تحقیق درباره خوردگي فلزات

تخريب فلزات با عوامل غير خوردگي

فلزات در اثراصطکاک ،سايش و نيروهاي وارده دچار تخريب مي‌‌شوند که تحت عنوان خوردگي مورد نظر ما نيست.

فرايند خودبه‌خودي و فرايند غيرخودبه‌خودي

خوردگي يک فرايند خودبخودي است،يعني به زبان ترموديناميکي در جهتي پيش مي‌‌رود که به حالت پايدار برسد. البتهM⁺ⁿمي‌‌تواند به حالتهاي مختلف گونه‌هاي فلزي با اجزاي مختلفظاهر شود. اگرآهن را در اتمسفر هوا قراردهيم، زنگ مي‌‌زند که يک نوع خوردگي و پديده‌اي خودبه‌خودي است. انواع موادهيدروکسيدي و اکسيدي نيز مي‌‌توانند محصولات جامد خوردگي باشند که همگي گونه فلزيهستند. پس در اثر خوردگي فلزات در يک محيط که پديده‌اي خودبه‌خودي است، اشکال مختلفآن ظاهر مي‌‌شود.

بندرت مي‌‌توان فلز را بصورت فلزي وعنصري درمحيط پيدا کرد و اغلب بصورتترکيبدرکاني‌ها و بصورتکلريدها و سولفيدها و غيره يافت مي‌‌شوند و ما آنها را بازيابي مي‌‌کنيم. به عبارتديگر ، با استفاده ‌از روشهاي مختلف ، فلزات را از آن ترکيبات خارج مي‌‌کنند. يکياز اين روشها ، روشاحياي فلزاتاست. بعنوان مثال ، برايبازيابيمس از ترکيبات آن ، فلز را بصورتسولفات مس از ترکيبات آن خارج مي‌‌کنيم يا اينکهآلومينيوم موجود در طبيعت را با روشهاي شيميايي تبديل به ‌اکسيد آلومينيوم مي‌‌کنند و سپس باروشهايالکتروليزمي‌‌توانند آن را احياکنند.

براي تمام اين روشها ، نياز به صرف انرژي است که يک روش و فرايندغيرخودبه‌خودي است و يک فرايند غيرخودبه‌خودي هزينه و مواد ويژه‌اي نياز دارد. ازطرف ديگر ، هر فرايند غير خودبه‌خودي درصدد است که به حالت اوليه خود بازگردد، چراکه بازگشت به حالت اوليه يک مسير خودبه‌خودي است. پس فلزات استخراج شده ميل دارندبه ذات اصلي خود باز گردند.

در جامعه منابع فلزات محدود است و مسير برگشتطوري نيست که دوباره آنها را بازگرداند. وقتي فلزي را در اسيد حل مي‌‌کنيم و يا درو پنجره دچار خوردگي مي‌‌شوند، ديگر قابل بازيابي نيستند. پس خوردگي يک پديده مضر وضربه زننده به ‌اقتصاد است.

جنبه‌هاي اقتصادي فرايند خوردگي

برآوردي که در مورد ضررهاي خوردگي انجامگرفته، نشان مي‌‌دهد سالانه هزينه تحميل شده از سوي خوردگي ، بالغ بر 5 ميليارددلار است. بيشترين ضررهاي خوردگي ، هزينه‌هايي است که براي جلوگيري از خوردگي تحميلمي‌‌شود.

پوششهاي رنگها و جلاها

ساده‌ترين راه مبارزه با خوردگي ، اعمال يک لايهرنگ است. با استفاده ‌ازرنگها بصورت آستر و رويه ، مي‌‌توان ارتباطفلزاترا با محيط تا اندازه‌اي قطع کرد و درنتيجه موجب محافظت تاسيسات فلزي شد. به روشهاي ساده‌اي مي‌‌توان رنگها را برويفلزات ثابت کرد که مي‌‌توانروش پاششيرا نام برد. به کمک روشهاي رنگ‌دهي ،مي‌‌توان ضخامت معيني از رنگها را روي تاسيسات فلزي قرار داد.

آخرين پديدهدرصنايع رنگ سازيساخترنگهاي الکتروستاتيکاست که به ميدانالکتريکي پاسخ مي‌‌دهند و به ‌اين ترتيب مي‌توان از پراکندگي و تلف شدن رنگ جلوگيريکرد.

