การล้างผิวเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกรด (Pickling) และการสร้างฟิล์ม (Passivation)

Image credit:https://www.safefoodfactory.com/en/editorials/54-pickling-and-passivating-stainless-steel/

เหล็กกล้าไร้สนิมสามารถเกิดการกัดกร่อนในระหว่างการใช้งานได้หากที่พื้นผิวมีการปนเปื้อน ทั้งการล้างผิวเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกรด (Pickling) และการสร้างฟิล์ม (Passivation) เป็นการบำบัดทางเคมีที่ใช้กับพื้นผิวเหล็กกล้าไร้สนิมเพื่อกำจัดคราบออกไซด์/รอยไหม้หรือสิ่งปนเปื้อนและช่วยสร้างฟิล์มโครเมียมออกไซด์ที่ต่อเนื่อง ตามลำดับ กระบวนการล้างผิวด้วยกรดและการสร้างฟิล์มนั้นเป็นการบำบัดด้วยกรดแต่ไม่สามารถขจัดคราบไขมันหรือน้ำมันได้ ดังนั้นหากเหล็กกล้าไร้สนิมเกิดความสกปรกหรือปนเปื้อนมาจากกระบวนการผลิต/ประกอบ/ติดตั้ง อาจจำเป็นต้องใช้ผงซักฟอกหรือน้ำยาทำความสะอาดที่เป็นด่างก่อนที่จะทำการ pickling หรือ passivation

การล้างผิวด้วยกรด (Pickling)

Pickling คือการกำจัดคราบ/ออกไซด์ที่เกิดในสภาวะอุณหภูมิสูงและชั้นพร่องโครเมียมที่อยู่ติดกันออกจากพื้นผิวเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยวิธีทางเคมี

ในกรณีที่เหล็กกล้าไร้สนิมได้รับความร้อนจากการเชื่อม (Welding) ผ่านกระบวนการทางความร้อน (Heat Treatments) หรือวิธีการอื่น ๆ ที่สามารถทำให้เกิดชั้นออกไซด์และสามารถสังเกตเห็นสีที่เปลี่ยนไปได้อย่างชัดเจน ภายใต้ชั้นออกไซด์เหล่านั้นจะมีชั้นพร่องโครเมียมเกิดขึ้น ปริมาณโครเมียมที่ต่ำกว่าโลหะพื้นทำให้ความต้านทานการกัดกร่อนลดลง เพื่อคืนประสิทธิภาพความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีที่สุด ต้องกำจัดชั้นโลหะที่เสียหายหรือชั้นออกไซด์ออกเพื่อให้เห็นพื้นผิวเหล็กกล้าไร้สนิมที่สมบูรณ์ การกำจัดด้วยวิธีทางกลอาจทำให้เกิดการเสียดสีหรือมีอนุภาคอื่น ๆ ฝังบนผิวหน้า (ทำให้ขาดประสิทธิภาพในการสร้างฟิล์มเพื่อป้องกันการกัดกร่อน) หรืออาจไม่สามารถทำได้ในทางปฏิบัติ ดังนั้นจึงมักใช้วิธีทางเคมี

การล้างผิวเหล็กกล้าไร้สนิมจะใช้กรดไนตริก (HNO₃) และกรดไฮโดรฟลูออริก (HF) เพื่อช่วยขจัดคราบออกไซด์และชั้นพร่องโครเมียม และฟื้นฟูความต้านทานการกัดกร่อน นอกจากนี้สารละลายล้างผิวหน้ายังช่วยขจัดสิ่งปนเปื้อน เช่น อนุภาคกลุ่มเหล็กและเฟอริกออกไซด์ และยังมีสารละลายสำหรับล้างผิวหน้านอกเหนือจากส่วนผสมของกรดไนตริกและกรดไฮโดรฟลูออริกและสามารถนำไปใช้งานเฉพาะทางได้

โดยทั่วไปกระบวนการล้างผิวหน้าด้วยกรดสามารถดำเนินด้วยวิธีการต่าง ๆ ดังนี้

1. การล้างผิวหน้าด้วยกรดแบบจุ่มแช่ (Tank Immersion) มักใช้ในกระบวนการผลิตภายในโรงงาน ไม่เหมาะสำหรับการทำที่หน้างานได้ วิธีการดังกล่าวจะทำให้ผิวหน้าชิ้นงานมีความเรียบสม่ำเสมอ สามารถลบรอยไหม้ได้ตลอดผิวชิ้นงาน เนื่องจากเป็นระบบที่ควบคุมภายในโรงงานจึงมีความปลอดภัยทั้งต่อคนและสภาพแวดล้อม การกัดกรดเพื่อทำความสะอาดผิวหน้าด้วยวิธีดังกล่าวนี้ต้องควบคุมเวลาและอุณหภูมิให้เหมาะสมกับสภาพพื้นผิวของวัสดุในแต่ละงาน

