پیشگیری از خوردگی فلزات و معرفی روش های متداول

روش های پیشگیری از خوردگی فلزات :

جهت پیشگیری از خوردگی فلزات در مقطع ، مهندسین طراح مسئولیت انتخاب صحیح مواد را برعهده داشته می بایستی از شرایط محیط، نوع نیروهای وارده و احیانا مکانیزم شکست اطلاعات کافی داشته باشند تا انتخابی بدون نقض انجام پذیرد. گاه چندین عامل ذیل را مد نظر دارند تا وافق و فراگیری لازم بکار گرفته شود.

1- وظیفه و عملیات قطعه مهندسی

2- تنشهای وارده ( نیروهای تنشی، فشاری، سیکلی، خزشی و نهفته )

3- خواص مواد ( استحکام، سختی، سبکی، مقاومت در برابر خوردگی )

4- روشهای تولید

5- هزینه ها

روش های پیشگیری از خوردگی فلزات به شیوه های ذیل انجام می پذیرد و معمولاً چند نوع از آنها بطور همزمان بکار گرفته می شوند، تا اطمینان حاصله به حد صد در صد افزایش یابد :

الف ) انتخاب صحیح مواد.

ب ) تغییر محیط خورنده.

ج ) حفاظت کاتدی و یا آندی.

د ) استفاده از انواع پوشش های سطحی.

هـ ) خنثی سازی محیط با استفاده از ممانعت کننده های شیمیایی.

اگر حفاظت به طور صحیح انجام نپذیرد قطعات مهندسی می شکنند، دلائل شکست عبارتند از :

* خطا در طراحی

* نقص در ماده

* اضمحلال مواد به هنگام کاربرد.

1-2 ) انتخاب مواد مناسب جهت پیشگیری از خوردگی فلزات:

در موضوع پیشگیری از خوردگی فلزات به علت پیشرفت سریع صنایع و گسترش آن در زمینه های گوناگون بویژه در یک قرن اخیر استفاده از مواد و مصالح صنعتی مختلف دامنه بسیار وسیع پیدا کرده است، بطوری که امروزه به منظور ساخت قطعات و وسائل و دستگاههای مورد نیاز در صنایع اتومبیل سازی، خط لوله، پل سازی، نیروگاه ها، واحد های عملیاتی، عملیات دریایی، معادن و غیره از فلزات و آلیاژ های گوناگون، مواد طبیعی، چوب، بتن ها و سرامیک ها، مواد مصنوعی و سنتیک ( لاستیک ها و پلاستیک ها ) و … استفاده می گردد. انتخاب هر کدام از آنها با توجه به خواص و مشخصات مربوطه در برابر عوامل محیطی صورت می پذیرد. به طور کلی هر ماده ای ممکن است فقط در کاربردهای معین و مشخصی نسبت به دیگر مواد مناسب تر باشد.

بطور کلی از 105 عنصر شناخته شده در حدود 80 مورد آنها را فلزات تشکیل می دهند. که هر کدام خواص مکانیکی – شیمیایی و فیزیکی خاصی داشته و نیز میزان و سرعت و رفتار خوردگی آنها در محیط ها و شرایط معینی با دیگری متفاوت می باشد. در تهیه و ساخت آلیاژها که تقریبا نیمی از این عناصر فلزی شرکت دارند پیشرفت های بسیار سریعی انجام گرفته به طوری که تاکنون پیش از 40000 نوع آلیاژ ساخته شده و با گذشت زمان تعداد زیادی نیز به این رقم اضافه خواهد شد. در عمل عوامل مختلفی در کاربرد مواد مد نظر قرار می گیرند، مثلا قیمتها و قابل دسترس بودن به عنوان عامل موثر محسوب نمی شد، می توانستیم بهترین و مقاومترین مواد را برای پیشگیری از خوردگی فلزات انتخاب کنیم.

با این حال دانستن اینکه چه ماده ای انتخاب شود بهتر است موضوع ساده ای نیست. مثلاً در مواردی چوب از همه مناسب تر است، در حالاتی ممکن است لازم باشد تا برای لوله ها یا مخازن پوشش خاصی در نظر گرفته شود. و یا در برخی موارد باید از آلیاژهای بسیار مرغوب استفاده گردد.