پوششهاي فسفاتي و کروماتي

اين پوششها کهپوششهاي تبديليناميدهمي‌‌شوند، پوششهايي هستند که ‌از خود فلز ايجاد مي‌‌شوند. فسفاتها و کروماتهانامحلول‌اند. با استفاده ‌از محلولهاي معيني مثلاسيدسولفوريک با مقدار معيني از نمکهاي فسفات ، قسمت سطحي قطعات فلزي را تبديل بهفسفات يا کرومات آن فلز مي‌‌کنند و در نتيجه ، به سطح قطعه فلز چسبيده و بعنوانپوششهاي محافظ در محيط‌هاي خنثي مي‌‌توانند کارايي داشته باشند.

اين پوششهابيشتر به ‌اين دليل فراهم مي‌‌شوند که ‌از روي آنها بتوان پوششهاي رنگ را بر رويقطعات فلزي بکار برد. پس پوششهاي فسفاتي ، کروماتي ، بعنوان آستر نيز در قطعاتصنعتي مي‌‌توانند عمل کنند؛ چرا که وجود اين پوشش ، ارتباط رنگ با قطعه را محکم‌ترمي‌‌سازد. رنگ کم و بيش داراي تحلخل است و اگر خوب فراهم نشود، نمي‌‌تواند ازخوردگي جلوگيري کند.

پوششهاي اکسيد فلزات

اکسيد برخي فلزات بر روي خود فلزات ، از خوردگيجلوگيري مي‌‌کند. بعنوان مثال ، مي‌‌توان تحت عوامل کنترل شده ، لايه‌اي از اکسيدآلومينيوم بر رويآلومينيوم نشاند. اکسيد آلومينيوم رنگ خوبي دارد و اکسيد آن به سطح فلز مي‌‌چسبد و باعثمي‌‌شود که ‌اتمسفر به‌ آن اثر نکرده و مقاومت خوبي در مقابل خوردگي داشته باشد. همچنين اکسيد آلومينيوم رنگ‌پذير است و مي‌‌توان با الکتروليز و غوطه‌وري ، آن رارنگ کرد. اکسيد آلومينيوم داراي تخلخل و حفره‌هاي شش وجهي است که باالکتروليز، رنگ در اين حفره‌ها قرارمي‌‌گيرد.

همچنين با پديده ‌الکتروليز ،آهن را به‌اکسيد آهنسياه رنگ (البته بصورت کنترلشده) تبديل مي‌‌کنند که مقاوم در برابر خوردگي است که به آن "سياه‌کاري آهن يافولاد" مي‌‌گويند که در قطعات يدکي ماشين ديده مي‌‌شود.

پوششهاي گالوانيزه

گالوانيزهکردن (Galvanizing) ، پوشش دادن آهن وفولاد باروي است. گالوانيزه ، بطرقمختلف انجام مي‌‌گيرد که يکي از اين طرق ،آبکاري با برقاست. در آبکاري با برق ،قطعه‌اي که مي‌‌خواهيم گالوانيزه کنيم،کاتد الکتروليز را تشکيل مي‌‌دهد و فلز روي درآند قرار مي‌‌گيرد. يکي ديگر از روشهاي گالوانيزه ، استفاده ‌از فلز مذاب يا روي مذاباست. روي داراينقطه ذوبپاييني است.

در گالوانيزهبا روي مذاب آن را بصورت مذاب در حمام مورد استفاده قرار مي‌‌دهند و با استفاده ‌ازغوطه‌ور سازي فلز در روي مذاب ، لايه‌اي از روي در سطح فلز تشکيل مي‌‌شود که به‌اين پديده ، غوطه‌وري داغ (Hot dip galvanizing) مي‌گويند. لوله‌هايگالوانيزه در ساخت قطعات مختلف ، درلوله کشي منازلو آبرساني و ... مورداستفاده قرار مي‌‌گيرند.

پوششهاي قلع

قلعازفلزاتياست که ذاتا براحتي اکسيد مي‌‌شود واز طريق ايجاد اکسيد در مقابل اتمسفر مقاوم مي‌‌شود و در محيطهاي بسيار خورنده مثلاسيدها و نمکها و ... بخوبي پايداري مي‌‌کند. به همين دليل در موارد حساس که خوردگيقابل کنترل نيست، از قطعات قلع يا پوششهاي قلع استفاده مي‌‌شود. مصرف زياد اين نوعپوششها ، درصنعت کنسروسازيمي‌‌باشد که بر روي ظروفآهني اين پوششها را قرار مي‌‌دهند.

