สารเคลือบผิวแบบเปลี่ยนสภาพที่มีเซอร์โคเนียมเป็นส่วนประกอบ (ZrCCs) ได้ก้าวขึ้นมาเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มดีที่สุดสำหรับการบำบัดผิวโลหะในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากคุณสมบัติที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม—ไม่มีโลหะหนักและฟอสเฟต—ZrCCs จึงถูกนำไปใช้เชิงพาณิชย์อย่างกว้างขวางทั่วอุตสาหกรรมยานยนต์โลก อย่างไรก็ตาม ระหว่างกระบวนการอบร่วมกับสารเคลือบแบบอิเล็กโทรฟอเรซิส (โดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับการให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 140–180°C) ZrCCs มีแนวโน้มที่จะแตกร้าวและแม้กระทั่งหลุดลอก ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการยึดเกาะและความต้านทานการกัดกร่อนของระบบสารเคลือบหลายชั้นบนยานยนต์ ปรากฏการณ์นี้ได้กลายเป็นข้อจำกัดสำคัญที่ทำให้ประสิทธิภาพการป้องกันระยะยาวของ ZrCCs ลดลง และกลไกพื้นฐานที่แท้จริงยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่
เมื่อเร็วๆ นี้ สถาบันวิจัยสื่ออุตสาหกรรมเคอรุน ร่วมกับทีมวิจัยของศาสตราจารย์เฟิง เสว่ จากคณะวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยตงหนาน รวมทั้งนักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีหนานจิงและสถาบันอื่นๆ ได้ดำเนินการศึกษาระบบอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับพฤติกรรมการแตกร้าวของสารเคลือบแบบเปลี่ยนผ่านที่มีธาตุเซอร์โคเนียม (ZrCCs) ซึ่งเกิดขึ้นบนโลหะสำหรับยานยนต์ชนิดต่างๆ เช่น เหล็กและโลหะผสมอลูมิเนียม โดยใช้วิธีการจำลองกระบวนการเคลือบยานยนต์แบบหลายรูปแบบ ทีมงานได้สำรวจประเด็นดังกล่าวจากมุมมองใหม่ คือ ปริมาณน้ำภายใน ZrCCs และเปิดเผยกลไกการแตกร้าวที่เกิดจากความร้อนซึ่งขับเคลื่อนโดยกระบวนการลดน้ำ (dehydration) อย่างครอบคลุม
ผลการวิจัยล่าสุดที่มีชื่อว่า “การชี้แจงพฤติกรรมการแตกร้าวและการยับยั้งการแตกร้าวของสารเคลือบแบบเปลี่ยนผ่านที่มีธาตุเซอร์โคเนียมบนโลหะผสมอลูมิเนียมเกรด AA6016” ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Corrosion Science ซึ่งเป็นวารสารชั้นนำในสาขาวิทยาศาสตร์การกัดกร่อน
รูปที่ 1 การอธิบายเชิงผังกลไกการแตกร้าวจากการแก่ตัวด้วยความร้อนของฟิล์ม ZrCCs
โดยใช้อัลลอยด์อลูมิเนียม AA6016-T4 เป็นวัสดุพื้นฐาน นักวิจัยได้ออกแบบสูตรการเคลือบแบบเปลี่ยนผ่าน (conversion-coating) จำนวนสี่สูตรที่แตกต่างกัน ทั้งนี้ใช้โปรโตคอลการแก่ตัวด้วยความร้อนสามแบบเพื่อเลียนแบบกระบวนการเคลือบในอุตสาหกรรมยานยนต์ ซึ่งช่วยให้สามารถวิเคราะห์เปรียบเทียบวิวัฒนาการของโครงสร้างและรูปร่างของฟิล์ม ZrCC ได้
