مقاله فارسی خوردگي فلزات

خوردگي فلزات
تخريب فلزات با عوامل غير خوردگي
فلزات در اثر اصطکاک ، 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. البته M+n مي‌‌تواند به حالتهاي مختلف گونه‌هاي فلزي با اجزاي مختلف ظاهر شود. اگر آهن را در اتمسفر هوا قرار دهيم، زنگ مي‌‌زند که يک نوع خوردگي و پديده‌اي خودبه‌خودي است. انواع مواد هيدروکسيدي و اکسيدي نيز مي‌‌توانند محصولات جامد خوردگي باشند که همگي گونه فلزي هستند. پس در اثر خوردگي فلزات در يک محيط که پديده‌اي خودبه‌خودي است، اشکال مختلف آن ظاهر مي‌‌شود.
بندرت مي‌‌توان فلز را بصورت فلزي و عنصري در محيط پيدا کرد و اغلب بصورت ترکيب در کاني‌ها و بصورت کلريدها و سولفيدها و غيره يافت مي‌‌شوند و ما آنها را بازيابي مي‌‌کنيم. به عبارت ديگر ، با استفاده ‌از روشهاي مختلف ، فلزات را از
آن ترکيبات خارج مي‌‌کنند. يکي از اين روشها ، روش احياي فلزات است. بعنوان مثال ، براي بازيابي مس از ترکيبات آن ، فلز را بصورت سولفات مس از ترکيبات آن خارج مي‌‌کنيم يا اينکه آلومينيوم موجود در طبيعت را با روشهاي شيميايي تبديل به ‌اکسيد آلومينيوم مي‌‌کنند و سپس با روشهاي الکتروليز مي‌‌توانند آن را احيا کنند.براي تمام اين روشها ، نياز به صرف انرژي است که يک روش و فرايند غيرخودبه‌خودي است و يک فرايند غيرخودبه‌خودي هزينه و مواد ويژه‌اي نياز دارد. از طرف ديگر ، هر فرايند غير خودبه‌خودي درصدد است که به حالت اوليه خود بازگردد، چرا که بازگشت به حالت اوليه يک مسير خودبه‌خودي است. پس فلزات استخراج شده ميل دارند به ذات اصلي خود باز گردند.
در جامعه منابع فلزات محدود است و مسير برگشت طوري نيست که دوباره آنها را بازگرداند. وقتي فلزي را در اسيد حل مي‌‌کنيم و يا در و پنجره دچار خوردگي مي‌‌شوند، ديگر قابل بازيابي نيستند. پس خوردگي يک پديده مضر و ضربه زننده به ‌اقتصاد است.
جنبه‌هاي اقتصادي فرايند خوردگي
برآوردي که در مورد ضررهاي خوردگي انجام گرفته، نشان مي‌‌دهد سالانه هزينه تحميل شده از سوي خوردگي ، بالغ بر 5 ميليارد دلار است. بيشترين ضررهاي خوردگي ، هزينه‌هايي است که براي جلوگيري از خوردگي تحميل مي‌‌شود.
پوششهاي رنگها و جلاها
ساده‌ترين راه مبارزه با خوردگي ، اعمال يک لايه رنگ است. با استفاده ‌از رنگها بصورت آستر و رويه ، مي‌‌توان ارتباط فلزات را با محيط تا اندازه‌اي قطع کرد و در نتيجه موجب محافظت تاسيسات فلزي شد. به روشهاي ساده‌اي مي‌‌توان رنگها را بروي فلزات ثابت کرد که مي‌‌توان روش پاششي را نام برد. به کمک روشهاي رنگ‌دهي ، مي‌‌توان ضخامت معيني از رنگها را روي تاسيسات فلزي قرار داد.
آخرين پديده در صنايع رنگ سازي ساخت رنگهاي الکتروستاتيک است که به ميدان الکتريکي پاسخ
مي‌‌دهند و به ‌اين ترتيب مي‌توان از پراکندگي و تلف شدن رنگ جلوگيري کرد.
پوششهاي فسفاتي و کروماتي
اين پوششها که پوششهاي تبديلي ناميده مي‌‌شوند، پوششهايي هستند که ‌از خود فلز ايجاد مي‌‌شوند. فسفاتها و کروماتها نامحلول‌اند. با استفاده ‌از محلولهاي معيني مثل اسيد سولفوريک با مقدار معيني از نمکهاي فسفات ، قسمت سطحي قطعات فلزي را تبديل به فسفات يا کرومات آن فلز مي‌‌کنند و در نتيجه ، به سطح قطعه فلز چسبيده و بعنوان پوششهاي محافظ در محيط‌هاي خنثي مي‌‌توانند کارايي داشته باشند.
