مقاومت در برابر خوردگی چیست؟

مقاومت در برابر خوردگی توانایی یک ماده برای مقاومت در برابر واکنش‌های شیمیایی یا الکتروشیمیایی است که در معرض عوامل محیطی مانند رطوبت، اکسیژن، اسیدها یا نمک‌ها قرار می‌گیرند. این ویژگی تعیین می کند که مواد چه مدت یکپارچگی ساختاری و عملکرد خود را در محیط های خورنده حفظ می کنند.

مواد از طریق دو مکانیسم اصلی به مقاومت در برابر خوردگی می‌رسند: ویژگی‌های ذاتی خود ماده یا اقدامات حفاظتی اعمال شده مانند پوشش‌ها و درمان‌ها. فلزاتی مانند فولاد ضد زنگ حاوی کروم هستند که یک لایه اکسید خود ترمیم شونده{1} را تشکیل می‌دهد، در حالی که سایر فلزات برای جلوگیری از تخریب نیاز به محافظت خارجی دارند.

چرا مقاومت در برابر خوردگی مهم است

به گفته انجمن حفاظت از مواد و عملکرد، هزینه جهانی خوردگی سالانه بیش از 3 درصد تولید ناخالص داخلی جهان است. بین 15 تا 33 درصد از تولید سالانه فولاد جایگزین فولاد خورده شده است که 1.6 تا 3.4 درصد از انتشار جهانی CO2 را تشکیل می دهد. این ارقام خوردگی را هم به عنوان یک بار اقتصادی و هم به عنوان چالش زیست محیطی نشان می دهد.

صنایع از هوافضا تا مهندسی دریایی به مواد مقاوم در برابر خوردگی{0}}برای جلوگیری از خرابی‌های فاجعه‌بار وابسته هستند. یک قطعه هواپیما یا سکوی نفتی فرسوده خورده می تواند منجر به بلایای ایمنی و خسارات مالی هنگفت شود. در دستگاه های پزشکی، مقاومت در برابر خوردگی ضعیف می تواند باعث شکست ایمپلنت و عوارض بیمار شود. صنعت نیمه هادی برای حفظ خلوص و عملکرد تجهیزات تولیدی به نرخ خوردگی بسیار پایین نیاز دارد.

انتخاب مواد با مقاومت در برابر خوردگی مناسب فرکانس تعویض را کاهش می دهد، هزینه های تعمیر و نگهداری را کاهش می دهد و چرخه عمر محصول را افزایش می دهد. این امر به ویژه در کاربردهایی که دسترسی به تعمیرات دشوار یا غیرممکن است، مانند خطوط لوله زیر دریا یا زیرساخت های مدفون، بسیار مهم می شود.

خوردگی چگونه کار می کند

خوردگی اساساً یک فرآیند الکتروشیمیایی است که در آن فلزات الکترون‌های خود را از دست می‌دهند و به اشکال اکسیدی پایدارتر تبدیل می‌شوند. به عنوان مثال، هنگامی که آهن خورده می شود، اکسید می شود و اکسید آهن را تشکیل می دهد-. این واکنش به سه عنصر نیاز دارد: یک آند (محل اکسیداسیون)، یک کاتد (جایی که کاهش اتفاق می‌افتد)، و یک الکترولیت که یون‌ها را بین آنها هدایت می‌کند.

واکنش در حضور رطوبت تسریع می شود، زیرا آب به عنوان یک الکترولیت عمل می کند. نمک با افزایش رسانایی محلول، فرآیند را تشدید می کند، که توضیح می دهد که چرا محیط های دریایی به ویژه تهاجمی هستند. دما همچنین نقش مهمی دارد-دماهای بالاتر معمولاً نرخ خوردگی را افزایش می‌دهند، اگرچه برخی از مواد در دماهای بالا عملکرد بهتری دارند.

انواع مختلف مواد حمله خوردگی به روش های متمایز. خوردگی یکنواخت به طور یکنواخت در سراسر سطح پخش می شود و به آرامی مواد را نازک می کند. خوردگی حفره ای حفره های عمیق و موضعی ایجاد می کند که می تواند از طریق اجزا نفوذ کند. خوردگی شکافی در فضاهای تنگ که سیال راکد به دام می‌افتد رخ می‌دهد. خوردگی گالوانیکی زمانی اتفاق می‌افتد که فلزات غیرمشابه در یک الکترولیت با یکدیگر تماس پیدا کنند و فلز فعال‌تر ترجیحاً خورده شود.

ترک خوردگی تنشی تنش مکانیکی را با محیط خورنده ترکیب می کند تا ترک هایی ایجاد کند که در مواد منتشر می شود. این فرم به ویژه خطرناک است زیرا بازرسی خارجی ممکن است حداقل آسیب سطحی را نشان دهد در حالی که ترک داخلی یکپارچگی ساختار را به خطر می اندازد.

مواد و مقاومت آنها در برابر خوردگی

فولاد ضد زنگ

فولاد ضد زنگ به دلیل تعادل عملکرد و هزینه، بر کاربردهای مقاوم در برابر خوردگی{0}}تسلط دارد. مشخصه تعیین کننده حداقل 10.5 درصد کروم است که با اکسیژن واکنش می دهد و یک لایه نازک اکسید کروم روی سطح تشکیل می دهد. این لایه غیرفعال اگر خراشیده شود، به شرط وجود اکسیژن، خود-ترمیم می‌شود.

