การประเมินผลพฤติกรรมการกัดกร่อนของโลหะจากเส้นโค้งโพลาไรเซชัน (polarization curve)

การประเมินผลพฤติกรรมการกัดกร่อนของโลหะจากเส้นโค้งโพลาไรเซชัน (polarization curve)

>>โดย รุจีภรณ์ นาคขุนทด <<<

ศูนย์พัฒนาและวิเคราะห์สมบัติของวัสดุ

 

          การกัดกร่อน (corrosion) ของโลหะสามารถเกิดขึ้นได้ตลอดเพราะเป็นพฤติกรรมธรรมชาติของโลหะ เมื่อเกิดขึ้นแล้วย่อมทำให้เกิดความเสียหายได้ทั้งในด้านทรัพย์สิน เศรษฐกิจ ถ้าเราสามารถประเมินความเสียหายจากการกัดกร่อนของโลหะได้ก่อนก็จะช่วยยับยั้งความเสียหายที่จะเกิดขึ้นในอนาคต การประเมินอัตราการกัดกร่อนของโลหะ สามารถทำได้หลายวิธี เช่น การทดสอบการกัดกร่อนโดยการผึ่งในบรรยากาศ การทดสอบความทนละอองน้ำเกลือ การใช้คูปองการกัดกร่อน การทดสอบด้วยเทคนิคเคมีไฟฟ้าโดยประเมินผลการกัดกร่อนจากเส้นโค้งโพลาไรเซชัน (polarization curve) ที่ช่วยลดปัญหาที่จะเกิดขึ้นได้

       การทดสอบการกัดกร่อนของโลหะโดยเทคนิคเคมีไฟฟ้า (electrochemical technique) เป็นวิธีหนึ่งที่ช่วยประเมินอัตราการกัดกร่อนได้ดีและเร็ว และเป็นการจำลองการเกิดกระบวนการการกัดกร่อนของโลหะ โดยปกติแล้วการเกิดการกัดกร่อนเป็นปฏิกิริยาทางกายภาพของโลหะกับสภาพแวดล้อมรอบๆ โลหะ ซึ่งเกิดจากการถ่ายเทประจุไฟฟ้าหรือแลกเปลี่ยนอิเล็กตรอนในสารละลายของน้ำ เรียกว่า ปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้า (electrochemical reaction) การเกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าของการกัดกร่อนเป็นปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน เมื่อน้ำหรือสารละลายที่สัมผัสกับโลหะ หลักการของการทดสอบการกัดกร่อนโลหะโดยใช้เทคนิคทางเคมีไฟฟ้า คือการป้อนศักย์ไฟฟ้าเร่งการกัดกร่อน โดยใช้เครื่อง potentiostat/galvanostat ในสภาวะที่มีสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ทำหน้าที่เป็นทางเดินของอิออน และเป็นการเชื่อมต่อเซลล์เคมีไฟฟ้า (electrochemical cell) ดังรูปที่ 1 ทำให้เราสามารถคำนวณหาอัตราการกัดกร่อนได้

          เซลล์เคมีไฟฟ้าที่ใช้ในการทดสอบการกัดกร่อนของโลหะประกอบไปด้วย

• ขั้วทำงาน (working electrode หรือ specimen electrode) เป็นขั้วอาโนด ก็คือชิ้นตัวอย่างทดสอบ เป็นขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันและให้อิเล็กตรอน
• ขั้วมาตรฐานอ้างอิง (standard reference electrode) เป็นขั้วแคโทด (cathode) ที่เกิดปฏิกิริยารีดักชันและรับอิเล็กตรอน เช่น SCE (saturated calomel electrode) หรือ Ag/AgCl ที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าคงที่
• ขั้วอิเล็กโทรดกระแส (counter electrode) มักจะใช้โลหะที่เสถียร เช่น แพลตินัม หรือ กราไฟต์ หรือ เหล็กกล้าไร้สนิม
• สารละลายอิเล็กโทรไลต์ (electrolyte) ซึ่งเป็นทางเดินของอิออน

รูปที่ 1  เซลล์เคมีไฟฟ้าที่ใช้ในการทดสอบการกัดกร่อน

 

