خوردگی فلزات چیست و چگونه اتفاق می افتد؟

خوردگی فلزات فرسودگی ناشی از واکنش های شیمیایی و عمدتا اکسیداسیون است. محصولات خوردگی  شامل زنگ زدگی و  پتینه هستند که روی سطح فلز مانده و از آن محافظت می کنند. از بین بردن این رسوبات سطح فلز را دوباره در معرض خوردگی قرار می دهد. فلز ، اکسیژن و الکترولیت سه جزء اصلی برای شروع پدیده خوردگی است.

خوردگی یک مشکل خطرناک و بسیار پرهزینه است زیرا باعث سقوط ساختمان ها و پلها ، شکستگی خطوط لوله نفت و نشت کارخانه های شیمیایی می شود. تماس الکتریکی فلزات خورده شده حتی می تواند باعث آتش سوزی و سایر مشکلات شود. خوردگی همچنین تهدیدی برای دفع ایمن زباله های رادیواکتیو است که باید برای ده ها هزار سال در ظروف نگهداری شوند.

پوشش هایی مانند رنگ آمیزی ، گالوانیزه یا آندایزینگ جهت محافظت از خوردگی استفاده می شوند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می شود.

فرآیند الکتروشیمیایی خوردگی فلزات

خوردگی ناشی از انجام واکنش ‌های اکسایش و کاهش است. فلز خورده شده در این فرآیند به عنوان  آند عمل می ‌کند و طی اکسید شدن یون‌ ها و الکترون‌ ها را آزاد می کند. با دریافت الکترون‌ ها اکسیژن دچار کاهش شده و باعث  تشکیل هیدروکسید و واکنش کاتدی می ‌شود.

با تجزیه فلز در آند یون‌ های فلزی موجود در محلول هیدراته شده یا  ترکیباتی جامد را در سطح فلز تشکیل دهند. در حالت اول اکسیداسیون ادامه پیدا کرده و خوردگی توسعه می یابد ولی در حالت دوم تشکیل یک لایه‌ بر روی سطح خوردگی فرآیند را متوقف خواهد کرد.

خوردگی الکتروشیمیایی متداول ترین انواع خوردگی است که در درس شیمی پایه دهم شرح داده شده است. خوردگی معمولی زمانی اتفاق می افتد که اکثر یا تمام اتم های موجود در یک سطح فلزی اکسید شوند و به کل سطح آسیب برساند. اکثر فلزات به راحتی اکسید می شوند زیرا آنها تمایل دارند الکترون های لایه ظرفیت خود را به اکسیژن (و سایر مواد) موجود در هوا یا آب بدهند. اکسیژن به محض کاهش با فلز اکسید تشکیل می دهد.

انواع خوردگی فلزات

 

خوردگی یکنواخت

خوردگی یکنواخت یک حمله یکنواخت در سطح مواد محسوب می شود و متداول ترین نوع این پدیده است. از آنجا که میزان حمله به راحتی ارزیابی می شود این خوش خیم ترین خوردگی است و معمولاً در مناطق نسبتاً وسیعی از سطح ماده رخ می دهد.

خوردگی حفره ای

حفره سوراخ کننده یکی از مخرب ترین انواع خوردگی است ، زیرا پیش بینی ، شناسایی و توصیف آن دشوار است. در این نوع خوردگی یک آندی موضعی ، یا یک نقطه کاتدی باعث ایجاد خوردگی کوچک با سطح طبیعی می شوند. این محل سپس به یک سوراخ یا حفره تبدیل می شود که انواع مختلفی از اشکال را به خود می گیرد. خوردگی حفره ای می تواند در اثر شکستگی موضعی یا آسیب به فیلم اکسید محافظ یا پوشش محافظ ایجاد شود و منجر به خرابی سازه ها خواهد شد.

خوردگی شکافی

خوردگی شکافی نیز نوعی خوردگی موضعی است و معمولاً از یک ریز محیط ایستا ناشی می شود که در آن  غلظت یونها بین دو ناحیه از یک فلز متفاوت است. خوردگی شکافی در مناطق محافظت شده مانند زیر واشر ، سر پیچ و غیره که اکسیژن محدود است ، رخ می دهد. این مناطق کوچک اجازه می دهد عامل خورنده وارد شود اما اجازه گسترش خوردگی را در داخل نمی دهند.

خوردگی بین دانه ای

خوردگی بین دانه ای می تواند ناشی از ناخالصی های موجود در مرز دانه ها ، تخلیه یا غنی سازی عنصر آلیاژی در مرز دانه باشد. خوردگی بین دانه ای در امتداد یا مجاورت این دانه ها اتفاق می افتد و به طور جدی بر خصوصیات مکانیکی فلز تأثیر می گذارد.

