بررسی خواص و خوردگی و اکسیداسیون فلزات(چدن‌ها ، فولاد‌ها و آلومینیوم هاو مقایسه بین آنها) (4)

آهن و فولاد

آهن عنصری شیمیایی است که در جدول تناوبی با نشان Fe و عدد اتمی 26 وجود دارد. فلزی است که در گروه 8 و دوره 4 جدول تناوبی قرار گرفته است. بر اساس تعدادی از منابع آهن، بعنوان یک محصول جانبی از تصفیه مس تولید می‌شد- مثل آهن اسفنجی و بوسیله متالوژی آن در زمان قابل تولید مجدد نبوده است. از 1600 تا 1200 سال قبل از میلاد در خاورمیانه بطور روز افزون از این فلز استفاده می‌شد اما جایگزین کاربرد برنز در آن زمان نشد.

آهن یکی از رایج ترین عناصر زمین است که تقریباً 5% پوسته زمین را تشکیل می‌دهد. آهن از سنگ معدن هماتیت که عمدتاً Fe₂o₃ می‌با‌شد استخراج می‌گردد، این فلز را بوسیله روش کاهش با کربن که عنصری واکنش پذیر است جدا می‌کنند این عمل در کوره بلند در دمای تقریباً 2000 درجه سانتیگراد انجام می‌پذیرد.

در سال 2000 تقریباً 1100 میلیون تن سنگ معدن آهن با رشد ارزش تجاری 25 میلیارد دلار آمریکا استخراج شد، در حالیکه استخراج معدن آهن در 48 کشور صورت می گیرد، چین، برزیل، استرالیا، روسیه، هند با تولید 70% سنگ آهن جهان پنج کشور بزرگ تولیدکنندگان آهن به حساب می‌آیند. برای تولید تقریباً 572 میلیون تن آهن خام 1100 میلیون تن سنگ آهن مورد نیاز است.

فولاد آلیاژی است از آهن . کربن و سایر عناصر که از تصفیه دقیق آهن خام ضمن اختلاط با آهن قراضه بدست می‌آید. به قراضه‌های فولاد نیز آهن قراضه اطلاق می‌شود.

انواع فولادهای مورد استفاده در صنعت:

بطور کلی فولادهای مورد استفاده در صنعت و قالبسازی به دسته های زیر تقسیم بندی می‌شوند که هر کدام دارای مصارف و قابلیت‌های ویژه مخصوص به خود هستند. انواع فولادها عبارتند از:

1-    فولادهای ابزاری

çفولادهای  ابزاری گرمکار

ç فولادهای ابزاری سرد کار

ç فولادهای ابزاری کربنی

2- فولادهای ساختمانی

çفولادهای ساختمانی آلیاژی

ç فولادهای ساختمانی کربنی

3- فولادهای بلبرینگی

4- فولادهای نسوز

5- فولادهای فنری

6- فولادهای ضد زنگ و ضد اسید و قلیا

7- فولادهای تند بر ( خشکه هوایی)

- کاربرد انواع مختلف فولاد :

از فولادی که تا 12% درصد کربن دارد برای ساختن سیم، لوله و ورق فولاد استفاده می‌شود. فولاد متوسط 6% - 2% درصد کربن دارد و آن را برای ساختن ریل، دیگ بخار و قطعات ساختمانی بکار میبرند. فولادی که 5/1 تا 6% کربن دارد، سخت است و از آن برای ساختن ابزار آلات، فنر و کارد و چنگال استفاده می‌شود.

به منظور جلوگیری از زنگ زدن آهن و نیز کاهش تسریع خوردگی آن، آهن را با فلزاتی غیر آهنی پوشش می‌دهند که در اینجا به اختصار به آنها اشاره می‌شود.

