สาเหตุของการกัดกร่อน
สาเหตุการกัดกร่อน (Mechanism of corrosion)
สาเหตุการกัดกร่อนพอสรุปและแบ่งสาเหตุออกได้เป็น 3 ประการคือ
1. การกัดกร่อนเกิดจากปฏิกิริยาเคมีโดยตรง (Chemical)
2. การกัดกร่อนเกิดจากปฏิกิริยาเคมี-ไฟฟ้า (Electro Chemical Attack) 3. การกัดกร่อนที่เกิดจากการเสียดสีของผิว (Abrasive Corrosion)
1. การกัดกร่อนเกิดจากปฏิกิริยาเคมีโดยตรง (chemical Attack)
การกัดกร่อนอาจเกิดจากปฏิกิริยาเคมีโดยตรง ทำให้โลหะกัดกร่อนโดยอาศัยแก๊สเป็นสื่อขึ้นบนผิวโลหะ ซึ่งมักเกิดจากสภาพอากาศเป็นตัวการสำคัญ เช่น ความชื้นในอากาศมีมาก ทำให้โลหะเป็นสนิมเร็วขึ้น แกสออกซิเจนในอากาศเป็นตัวการสำคัญที่ทำให้เกิดการกัดกร่อน โดยอาศัยปฏิกิริยาเคมีง่ายๆ กับโลหะ การกัดกร่อนจะมากน้อยย่อมขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ถ้าอุณหภูมิยิ่งสูง การรวมตัวระหว่างออกซิเจนกับโลหะยิ่งสะดวกรวดเร็ว เช่น เหล็กที่เผาร้อนแดงจะเกิดสนิมเหล็กได้ง่ายกว่าเหล็กที่อยู่ในอากาศปกติ ซึ่งการกัดกร่อนจากปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นได้ดังนี้
1.1 เกิดจากการรวมตัวระหว่างโลหะ (Metal) กับออกซิเจน (O2) แบ่งออกได้ 2 ลักษณะคือ
1.1.1 โดยมีน้ำและความชื้นเป็นตัวร่วมทำปฏิกิริยา (Reaction) เช่นการเกิดสนิมเหล็กในอากาศปกติที่มีความชื้น
Fe + 1/2O2 + H2O → Fe(OH)
4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3
1.1.2 โดยไม่มีความชื้นร่วมทำปฏิกิริยา เช่น การรวมตัวของออกซิเจนกับเหล็ก เมื่ออุณหภูมิสูงๆ และอากาศแห้งมากๆ ทำให้เกิดเป็นสนิมเหล็กขึ้น (เหล็กออกไซค์)
2Fe + O2 → 2FeO
1.2 เกิดจากการแตกตัวของไฮโดรเจน (H2) ในกรด เช่นการกัดกร่อนของเหล็กที่จุ่มอยู่ใน กรดกัมมะถัน (Sulfuric Acid)
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
1.3 เกิดจากการส่งถ่ายอิออน (Ion) จากโลหะชนิดหนึ่งไปแทนที่อิออนของโลหะอีกชนิดหนึ่ง ระหว่างการเกิดปฏิกิริยาในสารละลาย (Electrolyte) เช่น การกัดกร่อนของเหล็กที่จุ่มในสารละลาย Coppers Sulphate (CuSO4)
Fe + CuSO4 → FeSO4 + CU
อิทธิพลของออกไซด์ในการกัดกร่อนทองแดง (Cu) และ (Al)
จากปฏิกิริยาระหว่างโลหะกับอ๊อกซิเจน จะเกิดออกไซด์ปกคลุมผิวโลหะ ซึ่งออกไซด์ที่คลุมผิวโลหะอยู่นี้มีอิทธิพลอย่างมากต่อการกัดกร่อนในโลหะต่างๆ แต่ออกไซด์ที่เกิดขึ้นบนผิวทองแดง (Cu) หรืออลูมิเนียม (Al) จะมีความแข็งและมีเนื้อหนาทึบกว่าเนื้อของทองแดง (Cu) หรืออลูมิเนียม (Al) เองเสียอีก ดังนั้น เมื่อเกิดออกไซด์ได้ระยะหนึ่งออกซิเจน (O2) ในอากาศจะไม่สามารถผ่านเข้าไปถึงเนื้อโลหะที่มีออกไซด์นี้คลุมอยู่ได้เนื้อโลหะก็จะคงอยู่ในสภาพปกติ ไม่มีการกัดกร่อนเกิดขึ้นอีก เช่น เมื่อทิ้งทองแดง (Cu) ไว้ในอากาศ ทองแดง (Cu) จะถูกกัดกร่อนที่ผิวหน้าเพียงระยะหนึ่งเท่านั้น จะไม่ลุกลามถึงเนื้องทองแดงในขึ้นต่อๆ ไป
การเกิดออกไซด์บนผิวเหล็ก (สนิมเหล็ก)
