การป้องกันการกัดกร่อน

ความทนทาน หรือความต้านทานต่อการกัดกร่อน (Corrosion resistance) เป็นคุณสมบัติทางเคมีที่สำคัญที่สุดของโลหะ โลหะที่มีความทนทานต่อการกัดกร่อนที่ดี ทำให้ตัววัสดุสามารถป้องกันตัวเองจากสารเคมีที่มีอยู่รอบ ๆ ตัว

นอกจากความทนทานต่อการกัดกร่อนของวัสดุแล้ว วัสดุยังสามารถทนทานต่อความชื้น โดยไม่มีการเสื่อมโทรมของวัสดุ เมื่อแก้ปัญหาด้านเคมีเรียบร้อยแล้วจะทำให้วัสดุมีความทนทานต่อแสงอาทิตย์, น้ำ, ความร้อน และสภาพแวดล้อมอื่น ๆ

ความต้านทานการกัดกร่อนอาจจะเป็นปัจจัยสำคัญที่สุดในการคิดที่จะเลือกใช้วัสดุในที่ที่มีสภาพแวดล้อมที่อาจส่งผลให้เกิดการกัดกร่อน

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) ได้โดยเลือกใช้เกรดที่มีคาร์บอนต่ำ (ไม่เกิน 0.03% เช่น เกรด 316L) หรือเกรดที่ผสม Ti หรือNb (ซึ่งมีความสามารถในการจับกับคาร์บอนได้ดีกว่าโครเมียม)

-   ใส่ใจเรื่องการเลือกใช้ลวดเชื่อม เพื่อป้องกันการกัดกร่อนบริเวณรอยเชื่อม

2.       การออกแบบ (Design) ที่เหมาะสม เช่นออกแบบให้สัดส่วนพื้นที่ของอาโนดต่อพื้นที่ของคาโธดที่สูงจะลดการกัดกร่อนแบบ 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)

เป็นการป้องกันไม่ให้เหล็กถูกกับแก๊สออกซิเจนและความชื้น ซึ่งเป็นการป้องกันการเกิดสนิมของเหล็กได้ เป็นวิธีที่สะดวก และให้ผลดีในการป้องกันการเกิดสนิม แต่ข้อควรระวังในการเคลือบผิวก็คือต้องเคลือบอย่างมิดชิด การเคลือบผิวมีวิธีดังต่อไปนี้

• การเคลือบผิวด้วยพลาสติก

• การเคลือบผิวด้วยสี

• การเคลือบผิวด้วยน้ำมัน

• การเคลือบผิวด้วยการรมดำ เป็นการป้องกันการผุกร่อนของโลหะอีกวิธีหนึ่ง  โดยการเคลือบสารสีดำที่แผ่นโลหะ โดยใช้ความร้อน

มีด้วยกันหลายแบบ เช่น การเคลือบผิวเหล็กด้วยสังกะสี ดีบุก หรืออีนาเมล

การเคลือบผิวนอกจากจะทำให้ชิ้นงานมีความสวยงามแล้วยังเป็นทางเลือกหนึ่งในป้องกันการกัดกร่อนหรือเพิ่มความต้านทานการสึกหรอให้กับชิ้นงานได้เป็นอย่างดี ชิ้นงานในงานอุตสาหกรรมเกือบทุกประเภทรวมถึงชิ้นงานที่เราพบเห็นในชีวิตประจำวันส่วนใหญ่มักผ่านการเคลือบผิวมาแล้วทั้งสิ้น เช่น เฟือง น็อต สปริง ลูกบิดประตู ก๊อกน้ำ บานพับ เครื่องประดับ เครื่องครัว เป็นต้น จากชุดอุปกรณ์การเคลือบผิวที่ไม่ยุ่งยากซับซ้อน จึงทำให้อุตสาหกรรมการเคลือบผิวในประเทศไทยมีขนาดตั้งแต่ห้องแถว จนถึงขนาดใหญ่ในระดับอุตสาหกรรม

