การกัดกร่อนของโลหะ

เมื่อวัสดุโลหะสัมผัสกับตัวกลางโดยรอบ วัสดุจะถูกทำลายเนื่องจากการกระทำทางเคมีหรือไฟฟ้าเคมี การกัดกร่อนของโลหะเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติทางอุณหพลศาสตร์ โดยเปลี่ยนโลหะที่มีสถานะพลังงานสูงให้เป็นสารประกอบโลหะที่มีสถานะพลังงานต่ำ ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ ปรากฏการณ์การกัดกร่อนในอุตสาหกรรมปิโตรเลียมและปิโตรเคมีมีความซับซ้อนมากขึ้น รวมถึงการกัดกร่อนทางไฟฟ้าเคมีของน้ำเกลือ H₂S และ CO₂.
ธรรมชาติของกระบวนการกัดกร่อนส่วนใหญ่เป็นแบบไฟฟ้าเคมี คุณสมบัติทางไฟฟ้าของอินเทอร์เฟซโลหะ/สารละลายอิเล็กโทรไลต์ (ชั้นไฟฟ้าคู่) ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการศึกษาเกี่ยวกับกลไกการกัดกร่อน การวัดการกัดกร่อน และการตรวจสอบการกัดกร่อนในอุตสาหกรรม วิธีการทางไฟฟ้าเคมีที่ใช้กันทั่วไปในการวิจัยการกัดกร่อนของโลหะ ได้แก่ ศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิด (OCP) เส้นโค้งโพลาไรเซชัน (Tafel plot) สเปกโทรสโกปีอิมพีแดนซ์ไฟฟ้าเคมี (EIS)

1. เทคนิคในการศึกษาการกัดกร่อน

1.1 OCP

บนขั้วไฟฟ้าโลหะที่แยกได้ ปฏิกิริยาขั้วบวกหนึ่งปฏิกิริยาและปฏิกิริยาขั้วลบหนึ่งปฏิกิริยาจะดำเนินการด้วยความเร็วเท่ากันในเวลาเดียวกัน ซึ่งเรียกว่าการเชื่อมต่อของปฏิกิริยาขั้วไฟฟ้า ปฏิกิริยาของการเชื่อมต่อซึ่งกันและกันเรียกว่า “ปฏิกิริยาคอนจูเกชัน” และทั้งระบบเรียกว่า “ระบบคอนจูเกต” ในระบบคอนจูเกต ปฏิกิริยาขั้วไฟฟ้าสองตัวจะเชื่อมต่อกันและกัน และเมื่อศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าเท่ากัน ศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าจะไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา สถานะนี้เรียกว่า “สถานะเสถียร” และศักย์ไฟฟ้าที่สอดคล้องกันเรียกว่า “ศักย์ไฟฟ้าเสถียร” ในระบบการกัดกร่อน ศักย์ไฟฟ้านี้เรียกว่า “(self) ศักย์ไฟฟ้ากัดกร่อน E_corr” หรือ “ศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิด (OCP)” และความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าที่สอดคล้องกันเรียกว่า “(self) ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้ากัดกร่อน i_corr” โดยทั่วไป ยิ่งศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิดเป็นบวกมากเท่าใด ก็ยิ่งยากที่จะสูญเสียอิเล็กตรอนและถูกกัดกร่อนมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งบ่งชี้ว่าความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุนั้นดีกว่า
เวิร์กสเตชันไฟฟ้าเคมี CS potentiostat/galvanostat สามารถใช้ตรวจสอบศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าแบบเรียลไทม์ของวัสดุโลหะในระบบได้เป็นเวลานาน หลังจากที่ศักย์ไฟฟ้าคงที่แล้ว จะสามารถรับศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิดของวัสดุได้

1.2 เส้นโค้งโพลาไรเซชัน (Tafel plot)

โดยทั่วไป ปรากฏการณ์ที่ศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าเบี่ยงเบนไปจากศักย์ไฟฟ้าสมดุลเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านเรียกว่า “โพลาไรเซชัน” ในระบบไฟฟ้าเคมี เมื่อเกิดโพลาไรเซชัน การเลื่อนลงของศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าจากศักย์ไฟฟ้าสมดุลเรียกว่า “โพลาไรเซชันแคโทดิก” และการเลื่อนขึ้นของศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าจากศักย์ไฟฟ้าสมดุลเรียกว่า “โพลาไรเซชันแอโนดิก”
ในการแสดงออกถึงประสิทธิภาพโพลาไรเซชันของกระบวนการขั้วไฟฟ้าอย่างสมบูรณ์และใช้งานง่าย จำเป็นต้องกำหนดโอเวอร์-โพเทนเชียลหรือศักย์ไฟฟ้าของขั้วไฟฟ้าตามฟังก์ชันของความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า ซึ่งเรียกว่า “เส้นโค้งโพลาไรเซชัน”
สามารถคำนวณ i_corr ของวัสดุโลหะได้โดยอิงจากสมการ Stern-Geary

