การทดสอบการกัดกร่อนตามมาตรฐาน ASTM B117

ขอคั่นหัวข้อ จรรยาบรรณของนักวิเคราะห์ความเสียหายก่อนนะครับ...............

ปัจจุบันนี้ หลายโรงงานในประเทศไทย โดยเฉพาะอุตสาหกรรมการผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ ชั้นเคลือบต่างๆ ฯ ได้หันมาสนใจในการทดสอบพฤติกรรมการกัดกร่อนของโลหะเหล่านั้น เพื่อศึกษาความทนทานเมื่อต้องนำไปใช้งานในสภาวะที่สัมผัสกับหมอกเกลือ (เช่น เมื่อนำไปใช้ในงานใกล้ชายฝั่งทะเล) หรือความชื้นทั่วไป ซึ่งการทดสอบที่นิยมใช้กัน คือ การทดสอบด้วยหมอกเกลือตามมาตรฐาน ASTM B117 ซึ่งมีรายละเอียด ดังนี้

การทดสอบการกัดกร่อนแบบต่อเนื่องด้วยหมอกเกลือ ได้นำมาประยุกต์ใช้ในการทดสอบการกัดกร่อนของวัสดุในราวปี ค.ศ. 1939 เมื่อสมาคมการทดสอบและวัสดุแห่งอเมริกา (ASTM) ได้จัดทำและพิมพ์เป็นมาตรฐานการทดสอบด้วยหมอกเกลือและกำหนดรหัสเป็น ASTM B117 ในช่วงเวลาต่อมามาตรฐานดังกล่าวได้ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายและเป็นสากลมากขึ้น และยังถูกนำไปประยุกต์เป็นมาตรฐานต่างๆ ขึ้นมา เช่น BSI ของอังกฤษหรือ DIN ของเยอรมนี เป็นต้น คำว่า “salt spray” “salt fog” หรือ “salt mist” เป็นคำที่สามารถใช้แทนกันได้ตามชนิดของการทดสอบ เช่นเดียวกับคำว่า chamber หรือ cabinet ที่ใช้เรียกชื่ออุปกรณ์ที่ใช้ในการทดสอบ

เครื่องทดสอบ cyclic corrosion test

เครื่องทดสอบด้วยหมอกเกลือที่รองรับ ASTM B117 และใกล้เคียง

การทดสอบด้วยหมอกเกลือ เป็นวิธีการทดสอบการกัดกร่อนแบบเร่งให้เกิดผล โดยมีจุดประสงค์ เพื่อประเมินความสามารถในการต้านทานต่อการกัดกร่อนของวัสดุ โดยการจำลองสภาวะการใช้งานจริงในภาคสนามมาทดสอบในห้องปฏิบัติการ ซึ่งเป็นวิธีการที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรสามารถพัฒนาผลิตภัณฑ์ตัวใหม่ได้ในระยะเวลาสั้น ยกตัวอย่างเช่น การพัฒนาผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าแผ่นเคลือบ การหาสารเคลือบผิวชนิดใหม่ หรือแม้กระทั่งสารทำความสะอาดผิวและสีทารองพื้น ที่นำมาใช้กับผลิตภัณฑ์เหล็กกล้าแผ่นที่ทาเคลือบผิวด้วยสีโลหะ เป็นต้น

