การกัดกร่อนของโลหะอะลูมิเนียมผสม (Corrosion of Aluminum Alloys)

โลหะผสมอะลูมิเนียมเป็นวัสดุที่นิยมใช้กันมากในโครงสร้างทั่วไป ประเด็นสำคัญเนื่องจากมีค่าสัดส่วนของค่าความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูง เช่นอุตสาหกรรมที่เกี่ยวกับการขนส่ง ยานยนต์ เป็นต้น โดยธรรมชาติแล้วอะลูมิเนียมสามารถสร้างฟิล์มขึ้นมาปกป้องตัวมันเองจากการถูกกัดกร่อนได้ แต่ถ้าสัมผัสอยู่กับสภาวะแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ก็สามารถนำไปสู่ความเสียหายได้ ซึ่งถ้ามีการประกอบติดตั้งที่ดีและถูกหลักการ โครงสร้างอะลูมิเนียมเหล่านั้นก็จะมีอายุการใช้งานนานขึ้น จุดประสงค์ของบทความนี้เพื่อให้มองเห็นภาพของกลไกการกัดกร่อนของโลหะอลูมิเนียมผสม เชิญติดตามได้ครับ……

การเกิดฟิล์มป้องกันการกัดกร่อนของอะลูมิเนียม

จากข้อมูลทางเทอร์โมไดนามิกส์ชี้ให้เห็นว่าอะลูมิเนียมค่อนข้างจะเกิดการกัดกร่อนได้ง่ายเมื่อเทียบกับโลหะชนิดอื่นๆ อย่างไรก็ตามในสภาวะแวดล้อมที่มีออกซิเจนเป็นองค์ประกอบ เช่นในอากาศหรือในน้ำ อะลูมิเนียมสามารถสร้างฟิล์มที่มีความหนาแน่นขึ้นมาปกคลุมที่ผิวหน้าอย่างรวดเร็ว [1] ความหนาของฟิล์มที่เกิดขึ้นจะขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ ได้แก่ อุณหภูมิ สิ่งแวดล้อมและธาตุผสม ฟิล์มของออกไซด์ที่เกิดขึ้นในอากาศที่อุณหภูมิห้องมีความหนาประมาณ 2-3 นาโนเมตรบนผิวอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ นอกจากนั้นยังพบว่าการเผาไปที่อุณหภูมิ 425 องศาเซลเซียส อาจจะได้ฟิล์มที่มีความหนามากกว่า 20 นาโนเมตร [2] ถ้าฟิล์มของออกไซด์เกิดความเสียหาย เช่นโดยการขีดข่วน จะพบว่ามีฟิล์มเกิดขึ้นทดแทนใหม่อย่างรวดเร็ว [3] ดังนั้นอะลูมิเนียมจึงมีความสามารถในการป้องกันการกัดกร่อนได้ดี

กลไกการกัดกร่อน

ความไม่เสถียรภาพของออกไซด์

ปัจจัยต่างๆ เหล่านี้จะมีผลต่อความมีเสถียรภาพของอะลูมิเนียมออกไซด์และนำไปสู่การเกิดการกัดกร่อน

- ฟิล์มของออกไซด์จะไม่เสถียรเมื่ออยู่ในสภาวะแวดล้อมที่เป็นกรด (pH ~ 4) หรืออัลคาไลน์ (pH ~ 9)

- ไอออนที่มีฤทธิ์กัดเซาะทำลาย (คลอไรด์ ฟลูออไรด์) จะกัดเซาะทำลายฟิล์มเป็นจุดๆ

- ธาตุบางชนิด (Ga, Ti, In, Sn, Pb) ที่เป็นองค์ประกอบที่อยู่ในฟิล์มของออกไซด์จะทำให้ความมีเสถียรภาพของฟิล์มของออกไซด์ลดลง


การเกิด Microgalvanic

โลหะผสมทางการค้าส่วนใหญ่จะมีองค์ประกอบของโครงสร้างที่เป็น intermetallic phase อยู่ภายในโครงสร้างพื้น (matrix) โดยการศึกษาพบว่าการกัดกร่อนของโลหะอะลูมิเนียมผสมมีปัจจัยสำคัญหลักๆ คือ กระบวนการเกิด microgalvanic ระหว่าง intermetallic phase กับโลหะพื้น (matrix) [4] โดย intermetallic phase จะแสดงตัวเป็นขั้วแคโทด (local cathode) เนื่องจากมีเหล็กผสมอยู่ด้วย โครงสร้างพื้นที่อยู่รอบๆ ซึ่งเป็นอะลูมิเนียมจะเกิดการกัดกร่อนขึ้น (localized attack) ปรากฏการณ์ที่จะเกิดขึ้นต่อไปนี้จึงมีความสำคัญมาก

