گاهی ممکن است فولاد با آن همه سخت و مقاوم بودنش، تحت تأثیر عوامل محیطی دچار خوردگی شود. خوردگی فولاد یک فرآیند الکتروشیمیایی است که نیاز به حضور همزمان رطوبت و اکسیژن دارد. اساساً، آهن موجود در فولاد برای تولید زنگ زدگی اکسید می شود که تقریباً شش برابر حجم ماده اصلی را اشغال می کند. در مقاله قبل در خصوص جلوگیری از زنگ زدن میلگرد صحبت کردیم. در ادامه به توضیح معنای خوردگی فولاد ، انواع خوردگی در صنعت و راه های مقابله با آن خواهیم پرداخت:
خوردگی فولاد یک فرآیند طبیعی است که یک فلز تصفیه شده را به شکل پایدارتر شیمیایی مانند اکسید، هیدروکسید یا سولفید تبدیل می کند. این تخریب تدریجی مواد توسط واکنش شیمیایی و یا الکتروشیمیایی با محیط آن ها است. مهندسی خوردگی رشته ای است که به کنترل و جلوگیری از خوردگی اختصاص دارد.
در متداول ترین کاربرد عبارت خوردگی فولاد، می توان به معنی اکسیداسیون الکتروشیمیایی فلز در واکنش با اکسیدانی مانند اکسیژن یا سولفات ها اشاره کرد. زنگ زدگی و تشکیل اکسیدهای آهن، نمونه ای شناخته شده از خوردگی الکتروشیمیایی است که این نوع آسیب معمولاً منجر به تولید یک رنگ نارنجی مشخص می شود. همچنین خوردگی می تواند در موادی غیر از فلزات و فولاد مانند سرامیک ها یا پلیمر ها نیز وجود داشته باشد، گرچه در این زمینه اصطلاح "تخریب" بیشتر دیده می شود. خوردگی باعث کاهش خصوصیات مفید مواد و سازه ها از جمله مقاومت، ظاهر و نفوذ پذیری مایعات و گازها نیز می شود.
بسیاری از آلیاژهای ساختاری فقط در اثر قرار گرفتن در معرض رطوبت هوا دچار خوردگی می شوند، اما این فرآیند می تواند به شدت تحت تأثیر قرار گرفتن در معرض مواد خاصی قرار گیرد. خوردگی می تواند به صورت محلی متمرکز شده و گودال یا ترک هایی ایجاد کند یا می تواند در ناحیه وسیعی گسترش یابد که کم و بیش به صورت یکنواخت سطح را از بین ببرد. از آنجا که خوردگی یک فرآیند کنترل شده است و در سطوح در معرض شرایط خاص محیطی رخ می دهد، در نتیجه روش های کاهش فعالیت سطح در معرض آسیب، مانند تولید کرومات می توانند مقاومت در برابر خوردگی فولاد را افزایش دهند. با این حال برخی از مکانیزم‌های خوردگی فولاد کم تر دیده می شوند و کم تر قابل پیش بینی هستند.
هنگام خوردگی فولاد در یک نقطه خاص در سطح جسم ساخته شده از آهن، اکسیداسیون صورت می گیرد و آن لکه مانند آند رفتار می کند. الکترون های آزاد شده در این نقطه آندی از طریق فلز حرکت می کنند و به نقطه دیگری از فلز می روند. در حضور H + (که تصور می شود از H2CO3 تشکیل شده به دلیل انحلال دی اکسید کربن از هوا به آب موجود در آن) اکسیژن را در آن نقطه کاهش می دهد. شرایط هوای مرطوب جو و وجود یون هیدروژن در آب نیز ممکن است به دلیل انحلال سایر اکسیدهای اسیدی از جو موجود باشد. این لکه مانند کاتد رفتار می کند.
فرآیند شیمایی خوردگی فولاد و فلزات پیچیده است، به طوری که خوردگی فولاد را می توان یک فرآیند الکتروشیمیایی در نظر گرفت که به صورت مرحله ای اتفاق می افتد. حمله ی اولیه در مناطق آندی در سطح، جایی که یون های آهن وجود دارند، رخ می دهد. الکترون ها از آند آزاد شده و از طریق ساختار فلزی به مکان های کاتدی مجاور سطح حرکت می کنند، یعنی جایی که آن ها با اکسیژن و آب ترکیب می شوند و یون های هیدروکسیل را تشکیل می دهند، سپس با یون های آزاد شده از آند واکنش نشان می دهند و هیدروکسید آهن تولید می کنند که خود نیز بیشتر در هوا اکسید می شود و اکسید آهن هیدراته را می سازد (یعنی زنگ قرمز). مجموع این واکنش ها را می توان با معادله زیر نشان داد:
Fe 3O2 2H2O = 2Fe2O3H2O (فولاد) (اکسیژن) (آب) = اکسید آهن هیدراته (زنگ)با این حال، پس از یک دوره ی زمانی، اثرات قطبی مانند رشد میزان خوردگی بر روی سطح باعث خفه شدن و توقف روند خوردگی می شود. طی دوره های طولانی، از دست دادن فلز روی سطح به صورت یکنواخت عجیب نیست و این روند معمولاً به عنوان "خوردگی عمومی" توصیف می شود. فرآیند خوردگی نیاز به حضور همزمان آب و اکسیژن دارد، به طوری که در غیاب هر دو اصلاً خوردگی ایجاد نمی شود.
