اکسیداسیون و زنگ زدگی فلزات (Corrosion) به عنوان پدیده‌ای طبیعی و ناخواسته، همواره یکی از چالش‌های رایج در صنایع مختلف و زندگی روزمره است و تهدیدی جدی برای عمر مفید سازه‌ها و تجهیزات فلزی محسوب میشود.
این فرآیند شیمیایی در نتیجه واکنش فلز با اکسیژن و در حضور رطوبت رخ می‌دهد و قادر به از بین بردن خواص مکانیکی فلز است. از این‌رو، شناخت فلزاتی که در برابر اکسیداسیون مقاوم هستند، اهمیت بالایی دارد. در این مقاله، به بررسی انواع فلزات مقاوم در برابر زنگ زدگی و دلایل این مقاومت می‌پردازیم. با شناخت این فلزات، می‌توان انتظار داشت که انتخاب‌های بهینه‌تری برای کاربردهای مختلف داشته باشیم و از بروز خسارات ناشی از خوردگی جلوگیری نماییم.
خوردگی یا زنگ زدگی چیست؟
از آنجا که شناخت پدیده اکسید شدن و مکانیزم آن می‌تواند در حل این مشکل کمک‌کننده باشد، در ابتدا به شرح این فرایند می‌پردازیم. زنگ زدگی فلزات حاصل ترکیب شدن آنها با اکسیژن موجود در هوا و تشکیل یک لایه اکسیدی روی سطح آن است. این پدیده می‌تواند در فلزات مختلف، اثرات گوناگونی داشته باشد. در آلومینیوم تشکیل لایه اکسیدی می‌تواند یک مکانیزم دفاعی باشد و از زنگ زدگی آلومینیوم جلوگیری کند چرا که این لایه به عنوان سدی مقاوم در برابر اکسیژن و رطوبت موجود در هوا عمل خواهد کرد.
اما در فلزات آهنی زنگ زدگی به این صورت نیست و برای آنها لازم خواهد بود الزاماتی برای افزایش طول عمرشان در نظر گرفته شود. همچنین آلیاژهای آهنی مانند فولادهای ساده، مقاومت خوبی در برابر اکسیداسیون ندارند و به این جهت دچار آسیب شده و علاوه بر بروز مشکلات مکانیکی، ظاهر آنها نیز بدنما می‌گردد.
انواع زنگ زدگی های رایج در صنعت و دلایل پدید آمدن آنها
پیش از شرح انواع خوردگی، ذکر این نکته لازم است که یکی از روش‌های دسته‌بندی انواع خوردگی‌ها یا زنگ زدگی‌ها در صنعت، بر اساس شکل ظاهری این پدیده است. انواع خوردگی فلزات و آلیاژهای آنها در غالب اوقات، با چشم غیر مسلح قابل تشخیص هستند، اما گاهی این تغییرات اکسیدی تنها از طریق ابزارهای خاص آزمایشگاهی قابل ردیابی هستند و به چشم دیده نمی‌شوند.
حال در ادامه به انواع خوردگی فلزات (و آلیاژهای فلزی) و دلایل پدیداری آنها می‌پردازیم:
1. خوردگی تنشی (Stress Corrosion Cracking)
خوردگی تنشی یا ترک خوردگی تنشی، در اثر تاثیر همزمان محیط خورنده و تنش کششی رخ می‌دهد. این نوع از خوردگی منجر به ایجاد ترک‌های بسیار ریز و ظریفی در نواحی با تنش بالا مانند گوشه‌های تیز یا محل اتصال اجزا مشاهده میشود. عوامل متقاوتی همچون نوع فلز، محیط خورنده، میزان تنش و تغییرات دمایی، در شدت و سرعت این نوع خوردگی موثر می‌باشند.
2.خوردگی حفره‌ای (Pitting Corrosion)
خوردگی حفره‌ای نوعی خوردگی موضعی است که باعث ایجاد حفره‌های کوچک و عمقی در سطح فلز میشود.از آنجا که این حفره‌ها اغلب با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند، بسیار خطرناک هستند.
این حفره‌ها در اثر عوامل مختلفی مانند پوشش ضعیف و رسوبات خارجی در خود فلز ایجاد می‌گردند.