- เฟสที่ active กว่าจะเกิดการกัดกร่อน

- โดยเฟสที่เกิดการกัดกร่อนจะแสดงตัวเป็นผู้เสียสละ (sacrificial) และทำหน้าเป็นตัวป้องกันการกัดกร่อน (cathodic protection) วัสดุที่อยู่รอบๆ

- เนื่องจากการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้าตรงบริเวณที่เกิดการกัดกร่อนและวัสดุที่แสดงตัวเป็นขั้วแคโทด ทำให้องค์ประกอบทางเคมีและค่า pH ของสารอิเล็กโตรไลต์ บริเวณรอยต่อของบริเวณที่เกิดปฏิกิริยาดังกล่าวจะแตกต่างจาก อิเล็กโตรไลต์ของบริเวณทั่วไป

- ส่วนประกอบที่มีความไวต่อการกัดกร่อนของโลหะผสมในโครงสร้างพื้น และ intermetallic phase จะมีการกัดกร่อนเกิดขึ้นที่เรียกว่าการสูญเสียธาตุบางตัว (dealloying) เป็นผลทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสมบัติด้านการกัดกร่อน

- อัตราส่วนของพื้นที่ระหว่างแคโทดกับแอโนดก็มีความสำคัญเช่นกันโดยพบว่าถ้าพื้นที่แอโนดมีขนาดเล็กแต่พื้นที่ของแคโทดมีขนาดใหญ่ การกัดกร่อนจะเกิดขึ้นในอัตราที่สูง

ภาพที่ 1 การเกิด pitting corrosion บน aluminum alloys [3]

การเกิด pitting

เป็นการกัดกร่อนเฉพาะที่ในสภาวะแวดล้อมที่มีไอออนของคลอไรด์เป็นองค์ประกอบโดย ร่อง หลุม (pits) จะเริ่มเกิดขึ้นบริเวณที่มีความอ่อนแอของฟิล์มของออกไซด์โดยการกัดเซาะทำลายของคลอรีน [4, 5] ร่อง หลุม (pits) จะเกิดขึ้นและขยายตัวตามปฏิกิริยาดังนี้

Al = Al 3+ + 3e- (1)

Al3+ + 3H2O = Al (OH)3 + 3H+ (2)

การเกิดขึ้นของไอออนของไฮโดรเจนและ oxygen reduction จะเป็นกระบวน reduction ที่สำคัญที่เฟสของ intermetallic ที่เป็นแคโทด (ดูได้จากภาพที่ 1)

2H+ + 2e- = H2 (3)

O2 + 2H2O + 4e- = 4OH- (4)

เมื่อมีร่อง หลุม (pits) เกิดขึ้นทำให้สภาวะภายในหลุมกลายเป็นแอโนด ตามปฏิกิริยาที่ 2 จะเห็นว่าค่า pH ลดลง เพื่อให้เกิดความสมดุลระหว่างประจุบวกกับประจุลบที่ได้จากปฏิกิริยา 1 กับ 2 คลอไรด์ไอออนจะเคลื่อนที่เข้าไปอยู่ในร่อง หลุม (pits) ทำให้กลายเป็นกรดไฮโดรคลอริก (HCl) ภายในหลุมและเร่งให้เกิดการกัดกร่อนแบบเฉพาะที่ให้สูงขึ้น

ปฏิกิริยา reduction จะเกิดขึ้นแบบเฉพาะที่ซึ่งเรียกว่า localized alkalinisation รอบๆ อนุภาคที่แสดงตัวเป็นแคโทด จากที่ทราบก่อนหน้านี้ว่าอะลูมิเนียมออกไซด์จะไม่เสถียรในสภาวะแวดล้อมที่กล่าวมาและอะลูมิเนียมรอบๆ อนุภาคจะสลายตัวกลายเป็น alkaline pits และอะลูมิเนียมที่เป็นองค์ประกอบของอนุภาคซึ่งจะ active เกิดการสลายตัวแบบเลือกเฉพาะ (selective) เช่นกัน ดังนั้นการมีเหล็กที่ผิวของอนุภาคเยอะๆ จะเพิ่มความเป็นแคโทด การสัมผัสกับกรดของ aluminum matrix รอบๆ อนุภาคอาจจะทำให้อนุภาคหลุดออกมาได้ และอาจทำให้เกิดฟิล์มเคลือบร่องหรือหลุมอัลคาไลน์ (alkaline pits) ได้อีกครั้งหนึ่ง ปรากฏการณ์นี้อาจจะทำให้ลดความรุนแรงของการกัดกร่อนภายในร่อง หลุม (acidic pit) และนำไปสู่การเกิดฟิล์มเคลือบซ้ำ (repassivation) ในระยะยาวได้ ภาพที่ 2 แสดงการเกิด pitting บน AlMgSi