وقتی دو فلز غیر مشابه به هم متصل می شوند و در تماس با الکترولیت هستند، جریان الکتریکی از بین آن ها عبور می کند و خوردگی روی فلز آندی رخ می دهد. بعضی از فلزات (به عنوان مثال فولاد ضد زنگ) باعث می شوند فولاد با ساختار کم آلیاژ به طور تدریجی خورده شود، در حالی که سایر فلزات (به عنوان مثال روی) ترجیحاً از فولاد با ساختار کم آلیاژ محافظت می کنند. گرایش فلزات غیر مشابه به خوردگی دو فلزی تا حدودی به موقعیت مربوطه در سری گالوانیک بستگی دارد. هر چه فاصله ی دو فلز در این سری بیشتر باشد، تمایل به خوردگی بیشتر می شود. جنبه ی دیگری که در خوردگی دو فلزی تأثیر می گذارد، ماهیت الکترولیت است که نباید آن را فراموش کرد.
تقریباً 85٪ از کل فولاد تولید شده از فولاد کربنی است و بنابراین در برابر اکسیداسیون طبیعی و خوردگی گالوانیک حساس است. میزان خوردگی در شرایط جوی معمول به خوبی قابل درک است اما برای مهندس طراح باید شرایط دقیق محلی یا جزئیات محیط به خوبی بررسی شود تا به دوام نهایی طرح اطمینان داشته باشد. سایر محیط های کوچک شامل قرار گرفتن در معرض آب شیرین، نمک و یا در خاک است. خوردگی فولاد کربنی و حتی فولادهای آلیاژی در محیط می تواند بسیار پیچیده باشد؛ به عنوان مثال، PH میزان رطوبت و سطح کلرید تنها سه متغیر تعیین کننده میزان خوردگی فولاد گالوانیزه در خاک هستند.
تهیه ی نمودارهای خوردگی به دلیل وجود بسیاری از متغیرها در هر محیط بسیار دشوار است. به عنوان مثال، برای سنجش میزان خوردگی در آب باید عواملی مانند میزان اکسیژن، میزان تحریک، عملکرد موج، دما، سطح کلراید و موارد دیگر را در نظر گرفت که این امر باعث می شود که یک نمودار پیش بینی کننده ی میزان خوردگی برای هر مکان خاص گسترده و گاهی پر هزینه باشد. برخی نمودارهای خوردگی وجود دارند ولی نه برای هر محیط و شرایطی اما برای محیط هایی که طی مدت طولانی بتوان آن ها را زیر نظر گرفت می توان نمودار میزان خوردگی تهیه کرد.
متداول ترین جوی که خوردگی فولاد و فلزات و همینطور زنگ زدگی ممکن است در آن ها به وجود آید، قرار گرفتن در هوای آزاد است. وقتی فولاد، مس، منیزیم، آلومینیوم و دیگر عناصر در معرض جو قرار می گیرند، آن ها با جریان آزاد هوا و رطوبت واکنش داده و اکسید ایجاد می کنند. عملکرد فلزات در معرض جو به پنج عامل اصلی بستگی دارد: دما، رطوبت، بارندگی و غلظت دی اکسید گوگرد (آلودگی) در هوا. هیچ یک از این عوامل را نمی توان به عنوان عامل اصلی ایجاد خوردگی در نظر گرفت.
مطالعات گسترده ای بر روی این فلزات انجام شده است و میزان خوردگی قابل پیش بینی برای هر یک موجود می باشد. خوردگی فولاد کربن زمانی اتفاق می افتد که رطوبت نسبی هوا 70٪ تا 80٪ باشد و دمای هوا بالاتر از 32 درجه ی فارنهایت باشد. سرعت خوردگی ممکن است توسط ناخالصی های هوا که در آب غلیظ شده یا آب باران حل شود و یا توسط گرد و غبار و خاک بر روی آن تسریع یابد.
فولاد در خاک تحت طیف وسیعی از نیروهای خورنده قرار می گیرد. بر خلاف آن چه در شرایط قرار گرفتن در معرض جوی تجربه می شود، عملکرد فولاد در زمین به اندازه ی دوام آن بر روی سطح زمین نیست. با وجود بیش از 200 نوع مختلف خاک، میزان خوردگی در خاک متنوع است و پیش بینی آن دشوار است. فولاد برای خوردگی به اکسیژن، رطوبت و وجود نمک های محلول نیاز دارد و اگر هر یک از این موارد وجود نداشته باشد واکنش خوردگی متوقف می شود یا بسیار کند پیش می رود. فولاد در محیط های اسیدی به سرعت دچار خوردگی می شود و با افزایش قلیائیت خاک به آرامی خوردگی در آن اتفاق میفتد و یا اصلاً خوردگی پیدا نمی کند. میزان خوردگی فولاد در خاک می تواند از کمتر از 0.2 میکرون در سال در شرایط مطلوب تا 20 میکرون در سال و یا بیشتر باشد.