          ค่าที่วัดได้จากการทดสอบ ได้เป็นเส้นโค้งโพลาไรเซชัน (polarization curve) ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่าศักย์ไฟฟ้าและค่ากระแสไฟฟ้า เมื่อป้อนศักย์ไฟฟ้าจนกระทั่งโลหะเริ่มเกิดการกัดกร่อนเราเรียกว่าค่าศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อน (corrosion potential, E_corr) ที่จุดนี้ก็จะได้ค่าความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าการกัดกร่อน (corrosion current density, I_corr) ด้วย ซึ่งนำไปคำนวณหาอัตราการกัดกร่อน แสดงดังรูปที่ 2 ในขณะเดียวกันถ้าโลหะที่มีฟิล์มพาสซีพ (passive film) ที่ทนต่อการกัดกร่อน เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม ถ้าป้อนศักย์ไฟฟ้าต่อไปอีกโลหะนั้นสร้างฟิล์มพาสซีพ (passive film) เพื่อป้องการการกัดกร่อนทำให้ค่ากระแสไฟฟ้าคงที่หรือลดลง ในขณะเมื่อที่ป้อนศักย์ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นจนถึงระดับหนึ่งที่ทำให้ค่ากระแสไฟฟ้าเริ่มเพิ่มขึ้นอีกครั้ง  แสดงว่าเกิดการแตกของฟิล์มพาสซีพ (passive film) เป็นรูเข็ม (pitting) นั่นคือค่าศักย์ไฟฟ้าที่เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (pitting potential, Ep) และค่ากระแสไฟฟ้าพาสซีพ (passive current density, I_p) แสดงดังรูปที่ 3

รูปที่ 2 เส้นโค้งโพลาไรเซชันสำหรับการกัดกร่อน แบบทั่วผิวหน้าของโลหะ (ASTM G 3)

 

 

รูปที่ 3 เส้นโค้งโพลาไรเซชันสำหรับการกัดกร่อนที่เกิดฟิล์มพาสซีพ (passive film) คลุมทั่วผิวหน้าโลหะ (ASTM G 3)

 

          ลักษณะของเส้นโค้งโพลาไรเซชัน (polarization curve) แสดงพฤติกรรมการกัดกร่อนของโลหะมีรายละเอียดดังนี้

• ค่าศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อน (corrosion potential, E_corr) เป็นค่าศักย์ไฟฟ้าที่โลหะเริ่มเกิดการกัดกร่อน ซึ่งถ้าโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อนต่ำจะไวต่อการกัดกร่อนมากกว่าโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อนสูง
• ค่าความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าการกัดกร่อน (corrosion current density, I_corr) เป็นค่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นที่จุดเกิด E_corr โดยค่า I_corr แสดงถึงการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้า (uniform corrosion) และสามารถนำมาคำนวณหาค่าอัตราการกัดกร่อนแบบทั่วผิวหน้าต่อปีของตัวอย่างทดสอบได้ จากสูตรดังนี้

                    อัตราการกัดกร่อน (corrosion rate) =(k x I_corr x EW)/(A x D)

                       –  k คือ ค่าคงที่ของการคำนวณเปลี่ยนหน่วยต่างๆ เช่น มีค่า 13 ถ้าอัตราการกัดกร่อนมีหน่วย มิลต่อปี (mil per year, mpy) หรือมีค่า 0.00327 ถ้าหน่วย มิลลิเมตรต่อปี (millimeter per year, mm/y)

                      –  I_corr คือ ค่าความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าการกัดกร่อน (corrosion current density) หน่วยเป็นไมโครแอมป์ต่อตารางเซนติเมตร (µA/cm²)

                       –  EW คือ ค่ามวลสมมูล (equivalent Weight) ของโลหะตัวอย่างที่ผ่านการทดสอบ ถ้าโลหะผสมต้องคำนวณตามสัดส่วน

                       –  A คือ พื้นที่ผิวของโลหะตัวอย่าง หน่วยเป็นตารางเซนติเมตร (cm²)

                       –  D คือ ความหนาแน่นของโลหะตัวอย่าง หน่วยเป็น กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร (g/cm³)

• ค่าศักย์ไฟฟ้าขณะที่เกิดฟิล์มที่ผิว (primary passivation potential, Epp) เป็นค่าศักย์ไฟฟ้าที่โลหะเกิดฟิล์มพาสซีพ (passive film) คลุมทั่วผิวหน้าโลหะ ซึ่งมีผลให้เกิดการกัดกร่อนน้อยลง
• ค่าศักย์ไฟฟ้าที่เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (pitting potential, Ep) เป็นค่าศักย์ไฟฟ้าที่โลหะเกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (pitting) ซึ่งพบในโลหะที่สามารถสร้างฟิล์มพาสซีพ (passive film) ที่ทนต่อการกัดกร่อน เช่น เหล็กกล้าไร้สนิม

