Material selection in different corrosive environments

انتخاب مواد مختلف در محیط های خورنده متفاوت

گسترش روز افزون صنایع مختلف اعم از: کارخانجات، نیروگاه ها، پالایشگاه ها، صنایع اتومبیل سازی، کابل سازی و … شناخت انواع مواد و عملکرد آن ها در برابر محیط های خورنده را بیش از پیش ضروری کرده است. اهمیت انتخاب درست مواد در محیط های خورنده مختلف، به گونه ای است که آن را به عنوان مهم ترین و متداول ترین ابزار مهار خوردگی مطرح ساخته است.

برای انتخاب مواد در محیط های خورنده از نظر اقتصادی، دو گزینه پیشنهاد می گردد:

1. حداقل هزینه: انتخاب ارزان ترین ماده همراه با تعویض قطعات خورده شده به صورت دوره ای و یا اصلاح مشکلات پس از ایجاد شدن آن ها.
2. حداقل خوردگی: انتخاب مقاوم ترین ماده در برابر خوردگی صرف نظر از هزینه، نصب یا عمر تجهیزات.

انتخاب مواد با بهره وری بالا، معمولا بین دو گزینه ی مذکور جای دارد و شامل در نظر گرفتن سایر فاکتورها، نظیر در دسترس بودن و ایمنی نیز می گردد.

با توجه به اهمیت عمده ی صنعتی انتخاب مواد در محیط های خورنده در ادامه ی این بخش به بررسی دقیق تر عملکرد آن ها در مقابل خوردگی می پردازیم:

فولادهای کربنی:

فولادهای کربنی به علت ارزانی و خواص مکانیکی مناسب، دامنه ی کاربردی وسیعی در صنعت دارند. مقاومت به خوردگی این مواد جز در مقابل اسید سولفوریک غلیظ و قلیاها، متوسط است. مقاومت آن ها به پوسته دار شدن فولادهای نرم، تا دمای حدود 500 درجه سانتی گراد مناسب است. لازم به ذکر است که حضور گوگرد در گازهای محصول احتراق (دود) این دما را کاهش می دهد. مقاومت به ایجاد پوسته های اکسیدی و سولفیدی با حضور 3 درصد کروم بهبود می یابد. کروم عامل افزایش مقاومت به خوردگی اتمسفری در فولادها نیز هست. از نیکل برای بهبود مقاومت در برابر هیدروکسید سدیم کمک می گیرند.

چدن ها:

اصولا مقاومت خوردگی چدن های آلیاژی بسیار بهتر از چدن های معمولی است. افزودن مس تا حد زیادی می تواند سبب افزایش مقاومت چدن ها در برابر اسید سولفوریک و خوردگی اتمسفری گردد. چدن خاکستری با بیش از 14 درصد سیلیسیم نیز دارای مقاومت بالایی (حتی در محیط اسید سولفوریک) در برابر خوردگی است.

فولادهای زنگ نزن:

این فولادها دسته ای از مواد مقاوم به خوردگی اند که کاربردهای زیادی در مهندسی دارند. ذکر این نکته ضروری است که این فولادها در مقابل کلیه ی محیط های خورنده مقاوم نیستند. در صورتی که فولادهای زنگ نزن درست ساخته نشده و یا عملیات حرارتی مناسب بر روی آن ها انجام نگرفته باشد، در معرض خوردگی های موضعی نظیر: خوردگی بین دانه ای، ترک دار شدن در اثر خوردگی تنشی، شیاردار و حفره دار شدن شدید هستند. مقاومت به خوردگی فودلادهای زنگ نزن، با افزایش مقدار کروم زیاد می شود. زیرا عامل مقاومت به خوردگی، حضور لایه ی نازک هیدروکسید کروم روی سطح آن ها است. کیفیت این لایه ی محافظ بستگی به ترکیب شیمیایی و فرآیندهای اعمالی بر روی فولادهای زنگ نزن دارد.

کروم نقش مهمی در ایجاد لایه ی غیر فعال، روی سطح فولادهای زنگ نزن دارد. نیکل یک عنصر پایدار کننده ی آستنیت است و حضور آن در فولادهای پر کروم سبب بهبود مقاومت در برخی از محیط های بدون اکسیژن می شود. منگنز نیز به پایداری آستنیت کمک کرده و می تواند جایگزین بخشی از نیکل شود. ولی مقاومت به خوردگی فولادهای پر کروم را چندان تغییر نمی دهد. مولیبدن استحکام لایه ی غیر فعال را افزوده و مقاومت به ایجاد حفره در مجاورت آب دریا را بهبود می بخشد. عناصری چون مس، آلومینیوم و سیلیسیم نیز اثرات مثبتی بر مقاومت به خوردگی فولادهای زنگ نزن دارند.