2. การล้างผิวหน้าด้วยกรดแบบฉีดสเปรย์ (Spray Pickling) เป็นวิธีที่เหมาะต่อการดำเนินการที่หน้างานซึ่งมีการติดตั้งชิ้นงานไปแล้ว แต่ต้องคำนึงเรื่องความปลอดภัยในการปฏิบัติงาน ควรมีการประเมินความเสี่ยง เพราะอาจเกิดการรั่วไหลหรือการสัมผัสกับสารละลายกรดในระหว่างการพ่นสเปรย์ได้ และในกรณีชิ้นงานที่มีความซับซ้อน อาจมีบางตำแหน่งที่สารละลายกรดฉีดพ่นไปไม่ถึง ทำให้การสร้างฟิล์มไม่สมบูรณ์

3. การล้างผิวหน้าด้วยกรดแบบการไหลเวียนน้ำยาภายในท่อ (Circulation Pickling) กระบวนการดังกล่าวจะใช้ปั๊มในการไหลเวียนสารละลายผ่านไปตามส่วนต่าง ๆ ของท่อเหล็กกล้าไร้สนิมภายหลังการติดตั้ง

นอกจากวิธีการที่กล่าวมา ยังมีการใช้น้ำยาป้าย (Pickling Paste) สำหรับทำความสะอาดผิวหน้าซึ่งมีสารละลายผสมกับตัวพาเฉื่อย ซึ่งมักใช้ทำความสะอาดร่วมกับการขัดในบริเวณเฉพาะ เช่น รอยเชื่อม

วิธีการทำความสะอาดผิวหน้าเหล็กกล้าไร้สนิมด้วยกรดที่กล่าวมาจะทำให้มีการสูญเสียโลหะหรือมีการกำจัดโลหะออกจากผิวหน้า และมักทำให้ผิวหน้ามีการเปลี่ยนแปลงหรือมีความสว่าง (Brightness) ลดลง

การขัดผิวด้วยไฟฟ้า (Electropolishing) เป็นทางเลือกหนึ่งที่สามารถทดแทนการทำความสะอาดผิวหน้าด้วยกรด แม้ว่าโลหะจะถูกกำจัดออกจากผิวหน้า แต่มักจะส่งผลให้ได้ผิวชิ้นงานที่สว่าง เรียบเนียน และทนทานต่อการกัดกร่อนสูงขึ้น

การสร้างฟิล์ม (Passivation)

Passivation คือการปรับปรุงผิวของเหล็กกล้าไร้สนิม ซึ่งมักใช้สารละลายกรด (หรือน้ำยาป้าย) เพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อนและส่งเสริมการฟอร์มฟิล์มสภาพเฉื่อย (Passive Film) บนพื้นผิวที่สร้างขึ้นใหม่ (เช่น ผ่านการเจียร การกลึง หรือการใช้แรงทางกล)

Image credit: https://weldguru.com/can-you-weld-stainless-to-mild-steel/

การสร้างฟิล์มโดยทั่วไปจะใช้สารละลายหรือน้ำยาป้ายของกรดไนตริก (HNO₃) ซึ่งจะทำความสะอาดพื้นผิวเหล็กกล้าที่ปราศจากสารปนเปื้อนที่เป็นเหล็ก ต้องใช้ความระมัดระวังในการเลือกและใช้วิธีการสร้างฟิล์มเพื่อให้แน่ใจว่าการสร้างฟิล์มที่เลือกจะกำจัดสารปนเปื้อนได้อย่างหมดจด การสร้างฟิล์มจะช่วยในการสร้างฟิล์มออกไซด์สภาพเฉื่อยบนพื้นผิวเหล็กอย่างรวดเร็ว การสร้างฟิล์มมักไม่ส่งผลให้รูปลักษณ์ของพื้นผิวเหล็กเปลี่ยนแปลงอย่างเห็นได้ชัด