پوششهايکادميم

اين پوششها بر روي فولاد از طريق آبگيري انجام مي‌‌گيرد. معمولا پيچ ومهره‌هاي فولادي با اين فلز ، روکش داده مي‌‌شوند.

فولاد زنگ‌نزن

اين نوع فولاد ، جزو فلزات بسيار مقاوم در برابر خوردگي استو درصنايع شير آلاتمورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين نوع فولاد ، آلياژ فولاد باکروم مي‌‌باشد و گاهينيکل نيز به ‌اين آلياژاضافه مي‌‌شود.

آهن گالوانيزه

ماهيت آهن گالوانيزه

در آهن گالوانيزه ، بين آهن و روي ،پيلي الکتروشيمياييتشکيل مي‌شود که در آنروي به جاي آهن به عنوانآند بکار مي‌رود و آهن به عنوانکاتد. روي در آند اکسيد مي‌شود چون فلزي پست‌تر يا فعالتر از آهن است و داراي پتانسيلاحياء کمتري از آهن است و پتانسيل اکسيد بيشتري از آن دارد.

حلبي

در حلبي هايي که از آن ، قوطي مي‌سازند، عمل معکوسي انجام مي‌شود. درحلبي، بر روي آهن ، پوششقلع بکار رفته است و عملمعکوس آهن گالوانيزه انجام مي‌شود. چون آهن فلزي فعالتر از قلع است و پتانسيل احياءقلع بيشتر از آهن است و به عنوان کاتد در حلبي به کار مي‌رود و آهن آند مي‌شود. البته در صورتي که پوشش قلع بشکند،خوردگيآهن در زير اين پوشش پيش مي‌رود.

علت استفاده از آهن گالوانيزه

علت استفاده و ايجاد آهنهاي گالوانيزه ،پديده خوردگي آهن است. خوردگي آهن زيانهاي اقتصادي فاحشي دارد. هزينه سالانه تعويضآهن‌ آلات زنگ زده در جهان مقادير زيادي را بخود اختصاص مي‌دهد. فرآيند زنگ زدن آهنماهيتالکتروشيميايي دارد.

خوردگي يا زنگ زدن آهن فقط در حضوراکسيژن وآب صورت مي‌گيرد. در جايي بر سطح جسم آهني، اکسايش آهن انجام مي‌شود و آند را تشکيلمي‌دهد و در جايي ديگر سطح آن جسم که (O₂(g و H₂O وجود دارد،کاهش انجام مي‌شود و کاتد را تشکيل مي‌دهد و در نتيجه اين عمل، ايجاد يک سلولولتايي ياپيل ولتايييا الکتروشيميايي بسيار کوچکاست. الکترونهاي توليد شده در ناحيه آندي در ميان آهن بسوي ناحيه کاتدي حرکتمي‌کند.

کاتيونها ، يعني يونهاي Fe⁺² که در آن آند توليد شده‌اند در آب موجود بر سطح جسمبسوي کاتد مي‌روند. آنيونها يعني يونهاي^-OH که در کاتد توليد شده‌اند، به طرف آند حرکت مي‌کنند. اين يونها در جايي ميان دو ناحيه بهم مي‌رسند و Fe(OH)₂ بوجودمي‌آورند.

اما "آهن II هيدروکسيد" در حضور رطوبت و اکسيژن پايدارنيست. اين هيدروکسيد به نوبه خوداکسيدو به "آهن III هيدروکسيد" تبديل مي‌شود که در واقع "آهن III اکسيد آبپوشيده" ، Fe₂O₃.xH₂O يازنگ آهناست.

جاهايي که جسم آهني زنگزده گود شده ‌است ،نواحي آندييا جاهايي هستند که آهن بصورت يونهاي Fe⁺² در محلول وارد مي‌شوند. نواحي کاتديجاهايي هستند که بيشتردر معرض رطوبت و هوا هستند ، زيرا (O₂(g و H₂O در واکنشکاتدي دخالت دارند. زنگ آهن هميشه در نقاطي نسبتا دورتر از جاهاي گود شده (مياننواحي آندي و کاتدي) ايجاد مي‌شود.