กระบวนการเคลือบผิวโลหะด้วยไฟฟ้าเริ่มจากการทำความสะอาดชิ้นงานให้สะอาดปราศจากคราบไขมันและสิ่งสกปรก จากนั้นจะนำสารละลายของโลหะที่ต้องการเป็นผิวเคลือบเทลงในภาชนะ แล้วให้กระแสไฟฟ้า โดยต่อขั้วลบเข้ากับชิ้นงาน และต่อขั้วบวกในสารละลายที่ต้องการเป็นผิวเคลือบ เมื่อเซลล์ไฟฟ้าครบวงจรจะเกิดผิวเคลือบของโลหะขึ้นบนชิ้นงาน

เราสามารถแบ่งกลุ่มอุตสาหกรรมที่นิยมใช้โลหะเคลือบผิวชิ้นงานด้วยวิธีการทางไฟฟ้าเป็น 5กลุ่มใหญ่ๆ คือ อุตสาหกรรมเครื่องจักรและเครื่องยนต์ ชิ้นงานในกลุ่มนี้ส่วนใหญ่ทำจากเหล็ก ทองเหลือง ทองแดง หรือบรอนซ์ จะถูกนำไปเคลือบผิวด้วยโครเมียมหรือนิกเกิลเพื่อความสวยงามและต้านทานต่อการสึกหรอในเครื่องยนต์ ตัวอย่างเช่น ลูกสูบ กระบอกสูบ เพลาข้อเหวี่ยง แหวนลูกสูบ เฟือง แบริ่ง อุตสาหกรรมกลุ่มที่ 2 คือ อุตสาหกรรมอาหารจะใช้ดีบุกเคลือบบนแผ่นเหล็กเพื่อป้องกันการกัดกร่อน เพราะนอกจากดีบุกจะไม่ทำปฏิกิริยากับกรดอินทรีย์ในอาหารแล้วยังสามารถนำกระป๋องบรรจุอาหารมาย่อยสลายและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ อุตสาหกรรมกลุ่มที่ 3 คือ อุตสาหกรรมเครื่องใช้ไฟฟ้าจะใช้สังกะสีเคลือบบนแผ่นเหล็กเพื่อป้องกันการกัดกร่อน ผลิตภัณฑ์ที่พบเห็นกันทั่วไปได้แก่ ตู้เย็น เครื่องปรับอากาศ ฝาครอบเครื่องคอมพิวเตอร์ และน็อต สำหรับอุตสาหกรรมสองกลุ่มสุดท้าย คือ อุตสาหกรรมเครื่องประดับและอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ นิยมใช้โลหะมีค่า เช่น ทอง โรเดียม แพลทินัม หรือพัลลาเดียม เคลือบผิวชิ้นงานเพื่อสมบัติความต้านทานการนำไฟฟ้า ความสวยงาม และยังสามารถป้องกันการกัดกร่อนได้เป็นอย่างดี แต่โลหะที่ใช้เคลือบผิวในกลุ่มนี้มีราคาค่อนข้างแพง

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการเคลือบผิวโลหะด้วยไฟฟ้าใช้สารเคมีที่มีความเป็นกรดด่างค่อนข้างรุนแรงหลายชนิด แต่ละชนิดล้วนแต่มีอันตรายต่อเนื้อเยื่อในร่างกาย ดังนั้นผู้ที่ปฏิบัติงานด้านการเคลือบผิวจำเป็นต้องมีอุปกรณ์ป้องกันและควรระมัดระวังอันตรายที่พึงจะเกิดขึ้นในขณะปฏิบัติงาน ตลอดจนตระหนักถึงวิธีการกำจัดสารเคมีอย่างถูกวิธีก่อนปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อม

5.       วิธีการทางไฟฟ้า-เคมี (Electrochemical methods)