สิ่งที่ผู้ทดสอบและผู้ใช้งานต้องการจากการทดสอบแบบเร่งให้เกิดผล คือ ได้ข้อมูลที่สามารถนำไปใช้ประโยชน์ โดยผลที่ได้จากการทดสอบมีความสัมพันธ์หรือใกล้เคียงกับสภาวะที่เกิดขึ้นจริงจากการใช้งาน ซึ่งในปัจจุบันนี้เราพบว่า ยังไม่มีใครที่ออกมาพิสูจน์ได้ว่าการทดสอบดังกล่าวเป็นทดสอบที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนจากบรรยากาศ (Atmospheric exposure) ชนิดใดชนิดหนึ่งได้เลย จึงทำให้นักวิจัยส่วนใหญ่พากันสรุปว่า การทดสอบด้วยหมอกเกลือให้ผลที่ไม่สัมพันธ์กับการกัดกร่อนจากบรรยากาศ และควรจะเป็นการทดสอบแบบต่อเนื่อง อย่างไรก็ตามการทดสอบดังกล่าวก็ยังนำมาใช้กันอยู่ โดยข้อมูลจากการทดสอบจะนำมาเขียนไว้ในแคตาลอก ที่เป็นข้อกำหนดของลูกค้าในตารางข้อมูลสินค้า โดยมักจะกำหนดเป็นอายุ (life) ของชนิดผิวเคลือบที่กำหนดให้ ข้อได้เปรียบของผลิตภัณฑ์สีเคลือบตัวใหม่ หรือข้อกำหนดที่ยอมรับได้จากลูกค้าโดยการทดสอบด้วยหมอกเกลือกับผลิตภัณฑ์ที่เป็นตัวเลือกอื่นๆ ดังนั้นจึงเป็นไปได้ยากที่จะยกเลิกการใช้มาตรฐานดังกล่าวในการทดสอบวัสดุ ในปัจจุบันได้มีข้อกำหนดเกิดขึ้นมากมายที่ลูกค้าต้องการให้มี เช่นการกำหนดจำนวนชั่วโมงที่ทำให้ชิ้นงานเกิดความเสียหาย (hours to failure) หลังการทดสอบด้วยหมอกเกลือ การพยายามที่จะยกเลิกการทดสอบเพื่อที่จะหาการทดสอบการกัดกร่อนแบบเร่งให้เกิดผลวิธีอื่น และได้รับการยอมรับจากนักสถาปัตย์ ผู้ที่เขียนข้อกำหนด ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ที่เป็นตัวเปรียบเทียบด้วยพฤติกรรมการกัดกร่อนค่อนข้างจะใช้เวลานาน จึงเป็นไปได้ยากที่นักวิจัยในปัจจุบันไม่ใช้ข้อมูลจากการทดสอบด้วยหมอกเกลือ เมื่อพวกเขาต้องการที่จะนำเสนอข้อมูลประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ตัวใหม่ เพื่อนำเสนอต่อลูกค้า นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมการทดสอบดังกล่าวพร้อมทั้งผลที่ได้จากการทดสอบได้รับการยอมรับจากลูกค้าต่างๆ ดังนั้นการทดสอบด้วยหมอกเกลือจึงเป็นการทดสอบเพื่อคัดเลือกผลิตภัณฑ์ได้เป็นอย่างดี เนื่องจากผลจากการทดสอบสามารถนำเสนอได้ในรูปของเวลา

ขั้นตอนการทดสอบด้วยหมอกเกลือ

การทดสอบด้วยหมอกเกลือมีขั้นตอน โดยการนำชิ้นงานทดสอบเข้าไปไว้ใน Chamber ที่ใช้ในการทดสอบ ซึ่งการออกแบบและการควบคุมเป็นไปตามย่อหน้าที่ 4 (paragraph4), apparatus, of ASTM B117 โดยใช้สารละลายเกลือที่มีความเข้มข้น 5% ซึ่งเตรียมโดยละลายสารโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) ในน้ำซึ่งเป็นไปตามมาตรฐาน ”ASTM D1193 specification for reagent water, type IV” และให้มีระบบไหลเข้าสู่ chamber ภายใน chamber นั้นก็จะมีการปรับสภาพภายในก่อนที่จะทำการทดสอบจริงก่อนโดยอุณหภูมิภายในประมาณ 35 องศาเซลเซียส และพ่นหมอกเกลือ 5% ด้วยอัตรา 12 มิลลิลิตรต่อชั่วโมง จะมีการสะสมหมอกเกลือที่ทำการพ่นให้อยู่ในอัตราอย่างน้อย 80 ลูกบาศก์เซนติเมตร ของ 2 กระบอกตวงภายใน chamber กระบอกแรกจะเก็บไว้ใกล้กับหัวฉีดพ่นไอเกลือและอีกกระบอกอยู่ไกลที่สุดจากกระบอกฉีด

