เหล็กกล้าไร้สนิม (stainless steel) เป็นโลหะผสม (alloy) ที่นิยมใช้เพื่อเป็นวัสดุสร้างเครื่องจักรและอุปกรณ์แปรรูปอาหาร (food processing equipment) เนื่องจากมีความแข็งแรง ทนทาน และทนต่อการกัดกร่อน พื้นผิวที่สัมผัสกับอาหาร (food contact surface) มีความปลอดภัยและถูกสุขลักษณะ ทำความสะอาดง่าย เป็นกลาง และไม่ทำปฏิกิริยากับอาหาร

ส่วนประกอบของเหล็กกล้าไร้สนิม

เหล็กกล้าไร้สนิมมีส่วนผสมหลักคือ โครเมียม (chromium) ซึ่งช่วยป้องกันการกัดกร่อน และนิกเกิล (Ni) มีผลต่อความแข็งแรงของโครงสร้าง โครเมียมป้องกันการกัดกร่อนจากปฏิกิริยาการรวมตัวกับออกซิเจน (oxidation) เป็นโครเมียมออกไซด์ (chromium oxide film : CrO₂ หรือเรียกว่า passive film) ซึ่งเป็นฟิล์มบางมาก ติดแน่นที่ผิวของเหล็กกล้า ถ้าฟิล์มนี้ถูกทำลายจากแรงกล สารเคมี หรือออกซิเจน จะถูกสร้างทดแทนขึ้น ใหม่ด้วยตัวเอง เหล็กกล้าไร้สนิมต้องมีโครเมียม (chromium) ผสมอยู่อย่างน้อย 10.5 เปอร์เซ็นต์ และอาจมีส่วนผสมอื่นๆ เพื่อเพิ่มสมบัติการต้านทานการกัดกร่อน เช่น โมลิบดินัม (molybdenum) และไนโตรเจน (nitrogen) ซึ่งช่วยขจัดการเกิดการกัดกร่อนประเภทรูเข็มและมุมอับ ทองแดง (copper) จะช่วยเพิ่มคุณสมบัติการต้านทานการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่ไม่เหมาะสม

ส่วนประกอบของเหล็กกล้าไร้สนิม มักบอกเป็นสัดส่วน เช่น สเตนเลส 18/8 เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมที่มีโครเมียม 18 เปอร์เซ็นต์และนิกเกิล 8 เปอร์เซ็นต์

ชนิดของเหล็กกล้าไร้สนิม

เหล็กกล้าไร้สนิมชนิดออสเทนนิติก (Austenitic) เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมที่ The American Iron and Steel Institute (ASAI) จัดอยู่ในซีรี่ส์ 300 (series 300) เป็นเหล็กกล้าไร้สนิมที่นำใช้งานอย่างกว้างขวางในเครื่องจักรและอุปกรณ์แปรรูปอาหาร เกรดที่นิยมใช้มากที่สุด คือ 304 และ 316มีส่วนผสมของโครเมียม (Cr) อย่างน้อย 16 เปอร์เซนต์ และมีนิกเกิล (Ni) ซึ่งช่วยปรับปรุงสมบัติในการขึ้นรูป ความแข็งแรง บางเกรดจะมี  โมลิบดินัม (Mo) ผสมอยู่ด้วยเพื่อเพิ่มความทนทานต่อการกัดกร่อน