خوردگی تنشی

خوردگی تنشی ترکیبی از تنش کششی و یک محیط خورنده است که اغلب در دمای بالا رخ می دهد. خوردگی تنشی ممکن است در اثر تنش خارجی مانند بارهای واقعی کششی روی فلز یا انبساط / انقباض در اثر تغییرات سریع دمایی ایجاد شود. همچنین ممکن است ناشی از تنش پسماند باشد که در طی فرایند تولید ایجاد می شود.

خوردگی گالوانیکی

خوردگی گالوانیکی تخریب یک فلز در نزدیکی یک اتصال یا تقاطع است و هنگامی رخ می دهد که دو فلز الکتروشیمیایی غیرمشابه در یک محیط الکترولیت در تماس الکتریکی باشند. به عنوان مثال ، هنگامی که مس در محیط آب شور با فولاد در تماس است خوردگی فولاد رخ خواهد داد. انتخاب فلزاتی که تا حد امکان در مجموعه های گالوانیک بهم نزدیک باشند ، به کاهش خطر خوردگی گالوانیک کمک می کند.

خوردگی فرسایشی ، سایشی ، غلظتی ، روی زدایی انواع دیگری از این واکنش های مخرب در سطح فلزات هستند.

سینتیک خوردگی فلزات

اکسایش یک نیم واکنش است که در آند یا در ناحیه اکسایش رخ می دهد. خوردگی را مانند اکسایش نمی توان یک نیم واکنش در نظر گرفت، زیرا در فرایند خوردگی یک سلول الکتروشیمیایی کامل بوجود می آید که در آن نیم واکنش آندی و کاتدی همزمان صورت می گیرد.

به همین علت فلز در پتانسیلی بین پتانسیل آند و کاتد که به پتانسیل مختلط معروف است مورد انحلال قرار گرفته و دچار خوردگی می شود. در طول خوردگی هر فرایندی که بتواند نیم واکنش کاتدی را تحت تاثیر قرار دهد ممکن است سرعت خوردگی را کاهش یا افزایش دهد.

عوامل موثر بر خوردگی فلزات

 

حرارت

از آنجاییکه افزایش حرارت در بسیاری از واکنش ها سرعت واکنش را افزایش می دهد از این رو واکنش های خوردگی را نیز تسریع می کند. به همین دلیل فلزات در محیط هایی با درجه حرارت بیشتر زودتر زنگ میزنند.

اختلاف پتانسیل

اختلاف پتانسیل بالاتر دو فلز یا دو عنصر شرکت کننده در واکنش خوردگی باعث تسریع این پدیده می شود زیرا اختلاف پتانسیل بالاتر جریان تولید شده یا تعداد الکترون های عبوری را افزایش می دهد.

عملیات حرارتی

ساختار بلوری فلزات ، مرزدانه و دیگر خواص فیزیکی وابسته به عملیات حرارتی است که بر روی فلز یا آلیاژ در حین ساخت اعمال می شود و می تواند بر خوردگی تاثیر بگذارد.

تشعشع

تشعشع یکی دیگر از عواملی است که فلزات را تحت تاثیر قرار می دهد مثلا در ساختمان های پزشکی، شیرآلاتی که در بخش های رادیواکتیو استفاده می شوند زودتر از دیگر بخش ها دچار خوردگی شده و از بین می روند.

ناخالصی محیط ، زمان ، تنش های مکانیکی، فشار و ویژگیهای فلز دیگر عواملی هستند که می توانند خوردگی فلزات را تحت تاثیر قرار دهند.

خوردگی فلزات در آب

آب به عنوان یک الکترولیت خوب همواره از دلایل اصلی زنگ زدگی و خوردگی فلزات است. خوردگی فلزات در آب به این دلیل است که آب با دی اکسید کربن موجود در هوا واکنش داده و اسید کربنیک تشکیل می دهد که یک اسید ضعیف است. اسید کربنیک نسبت به آب الکترولیت قویتری و زنگ زدگی فلزات را تسریع می کند.

خوردگی فلزات در آب دریا

آب دریا یکی از محیط های خورنده برای فلزات است که صنایع دریایی، آب شیرین کن ها بیشتر با آن مواجه هستند. برخلاف تصورات آب دریا فقط یک محلول از نمک های معدنی نیست بلکه حاوی مخلوطی از نمک ها، گازهای حل شده، عناصر جامد معلق  و عناصر آلی است که همگی می توانند فلزات را تحت تاثیر قرار دهند.

سرعت خوردگی فلزات در آب دریا نه تنها بستگی به نوع فلز و یا آلیاژ کاربردی دارد بلکه با عمق، درجه حرارت، میزان و نوع گازهای حل شده و ترکیبات آلی و معدنی و بسیاری از عوامل بیولوژیکی آب دریا تحت تاثیر قرار می گیرد.