گریدهای مختلف فولاد ضد زنگ سطوح مختلف مقاومت در برابر خوردگی را ارائه می دهند. گریدهای آستنیتی مانند 304 و 316 حاوی 18-20٪ کروم به علاوه 8-12٪ نیکل هستند که مقاومت در برابر خوردگی عمومی عالی را ارائه می دهند. گرید 316 2 تا 3 درصد مولیبدن اضافه می کند که به طور قابل توجهی مقاومت در برابر کلریدها را بهبود می بخشد و آن را برای محیط های دریایی مناسب می کند. فولادهای زنگ نزن دوبلکس ساختارهای آستنیتی و فریتی را با هم ترکیب می کنند و به استحکام بالاتر با مقاومت در برابر خوردگی خوب با هزینه کمتر نسبت به گریدهای آستنیتی بسیار آلیاژی دست می یابند.

فولادهای زنگ نزن مارتنزیتی مقداری مقاومت در برابر خوردگی را برای سختی و استحکام بالاتر قربانی می کنند. این نمرات در کاربردهایی مانند کارد و چنگال یا ابزار جراحی که مقاومت در برابر خوردگی متوسط ​​با الزامات مقاومت در برابر سایش جفت می شود، به خوبی کار می کنند. نمرات سخت شده در برابر بارندگی مانند PH 17-4 بهترین ترکیب از استحکام و مقاومت در برابر خوردگی را در میان فولادهای زنگ نزن ارائه می‌دهند، با استحکام تسلیم 50 درصد بالاتر از گریدهای آستنیتی سری 300.

آلومینیوم و آلیاژهای آن

آلومینیوم به طور طبیعی هنگامی که در معرض هوا قرار می گیرد یک لایه محافظ اکسید آلومینیوم را تشکیل می دهد. این لایه از اکسیداسیون بیشتر جلوگیری می کند و در بسیاری از محیط ها مقاومت در برابر خوردگی ایجاد می کند. طبیعت سبک وزن و مقاومت خوب در برابر خوردگی، آلومینیوم را برای کاربردهای هوافضا، خودرو و دریایی ایده آل می کند.

با این حال، همه آلیاژهای آلومینیوم به طور یکسان در برابر خوردگی مقاومت نمی کنند. آلیاژ آلومینیوم 2024 که به طور گسترده در هوافضا به دلیل نسبت استحکام به این آلیاژ حاوی 3.8-4.9 درصد مس است که مقاومت در برابر خوردگی را به خطر می اندازد. تولیدکنندگان با پوشاندن آلومینیوم 2024 با آلومینیوم با خلوص بالا یا سایر پوشش‌های محافظ، این مشکل را برطرف می‌کنند و محصولات AlClad را ایجاد می‌کنند که استحکام سال 2024 را با مقاومت در برابر خوردگی بهبود یافته ترکیب می‌کنند.

آلیاژ آلومینیوم 6061 مقاومت در برابر خوردگی بهتری نسبت به سال 2024 ارائه می دهد، هرچند با استحکام کمتر. آلیاژهای آلومینیوم درجه{3}دریایی شامل عناصر اضافی هستند که مقاومت در برابر محیط های آب شور را افزایش می دهند. آندایز کردن-یک فرآیند الکتروشیمیایی که به طور مصنوعی لایه اکسید را ضخیم می‌کند-همچنین مقاومت در برابر خوردگی آلومینیوم را بهبود می‌بخشد و در عین حال سختی سطح را افزایش می‌دهد.

تیتانیوم

تیتانیوم از طریق یک لایه اکسیدی پایدار که بلافاصله در معرض هوا یا رطوبت تشکیل می شود، مقاومت در برابر خوردگی استثنایی ارائه می دهد. این لایه اکسید از فلز پایه حتی در محیط های سخت مانند آب دریا، کلر و بسیاری از اسیدها محافظت می کند. تیتانیوم این مقاومت را در طیف وسیعی از دما حفظ می کند و در صورت آسیب، لایه اکسید را به طور خودکار ترمیم می کند.

مقاومت به خوردگی تیتانیوم آن را در فرآوری های شیمیایی، کارخانه های نمک زدایی و مهندسی دریایی ارزشمند می کند. ایمپلنت های پزشکی به طور گسترده ای از تیتانیوم استفاده می کنند زیرا در برابر خوردگی در محیط های فیزیولوژیکی مقاومت می کند و در عین حال زیست سازگاری عالی را نشان می دهد. کاربردهای هوافضا از ترکیب تیتانیوم از وزن سبک، استحکام بالا و مقاومت در برابر خوردگی برای اجزای ساختاری و قطعات موتور استفاده می کند.

هزینه نشان‌دهنده محدودیت اولیه تیتانیوم است-به طور کلی گران‌ترین فلز متداول در برابر خوردگی-مقاوم است. دشواری ماشینکاری و شکل دهی تیتانیوم به هزینه های تولید می افزاید. با وجود این، برنامه‌هایی که در محیط‌های تهاجمی به قابلیت اطمینان طولانی‌مدت نیاز دارند، اغلب سرمایه‌گذاری را توجیه می‌کنند.

آلیاژهای مبتنی بر نیکل-

آلیاژهای نیکل در شرایط سخت که فولادهای زنگ نزن شکست می‌خورند، مقاومت بالایی در برابر خوردگی دارند. آلیاژهایی مانند Inconel 625 و Hastelloy C{3}}276 حاوی درصد بالایی از نیکل، کروم و مولیبدن هستند که در برابر اکسیداسیون و کاهش اسیدها، کلریدها و اکسیداسیون در دمای بالا مقاومت می کنند.

این آلیاژهای ویژه در فرآوری شیمیایی، تولید نفت و گاز و کاربردهای تولید برق برتری دارند. Inconel 718 خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی را در دماهای تا 700 درجه حفظ می کند. مونل 400، یک آلیاژ مس نیکل، مقاومت استثنایی در برابر هیدروفلوئوریک اسید و آب دریا نشان می دهد.

هزینه بالای آلیاژهای مبتنی بر نیکل{0}}استفاده از آنها را محدود به کاربردهایی می‌کند که فولادهای ضد زنگ استاندارد نمی‌توانند کارایی داشته باشند. با این حال، توانایی آنها برای کار در شرایطی که به سرعت مواد دیگر را از بین می برد، اغلب آنها را به تنها گزینه مناسب برای اجزای حیاتی در محیط های تهاجمی تبدیل می کند.

مس و آلیاژهای مس

مس یک پتینه محافظ-یک لایه اکسید شده سبز رنگ- تشکیل می‌دهد که از خوردگی بیشتر جلوگیری می‌کند. این ویژگی مس را برای لوله کشی، کاربردهای الکتریکی و عناصر معماری مناسب می کند. آلیاژهای برنج (مس{4}}روی) و برنز (مس-قلع) مقاومت در برابر خوردگی مس را به ارث می برند در حالی که خواص مکانیکی متفاوتی دارند.

آلیاژهای مس در آب شیرین، آب شور و بسیاری از محیط های صنعتی عملکرد خوبی دارند. آنها بهتر از بسیاری از مواد در برابر رسوب زیستی مقاومت می کنند، و آنها را در کندانسورهای دریایی و مبدل های حرارتی ارزشمند می کند. هدایت حرارتی و الکتریکی عالی عملکردی فراتر از مقاومت در برابر خوردگی می‌افزاید.

برخی از محیط ها به طور تهاجمی به مس حمله می کنند. محلول های حاوی آمونیاک و آمونیاک{1}}می توانند باعث ایجاد ترک خوردگی تنشی در برنج شوند. برخی از ترکیبات گوگردی خوردگی مس را تسریع می کنند. درک این محدودیت ها انتخاب مناسب مواد را برای کاربردهای خاص راهنمایی می کند.

مقاومت در برابر خوردگی درقالب گیری تزریق فلز

قالب‌گیری تزریقی فلز (MIM) با ترکیب پودرهای فلزی با چسب‌های پلیمری، قالب‌گیری تزریقی مخلوط، سپس حذف بایندر و تف جوشی ذرات فلز، اجزای فلزی پیچیده را تولید می‌کند. این فرآیند قطعاتی به شکل نزدیک به-شبکه- با خواص نزدیک به مواد فرفورژه ایجاد می‌کند و آن را برای تولید اجزای پیچیده مقاوم در برابر خوردگی- ارزشمند می‌کند.

فولادهای زنگ نزن به دلیل ترکیبی از مقاومت در برابر خوردگی، خواص مکانیکی و پردازش پذیری بر کاربردهای MIM غالب هستند. MIM 316L مقاومت و استحکام بسیار خوبی در برابر خوردگی برای ابزار پزشکی، سخت افزار دریایی و قطعات صنعتی ارائه می دهد. این فرآیند هندسه های پیچیده را با فلزکاری سنتی غیرممکن می کند و در عین حال مقاومت آلیاژ پایه در برابر خوردگی را حفظ می کند.

با این حال، پردازش MIM به روش های خاصی بر مقاومت خوردگی تأثیر می گذارد. در طول پخت، کروم ترجیحاً می‌تواند از سطح فولادهای زنگ نزن تبخیر شود و مناطق خالی از کروم-در معرض خوردگی حفره‌ای ایجاد کند. پس از{3}}تصفیه‌های پخت-حرارتی، شیمیایی یا مکانیکی-توزیع کروم یکنواخت را بازیابی می‌کند و مقاومت در برابر خوردگی کامل را بازیابی می‌کند. زبری سطح نیز بر رفتار خوردگی تأثیر می گذارد. پرداخت قطعات فولادی ضد زنگ MIM پس از پخت، مقاومت در برابر خوردگی را با کاهش محل شروع گودال بهبود می بخشد.

فولاد ضد زنگ MIM 17-4 PH استحکام بالا را با مقاومت در برابر خوردگی خوب برای کاربردهای سخت ترکیب می کند. این درجه سخت شده با بارش نیاز به عملیات حرارتی مناسب برای دستیابی به خواص مطلوب دارد. در آزمایش‌های بزاق مصنوعی، MIM 17-4 PH درمان نشده می‌تواند حفره‌هایی را نشان دهد، اما پرداخت و پردازش مناسب باعث مقاومت در برابر خوردگی می‌شود که برای کاربردهای پزشکی و دندان‌پزشکی مناسب است.

تیتانیوم MIM اجزای پیچیده تیتانیوم را برای کاربردهای هوافضا و زیست‌پزشکی فعال می‌کند، اگرچه دستیابی به چگالی کامل در طول پخت همچنان چالش برانگیز است. مقاومت عالی در برابر خوردگی تیتانیوم در صورت پردازش مناسب به قطعات MIM منتقل می شود. فولادهای ابزار پردازش شده از طریق MIM می توانند فازهای سختی مانند نیترید تیتانیوم یا بورید کروم را برای افزایش مقاومت در برابر سایش و حفظ حفاظت در برابر خوردگی کافی برای کاربردهای خاص ترکیب کنند.