فولادهای زنگ نزن در مقابل اسید نیتریک (در هر دما و غلظتی)، اسید سولفوریک رقیق محتوی هوا در دمای محیط، اسیدهای آلی (اسیدهای مواد غذایی و اسید استیک)، مواد قلیایی (به جز سود سوز آور غلیظ و گرم در مجاورت تنش) و نیز اتمسفر محیط تا حد قابل توجهی مقاوم اند.

نیکل:

نیکل نسبت به خوردگی، مقاومت تقریبا بالایی دارد و خصوصا برای استفاده در محیط های قلیایی به کار می رود. نیکل در محیط خورنده ی کلر دار و نیز تحت تنش، در برابر ایجاد ترک مقاوم است ولی در محیط های سوز آور دارای آخال های محلول و تحت تنش زیاد، مستعد ترک خوردن است.

اینکونل(78Ni-16Cr-6Fe)در برابر بسیاری از اسیدها مقاوم بوده و مقاومت بسیار خوبی در مقابل نیترید شدن در دمای بالا دارد. آلیاژ های نیمونیک (Ni-20Cr 80) در دماهای بالا از استحکام زیاد و مقاومت به اکسیداسیون برخوردارند. آلیاژهای مونل که پایه ی آن ها 70 درصد نیکل و 30 درصد مس است، نه تنها خواص خوردگی مشابهی با نیکل خالص دارند، بلکه از آن ارزان تر بوده و برای نگهداری آب دریا و آب شوری که با سرعت در جریان باشد، استفاده می شود. اگرچه برای نگهداری اسید فلوریدریک و دیگر اسیدهای غیر اکسید کننده از مونل استفاده می شود، ولی مقاومت آن در مقابل اسیدهای اکسید کننده نظیر: اسید نیتریک، کلرید آهن، دی اکسید گوگرد، آمونیاک و… بسیار اندک است.

قلع:

مقادیر زیادی از فلز قلع تولیدی، صرف پوشش های محافظ در فولاد و دیگر فلزات می شود. این عنصر علاوه بر مقاومت زیاد در برابر خوردگی، یک عنصر غیر سمی بوده و پوشش مناسبی در مقابل مواد آلی به شمار می رود. این خصیت کاربرد وسیع قلع را در پوشش قوطی های فولادی برای نگه داری محصولات غذایی و نوشیدنی ها توجیه می کند.

قلع نسبت به آهن، کاتدی عمل می کند، اما در اکثر قوطی های در بسته ی حاوی فرآورده های غذایی، این جهت عکس شده و قلع با ایفای نقش یک پوشش فدا شونده، بدنه ی آهنی را حفظ می کند. قلع در مقابل آب نسبتا خالص و اسیدهای رقیق معدنی در نبود اکسیژن، مقاوم است. بر همین اساس از پوشش قلع، در لوله ها و صفحات مسی که در تماس با آب مقطر و داروها هستند، استفاده می شود. اما اسیدهای معدنی قوی و قلیا، سبب تخریب قلع می شوند.

آلومینیوم:

آلومینیوم یک فلز فعال بوده، اما با ایجاد یک لایه ی اکسید آلومینیوم در سطح آن، مقاومت این فلز به خوردگی، اغلب محیط ها عالی است. این لایه ی اکسیدی و محافظ، در برابر اکثر محلول های اسیدی و خنثی پایدار، اما در محیط های قلیایی بسیار ضعیف است. آلومینیوم خالص و آلیاژهایی از آن که نمی توان عملیات حرارتی را روی آن ها انجام داد، مقاومت بالایی به خوردگی عمومی دارند و به علت وابستگی مقاومت آن ها به لایه ی اکسید سطحی، مستعد خوردگی موضعی در شیارها و زیر پوشش ها هستند.

آلومینیوم خالص در مقابل آمونیاک سرد و گرم، اسیداستیک، اسیدهای چرب، اسید نیتریک غلیظ، آب مقطر اتمسفر محیط، محیط های گوگرد دار و گاز فوئون مقاوم است، ولی در برابر اسیدهای قوی (مثل کلریدریک، برمیدریک، فلوریدریک)، قلیاها، جیوه، آب دریا، حلال های کلره و الکل اتیلیک مقاومت قابل توجهی از خود نشان نمی دهد.

مس:

این فلز با محیط های صنعتی، دریایی و شهری به خوبی سازگار است. مس خالص در محیط آب دریا، آب های سبک (سرد و گرم)، اسید سولفوریک رقیق، اسید فسفریک، اسید استیک، هالوژن ها و هوا مقاومت خوبی نسبت به خوردگی دارد. اما در برابر اسیدهای اکسیدان مثل اسید سولفوریک و نیتریک غلیظ و گرم، نیترات آمونیوم حاوی اکسیژن، آب های با سرعت بالا و محتوی هوا، سولفور هیدروژن و املاح فلزات سنگینی مثلFeCl3 مقاوم نیست. افزودن فسفر، مقاومت آلیاژهای مس به اکسیداسیون را بهبود می بخشد. کاربرد آلیاژهایی از کوپرونیکل در آب نمک دار بسیار متداول شده و مقاومت این آلیاژها به ایجاد ترک در محیط های خورنده و تحت تنش عالی است.