B คือสัมประสิทธิ์ Stern-Geary ของวัสดุ R_p คือความต้านทานโพลาไรเซชันของโลหะ

หลักการในการรับ i_corr ผ่านวิธีการ Tafel extrapolation
ซอฟต์แวร์ Corrtest CS studio สามารถทำการปรับเส้นโค้งโพลาไรเซชันได้โดยอัตโนมัติ สโลป Tafel ในส่วนแอโนดและส่วนแคโทด เช่น b_a และ b_c สามารถคำนวณได้ i_corr สามารถรับได้เช่นกัน โดยอิงจากกฎของฟาราเดย์และเมื่อรวมกับค่าเทียบเท่าทางไฟฟ้าเคมีของวัสดุ เราสามารถแปลงเป็นอัตราการกัดกร่อนของโลหะ (มม./ปี)

1.3 EIS

เทคโนโลยีอิมพีแดนซ์ไฟฟ้าเคมี หรือที่เรียกว่า อิมพีแดนซ์ AC วัดการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า (หรือกระแสไฟฟ้า) ของระบบไฟฟ้าเคมีตามฟังก์ชันของเวลาโดยการควบคุมกระแสไฟฟ้า (หรือแรงดันไฟฟ้า) ของระบบไฟฟ้าเคมีตามฟังก์ชันของการเปลี่ยนแปลงแบบไซนูซอยด์เมื่อเวลาผ่านไป วัดอิมพีแดนซ์ของระบบไฟฟ้าเคมี และศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับกลไกปฏิกิริยาของระบบ (ตัวกลาง/ฟิล์มเคลือบ/โลหะ) และวิเคราะห์พารามิเตอร์ไฟฟ้าเคมีของระบบการวัดแบบปรับแต่ง
สเปกตรัมอิมพีแดนซ์เป็นเส้นโค้งที่วาดจากข้อมูลอิมพีแดนซ์ที่วัดโดยวงจรทดสอบที่ความถี่ต่างๆ และสเปกตรัมอิมพีแดนซ์ของกระบวนการขั้วไฟฟ้าเรียกว่าสเปกตรัมอิมพีแดนซ์ไฟฟ้าเคมี มีสเปกตรัม EIS หลายประเภท แต่ที่ใช้กันทั่วไปคือ Nyquist plot และ Bode plot

2. ตัวอย่างการทดลอง

ยกตัวอย่างบทความที่เผยแพร่โดยผู้ใช้โดยใช้เวิร์กสเตชันไฟฟ้าเคมี CS350 บทนำโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีการของระบบวัดการกัดกร่อนของโลหะ
ผู้ใช้ศึกษาความต้านทานการกัดกร่อนของโครงค้ำยันโลหะผสม Ti-6Al-4V ที่เตรียมโดยวิธีขึ้นรูปแบบดั้งเดิม (ตัวอย่าง #1) วิธีการหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือก (ตัวอย่าง #2) และวิธีการหลอมด้วยลำอิเล็กตรอน (ตัวอย่าง #3) โครงค้ำยันใช้สำหรับการฝังในมนุษย์ ดังนั้นตัวกลางการกัดกร่อนจึงเป็นของเหลวในร่างกายจำลอง (SBF) อุณหภูมิของระบบทดลองยังต้องควบคุมที่ 37℃

เครื่องมือ: CS350 Potentiostat/galvanostat
อุปกรณ์ทดลอง:เซลล์กัดกร่อนแบบแบนหุ้ม CS936, เตาอบอบแห้งควบคุมอุณหภูมิ
ยาที่ใช้ในการทดลอง: อะซิโตน, SBF, เรซินอีพ็อกซีบ่มที่อุณหภูมิห้อง
ตัวกลางทดลอง:
ของเหลวในร่างกายจำลอง (SBF)：NaCl-8.01,KCl-0.4,CaCl₂-0.14,NaHCO₃-0.35,KH₂PO ₄-0.06, กลูโคส -0.34, หน่วยคือ: g/L
ตัวอย่าง (WE)
โครงค้ำยันโลหะผสม Ti-6Al-4V 20×20×2 มม.
พื้นที่ทำงานที่เปิดออกคือ 10×10 มม.
พื้นที่ที่ไม่ผ่านการทดสอบเคลือบ/ปิดผนึกด้วยเรซินอีพ็อกซีบ่มที่อุณหภูมิห้อง
ขั้วไฟฟ้าอ้างอิง (RE): ขั้วไฟฟ้าคาโลเมลอิ่มตัว
ขั้วไฟฟ้าเคาน์เตอร์ (CE): ขั้วไฟฟ้าการนำไฟฟ้า CS910 Pt