اصلی ترین عواملی که باعث خوردگی خاک می شوند، میزان رطوبت، سطح pH و کلریدها هستند. این شرایط خاک تحت تأثیر خصوصیات اضافی مانند هوادهی، دما، مقاومت و بافت یا اندازه ذرات قرار می گیرد. هر خاك ماده ای بسیار ناهمگن است كه از سه فاز جامد، گازی و آبی تشکیل شده است. فاز جامد شامل ذرات خاک است که از نظر اندازه، ترکیب شیمیایی و سطح مواد آلی متفاوت هستند. فاز جامد خاک ها با توجه به متوسط اندازه ذرات و شیمی آن ها طبقه بندی می شوند.
فاز آبی یا رطوبت خاک وسیله ای است که اجازه می دهد تا خوردگی فولاد ادامه یابد. اسیدیته نسبی محلول آبی مهم ترین عامل در میزان خوردگی است. در pH پایین تکامل هیدروژن تمایل به از بین بردن احتمال تشکیل لایه ی محافظ دارد، بنابراین خوردگی فولاد ادامه دارد اما در محلول های قلیایی لایه های محافظ ایجاد شود و میزان خوردگی را کاهش می دهد. هر چه میزان قلیائیت بیشتر باشد، سرعت خوردگی کندتر خواهد شد.
استفاده از پوشش رنگ یک روش مقرون به صرفه برای جلوگیری از خوردگی است. پوشش های رنگی به عنوان مانعی برای جلوگیری از انتقال بار الکتروشیمیایی از محلول خورنده به فلز موجود در زیر لایه ی رنگ عمل می کنند. احتمال دیگر استفاده از پوشش پودری است که در این فرآیند، یک پودر خشک به سطح تمیز فولاد زده و سپس فولاد گرم می شود. تعدادی از ترکیبات مختلف پودری مانند آکریلیک، پلی استر، اپوکسی، نایلون و یورتان می تواند مورد استفاده قرار گیرند.
خوردگی در اثر واکنش شیمیایی بین فلز و گازهای موجود در محیط اطراف ایجاد می شود. با اتخاذ تدابیری برای کنترل محیط می توان این واکنش های ناخواسته را به حداقل رساند. این امر می تواند به سادگی قرار ندادن فولاد در معرض باران یا آب دریا باشد و یا اقدامات پیچیده تری مانند کنترل میزان گوگرد، کلر یا اکسیژن در محیط اطراف باید برای آن انجام گیرد.
حفاظت آندی شامل پوشش دادن فولاد آلیاژ آهن با فلز کم فعال تری مانند قلع است. قلع خورده نمی شود، بنابراین تا زمانی که پوشش قلع در محل قرار گرفته باشد از فولاد محافظت می شود. این روش به عنوان محافظت آندی شناخته شده، زیرا فولاد آند سلول الکتروشیمیایی می باشد. محافظت آندی اغلب در مخازن ذخیره سازی فولاد کربنی که برای ذخیره اسید سولفوریک و 50٪ سود سوز آور مورد استفاده قرار می گیرد، اعمال می‌شود. در این محیط ها به دلیل نیاز به جریان بسیار زیاد، محافظت کاتدی مناسب نیست.
بازدارنده های خوردگی، مواد شیمیایی هستند که با سطح فلز یا گازهای اطراف واکنش داده تا واکنش های الکتروشیمیایی منجر به خوردگی را سرکوب کنند و با استفاده از روی سطح فلز که در آن یک لایه ی محافظ ایجاد کرده، عمل می کنند. بازدارنده ها را می توان به عنوان محلول یا به عنوان یک پوشش محافظ با استفاده از تکنیک های پراکندگی استفاده کرد. بازدارنده های خوردگی معمولاً از طریق فرآیندی که به عنوان انفعال زبانزد است، شناخته می شود.
در حالت انفعال، یک پوشش سبک از یک ماده محافظ مانند اکسید فلز، یک لایه محافظ بر روی فلز ایجاد می کند که به عنوان سدی در برابر خوردگی عمل می کند. تشکیل این لایه تحت تأثیر PH محیط، دما و ترکیب شیمیایی اطراف قرار دارد. از بازدارنده های خوردگی در تصفیه نفت، تولید مواد شیمیایی و کارهای تصفیه آب استفاده می شود.
فراهم کردن تمام شرایط برای عدم خوردگی فولاد کاری بسیار سخت و طاقت فرسا می تواند باشد و در حالت منطقی نمی توان تمام جزئیات شرایط را مهیا کرد. خوردگی فولاد مسئله ی جدیدی نیست که راهکارهای نو بطلبد، بلکه از قدیم بوده، اما دلایل به وجود آمدن این خوردگی و راه های جلوگیری از آن در چند دهه ی اخیر توسط دانشمندان و شیمیدان ها کشف شده است. امیدواریم این مطلب نظر شما را جلب کرده باشد، لطفا نظرات و سوالات خود را در انتهای همین مطلب برای ما کامنت بگذارید.