การกัดกร่อนของโลหะและการป้องกัน
(Metallic Corrosion and Its Prevention)
ปัจจุบัน เรามีการใช้เหล็กเป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับงานต่างๆ มากมาย ซึ่งข้อพิจารณาในการเลือกใช้ผลิตภัณฑ์เหล็ก นอกจากจะดูที่ความแข็งแรง
ความเหนียว (Toughness) ความสามารถในการขึ้นรูปและความสามารถในการเชื่อมประกอบแล้ว เรายังต้องพิจารณาถึงความต้านทานการกัดกร่อนด้วย
เพื่อให้ใช้งานเหล็กได้อย่างคุ้มค่า ลดความจำเป็นในการซ่อมบำรุง และมั่นใจในความปลอดภัย เช่น อุตสาหกรรมอาหาร การขนส่งเชื้อเพลิงโดยท่อเหล็ก เป็นต้น
บทความนี้จะเสนอเนื้อหาเกี่ยวกับรูปแบบการกัดกร่อนบางประเภทที่เกิดกับโลหะและการป้องกัน
การกัดกร่อนแบบสม่ำเสมอ (Uniform corrosion) เป็นการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นเนื่องจากโลหะสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมโดยอัตราการสูญเสียของเนื้อโลหะที่บริเวณต่างๆ
จะใกล้เคียงกัน ทำให้สามารถวัดอัตราการกัดกร่อนและออกแบบการบำรุงรักษาตามช่วงระยะเวลาได้
การกัดกร่อนเนื่องจากความต่างศักย์ (Galvanic corrosion) เช่น เมื่อโลหะ 2 ชนิดที่ต่างกันมาเชื่อมต่อกันจะเกิดความต่างศักย์ขึ้น
ทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนระหว่างโลหะทั้งสอง โลหะที่ต้านทานการกัดกร่อนได้น้อยกว่าจะเป็นอาโนด โลหะที่ต้านทานการกัดกร่อนได้มากกว่าทำหน้าที่เป็นคาโธด
โดยระดับการกัดกร่อนขึ้นกับสภาพสิ่งแวดล้อมที่โลหะทั้งสองสัมผัส ระยะห่างจากรอยต่อ (การกัดกร่อนแบบกัลวานิคจะรุนแรงที่สุดบริเวณใกล้รอยต่อระหว่างโลหะทั้งสอง
และอัตราการกัดกร่อนจะลดลงเมื่อระยะห่างจากรอยต่อนั้นเพิ่มขึ้น) สัดส่วนพื้นที่ของคาโธดต่อพื้นที่ของอาโนด (ยิ่งสัดส่วนดังกล่าวมาก ความรุนแรงของการกัดกร่อนที่อาโนดก็จะยิ่งสูงขึ้น)
การกัดกร่อนแบบช่องแคบ (Crevice corrosion) เป็นการกัดกร่อนเฉพาะบริเวณ (localised corrosion) แบบหนึ่ง มักเกิดขึ้นบริเวณช่องแคบหรือรอยแยกของโลหะ
ที่สัมผัสกับสารละลายที่สามารถแตกตัวเป็นประจุไฟฟ้า (electrolyte) ได้ การกัดกร่อนแบบนี้สามารถเกิดขึ้นได้แม้โลหะสัมผัสกับอโลหะ เช่น rubber gasket
อัตราการกัดกร่อนในช่องแคบจะสูงกว่าของเนื้อโลหะโดยรวม (bulk) นอกจากนี้การกัดกร่อนแบบช่องแคบมักเกิดกับโลหะที่โลหะผสมที่ผิวเป็น passive เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม
การกัดกร่อนแบบเป็นหลุม (Pitting) เป็นการกัดกร่อนเฉพาะที่ (localized attack) อีกแบบหนึ่ง การกัดกร่อนแบบนี้ทำให้เกิดความเสียหายได้แม้สูญเสียน้ำหนักโลหะเพียงเล็กน้อย
แต่เป็นอันตรายเพราะมักเป็นการเสียหายแบบฉับพลัน โดยจะทะลุเป็นรูและยากที่จะตรวจหา เพราะขนาดเล็กและอาจถูกปกคลุมด้วยผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อน (corrosion product)
การกัดกร่อนแบบเป็นหลุมมักจะเกิดกับโลหะที่ผิวเป็น passive ซึ่งจะทำให้มีแรงขับ (driving force) ที่จะทำให้เกิดกระแสการกัดกร่อนไหลไปในหลุมสูง
ถ้าผิวภายนอก active ก็จะขาดแรงขับต่อการเกิดการกัดกร่อนกัดแบบหลุม การกัดกร่อนแบบหลุมจะพบบ่อยในสารละลายที่มีคลอไรด์เป็นองค์ประกอบ เช่น น้ำทะเล
การกัดกร่อนตามขอบเกรน (Intergranular corrosion) โดยปกติการกัดกร่อนบริเวณขอบเกรน (grain boundary) จะเกิดได้ดีกว่าที่โลหะพื้น (matrix) เล็กน้อย
แต่ในบางสภาวะ การกัดกร่อนบริเวณขอบเกรนจะไวมาก เช่น ปัญหาที่พบบ่อยของการกัดกร่อนแบบนี้ในเหล็กกล้าไร้สนิม
คือ บริเวณรอยเชื่อมของเหล็กกล้าไร้สนิมที่เกิดการสูญเสียโครเมี่ยมในรูปของคาร์ไบด์ (Cr23C6) ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบนี้ในบริเวณใกล้แนวเชื่อม
เนื่องจากขาดโครเมี่ยมสำหรับการสร้างฟิล์มโครเมี่ยมออกไซด์ที่แน่นและป้องกันเนื้อเหล็ก
การผุกร่อนแบบเลือก (Selective leaching or Dealloying) จะเกิดกับโลหะผสมที่ธาตุหนึ่งเสถียรกว่าอีกธาตุหนึ่งเมื่อสัมผัสกับบรรยากาศ เช่น
- การผุกร่อนแบบ Dezincification ของทองเหลือง (ทองแดงผสมสังกะสี) ที่สังกะสีจะถูกละลายออกไป เหลือไว้เหลือแต่ทองแดงที่เป็นรูพรุน ซึ่งแม้ว่ารูปทรงจะเหมือนเดิม
แต่ความแข็งแรงจะลดลง ปัญหาดังกล่าวสามารถลดลงได้โดยการเติมดีบุกประมาณ 1 % ลงในทองเหลือง
- Graphitization ของเหล็กหล่อเทา คือ การผุกร่อนที่เกิดขึ้นเนื่องจากเหล็ก (อาโนด) ผุกร่อนไป เหลือตาข่ายกราไฟต์ลักษณะแผ่น (Graphite flake)
ที่เป็นคาโธดไว้ ทำให้โครงสร้างเหล็กหล่อเทาสูญเสียความแข็ง การแก้ปัญหาทำโดยการใช้เหล็กหล่อกราไฟต์กลม หรือเหล็กหล่ออบเหนียว (Malleable cast iron) แทน
การกัดเซาะ (Erosion corrosion) เป็นการกัดกร่อนที่เกิดจากทั้งทางเคมีและทางกล เช่น ในท่อส่งสารละลายที่กัดกร่อนซึ่งอาจมีสารแขวนลอยของแข็งผสม
การกัดกร่อนแบบนี้จะถูกเร่งด้วยการชนของอนุภาค ซึ่งอาจทำให้เนื้อโลหะหลุดออก หรือแค่ทำให้ออกไซด์แน่นที่ปกป้องผิวหลุดออก เปิดให้เนื้อโลหะถูกกัดกร่อนง่ายขึ้น