3. خوردگی فرسایشی (Erosion Corrosion)
یکی دیگر از رایج‌ترین انواع خوردگی سطح فلز است که با چشم غیر مسلح قابل مشاهده است. زمانی اتفاق می‌افتد که سیالی خورنده از روی فلز عبور می‌کند و موجب ایجاد شیار، دهانه یا دره‌هایی روی سطح ماده میشود.
4. خوردگی شکافی (Crevice Corrosion)
خوردگی شکافی در شکاف‌های روی سطوح فلزی رخ می‌دهد و تجمع آلاینده‌هایی چون آب راکد در این شکاف‌ها، محیطی خورنده ایجاد کرده که باعث تشدید خوردگی و تخریب بیشتر فلز میشود.
5. خوردگی انتخابی (Selective Leaching)
خوردگی انتخابی یا لیچینگ، فرآیندی است که در آن یکی از عناصر تشکیل‌دهنده آلیاژ (مثلا نیکل در استنلس استیل)، در اثر تماس با یک سیال خورنده از آلیاژ جدا شده و منجر به ایجاد حفره و کاهش استحکام فلز میشود.
6. خوردگی یکنواخت (Uniform Corrosion)
در خوردگی یکنواخت، کل سطح فلز (مخصوصا فلزات آهنی) به صورت همگن و یکنواخت به تدریج نازک شده و در نهایت از بین می‌رود. علت اصلی این نوع خوردگی که به وضوح قابل مشاهده است، واکنش‌های شیمیایی یا الکتروشیمیایی بین فلز و محیط اطراف آن است.
7. خوردگی بین‌دانه‌ای (Intergranular Corrosion)
در خوردگی بین دانه‌ای، مرز دانه‌های موجود در ساختار مولکولی فلزات (مثلا در اثر عملیات حرارتی نامناسب) از بین رفته و باعث تخریب ساختار داخلی، کاهش استحکام و شکست زودهنگام قطعات میشود.
8. خوردگی گالوانیک یا دوفلزی (Galvanic Corrosion)
خوردگی گالوانیک هنگامی رخ می‌دهد که دو فلز متفاوت در تماس طولانی با هم قرار گیرند. در این حالت اختلاف پتانسیل الکتریکی این دو باعث ایجاد یک پیل الکتریکی شده و فلزی که پتانسیل الکتریکی کمتری دارد (آند) دچار خوردگی شدیدتری میشود.
چرا زنگ زدگی در برخی از فلزات رخ نمی‌دهد؟
فلزات با توجه به ماهیتی که دارند، بسیار واکنش‌پذیر هستند و می‌توان گفت که تمامی فلزات میل به واکنش با اکسیژن و اکسید شدن یا خوردگی را دارند. علت آن نیز وجود الکترون آزاد در لایه آخر اتمی آن‌هاست که به راحتی می‌تواند از اتم جدا شوند و سبب اکسیداسیون آنها شود.
اما همانطور که در فوق نیز اشاره شد، اکسیداسیون در فلزات مختلف با مکانیزم‌های متفاوتی اتفاق می‌افتد و در این بین نیز ممکن است برخی از فلزات دارای خوردگی قابل رویت نباشند و یا این فرایند در آنها به کندی صورت گیرد. اینجاست که اصطلاحا از آنها به عنوان فلزاتی که دچار زنگ زدگی نمی‌شوند، یاد میشود.
اغلب فلزات و آلیاژهای آنها که در برابر اکسیداسیون مقاومت بهتری دارند، مانند آلومینیوم، مس، استنلس استیل و…، مقاومت خود را از طریق تشکیل یک لایه اکسید غیرفعال که بر سطح آنها به وجود می‌آیند، به دست می‌آورند.
این لایه اکسیدی غیرفعال از خوردگی بیشتر قطعه جلوگیری می‌کند و زنگ زدگی در همان مکان متوقف میشود. در صورتی که در فلزاتی مثل آهن، وقتی لایه‌ای زنگ می‌زند، این لایه به بخش‌های مختلف سرایت کرده و باعث انتقال زنگ‌زدگی به تمام قطعه می‌گردد.
امروزه برای جلوگیری از اکسید شدن فلزات از روش‌های مختلفی مانند رنگ کردن، پوشش‌دهی، حفاظت کاتدی و… استفاده میشود. البته قطعا انتخاب روش مناسب برای جلوگیری از زنگ زدن فلزات به عوامل مختلفی مانند کاربری، هزینه مورد نیاز، اهمیت قطعه و… بستگی دارد. چرا که در برخی مواقع نیز چنانچه سایر عوامل مساعد باشد، کاربران به استفاده از متریالی که مقاومت بالایی در برابر عوامل خورنده داشته باشند، روی می آورند.