اثر آب نمک

آب نمک ، زنگ زدن را تسريع مي‌کند، زيرا يونهاي موجود در آب بهانتقال جريان در سلولهاي ولتايي يا پيلهاي ولتايي کوچکي که بر سطح آهن برقرارشده‌است، کمک مي‌کند. بنظر مي‌رسد که بعضي از يونها ، مثلا^-Cl وکنشهايالکترودي را کاتاليز مي‌کنند.

اثر ناخالصيها

ناخالصيهاي موجود در آهن نيز سبب پيشرفت زنگ زدگي مي‌شوند،آهن بسيار خالص به سرعت زنگ نمي‌زند. بعضي از انواع ناخالصيها، کشيدگي ها ونقصهاي بلوريموجود در آهن با جذبالکترونها آنها را از ناحيه‌هايي که جايگاههاي آندي مي‌شوند، دور مي‌کنند.

طريقه گالوانيزاسيون

درگالوانيزاسيون، فلز فاسد شدني را در مذاب يک فلزفاسد ناشدني فرو مي‌برند و بيرون مي‌آورند تا سطح آن از يک لايه فلز فاسد نشدنيپوشيده شود. مثلا ورقه هاي نازک آهني را در مذاب فلز روي فرو مي‌برند و بيرونمي‌آورند تا سطح آنها از فلز روي پوشيده شود و آهن سفيد يا آهن گالوانيزه تهيه شود.

موارد استفاده از آهن گالوانيزه

از آهن گالوانيزه در ساختن لوازمي مثللوله بخاري،کانال کولر،کابينتآشپزخانه،شيرواني منازل،لوله‌هاي آبو هر جا که احتمال خوردگي آهن و خسارتوجود دارد، استفاده مي‌شود.

حفاظت کاتدي

ديد کلي

بطور کلي ،فلزات سه دسته‌اند. يک دسته ،آنهايي که مثلاطلا وپلاتين ،در مجاورت هوا اکسيد نمي‌شوند و نيازي به محافظت ندارند.

دسته دوم ، آنهاييکه وقتي در مجاورت هوا قرار مي‌گيرند، اتمهاي سطحشاناکسيد مي‌شوند، ولي اکسيد آنها مقاوم است و چسبيده بهفلز باقي مي‌ماند و خود لايهمحافظي براي فلز مي‌شود. اين گونه فلزات هم نيازي به محافظت ندارند. مثل Zn ، Al ، CO ، Ni ، Sn ، Cr و نظيرآنها.

دسته سوم فلزاتي که وقتي سطح آنها در مجاورت هوا اکسيد مي‌گردد، اکسيدآنها متخلخل است و به فلز نمي‌چسبد و از بدنه فلز کنده مي‌شود که فلز به تدريج فاسدشده ، از بين مي‌رود؛ مثلآهن. اينگونه فلزات را بهروشهاي متفاوت از زنگ زدن محافظت مي‌نمايند، روشهايي مثل رنگ زدن ، زدن ضد زنگ ،چرب کردن سطح فلز بوسيله يک ماده روغني مانندگريس ، لعاب دادن ، آبفلز کاري و حفاظت کاتدي.

اصول حفاظت کاتدي

در کنار فلز فاسد شدني ، يک فلز با پتانسيل احياء کمترقرار مي‌دهند تا اگر اين دو فلز باهم يکپيل الکتروشيمياييتشکيل دادند، فلز دارايEاحياي بيشتر، در نقشکاتد پيل قرار گيرد وخورده نشود. در اين پيل ، فلز دارايEکمتر خورده مي‌شود و فلز مقابلش را ازخطرزنگ زدن مي‌رهاند. اين طريقه حفاظت راحفاظتکاتديمي‌نامند.

امروزه ، بدنه کشتيها ، پايه‌هاي اسکله‌ها ولوله‌هاي انتقالنفت وگاز را که در زير زمين کارمي‌گذارند، با همين روش حفاظت مي‌نمايند. مثلا در کنار آهن ، فلزمنيزيم قرار مي‌دهند که منيزيم ،الکترون مي‌دهد و خورده مي‌شود.

