11. การกัดกร่อนและการเสื่อมสลายของวัสดุ

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทในกรณีทีเป็ น multivalent ion ปฏิกิริยารีดักชันจะเกิดดังสมการหรือn+−(n−1)+M + e → M(11.6ก)M n+ + ne− → M(11.6ข)บริเวณทีเกิดปฏิกิริยารีดักชันจะเรียกว่า คาโทด (cathode) หรือขัวบวก ในบางกรณีจะเกิดปฏิกิริยารีดักชันหลายปฏิกิริยาได้พร้อมๆกันโดยทัวไปแล้ว ปฏิกิริยาไฟฟ้ าเคมีจะประกอบด้วยปฏิกิริยาออกซิเดชันและปฏิกิริยารีดักชันอย่างน้อยอย่างละหนึงปฏิกิริยา เราเรียกแต่ละปฏิกิริยาย่อยนี ว่า ครึ งปฏิกิริยา (half-reaction)ซึงเมือรวมกันแล้ว อิเล็กตรอนทั งหมดทีเกิดขึ นจากปฏิกิริยาออกซิเดชันจะต้องถูกใช้หมดด้วยปฏิกิริยารีดักชัน ยกตัวอย่างเช่น ในกรณีทีสังกะสีแช่อยู่ในสารละลายกรดทีมี H + ไอออนจะเกิดปฏิกิริยาดังนี 2+Zn → Zn + 2e⎪⎫half − reactions+ −⎬2H + 2e → H2(gas) ⎪⎭+ 2+Zn + 2H → Zn + H (gas)2−(11.7)อีกตัวอย่างหนึงคือการเกิดสนิมเหล็ก (Fe(OH) 3 ) ซึงเกิดจากปฏิกิริยาออกซิเดชันของเหล็กทีอยู่ในนํ าทีมีก๊าซออกซิเจนละลายอยู่ โดยปฏิกิริยาจะเกิดขึ นสองขั นตอนดังสมการFe+22 1 + −O2+ H2O→ Fe + 2OH → Fe(OH) 2(11.8ก)2Fe(OH)2 2 1 O2+ H2O→ 2Fe(OH) 3+ (11.8ข)ผลทีตามมาจากปฏิกิริยาออกซิเดชันคือ ไอออนของโลหะอาจจะอยู่ในรูปของไอออนในสารละลายอย่างเช่น Zn 2+ ในสารละลาย หรืออยู่ในรูปของสารประกอบทีไม่ละลายนํ าอย่าง Fe(OH) 3 เป็ นต้น~ 218 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีท11.1.2 ความต่างศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์ไฟฟ้ าเคมีโลหะต่างชนิดกัน แม้จะอยู่ในสภาพแวดล้อมเดียวกันแต่อาจถูกออกซิไดซ์ได้ต่างกัน พิจารณาเซลล์ไฟฟ้ าเคมีทีประกอบด้วยแท่งโลหะสองชนิดคือ Cd และ Ni ดังแสดงในรูปที 11.2 (เรียกแท่งโลหะนี ว่าอิเล็กโทรด (electrode)) แท่ง Cd แช่อยู่ในสารละลายทีมี Cd 2+ ไอออนความเข้มข้น 1.0 M ส่วนแท่ง Niแช่อยู่ในสารละลายทีมี Ni 2+ ไอออนความเข้มข้น 1.0 M สองบริเวณนี แยกจากกันด้วยแผ่นเมมเบรน ถ้าเราทําการเชือมต่อแท่งโลหะทังสองนี เข้าด้วยกัน จะเกิดปฏิกิริยาดังรูปที 11.1รูปที 11.1 เซลล์ไฟฟ้ าเคมีของระบบ Cd-Ni(http://www.matsceng.ohio-state.edu/mse205/ lectures/chapter18/chap18_slide5.gif สืบค้นเมือ 10 กรกฎาคม 2551)จากรูปที 11.1 เห็นได้ว่าแท่ง Cd จะถูกออกซิไดซ์ (หรือถูกกัดกร่อน) แล้วเกิดเป็ น Cd 2+ ไอออนในสารละลาย ดังสมการCd → Cd2 + +2e−(11.9ก)ส่วน Ni 2+ ไอออนจะรับอิเล็กตรอน แล้วเกิดเป็น Ni ไปเคลือบ (deposit) บนแท่ง Ni ดังสมการNi 2++ 2e− → Ni(11.9ข)จากครึงปฏิกิริยาทั งสองสมการ สามารถเขียนรวมเป็ นปฏิกิริยาของเซลล์ไฟฟ้ าเคมี Cd-Ni ได้ดังนี 2+2+Ni + Cd → Ni+Cd(11.9ค)เราเรียกครึงปฏิกิริยาของโลหะบริสุทธิ ทีแช่อยู่ในสารละลายไอออนของตัวเอง ทีมีความเข้มข้น 1.0M ณอุณหภูมิห้องว่าครึ งปฏิกิริยามาตรฐาน (standard half-cell)การทีอิเล็กตรอนมีการถ่ายเทระหว่างสองครึงปฏิกิริยา แสดงว่ามีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ า(electric potential or voltage) เกิดขึ น ซึงค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ านี จะขึ นอยู่กับคู่ของโลหะทีนํามาทําอิเล็กโทรด ความเข้มข้นของสารละลาย และอุณหภูมิทีเกิดปฏิกิริยา~ 219 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีท11.1.3 The standard EMF seriesจากทีกล่าวในหัวข้อที 11.1.2 ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ าทีได้เป็นเพียงแค่ค่าผลต่างของสองครึงปฏิกิริยา