بلاگ
خوردگی فلزات چیست؟ انواع خوردگی فلزات
خوردگی پدیدهای مخرب است که در آن، سطح فلز بر اثر واکنشهای شیمیایی یا الکتروشیمیایی دچار زوال و تخریب میشود. خوردگی فلزات در اکثر صنایع از جمله زیرساختها، الکترونیک و صنعت خودرو ممکن است اتفاق بیفتد. در این مقاله شهر استیل بررسی میکنیم که خوردگی فلزات چیست. همچنین با انواع خوردگی فلزات آشنا میشویم و به این سوال پاسخ میدهیم که عوامل موثر بر خوردگی فلزات چیست.
آشنایی با مفهوم خوردگی فلزات
خوردگی یک فرآیند طبیعی است که یک فلز فرآوریشده را به اکسید فلزیِ پایدارتر تبدیل میکند. در این فرآیند، یک تبادل الکترون بین فلز و محیط رخ میدهد که طی آن، فلز الکترون از دست میدهد.
بهاینترتیب اگر فلز در شرایط نامساعدی قرار گیرد، سطح فلز با محیط خورنده واکنش نشان میدهد. در نتیجه اکسیداسیون یا تشکیل زنگزدگی روی سطح فلز اتفاق میافتد و با گذشت زمان باعث تضعیف ماده و در نهایت آسیبهای ساختاری میشود.
خوردگی فلزات چگونه اتفاق میافتد؟
خوردگی واکنش معکوس استخراج فلز و تمایل طبیعی آن برای بازگشت به حالت پایدار اولیه است. برای وقوع خوردگی، یک سلول الکتروشیمیایی ۴ تایی روی سطح فلز تشکیل میشود:
Anode + Cathode + Electrolyte + Metallic Path = Corrosion
در نتیجه ۴ رکن اصلی تشکیل سلول خوردگی به شرح زیر هستند:
- آنود: بخشی از فلز که الکترون از دست میدهد و حل میشود. تخریب اصلی در این نقطه اتفاق میافتد.
- کاتد: بخش دیگری از فلز است که الکترونهای آزادشده را دریافت میکند.
- الکترولیت: سیال یا رطوبت محیطی است که امکان جابهجایی یونها را فراهم میکند.
- مسیر رسانا: خودِ بدنه فلز است که الکترونها را از آنود به کاتد منتقل میکند.
انواع خوردگی فلزات
انواع خوردگی در فلزات متفاوت است که هرکدام تحت تاثیر مکانیسمها و شرایط گوناگونی قرار دارند. در ادامه به بررسی هریک از انواع خوردگی و چگونگی وقوع آنها میپردازیم.
1. خوردگی یکنواخت
خوردگی عمومی یا یکنواخت (General or Uniform Corrosion) رایجترین نوع خوردگی است که در سراسر سطح فلز رخ میدهد. این نوع خوردگی معمولا به دلیل عدم وجود پوشش محافظ ایجاد میشود که فلز را در معرض عوامل خورنده قرار میدهد.
در این حالت واکنشهای شیمیایی و الکتروشیمیایی رخ میدهند که باعث حل شدن فلز و نازک شدن آن میشوند.
مواجهه مداوم با این عوامل خورنده در نهایت کل سازه فلزی را حل میکند و از بین میبرد.
نمونههایی از فلزاتی که تحت تاثیر خوردگی یکنواخت قرار میگیرند عبارتند از:
- فلز آلومینیوم
- آهن
- سرب
- فولاد
- روی
این نوع خوردگی قابل پیشبینی است و با چشم غیرمسلح بهصورت زنگزدگی میتوان آن را مشاهده کرد و تشخیص داد.
2.خوردگی حفرهای
خوردگی حفرهای (Pitting) نوعی خوردگی موضعی و غیرقابل پیشبینی است که در آن، حفرههای زنگزدگی روی سطح فلز تشکیل میشوند. البته فقط مقدار کمی از ماده روی سطح از بین میرود، اما به بخشهای عمیق سازه فلزی آسیب وارد میشود. این حفرهها به مرور به گودالها یا سوراخهایی تبدیل میشوند که به سمت پایین نفوذ میکنند.