เมื่อเงื่อนไขต่างๆ ข้างบนถูกต้องหมดแล้ว จะนำชิ้นงานตัวอย่างมาวางไว้ในตำแหน่งทำมุม 15-30 องศากับแนวตั้ง การจัดเรียงตัวจะดูตามการกลั่นตัวของหยดไอน้ำบนชิ้นงานและลดการเกิดเป็นแอ่งน้ำของหยดน้ำ หลีกเลี่ยงการมีปริมาณของชิ้นงานมากเกินไป สิ่งที่สำคัญคือการทำให้ไอน้ำเกลือไหลลงอย่างอิสระและเกิดทั่วผิวหน้าชิ้นงานอย่างเสมอ ชิ้นงานควรจะวางในตำแหน่งที่หยดน้ำจากชิ้นงานหนึ่งไม่สารถหยดลงบนอีกแผ่นหนึ่งได้ ระยะเวลาที่ใช้ในการทดสอบอยู่ในช่วงระหว่าง 24 ถึง 5,000 ชั่วโมง (ถ้าเป็นการทดสอบที่มีการดัดแปลงวิธีการทดสอบเช่นมีการทดสอบเป็นรอบๆ ชิ้นงานต้องสัมผัสกับไอเกลืออย่างน้อย 15 นาที) การทดสอบที่ชิ้นงานมีการหมุนและมีการตรวจสอบปริมาณน้ำเกลือที่สะสมในกระบอกเป็นรายวัน Cabinet จะต้องปิดตลอดเวลาที่ทำการทดสอบ

ในปี 1987 ได้มีการเพิ่ม Appendix x3 เข้าไปใน ASTM B117 เพื่อเป็นตัวตรวจสอบน้ำหนักที่หายไปของชิ้นงานหรือดูความรุนแรงของการกัดกร่อนของสารละลายเกลือภายใน chamber ขั้นตอนที่ใช้ในการตรวจสอบคือใช้ชิ้นงานเหล็กกล้าคาร์บอนที่ผ่านการรีดขึ้นรูปแบบเย็นเกรด SAE 1008 ขนาด 76*127*0.8 มม. นำมาทำความสะอาด ชั่งนำหนักและนำเข้าไปใน Chamber เมื่อเวลาที่สัมผัสกับไอเกลือ 48 96 หรือ 168 ชั่วโมง จึงนำชิ้นงานออกมา ทำความสะอาดและนำมาชั่งน้ำหนักอีกครั้ง เมื่อทำภายใต้สภาวะดังกล่าว จำนวนน้ำหนักที่หายไปสามารถใช้เป็นเครื่องมือในการตรวจสอบสภาพการกัดกร่อนภายใน chamber ได้ ความถี่ที่จะใช้ในการตรวจสอบสภาพการกัดกร่อนภายในขึ้นอยู่กับวิจารณญาณของผู้ใช้ แต่ในทางปฏิบัติการทั่วไปแนะนำให้ทำการตรวจสอบเป็นรายเดือน หรือเมื่อไรก็ตามที่มีการเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นที่มีผลต่อ cabinet เช่นการเปลี่ยนแปลงตำแหน่ง ชนิดของเกลือ น้ำ หรือผู้ทำการทดสอบ เป็นต้น

ตัวอย่างการวางชิ้นทดสอบ (แท่งเหล็กกล้าไร้สนิม) ไว้ใน chamber

เนื่องจากเป็นวิธีการที่ใช้อย่างแพร่หลายและใช้เวลานาน การทดสอบการพ่นด้วยไอเกลือแบบต่อเนื่องจะเป็นวิธีการที่เหมาะมากเพื่อใช้ในการเปรียบเทียบวัสดุ ซึ่งเรารู้จักกันดีในนามการจัดอันดับ (Ranking) การทดสอบแบบนี้จุดประสงค์เพื่อใช้ในเปรียบเทียบอัตราการกัดกร่อนจริงกับอัตราการกัดกร่อนที่คาดหวังที่อยู่บนพื้นฐานประสบการณ์ก่อนหน้านี้ คือสภาวการณ์ที่ใช้งานจริง จากเหตุผลนี้เองที่การทดสอบด้วยหมอกเกลือแบบต่อเนื่องนำมาใช้ในการตรวจสอบคุณภาพเพื่อทำหน้าที่ในการตรวจจับกระบวนการผลิตว่าจะผ่านหรือไม่ผ่าน ก่อนที่จะทำการพัฒนาหรือปรับปรุงกระบวนการผลิตใหม่ต่อไป