สนิมเหล้กจะมีลักษณะเป็นรูพรุน (Porous) ทำให้ออกซิเจน (O2) ในอากาศสามารถผ่านออกไซด์ที่คลุมผิวหน้าอยู่และเข้าทำปฏิกิริยากับเนื้อเหล็กที่อยู่ภายใต้ออกไซด์นี้ เกิดเป็นออกไซด์ในชั้นต่อๆ ไปได้ ลักษณะของออกไซด์หรือสนิมเหล็กที่เราเห็น เป็นสะเก็ดจับกันเป็นชั้นๆ ก็เกิดขึ้นได้ในลักษณะดังกล่าว ซึ่งสนิมเหล็กเหล่านี้จะเกิดขึ้นเป็นชั้นๆ ถึงภายในโครงสร้างของเหล็ก ทำให้เกิดการกัดกร่อนลึกลงไปถึงเนื้อเหล็กได้ ดังนั้น ถึงแม้ว่าอลูมิเนียม (Al) จะสามารถทำปฏิกิริยากับออกซิเจน (O2) ได้ง่ายกว่าเหล็ก แต่การกัดกร่อนจะเกิดขึ้นช้ากว่า อันเนื่องมาจากการป้องกันโดยธรรมชาติของออกไซด์ของอลูมิเนียม (Al) ที่เกิดขึ้นบนผิวนอกสุดของมัน
2. การกัดกร่อนเนื่องจากปฏิกิริยาไฟฟ้า-เคมี (Electrochemical Attack)
หลักการเบื้องต้นของปฏิกิริยาไฟฟ้า เคมี สามารถแยกลักษณะการเกิดปฏิกิริยาได้ 2 ลักษณะคือ
2.1 ลักษณะของ Electrolytic Cell
โดยนำโลหะสองชนิดเมื่อจุ่มอยู่ในสารละลาย Electrolyte แล้วต่อขั้วของโลหะทั้งสองให้ถึงกัน จะเกิดมีกระแสไฟฟ้าขึ้นลักษณะแบบนี้ เราจะพบในแบตเตอรี่รถยนต์หรือถ่านไฟฉาย
ในลักษณะการเรียกชื่อ Electrolyte จะเป็นไปตามค่าความต่างศักย์ของโลหะทั้งสอง คือ อิเลคโตรด ที่มีค่าความต่างศักย์สูงจะเป็นขั้วบวก ส่วนอิเลคโตรด ที่มีค่าความต่างศักดิ์ต่ำจะเป็นขั้วลบ
ขั้วบวก-ขั้วลบ (แสดงจำนวน Electrons)
บวก : คือ ขั่วที่ขาดอิเลคตรอน (Lack of Electrons) จะไม่กัดกร่อน
ลบ : คือ ขั้วที่มีอิเลคตรอนเกิน (Surplus of Electrons) ถูกกัดกร่อน
Anode-Cath ode (แสดงทิศทางของ Electrons)
Anode : คือ ขั้วที่อิเลคตรอนวิ่งออก
Cathode : คือ ขั้วที่อิเลคตรอนวิ่งเข้า
ข้อสังเกตุ อิเลคโตรด ของ Simple electric Cell หรือ Galvanic element จะเป็นโลหะต่างชนิดกัน ขั้วที่อิเลคตรอน วิ่งออกเรียกว่า Anode และขั้วที่ อิเลคตรอน วิ่งเข้าเรียกว่า Cate ode
จะเห็นได้ว่า อิเลคโตรด ที่เป็นขั้วเดียวกันเช่น ขั้วบวกจะเป็นได้ทั้ง Anode และ Cath ode เมื่อลักษณะของ Cell ไฟฟ้าต่างกัน (คือเป็นแบบ Simple หรือแบบ electrolytic Cell) เราจึงมีหลักพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างขั้วบวก ขั้วลบ Anode และ Cathode ดังนี้
2.2 หลักการเกิดการกัดกร่อน แบบ Galvanic Element ซึ่งจะใช้ electrode Cu และ Zn และเป็นตัวอย่างก่อนอื่นเราควรทราบคุณสมบัติบางชนิดทางไฟฟ้าของวัสดุเสียก่อน
อิออน (Ion) คือ “อะตอมหรือกลุ่มอะตอมของธาตุใดก็ตามที่มีจำนวนโปรตรอน (P) และ อิเลคตรอน (e) ไม่เท่ากัน
-โปรตรอนมากกว่าอิเลคตรอน (P>e) เรียก อิออนบวก
-อิเลคตรอนมากกว่าโปรตอน (e>P) เรียก อิออนลบ
ควาดันสารละลายไฟฟ้า คือ “คุณสมบัติของธาตุหรือสารประกอบในการแตกตัวเป็นอิออนได้มากหรือน้อย”ถ้าแตกตัวเป็นอิออนได้มาก ก็มีความดันสารละลายไฟฟ้าสูง และสารทุกชนิดจะพยายามรักษาจำนวนอิออนที่ตนสามารถแตกตัวออกมาได้ให้เป็นปกติเสมอ
Galvanic Element
เมื่อจุ่มทองแดง (Cu) และสังกะสี (Zn) ลงในกรดกำมะถัน (H2SO4) เจือจางและโยงต่อด้วยลดทองแดง
