คุณรู้ไหมว่า...ทำไมเหล็กถึงขึ้น "สนิม" ?
วัสดุอย่างหนึ่ง ที่เราพบเห็นในชีวิตประจำวันบ่อยครั้งก็คือ " เหล็ก"หรือ "โลหะ" โดยเฉพาะในบ้านของเรา ซึ่งเป็นสิ่งปลูกสร้าง ย่อมต้องมีส่วนประกอบจากเหล็ก ไม่มากก็น้อย อยู่ด้วยกันบ่อยๆ เคยสงสัยกันไหมคะว่า...ทำไม? เหล็กจึงเป็นสนิม !!!
เราทราบกันดีอยู่เเล้วว่า วัสดุที่ทำจากโลหะนั้น เมื่อถูกอากาศเเละความชื้นไปนานๆ วัสดุเหล่าน้ัน จะมีรูปร่างหน้าตาที่เปลี่ยนไปจากตอนเเรก ดูผิวเรียบเป็นมันวาวสวยงาม กลับกลายเป็นผิวขรุขระ ตะปุ่มตะป่ำ เปลี่ยนเป็นสีน้ำตาลออกเหลืองๆน่ากลัว น่ารังเกลียด หรือที่เราเรียกกันว่า "ขึ้นสนิม"นั่นเอง
สนิม(rust) คือโลหะส่วนที่มีการเปลี่ยนสภาพไปจากเดิม เนื่องจากได้รับปฏิกิริยาเคมี ที่มีอากาศ น้ำ หรือ ความร้อนเป็นตัวการสำคัญที่ทำให้โลหะมีคุณสมบัติแตกต่างไปจากเดิม เช่น สีที่เปลี่ยนไป มีความเเข็งเเรงที่ลดลง และทำให้เกิดการผุกร่อน ตัวอย่างที่เราพบเห็นกันอยู่บ่อยๆได้เเก่ เหล็ก
สนิม(rust) มี 2 ชนิด คือ สนิมสีน้ำตาลอมเเดง หรือ สนิมแดง และ สนิมสีดำ นอกจากนี้ โลหะแต่ละชนิด จะมีสีสนิมที่แตกต่างกันด้วย
เรามีวิธีการ ป้องกันการเกิด สนิม อย่างง่ายที่สุดคือ
ไม่ทำให้ผิวโลหะสัมผัสกับอากาศเเละความชื้นโดนตรง โดยใช้วิธีการเคลือบผิว เช่นการทาสี การชุบโลหะ การรมดำ เป็นวิธีที่สามารถทำได้ง่ายในครัวเรือน เเต่ข้อเสียของวิธีนี้คือ ผิวเคลือบสามารถหลุดออกได้ง่าย
การกัดกร่อน คืออะไร?
จากนิยามตามมาตราฐาน DIN EN ISO 8044 (เดิม DIN 50900)การกัดกร่อนคือ ปฏิกิริยาระหว่างวัสดุโลหะกับสิ่งแวดล้อม ซึ่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพของวัสดุนั้น และยังผลให้ความสามารถในการทำหน้าที่ของวัสดุดังกล่าวเสียไป โดยส่วนใหญ่ปฏิกิริยาดังกล่าวจะเป็นปกิกิริยาเคมีไฟฟ้า แต่ทั้งนี้สามารถเป็นปฏิกิริยาเคมีหรือปฏิกิริยาทางกายภาพของโลหะได้เช่นกัน นอกจากนี้ยังมีรายงานจาก WCO (World Corrosion Organization) ว่าความสูญเสียเนื่องจากการกัดกร่อนมีมูลค่าประมาณ 3 %ของผลิตภัณฑ์มวลรวมภายในประเทศของทั้งโลก
รูปแบบของการกัดกร่อน
การกัดกร่อนสามารถจำแนกออกเป็นหมวดหมู่ได้หลายลักษณะโดยใช้เกณฑ์ต่างๆ เช่น จำแนกตามกลไก ตามลักษณะทางกายภาพ หรือตามตัวแปรที่มีอิทธิพลต่อการกัดกร่อน
การกัดกร่อนแบบสม่ำเสมอ(Unihorm corrosion)
เกิดขึ้นทั่วทั้งผิวหน้าของวัสดุ ที่สัมผัสกับสิ่งเเวดล้อม แบบสม่ำเสมอ สามารถประยุกต์ ใช้กฎของฟาราเดย์ ในการคำนาณหาอัตราการกัดกร่อน ในมิติต่างๆได้ เช่น มวลต่อพื้นที่ ต่อเวลา ความลึกของการกัดกร่อนต่อเวลา
การกัดกร่อนในบริเวณจำเพาะ (Localized corrosion)
เกิดขึ้นเฉพาะบริเวณใด บริเวณหนึ่ง ไม่เกิดขึ้นทั่วทั้งผิวหน้าของวัสดุ ในบางกรณี อาจไม่สามารถสังเกตเห็นการกัดกร่อนเเบบนี้ได้ด้วยตาเปล่า