แต่เพือทีจะให้สามารถเปรียบเทียบกับระบบของโลหะอืนได้ จึงจําเป็ นต้องมีค่ามาตรฐาน ในทีนี ระบบมาตรฐานคือครึ งเซลล์อ้างอิงไฮโดรเจนมาตรฐาน (standard hydrogen reference half-cell) ซึงประกอบด้วยแท่งอิเล็กโทรดแพลตทินัมทีแช่ในสารละลาย H + ไอออนความเข้มข้น 1.0 M และอิมตัวด้วยก๊าซไฮโดรเจน ณ อุณหภูมิห้อง 25 องศาเซลเซียสและความดัน 1 บรรยากาศ (รูปที 11.2) ณ สถานะดังกล่าว เราสามารถวัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ าของ H + ได้เท่ากับ 0รูปที 11.2 ครึงเซลล์อ้างอิงไฮโดรเจนมาตรฐาน (จาก Callister, 2003 หน้า 575)ในการวัดค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของครึงปฏิกิริยาของโลหะใดๆ สามารถทําได้โดยนําโลหะนั นไปทําเป็นเซลล์ไฟฟ้ าเคมีร่วมกับครึงเซลล์อ้างอิงไฮโดรเจนมาตรฐาน จากนั นจึงวัดค่าความต่างศักย์ หรือทีบางครังเรียกว่าแรงเคลื อนไฟฟ้ า (electromotive force, EMF) ตารางที 11.1 แสดงค่าแรงเคลือนไฟฟ้ ามาตรฐานของโลหะชนิดต่างๆ โลหะทีมีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานมาก (เช่น ทองเงิน แพลตทินัม) แสดงว่ามีความเฉือยต่อการทําปฏิกิริยา (หรือเป็ นแคโทด) ในทางตรงกันข้าม โลหะทีมีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานน้อย (เช่น แมกนีเซียม โซเดียม โปแตสเซียม) แสดงว่ามีความไวหรือแอกทีฟต่อการทําปฏิกิริยา (หรือเป็ นแอโนด) ตารางที 11.1 นี รู ้จักกันดีในอีกชือหนึงว่า Standard EMF Series~ 220 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทตารางที 11.1 Standard EMF Series (จาก Callister, 2003 หน้า 575)สําหรับเซลล์ไฟฟ้ าทีประกอบด้วยโลหะ M 1 และ M 2 โลหะ M 1 มีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานน้อยกว่า M 2 ดังนัน M 1 จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันดังสมการn1+ +−M1 → M ne(11.10ก)ส่วนโลหะ M 2 จะเกิดปฏิกิริยารีดักชันดังสมการn2 + ne− → M 2M+ (11.10ข)ดังนั น ปฏิกิริยาไฟฟ้ าเคมีของเซลล์ไฟฟ้ านี คือn+n+1 + M 2 → M1M2M +(11.10ค)0ถ้าให้ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของโลหะ M 1 และ M 2 มีค่าเท่ากับ − V 1 และ0ตามลําดับ เราสามารถหาค่าความต่างศักย์มาตรฐานรวม ( V ) ของสมการที (11.10ค) ได้จาก0+ V 2~ 221 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีท00201∆ V = V − V(11.11)ปฏิกิริยาไฟฟ้ าเคมีเป็ นปฏิกิริยาทีสามารถเกิดย้อนกลับได้ ทั งนี ขึ นอยู่กับค่า0V ถ้าค่า0V เป็ นบวกแสดงว่าปฏิกิริยาจะเกิดไปทางขวาของสมการ แต่ถ้าค่า V เป็ นลบแสดงว่าปฏิกิริยาจะเกิดไปทางซ้ายของสมการ ยกตัวอย่างเช่น เซลล์ไฟฟ้ าเคมี Zn-Cu ทีอุณหภูมิห้องและความเข้มข้น 1.0 M จะมีค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของ Zn 2+ และ Cu 2+ เท่ากับ -0.763 และ +0.340 ตามลําดับ ดังนั นสามารถเขียนสมการแสดงปฏิกิริยาได้ดังนี 0Zn → Zn2 + +2e−(11.12ก)Cu 2++ 2e− → Cu(11.12ข)Zn+Cu2+→ Zn2++ Cu(11.12ค)และเมือแทนค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของ Zn 2+ และ Cu 2+ 0ลงในสมการที 11.11 จะได้ว่า V มีค่าเท่ากับ +0.340-(-0.763) = +1.003 ค่าทีได้เป็ นบวกแสดงว่าเซลล์ไฟฟ้ าเคมีนี จะเกิดปฏิกิริยาไปทางขวาของสมการที 11.12ค นันคือ Zn จะถูกออกซิไดซ์ (กัดกร่อน) ส่วน Cu จะถูกรีดิวซ์11.1.4 อิทธิพลของความเข้มข้นและอุณหภูมิที มีต่อความต่างศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์จากทีกล่าวแล้วว่าความเข้มข้นของไอออนในสารละลายและอุณหภูมิของระบบ มีผลต่อค่าความต่างศักย์ของเซลล์ไฟฟ้ า ถ้าพิจารณาเซลล์ไฟฟ้ าทีประกอบด้วยโลหะ M 1 และ M 2 ทีมีค่าปริมาณโดยโมn+n+ลของไอออนเท่ากับ [ M ] และ [ 2 ]Nernst equation1M ณ อุณหภูมิ T ใดๆ เราสามารถหาค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ าได้จาก~ 222 ~+[ M ]+[ M ]n0 0 RT∆V = ( V − ) − 12 V1lnn(11.13)nF 2เมือ R คือค่าคงทีของก๊าซ n คือจํานวนอิเล็กตรอน และ F คือค่าคงทีฟาราเดย์ มีค่าเท่ากับ 95,000 C/molแทนค่าตัวแปรทีอุณหภูมิห้อง (25 o C) ลงในสมการที 11.13 จะได้ว่า+[ M ]+[ M ]n0 0 0.0592∆V = ( V − ) −12 V1logn(11.14)n 2

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทตัวอย่างที 11.1 เซลล์ไฟฟ้ าเคมีเซลล์หนึง ประกอบด้วยอิเล็กโทรดนิกเกิลบริสุทธิ ในสารละลายทีมีไอออนNi 2+ และอิเล็กโทรดแคดเมียมในสารละลายทีมีไอออน Cd 2+ จงเขียนปฏิกิริยาทีเกิดขึ น และหาค่าศักย์ไฟฟ้ าของเซลล์ทีอุณหภูมิห้อง เมือความเข้มข้นของ Cd 2+ และ Ni 2+ มีค่า 0.5 และ 10 -3 M ตามลําดับวิธีทํา จากโจทย์ เราสามารถเขียนสมการของปฏิกิริยาเคมีได้ดังนี NiNi2+2++ 2e+ CdCd → Cd−→ Ni2+→ Ni+Cd+ 2e2+−จากตารางที 11.1 จะได้ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของ Cd และ Ni และเมือนําไปแทนค่าในสมการที 11.14 จะได้ว่า0.0592 [ 0.5]V = ( − 0.250−( −0.403)) − log3= + 0.0073V2 10∆−[ ]ค่าความต่างศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานทีได้เป็ นบวก ดังนั นปฏิกิริยายังคงดําเนินไปในทิศทางเดิม11.1.5 Galvanic seriesค่า Standard EMF Series ดังทีแสดงในตารางที 11.1 นั นเป็ นค่าทีได้จากเงือนไขว่าระบบทีพิจารณาอยู่ในสภาวะอุดมคติ คือทีอุณหภูมิห้องและความดันหนึงบรรยากาศ อย่างไรก็ตาม เพือให้ใกล้เคียงกับสภาวะการใช้งานจริงมากขึ น จึงเกิดเป็ น Galvanic Series ขึ น ดังแสดงในตารางที 11.2 จากตารางเห็นได้ว่าลําดับของโลหะใน Standard EMF Series ค่อนข้างสอดคล้องกับใน Galvanic Seriesโลหะทีอยู่ด้านบนของตารางแสดงว่ามีความเฉือยมาก (เป็ นแคโทด) ส่วนโลหะทีอยู่ด้านล่างของตารางแสดงว่ามีความแอกทีฟมาก (เป็ นแอโนด)~ 223 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทตารางที 11.2 Galvanic Series (จาก Callister, 2003 หน้า 578)11.1.6 อัตราการกัดกร่อนเมือใช้งานโลหะในสภาวะทีเกิดการกัดกร่อน จะเกิดการสูญเสียเนื อของโลหะ ซึงอัตราการสูญเสียหรือการถูกกัดกร่อนทะลุ (Corrosion Penetration Rate, CPR) สามารถหาได้จากสมการKWCPR = (11.15)ρAtเมือ W คือนํ าหนักของวัสดุทีหายไปเมือเวลาผ่านไปเท่ากับ t (หน่วยเป็ นชัวโมง)ρ คือความหนาแน่นของวัสดุ (g/cm 3 )K คือค่าคงที โดยมีค่าเท่ากับ 534 เมือ CPR มีหน่วยเป็ น mils per year (mpy) (1 milเท่ากับ 0.001 inch) หรือเท่ากับ 87.6 เมือ CPR มีหน่วยเป็ น millimetres per year (mm/yr)และ A คือพื นทีผิวของชิ นงาน มีหน่วยเป็ นตารางนิ วหรือตารางเซนติเมตร~ 224 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทโดยทัวไปแล้ว วัสดุทีนํามาใช้งานไม่ควรค่า CPR มากกว่า 20 mpy (0.50 mm/yr) และเนืองจากในกระบวนการการกัดกร่อนจะมีกระแสไฟฟ้ ามาเกียวข้อง ดังนั นเราจึงสามารถบอกอัตราการกัดกร่อนในเทอมของความหนาแน่นของกระแสต่อหนึงหน่วยพื นทีของวัสดุทีถูกกัดกร่อนได้ดังสมการir = (11.16)nFเมือ r คืออัตราการกัดกร่อน (mol/m 2 )i คือความหนาแน่นของกระแสต่อหนึงหน่วยพื นทีของวัสดุทีถูกกัดกร่อนn คือจํานวนอิเล็กตรอนและ F คือค่าคงทีฟาราเดย์ มีค่าเท่ากับ 96500 C/mol11.1.7 ประเภทของการกัดกร่อนการกัดกร่อนสามารถแบ่งได้เป็ นสองประเภทใหญ่ๆตามลักษณะทางกายภาพคือ การกัดกร่อนแบบสมําเสมอ (uniform corrosion) และการกัดกร่อนในบริเวณจําเพาะ (localised corrosion)11.1.7.1 การกัดกร่อนแบบสมําเสมอการกัดกร่อนแบบสมําเสมอเป็ นการกัดกร่อนทีพบได้บ่อยทีสุด ยกตัวอย่างเช่น สนิมเหล็กคราบดําบนเครืองเงิน การกัดกร่อนแบบนี จะเกิดอย่างสมําเสมอบนผิวของโลหะ และมักทิ งรอยไว้ ซึงรอยดังกล่าวนี สามารถป้ องกันหรือว่ากําจัดได้ง่าย11.1.7.2 การกัดกร่อนในบริเวณจําเพาะ (localised corrosion)การกัดกร่อนในบริเวณจําเพาะ คือการกัดกร่อนทีเกิดได้แค่บริเวณใดบริเวณหนึง มีด้วยกันหลายประเภท ดังนี 1) การกัดกร่อนกัลวานิก (galvanic corrosion)การกัดกร่อนกัลวานิก คือการกัดกร่อนทีเกิดขึ นโดยทีมีวัสดุตัวหนึงทําหน้าทีเสมือนเป็ นขัวลบให้กับระบบ ในขณะทีมีวัสดุอีกตัวหนึงทําหน้าทีเสมือนเป็ นขั วบวกให้กับระบบ ซึงทําให้เกิดการกัดกร่อนเหมือนกับเซลล์กัลวานิก ยกตัวอย่างเช่น การถูกกัดกร่อนของสกรูเหล็กกล้าทีสัมผัสกับทองเหลืองในสภาวะแวดล้อมแบบนํ าทะเล หรือ การถูกกัดกร่อนของท่อเหล็กกล้าทีเชือมติดกับทองแดงในเครืองทํานํ าร้อนในบ้านการป้ องกันการกัดกร่อนแบบกัลวานิกสามารถทําได้หลายวิธีด้วยกัน เช่น 1) เลือกใช้วัสดุทีอยู่ใกล้กันทีสุดใน galvanic series 2) ทําให้บริเวณแอโนดมีขนาดใหญ่ๆ เมือเทียบกับแคโทด~ 225 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทเพือลดความสามารถในการเกิดออกซิเดชัน 3) เคลือบผิวด้วยฉนวนเพือป้ องกันการสัมผัสกันของโลหะทั งสอง หรือ 4) ทําให้เกิดเป็ น cathodic protection2) การกัดกร่อนบริเวณซอก (crevice corrosion)การกัดกร่อนบริเวณซอกเป็ นการกัดกร่อนแบบทีเกิดเฉพาะที เนืองจากมีช่องเล็กๆอยู่บนผิว มักเกิดบริเวณข้อต่อหรือรอยเคลือบ การกัดกร่อนประเภทนี สามารถป้ องกันได้โดยการเชือมต่อ(welding) เพือปกปิ ดบริเวณข้อต่อนั น การกัดกร่อนบริเวณซอกสามารถแบ่งได้เป็ นสามขันตอนดังแสดงในรูปที 11.3 และสามารถอธิบายได้ดังนี ขันที 1 (รูปที 11.3(ก)) ปริมาณออกซิเจนในนํ ามีอย่างทัวถึง สมําเสมอ รวมทั งบริเวณซอก ขั นที 2 (รูปที 11.3(ข)) ออกซิเจนบริเวณด้านในซอกจะเริมออกซิเจนหมด ทําให้กลายเป็ นแอโนด โดยมีผิวด้านนอกทําหน้าทีเป็ นแคโทด และขันสุดท้าย(รูปที 11.3(ค)) จะเกิด corrosion product สะสมอยู่ในบริเวณซอกStage 1(ก) (ข) (ค)รูปที 11.3 ขั นตอนการเกิดการกัดกร่อนบริเวณซอก3) การกัดกร่อนแบบหลุม (pitting corrosion)การกัดกร่อนแบบหลุม เป็ นการกัดกร่อนทีมีลักษณะคล้ายกับการกัดกร่อนบริเวณซอก แต่จะเกิดบนผิวเรียบเป็ นรูเล็กๆบนผิวซึงสังเกตได้ยาก การกัดกร่อนแบบนี จะมีการสูญเสียของเนื อวัสดุตํา ยกตัวอย่างเช่น การแช่เหล็กกล้าไร้สนิมในนํ าทะเล วัสดุจะเกิดเป็นหลุมภายในเวลาเพียงไม่กีสัปดาห์ ซึงสามารถแก้ไขได้โดยการทําเป็ นโลหะผสม เช่น เติม Mo เข้าไปมากกว่า 2เปอร์เซ็นต์ หรือใช้ Pd-stabilized Ti เป็ นต้น ตัวอย่างของการกัดกร่อนแบบหลุมแสดงดังรูปที 11.4~ 226 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทรูปที 11.4 การกัดกร่อนแบบหลุมบนผิวของโลหะ(http://www.materialsengineer.com/G-Pitting-Corrosion.htm สืบค้นเมือ 30/9/52)4) การกัดกร่อนกัดเซาะ (erosion-corrosion)การกัดกร่อนกัดเซาะ เป็ นกระบวนการร่วมกันระหว่างการกัดกร่อนกับการกัดเซาะซึงเกิดจากการไหลของของไหลในท่อ (ดังแสดงในรูปที 11.5(ก)) โดยทัวไปแล้ว