لازم است در انتها به این نکته مهم اشاره شود که معنای کلمه ضد زنگ در فلزات یا آلیاژهای آنها به این معنی نیست که خوردگی به هیچ وجه در آنها رخ نمی‌دهد. چرا که این امر تقریبا غیرممکن است. لذا همانطور که گفتیم، رفتار مختلف فلزات با تشکیل لایه اکسیدی است که سبب میشود آنها در چه مدت زمانی دچار عیب ناشی از خوردگی (تغییر در خواص مکانیکی و ظاهری) شوند.
فرایند زنگ زدگی در فلزات پرکاربرد صنعتی
همانطور که گفتیم، زنگ زدگی به معنای ترکیب فلز با اکسیژن و تشکیل اکسید آن فلز است. در فلزات مختلف، مکانیزم تشکیل اکسید متفاوت است و این تفاوت سبب رفتار آنها در برابر اکسیژن و مواد خورنده است. زنگ زدگی در فلزات پر کاربرد صنعتی که موضوع این بخش است، به صورت زیر اتفاق می‌افتد:
فلز آلومینیوم
آلومینیوم فلزی بسیار فعال است که به سرعت با هوا واکنش داده و اکسید میشود. این فعالیت به گونه‌ای است که شما حتی برای لحظه‌ای نمی‌توانید آلومینیوم خالص را در هوا نگه دارید. اما چرا آلومینیوم در محیط‌های مرطوب به خوبی دوام می‌آورد؟ علت آن تشکیل لایه Al2O3 غیرفعالی است که به صورت یکپارچه روی سطح آن تشکیل شده و مانع از نفوذ اکسیژن به داخل آن میشود. به همین دلیل است که زنگ زدگی در آلومینیوم، اصطلاحا اتفاق نمی‌افتد.
فلز مس
زنگ زدگی فلزات حاوی مس طی یک فرآیند سه مرحله‌ای رخ می‌دهد. در ابتدا مس با اکسیژن ترکیب میشود و اکسید مس را تشکیل می‌دهد. پس از آن این لایه به سولفید مس و در نهایت به کربنات مس تبدیل میشود که یک لایه سبز رنگ روی سطح مس تشکیل میشود. علاوه بر اکسیژن هوا، تماس مس با آب، نمک، ترکیبات اسیدی و گرما نیز می‌توانند سبب خوردگی مس شوند. تشکیل لایه اکسیدی مس می‌تواند از نفوذ بیشتر مواد خورنده جلوگیری کند و مقاومت آن را در برابر خوردگی افزایش دهد.
فلز تیتانیوم
مانند آلومینیوم زنگ زدگی فلزات حاوی تیتانیوم سبب تشکیل یک لایه غیرمتخلخل اکسیدی میشود که می‌تواند در برابر نفوذ اکسیژن و مواد خورنده مقاومت کند. البته لایه اکسید تیتانیوم تشکیل شده در برابر اسید هیدروفلوریک، هیدروکلریک داغ و سولفوریک اسید مقاومت خوبی ندارد و حل میشود.
فلز نیکل
نیکل کاربرد گسترده‌ای در صنعت فولاد دارد. این فلز از نظر خواص شیمیایی شباهت زیادی به آهن داشته با این تفاوت که در برابر خوردگی و اکسیداسیون مقاوم‌تر است و از این رو به راحتی اکسید نمی‌شود. در کنار فلز نیکل، آلیاژهای پایه نیکل نیز کاربردهای فراوانی دارند. به عنوان مثال آلیاژهایی مانند هستلوی‌ها و اینکونل‌ها را در مواردی که نتوان از آلیاژهای فولاد ضدزنگ استفاده نمود، گزینه مناسبی به شمار می‌آیند.