 

          ตัวอย่าง เส้นโค้งโพลาไรเซชัน (polarization curve) และประเมินผลของการทดสอบแผ่นอะลูมิเนียมในสารละลายกรดซัลฟิวริก (Sulfuric acid, 1N H₂SO₄) รายละเอียดแสดงดังรูปที่ 4

 

จากเส้นโค้งโพลาไรเซซัน (polarization curve) ประเมินผลได้ดังนี้

–  ค่าศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อน (corrosion potential, E_corr) = – 0.142 V

–  ค่าความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าการกัดกร่อน (corrosion current density, I_corr) =  81 µA/ cm²

ข้อมูลของโลหะตัวอย่าง

–  ค่ามวลสมมูล (equivalent weight) ของอะลูมิเนียม =  99 g.

–  พื้นที่ผิวของโลหะตัวอย่าง =  1 cm²

–  ความหนาแน่นของอะลูมิเนียม =  7 g/cm³

คำนวณหาอัตราการกัดกร่อน (corrosion rate) =(k x I_corr x EW)/(A x D)

–  อัตราการกัดกร่อนของอะลูมิเนียม  =  0.15 mm/y

 

 

รูปที่ 4  เส้นโค้งโพลาไรเซชัน (polarization curve) ของการกัดกร่อนของแผ่นอะลูมิเนียมในสารละลายกรดซัลฟิวริก (Sulfuric acid,  1N H₂SO₄) และอัตราการกัดกร่อนของอะลูมิเนียม

 

          ตัวอย่างเส้นโค้งโพลาไรเซชัน (polarization curve) ที่เกิดฟิล์มพาสซีพ (passive film)  และประเมินผลค่าศักย์ไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการกัดแบบรูเข็ม จากการทดสอบแผ่นสแตนเลส ทดสอบในสารละลายโซเดียมคลอไรด์ (5%NaCl) แสดงดังรูปที่ 5

 

 

 

 

จากเส้นโค้งโพลาไรเซซัน (polarization curve) ที่เกิดฟิล์มพาสซีพ (passive film) ประเมินผลได้ดังนี้

ค่าศักย์ไฟฟ้าที่ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบรูเข็ม (pitting potential, E_p) =  0.12 V

 

 

 

 

 

รูปที่ 5  เส้นโค้งโพลาไรเซชัน (polarization curve) ของการกัดกร่อนของแผ่นสแตนเลส ในสารละลายโซเดียมคลอไรด์ (5% NaCl) ที่เกิดฟิล์มพาสซีพ (passive film)

 

          ผลการประเมินการกัดกร่อนของโลหะจากเส้นโค้งโพลาไรเซชัน (polarization curve) ถ้าโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อน (E_corr ) ต่ำ จะไวต่อการกัดกร่อนมากกว่าโลหะที่มีค่าศักย์ไฟฟ้าการกัดกร่อน (E_corr ) สูง และคำนวณหาอัตราการกัดกร่อนของโลหะต่อปีได้จากค่าความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าการกัดกร่อน (I_corr) ดังนั้นการทดสอบการกัดกร่อนโลหะโดยเทคนิคเคมีไฟฟ้า (electrochemical test) เป็นวิธีหนึ่งที่สามารถศึกษาพฤติกรรมการกัดกร่อนของโลหะได้ ใช้เวลาน้อย เพื่อช่วยให้การเลือกวัสดุให้เหมาะสมกับงานหรือสามารถหาวิธีป้องกันการกัดกร่อนได้ดี

 

เอกสารอ้างอิง

การกัดกร่อนและการเลือกใช้วัสดุ โดย รศ. ศิริลักษณ์ นิวิฐจรรยงค์ ภาควิชาเคมีอุตสาหการ คณะวิทยาศาสตร์ประยุกต์ สถาบันเทคโนโลยีพระจอมเกล้าพระนครเหนือพิมพ์ครั้งที่ 1 พ.ศ. 2545

Standard Practice for Convention Applicable to Electrochemical Measurements in Corrosion Testing¹, ASTM G 3 – 89 (reapproved 2004)

Standard Practice for Calculation of Corrosion Rate and Related information from Electrochemical Measurements¹, ASTM G 102 – 89 (reapproved 2004)^E1

คู่มือการใช้เครื่อง Potentiostat/Galvanostat