ยิงของไหลมีอัตราเร็วมากจะยิงเพิมอัตราการกัดกร่อนกัดเซาะ นอกจากอัตราเร็วแล้ว การมีฟองอากาศในของไหลหรือมีอนุภาคหรือของแข็งแปลกปลอมใดๆในของไหล จะยิงเพิมอัตราการกัดกร่อนกัดเซาะให้เร็วยิงขึ นอีกปัจจัยหนึงทีมีผลต่ออัตราการกัดกร่อนกัดเซาะคือรูปแบบของท่อ ดังแสดงในรูปที 11.5(ข) จากรูปเห็นได้ว่าในกรณีทีท่อมีการเปลียนแปลงรูปแบบอย่างรวดเร็ว เช่นเป็ นมุมฉาก (ดังแสดงในรูปที11.5(ขA)) จะสามารถพบบริเวณทีถูกกัดกร่อนกัดเซาะได้หลายบริเวณ แต่ถ้ามีการปรับรูปร่างท่อให้มีมุมน้อยลง (ดังแสดงในรูปที 11.5(ขB)) จะสามารถลดอัตราการกัดกร่อนกัดเซาะได้มาก(ก)(ข)รูปที 11.5 (ก) การกัดกร่อนกัดเซาะในท่อนํ า (ข) กัดกร่อนกัดเซาะในท่อทีมีรูปร่างต่างกัน~ 227 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีท5) การสูญเสียส่วนผสมบางตัว (selective leaching)การกัดกร่อนประเภทนี มักพบใน solid solution alloy ทีมี Al, Fe, Co, Cr, Ni เป็ นองค์ประกอบ โดยมีชือเรียกตามธาตุทีละลายออกมาก ยกตัวอย่างเช่น dezincification จะมีธาตุZn ละลายออกมา เป็ นต้น ดังแสดงในรูปที 11.6รูปที 11.6 กระบวนการ dezincification ในท่อทองเหลืองของระบบหล่อเย็น(http://www.hghouston.com/x/27.html สืบค้นเมือ 30/9/52)6) การกัดกร่อนบริเวณขอบเกรน (intergranular corrosion)การกัดกร่อนบริเวณขอบเกรนมักเกิดขนานกับขอบเขตเกรนของอัลลอย ทั งนี เนืองจากใน กระบวนการเชือมอัลลอย เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม ทีอุณหภูมิสูง (500-800 องศาเซลเซียส) อาจทําให้โครเมียมและคาร์บอนในอัลลอยเกิดเป็ น Cr 23 C 6 และทําให้เกิดเป็ น Cr-deficient boundaryบริเวณใกล้ๆรอยเชือม (weld decay) เราสามารถป้ องกันการกัดกร่อนแบบนี ได้โดยนําไปผ่านกระบวนการทางความร้อน การใช้วัสดุทีมีคาร์บอนตํา หรือการเติมโลหะอืนเช่น ไทเทเนียมเพือให้ไปทําปฏิกิริยาแทนโครเมียม เป็ นต้น7) การกัดกร่อนความเค้น (stress corrosion)กระบวนการกัดกร่อนความเค้น เป็ นผลรวมของบรรยากาศกัดกร่อนกับความเค้นทีให้กับวัสดุ วัสดุบางประเภทจะเริมถูกกัดกร่อนเมือมีแรงกระทําเท่านั น แรงทีมากระทําอาจเป็ นแรงภายนอก หรือแรงทีเกิดจากการขยายตัวเนืองจากความร้อน วิธีป้ องกันการกัดกร่อนความเค้นสามารถทําได้โดยลดแรงทีมากระทํา เพิมพื นทีหน้าตัดทีต้องรองรับแรง หรือนําไปผ่านกระบวนการทางความร้อนเพือลดความเค้นสะสม8) การแตกร้าวจากไฮโดรเจน (hydrogen embrittlement)การแตกร้าวจากไฮโดรเจนคล้ายกับการกัดกร่อนความเค้น แต่จะเกิดขึ นเมือมีแหล่งของไฮโดรเจนอะตอม ยกตัวอย่างเช่น กระบวนการชุบด้วยไฟฟ้ า (electroplating) การเชือมโลหะ หรือแม้กระทังการหมักดอง โดยเริมต้นอะตอมของไฮโดรเจนจะแพร่เข้าไปยังผลึก หลังจากนั นจะทําปฏิกิริยาเกิดเป็ นสารประกอบทีมีความเปราะ ซึงทําให้เกิดการเสียหายของชิ นงานได้ง่ายขึ น~ 228 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีท11.1.8 ปฏิกิริยาออกซิเดชันในบรรยากาศก๊าซจากหัวข้อที 11.1.1 เป็ นกระบวนการทีเกิดขึ นในสิงแวดล้อมทีเป็ นนํ าหรือสารละลาย แต่ในอากาศหรือบรรยากาศก๊าซ (ไม่สัมผัสกับนํ าหรือสารละลาย) จะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและเกิดเป็ นสนิม(scaling) คราบบนผิวโลหะ (tarnishing) ในกรณีทีเป็ น divalent metal สามารถเขียนปฏิกิริยาได้ดังนี M 2 1 2 →สําหรับโลหะอืนๆ ทีไม่ใช่ divalent metal+ O MO(11.17(ก))b2aM+ O → M O(11.17(ข))2abสนิมหรือคราบบนผิวโลหะทีเกิดขึ นนี อาจเกิดแค่บางส่วนของผิว หรือครอบคลุมผิวทั งหมด