-  วิธี Cathodic protection โดยการทำให้โครงสร้างที่ต้องการป้องกันเป็นคาโธด ซึ่งอาจทำโดยการให้กระแสไฟฟ้า(impressed current) หรือการใช้อาโนดสิ้นเปลือง (sacrificial anode) โดยใช้วัสดุตัวอื่นซึ่งทำหน้าที่เป็นอาโนดต่อเข้ากับโลหะที่ต้องการป้องกัน เพื่อให้ผุกร่อนแทน

เป็นที่ทราบแล้วว่า โลหะเกิดการผุกร่อนจากการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี โดยโลหะจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ซึ่งมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเช่นเดียวกับแอโนดในเซลล์กัลวานิกหรือเซลล์อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นถ้าไม่ต้องการให้เกิดการผุกร่อนจึงต้องให้โลหะนั้นมีสภาวะเป็นแคโทดหรือคล้ายกับแคโทด โดยใช้โลหะที่เสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าเหล็ก (มีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชันน้อยกว่าเหล็ก) ไปอยู่กับเหล็กเช่น การเชื่อมต่อแมกนีเซียมตามท่อ หรือตามโครงเรือ จะทำให้เหล็กผุกร่อนช้าลง เนื่องจากแมกนีเซียมเสียอิเล็กตรอนง่ายกว่าเหล็ก จะเสียอิเล็กตรอนแทน เปรียบเสมือนกับให้แมกนีเซียมเป็นแอโนด และให้เหล็กเป็นแคโทด

-  วิธี Anodic protection โดยการใช้กระแสไฟฟ้าจากภายนอกทำให้โลหะที่ต้องการปกป้องสร้างชั้นฟิล์มที่เสถียร(protective film) ที่ผิวซึ่งจะใช้ได้กับโลหะเพียงบางชนิด  ต่างจาก Cathodic protection ที่สามารถใช้กับโลหะได้ทุกชนิด

โลหะบางชนิดเช่น อะลูมิเนียม (E^๐ = -1.66 V) และสังกะสี (E^๐ = -0.76 V) ที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชันน้อยกว่าเหล็ก (E^๐ -0.44 V) ย่อมจะมีแนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชันได้ง่ายกว่าเหล็กมาก นั่นคือมีโอกาสที่จะเกิดสนิมหรือเกิดออกไซด์ได้ง่าย แต่ปรากฏว่าไม่เกิดการผุกร่อนในลักษณะที่เหมือนกับเหล็ก ทั้งนี้เพราะชั้นของอลูมิเนียมออกไซด์ (Al₂O₃)หรือซิงค์ออกไซด์ (ZnO) ที่เกิดขึ้นจะเคลือบเป็นผิวบาง ๆ คลุมอยู่บนผิวของโลหะนั้นเอาไว้ ทำให้เนื้ออลูมิเนียมหรือสังกะสีที่อยู่ข้างใต้ไม่กร่อน ส่วนออกไซด์ของเหล็กที่เกิดขึ้นที่ผิวของเหล็กมีลักษณะเป็นรูพรุน จึงป้องกันเนื้อเหล็กไม่ได้ และนอกจากอลูมิเนียมและสังกะสีแล้ว ยังมีดีบุกที่ถึงแม้จะมีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชัน -0.14 ซึ่งมีค่ามากกว่าเหล็ก เมื่อนำมาอยู่ใกล้เหล็กจะสามารถทำให้เหล็กกร่อนได้เร็วขึ้น แต่สามารถนำมาป้องกันการผุกร่อนได้เนื่องจากออกไซด์ของดีบุกจะเคลือบผิวของโลหะ แล้วจะทำให้โลหะไม่เกิดการผุกร่อนอีกต่อไป แต่การเคลือบด้วยดีบุกต้องเคลือบให้มิดชิด เพราะเมื่อใดก็ตามที่เหล็กสามารถสัมผัสกับแก๊สออกซิเจนและน้ำได้ เหล็กก็จะถูกเร่งให้กร่อนเร็วขึ้นกว่าเดิม การเคลือบหรือการชุบโลหะซึ่งออกไซด์ของโลหะมีคุณสมบัติพิเศษนี้

Credit by: SciMath.org