شکست و تخریب ناشی از خوردگی حفرهای میتواند ناگهانی و اغلب ویرانگر باشد. این نوع خوردگی معمولا ناشی از عیوب ساختاری، اعمال نامناسب پوشش، ناهمگونیها، رطوبت یا آسیب به لایه اکسیدی محافظ فلز است و بیشتر در موارد زیر دیده میشود:
- آلومینیوم
- آلیاژ استیل و نیکل
سطوح فلزی پرداختشده (پلیشخورده) به دلیل سطح یکنواختتر، مقاومت بیشتری در برابر خوردگی حفرهای دارند.
3. خوردگی شکافی
خوردگی شکافی (Crevice) نوع دیگری از خوردگی موضعی است که در شکافها یا مناطق محصور رخ میدهد؛ معمولا بین دو فلز (در قطعات مونتاژی)، بین یک فلز و غیرفلز یا بر اثر تجمع رسوبات و ذرات شاهد این پدیده هستیم.
در این مناطق محدود، تامین اکسیژن به سختی اتفاق میافتد و این امر مانع از ایجاد لایه محافظ روی ماده میشود. عدم تعادل در سطح pH، سیال داخل شکافها را اسیدی میکند. این امر به نوبه خود باعث از بین رفتن لایه اکسیدی رویی میشود و سطح را در برابر حمله خوردگی آسیبپذیر میسازد. همچنین میزان تجمع سیالات خورنده در این مناطق بیشتر است.
4. خوردگی گالوانیک
خوردگی گالوانیک یا خوردگی دو فلزی (Bimetallic Corrosion) نوعی خوردگی است که در آن، دو فلز ناهمجنس که در تماس فیزیکی یا الکتریکی با یکدیگر قرار دارند، در معرض یک محیط الکترولیتی قرار میگیرند. فلز فعالتر (آنود) با سرعت بالاتری نسبتبه فلز دیگر (کاتد) که پایدارتر است، دچار خوردگی میشود. این پدیده میتواند در یک فلز واحد که در معرض الکترولیتی با درجات غلظت متفاوت قرار دارد نیز رخ دهد.
خوردگی گالوانیک در شناورهای دریایی که در آنها آب شور بهعنوان الکترولیت بین دو فلز ناهمجنس عمل میکند، شایع است. همچنین در محیطهای صنعتی و شیمیایی، مانند هنگام جابهجایی فلزات مذاب یا در آزمایشگاهها، احتمال بروز این نوع خوردگی افزایش مییابد.
هنگام انتخاب فلزات برای چنین کاربردهایی، علاوهبر مقاومت در برابر خوردگی، بررسی ویژگیهایی مانند نقطه ذوب فلزات اهمیت بالایی دارد.
5. خوردگی سایشی
خوردگی سایشی (Fretting) زمانی رخ میدهد که دو فلزِ در تماس با هم، تحت تاثیر لغزشها و ارتعاشات دچار جابهجاییهای کوچک شوند. این نوسانات منجربه سایش و از بین رفتن لایه اکسید محافظ میشود. برآمدگیها و ناهمواریهای سطح، روی فلزاتی که تازه در معرض دید قرار گرفتهاند به یکدیگر میچسبند.
این اتصال دوباره بر اثر ارتعاشات شکسته شده و باعث تجمع ذرات ناشی از سایش میشود. از آنجا که ذرات نمیتوانند از منطقه تماس خارج شوند، این فرآیند با حجم سایشِ فزاینده ادامه مییابد.
6. خوردگی فرسایشی
خوردگی فرسایشی (Erosion Corrosion) در اثر حرکت نسبی بین سطح فلز و یک مایع خورنده رخ میدهد. این حرکت با ایجاد سایش مکانیکی به سطح فلز آسیب میرساند و باعث به وجود آمدن چاله میشود.
سیال معمولا با سرعت بالا در امتداد سطح فلز جریان مییابد و لایه اکسیدی محافظ را بهتدریج حل کرده و از سطح فلز جدا میکند. این فرآیند باعث ایجاد خوردگی فرسایشی میشود. در طراحی این تجهیزات، علاوهبر بررسی رسانایی گرمایی فلزات به ترتیب، باید مقاومت آنها در برابر خوردگی فرسایشی نیز در نظر گرفته شود تا فلز مناسب با توجه به شرایط کاری و نوع سیال انتخاب شود.