خوردگی فلزات با اسید

این نوع خوردگی ناشی از تماس گازهای ناخالص ، مایعات و یا جامدات خورنده با سطح فلز است . هیدروکلریک اسید و هیدروژن سولفید اسیدهایی هستند که باعث خوردگی فلزات می شوند. مثلا  قرار گرفتن فلز روی در معرض اسید کلریدریک با تشکیل  ZnCl2 و H2 باعث خوردگی می شود:

     واکنش آندی   Zn → Zn^۲+ + H_۲

    واکنش کاتدی    ۲H⁺ + ۲e^– → H_۲

واکنش نهایی     Zn + 2HCl →  ZnCl_۲ + H_۲

در واکنش با اسید فلز روی به کلرید روی تبدیل شده و بر روی سطح فلز قرار می گیرد که ترکیب کاملا متفاوتی دارد.

راههای جلوگیری از خوردگی فلزات

برای کاهش آسیب به فلزاتی که در معرض آب و هوا ، آب نمک ، اسیدها یا سایر محیط های تهاجمی هستند ، از روش های مختلفی استفاده می شود. برخی از آلیاژهای فلزی محافظت نشده در برابر خوردگی بسیار آسیب پذیر هستند و حتی در محیط های خشک و با درجه حرارت پایدار می توانند پودر و خرد شوند ، مگر اینکه برای جلوگیری از خوردگی از آنها محاظت شود. در ادامه برخی از این روشها شرح داده می شود.

تیمار سطحی

وقتی از تیمارهای سطحی برای جلوگیری از خوردگی استفاده می شود ، باید اطمینان حاصل شود که یک پوشش کامل ، بدون شکاف ، ترک یا سوراخ حاصل شود. نقص های کوچک می تواند به عنوان پاشنه آشیل عمل کرده و اجازه می دهند خوردگی به داخل نفوذ کند و باعث آسیب گسترده شود در حالی که لایه محافظ بیرونی برای مدت زمان مشخصی سالم باقی می ماند.

استفاده از روکش

آبکاری ، رنگ آمیزی و استفاده از لعاب از رایج ترین روش های  ضد خوردگی هستند که با ایجاد سدی از مواد مقاوم در برابر خوردگی بین محیط آسیب رسان و مواد سازه ای کار می کنند.لازم به ذکر است که  اگر پوشش به اندازه کافی ضخیم نباشد نمی تواند به خوبی از فلز زیرین محافظت کند. به عبارت دیگر عمر فلز با ضخامت پوشش رابطه مستقیم دارد.

پوشش های فعال

این مواد شیمیایی با سرکوب واکنش های الکتروشیمیایی در عایق الکتریکی یا غیرقابل نفوذ کردن آن در برابر مواد شیمیایی عمل می کنند. این روش ها باعث می شوند سیستم نسبت به خراش یا نقص در پوشش حساسیت کمتری داشته باشد  زیرا در هر مکانی که فلز در معرض خطر قرار گیرد بازدارنده ها وارد عمل خواهند شد.

مواد شیمیایی که از خوردگی جلوگیری می کنند شامل برخی از نمک های موجود در آب سخت ، کرومات ها ، فسفات ها ، پلی انیلین ، سایر پلیمرهای رسانا و طیف وسیعی از مواد شیمیایی ویژه شبیه سورفاکتانت ها هستند.

آنودایزینگ

آلیاژهای آلومینیوم اغلب تحت یک عملیات تصفیه سطح قرار می گیرند که آندایزینگ نامیده می شود. این پوشش در برابر هوا و خوردگی بسیار مقاوم است ، بنابراین معمولاً برای نمای ساختمان و سایر مناطق سطحی که به طور مداوم با عناصر در تماس قرار می گیرد ، استفاده می شود. آنودایزاسیون فرآیند تبدیل آند به کاتد از طریق تماس آند فعالتر با آن است.

پوشش های بیوفیلم

با استفاده از گونه های خاصی از فیلم های باکتریایی بر روی سطح فلزات در محیط های بسیار خورنده ، شکل جدیدی از حفاظت ایجاد شده است. این فرایند مقاومت در برابر خوردگی را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. همچنین می توان از میکروب های تولید کننده بیوفیلم مانند باکتری های کاهنده سولفات برای جلوگیری از خوردگی ضعیف فولاد استفاده کرد.

ساختارهایی با نفوذ پذیری کنترل شده

قالب نفوذپذیر کنترل شده (CPF) روشی برای جلوگیری از خوردگی آرماتورها با افزایش طبیعی دوام پوشش در هنگام قرار دادن بتن است. CPF  برای مقابله با اثرات کربناسیون ، کلریدها ، یخ زدگی و سایش استفاده می شود.

محافظت کاتدیک

حفاظت کاتدی (CP) تکنیکی است که می تواند خوردگی سطح فلز را از طریق ایجاد کاتد در سلول الکتروشیمیایی کنترل کند. سیستم های حفاظت کاتدیک معمولاً برای محافظت از خطوط لوله و مخازن فولادی ، اسکله های فولادی ، کشتی ها و سکوهای نفتی در دریا استفاده می شوند.