การกัดกร่อนแบบกราไฟต์ (Graphitic Corrosion หรือ Graphitization)

เป็นปัญหาของความเสียหายแบบการสูญเสียส่วนผสมบางตัว (Selective Leaching) อีกรูปแบบหนึ่งที่มักเกิดกับเหล็กหล่อเทา (Gray Cast Iron) เมื่อถูกใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนพอสมควร (โดยสารละลายจะต้องไม่รุนแรงเกินไป) เป็นที่ทราบกันดีว่าโลหะผสมที่ผลิตกันออกมาในปัจจุบันนี้มีองค์ประกอบของธาตุผสมที่มีศักย์ทางเคมีไฟฟ้าหรือศักย์ของการกัดกร่อนเมื่ออยู่สารละลายเดียวกันที่แตกต่างกันออกไป ดังนั้นความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้านี่เองที่เป็นแรงผลักดันให้เกิดการกัดกร่อนแบบเลือกกับโลหะผสมที่มีความไวต่อการกัดกร่อนมากกว่า สำหรับเหล็กหล่อเทาก็เช่นเดียวกัน เนื่องจากโลหะดังกล่าวมีโครงสร้างจุลภาคประกอบไปด้วยโครงสร้างพื้นฐาน (Matrix) ที่เป็นไปได้ทั้งแบบเฟอร์ไรต์ เพิรไลต์ หรือเฟอร์ไรต์-เพิรไลต์ ที่มีกราไฟต์แบบแผ่น (Graphite Flake) ที่มีลักษณะเป็นโครงร่างแทรกตัวอยู่ภายในโครงสร้างพื้นฐานดังกล่าว ถ้าพิจารณาจากอนุกรมกัลวานิกจะพบว่ากราไฟต์มีความเสถียรมากกว่าแพลตินัมและทองคำ ดังนั้นเมื่อเหล็กหล่อเทาถูกจุ่มแช่หรือสัมผัสในสารละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อน จะส่งผลให้เกิดการกัดกร่อนขึ้นกับโลหะส่วนที่เป็นโครงสร้างพื้นฐาน ยังเหลือแต่กราไฟต์ปรากฏให้เห็น เนื่องจากกราไฟต์ในเหล็กหล่อเทาจะมีขั้วเป็นแคโทดเมื่อเทียบกับโครงสร้างพื้นฐานที่มีขั้วเป็นแอโนด โดยเกิดที่ผิวด้านนอกก่อน

อนุกรมกัลวานิกที่ชี้ให้เห็นว่ากราไฟต์มีความเสถียรมาก

การสูญเสียส่วนผสมบางตัวจะเกิดขึ้นโดยเนื้อเหล็กส่วนที่เป็นโครงสร้างพื้นฐานหรือเนื้อโลหะหลัก (Matrix) เป็นขั้วแอโนด (Anode) ถูกละลายออกไป ในขณะที่ร่างแหของกราไฟต์ (คาร์บอน) จะแสดงตัวเป็นแคโทด (Cathode) เมื่อโครงสร้างพื้นฐานถูกละลายออกไปจนหมดจะเหลือมวลสารที่เป็นรูพรุนของเหล็กออกไซด์เชิงซ้อน (Complex Iron Oxide) ซึ่งส่งผลให้เหล็กหล่อเทาสูญเสียความแข็งแรงไปอย่างมาก และสูญเสียคุณสมบัติของโลหะไปด้วย โดยถ้าเราสังเกตจากภายนอกจะพบว่ามิติของชิ้นส่วนไม่เปลี่ยนแปลง (ให้นึกถึงสภาพของรังปลวก ที่ภายในมีลักษณะเป็นโพรง) โครงสร้างแบบร่างแหของกราไฟต์เมื่อถูกแรงกระทำ เช่น แรงกระแทก ชิ้นส่วนจะแตกสลายทันที เพราะว่ากราไฟต์ไม่มีความแข็งแรง

นอกจากนี้ graphitization ยังหมายถึง การสลายตัวของโครงสร้าง pearlite ไปเป็น ferrite และ carbon (graphite) ซึ่งมักเกิดขึ้นกับเหล็กกล้าคารืบอน หรือ เหล็กกล้าคาร์บอน-โมลิบดีนัม เมื่อถูกใช้งานที่สภาวะอุณหภูมิสูงเกินพิกัดไม่มากนัก (moderate overheating) เป็นระยะเวลานาน ส่งผลให้ชิ้นส่วนที่เกิดการเปลี่ยนแปลงดครงสร้างจุลภาคนั้นมีความสมบัติที่เปราะขึ้น มีความแข็งแรงและความต้านทานต่อการคืบลดลง ในความเป็นจริงแล้วการสลายตัวของ pearlite สามารถเกิดขึ้นได้จากกลไกทั้ง graphitization และ spheroidization โดยทั้ง 2 กลไกจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ซึ่งมักขึ้นที่ช่วงอุณหภูมิ 427-732 C แต่มีข้อสังเกตว่า graphitization มักเกิดที่ช่วงอุณหภูมิต่ำกว่า 500 C ในขณะที่การฟอร์มตัวของคาร์ไบด์ก้อนกลม (formation of spheroidal carbide) จะเกิดที่ช่วงอุณหภูมิสูงกว่า การเสียหายดังกล่าวมักเกิดขึ้นกับระบบท่อในโรงงานปิโตรเคมีและโรงผลิตไฟฟ้า เนื่องจากมีระบบท่อที่ใช้งานที่อุณหภูมิสูงค่อนข้างมาก

โครงสร้างจุลภาคของท่อเหล็กกล้าคาร์บอน-โมลิบดีนัม (SA209) ประกอบด้วย เฟอร์ไรต์ เบนไนต์ และกราไฟต์ทรงกลม

ดังนั้น ถ้าไม่ตรวจสอบพบสภาพความบกพร่องก่อนจะเสียหายอย่างรุนแรง จะเป็นสภาพที่ก่อให้เกิดอันตรายมาก และขั้นตอนการเกิดจะช้าถ้าอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อน (Corrosive) มาก ผิวทั้งหมดจะถูกชะละลายออกมา กลายเป็นการกัดกร่อนทั่วผิวหน้า (Uniform Attack) ส่วนเหล็กหล่อกราไฟต์กลม (Nodular Iron) และเหล็กหล่ออบเหนียว (Malleable Iron) จะไม่เกิด Graphitization เพราะว่าไม่มีร่างแหของกราไฟต์ที่จะช่วยพยุงเนื้อเหล็กหล่อส่วนที่เหลือให้คงรูปร่างไว้ได้

วิธีการแก้ไขก็มี 2 แนวทางหลักๆ คือ เลือกใช้วัสดุชนิดอื่น หรือควบคุมสภาพแวดล้อม สำหรับโรงงานอุตสาหกรรมที่ประสบปัญหาดังกล่าวกับระบบท่อ ควรมีการสุ่มตรวจสอบโครงสร้างจุลภาคอยู่บ่อยๆ โดยใช้เทคนิค field metallography หรือ การลอกลาย ซึ่งไม่จำเป็นต้องตัดชิ้นส่วนออกมาตรวจสอบ หรือใช้เทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลายอื่นๆ

References
1.ASM Committee on Failures of Pressure Vessels, Boilers and Pressure Piping, G.M. Slaughter, Chairman, "Failures of Boilers and Related Steam Power-Plant Equipment," Metals Handbook, 8th Edition, Volume 10: Failure Analysis and Prevention, Howard E. Boyer, Ed., American Society for Metals, Metals Park, OH, 1975, p. 533.