• สเตนเลส 304 อาจเรียกว่าสเตนเลส เกรด 18/8 เป็นสเตนเลสในตระกูลออสเทนนิติก มีโครเมียม 18 เปอร์เซนต์ นิกเกิล 9 เปอร์เซ็นต์ เป็นสเตนเลสที่ The American Iron and Steel Institute (AISI) แนะนำให้ใช้เป็นพื้นผิวที่สัมผัสอาหาร (food contact surface) แต่ 3A Sanitary Standards อนุญาติให้ใช้เฉพาะในส่วนสนับสนุน (utility) เช่น ท่อ (pipe) เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิห้อง ที่ความดันบรรยากาศ มีค่าพีเอชอยู่ในช่วง 6.5-8.0 สามารถทนการกัดกร่อนของสารละลายคลอรีนความเข้มข้นไม่เกิน 50 มิลลิกรัมต่อลิตร (ppm)
• สเตนเลส 316 เป็นสเตนเลสในตระกูลออสเทนนิติก ที่มีส่วนประกอบคือ โครเมียม 17 เปอร์เซ็นต์ นิกเกิล 10 เปอร์เซ็นต์ และเพิ่มส่วนผสมของโมลิบดินัม 2 เปอร์เซ็นต์ เพื่อป้องกันการกัดกร่อน ซึ่ง 3A แนะนำให้ใช้เป็นพื้นผิวสัมผัสกับอาหาร (food contact surface) มีราคาแพงกว่า สเตนเลส 304 สามารถทนอุณหภูมิสูงได้ ทนอุณหภูมิต่ำได้มากกว่า และทนการกัดกร่อนของคลอรีนที่ความเข้มข้นสูงกว่าสเตนเลส 314 ประมาณเท่าตัว ใช้เป็นวัสดุสำหรับเครื่องจักรอุปกรณ์แปรรูปอาหาร เช่น เครื่องจักรอุปกรณ์ในการผลิตเบียร์ (beer) ผลิตภัณฑ์นม (dairy product) ผลิตภัณฑ์เครื่องดื่ม (beverage) เนื้อสัตว์ (meat) เครื่องบรรจุ ปั๊ม วาล์ว ใบพัด อุปกรณ์เครื่องครัว เครื่องใช้บนโต๊ะอาหาร สามารถใช้งานที่อุณหภูมิต่ำติดลบได้ สำหรับถังเก็บแก๊สเหลว เช่น ไนโตรเจนเหลว (liquid nitrogen) และสามารถใช้งานที่อุณหภูมิสูง เช่น แผ่นแลกเปลี่ยนความร้อน (plate heat exchanger) ท่อและอุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (tubular heat exchanger) ถังเก็บ (storage tank) ภาชนะที่ใช้ในงานอุตสาหกรรมอาหาร และรถเข็นอาหาร
• สเตนเลส 316 L มีโครเมียน 18 เปอร์เซ็นต์ นิกเกิล 14 เปอร์เซ็นต์ และโมลิบดินัม 3 เปอร์เซ็นต์ จึงแข็งแรงและทนการกัดกร่อนได้ดีกว่า สเตนเลส 316

สำหรับเครื่องจักรอุปกรณ์แปรรูปอาหารที่ใช้งานที่อุณหภูมิกว่า 150 องศาเซลเซียส และสัมผัสกับคลอรีนที่ความเข้มข้นสูง สเตนเลส 316 จะเกิดความเครียดและแตกร้าวได้ แนะนำให้ใช้สเตนเลส 410, 409 หรือ 329

การใช้แสตนเลสในเครื่องจักรอุปกรณ์ในการผลิตผลิตภัณฑ์นม (dairy product)

การเชื่อมสเตนเลสตระกูลออสเทนนิติก (Austenitic) ทำได้ง่ายที่สุด และเชื่อมได้โดยไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนก่อนทำการเชื่อม หรือให้ความร้อนภายหลังการเชื่อม แต่สิ่งที่ต้องระวัง คือผลของความร้อนที่สูงเกินไปจะทำให้เกรนหยาบและไม่ทนต่อแรงกระแทก นอกจากนี้อุณหภูมิสูงจะทำให้ชิ้นงานเชื่อมบิดเบี้ยวได้ เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมกลุ่มนี้จะขยายตัวได้มากที่อุณหภูมิสูง (high thermal expansion) แต่การนำความร้อน (thermal conductivity) ต่ำเมื่อเปรียบเทียบกับเหล็กกล้าคาร์บอน การแก้ไขทำโดยการปรับกระแสไฟฟ้าในการเชื่อมให้ต่ำเพื่อควบคุมปริมาณความร้อนที่ให้กับชิ้นงาน หรือทำ preheat เพื่อให้ชิ้นงานมีอุณหภูมิสม่ำเสมอ นอกจากนี้อาจป้องกันโดยการใช้ clamp หรือ jig ช่วยยึดชิ้นงานเชื่อม การเชื่อมแบบ back step welding การเชื่อมแบบ balanced sequence welding หรือการเชื่อมทีละน้อยๆ จะลดการบิดเบี้ยวได้ ปัญหาอีกประการ คือการเกิดโครเมียมคาร์ไบด์บริเวณรอยเชื่อม ทำให้ขาดการสร้างฟิล์มโครเมียมออกไซด์เพื่อป้องกันการเกิดสนิม ดังนั้นบริเวณรอยเชื่อมจะถูกกัดกร่อนได้ง่าย การแก้ไขสามารถทำได้โดยการใช้เหล็กกล้าไร้สนิมที่มีปริมาณคาร์บอนต่ำ เช่น 316L หรือใช้ชนิดที่มีส่วนผสมของไททาเนียม หรือไนโอเบียม (stabilized grades) เช่น 347