آب فلز کاري

آب کاري فلزات به دو روش صورت مي‌گيرد:

گالوانيزاسيون

در اين روش ، فلز فاسد شدني را در مذاب يک فلز فاسد نشدنيفرو مي‌برند و بيرون مي‌آورند تا سطح آن از يک لايه فلز فاسد نشدني پوشيده شود. مثلا ورقه‌هاي نازک آهني را در مذاب فلزروي فرو مي‌برند و بيرونمي‌آورند تا سطح آنها از فلز روي پوشيده شود و به اين طريق ورقه‌هايآهنسفيدياآهنگالوانيزه تهيه مي‌نمايند که در ساختن لوازمي مثلا لوله بخاري ، کانال کولر ،شيرواني منازل و از اين قبيل بکار مي‌رود. لوله‌هاي آب هم ،آهن سفيدهستند.

اگر ورقه‌هاي آهني را درقلع مذاب بزنيم و بيرون آوريمو سطح آنها را قلع اندود کنيم،حلبيبدست مي‌آيد که از آن در ساختن قوطيمواد غذايي ، نظير کنسروها استفاده مي‌گردد.

الکتروليز

در اين روش ، فلز آب گيرنده يا فاسد شدني را بجايکاتدوفلز پوشش دهنده را بجايآند قرار مي‌دهند و در ظرفالکتروليز، محلولي از يک نمک فلز آب دهنده (فلز پوشش دهنده) را به عنوانالکتروليتمي‌ريزند. با برقراري جريان ،اتمهاي فلز آب دهنده (فلز پوشش دهنده) به صورت يون مثبت از آند کنده مي‌شود و ازطريق الکتروليت ، بطرف کاتد يا آب گيرنده (فلز مورد آبکاري) رفته ، از آن الکترونمي‌گيرند و مجددا به صورت فلز در آمده ، بر سطح فلز (موردآبکاري) مي‌نشينند و تمامي سطح آن رامي‌پوشانند.

به عنوان نمونه در آب فلز کاري يک قاشقمسي در نقش کاتد و نقره درنقش آند است. قاشق مسي را به کاتد وصل مي‌کنيم و الکتروليت مي‌تواند محلول نيتراتنقره باشد. اتمهاي نقره به صورت يوناز ورقهنقره‌اي جدا شده و بسوي قاشق مسي مي‌روند. از آن الکترون مي‌گيرند و به صورت اتمدر آمدهبر سطح قاشق مي‌نشينند.

زيرا با اين که در آب ، يونهم وجوددارد، يونهايدر رقابتبا يونهايبرندهمي‌شوند و به کاتد مي‌روند. در رقابت ميان يونهاي،نيزيونهايبرندهشده ، به آند مي‌روند و الکترون اضافي خود را از دست داده و گازاکسيژن توليد مي‌نمايند.

تفاوت آهن گالوانيزه و حلبي

اگر سطح آهن سفيد خراش بردارد، آهن و روي باهمپيل الکتروشيمياييتشکيل مي‌دهند. در اين پيل ، روي خرده مي‌شود، زيراپتانسيل احياء روي از پتانسيل احياء آهن کمتر است. اما اگر سطح حلبي خراش بردارد،قلع و آهن باهم پيل الکتروشيميايي تشکيل مي‌دهند. در اين پيل ، آهن خورده مي‌شود،زيرا پتانسيل احياء قلع از پتانسيل احياء آهن بيشتر است و آهن در نقش آند پيل عملمي‌کند و از بين مي‌رود که اين طريقه زنگ زدن رازنگ زدن الکتروشيمياييمي‌نامند.

روئين شدن

بايد بدانيم که آهن ، در محيط مرطوب و اکسيژن‌دار زنگ مي‌زند وزنگ توليد شده ،اکسيد آهن III آبداراست که فرمول آن را معمولا بصورتومي‌نويسند. چون مقدار آب آن در همه موارد يکسان نيست، اغلب موارد آن را به صورتونشانمي‌دهند. محيط اسيدي (مثلا هواي دارايو) درمجاورت با فلزي که تمايل کمتري براي از دست دادن الکترون دارد، به زنگ زدن يک فلزکمک مي‌نمايد.

روئين شدنياپاسيو شدنبعضي از فلزات را مربوطبه تشکيل لايه‌اي از اکسيد مي‌دانند که سطح فلز را مي‌پوشاند و در اسيد حل نمي‌شود. در مورد آهن که اکسيد مغناطيسيتشکيلمي‌دهد، اين اکسيد در بعضي اسيدها حل نمي‌شود.