Stress corrosion เป็นการกัดกร่อนที่เกิดโดยความเค้นและสภาพแวดล้อมที่กัดกร่อน
โดยสภาพความเค้นของโลหะอาจเกิดจากความเค้นภายในเหลือค้าง (Residual internal stress) เช่น
- จากการขึ้นรูปเย็น (Cold forming) ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยทำการอบอ่อน (Annealing) หลังการขึ้นรูป
- การเย็นตัวอย่างไม่สม่ำเสมอจากอุณหภูมิสูง เป็นต้น
ความเค้นจากภายนอก เช่น
- การสั่นสะเทือน
- การรับการดัดโค้ง
- ผลของความร้อน (ขยายตัวหรือหดตัว) เป็นต้น
การป้องกันการกัดกร่อน
เราสามารถชะลอการกัดกร่อนของโลหะได้โดย
1. การเลือกใช้วัสดุ (Material selection) ที่เหมาะสม เช่น
ในกรณีที่ต้องเชื่อมต่อโลหะ 2 ชนิดที่ต่างกัน ควรเลือกโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้ารีดักชัน (Reduction potential) ใกล้เคียงกัน
เพื่อป้องกันการกัดกร่อนเนื่องจากความต่างศักย์ (Galvanic corrosion)
ในกรณีของเหล็กกล้าไร้สนิมที่ใช้งานบริเวณที่ใกล้ทะเล เราสามารถลดแนวโน้มการเกิดการกัดกร่อนแบบหลุม (Pitting) ได้โดยเลือกใช้เกรด 316
ที่ผสมโมลิบดินั่มประมาณ 2 % แทนเกรด 304
ในกรณีของเหล็กกล้าไร้สนิมที่หนาและต้องทำการเชื่อม เราสามารถป้องกันการกัดกร่อนตามขอบเกรน (Intergranular corrosion) ได้
โดยเลือกใช้เกรดที่มีคาร์บอนต่ำ (ไม่เกิน 0.03% เช่น เกรด 316L) หรือเกรดที่ผสม Ti หรือ Nb (ซึ่งมีความสามารถในการจับกับคาร์บอนได้ดีกว่าโครเมียม)
ใส่ใจเรื่องการเลือกใช้ลวดเชื่อม เพื่อป้องกันการกัดกร่อนบริเวณรอยเชื่อม (ดูรายละเอียดในบทความเรื่อง การเชื่อมเหล็กกล้าไร้สนิม ได้ที่
http://www.isit.or.th/techinfo.asp) เป็นต้น
2. การออกแบบ (Design) ที่เหมาะสม เช่น
ออกแบบให้สัดส่วนพื้นที่ของอาโนดต่อพื้นที่ของคาโธดที่สูงจะลดการกัดกร่อนแบบ Galvanic ได้ดีกว่า
ทำการเคลือบโดยการพิจารณาอย่างรอบคอบ เช่น การทาสีบนโลหะที่ทนการกัดกร่อนน้อย (anode) โดยไม่ทาสีบนโลหะที่ต้านทานการกัดกร่อนมากกว่า (คาโธด)
นั้นเป็นสิ่งที่ไม่ควรทำ เนื่องจากรูขนาดเล็ก (pin-holes) ในบริเวณที่ทาสีไม่สมบูรณ์จะทำให้เกิดพื้นที่อาโนดขนาดเล็ก แต่มีพื้นคาโธดที่ขนาดใหญ่
จึงเป็นการเร่งการกัดกร่อนเฉพาะบริเวณที่อาโนด
ลดการสัมผัสทางไฟฟ้าระหว่างโลหะต่างชนิดกันเพื่อป้องกัน Galvanic corrosion เช่น ใช้ฉนวน (insulator) คั่น
ใช้ปะเก็น (Gasket) ที่เป็นของแข็ง เช่น เทฟลอนแทนวัสดุที่ดูดซับของเหลวได้
