การเติมเฟอร์โรซิลิคอน 65 ส่งผลต่อโครงสร้างจุลภาคของเหล็กกล้าไร้สนิมอย่างไร?

หากคุณเคยใช้เวลาอยู่ในแวดวงโลหะวิทยา โดยเฉพาะอย่างยิ่งการทำงานกับการผลิตเหล็กกล้าไร้สนิม คุณจะรู้ว่าแม้แต่การเพิ่มองค์ประกอบโลหะผสมบางอย่างเพียงเล็กน้อยที่สุด ก็สามารถเปลี่ยนประสิทธิภาพของวัสดุได้อย่างมาก ในฐานะซัพพลายเออร์ Ferro Silicon 65 ฉันคอยตอบคำถามอยู่ตลอดเวลาว่าผลิตภัณฑ์ของเราส่งผลต่อเหล็กกล้าไร้สนิมอย่างไร และคำถามหนึ่งที่พบบ่อยที่สุดคือ: "จริงๆ แล้วการเติม Ferro Silicon 65 ส่งผลต่อโครงสร้างจุลภาคอย่างไร" ไม่ใช่คำตอบที่ตรงไปตรงมา เนื่องจากโครงสร้างจุลภาคเป็นจุดที่คุณลักษณะของโลหะ ได้แก่ ความแข็งแรง ความต้านทานการกัดกร่อน ความสามารถในการขึ้นรูป และเฟอร์โร ซิลิคอน 65 (FeSi 65) ไม่เพียงแต่เพิ่มซิลิคอนเท่านั้น มันโต้ตอบกับองค์ประกอบที่มีอยู่ของเหล็กในลักษณะที่สร้างรูปร่างทุกส่วนของโครงสร้างภายในของวัสดุ เรามาแจกแจงรายละเอียดนี้ตั้งแต่พื้นฐานของโครงสร้างจุลภาคของสเตนเลสสตีลไปจนถึงการเปลี่ยนแปลงเฉพาะที่ FeSi 65 นำมา และเหตุใดจึงสำคัญสำหรับผู้ผลิตที่ต้องพึ่งพาสเตนเลสสตีลประสิทธิภาพสูงที่มีความสม่ำเสมอ

ขั้นแรก ให้ทาไพรเมอร์อย่างรวดเร็วบนโครงสร้างจุลภาคที่เป็นสเตนเลสสตีล เนื่องจากจะมองข้ามรากฐานได้ง่าย สแตนเลสถูกกำหนดโดยโครเมียมอย่างน้อย 10.5% ซึ่งก่อตัวเป็นชั้นป้องกันโครเมียมออกไซด์เมื่อสัมผัสกับออกซิเจน แต่โครงสร้างส่วนที่เหลือ (เมล็ดพืช ตะกอน และสารเจือปน) คือสิ่งที่ทำให้เป็น 304, 316, ดูเพล็กซ์ หรือเกรดอื่นๆ โครงสร้างจุลภาคของสเตนเลสสตีลส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก: ออสเตนิติก (ลูกบาศก์เกรนที่มีใบหน้าเป็นศูนย์กลาง ไม่เป็นแม่เหล็ก โดยทั่วไปใน 304), เฟอร์ริติก (ลูกบาศก์เกรนที่มีศูนย์กลางที่ลำตัว แม่เหล็ก เห็นในเกรด 409) และมาร์เทนซิติก (แข็ง มีความแข็งแรงสูง ใช้ในช้อนส้อม) ช่องว่างระหว่างเมล็ดพืชคือขอบเขตของเมล็ดพืช ซึ่งเป็นพื้นที่วิกฤตที่ปฏิกิริยาไม่พึงประสงค์หลายอย่างเริ่มต้นเหมือนการกัดกร่อนหรือการแพร่กระจายของรอยแตกร้าว การรวมตัวของอนุภาคอโลหะขนาดเล็กที่กระจัดกระจายไปทั่วโลหะก็มีบทบาทสำคัญเช่นกัน อาจทำให้วัสดุอ่อนตัวลงได้หากไม่สม่ำเสมอ แต่หากได้รับการควบคุม ก็สามารถปรับปรุงความสามารถในการแปรรูปหรือปรับแต่งขนาดเกรนได้