عوامل موثر بر مقاومت در برابر خوردگی

ترکیب مواد مقاومت در برابر خوردگی پایه را تعیین می کند. عناصر آلیاژی مانند کروم، نیکل و مولیبدن اکسیدهای محافظ یا سینتیک خوردگی کند را تشکیل می دهند. حتی تغییرات کوچک در ترکیب به طور قابل‌توجهی بر عملکرد تأثیر می‌گذارد-افزودن 2 تا 3 درصد مولیبدن به فولاد ضد زنگ به طور چشمگیری مقاومت کلرید را بهبود می‌بخشد.

شرایط محیطی به شدت بر رفتار خوردگی تأثیر می گذارد. رطوبت و در دسترس بودن اکسیژن باعث بیشتر واکنش های خوردگی می شود. غلظت نمک اهمیت دارد-آب دریا حاوی تقریباً 3.5 درصد نمک است، در حالی که آزمایش‌های اسپری نمک ممکن است از محلول‌های 5 درصد برای تسریع آزمایش استفاده کنند. اثرات دما بر اساس مواد و محیط متفاوت است. برخی از آلیاژها در دماهای بالا لایه های اکسید محافظ بیشتری ایجاد می کنند.

pH به شدت بر نرخ خوردگی تأثیر می گذارد. محیط های اسیدی (PH پایین) حمله به اکثر فلزات را تسریع می کنند، در حالی که شرایط قلیایی ممکن است بسته به ماده، خوردگی را افزایش یا کاهش دهد. برخی از فلزات مانند آلومینیوم و روی به سرعت در اسیدها و بازهای قوی خورده می شوند اما در برابر محلول های خنثی مقاومت می کنند.

شرایط سطح بر شروع خوردگی تأثیر می گذارد. سطوح صاف و صیقلی در مقایسه با سطوح ناهموار، محل کمتری را برای شروع حفره ایجاد می کنند. رسوب آسیاب، اکسیدهای عملیات حرارتی یا آلودگی می توانند مناطق متفاوتی ایجاد کنند که خوردگی موضعی را تسریع می کند. درمان های سطحی مانند غیرفعال سازی به طور شیمیایی لایه اکسید محافظ روی فولادهای ضد زنگ را افزایش می دهد.

تنش مکانیکی به ترک خوردگی ناشی از تنش کمک می کند. اجزای تحت کشش، به ویژه در محیط های خورنده، می توانند ترک هایی ایجاد کنند که تا زمانی که خرابی رخ دهد، منتشر می شوند. این شکل از خوردگی در فولادهای ضد زنگ در معرض کلرید، برنج در محیط های آمونیاکی و بسیاری از آلیاژها تحت شرایط خاص ظاهر می شود. طراحی باید سطوح استرس و قرار گرفتن در معرض محیط را با هم در نظر بگیرد.

اثرات گالوانیکی زمانی ایجاد می شود که فلزات غیرمشابه به صورت الکتریکی با یکدیگر در یک الکترولیت تماس برقرار کنند. فلز فعال تر (آند) ترجیحاً خورده می شود و از فلز نجیب (کاتد) محافظت می کند. جفت شدن مواد و نسبت مساحت سطح شدت را تعیین می‌کند-یک بست فولادی کوچک در یک پانل آلومینیومی بزرگ به سرعت خورده می‌شود، در حالی که معکوس کردن نسبت، نرخ خوردگی فولاد را کاهش می‌دهد.

تست و اندازه گیری مقاومت در برابر خوردگی

آزمایش مقاومت در برابر خوردگی عملکرد مواد را در شرایط کنترل‌شده برای پیش‌بینی رفتار واقعی{0}}در جهان ارزیابی می‌کند. چندین روش تست وجود دارد زیرا کاربردهای مختلف به رویکردهای ارزیابی متفاوتی نیاز دارند. نتایج راهنمای انتخاب مواد، ارزیابی پوشش و کنترل کیفیت است.

آزمایش اسپری نمک

آزمایش پاشش نمک (ASTM B117) پرکاربردترین روش ارزیابی مقاومت به خوردگی است. نمونه های فلزی در یک محفظه کنترل شده قرار می گیرند که در معرض مه مداوم محلول کلرید سدیم 5 درصد در دمای 35 درجه قرار دارند. مدت زمان تست بسته به کاربرد و عملکرد مورد انتظار از ساعت تا هزاران ساعت متغیر است.

آزمایش اسپری نمک نتایج استاندارد و قابل تکراری را ارائه می دهد که امکان مقایسه بین مواد و پوشش ها را فراهم می کند. شرایط تسریع شده سال ها قرار گرفتن در فضای باز را در کسری از زمان شبیه سازی می کند. با این حال، این آزمایش دارای محدودیت‌هایی است-دوچرخه را بین شرایط مرطوب و خشک که در طبیعت رخ می‌دهد تکرار نمی‌کند، و به طور بالقوه نتایج گمراه‌کننده‌ای را برای برخی کاربردها ارائه می‌کند.

تغییرات در آزمایش پاشش نمک پایه شامل اسپری نمک اسید استیک مس تسریع شده (CASS) برای آزمایش‌های تهاجمی‌تر، و آزمایش پیش‌بینی است که بین اسپری نمک و شرایط خشک چرخه می‌کند تا قرار گرفتن در معرض{1} واقعی جهان را بهتر شبیه‌سازی کند.