ออกแบบควบคุมการไหลของสารที่ขนส่งในท่อและวาล์วให้เหมาะสม โดยคำนึงถึงรูปร่างและลักษณะทางเรขาคณิต
หรือการเพิ่มความหนาของวัสดุบริเวณที่ถูกกัดเซาะสูง (Erosion corrosion) เป็นต้น
ในกรณีที่ส่งผ่านของเหลวที่มีตะกอนตามท่อโลหะ อาจพิจารณาใช้ตัวกรองเพื่อกรองของแข็งออก เพื่อช่วยลดการกัดเซาะ
ออกแบบเผื่อให้ชิ้นงานให้มีความหนามากขึ้น หรือออกแบบให้ชิ้นงานที่เป็นอาโนดสามารถถอดเปลี่ยน ซ่อมบำรุงได้ง่าย
สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมที่ได้สูญเสียโครเมี่ยมไปในรูปของคาร์ไบด์ (sensitised) เช่น ชิ้นงานหนาที่ผ่านการเชื่อม
การปรับปรุงโดยกระบวนการทางความร้อนเพื่อละลายคาร์ไบด์จะสามารถช่วยป้องกันการกัดกร่อนตามขอบเกรนได้
เราสามารถลด Stress corrosion cracking ได้โดยการลดความเค้นเหลือค้างในชิ้นงานให้ต่ำลง โดยการอบคลายความเครียด
ใช้การเชื่อมแทนการใช้หมุดย้ำ (Rivet) หรือสลักเกลียว (Bolt) ในการยึดวัสดุ
การเชื่อมต่อโลหะ 2 ชนิดที่ต่างกัน ควรเลือกใช้โลหะที่ใช้เชื่อมที่ต้านทานการกัดกร่อนสูงกว่าโลหะพื้น (Base metal) ที่ต้องการยึดต่ออย่างน้อย 1 ตัว
3. การปรับสภาพแวดล้อม (Modification of environment) และการบำรุงรักษาโลหะ เช่น
การใช้สารยับยั้งการกัดกร่อน (inhibitor) เติมในสารละลายที่ต้องการใช้ลำเลียง จัดเก็บหรือใช้ทำการผลิต เพื่อลดการกัดกร่อนของอุปกรณ์โลหะที่สัมผัส
การศึกษาถึงอิทธิพลของปัจจัยทางสิ่งแวดล้อมที่มีต่อการกัดกร่อน เช่น การเปลี่ยนสภาพจากคาโธดเป็นอาโนดในระบบสิ่งแวดล้อมต่างๆ เป็นต้น
ทำความสะอาด ตรวจสอบอุปกรณ์และขจัดตะกอนที่ตกค้างอย่างสม่ำเสมอ เป็นต้น
4. การเคลือบผิว/ทาสี (Coating/painting) มีด้วยกันหลายแบบ เช่น การเคลือบผิวเหล็กด้วยสังกะสี ดีบุก หรืออีนาเมล เป็นต้น
5. วิธีการทางไฟฟ้า-เคมี (Electrochemical methods)
วิธี Cathodic protection โดยการทำให้โครงสร้างที่ต้องการป้องกันเป็นคาโธด ซึ่งอาจทำโดยการให้กระแสไฟฟ้า (impressed current)
หรือการใช้อาโนดสิ้นเปลือง (sacrificial anode) โดยใช้วัสดุตัวอื่นซึ่งทำหน้าที่เป็นอาโนดต่อเข้ากับโลหะที่ต้องการป้องกัน เพื่อให้ผุกร่อนแทน
วิธี Anodic protection โดยการใช้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกทำให้โลหะที่ต้องการปกป้องสร้างชั้นฟิล์มที่เสถียร (protective film)
ที่ผิวซึ่งจะใช้ได้กับโลหะเพียงบางชนิด ต่างจาก Cathodic protection ที่สามารถใช้กับโลหะได้ทุกชนิด