 

ï آهن گالوانیزه:

آهنی است که با روی پوشانده شده باشد. این آهن، حتی اگر پوشش آن هم شکستگی پیدا کند، از زنگ زدن محفوظ می ماند. علت استفاده از آهن گالوانیزه هم همین است. در آهن گالوانیزه ، بین آهن و روی، پیلی الکترو شیمیایی تشکیل می‌شود که در روی به جای آهن آند به کار می‌رود و آهن به عنوان کاتد، روی در آند اکسید می‌شود چون فلزی پست تر یا فعالتر از آهن است و دارای پتانسیل احیاء کمتری از آهن است و پتانسیل اکسید بیشتری از آن دارد. خوردگی یا زنگ زدن آهن فقط در حضور اکسیژن و آب صورت می‌گیرد، در جایی بر سطح آهنی، اکسایش آهن انجام می‌شود و آند را تشکیل می‌دهد و در جایی دیگر سطح آن جسم که O_2(g) و H₂O وجود دارد، کاهش انجام می‌شود و کاتد را تشکیل می‌دهد و در نتیجه این عمل، ایجاد یک سلول ولتایی یا پیل ولتایی یا الکتروشیمیایی بسیار کوچک است. الکترونهای تولید شده در ناحیه آندی در میان آهن بسوی ناحیه کاتدی حرکت می‌کند.

 

ïروش گالوانیزاسیون:

در گالوانیزاسیون، فلز فاسد شدنی را در یک فلز فاسد ناشدنی فرو می‌برند و بیرون می‌آورند تا سطح آن از یک لایه فلز فاسد نشدنی پوشیده شود. مثلاً ورقه های نازک آهنی را در مذاب فلز روی فرو می‌برند و بیرون می‌آورند تا سطح آنها از فلز روی پوشیده شود و آهن گالوانیزه تهیه شود.

 

ï موارد استفاده از آهن گالوانیزه:

از آهن گالوانیزه در ساختن لوازمی مثل لوله بخاری، کانال کولر، کابینت آشپزخانه، شیروانی منازل، لوله های آب و هر جا که احتمال خوردگی آهن و خسارات وجود دارد، استفاده می‌شود.

 

ï حلبی:

در حلبی‌هایی که از آن ،قوطی می‌سازند عمل معکوسی انجام می‌شود. در حلبی، بر روی آهن، پوشش قلع بکار می‌برند و عمل معکوس آهن گالوانیزه انجام می‌شود. چون آهن فلزی فعالتر از قلع است و پتانسیل احیاء قلع بیشتر از آهن است و به عنوان کاتد در حلبی به کار می‌رود و آهن آند می‌شود، البته در صورتی که پوشش قلع بشکند، خوردگی آهن در زیر این پوشش پیش می‌رود.

 

ï فولاد:

در مجموع اصطلاح فولاد (Steel) برای آلیاژهای آهن که تا حدود 5/1% کربن دارند و غالباً با فلزهای دیگر همراهند بکار میرود. خواص فولاد به درصد کربن موجود در آن، عملیات حرارتی انجام شده بر روی آن و فلزهای آلیاژ دهنده موجود در آن بستگی دارد.

 

ظاهر : رنگ کردن اتومبیل ها به این علت است که سطوح زنگ زده خوشایند نیستند. تجهیزات زنگ زده یا بشدت خورده شده در یک کارخانه تاثیر بدی روی بیننده، خواهد گذاشت. در بسیاری از محیط های روستایی و بیرون شهری ضخیمتر اختیار کردن فلز (بخاطر مسئله خوردگی) ارزانتر از رنگ کاری و تعمیرات و نگهداری آن می باشد. برای زیبایی ، سطوح خارجی یا زه های خارجی ساختمان ها از فولاد زنگ نزن ، آلومینیوم ، یا مس ساخته می شوند. این مطلب در رستوران ها و تاسیسات تجارتی دیگر نیز صادق است. این ها مثالهایی از هزینه هایی است که برای حفظ ظاهر در مقابل خوردگی متحمل می شویم.  