การกัดกร่อนเเบบกัลวานิก(Galvanic corrosion)
การกัดกร่อนเเบบนี้ เกิดจากการสัมผัส หรือเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าของโลหะตั้งเเต่ 2 ชนิดขึ้นไป ที่มีศักย์ไฟฟ้ารีดักชั่นต่างกัน และอยู่ในสารละลายที่นำไฟฟ้าได้ โลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้ารีดักชั่นต่ำกว่า มีเเนวโน้มที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่า และเกิดการกัดกร่อนกับโลหะนั้นอย่่างรุนเเรงที่บริเวณรอยต่อของการสัมผัส นอกจากนั้นในบางกรณีแม้ว่าจะมีโลหะเพียงชนิดเดียว แต่ถ้าปลายทั้งสองด้านของโลหะนั้น อยู่ในสภาวะที่มีความสามารถ ในการออกซิไดซ์ต่างกัน ก็สามารถเอื้อให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกได้
การกัดกร่อนแบบหลุม(Pitting corrosion)
มักจะเกิดกับโลหะ ที่มีความสามารถ ในการสร้างชั้นป้องกันได้(Passivation) หลุมที่เกิดขึ้นมีได้หลายลักษณะ เช่น หลุมเเบบปากกว้าง หลุมเเบบรูเข็ม หลุมแบบปากแคบแต่ด้านในกลวง ในเหล็กกล้าไร้สนิม จะมีการประมาณค่าความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบหลุม (PREN,pttting resistance equivalent number) เพื่อเป็นเเนวทางในการเลือกใช้วัสดุได้ด้วย
การกัดกร่อนบริเวณซอก(Crevice corrosion)
จะเกิดขึ้นในบริเวณที่ การถ่ายเทของเหลวทำได้ไม่ดีนัก ด้านในและด้านนอกของซอกจะส่งผลให้การแพร่ของสารเคมีบางชนิด เช่น ออกซิเจนทำได้ยาก ซึ่งจะทำให้ด้านในเเละด้านนอกมีความสามารถในการออกซิไดซ์ที่ต่างกัน และนำไปสู่การกัดกร่อน เฉพาะบริเวณด้านในซอก นอกจากนี้ค่า pH ด้านในซอกอาจลดลงได้ถึง 1 หรือ0 ในขณะที่ค่า pH ด้านนอกคงที่ ที่ 7
การกัดกร่อนบริเวณขอบเกรน(Intergranular corrosion)
เมื่อมีคาร์บอนที่เจืออยู่ในเหล็กกล้าไร้สนิม สามารถแพร่เข้าจับกับโครเมี่ยม เกิดเป็นสารประกอบ เช่น Cr23C6 จะตกตะกอนอยุที่ขอบเกรน บริเวณที่อยู่ถัดไป จากขอบเกรน จะมีปริมาณโครเมี่ยมลดลงอย่างมาก ส่งผลให้ความต้านทานต่อการกัดกร่อนลดลงไปด้วย และ เมื่อเหล็กกล้าไร้สนิมสัมผัสกันสารกัดกร่อน บริเวณข้างขอบเกรนจึงถูกกัดก่อนเป็นอันดับแรกอย่างจำพาะเจาะจง
การป้องกันการกัดกร่อน
เมื่อโลหะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น หรือถูกออกซิไดซ์ จะมีการกร่อนของโลหะนั้นๆเกิดขึ้น ดังนั้น หลักของการป้องกันการกัดกรอนก็คือ การป้องกันไม่ให้โลหะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น นั่นเอง
การป้องกันการกัดกร่อนของโลหะ ที่ใช้นิยมงานในปัจจุบันนั้น สามารถแบ่งประเภทของการป้องกันเป็น 3 รูปแบบคือ
1.การเคลือบผิว (surface coating) เป็นการป้องกันไม่ให้เหล็กสัมผัสกับออกซิเจนและความชื้น ซึ่งเป็นการป้องกันการเกิดสนิมของเหล็กได้ เป็นวิธีที่สะดวก และให้ผลดีในการป้องกันการเกิดสนิม เเต่ข้อควรระวังในการเคลือบผิวก็คือ ต้องเคลือบอย่างมิดชิด การเคลือบผิวมีวิธีดังต่อไปนี้