ทองแดง (Cu) และสังกะสี (Zn) ก็จะแตกตัวเป็นอิออนบวกอยู่รอบๆ แท่งเป็น Zn++ และ Cu++ แต่เนื่องจาก Zn มีความดันสารละลายไฟฟ้ามากกว่า Cu ดังนั้น จำนวน Zn++ จึงมากกว่า Cu++ เมื่ออิออนบวกถูกผลักออกมาอยู่รอบๆ แท่ง จะทำให้ภายในแท่งมีอิออนลบ นั่นคือ e>P ในแท่งโลหะทั้งโลหะทั้งสองชนิด แต่อิออนลบของสังกะสี (Zn) มากกว่าอิออนลบของทองแดง Cu (Zn– > Cu–) ดังนั้น e ของ Zn ก็มากกว่า e ของ Cu ด้วย เพื่อให้ e ของทั้งสองแท่งเท่ากัน e จาก Zn จะวิ่งไปยัง Cu ทำให้เกิดการแยกสบายทางเคมีขึ้นใน Electrolyte แบบนี้ส่วนมากใช้ในห้องปฏิบัติการเคมี เช่น กรรมวิธีแยกน้ำด้วยไฟฟ้า ซึ่งจะได้แก๊สไฮโดรเจนและออกซิเจน หรือ การทำทองแดงให้บริสุทธิ์
การกัดกร่อนแบบถูครูด(Fretting Corrosion)
เป็นการกัดกร่อนที่เกิดในสภาวะบรรยากาศปกติ บริเวณพื้นที่ผิวสัมผัสระหว่างโลหะ เมื่อโลหะนั้นกำลังถูกแรงกระทำ
ปัจจัยพื้นฐานของการเกิด Fretting corrosion
1. โลหะที่หันหน้าเข้าหากันนั้น กำลังถูกแรงกระทำ
2. มีการสั่นสะเทือนบริเวณผิวหน้าสัมผัส ผิวด้านหนึ่งตีกระทบหรือถูอยู่อีกผิวหน้าหนึ่ง
3. ระหว่างผิวหน้าโลหะทั้งสองมีการลื่นไถล (เช่นผิวสัมผัสระหว่าง bearing กับเพลา)
ผลที่เกิดจาก Fretting corrosion
1. สูญเสียเนื้อโลหะบริเวณพื้นผิวสัมผัสเป็นโลหะออกไซด์ เกิดกับเหล็ก เหล็กกล้า (ferric oxide)
2. ทำให้ size tolerance เสีย จากที่เคยเข้ากันได้ดีก็จะหลวม
3. fretting corrosion ทำให้เกิดการหลวมแล้วก็จะเกิด excessive strain
นำไปสู่การเกิดร่องซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของร้อยร้าว และเป็น fatigue fracture ในที่สุด
กลไกการเกิด fretting corrosion 2 แนวคิด
1. เนื้อโลหะเป็น particle เล็กๆ ของผิวโลหะที่สัมผัสกัน
2. เกิดเป็น oxide แล้วหลุดออกมา
ความชื้นลดความเสียหายจาก fretting corrosion ความชื้นเป็นสารหล่อลื่นเพราะว่า hydrate rust (สนิม+น้ำ)ก่อให้เกิดความเสียหายจากการเสียดสีน้อยกว่าออกไซด์ที่มีสภาพแห้ง และบริเวณที่ขาดออกซิเจน หรือไม่มีออกซิเจนจะทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบถูครูดน้อยลง fretting จะเกิดมากขึ้นเมื่อมีน้ำหนักหรือความเค้นมากระทำมากขึ้นและถ้าอากาศดึงเอา particles ของโลหะเข้ามาร่วมด้วยแสดงว่ามี tension, shear stress ร่วมด้วย fretting corrosion บางที่เรียกว่า friction oxidation,wear oxidation, false brinelling
นอกจากโลหะที่เกิดการกัดกร่อน การกัดกร่อนยังเกิดกับเซรามิกได้ด้วย เซรามิกเป็นสารประกอบระหว่างธาตุโลหะและอโลหะทีมีความแข็งแรงพันธะสูงมาก ทําให้เซรามิกมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีในเกือบทุกสภาพแวดล้อม การกัดกร่อนทีเกิดขึ้นในเซรามิกมักเป็นกระบวนการละลายทางเคมีแบบง่ายๆ เมือเปรียบเทียบกับกระบวนการเคมีไฟฟ้าทีเกิดในโลหะ และจากทีกล่าวแล้วว่าเซรามิกสามารถต้านทานการกัดกร่อนได้ดีมาก จึงจะไม่กล่าวถึงรายละเอียดของกระบวนการกัดกร่อนของเซรามิกในบทนี้
Credit by: SciMath.org
