การกัดกร่อนแบบกัลวานิก (Galvanic Corrosion)

การกัดกร่อนแบบกัลวานิกเป็นรูปแบบหนึ่งของการกัดกร่อนที่เกิดขึ้นเมื่อมีวัสดุที่ต่างกัน 2 ชนิด (เช่น เหล็กกล้าไร้สนิมและแมกนีเซียม) มาเชื่อมทางไฟฟ้าต่อกัน หรือสัมผัสกันทางกายภาพ หรือสัมผัสกับสารละลายที่นำไฟฟ้า เช่น อิเล็กโทรไลต์ เมื่อครบองค์ประกอบดังกล่าวจะเกิดการสร้างเซลล์ทางเคมีไฟฟ้า (electrochemical cell) ส่งผลให้วัสดุที่มีศักย์ทางไฟฟ้าต่ำกว่าจะแสดงตัวเป็นขั้วอาโนด (anode) มีอัตราการเกิดออกซิเดชันเพิ่มขึ้น ในขณะที่วัสดุที่มีศักย์ทางไฟฟ้าสูงกว่าซึ่งแสดงตัวเป็นขั้วคาโธด (cathode) จะมีความต้านทานการกัดกร่อนดังแสดงตัวอย่างในรูปที่ 1 ในขณะที่ตัวอย่างการกัดกร่อนแบบกัลวานิกที่เกิดขึ้นจริงแสดงในรูปที่ 2 ซึ่งส่วนใหญ่มักจะสังเกตเห็นได้ในบริเวณที่วัสดุต่างชนิดกันสัมผัสกัน เนื่องจากกระบวนการดังกล่าวเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าและความแตกต่างของโลหะ จึงมีการเรียกการกัดกร่อนแบบนี้ว่า Galvanic Corrosion หรือ Two-metal Corrosion

รูปที่ 1 ลักษณะการกัดกร่อนแบบกัลวานิก

รูปที่ 2 ตัวอย่างการกัดกร่อนแบบกัลวานิกโดยการยึดติดแผ่นเหล็กกล้าไร้สนิมกับเหล็กกล้าคาร์บอน

มีปัจจัยหลายอย่างที่ส่งผลกระทบต่อการเกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกรวมทั้งอัตราในการเกิด ได้แก่

ความต่างศักย์ทางไฟฟ้าของของโลหะแต่ละชนิด

จากอนุกรมกัลวานิก (ดูรูปที่ 3) จะเห็นว่าถ้าโลหะที่มาสัมผัสกันมีค่าศักย์ไฟฟ้าที่ต่างกันมาก (ห่างกันมาก) จะมีความรุนแรงของการกัดกร่อนมากตามไปด้วย ยกตัวอย่างเช่น ไทเทเนียม (Titanium) สัมผัสกับสังกะสี (Zinc) จะพบว่าสังกะสีถูกกัดกร่อนดังรูปที่ 4 และจะมีความรุนแรงมากกว่าเมื่อเปรียบเทียบระหว่างระบบที่มีไทเทเนียมสัมผัสกับทองแดง (Copper) เป็นต้น

รูปที่ 3 แผนภาพแสดงอนุกรมกัลวานิกโดยธาตุที่อยู่ด้านบนจะมีความเสถียร (กัดกร่อนได้ยาก) กว่าที่อยู่ด้านล่างของตาราง

รูปที่ 4 ระบบที่เชื่อมต่อทางไฟฟ้าระหว่างแพลตินัมกับสังกะสี

อิทธิพลของพื้นที่

ถ้าโลหะ 2 ชนิดที่สัมผัสมีสัดส่วนพื้นที่ที่เป็นคาโธด (เสถียรกว่า) มากกว่าแอโนด (กัดกร่อนง่ายกว่า) ยิ่งมากเท่าใด อัตราการกัดกร่อนจะยิ่งมากขึ้นเท่านั้นยกตัวอย่างดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 ลักษณะการกัดกร่อนที่มีอิทธิพลของสัดส่วนพื้นที่คาโธดและและอาโนดมาเกี่ยวข้อง