เราสามารถหาอัตราการเพิมความหนาของสนิมหรือคราบบนผิวโลหะ divalent metal (เรียกโดยรวมว่าฟิ ล์ม)ได้จาก Pilling-Bedworth ratio (P-B ratio) ดังแสดงในสมการสําหรับโลหะอืนๆ ทีไม่ใช่ divalent metalAoρP - Bratio =m(11.18(ก))A ρmmoAoρP - Bratio =m(11.18(ข))aA ρเมือ A o คือนํ าหนักโมเลกุลของออกไซด์ทีเกิดเป็ นฟิล์มA m คือนํ าหนักอะตอมของโลหะและ omoถ้า P-B ratio มีค่าประมาณ 1 แสดงว่าฟิล์มของออกไซด์และโลหะมีปริมาตรเท่าๆกัน นันคือฟิล์มคลุมผิวไว้ทังหมด ซึงเป็นประโยชน์ในแง่ป้ องกันการเกิดออกซิเดชันกับอะตอมของโลหะชั นถัดไปได้ เรียกว่าเป็ น protective film ในความเป็ นจริงนั น ค่า P-B ratio ในช่วง 1-2 จะเกิดเป็ น protective film แต่ถ้า P-Bratio มีค่าน้อยกว่า 1 แสดงว่าฟิล์มของออกไซด์มีแนวโน้มทีจะเป็นรูพรุน นันคือเกิดเป็ น nonprotectivefilm และถ้า P-B ratio มีค่าอยู่ในช่วง 2-3 ฟิ ล์มของออกไซด์อาจจะแตกและหลุดร่อนออกไปได้ (flake off)~ 229 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทนอกจากค่า P-B ratio แล้ว ยังมีปัจจัยอืนทีส่งผลให้เกิดขึ นเป็ น protective หรือ nonprotectivefilm ยกตัวอย่างเช่น ความสามารถในการยึดเกาะกันระหว่างฟิล์มกับผิวโลหะ และค่าสัมประสิทธิ การขยายตัวทางความร้อนทีเข้ากันได้ เป็ นต้น ค่า P-B ratio ของโลหะบางชนิดแสดงดังตารางที 11.3ตารางที 11.3 ค่า Pilling-Bedworth ratio ของโลหะบางชนิดProtectiveNonprotectiveCe 1.16 K 0.45Al 1.28 Li 0.57Pb 1.40 Na 0.57Ni 1.52 Cd 1.21Be 1.59 Ag 1.59Pd 1.60 Ti 1.95Cu 1.68 Ta 2.33Fe 1.77 Sb 2.35Mn 1.79 Nb 2.61Co 199 U 3.05Cr 1.99 Mo 3.40Si 2.27 W 3.40(ทีมา: Callister, Jr. W.D. Materials Science and Engineering: An Introduction. 6 th Editon.John Wiley & Sons, Inc. New York, USA., 2003)11.1.9 การป้ องกันการกัดกร่อนการป้ องกันการกัดกร่อนของโลหะสามารถทําได้หลายวิธีด้วยกัน วิธีทีง่ายทีสุดคือแยกผิวของชิ นงานไม่ให้สัมผัสกับสิงแวดล้อม เช่น การทาสี การชุบหรือเคลือบผิว การทําให้เกิดฟิล์มปกป้ องผิว หรือการป้ องกันแบบกัลวานิกหรือคาโทดิก (Galvanic or cathodic protection) เป็ นต้น11.1.9.1 การเคลือบผิว1) การเคลือบผิวด้วยสารอินทรีย์ เช่น สี แวกซ์ เคลือบเงา วิธีนี สะดวก เสียค่าใช้จ่ายน้อยและให้ผิวทีสวยงาม2) การเคลือบผิวด้วยโลหะ เช่น ดีบุก สังกะสี การชุบด้วยไฟฟ้ า หรือการจุ่มในโลหะหลอมเหลว (hot dipping) เป็ นต้น~ 230 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีท3) การเคลือบด้วยเซรามิก เช่น เหล็กกล้าเคลือบด้วยพอร์ซเลน ข้อดีของพอร์ซเลนคือ ยึดติดกับผิวของเหล็กได้ดี สามารถปรับให้มีการขยายตัวทีเหมาะกับโลหะได้ นอกจากนี ยังมีผิวลืนและง่ายต่อการทําความสะอาด ตัวอย่างของการเคลือบผิวด้วยวัสดุประเภทต่างๆ แสดงดังตารางที 11.4 ตารางที 11.4 ตัวอย่างวัสดุเคลือบผิวประเภทต่างๆประเภท ตัวอย่าง ข้อดี ข้อด้อยสารอินทรีย์ สี ใช้งานง่าย มีราคาถูก อาจเกิดออกซิเดชันถูกขูดขีดให้หลุดง่ายอุณหภูมิการใช้งานจํากัดโลหะเซรามิกโลหะมีสกุล (noblemetal)อีนาเมลเนื อแก้ว(vitreous enamel)เคลือบออกไซด์สามารถเปลียนรูปได้ ไม่ละลายในตัวทําละลายอินทรีย์ทนต่ออุณหภูมิ มีความแข็งสูง ไม่เกิดกัลวานิกเซลล์กับชิ นงานอาจทําให้เกิดเซลล์กัลวานิกถ้ามีรอยร้ าวหรือแตกหักเปราะ11.1.9.2 ฟิ ล์มปกป้ องพืนผิวการทําเป็ นฟิล์มเพือปกป้ องพื นผิว เป็ นอีกวิธีหนึงทีสามารถป้ องกันการกัดกร่อนของโลหะได้ ยกตัวอย่างเช่น การเกิดเป็ นฟิล์มโครเมียมออกไซด์บนผิวของเหล็กกล้าไร้สนิม