สารละลายที่ใช้ในทั้งการ pickling และ passivation เป็นกรดที่เป็นอันตราย ซึ่งเป็นอันตรายและสร้างความเสียหายต่อทั้งผู้ปฏิบัติงานและสิ่งแวดล้อมได้ หากไม่ได้รับการจัดการอย่างถูกต้อง สารละลายที่ใช้ในการสร้างฟิล์มบนผิวหน้าเหล็กกล้าไร้สนิมมักมีฤทธิ์กัดกร่อนสูงต่อเหล็กกล้าคาร์บอน จึงจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องกำจัดกรดทั้งหมดออกจากผิวหน้าให้หมดและทั่งถึงโดยการล้างส่วนประกอบหรือชิ้นส่วนที่เกี่ยวข้องหลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการ และเป็นที่ทราบกันดีว่ากรดไฮโดรฟลูออริกที่ตกค้างบนผิวเหล็กกล้าไร้สนิมจะทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion) ดังนั้นอาจแก้ปัญหาการตกค้างของสารที่มีฤทธิ์กัดกร่อนด้วยการทำให้กรดเป็นกลางด้วยด่างก่อนขั้นตอนการล้าง

ข้อกำหนดต่าง ๆ ที่ปรากฏใน ASTM A380 Standard Practice for Cleaning, Descaling and Passivation of Stainless Steel Parts, Equipment and Systems เป็นแหล่งข้อมูลที่สามารถใช้ในการอ้างอิงเพื่อดำเนินการ pickling และ passivation ให้มีประสิทธิภาพที่สุด

ความต้านทานการกัดกร่อนของเหล็กกล้าไร้สนิมได้รับผลกระทบจากความหยาบของพื้นผิวหลังการขัดมันหรือขัดละเอียด (Polishing) โดยความต้านทานการกัดกร่อนลดลงอย่างเห็นได้ชัดเมื่อความหยาบของพื้นผิวมีค่ามากกว่าค่า R_a ประมาณ 0.5 ไมโครเมตร ค่าความหยาบนี้สอดคล้องกับสภาพพื้นผิวที่เกิดจากการขัดหยาบด้วยกระดาษเบอร์ 320

ทั้งกระบวนการ passivation และ electropolishing สามารถนำมาประยุกต์ใช้เพื่อเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนของผิวที่ผ่านการขัดมันด้วยแรงทางกล

เปรียบชิ้นงานที่ไม่ผ่านและการการ passivated หลังการทดสอบด้วยหมอกเกลือเป็นเวลา 168 ชั่วโมง

Image credit: https://www.linkedin.com/pulse/passivated-stainless-steel-bearings-168-hour/

ความปลอดภัย

เนื่องจากกระบวนการ pickling และ passivation ใช้กรดแก่ในการปฏิบัติการ ผู้ปฏิบัติงานจึงควรปฏิบัติตามข้อควรระวังเพื่อความปลอดภัยอย่างเข้มงวดดังนี้

หลังการล้างผิวหน้าด้วยกรดต้องทำการชะล้างสารละลายที่ตกค้างในอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องออกให้หมด เพราะหากมีสารลายละลายที่มีฤทธิ์กัดกร่อนตกค้างและสัมผัสกับผิวเหล็กกล้าไร้สนิมเป็นเวลานาน ๆ ก็อาจจะเกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (Pitting Corrosion) ส่งผลต่อเนื่องให้ชิ้นงานเกิดความเสียหายตามมาได้

เหล็กกล้าไร้สนิมแต่ละเกรดมีความต้านทานการกัดกร่อนที่แตกต่างกัน จึงต้องใช้เงื่อนไขเรื่อง contact time ที่ต่างกันออกไป ดังนั้นต้องทำการทดสอบเพื่อหาเงื่อนไขที่เหมาะสมกับเหล็กกล้าไร้สนิมแต่ละเกรด

โดยทั่วไปสามารถใช้น้ำเปล่าที่สะอาดหรือน้ำปลอดประจุในการชะล้างเอาสารละลายตกค้างออกจากผิวชิ้นงานได้ 

เอกสารอ้างอิง

1.  ASTM A380/A380M: Standard Practice for Cleaning, Descaling, and Passivation of Stainless Steel Parts, Equipment, and Systems

2. Pickling and Passivating Stainless Steel. https://www.worldstainless.org/Files/issf/non-image-files/PDF/Euro_Inox/Passivating_Pickling_EN.pdf