2.1 ขั้นตอนการทดลองและการตั้งค่าพารามิเตอร์

2.1.1 OCP
ก่อนทำการทดสอบ ขั้วไฟฟ้าทำงานต้องขัดจากหยาบไปละเอียด (360 mesh, 600 mesh, 800 mesh, 1000 mesh, 2000 mesh ตามลำดับ) จนกว่าพื้นผิวจะเรียบ หลังจากขัดแล้ว ให้ล้างด้วยน้ำกลั่นแล้วขจัดไขมันออกโดยใช้อะซิโตน ใส่ในเตาอบอบแห้งควบคุมอุณหภูมิและอบแห้งที่ 37℃ เพื่อใช้
ประกอบตัวอย่างลงในเซลล์กัดกร่อน ใส่ของเหลวในร่างกายจำลองลงในเซลล์กัดกร่อน และใส่ขั้วไฟฟ้าคาโลเมลอิ่มตัว (SCE) พร้อมสะพานเกลือลงในเซลล์กัดกร่อนแบบแบน ตรวจสอบให้แน่ใจว่าปลายของเส้นเลือดฝอย Luggin หันหน้าไปทางพื้นผิวขั้วไฟฟ้าทำงาน ควบคุมอุณหภูมิที่ 37℃ โดยการหมุนเวียนของน้ำ

เชื่อมต่อขั้วไฟฟ้ากับ potentiostat ด้วยสายเซลล์
การทดลอง→โพลาไรเซชันคงที่→OCP

คุณควรป้อนชื่อไฟล์สำหรับข้อมูล ตั้งค่าเวลาทั้งหมดของการทดสอบ และเริ่มการทดสอบ OCP ของวัสดุโลหะในสารละลายจะเปลี่ยนแปลงช้าๆ และต้องใช้เวลานานพอสมควรเพื่อให้คงที่ ดังนั้นจึงแนะนำให้ตั้งเวลาไม่น้อยกว่า 3000 วินาที

2.1.2 เส้นโค้งโพลาไรเซชัน

การทดลอง→โพลาไรเซชันคงที่→ไดนามิกศักย์ไฟฟ้า

ตั้งค่าศักย์ไฟฟ้าเริ่มต้น ศักย์ไฟฟ้าสุดท้าย และอัตราการสแกน เลือกโหมดเอาต์พุตศักย์ไฟฟ้าเป็น “vs. OCP”
สามารถตรวจสอบ “Use” เพื่อเลือกจุดยอด E#1 และจุดยอด E#2 หากไม่ได้ตรวจสอบ การสแกนจะไม่ผ่านศักย์ไฟฟ้าที่สอดคล้องกัน
มีจุดตั้งค่าศักย์ไฟฟ้าโพลาไรเซชันอิสระสูงสุด 4 จุด การสแกนเริ่มต้นจากศักย์ไฟฟ้าเริ่มต้น ไปยัง “จุดยอด E#1 ” และ “จุดยอด E#2” และสุดท้ายไปยังศักย์ไฟฟ้าสุดท้าย คลิกช่องทำเครื่องหมาย "Enable" เพื่อเปิดหรือปิด "Intermediate Potential 1" และ "Intermediate Potential 2" หากไม่ได้เลือกช่องทำเครื่องหมาย การสแกนจะไม่ผ่านค่านี้และตั้งค่าการสแกนศักย์ไฟฟ้าเป็นค่าถัดไป
เป็นที่น่าสังเกตว่าการวัดเส้นโค้งโพลาไรเซชันสามารถดำเนินการได้เฉพาะเมื่อ OCP คงที่อยู่แล้ว โดยปกติหลังจากพัก 10 นาที เราจะเปิดฟังก์ชัน OCP ที่เสถียรโดยคลิกที่:

→

ซอฟต์แวร์จะเริ่มการทดสอบโดยอัตโนมัติหลังจากความผันผวนของศักย์ไฟฟ้าต่ำกว่า 10mV/min
ในตัวอย่างการทดลองนี้ ผู้ใช้ตั้งค่าศักย์ไฟฟ้า -0.5~1.5V (เทียบกับ OCP)
คุณสามารถตั้งค่าเงื่อนไขเพื่อหยุดหรือย้อนกลับการสแกนได้ สิ่งนี้ใช้เป็นหลักในการวัดศักย์ไฟฟ้าหลุมและการวัดเส้นโค้ง Passivation

