การกัดกร่อนแบบกัลวานิก (Two-metal- /Galvanic corrosion)

รูปที่ 1 การกัดกร่อนของโลหะต่างชนิดเมื่อมาเชื่อมต่อกันทางเคมีไฟฟ้า โดยมีแผ่นทองเหลืองและอะลูมิเนียมที่ยึดให้เข้ากันด้วยชุดสลักเกลียวที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม 304 ที่ผ่านการสร้างฟิล์ม

การกัดกร่อนของชิ้นส่วนโลหะที่นำมาใช้ในการยึดชิ้นส่วนเข้าด้วยกันเป็นปัญหาที่นักออกแบบต้องให้ความสำคัญเป็นอย่างมาก ซึ่งหนึ่งในคำถามที่นักออกแบบจะต้องตอบคำถามให้ได้ว่าชิ้นส่วนโลหะที่เลือกใช้นั้นสัมผัสกับสภาวะที่มีฤทธิ์กัดกร่อนในระหว่างการใช้งานหรือไม่ ดังนั้นนักออกแบบที่ดีจึงควรมีความรู้ความเข้าใจเกี่ยวกับการกัดกร่อนที่อาจจะเกิดขึ้นกับโครงสร้างที่มีการยึดต่อ ซึ่งมีอยู่หลายประเภท เช่น การกัดกร่อนแบบกัลวานิก (Galvanic corrosion) การกัดกร่อนจากความเค้นร่วมกับการกัดกร่อน (Stress corrosion cracking) การกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting corrosion) การเกิดออกซิเดชัน (Oxidation) การหลอมเนื่องจากความร้อน  (Thermal relaxation) เป็นต้น  

ดังที่พวกเราทราบกันดีแล้วว่า ถ้ามีโลหะต่างกันสองชนิดมาสัมผัสกันและเชื่อมต่อกันทางไฟฟ้าเคมีและอยู่ในสารละลายอิเล็กโทรไลท์ชนิดเดียวกัน เมื่อเวลาผ่านไป โลหะที่ศักย์ต่ำกว่าจะเกิดการกัดกร่อน (อาโนด) ขณะที่โลหะที่มีศักย์สูงกว่าจะไม่กัดกร่อน (คาโธด) ความรุนแรงของการกัดกร่อนจะเพิ่มขึ้นตามความต่างศักย์ของโลหะทั้งสองที่มากขึ้น

ความต่างศักย์จะทำให้เกิดการไหลของอิเล็กตรอนระหว่างดลหะทั้งสอง ทำให้เพิ่มอัตราการกัดกร่อนของโลหะ ที่มีค่าความต้านทานต่อการกัดกร่อนน้อย และจะลดอัตราการกัดกร่อนของโลหะที่มีค่าความต้านมากกว่า โดยปกติโลหะที่มีค่าความต่างศักย์มากจะมีการกัดกร่อนค่อนข้างน้อยหรือแทบจะไม่เกิดเลย เนื่องจากกระบวนการดังกล่าวเกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้าและความแตกต่างของโลหะ จึงมีการเรียกการกัดกร่อนแบบนี้ว่า Galvanic corrosion หรือ Two-metal corrosion ปริมาณกระแสและการกัดกร่อนขึ้นอยู่กับความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นระหว่างโลหะทั้งสอง

การสัมผัสกันของโลหะสองชนิดจุ่มแช่ในอิเล็กโทรไลท์เดียวกันเป็นปัจจัยที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาการแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอน ดังนั้นการใช้โลหะต่างชนิดมาต่อกันหรือสัมผัสกันในการออกแบบโครงสร้างจึงเป็นเรื่องปกติธรรมดา โดยเฉพาะอย่างยิ่งโครงสร้างที่อยู่รอบๆ ตัวเราไม่ว่าจะเป็นสะพาน ผนัง รถบรรทุก ถังน้ำ ฯลฯ จะเห็นว่าโครงสร้างเหล่านี้มีการใช้สลักเกลียวเป็นตัวยึด นอกจากนี้ อิเล็กโทรไลท์อาจอยู่ในรูปของน้ำ น้ำค้าง ไอหมอก ไอเกลือ ไอทะเล หรือแม้แต่แหล่งมลพิษต่างๆ ดังนั้นนักออกแบบต้องคำนึงถึงปฏิกิริยาของโลหะเหล่านี้ร่วมด้วย

โลหะแต่ละชนิดจะมีค่าศักย์การนำไฟฟ้าเฉพาะตัว แผนภูมิ "อนุกรมกัลวานิกของโลหะและโลหะผสม" เป็นการจัดอันดับของค่าศักย์ไฟฟ้าของโลหะแต่ละชนิดที่สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานได้จริง จากแผนภูมิเราจะเห็นว่าโลหะที่อยู่ด้านบนสุดจะมีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำซึ่งจะเกิดการกัดกร่อนได้ง่ายเมื่อเทียบกับโลหะที่อยู่ด้านล่าง  โลหะที่อยู่ห่างกันมากยิ่งมีความรุนแรงของการกัดกร่อนของโลหะที่เป็นขั้วอาโนดมาก (เช่นสังกะสีกับแพลตินั่ม จะเกิดการกัดกร่อนที่รุนแรงขึ้นกับสังกะสี) ดังนั้นการลดความรุนแรงของการกัดกร่อนเมื่อมีโลหะมาสัมผัสกันคือพยายามเลือกวัสดุชนิดเดียวกัน (ดีที่สุด) หรือให้อยู่ใกล้ชิดกัน เช่นทองเหลืองกับทองแดง ซึ่งถ้าสังเกตจากแผนภูมิหรือตารางจะเห็นว่าโลหะที่อยู่ในกลุ่มเดียวกันสามารถลดปัญหาการกัดกร่อนได้ แต่ถ้าอยู่ต่างกลุ่มจะมีปัญหาด้านการกัดกร่อนที่รุนแรงขึ้นตามความห่างของโลหะ นอกจากนี้เรายังสามารถสังเกตเห็นว่าโลหะที่มีการเติมนิกเกิลและโครเมียมจะมีทั้งที่มีความไวและต้านทานการกัดกร่อน และโลหะที่มีการสร้างฟิล์มจะเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน จากอนุกรมดังกล่าวเราจึงกล่าวได้ว่าเหล็กกล้ากับอะลูมิเนียมสามารถเข้ากันได้ดี แต่ถ้าทองเหลืองมาสัมผัสกับเหล็กจะพบว่าเหล็กเกิดการกัดกร่อนเนื่องจากมีความไวต่อการกัดกร่อนมากกว่าทองเหลือง

