ชิ้นส่วนอะลูมิเนียมเกรด ADC12 อาจกลายเป็นหมอง ซีด หรือแม้แต่ดำหลังการกลึง ของเหลวตัดเฉือนที่ผสมใหม่อาจให้ผลการทำงานที่ดี แต่คุณภาพพื้นผิวอาจไม่สม่ำเสมอขึ้นเรื่อยๆ แม้เมื่อความเข้มข้นและค่า pH ของของเหลวยังคงอยู่ในช่วงที่กำหนดก็ตาม
อะไรเป็นสาเหตุของการเปลี่ยนแปลงนี้
หลังจากได้รับรายงานจากลูกค้า สถาบันวิจัยของเหลวอุตสาหกรรมเคอรุน (KERUN Industrial Fluids Research Institute) ได้ศึกษาสามประเด็น ได้แก่ สาเหตุของการเกิดคราบสีที่เกี่ยวข้องกับการกัดกร่อน ประสิทธิภาพของสารยับยั้งการกัดกร่อนชนิดต่างๆ และผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของของเหลวระหว่างการใช้งานต่อการป้องกันพื้นผิว
การศึกษานี้มุ่งเน้นโครงสร้างของฟอสเฟตเอสเทอร์และสภาพแวดล้อมไอออนิกในของเหลวตัดเฉือนแบบน้ำ โดยเชื่อมโยงผลการทดลองในห้องปฏิบัติการเข้ากับการวิเคราะห์และแก้ไขปัญหาจริง
ADC12 เป็นโลหะผสมอลูมิเนียมแบบฉีดขึ้นรูปที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ซึ่งประกอบด้วยธาตุผสม เช่น ทองแดง แมกนีเซียม และสังกะสี สภาพพื้นผิวของวัสดุชนิดนี้อาจไวต่อสภาพแวดล้อมขณะกลึง
ในของเหลวตัดเฉือนแบบน้ำ ปัจจัยหลายประการสามารถก่อให้เกิดการเปลี่ยนสีได้
ดังนั้น การวิเคราะห์หาสาเหตุของปัญหาจึงจำเป็นต้องประเมินระบบสารยับยั้งการกัดกร่อน คุณภาพน้ำ และสภาวะการใช้งานอย่างรอบด้าน ควบคู่ไปกับความเข้มข้นและค่า pH
เอสเทอร์ฟอสเฟตมักใช้เป็นสารยับยั้งการกัดกร่อนอลูมิเนียมในของเหลวสำหรับงานโลหะที่ใช้น้ำเป็นส่วนประกอบ โครงสร้างโมเลกุลของมันมีอิทธิพลต่อการดูดซับลงบนพื้นผิวโลหะ การก่อตัวของฟิล์มป้องกัน และความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของสภาวะไอออนในสารละลาย
KERUN ประเมินเอสเทอร์ฟอสเฟตจำนวนเจ็ดชนิดที่มีโครงสร้างโมเลกุลตัวแทน โดยใช้การทดสอบการกัดกร่อนแบบจุ่มทั้งชิ้นกับตัวอย่างอลูมิเนียมชนิด ADC12
ตาราง 1 การให้คะแนนการกัดกร่อนของตัวอย่างอะลูมิเนียมหลังจากจุ่มในสารละลายทดสอบน้ำบริสุทธิ์
เอสเทอร์ฟอสเฟตแอลคิลที่มีโครงสร้างกิ่งบางชนิดสามารถสร้างฟิล์มการดูดซับที่ค่อนข้างแน่นและไม่ชอบน้ำได้ หลังจากจุ่มเป็นเวลาแปดชั่วโมงภายใต้สภาวะน้ำบริสุทธิ์ ตัวอย่างยังคงมีลักษณะพื้นผิวที่ค่อนข้างดี เอสเทอร์ฟอสเฟตออกทิลที่มีโครงสร้างตรงก็แสดงความสามารถในการสร้างฟิล์มเริ่มต้นที่ดีภายใต้สภาวะเดียวกันนี้เช่นกัน
เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว เอสเทอร์ฟอสเฟตแอลคิลโพลีออกซีเอทิลีนอีเธอร์บางชนิดสามารถสร้างฟิล์มได้ไม่สมบูรณ์นัก ความชอบน้ำที่สูงกว่าและอุปสรรคเชิงพื้นที่ที่มากกว่าของสารเหล่านี้สัมพันธ์กับความไวต่อการเกิดรูพรุนและการเกิดคราบมากขึ้น
ผลลัพธ์เหล่านี้บ่งชี้ว่า การเลือกสารยับยั้งควรพิจารณาโครงสร้างโมเลกุลเฉพาะ ความสามารถในการสร้างฟิล์ม รวมทั้งประเภทและปริมาณของสารเติมแต่งด้วย
การทดสอบในน้ำบริสุทธิ์ให้ข้อมูลพื้นฐานที่มีประโยชน์สำหรับการประเมินการป้องกันเบื้องต้น แต่ไม่สามารถแทนสภาพจริงของการใช้งานของของเหลวตัดได้อย่างครบถ้วน
ในระหว่างการกลึง น้ำที่เติมเข้าไปอาจนำไอออนแคลเซียม แมกนีเซียม และคลอไรด์เข้าสู่ระบบ ชิ้นส่วนอลูมิเนียมที่มีปฏิกิริยาได้ยังสามารถทำให้เกิดการสะสมของไอออนอลูมิเนียมในของเหลวอย่างค่อยเป็นค่อยไป การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพของฟอสเฟตเอสเทอร์และสมบูรณ์ของฟิล์มป้องกัน
เพื่อศึกษาผลกระทบดังกล่าว นักวิจัยได้ทดสอบฟอสเฟตเอสเทอร์ทั้งเจ็ดชนิดภายใต้ระดับความกระด้างจากแคลเซียมและแมกนีเซียมที่แตกต่างกัน รวมทั้งความเข้มข้นของไอออนอลูมิเนียมที่หลากหลาย
ตาราง 2 การประเมินการกัดกร่อนของตัวอย่างอลูมิเนียมหลังจากแช่ในสารละลายทดสอบน้ำแข็งที่มีแคลเซียม–แมกนีเซียมตามมาตรฐาน
ตาราง 3 การประเมินการกัดกร่อนของตัวอย่างอลูมิเนียมหลังจากแช่ในสารละลายทดสอบที่มีไอออนอลูมิเนียม
เมื่อความเข้มข้นของไอออนแคลเซียม แมกนีเซียม และอลูมิเนียมเพิ่มขึ้น ฟอสเฟตเอสเทอร์หลายชนิดแสดงแนวโน้มลดลงในการยับยั้งการกัดกร่อน แม้ว่าระดับการลดลงจะแตกต่างกันไป
เอสเทอร์ฟอสเฟตแอลคิลบางชนิดที่มีโครงสร้างกิ่งก้านแสดงความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้ดีกว่าค่าเฉลี่ย และยังคงให้การป้องกันที่ดีภายใต้สภาวะน้ำแข็งบางประการ อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพของสารเหล่านี้ก็ลดลงเช่นกัน เมื่อความเข้มข้นของไอออนเพิ่มสูงขึ้นต่อเนื่อง
การใช้น้ำบริสุทธิ์สำหรับการผสมครั้งแรกไม่สามารถกำจัดความเสี่ยงนี้ได้โดยสิ้นเชิง แม้จะช่วยลดการนำไอออนแคลเซียมและแมกนีเซียมเข้ามา แต่ก็ไม่อาจป้องกันไม่ให้ไอออนอะลูมิเนียมสะสมขึ้นระหว่างกระบวนการกลึงได้
สิ่งนี้ช่วยอธิบายว่าเหตุใดของเหลวที่ให้ผลดีเมื่อผสมใหม่ๆ จึงอาจให้การป้องกันพื้นผิวที่ไม่สม่ำเสมอขึ้นหลังใช้งานเป็นเวลานาน