فلز آهن
آهن یکی از پرکاربردترین و در عین حال ضعیف‌ترین فلزات در برابر زنگ زدگی است. با ترکیب اکسیژن با آهن لایه Fe2O3 فعالی روی آن تشکیل میشود که این لایه مانند آلومینیوم یکپارچه نبوده و بسیار متخلخل است. این تخلل سبب میشود تا لایه زیرین آهن نیز دچار زنگ زدگی شده و ضخامت زیادی از قطعه را اکسید کند. برای بهبود زنگ زدگی فلزات آهنی از پوشش‌های ضد زنگ استفاده میشود و یا به جای آهن از آلیاژ استیل (فولاد)، قطعات پوشش‌دهی شده و… می‌توان استفاده نمود.
فولاد ضدزنگ یا استنلس استیل
استنلس استیل (Stainless Steel) از آن دسته آلیاژهای آهنی است که به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی هر روز بر کاربرد آن در صنایع گوناگون افزوده میشود. البته این آلیاژ در برابر خوردگی به صورت کامل و 100% مقاوم نیست، بلکه لایه بسیار نازک و شفاف از اکسید کروم غیرفعال تشکیل شده روی قطعه می‌تواند در برابر نفوذ اکسیژن مقاومت نموده و از اکسید شدن سایر قسمت‌های آن جلوگیری نماید.
چرا استفاده از استنلس استیل بهترین راه جلوگیری از زنگ زدگی است؟
همانطور که در فوق اشاره شد، روش‌های مختلفی برای جلوگیری از زنگ زدگی وجود دارد که بسته به اهمیت قطعه و سایر عوامل دخیل در انتخاب آن، کاربر می‌توانست به صرفه‌ترین آنها را انتخاب نماید. در این میان یکی از این راه حل‌ها، انتخاب مواد جایگزین بود.
استنلس استیل جز آن دسته متریال‌هایی است که به دلیل خواص ویژه (مقاومت بالا به خوردگی، استحکام، طول عمر زیاد، ظاهر زیبا، بهداشت، صرفه اقتصادی و…)، جز بهترین گزینه‌ها برای جلوگیری از زنگ زدگی و از بین بردن زنگ زدگی استیل در بسیاری از کاربردها به شمار می‌آید. البته که در انتخاب این دسته از آلیاژهای فولادی بایستی به انتخاب گرید مناسب از آن و رعایت نکات نگهداری مربوط به آنها نیز توجه شود.
چه گریدهایی از استنلس استیل، در برابر زنگ زدگی مقاوم‌ترند؟
زنگ زدگی استنلس استیل نسبت به سایر آلیاژهای آهنی بسیار کمتر است اما هر گرید مناسب شرایط خاصی است که بایستی به آن توجه نمود. به عبارت بهتر، نوع محیط (اسیدی، قلیایی، خنثی)، دما و رطوبت محیط و وجود مواد شیمیایی مختلف، در انتخاب گرید از این آلیاژ بسیار موثر است.
به عنوان مثال برخی از گریدهای این آلیاژ برای استفاده در محیط‌های مرطوب و ساحلی مناسب نیستند. استنلس استیل 201 و 304 در محیط‌های خارجی و در مناطق ساحلی پس از مدتی دچار خوردگی می‌شوند. در این شرایط، استنلس استیل 316 جایگزینی بسیار مناسب برای این دو گرید است. همچنین استیل 304 نیز دارای مقاومت خوبی در برابر خوردگی و اکسیداسیون در مناطق شرجی و مرطوب است، اما از آن برای محیط‌های داخلی استفاده میشود.
سخن آخر
همانطور که در متن به آن اشاره شد، هرچند که تمامی فلزات دچار خوردگی می‌شوند، اما برخی از آنها در این مورد نسبت به بقیه می‌توانند عمر بیشتری داشته باشند. اولین و مهم‌ترین گام در جلوگیری از خوردگی، انتخاب فلز یا آلیاژ مناسب با توجه به شرایط محیطی و کاربرد مورد نظر است، که در این مطلب سعی شد به بررسی آن پرداخته شود. به کمک راه‌های براق کردن استیل هم می‌توانید کیفیت و ظاهر استیل دکوراتیو را در طول زمان، حفظ کنید.
هرچند که در راستای جلوگیری از خوردگی، عوامل دیگری همچون نحوه طراحی قطعات، استفاده از پوشش‌های محافظ و در نهایت، بازرسی منظم و تعمیر به موقع آنها نیز به منظور جلوگیری از پیشرفت خوردگی و کاهش هزینه‌های تعمیرات موثر هستند.
انتهای پیام
مرتبط با :
استیل رخ