2.2 ผลลัพธ์
2.2.1 OCP
จากการทดสอบศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิด เราสามารถรับศักย์ไฟฟ้ากัดกร่อนอิสระ E_corr ซึ่งเราสามารถตัดสินความต้านทานการกัดกร่อนของวัสดุโลหะได้ โดยทั่วไป ยิ่ง E_corr เป็นบวกมากเท่าใด วัสดุก็จะถูกกัดกร่อนได้ยากขึ้นเท่านั้น

จากกราฟ เราสามารถสรุปได้ว่าความต้านทานการกัดกร่อนของตัวอย่าง #1&2 นั้นดีกว่า #3

2.2.2 การวิเคราะห์ Tafel plot (การวัดอัตราการกัดกร่อน)
โพลาไรเซชันของการทดลองนี้มีดังนี้:

ดังที่แสดง จากค่าอัตราการกัดกร่อนที่คำนวณได้ เราสามารถได้ข้อสรุปเช่นเดียวกับที่เราได้รับจากการวัด OCP อัตราการกัดกร่อนคำนวณโดย Tafel plot เราสามารถเห็นค่าของอัตราการกัดกร่อนเป็นไปตามข้อสรุปที่เราได้รับจากวิธี OCP
โดยอิงจาก Tafel plot เราสามารถรับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้ากัดกร่อน i_corr โดยใช้เครื่องมือวิเคราะห์การปรับแต่งที่รวมอยู่ในซอฟต์แวร์ CS studio ของเรา จากนั้นตามพารามิเตอร์อื่นๆ เช่น พื้นที่ขั้วไฟฟ้าทำงาน ความหนาแน่นของวัสดุ น้ำหนักเทียบเท่า อัตราการกัดกร่อนจะถูกคำนวณ

ขั้นตอนคือ:
นำเข้าไฟล์ข้อมูลโดยคลิก

การปรับแต่งข้อมูล

คลิกข้อมูลเซลล์ และป้อนค่าตามนั้น

หากคุณตั้งค่าพารามิเตอร์ในการตั้งค่าเซลล์ & ขั้วไฟฟ้าก่อนทำการทดสอบ คุณไม่จำเป็นต้องตั้งค่าข้อมูลเซลล์ที่นี่อีกครั้ง
คลิก “Tafel” เพื่อปรับแต่ง Tafel เลือกการปรับแต่ง Tafel อัตโนมัติหรือการปรับแต่งด้วยตนเองสำหรับข้อมูลของส่วนแอโนด/ส่วนแคโทด จากนั้นสามารถรับความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้ากัดกร่อน ศักย์ไฟฟ้ากัดกร่อนอิสระ อัตราการกัดกร่อน คุณสามารถลากผลการปรับแต่งไปยังกราฟ

3. การวัด EIS
การทดลอง → อิมพีแดนซ์ → EIS เทียบกับ ความถี่

EIS ของเหล็กกล้าคาร์บอน Q235 ในสารละลาย NaCl 3.5% มีดังนี้:

Q235 แผนภาพอิมพีแดนซ์เหล็กกล้าคาร์บอน - Nyquist

การปรับวงจรเทียบเท่าสำหรับผลลัพธ์ EIS เหล็กกล้าคาร์บอน Q235

ขั้นตอนมีดังนี้:
วาดวงจรเทียบเท่าของส่วนโค้งความจุ - ใช้แบบจำลองใน “quick fit” เพื่อรับ R1, C1, R2
วาดวงจรเทียบเท่าของส่วนอิมพีแดนซ์ Warburg - ใช้แบบจำลองใน “quick fit” เพื่อรับค่าเฉพาะของ Ws
ลากค่าไปยังวงจรที่ซับซ้อน→ เปลี่ยนประเภทองค์ประกอบทั้งหมดเป็น “Free+” → คลิก Fit
จากผลลัพธ์ เราเห็นว่าข้อผิดพลาดน้อยกว่า 5% ซึ่งบ่งชี้ว่าวงจรเทียบเท่าที่เราวาดนั้นสอดคล้องกับวงจรอิมพีแดนซ์ของการวัดจริง โดยทั่วไปแล้ว Bode fitting plot จะสอดคล้องกับ plot ดั้งเดิม
Bode: Fitting plot เทียบกับ ผลการวัดจริง