الطرق الشائعة لحماية المعادن والسبائك ضد التآكل

يُعد التآكل من بين أقدم المشاكل وأكثرها تكلفة في هندسة المواد. من الهياكل الفولاذية الصدئة وخطوط الأنابيب المتدهورة إلى المكونات الإلكترونية الفاشلة والأجزاء الضعيفة في مجال الطيران، يمكن أن يقلل التآكل بشكل كبير من عمر الخدمة والموثوقية وسلامة المعادن والسبائك. فيما يلي طرق حديثة شائعة وعملية لمنع تآكل المعادن والسبائك.

1. اختيار المواد والسبائك

تبدأ إحدى أهم الطرق الأساسية لمنع التآكل في التصميم بالاختيار المناسب للمعدن أو السبيكة للبيئة. المعادن المختلفة لها خصائص تآكل مختلفة جدًا؛ على سبيل المثال، في حين أن الفولاذ الكربوني يصدأ بسرعة في الظروف الرطبة أو المالحة، فإن الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك الألومنيوم وسبائك التيتانيوم تتمتع بمقاومة أفضل للتآكل.

في مثل هذه السيناريوهات، تلعب السبائك دورًا مهمًا. يمكن أن تعزز إضافة عناصر مثل الكروم أو النيكل أو الموليبدينوم أو الألومنيوم من مقاومة التآكل بشكل ملحوظ. على سبيل المثال، يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على 10.5% كحد أدنى من الكروم الذي يشكل طبقة رقيقة من الأكسيد المستقر لحماية المعدن الأساسي من التآكل. وبالمثل، تُستخدم السبائك القائمة على النيكل والسبائك القائمة على الكربون بشكل كبير في البيئات الكيميائية العدوانية وبيئات درجات الحرارة العالية بسبب مقاومتها الممتازة للأكسدة والتآكل.

2. الطلاءات الواقية والمعالجات السطحية

هذه إحدى الطرق الأكثر شيوعًا للحماية من التآكل: وضع بعض الحواجز الواقية بين المعدن وبيئته. يمنع الماء والأكسجين والمواد الكيميائية الأخرى المسببة للتآكل من الوصول إلى السطح.

تشمل الأنواع الشائعة من الطلاءات الدهانات وطلاءات الإيبوكسي وأغشية البوليمر وطلاء السيراميك. في الصناعة، تعتبر الطلاءات المجلفنة - التي تطبق الزنك على الصلب - فعالة للغاية. لا يوفر الزنك حاجزًا ماديًا فحسب، بل يعمل أيضًا كطلاء مضحٍ - حيث يتآكل الزنك بدلاً من الفولاذ.

كما أن المعالجات السطحية مثل الطلاء بأكسيد الألومنيوم (للألومنيوم)، والتخميل (للفولاذ المقاوم للصدأ)، وطلاءات التحويل تعزز أيضًا مقاومة التآكل من خلال تقوية أو تثبيت طبقة الأكسيد الطبيعية على سطح المعدن.

3. الحماية الكاثودية

الحماية الكاثودية هي واحدة من أكثر التقنيات الكهروكيميائية شيوعًا المستخدمة في الهياكل المعدنية الكبيرة مثل خطوط الأنابيب والخزانات تحت الأرض وهياكل السفن والمنصات البحرية. الفكرة الكامنة وراء هذه التقنية بسيطة إلى حد ما: التآكل هو عملية يكون فيها المعدن أنوداً في خلية كهروكيميائية مناسبة. ولإيقاف التآكل أو تقليله بشكل كبير، يجب إجبار المعدن المعين على أن يصبح كاثودًا.

هناك نوعان رئيسيان من الحماية الكاثودية. تقوم أنظمة الأنود القرباني بربط معدن أكثر تفاعلية مثل المغنيسيوم أو الزنك بالهيكل. يتآكل المعدن القرباني بدلاً من الهيكل المحمي. تستخدم أنظمة التيار المضغوط مصدر طاقة خارجي لإمداد تيار وقائي وتوفير تحكم أكثر دقة للأنظمة الكبيرة أو المعقدة.