روش های تست الکتروشیمیایی

تکنیک های الکتروشیمیایی رفتار خوردگی را با نظارت بر خواص الکتریکی اندازه گیری می کنند. مقاومت قطبی خطی (LPR) ولتاژ کمی را به نمونه در محلول خورنده اعمال می کند و جریان حاصل را اندازه می گیرد. مقاومت پلاریزاسیون به طور معکوس با نرخ خوردگی ارتباط دارد و ارزیابی سریع و غیرمخرب نرخ خوردگی بسیار پایین در کاربردهای دارویی، فرآوری مواد غذایی و هسته ای را ارائه می دهد.

پلاریزاسیون پتانسیودینامیکی ولتاژ را در محدوده وسیعی در حین اندازه گیری پاسخ جریان اسکن می کند. این رفتار غیرفعال سازی موادی مانند فولاد ضد زنگ، شناسایی پارامترهای حیاتی مانند پتانسیل غیرفعال، چگالی جریان غیرفعال و پتانسیل حفره ای را نشان می دهد. قطبش چرخه ای به تعیین حساسیت به خوردگی موضعی کمک می کند.

طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) سیگنال‌های جریان متناوب را در فرکانس‌های چندگانه اعمال می‌کند و پاسخ را برای مشخص کردن ویژگی‌های محافظ فیلم‌ها و پوشش‌های اکسیدی تحلیل می‌کند. این تکنیک بین مکانیسم های خوردگی مختلف تمایز قائل می شود و تخریب پوشش را در طول زمان بررسی می کند.

تست غوطه وری

آزمایش های غوطه وری، نمونه ها را در محلول های خورنده خاص برای دوره های مشخص غوطه ور می کند. پس از قرار گرفتن در معرض، کاهش وزن، تغییرات ابعادی، یا تخریب خواص مکانیکی خوردگی را کمیت می کند. این روش به طور مستقیم شرایط سرویس را برای مواد در معرض مواد شیمیایی، آب های خنک کننده یا سیالات فرآیند شبیه سازی می کند.

مدت قرار گرفتن در معرض به روزهای درخواست برای آزمایش‌های غربالگری، ماه‌ها برای صلاحیت بستگی دارد. نمونه های متعدد قابلیت اطمینان آماری را بهبود می بخشد. بررسی بصری، اندازه‌گیری عمق گودال، و آنالیز متالوگرافی اطلاعات بیشتری در مورد مکانیسم‌های خوردگی فراهم می‌کند.

تست خوردگی شکاف از واشرهای پلاستیکی متصل به نمونه‌های فلزی استفاده می‌کند و شکاف‌های مصنوعی ایجاد می‌کند که محلول راکد می‌تواند باعث حمله موضعی شود. این امر حساسیت به خوردگی در اتصالات، زیر واشرها و سایر فضاهای تنگ را ارزیابی می کند.

{0}}تست قرار گرفتن در معرض واقعی در جهان

آزمایش قرار گرفتن در معرض اتمسفر نمونه‌ها را در محیط‌های خدماتی واقعی-مناطق ساحلی، مناطق صنعتی یا تأسیسات خاص قرار می‌دهد. این کار در حالی که زمان بر است، دقیق‌ترین پیش‌بینی عملکرد را ارائه می‌کند. اتاق‌های هوازدگی کنترل‌شده شرایط فضای باز را با قرار گرفتن در معرض UV، چرخه دما و کنترل رطوبت شبیه‌سازی می‌کنند.

آزمایش میدانی اثراتی را نشان می‌دهد که تکرار آن در آزمایشگاه‌ها غیرممکن است، از جمله رسوب بیولوژیکی، قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی غیرمنتظره، و برهم‌کنش‌های پیچیده بین عوامل محیطی متعدد. اشکال آن مدت زمان طولانی مورد نیاز برای تولید داده های معنی دار است.

اندازه گیری و رتبه بندی خوردگی

نرخ خوردگی سرعت از دست دادن مواد را کمیت می کند. واحدهای رایج عبارتند از میلی متر در سال (mm/yr) یا mils در سال (mpy)، که در آن یک mil برابر با 0.001 اینچ است. نرخ‌های کمتر از 0.02 میلی‌متر در سال (0.8 mpy) عموماً عالی در نظر گرفته می‌شوند، در حالی که نرخ‌های بالاتر از 0.5 میلی‌متر در سال (20 mpy) نشان‌دهنده خوردگی شدید است.

فرمول محاسبه نرخ خوردگی ناشی از کاهش وزن به صورت زیر است:

نرخ خوردگی=(K × W) / (A × T × D)

در جایی که K ثابت است (87.6 برای mm/yr یا 3.45×106 برای mpy)، W کاهش وزن بر حسب گرم است، A سطح نوردهی بر حسب سانتی متر مربع، T زمان نوردهی بر حسب ساعت، و D چگالی مواد بر حسب گرم در سانتی متر مکعب است.

فاکتور حفره‌ای، شدت خوردگی موضعی را با مقایسه حداکثر عمق گودال با میانگین تلفات دیواره از خوردگی یکنواخت کمیت می‌کند. فاکتورهای حفره ای بالاتر نشان دهنده حمله متمرکزتر است که می تواند باعث شکست زودرس شود. چگالی گودال-تعداد گودال در واحد سطح-همچنین برای ارزیابی ریسک مهم است.