ก่อนการแก่ตัวด้วยความร้อน ฟิล์ม ZrCC ทั้งสี่ชนิดล้วนก่อตัวเป็นชั้นเคลือบที่ต่อเนื่องและสม่ำเสมอทั่วพื้นผิว ซึ่งในจำนวนนี้ ฟิล์ม ZrCC-CS มีอนุภาคแกน-เปลือก Cu@ZrO₂ กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอสูง และมีขอบเขตระหว่างชั้นเคลือบกับวัสดุพื้นฐานที่ชัดเจนและปราศจากข้อบกพร่อง
รูปที่ 2 (A) รูปร่างหน้าตัดของฟิล์ม ZrCCs; (B) แผนที่องค์ประกอบของบริเวณเฉพาะส่วนหนึ่งใน ZrCC-C; (C) รูปร่างพื้นผิวของอนุภาคบนผิวฟิล์ม ZrCC-CS ภายใต้กำลังขยายสูง; (D) แผนที่องค์ประกอบของบริเวณเฉพาะส่วนหนึ่งใน ZrCC-CS
ดำเนินการทดลองการแก่ตัวด้วยความร้อนสามชุด ดังนี้:
การอบโดยตรงที่อุณหภูมิ 180°C เพื่อเลียนแบบกระบวนการแข็งตัวของการเคลือบแบบอิเล็กโทรโฟเรซิส;
การให้ความร้อนแบบขั้นตอนย่อยที่อุณหภูมิ 100°C ตามด้วย 180°C เพื่อเลียนแบบกระบวนการอบแห้งในอุตสาหกรรม;
การบ่มสารเคลือบแบบอิเล็กโทรโฟเรซิส ตามด้วยการกำจัดชั้นเคลือบออก เพื่อเลียนแบบกระบวนการพ่นสีรถยนต์อย่างสมบูรณ์
การทดลองทั้งสามครั้งให้ผลลัพธ์ที่สอดคล้องกัน:
ZrCC-F เกิดการหดตัวเชิงปริมาตรอย่างรุนแรง ส่งผลให้เกิดรอยแตกร้าวเป็นโครงข่ายอย่างกว้างขวาง และการหลุดลอกบริเวณท้องถิ่น
การดัดแปลงด้วยสารเติมแต่งเพียงชนิดเดียวสามารถบรรเทาการแตกร้าวได้บางส่วน แต่ยังคงนำไปสู่การเกิดรอยแตกร้าวจุลภาคและลดการยึดเกาะระหว่างผิวสัมผัส
ZrCC-CS รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ได้ก่อนและหลังการแก่ตัวจากความร้อน โดยการยึดเกาะกับวัสดุพื้นฐานโลหะและชั้นเคลือบแบบอิเล็กโทรโฟเรซิสเพิ่มขึ้นมากกว่า 40% เมื่อเปรียบเทียบกับ ZrCC-F
รูปที่ 3 (A) ลักษณะพื้นผิวของ ZrCC หลังการแก่ตัวจากความร้อนโดยตรง; (B) การทำแผนที่องค์ประกอบของบริเวณที่ระบุด้วยเส้นประสีน้ำเงินใน ZrCC-F; (C) การทำแผนที่องค์ประกอบของบริเวณที่ระบุด้วยเส้นประสีเขียวใน ZrCC-C
หลังการแก่ตัวด้วยความร้อน สารเคลือบทั้งหมดยกเว้น ZrCC-CS แสดงลักษณะค่าคงที่เวลาสองค่า เนื่องจากการเกิดรอยแตก พร้อมกับการลดลงอย่างมีนัยสำคัญของค่าโมดูลัสอิมพีแดนซ์ การลดลงของค่าความต้านทานการขั้วไฟฟ้ามีมากที่สุดในกรณีของ ZrCC-F
แผนที่กระแสจากเทคนิคการสแกนด้วยขั้วไฟฟ้าแบบสั่น (Scanning Vibrating Electrode Technique: SVET) ยืนยันเพิ่มเติมถึงการมีอยู่ของจุดกัดกร่อนเฉพาะที่มีปฏิกิริยาสูงหลายจุดบนพื้นผิวของ ZrCC-F จุดเหล่านี้สอดคล้องกับบริเวณพื้นผิวโลหะฐานที่เปิดเผยออกมารอบๆ รอยแตก ซึ่งทำให้สารกัดกร่อนสามารถแทรกซึมผ่านชั้นเคลือบได้ ตรงข้ามกัน ZrCC-CS ไม่แสดงสัญญาณการกัดกร่อนเฉพาะที่มีนัยสำคัญแต่อย่างใด ซึ่งบ่งชี้ว่าโครงสร้างที่สมบูรณ์ของมันสามารถปิดกั้นเส้นทางการกัดกร่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรักษาสมรรถนะในการป้องกันระยะยาวไว้ได้