ตัวอย่างอิทธิพลของพื้นที่ เช่น ถังบรรจุที่นำแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนมาเชื่อมกับเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด AISI 304 เพื่อลดค่าใช้จ่าย เนื่องจากเหล็กกล้าไร้สนิมมีราคาแพงมาก แต่เนื่องจากวัสดุต่างกัน เจ้าของคาดว่าต้องเกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกแน่นอนเมื่อนำไปใช้งาน เพราะต้องมีสารละลายแช่ขังภายใน เมื่อเชื่อมเสร็จเขาได้ทาสีเฉพาะส่วนที่เป็นเหล็กกล้า แต่เนื่องจากฝีมือในการทาสีบวกกับคุณภาพของสี ทำให้ได้ชั้นเคลือบที่มีรูพรุนขนาดเล็ก และเป็นที่ทราบกันดีว่าชั้นเคลือบทุกชนิดมักมีจุดบกพร่องในรูปของรุพรุนขนาดเล็กและการเสียหายทางกล เช่น มีรอยแตกร้าว มีรอยขีดข่วน เป็นต้น ดังนั้น การกัดกร่อนแบบกัลวานิกและการสลายตัวของขั้วอาโนดจึงได้เกิดขึ้นกับเหล็กกล้าคาร์บอนในบริเวณที่มีจุดบกพร่องของชั้นเคลือบ และการรั่วทะลุจะเกิดในอัตราเร็วมากจากอิทธิพลของสัดส่วนของผิวที่มีคาโธด (เหล็กกล้าไร้สนิม) ใหญ่แต่มีอาโนด (เหล็กกล้า) เล็กดังรูปที่ 6

รูปที่ 6 การกัดกร่อนของถังบรรจุสารละลาย

รูปร่างของระบบ (system geometry) และสิ่งแวดล้อมที่ระบบนั้นสัมผัสอยู่

ตัวอย่างอิทธิพลของค่าความนำไฟฟ้าของสารละลายที่มีต่อการกัดกร่อนแบบกัลวานิกแสดงในรูปที่ 7-8 จากรูปจะเห็นว่าถ้าสารละลายมีค่าความนำไฟฟ้าสูง การกัดกร่อนจะเกิดขึ้นกับโลหะที่เสถียรน้อยกว่าในบริเวณกว้าง

รูปที่ 7 การกัดกร่อนของระบบที่จุ่มแช่ในสารละลายมีความนำไฟฟ้าสูง

รูปที่ 8 การกัดกร่อนของระบบที่จุ่มแช่ในสารละลายที่มีความไฟฟ้าต่ำ

โดยส่วนใหญ่แล้ว การกัดกร่อนแบบกัลวานิกสามารถป้องกันได้ง่าย โดยการเลือกวัสดุที่เหมาะสมตั้งแต่ในระหว่างการออกแบบระบบ โดยพิจารณาจากค่าความต่างศักย์ของโลหะแต่ละชนิด นอกจากนี้ การป้องกันด้วยวิธีคาโธดิก (cathodic protection) การใช้ฉนวนกั้นระหว่างโลหะ 2 ชนิด (ดังรูปที่ 9) หรือการเคลือบสามารถป้องกันการกัดกร่อนแบบกัลวานิกได้ วิศวกรออกแบบจะต้องทราบถึงความเป็นไปได้ของการกัดกร่อนแบบกัลวานิกตั้งแต่การระบุรายละเอียดของวัสดุที่จะนำไปใช้ในเครื่องจักร บางครั้งอาจ ใช้วัสดุต่างชนิดกันมาเชื่อมกันโดยเฉพาะโละที่มีค่าความต่างศักย์กันมากเพื่อลดค่าใช้จ่ายควรระมัดระวังให้ดี ความต่างศักย์ที่เกิดจากเซลกัลวานิก (Galvanic Cell) สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามเวลา เนื่องจากผลิตภัณฑ์การกัดกร่อนที่สะสมอยู่ที่ขั้วคาโธดหรืออาโนดจะทำให้อัตราการกัดกร่อนลดลง