7. خوردگی دمای بالا
خوردگی دمای بالا (High Temperature Corrosion) زمانی رخ میدهد که ترکیبی از دمای بالا (بیشتر از ۴۰۰ درجه سانتیگراد) و آلایندههای جوی وجود داشته باشد.
فلزاتی که در این دماها کار میکنند ممکن است با آلایندههای خورنده واکنش شیمیایی دهند و منجربه یک حمله شیمیایی شوند. این نوع خوردگی در محیطهای صنعتی (کوره و توربینهای گازی حاوی آلایندههای جوی و گازهای گوگردی) شایع است.
8. خوردگی بین دانهای
خوردگی بین دانهای (Stress Corrosion Cracking) در اثر اعمال تنش کششی به ماده در زمانی که در یک محیط خورنده قرار دارد، ایجاد میشود. بهویژه زمانی که تنش کششی با دماهای بسیار شدید همراه باشد. انبساط و انقباض فلز ناشی از این تغییرات دما باعث تضعیف یکپارچگی ساختاری فلز میشود.
این نوع خوردگی بیشتر در فرآیندهای ساخت مانند ماشینکاری و جوشکاری رخ میدهد و در صورت قرار گرفتن در معرض یک محیط خورنده شتاب میگیرد. از نمونههای این پدیده میتوان به ورق استنلس استیل در محیط کلریدی و آلیاژهای مس در آمونیاک اشاره کرد.
9. خوردگی میکروبی
خوردگی میکروبی (Microbial Corrosion) که خوردگی القاشده توسط میکروارگانیسمها (MIC) نیز نامیده میشود، در اثر حضور و فعالیت میکروارگانیسمها روی سطوح فلزی رخ میدهد. این میکروارگانیسمها که شامل باکتریها، قارچها و جلبکها میشوند، فرآیند خوردگی را در فلزات و آلیاژها در محیطهای مختلف سرعت میبخشند.
پدیده MIC در صنایع نفت و گاز، صنایع دریایی و مدیریت فاضلاب یک نگرانی عمده است و منجربه تخریب سریع مواد میشود. برخی از این ارگانیسمها قادر به مصرف نفت و دفع اسیدهایی هستند که باعث خوردگی مخازن نگهداری میشوند. برای جلوگیری از این امر، نفت باید تا حد امکان تصفیه شود تا محتوای آب آن خارج گردد. تخلیه آب در فواصل زمانی منظم از مخازن سوخت پس از تصفیه نیز ضروری است.
مهمترین عوامل موثر بر خوردگی فلزات
خوردگی در سطوح فلزی تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
- میزان اسیدیته محیط
- دما
- تنشهای مکانیکی
- رطوبت
این عوامل یا باعث تحریک و تخریب شتابان سطح فلز میشوند یا فرآیند خوردگی را به شدت سرعت میبخشند.
جدول خوردگی فلزات
به کمک جدول مقاومت فلزات در برابر خوردگی میتوانید بررسی کنید که مقاومت هر فلز، سنگین ترین فلز دنیا تا آلیاژهای فلزی در چه سطحی قرار دارد.
| فلز / آلیاژ | یکنواخت | حفرهای | شکافی | گالوانیک | سایشی | بیندانهای | فرسایشی | دما بالا | میکروبی |
| طلا / پلاتین | عالی | ||||||||
| تیتانیوم | عالی | عالی | عالی | عالی | متوسط | عالی | عالی | متوسط | عالی |
| نیکل | عالی | ||||||||
| ورق استیل 316 | عالی | متوسط | متوسط | عالی | متوسط | عالی | متوسط | متوسط | متوسط |
| ورق استیل نگیر 304 | متوسط | ضعیف | ضعیف | متوسط | متوسط | ضعیف | متوسط | متوسط | ضعیف |
| مس و برنج | متوسط | متوسط | متوسط | متوسط | ضعیف | عالی | ضعیف | ضعیف | عالی |
| آلومینیوم | متوسط | ضعیف | ضعیف | ضعیف | ضعیف | ضعیف | ضعیف | ضعیف | ضعیف |
| فولاد کربنی / آهن | ضعیف | ضعیف | ضعیف | ضعیف | ضعیف | متوسط | ضعیف | ضعیف | ضعیف |
| منیزیم | ضعیف | ||||||||
کدام فلزها مقاومت بیشتری در برابر خوردگی دارند؟
فلزات پایدار مانند طلا و پلاتین، به دلیل ماهیت شیمیایی پایدار خود کمتر دچار خوردگی میشوند. این فلزات کاملا نجیب هستند و تقریبا در برابر انواع خوردگی مقاومت ۱۰۰٪ دارند.