2-2 ) تغییر محیط خورنده جهت پیشگیری از خوردگی فلزات:

تغییر محیط خورنده یک روش عمومی برای تقلیل خوردگی است. نمونه تغییراتی که غالباً به کار برده می شوند عبارتند از : تقلیل درجه حرارت – تقلیل سرعت – خارج ساختن اکسیژن یا اکسید کننده ها و تغییر غلظت. در بسیاری موارد این تغییرات به نحو موثری می تواند خوردگی را کم نماید، لکن بایستی با احتیاط عمل شود. تاثیر این تغییرات بستگی به سیستم فلز – محیط خورنده دارد.

* کم کردن درجه حرارت برای پیشگیری از خوردگی فلزات :

این کار معمولاً باعث تقلیل قابل ملاحظه سرعت خوردگی می گردد. لکن در بعضی شرایط تقلیل درجه حرارت تاثیر کمی بر سرعت خوردگی خواهد داشت.

در موارد دیگر افزایش درجه حرارت خوردگی را کم می کند. این حالت موقعی اتفاق می افتد که آب تازه یا نمکدار به نقطه جوش می رسد و در نتیجه تقلیل قابلیت انحلال اکسیژن با بالا رفتن درجه حرارت می باشد. بنابراین آب دریا در حالت جوش، خورندگی کمتری نسبت به آب دریا به صورت داغ ( مثلا 150 درجه فارنهایت ) دارد.

* کم کردن سرعت حرکت برای پیشگیری از خوردگی فلزات:

یکی از روش هایی که اغلب برای کنترل و پیشگیری از خوردگی فلزات به کار می رود، تقلیل سرعت حرکت می باشد. افزایش سرعت حرکت معمولاً سرعت خوردگی را افزایش می دهد، اگر چه استثناعات مهمی در این مورد وجود دارند. فلزات و آلیاژهایی که غیر فعال می شوند، مثل فولادهای زنگ نزن معمولاً در محیط های متحرک بهتر عمل می کنند تا در محلولهای ساکن. هر جاکه امکان داشته باشد، از سرعت خیلی بالا بایستی اجتناب شود،زیرا خوردگی سایشی به وجود می آید.

* خارج کردن اکسیژن یا اکسیدکننده ها و پیشگیری از خوردگی فلزات:

این روش یکی از روشهای خیلی قدیمی کنترل خوردگی است. روش مدرن امروز شامل کاربرد خلاء – دمیدن گاز خنثی به داخل محلول یا استفاده از مواد حذف کننده اکسیژن می باشند.

* تغییر غلظت برای پیشگیری از خوردگی فلزات:

کاهش غلظت عامل خورنده معمولاً مفید است. در تعداد زیادی از فرایندها، عامل خورنده بطور اتفاقی وارد می شود. مثلا با حذف یونهای کلر، خوردگی آب خنک کننده در راکتورهای هسته ای کاهش می یابد. تعداد زیادی از اسیدها مثل اسید سولفوریک و فسفریک در غلظتهای بالا در درجه حرارتهای متوسط تقریبا کاملا خنثی هستند در این موارد، با افزایش غلظت اسید خوردگی کاهش می یابد.

3-2 ) حفاظت کاتدی و آندی :

الف ) حفاظت کاتدی برای پیشگیری از خوردگی فلزات:

حفاظت کاتدی قبل از به وجود آمدن علم الکتروشیمی مورد استفاده قرار گرفته است. اولین بار در سال 1824 دیوی (H.Davy) از این روش برای حفاظت کشتیهای انگلیس استفاده نمود. اساس حفاظت کاتدی را میتوان با در نظر گرفتن خوردگی فلز M در یک محیط اسیدی توضیح داد. واکنش های الکتروشیمیایی انحلال فلز و آزاد شدن گاز ئیدروژن است. طبق معادلات زیر :