รูปที่ 4 ด้านซ้าย: ข้อมูลการสเปกโตรสโกปีอิมพีแดนซ์เชิงไฟฟ้าเคมี (Electrochemical Impedance Spectroscopy: EIS) ของ ZrCC ชนิดต่างๆ ในสารละลาย Na₂SO₄ 0.1 M: (A–C) กราฟไนควิสต์และโบด์ก่อนการแก่ตัวด้วยความร้อน; (D–F) กราฟไนควิสต์และโบด์หลังการแก่ตัวด้วยความร้อน
รูปที่ 5 ด้านขวา: การแจกแจงความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้าแบบสามมิติด้วยเทคนิค SVET ของ ZrCC ชนิดต่าง ๆ หลังการแก่ตัวด้วยความร้อน: (A) ZrCC-F-T; (B) ZrCC-C-T; (C) ZrCC-S-T; (D) ZrCC-CS-T
นักวิจัยพบว่าในระหว่างการแก่ตัวด้วยความร้อน ตัวอย่าง ZrCC แสดงลักษณะการสูญเสียน้ำแบบจำเพาะของไฮโดรไซด์เซอร์โคเนียม โดยน้ำหนักรวมที่สูญเสียไปของ ZrCC-F สูงถึง 42% ในขณะที่ ZrCC-CS สูญเสียเพียง 31%
ผ่านการวิเคราะห์แบบผสานกันระหว่างเทอร์โมไดนามิกส์ของปฏิกิริยาที่บริเวณขอบเขตระหว่างเฟสและจลนศาสตร์ของการเติบโตของชั้นเคลือบ ทีมวิจัยสามารถอธิบายกลไกที่ควบคุมน้ำที่ผูกพันอยู่ใน ZrCC ได้เพิ่มเติม ซึ่งในระยะเริ่มต้นของการกัดกร่อน Zr⁴⁺ ที่อยู่ในรูปของสารตั้งต้นที่มีการประสานกับลิแกนด์เกิดการสร้างนิวเคลียสแบบระเบิด (burst nucleation) ตามกลไก LaMer ตามด้วยการควบแน่นอย่างรวดเร็วเป็นโครงสร้างที่เชื่อมโยงกันด้วยหมู่ไฮดรอกซิลและสะพานออกซิเจน
การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของค่า pH ที่ผิวสัมผัสเร่งกระบวนการเกิดนิวเคลียสและการควบแน่นของอนุภาคโซลเซอร์โคเนียม ทำให้มีน้ำที่จับตัวอยู่ภายในอนุภาคลักษณะคอลลอยด์เป็นจำนวนมาก ส่งผลให้โครงสร้างเครือข่ายแบบเปิดมีความเป็นผลึกต่ำและอุดมไปด้วยหมู่ไฮดรอกซิล ด้วยการส่งเสริมสมดุลที่ดีขึ้นระหว่างการละลายที่แอโนดและการสะสมที่แคโทด ZrCC-CS จึงสามารถลดปริมาณน้ำที่จับตัวอยู่ภายในฟิล์มเคลือบแบบเปลี่ยนผ่านได้อย่างมีประสิทธิภาพ
รูปที่ 6 การวิเคราะห์พลศาสตร์การเจริญเติบโตของตัวอย่าง ZrCC: (A) ข้อมูลศักย์วงจรเปิด (OCP); (B) อัตราการสะสมของ ZrCC; (C–F) การวิเคราะห์แบบผสานกันของ OCP และอัตราการสะสมของ ZrCC
เมื่อเปรียบเทียบกับ ZrCC-F โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์เฉพาะที่ผิวสัมผัสของ ZrCC-CS ช่วยเสริมความแข็งแรงในการยึดเกาะของฟิล์มเคลือบแบบเปลี่ยนผ่าน จึงส่งผลให้ความสามารถในการต้านทานการเสื่อมสภาพจากความร้อนดีขึ้น
สเปกโตรสโกปีการดูดกลืนรังสีอัลตราไวโอเลต–มองเห็นแบบกระจาย (UV–Vis DRS) ยังสนับสนุนผลการศึกษาเหล่านี้เพิ่มเติม ทั้ง ZrCC-C และ ZrCC-CS แสดงแถบการดูดกลืนกว้างในช่วงความยาวคลื่น 450–700 นาโนเมตร ซึ่งเกิดจากปรากฏการณ์เรโซแนนซ์พลาสมอนผิวเฉพาะที่ (LSPR) ของอนุภาคทองแดง การสังเกตนี้บ่งชี้ถึงการเกิดโครงสร้างระหว่างผิวสัมผัส Cu/ZrO₂ ที่มีความหนาแน่นสูงขึ้นและผสานรวมกันอย่างแน่นแฟ้นยิ่งขึ้นภายในฟิล์มเคลือบแบบเปลี่ยนสภาพ