และถ้านำแผ่นทองเหลืองและอะลูมิเนียมมายึดให้เข้ากันด้วยสลักเกลียวที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิม 304 ที่ผ่านการสร้างฟิล์มดังแสดงในรูปที่ 1 เมื่อเวลาผ่านไปเราจะเห็นว่าทั้งแผ่นทองเหลืองและอะลูมิเนียมเกิดกัดกร่อนอย่างรุนแรงเนื่องจากโลหะทั้งสองมีความไวต่อการกัดกร่อนมากกว่าเหล็กกล้าไร้สนิม และในบรรดาโลหะทั้งสามชนิดจะเห็นว่าแผ่นอะลูมิเนียมเกิดการกัดกร่อนรุนแรงมากที่สุดเนื่องจากมีความต้านทานการกัดกร่อนต่ำที่สุดนั่นเอง นอกจากนี้เรายังสามารถสังเกตเห็นว่าเมื่อแผ่นอะลูมิเนียมสัมผัสกับแผ่นทองเหลืองก็จะเกิดการกัดกร่อนขึ้นกับแผ่นอะลูมิเนียมจากความต้านทานการกัดกร่อนที่ต่ำกว่านั่นเอง

อนุกรมกัลวานิกของโลหะและโลหะผสม

มีความไวต่อการกัดกร่อนมาก

·         แมกนีเซียมและโลหะผสมแมกนีเซียม ·         สังกะสี

·         อลูมิเนียม 1100 ·         แคดเมียม ·         อะลูมิเนียม 2024-T4 ·         เหล็กและเหล็กกล้า

·         ตะกั่ว ·         ดีบุก ·         นิกเกิล (active) ·         Inconel nickel-chromium alloy (active) ·         Hastelloy Alloy C (active)

·         ทองเหลือง (Cu-Zn alloys) ·         ทองแดง ·         ทองสัมฤทธิ์ (Cu-Sn alloys) ·         โลหะผสมทองแดง-นิกเกิล ·         โมเนล (70Ni-30Cu)

·         นิกเกิล (passive) ·         อินโคเนล (80Ni-13Cr-7Fe)

·         เหล็กกล้าไร้สนิม 304 (passive) ·         เหล็กกล้าไร้สนิม 316 (passive) ·         Hastelloy Alloy C (passive)

·         เงิน ·         ไทเทเนียม ·         กราไฟต์ ·         ทองคำ ·         ทองคำขาว

มีความต้านทานการกัดกร่อนสูง

สำหรับสาเหตุที่ทำให้เกิดขั้วอาโนดและขั้วคาโธด ได้แก่

1.  ความแตกต่างของส่วนผสมเคมีในเนื้อโลหะ (Chemical composition couples) ซึ่งดูได้จาก Galvanic series ตัวอย่างการเกิดขั้วอาโนดและขั้วคาโธดจากโลหะต่างชนิดกันแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2 การกัดกร่อนแบบกัลวานิกที่เกิดขึ้นกับชิ้นส่วนสำหรับยึดฝ้าผนังเพดานที่ทำจากเหล็กกล้าไร้สนิมและเหล็กชุบสังกะสี จากภาพจะเห็นว่าการกัดกร่อนอย่างรุนแรงเกิดขึ้นกับชิ้นส่วนเหล็กกล้าชุบสังกะสี (Galvanized steel) เท่านั้น

2.  ความแตกต่างของแรงเค้น (Stress Couples) บริเวณที่มีความเค้นมากกว่าจะเป็นขั้วอาโนด ตัวอย่างการเกิดขั้วอาโนดและขั้วคาโธดจากจากความเค้นที่ต่างกันแสดงในรูปที่ 3

รูปที่ 3 ท่อเหล็กกล้าไร้สนิมเกรด 304 ที่มีการนำมาเชื่อมต่อกัน ท่อด้านซ้ายเป็นท่อโค้ง (Elbow) ซึ่งมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางมากกว่า ผ่านการขึ้นรูปด้วยการ Forging แล้วนำมาเจาะรู ในขณะที่ท่อด้านขวาเป็นท่อตรงที่ผ่านการขึ้นรูปด้วยการ Extrusion ซึ่งผ่านการอบคลายความเค้น จะเห็นว่าท่อตรงมีการกัดกร่อนที่รุนแรงมากกว่า

3.  ความแตกต่างของความเข้มข้น (Concentration couples) บริเวณที่มีออกซิเจนน้อยกว่าจะเป็นขั้วแอโนด เช่นในซอกหรือช่องแคบเป็นต้น