นักวิจัยได้ศึกษาพื้นผิวอะลูมิเนียมเพิ่มเติมด้วยเทคนิคสเปกโตรสโกปีความต้านทานไฟฟ้าแบบอิเล็กโทรเคมี (EIS) ไมโครสโคปอิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) และสเปกโตรสโกปีรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน (EDS)
ผลการทดลองแสดงว่า เอสเทอร์ฟอสเฟตทั้งหมดแสดงการดูดซับบางส่วนบนพื้นผิวอะลูมิเนียม แต่ความสมบูรณ์ของฟิล์มที่เกิดขึ้นนั้นมีความแตกต่างกันอย่างมาก
ฟิล์มที่มีความต่อเนื่องและมีความหนาแน่นสูงจะจำกัดการสัมผัสโดยตรงระหว่างของเหลวที่มีค่า pH เป็นด่างกับพื้นผิวอะลูมิเนียม ซึ่งช่วยลดการกัดกร่อนและการเกิดคราบสกปรก ขณะที่บริเวณที่ฟิล์มมีช่องว่างจะทำให้พื้นผิวโลหะบริเวณนั้นถูกเปิดเผยออก จนอาจเกิดการกัดกร่อนแบบจุด (pitting) พื้นผิวหมองคล้ำ หรือเปลี่ยนเป็นสีดำได้
รูปที่ 1 แผนภาพไนควิสต์ (Nyquist plots) สำหรับอะลูมิเนียมที่สัมผัสกับสารละลายทดสอบฟอสเฟตเอสเทอร์ชนิดต่าง ๆ
รูปที่ 2 ภาพถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน (SEM) ของพื้นผิวอะลูมิเนียมที่ผ่านการบำบัดด้วยฟอสเฟตเอสเทอร์แต่ละชนิด: (ก) NF-3; (ข) MDIT; (ค) PZ; (ง) ASI80; (จ) PA24; (ฉ) PE169; (ช) LB400
การประเมินประสิทธิภาพของสารยับยั้งการกัดกร่อนอะลูมิเนียมจึงไม่เพียงพอแค่ยืนยันว่าสารนั้นสามารถสร้างฟิล์มได้เท่านั้น แต่ฟิล์มที่เกิดขึ้นยังต้องคงประสิทธิภาพไว้แม้เมื่อองค์ประกอบของน้ำเปลี่ยนแปลงไป และมีการสะสมของไอออนโลหะ
งานวิจัยนี้เสนอกรอบแนวทางเชิงปฏิบัติสำหรับการวิเคราะห์ปัญหาการเปลี่ยนสีของอะลูมิเนียม:
การเพิ่มความเข้มข้นของของเหลวหรือเติมสารยับยั้งการกัดกร่อนมากขึ้นเพียงอย่างเดียวอาจไม่สามารถแก้ไขปัญหาพื้นฐานได้ การประเมินร่วมกันทั้งวัสดุ สูตรเคมี คุณภาพน้ำ และสภาวะการใช้งาน จะช่วยให้ระบุสาเหตุได้อย่างแม่นยำยิ่งขึ้น และลดข้อบกพร่องบนผิวงานรวมทั้งความแปรปรวนระหว่างแต่ละล็อตการผลิต
สำหรับ KERUN ข้อเสนอแนะจากลูกค้าคือจุดเริ่มต้นของการวิจัยที่สนับสนุนการเลือกของเหลว การพัฒนาสูตร และประสิทธิภาพที่เชื่อถือได้ในการผลิต การเชื่อมโยงสังเกตการณ์จากภาคสนามเข้ากับการทดสอบในห้องปฏิบัติการและการสนับสนุนการใช้งานจริง ช่วยเปลี่ยนข้อมูลเหล่านี้ให้กลายเป็นการปรับปรุงเชิงปฏิบัติที่ส่งผลต่อความเสถียรในการกลึงและคุณภาพผิวงาน
EN