با فراهم نمودن الکترون برای فلزی که بایستی محافظت شود، حفاظت کاتدی انجام می شود. روابط بالا نشان می دهد که با دادن الکترون به فلز، انحلال آن تقلیل می یابد و تصعید ئیدروژن انجام می شود. اگر فرض کنیم جریان از قطب مثبت به قطب منفی می رود ( مطابق قرارداد در قوانین الکتریسیته ) بنابراین در صورتی که جریان از الکترولیت وارد سطح فلز گردد باعث محافظت آن می شود. برعکس اگر جریان از سطح فلز وارد الکترولیت گردد خوردگی شدید رخ می دهد. در تکنولوژی حفاظت کاتدی قرارداد جهت جریان بصورت فوق فرض می گردد.

دو روش برای حفاظت کاتدی وجود دارد : یکی به وسیله یک مدار برق و دیگری بوسیله ایجاد یک زوج گالوانیکی مناسب. شکل زیر حفاظت کاتدی به روش اول را نشان می دهد.

ب ) حفاظت آندی برای پیشگیری از خوردگی فلزات:

بر عکس حفاظت کاتدی، حفاظت آندی نسبتا جدید است و اولین بار در سال 1954 پیشنهاد شد. این تکنیک با استفاده از اصول سنتیک الکترود ابداع گردید و بدون اطلاع از نظریه های مدرن تئوری الکتروشیمی توصیف آن مشکل است.

بطور خلاصه، حفاظت آندی براساس تشکیل پوسته سطحی محافظ روی فلزات با اعمال جریان های آندی می باشد. همانگونه که قبلا نیز بیان گردیده، با اعمال جریان آندی به یک فلز قاعدتا سرعت انحلال فلز بایستی افزایش پیدا کند و سرعت آزاد شدن ئیدروژن کاهش یابد. معمولاً در مورد فلزات این حالت اتفاق می افتد بجز در مورد فلزات فعال-غیرفعال مانند نیکل – آهن – کروم – تیتانیوم و آلیاژهای آنها. اگر به دقت جریان آندی به این فلزات اعمال گردد، غیر فعال شده و سرعت انحلال تقلیل می یابد.

برای حفاظت آندی، دستگاهی بنام پتانسیواستات لازم است. پتانسیواستات یک دستگاه الکترونیکی است که فلز را در یک پتانسیل ثابت نسبت به یک الکترود مقایسه نگه می دارد. حفاظت آندی سرعت خوردگی را به شدت تقلیل می دهد.

1-3-2 ) مقایسه حفاظت کاتدی و آندی :

هر یک از دو روش حفاظت کاتد و آندی دارای معایب و مزایایی هستند و در عین حال مکمل یکدیگرند. حفاظت آندی در محیط های ضعیف تا خیلی خورنده می تواند مورد استفاده قرار گیرد. در حالی که حفاظت کاتدی محدود به محیط های متوسط از نظر خوردگی می باشد زیرا با اضافه شدن خورندگی محیط، جریان الکتریکی بیشتری لازم است. لذا حفاظت کاتدی فلزات در محیط های بسیار خورنده عملی نیست. بر عکس در حفاظت آندی جریانهای بسیار کمی بکار می رود، لذا در محیط های بسیار خورنده می تواند مورد استفاده قرار بگیرد.

مخارج سیستم حفاظت کاتدی چندان گران نیست زیرا اجزاء مورد استفاده ساده بوده و به سهولت نصب می گردند. حفاظت آندی نیاز به تجهیزات پیچیده ای نظیر پتانسیو استات و الکترود مقایسه داشته و مخارج نصب آن نیز بالاتر است. مخارج بهره برداری از این دوروش نیز به خاطر اختلاف جریان الکتریکی مورد نیاز که در بالا بدان اشاره گردید با یکدیگر متفاوت است. منطقه مورد حفاظت یا قدرت پرتاب حفاظت کاتدی کم می باشد، لذا برای برقراری جریان یکنواخت احتیاج به الکترودهای متعدد در فواصل نزدیک به یکدیگر می باشد. سیستمهای حفاظت آندی دارای قدرت پرتاب بالایی هستند. لذا با یک الکترود کمکی به تنهایی می توان یک خط لوله طویل را محافظت نمود.