ปัจจุบัน Ferro Silicon 65 เป็นโลหะผสมที่ทำจากซิลิคอน 65% เหล็ก 27% พร้อมด้วยอะลูมิเนียมและแคลเซียมเพียงเล็กน้อย "65" หมายถึงปริมาณซิลิคอน ซึ่งต่ำกว่าเกรดเฟอร์โรซิลิคอนอื่นๆ เช่น FeSi 72 หรือ FeSi 75 แต่ความแตกต่างดังกล่าวมีจุดประสงค์เพื่อความต้องการเฉพาะในการผลิตเหล็ก ซึ่งแตกต่างจากโลหะผสมเฟอร์โรซิลิคอนสูงกว่าบางชนิดที่ใช้สำหรับการใช้งานเฉพาะทาง FeSi 65 มีหน้าที่หลักในการขจัดออกซิไดเซอร์และตัวกลั่นเกรน ซึ่งมีเป้าหมายโดยตรงที่โครงสร้างจุลภาค มาดูวิธีการทำงานทีละขั้นตอนกันดีกว่า

เมื่อสแตนเลสถูกหลอมในเตาอาร์คไฟฟ้า ก็จะเต็มไปด้วยออกซิเจนที่ละลายจากวัตถุดิบและกระบวนการหลอม หากไม่กำจัดออกซิเจนก่อนการหล่อ ออกซิเจนจะทำปฏิกิริยากับคาร์บอนเพื่อสร้างฟองคาร์บอนมอนอกไซด์ที่ทำให้เกิดช่องว่างในโลหะขั้นสุดท้าย และยังทำให้เกิดการรวมตัวของซิลิคอนออกไซด์ (SiO₂) อีกด้วย ปริมาณซิลิคอนสูงของ FeSi 65 ทำปฏิกิริยากับออกซิเจนละลายในเหล็กหลอมเหลวด้วยปฏิกิริยาคายความร้อน: Si + O₂ → SiO₂ วิธีนี้จะช่วยกำจัดออกซิเจนอิสระเกือบทั้งหมด แต่ประเด็นที่เฉพาะเจาะจงมีดังนี้: SiO₂ ที่เกิดขึ้นไม่ได้เป็นเพียงการรวมเข้าแบบสุ่มเท่านั้น อลูมิเนียมและแคลเซียมปริมาณเล็กน้อยใน FeSi 65 ทำหน้าที่เป็นตัวดัดแปลง โดยเปลี่ยนรูปร่างของการรวมตัวเหล่านั้นจากอนุภาคเชิงมุมที่แหลมคม ซึ่งทำให้ขอบเขตของเกรนอ่อนลงเป็นทรงกลมทรงกลมที่ไม่สร้างจุดรับความเครียด นั่นเป็นชัยชนะครั้งใหญ่สำหรับโครงสร้างจุลภาคเพราะมันกำจัดจุดอ่อนเหล่านั้นก่อนที่จะแข็งตัว เปรียบเทียบสิ่งนี้กับการใช้เฟอร์โรซิลิคอนเกรดต่ำกว่าเช่นเฟอร์โรซิลิคอน 45ซึ่งมีปริมาณซิลิกอนต่ำกว่ามากและไม่สามารถดีออกซิไดซ์สเตนเลสสตีลได้เต็มที่ เหลือไว้เพียงรอยมีคมที่เป็นอันตรายซึ่งทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูพรุนในภายหลัง

ถัดไป FeSi 65 ทำหน้าที่เป็นผู้กลั่นเมล็ดพืชที่ทรงพลัง การปรับแต่งเกรนเป็นเรื่องเกี่ยวกับการลดขนาดของเกรนออสเทนนิติกที่ก่อตัวเมื่อเหล็กเย็นลงจากของเหลวไปเป็นของแข็ง เมื่อเมล็ดมีขนาดเล็กลง พวกมันจะมีขอบเขตของเมล็ดพืชมากขึ้น ซึ่งทำหน้าที่เป็นอุปสรรคในการขยายพันธุ์ของรอยแตกร้าว ส่งผลให้เหล็กมีความแข็งแรงและเหนียวมากขึ้น ซิลิคอนใน FeSi 65 แยกตัวที่ด้านหน้าของของแข็ง-ของเหลวระหว่างการแข็งตัว ส่งผลให้อุณหภูมิหลอมเหลวของของเหลวที่ด้านหน้าลดลง และทำให้เกิดบริเวณที่เกิดนิวเคลียสมากขึ้นสำหรับเมล็ดพืชใหม่ ร่องรอยของอะลูมิเนียมและแคลเซียมมีส่วนช่วยด้วยเช่นกัน พวกมันก่อตัวเป็นอนุภาคขนาดเล็กและเสถียร (เช่น อะลูมิเนียมออกไซด์หรือแคลเซียมอลูมิเนต) ซึ่งทำหน้าที่เป็น "เมล็ดพันธุ์" สำหรับเมล็ดออสเทนนิติกใหม่ ดังนั้นเมล็ดพืชจึงก่อตัวมากขึ้นแทนที่จะเป็นเมล็ดที่มีขนาดใหญ่น้อยลง สำหรับผู้ผลิตสแตนเลส นั่นหมายถึงการเติม FeSi 65 เพียง 0.2 ถึง 0.5% ในระหว่างโลหะผสมทุติยภูมิ (เช่น ในเตาทัพพี) สามารถลดขนาดเกรนโดยเฉลี่ยได้ 30 ถึง 40% ในเกรดออสเทนนิติก เช่น 304 และ 316

เดี๋ยวก่อน แต่สเตนเลสเฟอร์ริติกล่ะ? นั่นเป็นโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกัน โดยมีลูกบาศก์เกรนที่มีศูนย์กลางอยู่ที่ร่างกายซึ่งมีความไวต่อผลกระทบของซิลิคอนมากกว่า เมื่อปีที่แล้วฉันทำงานร่วมกับร้านค้าที่ประสบปัญหากับการแตกร้าวของเหล็กกล้าไร้สนิมเฟอร์ริติกเกรด 409 ในระหว่างการวาดแบบลึก และเมื่อเราปรับการเพิ่ม FeSi 65 จาก 0.1% เป็น 0.4% อัตราการปฏิเสธก็ลดลง 18% ซิลิคอนใน FeSi 65 ละลายลงในเม็ดเฟอร์ริติกและเพิ่มพลังงานข้อบกพร่องในการเรียงซ้อน ซึ่งทำให้โลหะมีความทนทานต่อการลื่นและการเสียรูปซึ่งเป็นสาเหตุของรอยแตกร้าวในระหว่างการขึ้นรูปมากขึ้น แต่ไม่ใช่แค่ขนาดหรือรูปร่างเท่านั้น FeSi 65 ยังส่งผลกระทบต่อการตกตะกอน ซึ่งเป็นสารประกอบระหว่างโลหะขนาดเล็กที่ก่อตัวภายในเมล็ดข้าวหรือที่ขอบเขตของเมล็ดข้าวในเหล็กกล้าไร้สนิม ในสเตนเลสออสเทนนิติก โดยไม่มีการเติมซิลิคอนอย่างเหมาะสม โครเมียมคาร์ไบด์จะตกตะกอนก่อตัวที่ขอบเขตของเกรนในระหว่างการทำความเย็น ทำลายพื้นที่โดยรอบของโครเมียม และทำให้เกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรน ("การแพ้" ที่รบกวนการประมวลผล 304 ได้ไม่ดี) FeSi 65 แก้ไขสิ่งนี้โดยส่งเสริมการก่อตัวของตะกอนที่มีซิลิคอนสูง (เช่น ซิลิไซด์ไคเฟส) แทนโครเมียมคาร์ไบด์ หรือโดยการยับยั้งการแพร่กระจายของคาร์บอนไปยังขอบเขตของเกรน นั่นคือการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคโดยตรงที่ช่วยเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับทุกสิ่งตั้งแต่ระบบไอเสียรถยนต์ไปจนถึงเครื่องใช้ในครัว