สเตนเลสตระกูลเฟอร์ริติกมีสมบัติดูดแม่เหล็ก พับม้วน ได้ง่าย แต่ไม่ทนต่อการกัดกร่อนและการขูดขีด มีราคาถูก มีโครเมียมเป็นธาตุผสมหลักระหว่าง 10.5-27 เปอร์เซ็นต์ บางเกรดผสมนิกเกิลลงไปเล็กน้อย บางเกรดผสมโมลิบดินัม หรืออลูมิเนียม ไททาเนียม เป็นตระกูลที่นิยมใช้ในงานผลิตเครื่องใช้บนโต๊ะอาหาร ช้อนส้อม มีด และเครื่องใช้ในครัว อ่างล้าง เป็นต้น สเตนเลสตระกูลมาร์เทนซิติกเป็นตระกูลที่มีความต้านทานการกัดกร่อนน้อยกว่าออสเทนนิติกและเฟอร์ริติก แต่มีความทนทานและแข็งแรงมากกว่า มีสมบัติดูดแม่เหล็ก โดยทั่วไปจะมีส่วนผสมของโครเมียม 12-14 เปอร์เซ็นต์ โมลิบดินัม 0.2-1 เปอร์เซ็นต์ มีนิกเกิล 0-2 เปอร์เซ็นต์ และมีคาร์บอนผสมอยู่ประมาณ 0.1-1 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งสามารถชุบแข็งได้โดยการให้ความร้อนแล้วทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วและอบคืนตัว โดยทั่วไปจะรู้จักกันใน "ซีรี่ส-00" สามารถนำไปใช้ในงานที่ต้องการความทนทานและมีความแข็ง เช่น ทำใบมีด (knife) ตัวยึด กระสวยหรือแกนเพลา หัวฉีด เพลา และสปริง โดยทั่วไปผลิตออกมาในรูปเป็นท่อนแบน แผ่น และงานหล่อ

สเตนเลสตระกูลดูเพล็กซ์ โครงสร้างมีส่วนผสมระหว่างโครงสร้างเฟอร์ไรต์และออสตไนต์ จึงทำให้มีความแข็งแรงมากกว่าออสเทนนิติกและมีความทนทานต่อการกัดกร่อนชนิดรูเข็มและซอกอับ มีโครเมียมเป็นธาตุผสมอยู่ระหว่าง19 ถึง 28 เปอร์เซ็นต์ มีโมลิบดินัมสูงกว่า 5 เปอร์เซ็นต์ และมีนิกเกิลน้อยกว่าตระกูลออสเทนนิติก ใช้งานมากในสภาพแวดล้อมที่มีคลอไรด์สูง นำไปใช้ในการทำแผงและท่ออุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) อุปกรณ์ขนถ่ายวัสดุ (material handling) ถังเก็บ ( storage tank) และถังหมัก (fermentor) ซึ่งต้องทนความดันในบรรยากาศแวดล้อมของคลอไรด์ที่มีความเข้มข้นสูง

ตระกูลเพิ่มความแข็งโดยการตกผลึก มีความต้านทานการกัดกร่อนเทียบเคียงกับตระกูลออสเทนนิติก มีความแข็งแรงมากกว่าตระกูลมาร์เทนซิติก เกรด 17-4H ที่รู้จักกันทั่วไป มีโครเมียมผสมอยู่ 17 เปอร์เซ็นต์ และมีนิกเกิล 4 เปอร์เซ็นต์ ทองแดง และไนโอเบียมผสมอยู่ด้วย เนื่องจาก สเตนเลสชนิดนี้สามารถชุบแข็งได้ในคราวเดียว จึงเหมาะสำหรับทำแกน ปั๊ม (pump) และหัววาล์ว (valve)

Reference

• การเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม
• มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม เครื่องใช้เหล็กกล้าไร้สนิม : ภาชนะหุงต้มที่มีรอยประสาน (มอก.2440-2552)
• บทวิภาค มาตรฐานผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม เครื่องใช้เหล็กกล้าไร้สนิม : ภาชนะหุงต้มที่มีรอยประสาน (มอก.2440-2552)
• http://www.3-a.org/resource/papers/stainless_steel_dairy_industry.pdf
• http://www.ehedg.org/uploads/DOC_08_E_2004.pdf