 

مخارج تعمیرات و نگهداری و بهره برداری:

کاربرد مواد مقاوم در برابر خوردگی باعث صرفه جویی های عمده ای در بعضی کارخانجات می شود ، در این زمینه یک مثال کلاسیک وجود دارد، در یک کارخانه صرفاً با تغییر جنس پیچ های مورد استفاده به یک فلز مقاومتر در شرایط کار ، سالانه 10000 دلار صرفه جویی شد. هزینه این تغییر جنس ناچیز بود. یک کارخانه بازیابی اسید چندین ماه ضرر می داد تا اینکه یک مسئله خوردگی حاد آن حل شد. کاربرد حفاظت کاتدی در مورد خطوط لوله های زیرزمینی از سوراخ شدن آنها جلوگیری نموده و در نتیجه صرفه جویی بزرگی در مخارج تعمیراتی به عمل آید. مخارج نیروی انسانی ایجاب می کند که بمنظور کم کردن قیمت تمام شده محصول ، هزینه های تعمیرات و نگهداری به دقت بررسی شوند.همکاری نزدیک بین مهندس خوردگی و پرسنل بهره برداری و طراحی ، قبل از ساخت یک کارخانه باعث حذف یا کاهش عمده مخارج تعمیرات و نگهداری می شود. تغییرات جزئی در فرآیندها غالباً بدون تاثیر برخورد فرآیند باعث تقلیل خورندگی محلولهای مورد استفاده شده و در نتیجه امکان استفاده از مواد ارزانتر را مقدور می سازند. غالباً این تغییرات را بعد از ساخت کارخانه نیز می توان انجام داد ، ولی در نظر گرفتن اقدامات اولیه مطلوبتر است، مشکلات خوردگی را اغلب می توان در مرحله طراحی سیستم کاهش داد یا حذف نمود. و زمان اینکار در مرحله طراحی اولیه کارخانه می باشد.    

 

خواباندن کارخانه :

غالباً بخاطر انهدامهای غیرمنتظره خوردگی واحدی را متوقف می سازند یا قسمتی از یک سیستم را               می خوابانند. گاهی اوقات این توقف ها در اثر خوردگی است بدون آنکه تغییری در شرایط سیستم داده شود. ولی گاهی اوقات این توقفها در اثر تغییراتی در روشهای بهره برداری است که اشتباهاً از نظر خوردگی بدون تاثیر تلقی می شوند.

گاهی اوقات تغییرات جزئی در پروسه یا افزودن یک ماده جدید می تواند مسئله خوردگی را کاملاً دگرگون سازد. برای افزایش تولید، درجه حرارت محیط سردکننده ، در سیستم مبدل حرارتی تقلیل داده شده و در نتیجه زمان لازم برای سیکل عملیات کم شد. لکن پایین آوردن درجه حرارت محیط خنک کننده باعث ایجاد شیبهای حرارتی شدیدتری در دیواره فلز شده و تنشهای بالاتری در فلز بوجود آمد. ترک خوردن در اثر خوردگی و تنش (SCC) بسرعت واقع شده و منجر به خواباندن کارخانه گردید.

نظارت دائمی بر فرآیند و محیط خورنده در جلوگیری از انهدامهای غیرمنتظره و خواباندن کارخانه نقش بسزایی دارد. قراردادن نمونه هایی از فلزی که تجهیزات از آن ساخته شده در معرض پروسه و کنترل و بازرسی متناوب آنها با استفاده از یک الکترود که دائماً سرعت خوردگی را ثبت می نماید از این قبیل می باشند. بازرسی متناوب تجهیزات در مواقعی که کارخانه به دلایل دیگری کار نمی کند، نیز از انهدام های غیرمنتظره جلوگیری می نمایند.

 

آلوده شدن محصول:

در اکثر موارد قیمت یک محصول در بازار به خلوص و کیفیت آن بستگی دارد. عاری بودن از آلودگی های جزئی فاکتور حیاتی در تولید و حمل و نقل پلاستیک های شفاف ، رنگ ها ، موادغذایی ، داروها و نیمه هادی هاست. در بعضی موارد مقدار کمی خوردگی که باعث وارد شدن یونهای فلزی بداخل محلول می گردد ممکن است باعث تجزیه کاتالیزوری یک محصول گردد. بعنوان مثال در تولید و انتقال پراکسید ئیدروژن غلیظ و یا هیدرازین. در مواردی که با آلودگی و تجزیه محصول مواجه هستیم عمر قطعه فاکتور مهمی نخواهد بود با وجود اینکه فولاد معمولی ممکن است سالها دوام بیاورد ، ولی فلز گرانتری بکار برده  می شود تا از آلودگی محصول به رنگ ناشی از فولاد معمولی اجتناب گردد.