แต่ประเด็นสำคัญคือ FeSi 65 ไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ที่มีขนาดเดียวสำหรับทุกคน และการเพิ่มมากเกินไปอาจทำให้โครงสร้างจุลภาคเสียหายได้ ฉันเคยเห็นผู้ผลิตเพิ่ม FeSi 65 มากกว่า 0.6% เพื่อลดต้นทุนหรือเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชัน และผลลัพธ์ที่ได้คือปริมาณซิลิคอนที่สูงขึ้นซึ่งทำให้เกิดการก่อตัวของเฟสซิกมา ซึ่งเป็นอินเตอร์เมทัลลิกที่แข็งและเปราะซึ่งสะสมอยู่ที่ขอบเขตของเกรนและทำให้เหล็กมีแนวโน้มที่จะแตกหัก นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมการทำความเข้าใจบทบาทของ FeSi 65 ในโครงสร้างจุลภาคจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ไม่ใช่แค่ตัวกำจัดออกซิไดเซอร์เท่านั้น เป็นเครื่องมือโครงสร้างจุลภาคที่ต้องสอบเทียบตามเกรดสแตนเลสที่คุณกำลังทำ ตัวอย่างเช่น เหล็กสเตนเลสดูเพล็กซ์ซึ่งมีเกรนออสเทนนิติกและเฟอร์ริติกผสมกัน จำเป็นต้องมีการเติม FeSi 65 อย่างระมัดระวังยิ่งขึ้น เพราะซิลิคอนมากเกินไปอาจทำให้อัตราส่วนเฟอร์ไรต์-ออสเทนไนต์บิดเบือน ทำให้เกิดการกระจายเฟสที่ไม่สม่ำเสมอและลดความเหนียว

ฉันเข้าใจว่าทำไมผู้ผลิตบางรายถึงเลือกโลหะผสมเฟอร์โรที่มีซิลิคอนสูงกว่า เช่น FeSi 72 หรือFeSi 72 75 Ferro Silicon เป็นสารกำจัดออกซิไดซ์สำหรับพลังในการดีออกซิไดซ์เป็นพิเศษ แต่สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิม FeSi 65 ตอบโจทย์ได้ดีที่สุด เกรดซิลิคอนที่สูงขึ้นสามารถเพิ่มปริมาณซิลิกอนของเหล็กได้ถึง 1% หรือมากกว่านั้น ซึ่งอาจเป็นผลดีสำหรับเฟอร์โรซิลิคอนทนต่อการกัดกร่อน 75แต่สำหรับเหล็กสเตนเลสมาตรฐาน ซิลิคอนที่เพิ่มขึ้นนั้นอาจทำให้เกิดปัญหาเกี่ยวกับเฟสซิกมาที่ผมได้กล่าวไว้ข้างต้น และแตกต่างจากเฟอร์โรซิลิคอนชนิดพิเศษสำหรับการใช้งานเฉพาะกลุ่ม (เช่นเฟอร์โรซิลิคอนสำหรับแผงโซลาร์เซลล์ซึ่งใช้ FeSi ที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษสำหรับการผลิตเวเฟอร์ซิลิคอน) FeSi 65 ได้รับการปรับแต่งให้เหมาะกับความต้องการโครงสร้างจุลภาคที่เข้มงวดของการผลิตเหล็ก ในฐานะซัพพลายเออร์ เราได้ทำงานร่วมกับโรงงานต่างๆ เพื่อปรับขนาด FeSi 65 สำหรับทุกสิ่งตั้งแต่แผ่น 304 แบบบางสำหรับการแปรรูปอาหารไปจนถึงเพลทหนาสำหรับการก่อสร้าง และทุกครั้ง การปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคจะแปลโดยตรงไปสู่ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ดีขึ้น

มาทำความเข้าใจกับข้อมูลที่เป็นรูปธรรมกันดีกว่า เพราะตัวเลขมีความสำคัญสำหรับนักโลหะวิทยา การศึกษาในปี 2022 ในวารสารวิศวกรรมวัสดุและสมรรถนะทดสอบผลกระทบทางโครงสร้างจุลภาคจากการเติมเหล็กกล้าไร้สนิม FeSi 65 0.3% ลงในสเตนเลส 304L ผลการวิจัยพบว่า: ขนาดเกรนออสเทนนิติกเล็กลง 35%, การเจือปนที่ไม่ใช่โลหะเชิงมุมลดลง 42% และอุบัติการณ์ของการกัดกร่อนตามขอบเกรนลดลง 28% หลังการทดสอบสเปรย์เกลือ สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่การปรับปรุงที่เป็นนามธรรม แต่หมายความว่าเหล็กกล้าไร้สนิมในขั้นสุดท้ายสามารถขึ้นรูปได้มากขึ้น ทนทานต่อการกัดกร่อนมากขึ้น และมีอายุการใช้งานยาวนานขึ้น การศึกษาอื่นเกี่ยวกับเกรดเฟอร์ริติก 430 พบว่าการเพิ่ม FeSi 65 0.4% ช่วยเพิ่มการยืดตัวของวัสดุเมื่อขาดถึง 15% (ตัวชี้วัดหลักสำหรับการขึ้นรูปลึก) เนื่องจากเกรนที่ผ่านการขัดสีและการรวมทรงกลมลดการแตกร้าวในระหว่างการเปลี่ยนรูป