โลหะบางชนิดเช่น อะลูมิเนียม(Eo = -1.66 v)เเละสังกะสี (Eo = - 0.76 v) ที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชั่นน้อยกว่าเหล็ก(Eo -0.44 v) ย่อมจะมีเเนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชั่นได้ง่ายกว่าเหล็กมาก นั่นคือโอกาสที่จะเกิดสนิมหรือเกิดการออกไซด์ได้ง่าย แต่ปรากฎว่าไม่เกิดการผุกร่อนในลักษณะที่เหมือนกับเหล็ก ทั้งนี้เพราะชั้นของอลูมิเนี่ยมออกไซด์(AI203) หรือซิงค์ออกไซด์ (ZnO)ที่เกิดขึ้นจะเคลทอบเป็นผิวบางๆ คลุมอยู่บนผิวของโลหะนั้นเอาไว้ ทำให้เนื้ออลูมิเนียมหรือสังกะสีที่อยู่ข้างใต้ไม่กร่อน ส่วนออกไซด์ของเหล็กที่เกิดขึ้นที่ผิวของเหล็กมีลักษณะเป็นรูพรุน จึงป้องกันเนื้อเหล็กไม่ได้ และนอกจากอลูมิเนี่ยม และสังกะสีเเล้ว ยังมีดีบุกที่ถึงเเม้จะมีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชั่น -0.14 ซึ่งมีค่ามากกว่าเหล็ก เมื่อนำมาอยู่ใกล้เหล็กจะสามารถทำให้เหล็กกร่อนได้เร็วขึ้น แต่สามารถนำมาประยุกต์ป้องกันการผุกร่อนได้เนื่องจากออกไซด์ของดีบุกจะเคลือบผิวของโลหะ แล้จะทำให้โลหะไม่เกิดการผุกร่อนอีกต่อไป แต่การเคลือบผิวด้วยดีบุกต้องเคลือบให้มิดชิด เพราะเมื่อใดก็ตามที่เหล็กสามารถสัมผัสกับออกซิเจนและน้ำได้ เหล็กก็จะถูกเร่งให้กร่อนเร็วขึ้นกว่าเดิม การเคลือบผิวหรือการชุบซิงก์ออกไซด์ของโลหะมีคุณสมบัติพิเษศนี้ เรียกแอโนไดซ์
2.แบบแพสสิเวชั่น (Passivation Protection) การป้องกันการกร่อนของเหล็ก ด้วยการทำให้ผิวของเหล็กเฉื่อยต่อปฏิกิริยา โดยการนำเหล็กไปชุบด้วยตัวออกซิไดซ์ เช่น กรดไนตริก จะเกิดเป็นออกไซด์บางๆเคลือบบนผิวของเหล็ก หรือการเติมสารโซเดียมโครเมตลงในหม้อน้ำรถยนต์ ก็จะป้องกันการเกิดสนิมได้เช่นกัน
3.แบบแคโทดิก (Cathodic Protection)
แต่ในยุคที่ทันสมัยด้วยเทคโนโลยีต่างๆมากมาย
บริษัท นวัชกฤษฎิ์ จำกัด ก็หันมามอง ผลกระทบทางเศรษฐกิจ จากการสำรวจในปี พ.ศ.2545 พบว่ามีความสูญเสียที่เกิดจากการกัดกร่อนทั่วโลก คิดเป็นมูลค่ารวมปนะมาณ 11 ล้านล้านบาท และอัตราความเสียหายเกิดขึ้นกับประเทศที่กำลังพัฒนาประมาณร้อยละ 3-5 ของผลิตภัณฑ์มวลรวมประชาชาติ(GNP) [3]
เกิดขึ้นเฉพาะบริเวณใด บริเวณหนึ่ง ไม่เกิดขึ้นทั่วทั้งผิวหน้าของวัสดุ ในบางกรณี อาจไม่สามารถสังเกตเห็นการกัดกร่อนเเบบนี้ได้ด้วยตาเปล่า
การกัดกร่อนเเบบกัลวานิก(Galvanic corrosion)
การกัดกร่อนแบบหลุม(Pitting corrosion)
มักจะเกิดกับโลหะ ที่มีความสามารถ ในการสร้างชั้นป้องกันได้(Passivation) หลุมที่เกิดขึ้นมีได้หลายลักษณะ เช่น หลุมเเบบปากกว้าง หลุมเเบบรูเข็ม หลุมแบบปากแคบแต่ด้านในกลวง ในเหล็กกล้าไร้สนิม จะมีการประมาณค่าความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนแบบหลุม (PREN,pttting resistance equivalent number) เพื่อเป็นเเนวทางในการเลือกใช้วัสดุได้ด้วย