اين پوششها بيشتر به ‌اين دليل فراهم مي‌‌شوند که ‌از روي آنها بتوان پوششهاي رنگ را بر روي قطعات فلزي بکار برد. پس پوششهاي فسفاتي ، کروماتي ، بعنوان آستر نيز در قطعات صنعتي مي‌‌توانند عمل کنند؛ چرا که وجود اين پوشش ، ارتباط رنگ با قطعه را محکم‌تر مي‌‌سازد. رنگ کم و بيش داراي تحلخل است و اگر خوب فراهم نشود، نمي‌‌تواند از خوردگي جلوگيري کند.
پوششهاي اکسيد فلزات
اکسيد برخي فلزات بر روي خود فلزات ، از خوردگي جلوگيري مي‌‌کند. بعنوان مثال ، مي‌‌توان تحت عوامل کنترل شده ، لايه‌اي از اکسيد آلومينيوم بر روي آلومينيوم نشاند. اکسيد آلومينيوم رنگ خوبي دارد و اکسيد آن به سطح فلز مي‌‌چسبد و باعث مي‌‌شود 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 را رنگ کرد. اکسيد آلومينيوم داراي تخلخل و حفره‌هاي شش وجهي است که با الکتروليز ، رنگ در اين حفره‌ها قرار مي‌‌گيرد.
همچنين با پديده ‌الکتروليز ، آهن را به ‌اکسيد آهن سياه رنگ (البته بصورت کنترل شده) تبديل مي‌‌کنند که مقاوم در برابر خوردگي است که به آن “سياه‌کاري آهن يا فولاد” مي‌‌گويند که در قطعات يدکي ماشين ديده مي‌‌شود.
پوششهاي گالوانيزه
گالوانيزه کردن (Galvanizing) ، پوشش دادن آهن و فولاد با روي است. گالوانيزه ، بطرق مختلف انجام مي‌‌گيرد که يکي از اين طرق ، آبکاري با برق است. در آبکاري با برق ، قطعه‌اي که مي‌‌خواهيم گالوانيزه کنيم، کاتد الکتروليز را تشکيل
مي‌‌دهد و فلز روي در آند قرار مي‌‌گيرد. يکي ديگر از روشهاي گالوانيزه ، استفاده ‌از فلز مذاب يا روي مذاب است. روي داراي نقطه ذوب پاييني است.
در گالوانيزه با روي مذاب آن را بصورت مذاب در حمام مورد استفاده قرار مي‌‌دهند و با استفاده ‌از غوطه‌ور سازي فلز در روي مذاب ، لايه‌اي از روي در سطح فلز تشکيل مي‌‌شود که به ‌اين پديده ، غوطه‌وري داغ (Hot dip galvanizing) مي‌گويند. لوله‌هاي گالوانيزه در ساخت قطعات مختلف ، در لوله کشي منازل و آبرساني و … مورد استفاده قرار مي‌‌گيرند.
پوششهاي قلع
قلع از فلزاتي است که ذاتا براحتي اکسيد مي‌‌شود و از طريق ايجاد اکسيد در مقابل اتمسفر مقاوم مي‌‌شود و در محيطهاي بسيار خورنده مثل اسيدها و نمکها و … بخوبي پايداري مي‌‌کند. به همين دليل در موارد حساس که خوردگي قابل کنترل نيست، از قطعات قلع يا پوششهاي قلع استفاده مي‌‌شود. مصرف زياد اين نوع پوششها ، در صنعت کنسروسازي مي‌‌باشد که بر روي ظروف آهني اين پوششها را قرار مي‌‌دهند.
پوششهاي کادميم
اين پوششها بر روي فولاد از طريق آبگيري انجام مي‌‌گيرد. معمولا پيچ و مهره‌هاي فولادي با اين فلز ، روکش داده مي‌‌شوند.
فولاد زنگ‌نزن
اين نوع فولاد ، جزو فلزات بسيار مقاوم در برابر خوردگي است و در صنايع شير آلات مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين نوع فولاد ، آلياژ فولاد با کروم مي‌‌باشد و گاهي نيکل نيز به ‌اين آلياژ اضافه مي‌‌شود.
آهن گالوانيزه
ماهيت آهن گالوانيزه
در آهن گالوانيزه ، بين آهن و روي ، پيلي الکتروشيميايي تشکيل مي‌شود که در آن روي به جاي آهن به عنوان آند بکار مي‌رود و آهن به عنوان کاتد. روي در آند اکسيد مي‌شود چون فلزي پست‌تر يا فعالتر از آهن است و داراي پتانسيل احياء کمتري از آهن است و پتانسيل اکسيد بيشتري از آن دارد.
