เกิดรูพรุนหรือแตกร้าวได้อย่างรวดเร็ว โรงงานผลิตน้ำจืดจากน้ำทะเลใช้เหล็กกล้าชนิดนี้สำหรับท่อระบบออสโมซิสย้อนกลับภายใต้แรงดันสูง (high-pressure reverse-osmosis piping) และส่วนที่ปล่อยความร้อน (heat-rejection sections) โรงงานผลิตสารเคมีและสีใช้เหล็กกล้าชนิดนี้สำหรับลำเลียงของไหลในกระบวนการที่มีความเป็นกรดและมีคลอไรด์ปนอยู่ ข้อเสนอคุณค่า (value proposition) นั้นเหมือนกันทุกกรณี คือ เหล็กกล้าซูเปอร์ดูเพล็กซ์ (super duplex) สามารถใช้ผนังที่บางลงแต่ทนแรงดันได้สูงขึ้น เนื่องจากมีความแข็งแรงสูง และค่า PREN ที่สูงกว่า 40 ให้ขอบเขตความต้านทานการกัดกร่อนที่เพียงพอ ทำให้อุปกรณ์สามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่อง ผนังที่บางลงยังหมายถึงปริมาณโลหะผสมต่อเมตรลดลง ซึ่งช่วยชดเชยส่วนหนึ่งของราคาต่อกิโลกรัมที่สูงกว่าของเหล็กกล้าซูเปอร์ดูเพล็กซ์ และยังลดน้ำหนักโครงสร้างนอกชายฝั่ง ซึ่งทุกตันของมวลบนโครงสร้างเหนือผิวน้ำ (topside mass) ล้วนมีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมทั้งสิ้น ท่อเกรด 2507 ผ่านการตรวจสอบยืนยันแล้วด้วยเทคนิค PMI การวิเคราะห์องค์ประกอบทางเคมี การทดสอบสมบัติเชิงกล ปริมาณเฟอร์ไรต์ และการกัดกร่อน จึงถือเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีข้อกำหนดสูงมาก และต้องอาศัยกระบวนการผลิตที่เข้มงวดและรอบคอบทุกขั้นตอน

คำถามที่พบบ่อย
คำถาม: ทำไมอุณหภูมิการอบร้อนเพื่อให้เกิดโครงสร้างแบบสมดุล (solution-anneal) ของเหล็กกล้าเกรด 2507 จึงสูงมาก?
คำตอบ: ต้องใช้อุณหภูมิประมาณ 1,050 ถึง 1,100 องศาเซลเซียส เพื่อให้เฟสที่เปราะบางอย่างซิกมา (sigma) และไค (chi) ละลายหมด และปรับสมดุลโครงสร้างออสเทนไนต์-เฟอร์ไรต์ใหม่ หลังจากนั้นจึงต้องทำให้เย็นลงอย่างรวดเร็ว (quench) เพื่อคงโครงสร้างนั้นไว้
คำถาม: เหล็กกล้าซูเปอร์ดูเพล็กซ์สามารถจัดจำหน่ายในสภาพที่ผ่านการขึ้นรูปเย็นจนมีความแข็งแรงสูงกว่าปกติได้หรือไม่?
คำตอบ: ได้ กระบวนการขึ้นรูปเย็นแบบพิลเกอร์ (cold pilgering) หรือการดึง (drawing) สามารถเพิ่มความต้านทานแรงดึงให้ใกล้เคียง 125 ksi ได้ แต่ต้องระบุความต้องการนี้อย่างชัดเจน เนื่องจากการจัดส่งตามมาตรฐานทั่วไปมักผ่านการอบร้อนเพื่อให้เกิดโครงสร้างสมดุล (solution-annealed) ขั้นสุดท้าย เพื่อให้ได้ความเหนียวและทนต่อการกัดกร่อนสูงสุด
ต้องการท่อไร้รอย (seamless pipe) ชนิดซูเปอร์ดูเพล็กซ์เกรด 2507/S32750 พร้อมเอกสารรับรองคุณสมบัติเชิงกลและคุณสมบัติต้านการกัดกร่อนครบถ้วนหรือไม่? ติดต่อ ห้างหุ้นส่วนจำกัดเจ้อเจียงเหวินเฉียง สเตนเลสสตีล โทรศัพท์ +86 577 8922 2595 https://www.chinawqsteel.com/