รูปที่ 7 ด้านซ้าย: สเปกตรัม XPS ของตัวอย่าง ZrCC ที่แตกต่างกัน: (A) สเปกตรัมภาพรวม; (B) Zr 3d; (C) Cu 2p; (D) สเปกตรัม Cu 2p₃/₂ ความละเอียดสูง; (E) การจับคู่ส่วนยอดของสเปกตรัม Cu 2p
รูปที่ 8 ด้านขวา: (A) สเปกตรัม UV–Vis DRS ของตัวอย่าง ZrCC ที่แตกต่างกัน; (B) การกำหนดค่าช่องว่างพลังงานเชิงแสง
การศึกษานี้แสดงให้เห็นว่าสาเหตุพื้นฐานของการเกิดรอยร้าวจากความร้อนใน ZrCCs คือการหดตัวเชิงปริมาตรอันเนื่องมาจากการสูญเสียน้ำที่ผูกพันไว้ ปรากฏการณ์นี้อาจเกิดขึ้นได้ทั้งในระหว่างการแก่ตัวจากความร้อนโดยตรง และการแก่ตัวจากความร้อนทางอ้อมภายใต้ชั้นเคลือบแบบอิเล็กโตรโฟเรซิส ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพการป้องกันของระบบเคลือบแบบหลายชั้นลดลงในที่สุด
เพื่อจัดการกับความท้าทายนี้ นักวิจัยได้เสนอแนวทางการยับยั้งการเกิดรอยร้าวแบบสองแนวทางอย่างสร้างสรรค์:
ควบคุมอัตราการเติบโตของชั้นเคลือบเพื่อลดปริมาณน้ำภายในชั้นเคลือบ;
ปรับโครงสร้างของชั้นเคลือบใหม่เพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการยึดเกาะภายในชั้นเคลือบ
งานวิจัยในอนาคตจะขยายขอบเขตการศึกษานี้ไปยังระบบที่มีโลหะหลายชนิดซึ่งประกอบด้วยโลหะผสมสังกะสีและแมกนีเซียม ช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น และการประเมินประสิทธิภาพในระยะยาว
ผู้เขียนคนแรกของบทความนี้คือ ดร.ดาลี่ เหว่ย จากสถาบันวิจัยสื่ออุตสาหกรรมเครุน
เกี่ยวกับหนานจิง เค่รุน
หนานจิง เค่รุน อุตสาหกรรมมีเดีย จำกัด (รหัสหลักทรัพย์: 835906) เป็นองค์กรระดับชาติที่เชี่ยวชาญและสร้างสรรค์นวัตกรรมแบบ 'ยักษ์ตัวน้อย' ซึ่งมุ่งเน้นการวิจัย พัฒนา การผลิต การขาย และบริการด้านเทคนิคของสื่ออุตสาหกรรมตลอดห่วงโซ่คุณค่าของการแปรรูปโลหะ
บริษัทให้บริการโซลูชันแบบบูรณาการครอบคลุม:
สื่อสำหรับการดับความร้อนในการอบอ่อน
ของเหลวสำหรับการขึ้นรูปและการกลึงโลหะ
สารเคมีสำหรับการบำบัดผิวที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
สื่อสำหรับการรีดเหล็กประสิทธิภาพสูง
ระบบอุปกรณ์การประมวลผลแบบครบวงจร
ในสาขาการรักษาพื้นผิวแบบสีเขียว สถาบันวิจัยสื่ออุตสาหกรรมเครุนยังคงมุ่งเน้นไปที่เทคโนโลยีการรักษาพื้นผิวและการป้องกันการกัดกร่อนสำหรับระบบที่ประกอบด้วยโลหะหลายชนิด ซึ่งใช้ในยานยนต์พลังงานใหม่ รวมถึงเหล็ก สังกะสี อลูมิเนียม และแมกนีเซียมอัลลอยด์ โดยมุ่งมั่นที่จะนำเสนอโซลูชันที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากยิ่งขึ้นให้กับอุตสาหกรรม
DOI ของบทความ: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.113826
EN