ภาพที่ 2 ภาคตัดขวางของการเกิด pitting corrosion ของอะลูมิเนียมผสมเกรด AA6082 หลังจากสัมผัสอยู่ในน้ำทะเลเป็นเวลา 6 เดือน จุดสีดำๆ ที่เห็นคือ intermetallic particles



การกัดกร่อนตามขอบเกรน (intergranular corrosion)

การกัดกร่อนตามขอบเกรนเป็นการกัดกร่อนเฉพาะที่โดยเลือกเกิดบริเวณขอบเกรนในขณะที่เนื้อเกรนภายในไม่ถูกทำลาย [7] เราพบว่าการกัดกร่อนตามขอบเกรนเกิดจากการกระทำของ microgalvanic cell ที่บริเวณขอบเกรน ความไวต่อการเกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรนจะขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ ได้แก่ส่วนผสมทางเคมีของโลหะและกระบวนการทาง thermomechanical

ขอบเกรนจะเป็นบริเวณสำหรับการตกผลึก (precipitation) และการแยกตัวตกผลึก (segregation) ที่จะทำให้สมบัติทางกายภาพและทางเคมีของขอบเกรนต่างจากโลหะพื้น การตกผลึกของธาตุที่มีความเสถียร (noble particle) บริเวณขอบเกรนจะทำให้เกิดการแยกตัวออกเป็นบริเวณที่แสดงตัวเป็นแอโนดและแคโทด และบริเวณที่เกิดการตกผลึกนี้จะกลายเป็นบริเวณที่ง่ายต่อการกัดกร่อน (active site) และที่สามารถเกิดขึ้นได้อีกเช่นกันคือการตกผลึกของอนุภาคที่ไม่เสถียร (active particle) บริเวณขอบเกรน จะทำให้บริเวณที่อยู่ติดกันกลายเป็นแคโทดหรือมีความเสถียร ซึ่งทั้ง 2 กรณีได้แสดงไว้ในภาพที่ 3
 

ภาพที่ 3 กลไกการกัดกร่อนตามขอบเกรนที่ต่างกัน 2 แบบ

จากข้อความเบื้องต้นท่านจะเห็นว่าอะลูมิเนียมสามารถสร้างฟิล์มขึ้นมาปกป้องตัวเองจากการกัดกร่อนได้โดยธรรมชาติ ความหนาของชิ้นฟิล์มแตกต่างกันไปตามกรรมวิธี แต่ถ้านำไปใช้งานในสภาวะที่ไม่เหมาะสมก็สามารถทำลายเสถียรภาพของชั้นฟิล์มได้ ยกตัวอย่างเช่นสภาวะแวดล้อมที่เป็นกรดหรือเป็นด่างมากไป มีไอออนที่สามารถทำลายฟิล์มได้และอิทธิพลของธาตุบางตัวที่เป็นองค์ประกอบของฟิล์ม การเกิดการกัดกร่อนเริ่มตั้งแต่ความแตกต่างของโครงสร้างภายใน ที่มีองค์ประกอบทางเคมีต่างกัน จนนำไปสู่ปัญหาการกัดกร่อนที่เรียกว่า “Micro-galvanic corrosion” และการกัดกร่อนชนิดที่ตรวจพบกันบ่อยคือ pitting และ intergranular ดังนั้นการนำโลหะอลูมิเนียมผสมไปใช้งานควรจะศึกษารายละเอียดก่อนว่าสามารถใช้งานในสภาวะนั้นๆ ได้หรือเปล่า และเลือกเกรดของโลหะให้เหมาะสม


เอกสารอ้างอิง

1. Pourbaix, M., Atlas of electrochemical equilibria in aqueous solutions, NACE Cebelcor, Huston,1974.

2. Shimizu, K.; Furneaux, R. C.; Thompson, G. E.; Wood, G. C.; Gotoh, A. and Kobayashi, K., On the nature of “easy paths” for the diffusion of oxygen in thermal oxide films on aluminium, Oxidation of aluminium, 35 (5/6):427-439, 1991.

3. Davis, J. R. et. al, editor, Metals Handbook, volume 13, pages 104-122 and 583-609. ninth edition, ASM International, Ohio, 1987.

4. Nisancioglu, K., Corrosion of aluminium alloys. Proceedings of ICAA3, volume 3, pages 239-259. Trondheim, 1992. NTH and SINTEF.

5. Scamans, G. M.; Hunter, J. A.; Holroyd, N. J. H.. Corrosion of Aluminum - a New Approach, Proceedings of 8th International Light Metals Congress, pages 699-705. Leoben-Wien, 1987.

6. Shreir, L. L., editor, Corrosion, volume 1, pages 1:1-1:51, 1:131-1:191 and 4:1-4:32. Newnes-Butterworths, London, 1979.

7. Hatch, J. E., editor. Aluminium - Properties and physical metallurgy, pages 242-264. ASM, Ohio, 1984.