حلبي
در حلبي هايي که از آن ، قوطي مي‌سازند، عمل معکوسي انجام مي‌شود. در حلبي ، بر روي آهن ،
پوشش قلع بکار رفته است و عمل معکوس آهن گالوانيزه انجام مي‌شود. چون آهن فلزي فعالتر از قلع است و پتانسيل احياء قلع بيشتر از آهن است و به عنوان کاتد در حلبي به کار مي‌رود و آهن آند مي‌شود. البته در صورتي که پوشش قلع بشکند، خوردگي آهن 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 تعويض آهن‌ آلات زنگ زده در جهان مقادير زيادي را بخود اختصاص مي‌دهد. فرآيند زنگ زدن آهن ماهيت الکتروشيميايي دارد.خوردگي يا زنگ زدن آهن فقط در حضور اکسيژن و آب صورت مي‌گيرد. در جايي بر سطح جسم آهني، اکسايش آهن انجام مي‌شود و آند را تشکيل مي‌دهد 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 سلول ولتايي يا پيل ولتايي يا الکتروشيميايي بسيار
کوچک است. الکترونهاي توليد شده در ناحيه آندي در ميان آهن بسوي ناحيه کاتدي حرکت مي‌کند.
کاتيونها ، يعني يونهاي Fe+2 که در آن آند توليد شده‌اند در آب موجود بر سطح جسم بسوي 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 بوجود مي‌آورند.
اما “آهن II هيدروکسيد” در حضور رطوبت و اکسيژن پايدار نيست. اين هيدروکسيد به نوبه خود اکسيد و به “آهن III هيدروکسيد” تبديل مي‌شود که در واقع “آهن III اکسيد آبپوشيده” ، Fe2O3.xH2O يا زنگ آهن است.جاهايي که جسم آهني زنگ زده گود شده ‌است ، نواحي آندي يا جاهايي هستند که آهن بصورت يونهاي Fe+2 در محلول وارد مي‌شوند. نواحي کاتدي جاهايي هستند که بيشتر در معرض رطوبت و هوا هستند ، زيرا (O2(g و H2O در واکنش کاتدي دخالت دارند. زنگ آهن هميشه در نقاطي نسبتا دورتر
از جاهاي گود شده (ميان نواحي آندي و کاتدي) ايجاد مي‌شود.
اثر آب نمک
آب نمک ، زنگ زدن را تسريع مي‌کند، زيرا يونهاي موجود در آب به انتقال جريان در سلولهاي ولتايي يا پيلهاي ولتايي کوچکي که بر سطح آهن برقرار شده‌است، کمک مي‌کند. بنظر مي‌رسد که بعضي از يونها ، مثلا -Cl وکنشهاي الکترودي 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 و نقصهاي بلوري موجود در آهن با جذب الکترونها آنها را از ناحيه‌هايي که جايگاههاي آندي مي‌شوند، دور مي‌کنند.
طريقه گالوانيزاسيون
در گالوانيزاسيون ، فلز فاسد شدني را در مذاب يک فلز فاسد ناشدني فرو مي‌برند و بيرون مي‌آورند تا سطح آن از يک لايه فلز فاسد نشدني پوشيده شود. مثلا ورقه هاي نازک آهني را در مذاب فلز روي فرو مي‌برند و بيرون مي‌آورند 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 مثل لوله بخاري ، کانال کولر ، کابينت آشپزخانه ، شيرواني منازل ، لوله‌هاي آب و هر جا که احتمال خوردگي آهن و خسارت وجود دارد، استفاده مي‌شود.
حفاظت کاتدي
ديد کلي
بطور کلي ، فلزات سه دسته‌اند. يک دسته ، آنهايي که مثلا طلا و پلاتين ، در مجاورت هوا اکسيد نمي‌شوند و نيازي به محافظت ندارند.
دسته دوم ، آنهايي که وقتي در مجاورت هوا قرار مي‌گيرند، اتمهاي سطحشان اکسيد مي‌شوند، ولي اکسيد آنها مقاوم است و چسبيده به فلز باقي مي‌ماند و خود لايه محافظي براي فلز مي‌شود. اين گونه فلزات هم نيازي به محافظت ندارند. مثل Zn ، Al ، CO ، Ni ، Sn ، Cr و نظير آنها.