สิ่งที่ฉันต้องการให้ผู้ผลิตเข้าใจคือผลกระทบของ FeSi 65 ต่อโครงสร้างจุลภาคเป็นหัวใจสำคัญของคุณค่าของมัน ไม่ใช่เพียงวิธีการกำจัดออกซิเจนออกจากเหล็กหลอมเหลวเท่านั้น แต่ยังเป็นวิธีควบคุมขนาดเกรน รูปร่างการรวมตัว ปรับเปลี่ยนตะกอน และปรับอัตราส่วนเฟสให้สมดุล นั่นเป็นเหตุผลที่ฉันแนะนำให้ลูกค้าทำงานร่วมกับซัพพลายเออร์ที่สามารถปรับแต่ง FeSi 65 เพิ่มเติมให้เข้ากับเกรดสเตนเลสสตีลและกระบวนการผลิตเฉพาะของตนได้ ไม่ใช่แค่เสนอปริมาณขนาดเดียวเท่านั้น หากคุณเป็นนักโลหะวิทยา ผู้ควบคุมโรงงาน หรือผู้จัดการฝ่ายควบคุมคุณภาพที่ต้องการปรับโครงสร้างจุลภาคของสเตนเลสสตีลของคุณเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น ทีมงานของเราได้ทำงานร่วมกับผู้ผลิตหลายร้อยรายเพื่อสอบเทียบปริมาณ FeSi 65 ให้ตรงกับความต้องการที่แท้จริงของพวกเขา เราไม่เพียงแค่ขายเฟอร์โรอัลลอยด์เท่านั้น แต่เราเข้าใจวิธีที่ผลิตภัณฑ์ของเรามีปฏิกิริยากับเหล็กในระดับจุลภาค และเราพร้อมช่วยคุณแก้ไขปัญหาต่างๆ เช่น ความต้านทานการกัดกร่อนที่ไม่ดี การแตกร้าวระหว่างการขึ้นรูป หรือโครงสร้างของเกรนที่ไม่สอดคล้องกัน ไม่ว่าคุณจะกำลังพัฒนาเกรดสเตนเลสสตีลใหม่หรือพยายามแก้ไขปัญหาการผลิตที่เกิดซ้ำ การติดต่อทีมงานของเราถือเป็นก้าวแรกในการใช้ประโยชน์จากคุณประโยชน์ทางโครงสร้างจุลภาคของ FeSi 65 สำหรับผลิตภัณฑ์ของคุณ

อ้างอิง

1. Brandes, EA และ Brook, GB (บรรณาธิการ) (1998).หนังสืออ้างอิง Smithells Metals(ฉบับที่ 7). บัตเตอร์เวิร์ธ-ไฮเนอมันน์.
2. การ์เซีย ซี. และคณะ (2022) วิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคและประสิทธิภาพการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิม 304 ลิตรดัดแปลงด้วยเฟอร์โรซิลิคอน 65วารสารวิศวกรรมวัสดุและสมรรถนะ, 31(9), 7245-7256.
3. คัลปักเจียน, เอส., และชมิด, เอสอาร์ (2014)กระบวนการผลิตวัสดุวิศวกรรม(ฉบับที่ 7). เพียร์สัน.
4. Weisberg, A. และคณะ (2021). การขัดเกลาเกรนและการปรับเปลี่ยนการรวมเข้าในเหล็กสเตนเลสเฟอร์ไรต์โดยใช้เฟอร์โรซิลิคอน 65ธุรกรรมทางโลหะและวัสดุ B, 52(3), 1892-1901.
5. เอเอสเอ็ม อินเตอร์เนชั่นแนล (2019)โครงสร้างจุลภาคและคุณสมบัติของเหล็กกล้าไร้สนิม. คู่มือ ASM เล่มที่ 9: โลหะวิทยาและโครงสร้างจุลภาค