مقیاس های رتبه بندی بصری ارزیابی کیفی را ارائه می دهند. استانداردها معیارهای ظاهری مربوط به سطوح مختلف خوردگی را تعریف می کنند. بازرسان باتجربه در حالی که ذهنی هستند، به رتبه بندی های ثابت و مفیدی برای مقایسه عملکرد پوشش می رسند.

افزایش مقاومت در برابر خوردگی

هنگامی که مقاومت در برابر خوردگی مواد پایه کافی نیست، چندین روش افزایش وجود دارد. رویکرد بهینه به مواد، محیط و الزامات کاربرد بستگی دارد.

درمان و پوشش های سطحی

پوشش های محافظ موانعی بین فلز پایه و محیط های خورنده ایجاد می کنند. پوشش‌های ارگانیک-رنگ‌ها، پوشش‌های پودری و لایه‌های پلیمری-حفاظت اقتصادی را برای سازه‌های فولادی، وسایل نقلیه و تجهیزات فراهم می‌کنند. پوشش‌های پیشرفته مکانیسم‌های{4}خود ترمیمی را با استفاده از میکروکپسول‌ها در خود جای می‌دهند که در صورت آسیب، بازدارنده‌های خوردگی را آزاد می‌کنند.

پوشش‌های فلزی مانند روی (گالوانیزه کردن)، آلومینیوم، یا آلیاژهای روی{0}}آلومینیوم از فولاد هم از طریق مانع و هم از طریق عمل قربانی محافظت می‌کنند. حتی اگر آسیب دیده باشد، پوشش ترجیحاً خورده می شود تا فولاد زیرین حفظ شود. گالوانیزه گرم{3}}روکش‌های ضخیم و بادوام تولید می‌کند، در حالی که آبکاری الکتریکی لایه‌های نازک‌تری با پوشش عالی اشکال پیچیده ایجاد می‌کند.

پوشش های تبدیل به طور شیمیایی سطح فلز را تغییر می دهند. عملیات غیرفعال سازی روی فولاد ضد زنگ آهن آزاد را حذف کرده و لایه اکسید کروم را تقویت می کند. آنودایز کردن آلومینیوم به طور مصنوعی یک لایه اکسید آلومینیوم ضخیم را رشد می دهد که مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی و سایش ایجاد می کند. پوشش‌های تبدیل کرومات، اگرچه با محدودیت‌های زیست‌محیطی مواجه هستند، اما محافظت فوق‌العاده‌ای از آلومینیوم و روی ارائه می‌کنند.

پیشرفت‌های اخیر شامل پوشش‌های مبتنی بر گرافن، پوشش‌های نانوکامپوزیت و سیستم‌های ژل-سلول است. این مواد پیشرفته در مقایسه با سیستم‌های سنتی مبتنی بر کروم، ویژگی‌های بازدارنده،-قابلیت خود ترمیمی، و سازگاری با محیط زیست را بهبود می‌بخشند. پوشش‌های هوشمند با سنسورهای تعبیه‌شده می‌توانند شروع خوردگی را تشخیص دهند و پاسخ‌های حفاظتی را تحریک کنند.

حفاظت کاتدی

حفاظت کاتدی با کاتد ساختن کل ساختار فلزی از خوردگی جلوگیری می کند. سیستم های آند قربانی فلزات فعال بیشتری (مانند روی یا منیزیم) را به ساختار محافظت شده متصل می کند. آند به جای ساختار خورده می شود و تا زمانی که آند موثر باقی بماند، محافظت می کند.

سیستم‌های جریان تحت تاثیر از یک منبع تغذیه خارجی برای تزریق جریان استفاده می‌کنند که ساختار را کاتدی می‌کند. این رویکرد برای سازه های بزرگ مانند خطوط لوله، کشتی ها و سکوهای دریایی مناسب است. طراحی مناسب تضمین می کند که جریان به طور یکنواخت برای محافظت از تمام مناطق در معرض توزیع توزیع می شود.

هر دو روش حفاظت کاتدی مکمل پوشش ها هستند. حتی با پوشش های محافظ، نقص یا آسیب کوچک می تواند فلز لخت را در معرض دید قرار دهد. حفاظت کاتدی از خوردگی در این عیوب جلوگیری می کند و به طور چشمگیری عمر مفید را افزایش می دهد.

بازدارنده های خوردگی

بازدارنده های شیمیایی زمانی که به محیط خورنده اضافه شوند، نرخ خوردگی را کاهش می دهند. بازدارنده های فیلم بر روی سطوح فلزی جذب می شوند و موانع محافظ را تشکیل می دهند. بازدارنده های غیرفعال کننده تشکیل فیلم اکسید روی سطوح فلزی را افزایش می دهند. بازدارنده‌های فرّار خوردگی (VCIs) تعالی پیدا می‌کنند تا فازهای بخار محافظ را در فضاهای بسته تشکیل دهند.

بازدارنده ها در سیستم های آب خنک کننده، تولید نفت و گاز، حفاظت تقویت کننده بتن و حفاظت ذخیره سازی موقت کاربرد دارند. انتخاب نیاز به درک مکانیسم خوردگی، سیستم الکترولیت فلز-و سازگاری با سایر مواد شیمیایی موجود دارد.

بازدارنده‌های خوردگی سبز مشتق شده از عصاره‌های گیاهی و اسیدهای آمینه در بسیاری از کاربردها جایگزین بازدارنده‌های سنتی کرومات و فسفات می‌شوند و نگرانی‌های زیست‌محیطی و سمیت را برطرف می‌کنند.