تیتانیوم یکی دیگر از فلزاتی است که در برابر خوردگی عمومی، حفرهای، شکافی و فرسایشی (بهویژه در آب دریا و محیطهای کلریدی) مقاومت بالایی دارد. علت آن تشکیل آنی و خودبهخودی لایه اکسید تیتانیوم روی سطح آن است.
کدام فلزها بیشتر دچار خوردگی میشوند؟
میزان تمایل فلزات به خوردگی به واکنشپذیری شیمیایی آنها و موقعیتشان در سری الکتروشیمیایی بستگی دارد. فلزاتی که الکتروندهی بالاتری دارند، سریعتر و شدیدتر دچار خوردگی میشوند. بهطور کلی فلزاتی که بیشترین میزان خوردگی را تجربه میکنند عبارتند از:
- آهن و آلیاژهای آن (فولاد کربنی): اکسید آهن ساختاری تخلخلدار و ناپایدار دارد. به همین دلیل لایه زنگزده کنده میشود و سطح زیرین فلز دائما در معرض هوا و رطوبت قرار میگیرد.
- منیزیم: یکی از واکنشپذیرترین و آندیترین فلزات مهندسی است و بهعنوان «آنود فداشونده» برای محافظت از سایر فلزات استفاده میشود.
- روی: البته این فلز لایهای از کربنات روی ایجاد میکند و برای حفاظت از فولاد استفاده میشود.
- آلومینیوم: در برابر محیطهای کلریدی (مانند آب دریا یا نمک) و خوردگی حفرهای یا گالوانیک بسیار آسیبپذیر است.
- مس و آلیاژهای آن: در مواجهه با آلایندههای گوگردی، آمونیاک و محیطهای اسیدی دچار خوردگی و ایجاد لایه سبز/فیروزهای (پاتینا) میشود.
از فلزهای چکشخواری مانند آهن و آلومینیوم میتوان به کمک پوششهای محافظ (رنگ، گالوانیزه یا آبکاری) در برابر خوردگی محافظت کرد. برای آشنایی بیشتر با فلزات چکشخوار و ماهیت آنها، مقاله «چکش خوار یعنی چه» را مطالعه کنید.
چگونه از خوردگی فلزات جلوگیری کنیم؟
خوردگی فلزات بهطور کامل قابل حذف نیست، اما با چند اقدام ساده و اصولی میتوان سرعت آن را به میزان قابلتوجهی کاهش داد و عمر قطعات و تجهیزات فلزی را بالا برد:
- استفاده از پوششهای محافظ مانند رنگ، گالوانیزه و آبکاری
- انتخاب فلز یا آلیاژ متناسب با شرایط محیطی
- بهکارگیری سیستم حفاظت کاتدی در سازههای حساس
- کاهش تماس فلز با رطوبت، نمک و مواد شیمیایی خورنده
- استفاده از بازدارندههای خوردگی در سیستمهای صنعتی
- طراحی صحیح قطعات برای جلوگیری از تجمع آب و رطوبت
- انجام بازرسی، نظافت و نگهداری دورهای تجهیزات
اگر قصد انتخاب یا استفاده از قطعات فلزی را دارید، فقط به قیمت یا استحکام آنها توجه نکنید. بررسی شرایط محیطی، انتخاب جنس مناسب و اجرای روشهای محافظتی از همان ابتدا، هزینههای تعمیر و تعویض را به حداقل میرساند و عمر مفید تجهیزات را بهطور چشمگیری افزایش میدهد. ما در شهر استیل (وارد کننده ورق استیل) با رعایت استانداردهای بستهبندی و حملونقل، کلیه محمولههای خود را در بالاترین سطح امنیت به کشور وارد میکنیم و به دست مصرفکنندگان میرسانیم.