دسته سوم فلزاتي که وقتي سطح آنها در مجاورت هوا اکسيد مي‌گردد، اکسيد آنها متخلخل است و به فلز نمي‌چسبد و از بدنه فلز کنده مي‌شود که فلز به تدريج فاسد شده ، از بين مي‌رود؛ مثل آهن. اينگونه فلزات را به روشهاي متفاوت از زنگ زدن محافظت مي‌نمايند، روشهايي مثل رنگ زدن ، زدن ضد زنگ ، چرب کردن سطح فلز بوسيله يک ماده روغني مانند گريس ، لعاب دادن ، آب فلز کاري و حفاظت کاتدي.
اصول حفاظت کاتدي
در کنار فلز فاسد شدني ، يک فلز با پتانسيل احياء کمتر قرار مي‌دهند تا اگر اين دو فلز باهم يک پيل الکتروشيميايي تشکيل دادند، فلز داراي E احياي بيشتر، در نقش کاتد پيل قرار گيرد و خورده نشود. در اين پيل ، فلز داراي E کمتر خورده مي‌شود و فلز مقابلش را ازخطر زنگ زدن مي‌رهاند. اين طريقه حفاظت را حفاظت کاتدي مي‌نامند.
امروزه ، بدنه کشتيها ، پايه‌هاي اسکله‌ها و لوله‌هاي انتقال نفت و گاز را که در زير زمين کار مي‌گذارند، با همين روش حفاظت مي‌نمايند. مثلا در کنار آهن ، فلز منيزيم 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 نشدني فرو مي‌برند و بيرون مي‌آورند تا سطح آن از يک لايه فلز فاسد نشدني پوشيده شود. مثلا ورقه‌هاي نازک آهني را در مذاب فلز روي فرو مي‌برند و بيرون مي‌آورند تا سطح آنها از فلز روي پوشيده شود و به اين طريق ورقه‌هاي آهن سفيد يا آهن گالوانيزه تهيه مي‌نمايند که در ساختن لوازمي مثلا لوله بخاري ، کانال کولر ، شيرواني منازل و از اين قبيل بکار مي‌رود. لوله‌هاي آب هم ، آهن سفيد هستند.
اگر ورقه‌هاي آهني را در قلع مذاب بزنيم و بيرون آوريم و سطح آنها را قلع اندود کنيم،
حلبي بدست مي‌آيد که از آن در ساختن قوطي مواد غذايي ، نظير کنسروها استفاده مي‌گردد.
الکتروليز
در اين روش ، فلز آب گيرنده يا فاسد شدني را بجاي کاتد و فلز پوشش دهنده را بجاي آند قرار مي‌دهند و در ظرف الکتروليز ، محلولي از يک نمک فلز آب دهنده (فلز پوشش دهنده) را به عنوان الکتروليت مي‌ريزند. با برقراري جريان ، اتمهاي فلز آب دهنده (فلز پوشش دهنده) به صورت يون مثبت از آند کنده مي‌شود و از طريق الکتروليت ، بطرف کاتد يا آب گيرنده (فلز مورد آبکاري) رفته ، از آن الکترون مي‌گيرند و مجددا به صورت فلز در آمده ، بر سطح فلز (مورد آبکاري) مي‌نشينند و تمامي سطح آن را مي‌پوشانند.
به عنوان نمونه در آب فلز کاري يک قاشق مسي در نقش کاتد و نقره در نقش آند است. قاشق مسي را به کاتد وصل مي‌کنيم و الکتروليت مي‌تواند محلول نيترات نقره باشد. اتمهاي نقره به صورت يون از ورقه نقره‌اي جدا شده و بسوي قاشق مسي مي‌روند. از آن الکترون مي‌گيرند و به صورت اتم در آمده بر سطح قاشق مي‌نشينند.زيرا با اين که در آب ، يون هم وجود دارد،
يونهاي در رقابت با يونهاي برنده مي‌شوند و به کاتد مي‌روند. در رقابت ميان يونهاي ، نيز يونهاي برنده شده ، به آند مي‌روند و الکترون اضافي خود را از دست داده و گاز اکسيژن توليد مي‌نمايند.
تفاوت آهن گالوانيزه و حلبي
اگر سطح آهن سفيد خراش بردارد، آهن و روي باهم پيل الکتروشيميايي تشکيل مي‌دهند. در اين پيل ، روي خرده مي‌شود، زيرا پتانسيل 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 عمل مي‌کند و از بين مي‌رود که اين طريقه زنگ زدن را زنگ زدن الکتروشيميايي مي‌نامند.
روئين شدن
بايد بدانيم که آهن ، در محيط مرطوب و اکسيژن‌دار زنگ مي‌زند و زنگ توليد شده ، اکسيد آهن III آبدار است که فرمول آن را معمولا بصورت

فایل : 16 صفحه

فرمت : Word