การกัดกร่อนบริเวณซอก(Crevice corrosion)
จะเกิดขึ้นในบริเวณที่ การถ่ายเทของเหลวทำได้ไม่ดีนัก ด้านในและด้านนอกของซอกจะส่งผลให้การแพร่ของสารเคมีบางชนิด เช่น ออกซิเจนทำได้ยาก ซึ่งจะทำให้ด้านในเเละด้านนอกมีความสามารถในการออกซิไดซ์ที่ต่างกัน และนำไปสู่การกัดกร่อน เฉพาะบริเวณด้านในซอก นอกจากนี้ค่า pH ด้านในซอกอาจลดลงได้ถึง 1 หรือ0 ในขณะที่ค่า pH ด้านนอกคงที่ ที่ 7
การกัดกร่อนบริเวณขอบเกรน(Intergranular corrosion)
เมื่อมีคาร์บอนที่เจืออยู่ในเหล็กกล้าไร้สนิม สามารถแพร่เข้าจับกับโครเมี่ยม เกิดเป็นสารประกอบ เช่น Cr23C6 จะตกตะกอนอยุที่ขอบเกรน บริเวณที่อยู่ถัดไป จากขอบเกรน จะมีปริมาณโครเมี่ยมลดลงอย่างมาก ส่งผลให้ความต้านทานต่อการกัดกร่อนลดลงไปด้วย และ เมื่อเหล็กกล้าไร้สนิมสัมผัสกันสารกัดกร่อน บริเวณข้างขอบเกรนจึงถูกกัดก่อนเป็นอันดับแรกอย่างจำพาะเจาะจง
การป้องกันการกัดกร่อน
เมื่อโลหะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น หรือถูกออกซิไดซ์ จะมีการกร่อนของโลหะนั้นๆเกิดขึ้น ดังนั้น หลักของการป้องกันการกัดกรอนก็คือ การป้องกันไม่ให้โลหะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น นั่นเอง
การป้องกันการกัดกร่อนของโลหะ ที่ใช้นิยมงานในปัจจุบันนั้น สามารถแบ่งประเภทของการป้องกันเป็น 3 รูปแบบคือ
1.การเคลือบผิว (surface coating) เป็นการป้องกันไม่ให้เหล็กสัมผัสกับออกซิเจนและความชื้น ซึ่งเป็นการป้องกันการเกิดสนิมของเหล็กได้ เป็นวิธีที่สะดวก และให้ผลดีในการป้องกันการเกิดสนิม เเต่ข้อควรระวังในการเคลือบผิวก็คือ ต้องเคลือบอย่างมิดชิด การเคลือบผิวมีวิธีดังต่อไปนี้
- การเคลือบผิวด้วยพลาสติก
- การเคลือบผิวก้วยสี
- การเคลือบผิวด้วยน้ำมัน
- การเคลือบผิวด้วยการรมควัน
- การเคลือบผิวด้วยการแอโนไดซ์(anodization)
โลหะบางชนิดเช่น อะลูมิเนียม(Eo = -1.66 v)เเละสังกะสี (Eo = - 0.76 v) ที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชั่นน้อยกว่าเหล็ก(Eo -0.44 v) ย่อมจะมีเเนวโน้มที่จะเกิดออกซิเดชั่นได้ง่ายกว่าเหล็กมาก นั่นคือโอกาสที่จะเกิดสนิมหรือเกิดการออกไซด์ได้ง่าย แต่ปรากฎว่าไม่เกิดการผุกร่อนในลักษณะที่เหมือนกับเหล็ก ทั้งนี้เพราะชั้นของอลูมิเนี่ยมออกไซด์(AI203) หรือซิงค์ออกไซด์ (ZnO)ที่เกิดขึ้นจะเคลทอบเป็นผิวบางๆ คลุมอยู่บนผิวของโลหะนั้นเอาไว้ ทำให้เนื้ออลูมิเนียมหรือสังกะสีที่อยู่ข้างใต้ไม่กร่อน ส่วนออกไซด์ของเหล็กที่เกิดขึ้นที่ผิวของเหล็กมีลักษณะเป็นรูพรุน จึงป้องกันเนื้อเหล็กไม่ได้ และนอกจากอลูมิเนี่ยม และสังกะสีเเล้ว ยังมีดีบุกที่ถึงเเม้จะมีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชั่น -0.14 ซึ่งมีค่ามากกว่าเหล็ก เมื่อนำมาอยู่ใกล้เหล็กจะสามารถทำให้เหล็กกร่อนได้เร็วขึ้น แต่สามารถนำมาประยุกต์ป้องกันการผุกร่อนได้เนื่องจากออกไซด์ของดีบุกจะเคลือบผิวของโลหะ แล้จะทำให้โลหะไม่เกิดการผุกร่อนอีกต่อไป แต่การเคลือบผิวด้วยดีบุกต้องเคลือบให้มิดชิด เพราะเมื่อใดก็ตามที่เหล็กสามารถสัมผัสกับออกซิเจนและน้ำได้ เหล็กก็จะถูกเร่งให้กร่อนเร็วขึ้นกว่าเดิม การเคลือบผิวหรือการชุบซิงก์ออกไซด์ของโลหะมีคุณสมบัติพิเษศนี้ เรียกแอโนไดซ์
2.แบบแพสสิเวชั่น (Passivation Protection) การป้องกันการกร่อนของเหล็ก ด้วยการทำให้ผิวของเหล็กเฉื่อยต่อปฏิกิริยา โดยการนำเหล็กไปชุบด้วยตัวออกซิไดซ์ เช่น กรดไนตริก จะเกิดเป็นออกไซด์บางๆเคลือบบนผิวของเหล็ก หรือการเติมสารโซเดียมโครเมตลงในหม้อน้ำรถยนต์ ก็จะป้องกันการเกิดสนิมได้เช่นกัน
3.แบบแคโทดิก (Cathodic Protection)
เป็นที่ทราบกันดีเเล้วว่า โลหะเกิดการผุกร่อน จากการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี โดยโลหะจะเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชั่น ซึ่งมีปฏิกิริยาเกิดขึ้นเช่นเดียวกับแอโนดในเซลล์กัลวานิกส์หรือ เซลล์อิเล็กโทรไลต์ ดังนั้นถ้าไม่ต้องการให้เกิดการผุกร่อนจึงต้องให้โลหะนั้นมีสภาวะเป็นแคโทด หรือคล้ายกับแคโทด โดยใช้โลหะที่เสียอิเล็กตรอนได้ง่ายกว่าเล็ก(มีค่าศักย์ไฟฟ้าครึ่งเซลล์รีดักชั่นน้อยกว่าเหล็ก)ไปอยู่กับเหล็ก เช่น การเชื่อมต่อเเมกนีเซี่ยมตามท่อ หรือตามโครงเรือ จะทำให้เหล็กผุกร่อนช้าลง เนื่องจากแมกนีเซียมเสียอิเล็กตรอนง่ายกว่าเหล็ก จะทำหน้าที่เสียอิเล็กตรอนเเทน เปรียบเสมือนกับให้เเม็กนีเซียมเป็นแอโนด และให้เหล็กเป็นแคโทด จึงเรียกว่า การป้องกันเเบบแคโทดิก(Cathodic Protection)
คำถามก็คือ....เเล้วถ้าโครงสร้าง/เครื่องจักร ของเราเกิดขึ้นสนิมไปแล้ว จะทำให้กลับมากลับมาเป็นผิวโลหะเงางามเหมือนเดิมได้ไหม?
โดยทั่วไปแล้วมักจะเกิดกับวัสดุ หรือพื้นผิวที่เป็นเหล็ก โลหะ หรือสแตนเลส
การป้องกันสนิมที่เห็นกันอยู่โดยทั่วไปตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน ล้วนแต่เป็นการป้องกันที่ปลายเหตุทั้งสิ้น จึงได้ผลลัพธ์ไม่ตรงจุด และหลีกเลี่ยงการผุกร่อนไม่ได้เลย
ที่มา:วิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี บทความการกัดกร่อน (8 มีนาคม 2556)
บริษัท นวัชกฤษฎิ์ จำกัด ก็หันมามอง ผลกระทบทางเศรษฐกิจ จากการสำรวจในปี พ.ศ.2545 พบว่ามีความสูญเสียที่เกิดจากการกัดกร่อนทั่วโลก คิดเป็นมูลค่ารวมปนะมาณ 11 ล้านล้านบาท และอัตราความเสียหายเกิดขึ้นกับประเทศที่กำลังพัฒนาประมาณร้อยละ 3-5 ของผลิตภัณฑ์มวลรวมประชาชาติ(GNP) [3]
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น
คุณสามารถแสดงความคิดเห็นได้ในส่วนนี้ค่ะ