รูปที่ 9 การใช้ปะเก็นเพื่อไม่ให้สัมผัสกันโดยตรงของโลหะ 2 ชนิด

สำหรับการเคลือบนั้นอาจส่งที่รุนแรงมากกว่าการไม่เคลือบได้ โดยเฉพาะในกรณีการเคลือบด้วยวัสดุที่เสถียรกว่า เช่น การเคลือบดีบุกบนแผ่นเหล็กกล้าหรือวัสดุที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น พอลิเมอร์ แลกเกอร์หรือการทาสี ถ้าผิวที่ผ่านการเคลือบมีจุดบกพร่อง เช่น มีรูพรุน มีรอยแตก (ทำให้สัดส่วนพื้นที่ระหว่างคาโธดคือสารเคลือบกับโลหะพื้นต่างกันมาก) การกัดกร่อนก็จะเกิดขึ้นอย่างรุนแรงกับระบบนั้นๆ ซึ่งการเคลือบดังกล่าวจะต่างจากการเคลือบด้วยโลหะที่เสถียรน้อยกว่า ยกตัวอย่าง เช่น การเคลือบสังกะสีบนเหล็กกล้า (galvanized steel) การกัดกร่อนบนโลหะพื้นจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อสังกะสีหลุดหายไปหมดก่อน ซึ่งแสดงภาพประกอบในรูปที่ 10 หลักการดังกล่าวมักนำมาประยุกต์เป็นวัสดุกันกร่อนในโครงสร้าง เช่น การติดตั้งสังกะสีหรือะลูมิเนียมในโครงสร้างเรือหรือสะพานเหล็ก เป็นต้น ดังนั้นสิ่งที่น่าคิดอีกอย่างหนึ่งคือการโฆษณาเกี่ยวการเคลือบแลกเกอร์รถยนต์ ลองนึกดูว่าถ้ารอยต่อ เช่น บริเวณนอตหรือซอกต่างๆ ภายใต้ท้องรถ ถ้าแลกเกอร์ซึมเข้าไม่ถึงจะเกิดอะไรขึ้น

รูปที่ 10 ตัวอย่างเคลือบด้วยวัสดุที่เสถียรกว่า (ซ้าย) และวัสดุที่เสถียรน้อยกว่า (ขวา)

การป้องกัน

วิธีการลดหรือป้องกันการกัดกร่อนแบบกัลวานิกมีหลายวิธีดังนี้
1. เลือกใช้วัสดุที่มีค่าตามอนุกรมกัลวานิกใกล้เคียงกันเท่าที่เป็นไปได้
2. หลีกเลี่ยงอัตราส่วนของพื้นที่คาโธด/อาโนด และปรับให้พื้นที่ทั้งสองมีขนาดใกล้เคียงกัน
3. ใช้ฉนวนกั้นในบริเวณที่ใช้โลหะต่างชนิดกันมาสัมผัสกัน
4. ใช้สารเคลือบผิวอย่างระมัดระวัง และดูแลการเคลือบผิวให้อยู่ในสภาพดี
5. เติมสารยับยั้งเพื่อลดความรุนแรงของการกัดกร่อน
6. ออกแบบเพื่อให้สามารถเปลี่ยนชิ้นงานที่เป็นอาโนดได้ง่าย
7. ติดตั้งวัสดุที่สามที่มีค่าความต่างศักย์น้อยกว่าโลหะทั้งสอง เพื่อให้เกิดการกัดกร่อนแทน ซึ่งโลหะที่มักใช้ คือ สังกะสี แมกนีเซียม และอะลูมิเนียม

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับอิทธิพลที่เกิดจากต่อท่อเก่ากับท่อใหม่ได้ที่ลิงค์ด้านล่าง
http://siamkaewkumsai.blogspot.com/2011/01/galvanic-corrosion-of-new-pipe-in.html

อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับ micro-galvanic corrosion ได้ที่
http://siamkaewkumsai.blogspot.com/2012/06/aisi-304-corrosion-failure-of-aisi-304.html