เนืองจากโครเมียมในเนื อเหล็กทําปฏิกิริยากับออกซิเจนในอากาศ เกิดเป็ น passive film คลุมผิวไว้ ช่วยป้ องกันผิวของเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นอย่างดี (ดูรายละเอียดในหัวข้อที 7.2.1.2)การเติมสารยับยั ง (Inhibitor) ก็ช่วยทําให้เกิดเป็ น passive film ได้เช่นกัน ยกตัวอย่างเช่นสารยับยังการเกิดสนิม (rust inhibitor) ทีเติมในหม้อนํ ารถยนต์ ประกอบด้วยสาร chromate บนผิวของโลหะคล้ายกับเหล็กกล้าไร้สนิม แต่ต่างตรงทีไม่สามารถเกิดขึ นใหม่เองได้11.1.9.3 การป้ องกันแบบกัลวานิกหรือคาโทดิก (Galvanic or cathodic protection)การป้ องกันแบบกัลวานิกหรือคาโทดิก คือการป้ องกันการถูกกัดกร่อนของโลหะโดยการทําให้โลหะนันให้เป็ นแคโทด ยกตัวอย่างเช่น galvanized steel คือการฉาบสังกะสีไว้บนผิว เพือให้เกิดเป็ นแอโนดและถูกกัดกร่อนแทนเหล็ก (sacrificial anode) หรือการต่อโลหะทีมีความเป็ นแอโนดสูงในGalvanic series เช่น แมกนีเซียมหรือสังกะสีเข้ากับท่อโลหะเพือให้ทําหน้าทีเป็ น sacrificial anode ดังแสดงในรูปที 11.7~ 231 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทรูปที 11.7 การป้ องกันการกัดกร่อนของท่อแบบคาโทดิก(http://www.daviddarling.info/encyclopedia/C/AE_cathodic_protection.htmlสืบค้นเมือ 2 กันยายน 2551)11.2 การกัดกร่อนของเซรามิกเซรามิกเป็นสารประกอบระหว่างธาตุโลหะและอโลหะทีมีความแข็งแรงพันธะสูงมาก ทําให้เซรามิกมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดีในเกือบทุกสภาพแวดล้อม การกัดกร่อนทีเกิดขึ นในเซรามิกมักเป็ นกระบวนการละลายทางเคมีแบบง่ายๆ เมือเปรียบเทียบกับกระบวนการเคมีไฟฟ้ าทีเกิดในโลหะ และจากทีกล่าวแล้วว่าเซรามิกสามารถต้านทานการกัดกร่อนได้ดีมาก เราจึงจะไม่กล่าวถึงรายละเอียดของกระบวนการกัดกร่อนของเซรามิกในบทนี 11.3 การย่อยสลายของพอลิเมอร์ (degradation of polymer)โดยทัวไปแล้ว พอลิเมอร์สามารถทนต่อสภาวะทีเป็ นกรดและด่างได้ดีกว่าโลหะ จึงไม่ค่อยพบปัญหาเรืองการกัดกร่อน แต่กระบวนการทีทําให้เกิดการเสือมสภาพของพอลิเมอร์คือการถูกย่อยสลายด้วยกระบวนการทั งทางกายภาพและเคมี ดังแสดงในรูปที 11.8รูปที 11.8 กระบวนการย่อยสลายของพอลิเมอร์~ 232 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทรูปแบบการย่อยสลายของพอลิเมอร์มีหลายแบบด้วยกัน ทั งการบวมตัวและการละลาย (Swellingand dissolution) การแตกหักของพันธะโคเวเลนต์ (covalent bond rupture) และการเสือมสลายเนืองจากสภาพอากาศ (weathering)11.3.1 การบวมตัวและการละลายในกรณีทีชิ นงานพอลิเมอร์อยู่ในของเหลว กระบวนการย่อยสลายของพอลิเมอร์จะเป็ นแบบการบวมตัวและการละลาย ดังแสดงในรูปที 11.9 เริมต้นจากโมเลกุลของของเหลวหรือตัวทําละลายแพร่เข้าสู่ชิ นงานพอลิเมอร์ แล้วแทรกตัวอยู่ระหว่างโมเลกุลของพอลิเมอร์ทําให้สายโซ่พอลิเมอร์ค่อยๆแยกห่างออกจากกัน เมือสายโซ่ห่างกันมากถึงระดับหนึงจะเกิดการละลาย โดยทัวไปแล้วถ้าพอลิเมอร์และตัวทําละลายมีโครงสร้างทางเคมีเหมือนกัน อัตราการบวมตัวหรือการละลายยิงมากขึ น ยกตัวอย่างเช่น การบวมตัวหรือการละลายของยางไฮโดรคาร์บอนในนํ ามัน เป็ นต้น อัตราเร็วของกระบวนการย่อยสลายของพอลิเมอร์จะลดลงเมือนํ าหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์เพิมขึ น อัตราการเชือมโยงของสายโซ่พอลิเมอร์เพิมขึ น ความเป็ นผลึกของพอลิเมอร์เพิมขึ น หรืออุณหภูมิลดลง ตัวอย่างการย่อยสลายของพอลิเมอร์ในตัวทําละลายต่างๆแสดงดังตารางที 11.5รูปที 11.9 