ยกตัวอย่างเช่น โรงงานผลิต Fastener สำหรับอุตสาหกรรมอากาศยานต้องการทดสอบประสิทธิภาพของชิ้นส่วนเหล่านั้นโดยการทดสอบด้วยหมอกเกลือเป็นเวลานานกว่า 100 ชั่วโมงภายใต้มาตรฐาน ASTM B117 เพื่อประเมินว่ากระบวนการชุบเคลือบ anodizing อยู่ในขอบเขตที่ยอมรับได้หรือไม่

โรงงานผู้ผลิตชิ้นส่วนยานยนต์ก็มีการทดสอบคล้ายๆ กันโดยเฉพาะชิ้นงานจำพวกที่ผ่านการเคลือบผิวหรือทาสี สภาวะที่ใช้ในการทดสอบโดยทั่วไปจะดูผลกระทบของสภาวะแวดล้อมการใช้งานจริงของรถยนต์ ที่จะเป็นเครื่องชี้ให้เห็นผลที่เกิดจากการกัดกร่อนที่คล้ายกับสภาวะการใช้งานจริงของชิ้นส่วนนั้นๆ

ในกรณีที่การทดสอบได้แสดงให้เห็นถึงหรือใกล้เคียงกับสภาวะการใช้งานจริงเป็นไปได้ ผู้ผลิตผลิตภัณฑ์โดยส่วนใหญ่ที่ทำการทดสอยด้วยวิธีนี้ จะทำการทดสอบชิ้นส่วนที่ใช้งานจริงหรือส่วนใดส่วนหนึ่งของชิ้นงานมากกว่าที่จะเป็นการทดสอบที่ได้ผลไม่ตรงกับความต้องการหรือไม่ใกล้เคียงกับการใช้งานจริง อย่างไรก็ตามการทดสอบชิ้นงานหรือส่วนที่ใช้งานจริง จะแสดงให้เห็นถึงความท้าทายบางอย่างในรูปที่ว่ามันจะสนับสนุนชิ้นส่วนเหล้านั้นระหว่างการทดสอบได้อย่างไร

จุดอ่อนอย่างมากของการทดสอบด้วยหมอกเกลือแบบต่อเนื่องคือแม้จะมีความพยายามจากผู้ผลิตและเข้มงวดอย่างมากสำหรับขั้นตอนการทดสอบ การที่จะระบุว่าผ่านหรือไม่ผ่านของการทดสอบจะไม่ค่อยตรงตามโลกแห่งความเป็นจริงเท่าใดนัก นี่ไม่ต้องประหลาดใจเมื่อมันสามารถประยุกต์ใช้ได้กับสถานที่บางแงในโลกนี้ที่สัมผัสอยู่กับสภาวะไอเกลือแบบต่อเนื่องที่ความเข้มข้น 5 % อุณหภูมิ 35 องศาเซลเซียส ตามมาตรฐาน ASTM B117 และตั้งเป็นมาตรฐานนานาชาติ การกัดกร่อนทางเคมีมีความสลับซับซ้อนมากกว่าที่ปรากฏอยู่ในการทดสอบนี้และผลความแตกต่างของสภาพแวดล้อมอาจจะไปมีผลกระทบต่ออัตราการกัดกร่อนมากกว่าสภาวะแวดล้อมที่มีสิ่งแวดล้อมเพียงอย่างเดียว การแข่งขันเรื่องราคาอย่างเข้มแข็งทำให้เกิดความกดดันเหมือนกันเพื่อให้ผลิตภัณฑ์สามารถปรับปรุง พัฒนามาตรฐานให้สามารถแข่งขันกับตลาดได้