ملاحظات طراحی

طراحی مناسب خطر خوردگی را به حداقل می رساند. اجتناب از شکاف، اطمینان از زهکشی برای جلوگیری از تجمع آب، و به حداقل رساندن تماس فلزی غیر مشابه، همگی باعث کاهش خوردگی می شوند. لبه‌های گرد و انتقال صاف، غلظت‌های تنشی را که می‌تواند باعث ایجاد ترک شود را از بین می‌برد.

دسترسی برای بازرسی و نگهداری امکان تشخیص و درمان زودهنگام خوردگی را فراهم می کند. طراحی برای اعمال پوشش و استفاده مجدد، حفاظت مداوم را در طول عمر مفید ممکن می سازد. انتخاب مواد مناسب برای محیط از ابتدا اغلب مقرون به صرفه تر از سیستم های حفاظتی گسترده در مواد نامناسب است.

صنعت{0}}الزامات خاص مقاومت در برابر خوردگی

هوافضا

سازه‌های هواپیما به موادی نیاز دارند که نسبت استحکام-به-بالا و مقاومت در برابر خوردگی کافی را ترکیب کنند. آلیاژهای آلومینیوم مانند 2024 و 7075 استحکام مورد نیاز را فراهم می کنند اما به درمان های محافظتی نیاز دارند. روکش آلومینیومی، آنودایز و پرایمرهای محافظ از خوردگی در سرویس جلوگیری می کند.

فولادهای ضد زنگ و آلیاژهای تیتانیوم در اجزای{0}}تنش بالا، سیستم‌های هیدرولیک و قطعات موتور استفاده می‌شوند. بازرسی منظم و درمان های حفاظتی مقاومت در برابر خوردگی را در طول عمر عملیاتی هواپیما حفظ می کند. مه نمکی ناشی از عملیات ساحلی و مواد شیمیایی یخ زدایی محیط های تهاجمی خاصی ایجاد می کند.

دریایی و فراساحلی

آب دریا یکی از خورنده ترین محیط های طبیعی است. اکسیژن محلول، محتوای نمک، دما و فعالیت بیولوژیکی همگی به خوردگی سریع کمک می کنند. مواد باید در برابر خوردگی عمومی، سوراخ شدن، خوردگی شکاف و رسوب زیستی مقاومت کنند.

آلیاژهای مس-نیکل در کاربردهای آب دریا برای لوله‌کشی، دریچه‌ها و مبدل‌های حرارتی عالی هستند. فولادهای ضد زنگ دوبلکس و فوق دوبلکس استحکام با مقاومت کلریدی را برای اجزای ساختاری فراهم می کنند. مصونیت تیتانیوم در برابر خوردگی آب دریا آن را برای سیستم های حیاتی علیرغم هزینه بالا ایده آل می کند.

تولید نفت و گاز فراساحلی قرار گرفتن در معرض آب دریا را با سولفید هیدروژن، دی اکسید کربن و فشارهای بالا ترکیب می کند. آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی (CRAs) مانند 625، 825، و فولادهای ضد زنگ تخصصی این شرایط شدید را کنترل می کنند. بازار جهانی CRA سالانه 8 درصد رشد می کند و تا سال 2033 به 16.27 میلیارد دلار پیش بینی می شود که ناشی از تقاضای برنامه های دریایی است.

تجهیزات پزشکی

کاربردهای زیست پزشکی به مقاومت در برابر خوردگی در محیط‌های فیزیولوژیکی-مایعات بدن با کلریدها، پروتئین‌ها و تغییرات pH نیاز دارند. مواد باید خواص مکانیکی خود را حفظ کنند و در عین حال هیچ محصول خوردگی مضری که می تواند باعث واکنش های بافتی یا شکست ایمپلنت شود، آزاد نشود.

فولادهای ضد زنگ مانند 316L در ایمپلنت های موقت و ابزار جراحی استفاده می شود. تیتانیوم و آلیاژهای تیتانیوم بر ایمپلنت‌های دائمی -تعویض مفاصل، صفحات استخوانی، ایمپلنت‌های دندانی-به دلیل مقاومت عالی در برابر خوردگی و زیست سازگاری غالب هستند. آلیاژهای کبالت{5}}کروم مقاومت در برابر سایش بالا با عملکرد خوردگی خوب برای سطوح مفصلی ارائه می دهند.

درمان های سطحی می توانند زیست سازگاری را افزایش دهند و در عین حال مقاومت به خوردگی را حفظ کنند. پردازش مناسب MIM اجزای پیچیده پزشکی را قادر می سازد، اما پرداخت و پرداخت سطح برای دستیابی به مقاومت در برابر خوردگی و زیست سازگاری لازم برای تماس با بدن ضروری است.

پردازش شیمیایی

کارخانه‌های شیمیایی اسیدها، بازها، اکسیدکننده‌ها و حلال‌های آلی را مدیریت می‌کنند که به طور تهاجمی به بیشتر مواد حمله می‌کنند. دما و غلظت به طور چشمگیری بر نرخ خوردگی تأثیر می‌گذارند{1} یک ماده مقاوم به اسید رقیق در دمای اتاق ممکن است در اسید غلیظ در دمای بالا به سرعت از بین برود.

انتخاب مواد به تست خوردگی در سیالات فرآیندی خاص بستگی دارد. آلیاژهای نیکل مانند Hastelloy در برابر اسیدهای اکسید کننده قوی مقاومت می کنند. زیرکونیوم و تانتالیوم شرایط بسیار تهاجمی را کنترل می کنند. فولاد با روکش شیشه ای{3}} استحکام فولاد را با بی اثری شیمیایی شیشه برای راکتورها و کشتی ها ترکیب می کند.