4. التحكم البيئي

تتأثر معدلات التآكل بشدة بالعوامل البيئية مثل الرطوبة ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة ووجود الأملاح أو الملوثات. التحكم في هذه الظروف قادر على إبطاء التآكل بشكل كبير.

إن تقليل الرطوبة عن طريق مزيلات الرطوبة أو أنظمة التحكم في المناخ فعال في البيئات المغلقة. في المعالجة الكيميائية أو التطبيقات الصناعية، يعمل تعديل مستويات الأس الهيدروجيني و/أو إزالة العوامل المسببة للتآكل على إطالة عمر المكونات المعدنية المعنية: على سبيل المثال، يعد التحكم في تركيز الكلوريد أمرًا بالغ الأهمية لتجنب التآكل في الفولاذ المقاوم للصدأ.

5. التصميم الجيد والممارسات الإنشائية

يمكن أن يؤدي سوء التصميم إلى تسريع عملية التآكل حتى في المواد التي تقاوم التآكل. تعتبر الشقوق والزوايا الحادة والمناطق الراكدة والمناطق التي تميل إلى تجميع الرطوبة مواقع مثالية للتآكل الموضعي.

يسلط التصميم الجيد المقاوم للتآكل الضوء على الأسطح الملساء والصرف المناسب والتهوية الكافية وإمكانية الوصول إليها للسماح بسهولة الفحص والصيانة. وحيثما أمكن، تجنب التلامس المباشر للمعادن غير المتشابهة حيثما أمكن، حيث قد تنشأ مجموعة متنوعة من التآكل الجلفاني عندما يتم توصيل معدنين مختلفين كهربائيًا في بيئة تآكل.

6. استخدام مثبطات التآكل

تتمثل إحدى الطرق الشائعة جدًا للتحكم في التآكل في إضافة مثبطات التآكل، وهي مواد تُضاف إلى بيئة تآكل لتقليل معدل تآكل النظام. تعمل المثبطات بشكل عام عن طريق الامتزاز على سطح المعدن وتشكيل طبقة واقية، أو عن طريق تغيير التفاعلات الكهروكيميائية للتآكل.

ويعد استخدام المثبطات شائعاً في الأنظمة المتعلقة بمياه التبريد والغلايات وخطوط الأنابيب والتطبيقات الصناعية ذات الحلقة المغلقة. على الرغم من أن المثبطات ليست حلولاً دائمة، إلا أن لها فعالية كبيرة جدًا في البيئات الخاضعة للرقابة حيث لا يمكن أن يكون الطلاء أو استبدال المواد عمليًا.

7. الفحص والصيانة المنتظمة

لا تكتمل أي استراتيجية للوقاية من التآكل بدون أجزاء الفحص والصيانة. حتى أفضل الطلاءات تتحلل مع مرور الوقت، وتتغير الظروف البيئية. تسمح عمليات الفحص المنتظمة بالكشف المبكر عن التآكل، مما يتيح إجراء الإصلاحات قبل حدوث أي ضرر جسيم.

قد تأخذ أنشطة الصيانة شكل إعادة الطلاء، أو استبدال الأنودات المضحية، أو تنظيف الأسطح، أو تعديل الضوابط البيئية. في كثير من الحالات، تكون الصيانة الوقائية أكثر فعالية من حيث التكلفة من إصلاح أو استبدال الهياكل المتآكلة.

الخلاصة

يجب أن تكون الوقاية من التآكل في المعادن والسبائك شاملة واستباقية. اختيار المواد المقاومة للتآكل، وتطبيق الطلاءات الواقية، والضوابط البيئية، والتصميم المناسب - كل هذه الطرق لها دورها المهم في إطالة عمر الخدمة والحفاظ على السلامة الهيكلية. آمل أن يكون لديك فهم أفضل وتطبيق هذه التقنيات الشائعة لمنع التآكل بعد هذه القراءة. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).