บทความสองส่วนนี้สรุปประเด็นสำคัญของบทความเกี่ยวกับการขัดเงาด้วยไฟฟ้า และเป็นการเกริ่นนำถึงการนำเสนอของ Tverberg ที่งาน InterPhex ในปลายเดือนนี้ ในส่วนที่ 1 นี้ เราจะกล่าวถึงความสำคัญของการขัดเงาด้วยไฟฟ้าสำหรับท่อสแตนเลส เทคนิคการขัดเงาด้วยไฟฟ้า และวิธีการวิเคราะห์ ในส่วนที่ 2 เราจะนำเสนอผลงานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับท่อสแตนเลสขัดเงาเชิงกลที่ผ่านกระบวนการพาสซิเวชัน
ส่วนที่ 1: ท่อสแตนเลสขัดเงาด้วยไฟฟ้า อุตสาหกรรมยาและเซมิคอนดักเตอร์ต้องการท่อสแตนเลสขัดเงาด้วยไฟฟ้าจำนวนมาก ในทั้งสองกรณี สแตนเลส 316L เป็นโลหะผสมที่นิยมใช้ โลหะผสมสแตนเลสที่มีโมลิบเดนัม 6% บางครั้งก็ถูกนำมาใช้ โลหะผสม C-22 และ C-276 มีความสำคัญต่อผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อใช้กรดไฮโดรคลอริกในรูปก๊าซเป็นสารกัดกร่อน
สามารถระบุลักษณะตำหนิบนพื้นผิวได้อย่างง่ายดาย ซึ่งอาจถูกบดบังด้วยความผิดปกติบนพื้นผิวมากมายที่พบในวัสดุทั่วไป
ความเฉื่อยทางเคมีของชั้นพาสซิเวชันเกิดจากข้อเท็จจริงที่ว่าทั้งโครเมียมและเหล็กอยู่ในสถานะออกซิเดชัน 3+ และไม่ใช่โลหะศูนย์วาเลนซ์ พื้นผิวที่ขัดเงาด้วยเครื่องจักรกลยังคงมีปริมาณเหล็กอิสระในฟิล์มสูงแม้หลังจากพาสซิเวชันด้วยความร้อนเป็นเวลานานโดยใช้กรดไนตริก ปัจจัยนี้เพียงอย่างเดียวทำให้พื้นผิวที่ขัดเงาด้วยไฟฟ้ามีข้อได้เปรียบอย่างมากในแง่ของความเสถียรในระยะยาว
ความแตกต่างที่สำคัญอีกประการหนึ่งระหว่างพื้นผิวทั้งสองแบบคือ การมีอยู่ (ในพื้นผิวที่ขัดเงาด้วยเครื่องจักร) หรือการไม่มีอยู่ (ในพื้นผิวที่ขัดเงาด้วยไฟฟ้า) ของธาตุโลหะผสม พื้นผิวที่ขัดเงาด้วยเครื่องจักรจะคงองค์ประกอบโลหะผสมหลักไว้โดยมีการสูญเสียธาตุโลหะผสมอื่นๆ เพียงเล็กน้อย ในขณะที่พื้นผิวที่ขัดเงาด้วยไฟฟ้าส่วนใหญ่ประกอบด้วยโครเมียมและเหล็กเท่านั้น
การผลิตท่อขัดเงาด้วยไฟฟ้า เพื่อให้ได้พื้นผิวขัดเงาด้วยไฟฟ้าที่เรียบเนียน คุณต้องเริ่มต้นด้วยพื้นผิวที่เรียบเนียน ซึ่งหมายความว่าเราเริ่มต้นด้วยเหล็กคุณภาพสูงมากที่ผลิตขึ้นเพื่อให้เชื่อมได้ดีที่สุด การควบคุมเป็นสิ่งจำเป็นเมื่อหลอมกำมะถัน ซิลิคอน แมงกานีส และธาตุที่ช่วยลดออกซิเจน เช่น อะลูมิเนียม ไทเทเนียม แคลเซียม แมกนีเซียม และเดลต้าเฟอร์ไรต์ แผ่นเหล็กต้องผ่านการอบชุบความร้อนเพื่อละลายเฟสรองใดๆ ที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการแข็งตัวของโลหะหลอมเหลวหรือเกิดขึ้นระหว่างกระบวนการที่อุณหภูมิสูง
นอกจากนี้ ประเภทของผิวเคลือบแถบก็มีความสำคัญที่สุด มาตรฐาน ASTM A-480 ระบุผิวเคลือบแถบเย็นที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ 3 แบบ ได้แก่ 2D (อบในอากาศ ดอง และรีดแบบทื่อ) 2B (อบในอากาศ ดองด้วยลูกกลิ้ง และขัดเงาด้วยลูกกลิ้ง) และ 2BA (อบให้เงาและขัดเงาด้วยลูกกลิ้ง)
การขึ้นรูป การเชื่อม และการปรับแนวเชื่อมต้องควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อให้ได้ท่อกลมที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ หลังจากการขัดเงา แม้แต่รอยเว้าเล็กน้อยของการเชื่อมหรือเส้นตรงของแนวเชื่อมก็จะปรากฏให้เห็น นอกจากนี้ หลังจากการขัดเงาด้วยไฟฟ้า ร่องรอยของการรีด รอยรีดของการเชื่อม และความเสียหายทางกลใดๆ บนพื้นผิวก็จะปรากฏให้เห็นอย่างชัดเจน
หลังจากผ่านกระบวนการอบชุบความร้อนแล้ว เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อจะต้องได้รับการขัดเงาด้วยเครื่องจักรเพื่อกำจัดข้อบกพร่องบนพื้นผิวที่เกิดขึ้นระหว่างการขึ้นรูปแผ่นโลหะและท่อ ในขั้นตอนนี้ การเลือกวิธีการขัดเงาแบบแถบจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง หากรอยพับลึกเกินไป จะต้องขจัดโลหะออกจากพื้นผิวของเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อมากขึ้นเพื่อให้ได้ท่อที่เรียบ หากความหยาบตื้นหรือไม่มีเลย ก็ไม่จำเป็นต้องขจัดโลหะมากนัก การขัดเงาด้วยไฟฟ้าที่ดีที่สุด โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 5 ไมโครนิ้วหรือเรียบกว่านั้น ได้จากการขัดเงาแบบแถบตามแนวยาวของท่อ การขัดเงาประเภทนี้จะขจัดโลหะส่วนใหญ่จากพื้นผิว โดยทั่วไปอยู่ในช่วง 0.001 นิ้ว ซึ่งจะช่วยขจัดขอบเขตของเกรน ความไม่สมบูรณ์ของพื้นผิว และข้อบกพร่องที่เกิดขึ้น การขัดเงาแบบหมุนวนจะขจัดวัสดุน้อยกว่า ทำให้เกิดพื้นผิวที่ "ขุ่นมัว" และโดยทั่วไปจะให้ค่า Ra (ความหยาบผิวเฉลี่ย) ที่สูงกว่าในช่วง 10–15 ไมโครนิ้ว
การขัดเงาด้วยไฟฟ้า (Electropolishing) คือการเคลือบผิวแบบย้อนกลับ โดยจะปั๊มสารละลายขัดเงาด้วยไฟฟ้าเข้าไปตามเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ ในขณะที่ขั้วแคโทดถูกดึงผ่านท่อ โดยหลักแล้วโลหะจะถูกกำจัดออกจากจุดที่สูงที่สุดบนพื้นผิว กระบวนการนี้ "หวัง" ว่าจะทำให้ขั้วแคโทดเกิดการชุบสังกะสีด้วยโลหะที่ละลายจากภายในท่อ (เช่น ขั้วแอโนด) สิ่งสำคัญคือต้องควบคุมปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเพื่อป้องกันการเกิดการเคลือบผิวที่ขั้วแคโทด และเพื่อรักษาค่าวาเลนซีที่ถูกต้องของแต่ละไอออน
ในระหว่างกระบวนการขัดเงาด้วยไฟฟ้า ออกซิเจนจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของขั้วบวกหรือสแตนเลส และไฮโดรเจนจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวของขั้วลบ ออกซิเจนเป็นส่วนประกอบสำคัญในการสร้างคุณสมบัติพิเศษของพื้นผิวที่ผ่านการขัดเงาด้วยไฟฟ้า ทั้งเพื่อเพิ่มความหนาของชั้นพาสซิเวชันและเพื่อสร้างชั้นพาสซิเวชันที่แท้จริง