روند مقاومت در برابر خوردگی

تحقیقات برای ایجاد مواد مقاوم در برابر خوردگی{0}و روش‌های حفاظتی مؤثرتر ادامه دارد. آلیاژهای آنتروپی بالا-ترکیبات پیچیده حاوی چندین عنصر اصلی-مقاومت به خوردگی امیدوارکننده همراه با خواص مکانیکی عالی را نشان می‌دهند. این مواد ممکن است در محیط های شدید عملکرد بهتری از آلیاژهای سنتی داشته باشند.

مواد نانوساختار با اندازه دانه های تصفیه شده از طریق تشکیل لایه اکسید محافظ یکنواخت تر، مقاومت در برابر خوردگی بهبود یافته را نشان می دهند. تکنیک‌های نانوساختار سطحی می‌توانند مواد موجود را بدون تغییر ترکیب حجمی افزایش دهند.

هوش مصنوعی و یادگیری ماشین انقلابی در پیش بینی و نظارت بر خوردگی ایجاد می کنند. حسگرهای هوشمند تعبیه شده در سازه‌ها، نظارت بر خوردگی را در زمان واقعی- فراهم می‌کنند و تعمیر و نگهداری پیش‌بینی را ممکن می‌سازند. هوش مصنوعی داده‌های حسگر را تجزیه و تحلیل می‌کند تا پیش‌بینی کند که چه زمانی سیستم‌های حفاظتی نیاز به جایگزینی دارند یا زمانی که قطعات به خرابی نزدیک می‌شوند.

ساخت افزودنی امکان ایجاد اجزای{0}مقاوم در برابر خوردگی با هندسه های پیچیده داخلی را فراهم می کند که تولید معمولی آنها غیرممکن است. خیاطی ترکیب به صورت محلی در یک قطعه می تواند مقاومت در برابر خوردگی را در صورت نیاز بهینه کند در حالی که در جاهای دیگر از مواد ارزان تر استفاده می شود.

فشارهای محیطی باعث توسعه فناوری های حفاظت از خوردگی سبز می شود. بازدارنده‌های مبتنی بر زیست-روکش‌های تبدیل بدون کرومات-و سیستم‌های حفاظتی قابل بازیافت تأثیرات محیطی را کاهش می‌دهند و در عین حال عملکرد را حفظ می‌کنند.

سوالات متداول

تفاوت بین مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر زنگ چیست؟

زنگ به طور خاص به تشکیل اکسید آهن بر روی فلزات مبتنی بر آهن-مانند فولاد اشاره دارد. خوردگی اصطلاح گسترده‌تری برای تخریب مواد از طریق واکنش‌های شیمیایی یا الکتروشیمیایی از جمله زنگ زدگی و همچنین اکسیداسیون آلومینیوم، مس و سایر فلزات است. اگر یک ماده حاوی آهن نباشد می تواند بدون زنگ زدگی خورده شود.

آیا مواد مقاوم در برابر خوردگی{0}}می توانند خورده شوند؟

بله، هیچ ماده ای در برابر تمام خوردگی در همه محیط ها مقاومت نمی کند. "مقاوم در برابر خوردگی" نشان می دهد که مواد در شرایط خاص بهتر از مواد جایگزین مقاومت می کنند، نه اینکه کاملاً مصون هستند. حتی فولاد ضد زنگ می تواند در محیط های به اندازه کافی تهاجمی یا اگر لایه اکسید محافظ آن به خطر بیفتد، خورده شود. انتخاب مناسب مواد مستلزم تطبیق مقاومت ماده با محیط و کاربرد خاص است.

چگونه مقاومت خوردگی اجزای فلزی موجود را بهبود می دهید؟

چندین روش می تواند مقاومت در برابر خوردگی را پس از ساخت افزایش دهد. درمان‌های سطحی مانند غیرفعال کردن، آنودایز کردن یا نیترید کردن، شیمی سطح را تغییر می‌دهند. پوشش‌های محافظ-رنگ‌ها، آبکاری‌ها یا پوشش‌های تبدیلی{3}}موانعی ایجاد می‌کنند. سیستم های حفاظت کاتدی از آندهای قربانی یا جریان تحت تاثیر برای جلوگیری از خوردگی استفاده می کنند. بازدارنده های خوردگی که به محیط اضافه می شوند، میزان حمله را کاهش می دهند. بهترین روش به مواد، محیط و محدودیت های کاربردی بستگی دارد.

هنگام انتخاب مواد مقاوم در برابر خوردگی چه عواملی را باید در نظر بگیرید؟

با محیط خورنده خاص شروع کنید-همه مواد شیمیایی، محدوده دما و شرایط قرار گرفتن را شناسایی کنید. خواص مکانیکی مورد نیاز مانند استحکام، شکل پذیری و مقاومت در برابر خستگی را در نظر بگیرید. الزامات ساخت بر انتخاب مواد تأثیر می‌گذارد-برخی آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی{4}} جوشکاری یا ماشینکاری دشوار است. هزینه مهم است، اما باید در هزینه های چرخه عمر از جمله تعمیر و نگهداری و جایگزینی، نه فقط قیمت اولیه مواد موثر باشد. در دسترس بودن در فرم‌ها و اندازه‌های مورد نیاز، و مقررات یا گواهی‌های خاص صنعت، نیز بر انتخاب تأثیر می‌گذارد.