نشت یا از بین رفتن محصولات باارزش نشت جزئی اسیدسولفوریک به فاضلاب نگرانی حادی ایجاد                      نمی کند ، زیرا اسیدسولفوریک ماده ارزان قیمتی است.

لکن ، نشت یا از بین رفتن ماده ای که گالنی چند صد دلار ارزش دارد بایستی سریعاً متوقف گردد، نشت جزئی ترکیبات یا محلولهای اورانیم خطرناک است و می تواند خیلی گران تمام شود در چنین مواردی استفاده از طراحی گرانتر و مواد بهتر برای ساخت تجهیزات بخوبی قابل توجیه هستند.

 

اثرات بر امنیت و قابلیت اعتماد:

کارکردن با مواد خطرناک مثل گازهای سمی ، اسیدکلرئیدریک ، اسید سولفوریک و اسیدنیتریک غلیظ و مواد منفجره و قابل اشتعال ، مواد رادیواکتیو ، و مواد شیمیایی در دماها و فشارهای بالا مستلزم استفاده از نوعی مواد ساختمانی است که خطر انهدامهای خوردگی به حداقل برسد. ترک خوردن در اثر خوردگی توام با تنش در دیواره فلزی که سوخت و عامل اکسید کننده را در یک موشک از هم جدا می سازد، می تواند باعث اختلاط زودرس شده و باعث از بین رفتن میلیون ها دلار و جراحات انسانی گردد. شکست یک قطعه کوچک ممکن است باعث انهدام یا تخریب تمام ساختمان گردد. تجهیزاتی که در حال خورده شدن هستند می توانند باعث تبدیل شدن ترکیبات نسبتاً بی خطر به مواد منفجره شوند. صرفه جویی در مواد ساختمانی در مواردی که امنیت بخطر افتد مطلوب نیست.

ملاحظات دیگر بهداشتی نیز می تواند مهم باشند مثل آلودگی آب آشامیدنی.

محصولات خوردگی می توانند باعث شوند که ضدعفونی کردن تجهیزات مشکلتر گردد. یک مثال جالب توجه در این رابطه در مورد کارخانجات شیر و محصولات لبنیاتی دیگر است.در کارخانجات تولید مواد لبنیاتی و شیر در گذشته از فولادهای زنگ نزن فریتی استفاده شده و دستگاه های طوری طراحی می شدند که براحتی قابل باز کردن برای تمیز کردن و ضدعفونی کردن باشند. در کارخانجات مدرن تجهیزات در جا تمیز و ضدعفونی می شوند. در این روش از مواد شیمیایی قوی و خورنده (از نقطه نظر یونهای کلر و ایجاد خوردگی حفره ای) استفاده می شود. این محلوها را در داخل سیستم سیرکوله می کنند. بدون اینکه تجهیزات را باز نمایند و بدین ترتیب در نیروی انسانی صرفه جویی های زیادی می شود. در این کارخانجات بایستی از فولاد زنگ نزن مقاوم در برابر خوردگی حفره ای یعنی نوع 316 محتوی نیکل و مولیبدن استفاده شود.

خوردگی همچنین نقش مهمی در فلزاتی که در داخل بدن بکار می روند باز می کند. در فلزاتی که در اتصال مفصلها ، پیچها ، ورقه ها و دریچه های قلب به کار می روند قابلیت اعتماد از اهمیت والایی برخوردار است. یک تجربه غیرعادی بر اهمیت ملاحظات امنیتی تاکید می کند. یک تانک فولاد کربنی بزرگ تمیز و شسته شده و یک کارگر برای تعمیرات وارد آن شد. این کارگر در اثر خفگی جان سپرد زیرا مقدار اکسیژن هوای داخل تانک در اثر زنگ زدن سریع تانک کاهش یافت ( به حدود 1% اکسیژن) اگر یک دریچه دیگر باز گذاشته شده بود جریان طبیعی هوا عوض می کرد.