ยกตัวอย่างเช่น เป็นไปได้ว่าชิ้นงานที่ผ่านการเคลือบอาจจะผ่านการทดสอบด้วยหมอกเกลือทั้งๆ ที่ค่าใช้จ่ายในการผลิตต่ำ และอาจจะมีอายุการใช้งานได้นาน ในทางตรงกันข้ามชิ้นงานที่ผ่านการเคลือบผิวและผ่านการทดสอบด้วยหมอกเกลือแบบต่อเนื่อง อาจจะเกิดความเสียหายก่อนอายุที่กำหนด เมื่อมีผลของสภาวะแวดล้อมเข้ามาเกี่ยวข้อง ดังนั้นจึงอาจจะยากในการรับประกันคุณภาพของสินค้า

ด้วยเหตุผลดังกล่าวที่ผ่านมา การทดสอบแบบเร่งให้เกิดผลด้วยหมอกเกลือเป็นที่นิยมใช้กันอย่างกว้างขวางในปัจจุบัน การทดสอบแบบดังกล่าวต้องยอมรับว่าการทดสอบการกัดกร่อนแบบเป็นคาบจะให้ผลที่ชัดเจนเมื่อเทียบกับสภาวะการใช้งานจริง การทดสอบแบบคาบเป็นที่นิยมใช้กันในผู้ผลิตชั้นนำที่สนใจผลตอบแทนหรือผลทางด้านเศรษฐศาสตร์ที่ได้จากการทดสอบ และยังนำไปสู่การวิจัยเพื่อพัฒนาและปรับปรุงผลิตภัณฑ์ของวัสดุเพื่อให้มีความต้านทานต่อการกัดกร่อนได้ดี ดังนั้นการที่การทดสอบดังกล่าวได้รับการยอมรับจากผู้ผลิตรายใหญ่เพื่อการควบคุมคุณภาพโดยใช้มาตรฐาน ASTM B117 และมาตรฐานที่คล้ายคลึงกันอื่นๆ จึงทำให้เป็นที่มั่นใจได้ว่าการทดสอบด้วยหมอกเกลือยังเป็นเครื่องมือที่สำคัญในการพัฒนาผลิตภัณฑ์ทั้งวัสดุและสารเคลือบให้มีความสามารถในการต้านทานการกัดกร่อนได้ดียิ่งๆ ขึ้นไปในอนาคต

คำปรารภของ Robert Baboian: ได้กล่าวว่า
“การทดสอบด้วยหมอกเกลือนั้น ถ้านำมาใช้อย่างเหมาะสมแล้วจะเป็นวิธีการทดสอบการกัดกร่อนชนิดหนึ่งที่ให้คุณค่าอย่างมหาศาล โดยเฉพาะคุณค่าทางด้านการควบคุมคุณภาพและเปรียบเทียบพฤติกรรมของวัสดุตลอดอายุการใช้งาน ไม่ว่าจะเป็นชิ้นส่วนยานยนต์ อากาศยานและอุตสาหกรรมทั่วไป การขนส่งและโครงสร้าง ซึ่งเราพบว่าการทาสีเคลือบผิวได้นำมาใช้ในทุกอุตสาหกรรม”

“การทดสอบได้นำมาใช้อย่างกว้างขวางสำหรับผิวเคลือบสี ซึ่งถ้านำมาใช้อย่างเหมาะสมในการควบคุมคุณภาพหรือเปรียบเทียบพฤติกรรมของวัสดุ จะเกิดประโยชน์อย่างมหาศาล ยกตัวอย่าง เช่น การทดสอบแบบคาบที่ใช้กันทุกวันนี้ในอุตสาหกรรมต่างๆ นั้นจะตกลงกันใช้มาตรฐาน B 117 การทดสอบนี้ให้คุณค่าอย่างมากมาย เนื่องจากเป็นการจำลองการทดสอบที่มีความใกล้เคียงกับสภาวะการใช้งานจริง”

