Metallurgical Failure Analysis: การกัดกร่อนตามขอบเกรน (Intergranular Corrosion)

โดยปกติขอบเกรนมักจะเกิดปฏิกิริยาได้ง่ายกว่าเนื้อเกรนอยู่แล้ว โดยขอบเกรนจะแสดงตัวเป็นขั้วอาโนด(สูญเสียเนื้อโลหะ) ภายในเกรนจะแสดงตัวเป็นขั้วคาโธด หากบริเวณขอบเกรนมีอนุภาคอื่นๆมาตกตะกอนอยู่ หรือมีธาตุหนึ่งมากหรือน้อยเกินไป ขอบเกรนอาจจะถูกกัดกร่อนหรือทำปฏิกิริยาได้ง่ายขึ้นอีก เมื่อการกัดกร่อนเกิดขึ้นได้ระยะเวลาหนึ่ง บริเวณพื้นที่ที่แสดงตัว เป็นอาโนดจะเคลื่อนที่เปลี่ยนแปลงไป การกัดกร่อนก็จะเกิดกระจายอยู่ทั่วไปเป็นแบบการกัดกร่อนทั่วผิวหน้ากัดเซาะทั้งก้อน บริเวณที่เป็นอาโนด/คาโธด จะเปลี่ยนตลอดเวลา

แต่ถ้าบริเวณขอบเกรนแสดงตัวเป็นอาโนดตลอดเวลา การกัดกร่อนก็จะเกิดเฉพาะบริเวณขอบเกรนตลอดเวลา เป็นการกัดกร่อนที่เรียกว่าการกัดกร่อนตามขอบเกรน (Intergranular Corrosion) เหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก เกิดการกัดกร่อนตามขอบเกรนได้ หากนำไปใช้งานอย่างไม่เหมาะสม โดยทั่วไปเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติกทนการกัดกร่อนได้ดี แต่ถ้าเหล็กประเภทนี้ได้รับอุณหภูมิในช่วง 415-850 องศาเซลเซียส (sensitization) เป็นเวลานานพอสมควร จะทำให้เกิดโครเมียมคาร์ไบด์ตามขอบเกรน โครเมียมที่เดิมเคยอยู่ในเนื้อเหล็กและคอยป้องกันการกัดกร่อนให้เหล็กก็จะมารวมตัวกับคาร์บอน ทำให้บริเวณใกล้ๆ หรือชิดกับขอบเกรนมีโครเมียมต่ำกว่าร้อยละ 12 ซึ่งถือว่าบริเวณนี้ไม่ใช่เหล็กกล้าไร้สนิมอีกต่อไป ดังนั้นบริเวณที่มีโครเมียมต่ำตามขอบเกรนจึงถูกกัดกร่อนได้ง่ายกว่าบริเวณอื่น ตัวอย่างของการเสียหายด้วยกลไกการกัดกร่อนตามขอบเกรนแสดงในรูปที่ 1-6

รูปที่ 1 การตกตะกอนของคาร์ไบด์ตามขอบเกรนส่งผลให้เกิดบริเวณที่พร่องโครเมี่ยม

บางท่านอาจจะยังไม่เข้าใจ คำว่า sensitization นะครับ คือ การให้ความร้อนแก่ชิ้นงานในช่วงอุณหภูมิที่เหนี่ยวนำให้เกิดการจับตัวกันระหว่างโครเมียมกับคาร์บอน เกิดเป็นสารประกอบโครเมียมคาร์ไบด์ และมาตกตะกอนที่ขอบเกรน (อุณหภูมิระหว่าง 415-850 องศาเซลเซียส) ขอบเกรนของวัสดุก็เปรียบเสมือนชายแดน คือ มักมีความไม่เสถียร พวกโจรพวกก่อการร้ายมักมากบดาน มักมีการสู้รบ ตอนนี้ ชายแดนไทย-เขมรก็กำลังรบกับ ชายแดนไทย-มาเลเซียก็มีโจรก่อการร้าย ชายแดนไทย-พม่าก็มีการยิงกันของชนกลุ่มน้อย (สถานการณ์ในช่วงต้นปี 2554) ซึ่งสร้างความเสียหายให้กับประเทศข้างๆ คาร์ไบด์ก็เช่นเดียวกัน เมื่อเกิดขึ้นแล้วส่งให้วัสดุที่อยู่ข้างเกิดการเสื่อมสภาพจนไม่สามารถใช้งานต่อไปได้ บริเวณข้างเคียงที่มีโครเมียมลดลง (Chromium Depleted Zone) จะสูญเสียความต้านทานต่อการกัดกร่อน เมื่อสัมผัสกับสิ่งแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนจึงเกิดความเสียหาย ทำให้เนื้อโลหะไม่ประสานกัน สมบัติทางกลจึงต่ำลงตามไปด้วย ไม่ว่าจะเป็นความแข็งแรง การต้านทานแรงกระแทก เมื่อรับแรงเกินพิกัดจึงแตกตามขอบเกรนในที่สุดดังรูปที่ 3

รูปที่ 2 ภาพจำลองการแตกตามขอบเกรน

รูปที่ 3 ภาพถ่าย SEM แสดงผิวหน้าแตกหักตามขอบเกรนของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 321

รูปที่ 4 ภาคตัดขวางของโครงสร้างจุลภาคแสดงการกัดกร่อนตามขอบเกรน

บางครั้งเราอาจจะพบสารประกอบตกตะกอนตามขอบเกรนทั้งที่อุณหภูมิการใช้งานไม่ถึงช่วงที่เหนี่ยวนำให้เกิดคาร์ไบด์หรือ sensitization ลักษณะดังกล่าวแสดงว่ากระบวนการเชื่อมไม่ได้คุณภาพ การแก้ปัญหาดังกล่าว คือ

1. ลดเวลาในการเชื่อม ถ้าให้ความร้อนสูง ก็จะทำให้ใช้เวลาในการเชื่อมนานขึ้น
2. ทำการอบคลายความเค้นหลังการเชื่อม ซึ่งปกติจะเรียกว่า Quench Annealing หรือ Solution Quenching ปกติเหล็กกล้าไร้สนิมจะปฏิบัติการที่อุณหภูมิประมาณ 1050 องศาเซลเซียส เวลาก็ขึ้นอยู่กับความหนาของชิ้นงาน เพื่อลดอิทธิพลของความเครียด ที่เรียกว่า strain-induced martensite , cold work hardening
3. ควบคุมปริมาณออกซิเจน ไม่ให้เข้าไปในเนื้อวัสดุ โดยการพ่นแก็สไนโตรเจน
4. ประเมินผลทางโลหะวิทยา
5. Solution annealing : ให้ความร้อนโลหะผสมที่ 1050 C เพื่อให้คาร์ไบด์สลายตัว จากนั้นทำให้อย่างรวดเร็ว
6. Low-carbon alloy modifications : ลดคาร์บอนให้ต่ำกว่า 0.03% สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมออสเตนนิติก (304L, 316L) หรือต่ำกว่า 50ppm สำหรับกลุ่มเฟอริติก
7. Stabilization treatment : เติมธาตุที่เพิ่มความเสถียรให้กับคาร์ไบด์ (Ti, Nb) ในการหลอม :Types 347 and 321 stainless steels.
8. Environmental measures : ลดความเป็นกรดและสภาวะแบบออกซิไดซิ่งให้ต่ำ จะช่วยลดความไวต่อการกัดกร่อนตามขอบเกรน

ซึ่งวิธีการที่กล่าวมานี้สามารถป้องกันการเกิดความเสียหายด้วยกลไกการแตกตามขอบเกรน