กระบวนการขัดเงาด้วยไฟฟ้าเกิดขึ้นภายใต้ชั้นที่เรียกว่า "ชั้นจาเกต์" ซึ่งเป็นนิกเกิลซัลไฟต์ที่ผ่านกระบวนการพอลิเมอไรเซชัน สิ่งใดก็ตามที่ขัดขวางการก่อตัวของชั้นจาเกต์จะส่งผลให้พื้นผิวที่ผ่านการขัดเงาด้วยไฟฟ้ามีข้อบกพร่อง โดยปกติแล้วจะเป็นไอออน เช่น คลอไรด์หรือไนเตรต ซึ่งจะขัดขวางการก่อตัวของนิกเกิลซัลไฟต์ สารอื่นๆ ที่ขัดขวางกระบวนการนี้ ได้แก่ น้ำมันซิลิโคน จาระบี ขี้ผึ้ง และไฮโดรคาร์บอนสายยาวอื่นๆ
หลังจากขัดเงาด้วยไฟฟ้าแล้ว ท่อจะถูกล้างด้วยน้ำและทำการพาสซิเวชันเพิ่มเติมในกรดไนตริกร้อน การพาสซิเวชันเพิ่มเติมนี้จำเป็นเพื่อกำจัดนิกเกิลซัลไฟต์ที่ตกค้างและปรับปรุงอัตราส่วนโครเมียมต่อเหล็กบนพื้นผิว ท่อที่ผ่านการพาสซิเวชันแล้วจะถูกล้างด้วยน้ำที่ใช้ในกระบวนการผลิต แช่ในน้ำปราศจากไอออนร้อน อบแห้ง และบรรจุ หากจำเป็นต้องบรรจุในห้องปลอดเชื้อ ท่อจะถูกล้างเพิ่มเติมในน้ำปราศจากไอออนจนกว่าจะได้ค่าการนำไฟฟ้าตามที่กำหนด จากนั้นอบแห้งด้วยไนโตรเจนร้อนก่อนบรรจุ
วิธีการวิเคราะห์พื้นผิวที่ผ่านการขัดเงาด้วยไฟฟ้าที่พบได้บ่อยที่สุดคือ สเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนออเกอร์ (AES) และสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์ (XPS) (หรือที่รู้จักกันในชื่อสเปกโทรสโกปีอิเล็กตรอนวิเคราะห์ทางเคมี) AES ใช้อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นใกล้พื้นผิวเพื่อสร้างสัญญาณเฉพาะสำหรับแต่ละธาตุ ซึ่งจะแสดงการกระจายตัวของธาตุตามความลึก ส่วน XPS ใช้รังสีเอ็กซ์อ่อนที่สร้างสเปกตรัมการจับตัว ทำให้สามารถแยกแยะโมเลกุลแต่ละชนิดตามสถานะออกซิเดชันได้
ค่าความหยาบผิวที่มีลักษณะโปรไฟล์ผิวคล้ายคลึงกับลักษณะพื้นผิว ไม่ได้หมายความว่าจะมีลักษณะพื้นผิวเดียวกัน เครื่องวัดความหยาบผิวสมัยใหม่ส่วนใหญ่สามารถรายงานค่าความหยาบผิวได้หลายค่า รวมถึง Rq (หรือที่เรียกว่า RMS), Ra, Rt (ความแตกต่างสูงสุดระหว่างร่องต่ำสุดและยอดสูงสุด), Rz (ความสูงเฉลี่ยของโปรไฟล์สูงสุด) และค่าอื่นๆ อีกหลายค่า ค่าเหล่านี้ได้มาจากการคำนวณต่างๆ โดยใช้ปากกาเพชรวัดรอบพื้นผิวเพียงครั้งเดียว ในกระบวนการนี้ ส่วนที่เรียกว่า "จุดตัด" จะถูกเลือกทางอิเล็กทรอนิกส์ และการคำนวณจะอิงตามส่วนนี้
พื้นผิวสามารถอธิบายได้ดีขึ้นโดยใช้ค่าการออกแบบต่างๆ ร่วมกัน เช่น Ra และ Rt แต่ไม่มีฟังก์ชันใดฟังก์ชันเดียวที่สามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างพื้นผิวสองแบบที่มีค่า Ra เท่ากันได้ ASME ได้เผยแพร่มาตรฐาน ASME B46.1 ซึ่งกำหนดความหมายของฟังก์ชันการคำนวณแต่ละฟังก์ชัน
สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม โปรดติดต่อ: John Tverberg, Trent Tube, 2015 Energy Dr., PO Box 77, East Troy, WI 53120 โทรศัพท์: 262-642-8210