แต่ถึงกระนั้นก็ยังเกิดปัญหาขึ้นกับ ASTM B117 เช่นกัน โดยเฉพาะการพยายามที่จะคัดเลือกหรือจัดอันดับประสิทธิภาพด้านการต้านทานการกัดกร่อนของชิ้นส่วนยานยนต์ มีหลายกรณีการศึกษาที่ได้ทดสอบมาและมีการสรุปว่าการทดสอบด้วยมาตรฐาน ASTM B117 ไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่ดีในการทดสอบกับชิ้นงานอะลูมิเนียมผสมเคลือบผิว หรือล้มเหลวในการที่จะทำนายอิทธิพลของส่วนผสมทางเคมีของผิวเคลือบด้วยอะลูมิเนียม-สังกะสีบนชิ้นงานเหล็กกล้าแผ่นรีดเย็น เป็นต้น

เหตุผลที่การทดสอบตามมาตรฐาน ASTM B117 ไม่มีความแม่นยำในการจำลองประสิทธิภาพด้านการกัดกร่อนของชิ้นส่วนยานยนต์นั้น เนื่องจากว่าเงื่อนไขหรือตัวแปรต่างๆ ไม่ตรงตามสภาวะการใช้งานจริงอย่างแท้จริง เหตุผลอีกอย่างหนึ่งคือชิ้นส่วนที่ทดสอบด้วยหมอกเกลือมีการสัมผัสกับสารละลายและเปียกอย่างต่อเนื่อง ขณะที่ความเป็นจริงนั้นชิ้นส่วนเหล่านั้นอยู่ภายใต้สภาวะที่เปียกชื้นบ้างแห้งบ้างสลับกันไป นอกจากนั้นเรายังพบว่าความเข้มข้นของเกลือในการทดสอบด้วยหมอกเกลือและในสภาวะการใช้งานจริงนั้น มีความแตกต่างกัน คือการทดสอบจะใช้สารละลายที่มีความเข้มข้นของเกลือสูง (โดยปกติประมาณ 5%) ซึ่งพบว่ามีความเข้มข้นที่สูงกว่าในสภาวะแวดล้อมของการใช้งานจริงมาก และความแตกต่างของอุณหภูมิที่มีความแตกต่างกันแล้วแต่สถานที่และเวลา จึงทำให้การทดสอบด้วยหมอกเกลือมีกลไกของการกัดกร่อนที่ต่างจากความเป็นจริง แต่ถ้าจะทำการทดสอบภาคสนามโดยตรงจะมีค่าใช้จ่ายที่สูงมากรวมทั้งระยะเวลาที่ค่อนข้างนาน แต่ก็มีวิธีการแก้ปัญหาสำหรับวิศวกรในการทดสอบชิ้นส่วนยานยนต์ โดยจะใช้มาตรฐาน SAE J2334 แทน ซึ่งให้ผลการทดสอบที่ดี แต่กระผมจะไม่ขอกล่าวในที่นี้ แต่ถ้าท่านใดสนใจก็สามารถศึกษาได้จากเอกสารอ้างอิง

มีหลายท่านสอบว่าจากมาตรฐาน ASTM B117  เราจะเปรียบเทียบอายุการใช้งานของชิ้นงานทดสอบได้อย่างไรครับ

ลองพิจารณาจากภาพประกอบด้านล่างนะครับ

ยกตัวอย่างเช่น ถ้าผ่านการทดสอบ salt spray เป็นเวลา 120 ชม โดยชั้นเคลือบไม่เกิดการกัดกร่อนแสดงว่าน่าจะสามารถใช้งานในสิ่งแวดล้อมที่เป็นบรรยากาศทั่วไปได้ 5-15 ปี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับความรุนแรงของสิ่งแวดล้อมด้วยครับ

เอกสารอ้างอิง

ASTM B117-97 Standard practice for operating salt spray (FOG) apparatus, annual book of ASTM standard, Vol. 03.02 Wear and Erosion; metal corrosion. 2001