กระบวนการบวมตัวและละลายของสายโซ่พอลิเมอร์(http://pslc.ws/macrog/property/solpol/ps3.htm สืบค้นเมือ 31 กรกฎาคม 2552)~ 233 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทตารางที 11.5 ความสามารถในการต้านทานการย่อยสลายของพอลิเมอร์ในตัวทําละลายต่างๆMaterialNonoxidizingacids(20%H2SO4)OxidizingacidsAqueoussaltsolutions(NaCl)AqueousAlkalis(NaOH)Polarsolvents(C2H5OH)Nonpolarsolvents(C6H6)waterPTFE S S S S S S SNylon6,6 U U S S Q S SPolyester Q Q S Q Q U SHDPE S Q S - S Q SPP S Q S S S Q SPS S Q S S S U SEpoxy S U S S S S Ssilicone Q U S S S Q SS = satisfactory; Q = questionable; U = unsatisfactory; - = no report(จาก Callister, 2003 หน้า 595)11.3.2 การแตกหักของพันธะ (bond rupture)กระบวนการย่อยสลายด้วยการแตกหักของพันธะของสายโซ่โมเลกุลเรียกว่า ‘scission’ ซึงจะทําให้เกิดการแยกเป็ นสายโซ่ทีสั นลง และนํ าหนักโมเลกุลของพอลิเมอร์ลดลง กระบวนการนี อาจเกิดเนืองจากการทีวัสดุพอลิเมอร์ถูกรังสีหรือความร้อน หรืออาจเกิดเนืองจากปฏิกิริยาเคมี11.3.2.1 ผลของรังสี (radiation effect)รังสีประเภทต่างๆ เช่น ลําอิเล็กตรอน รังสีเอ็กซ์ รังสีเบต้า รังสีแกมมา และรังสียูวี เมือผ่านเข้าไปในชิ นงานพอลิเมอร์จะไปทําปฏิกิริยาไอออไนเซชันกับอะตอมหรืออิเล็กตรอน ทําให้เกิดกระบวนการscission เราสามารถป้ องกันการเกิดปฏิกิริยาได้โดยเติมสารเพิมเสถียรภาพ (stabilizer) เพือป้ องกันการเสียหายเนืองจากรังสียูวี เป็ นต้น~ 234 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีท11.3.2.2 ผลของปฏิกิริยาเคมี (Chemical reaction effect)ออกซิเจน โอโซน หรือสารอืนๆในบรรยากาศ อาจทําให้เกิดปฏิกิริยาเคมีซึงนําไปสู่การย่อยสลายของวัสดุพอลิเมอร์ ยกตัวอย่างเช่น ปฏิกิริยาระหว่างยางวัลคาไนซ์ทีมีพันธะคู่กับโอโซน ซึงเกิดขึ นดังสมการ-R-C=C-R / - + O 3 → -R-C=O + O=C-R / - + O .H H H H11.3.2.3 ผลของอุณหภูมิ (thermal effect)กระบวนการ scission ของสายโซ่โมเลกุลทีอุณหภูมิสูง อาจทําให้เกิดโมเลกุลก๊าซขึ นส่งผลให้นํ าหนักโมเลกุลลดลง วัสดุใดทีมีค่าพลังงานพันธะสูงจะมีความเสถียรต่ออุณหภูมิมากกว่าวัสดุทีมีค่าพลังงานพันธะตํา11.3.3 ผลของสภาพอากาศ (weathering)ผลของสภาพอากาศเป็ นผลของหลายๆกระบวนการรวมกัน เช่น ปฏิกิริยาออกซิเดชัน รังสียูวีและการดูดซึมนํ า (water absorption) ดังนั นจึงต้องเลือกใช้วัสดุให้เหมาะกับงาน ยกตัวอย่างเช่น ในสภาพการใช้งานทีต้องเจอกับนํ า ต้องใช้พอลิเมอร์ประเภทไนลอนหรือเซลลูโลส ซึงมีสมบัติไม่ดูดนํ า เป็ นต้น~ 235 ~

บทที 11 การกัดกร่อนและการเสือมสลายของวัสดุ ผศ.ดร.สุภาสินี ลิมปานุภาพ ซีทแบบฝึ กหัดท้ายบทที 111. จงเขียนสมการทัวไปของการเกิดปฏิกิริยาการกัดกร่อน2. ค่าศักย์ไฟฟ้ ามาตรฐานของปฏิกิริยาครึงเซลล์ของปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันคืออะไร3. ทําไมโลหะบริสุทธิ จึงทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าโลหะไม่บริสุทธิ4. จงยกตัวอย่างการกัดกร่อนของโลหะมา 3 ประเภท พร้อมอธิบาย5. จงยกตัวอย่างวิธีการป้ องกันการกัดกร่อนของโลหะมา 3 วิธี พร้อมอธิบาย6. กระบวนการเสือมสลายของพอลิเมอร์เกิดขึ นได้จากปัจจัยใดบ้าง จงอธิบาย7. กระบวนการ scission หรือ bond rupture เกิดขึ นได้อย่างไร จงอธิบาย8. เหตุใดจงบอกว่าพอลิเมอร์ทีสามารถบวมนํ าและเสือมสลายได้ จงอธิบาย9. เหตุใดการกัดกร่อนจึงเกิดทีขอบเขตเกรนของโลหะ ได้ง่ายกว่าบริเวณอืน จงอธิบาย~ 236 ~