مسئولیت عملکرد محصول:

یک روند مهم و نگران کننده ای که در این مملکت در جریان است، این است که مسئولیت قانونی انهدام قطعات در اثر خوردگی یا هر دلیل دیگری را به عهده تولید کننده یا سازنده می اندازند. وزارت بازرگانی ایالات متحده گزارش در زمینه افزایش اداعاهای قانونی در مورد مسئولیت عملکرد محصول انتشار داده است. و اشاره می کند که این گونه ادعاها درصد افزاش بسیار بالایی پیدا کرده و در حال رسیدن به ادعاهای بیمه در زمینه خطاهای پزشکی می باشند. یک تخمین نشان می دهد که در سال 1965 غرامت متوسط ادعاهای قانونی در مورد عملکرد محصول 11644 دلار بوده است و تا سال 1973 این رقم به 79940 دلار افزایش یافته است.(686% افزایش).

 

طبقه بندی خوردگی:

خوردگی را به روشهای مختلف طبقه بندی می کنند. در یک روش خوردگی به دو گروه در درجه حرارت های بالا و درجه حرارت های پایین تقسیم می گردد. در یک روش دیگر خوردگی به ترکیب مستقیم (یا اکسیداسیون) و خوردگی الکتروشیمیائی تقسیم بندی می گردد. در اینجا طبقه بندی عبارتست از :

1)     خوردگی تر ،

2)     خوردگی خشک.

خوردگی تر در حضور یک مایع انجام می شود. معمولاً مایع شامل محلول ها با   الکترولیت هائی بوده و عامل قسمت اعظم خوردگی است. یک مثال در این مورد  خوردگی فولاد به وسیله آّب می باشد. خوردگی خشک موقعی است که فاز مایع وجود نداشته باشد یا بالای نقطه شبنم محیط باشیم در این موارد بخارات و گازها عمل خورنده بوده و غالباً این نوع خوردگی در درجه حرارت های بالا صورت می گیرد. یک مثال در این حالت خوردگی فولاد بوسیله گازهای کوره می باشد.

وجود حتی مقادیر کم رطوبت می تواند شکل خوردگی را به کلی دگرگون سازد. مثلاً کلر خشک باعث خوردگی فولاد معمولی نمی شود ، لکن کلر مرطوب یا کلر حل شده در آب ، بشدت خورنده بوده و باعث خوردگی کمتر اکثر فلزات و آلیاژها می گردد. در مورد یک مکانیسم عکس این مطالب صادق است. گاز کلر خشک خورنده تر از گاز کلر مرطوب برای این فلز می باشد.

 

دورنمای آینده :

در آینده مهندسین خوردگی بایستی جوابگوی انتظارات بیشتر و بیشتری باشند. مهندسین خوردگی بایستی با تخصص و کاربرد نبوغ خود جوابگوی مشکلات جدید بوده و آنها را حل نمایند. مسئله انرژی ، کمبود مواد و جنبه های سیاسی فاکتورهای پیچیده کننده نسبتاً جدیدی هستند. شرایط غیرعادی امروز فردا عادی خواهد بود در گذشته تاکید بر توسعه آلیاژها و مواد بهتر و وسیع تر بود. در آینده ممکن است آلیاژهای قابل قبولی جایگزین گردند. مثلاً ممکن است هنگامی که مقاومت کامل فولاد زنگ نزن 18% کرم – 8% نیکل ضروری نباشد، بجای آن از آلیاژ آهن – 6% کرم 6% آلومینیوم استفاده کرد. امروزه وسایل تحقیقاتی جدیدی وجود دارند و در آینده نیز انواع بهتری بوجود خواهند آمد تا در مطالعه و درک خوردگی و جلوگیری از آن بکار روند. همکاری نزدیک بین مهندسین خوردگی و محققین خوردگی اجباری است. همکاری بیشتری بین ممالک مختلف انجام خواهد شد. همکاری نزدیک بین مهندسین خوردگی (و مهندسین مواد) و مهندسین طراح یک اجبار است.

مهندسین خوردگی بایست از شروع پروژه عضوی از تیم طراحی باشند. آنها نیز باید  نقشه ها و دستورالعمل را تائید نمایند. مهندسین خوردگی و طراحی بایستی جنبه های مکانیک شکست و همچنین روش های بازرسی و بررسی های غیرمخرب را بدانند.