سرب:

بخش عمده ای از سرب تولیدی، صرف کاربردهای خوردگی (به عنوان مثال در باطری های خودرو) به ویژه در برابر اسید سولفوریک می شود.در مجاورت محیط خورنده، یک لایه ی سولفاتی، قلیایی و فسفاتی در سطح سرب به وجود آمده که سبب حفاظت آن می شود. برای نگهداری اسید سولفوریک، اسید کرومیک، اسید فلوریدیک و اسید فسفریک از آلیاژ سرب با 0.06 درصد مس استفاده می شود. اسید نیتریک، اسید کلریدریک و اسیدهای آلی، سبب خوردگی سرب می شوند.

تیتانیوم:

مقاومت این فلز به علت تشکیل لایه ی اکسیدی پایدار، چسبنده و محافظ در برابر خوردگی بسیار عالی است. در دمای محیط، تیتانیوم نسبت به آب دریا و محلول های کلر دار مصونیت داشته و هم چنین در مقابل محلول های داغ و محیط های اکسید کننده ی قوی نیز مقاوم است. این فلز مقاومت مناسبی به خوردگی سایشی در آّب دریا دارد. اسیدهیدروفلوئوریک از جمله موادی است که با تخریب لایه ی اکسیدی محافظ، موجب خوردگی فلز تیتانیوم می شود. با افزودن عناصر آلیاژی می توان تا حدودی مقاومت تیتانیوم به خوردگی را افزایش داد.

تانتالیم و زیرکونیم:

تانتالیم در دمای زیر 150 درجه سانتی گراد عملا نسبت به ترکیبات آلی بی اثر است. اما اسید هیدروفلوئوریک و اسید سولفوریک از موارد استثنا هستند. زیرکونیم در مقابل اسیدهای معدنی، محلول ها و مذاب های قلیایی، اکثر محلول های آلی و نمک ها مقاوم است. این فلز تا دمای 400 درجه سانتی گراد در هوا، بخار،CO2،SO2وO2 نسبت به اکسیداسیون مقاومت عالی دارد. زیرکونیم در مقابل اسید فلوریدریک، کلر مرطوب، محلول کلرید آهن، تیزاب سلطانی و کلرید مس خورده می شود. اگر چه کاربرد این دو فلز غالبا اقتصادی نیست ولی تانتالیم و زیرکونیم در برخی از موارد، تنها به عنوان مواد مقاوم استفاده می شوند.

فلزات شیشه ای (آمورف):

فلزات شیشه ای یا آلیاژهای بی شکل، از سرد کردن سریع مذاب آن ها به دست آمده و ساختار مذاب فوق تبریدی، مشابه شیشه های سرامیکی دارند. برخی از فلزات شیشه ای پایه آهنی، مقاومت بسیار خوبی به خوردگی دارند. این مواد با داشتن 8 درصد کروم نسبت به فولادهای زنگ نزن معمولی در برابر خوردگی مقاوم ترند. مقاومت به خوردگی حفره ای در فلزات شیشه ای بهتر از آلیاژهای پر نیکل، هستالویCو تیتانیوم است.

لاستیک ها:

لاستیک ها به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند: لاستیک های طبیعی و مصنوعی.

لاستیک طبیعی، زنجیره ی ملکولی ایزوپرن (پلی ایزوپرن) است که از شیره ی نوعی درخت به دست آمده و بسیار انعطاف پذیر است لذا برای سخت شدن به آن گوگرد می افزاید (ولکانیزه کردن) و از آن برای ساخت ابونیت (توپ بولینگ)، تایرها و روکش تانک ها استفاده می شود. از سوی دیگر نوع دوم یعنی لاستیک های مصنوعی، به طور غیر طبیعی ساخته می شوند. اولین لاستیک ساخته شده از این نوع، نئوپرن بود، ولی امروزه لاستیک ها بسیار متنوع هستند و حتی با پلاستیک ها نیز ترکیب می شوند. لاستیک های مصنوعی در مقابل نفت و نفت گاز و هم چنین در برابر هوا و اسید نیتریک رقیق مقاومت خوبی دارند.

از مهم ترین ویژگی های لاستیک می توان به نرمی و الاستیسیته ی بالای آن ها، مقاومت خوب مکانیکی و سازگاری زیاد با اسید کلریدریک اشاره کرد.

پلاستیک ها:

پلاستیک ها عموما مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارند و بعضی از پلاستیک ها نظیر پلی تترا فلوئورواتیلن می توانند در محیط های شیمیایی بسیار خورنده که فلزات به شدت مورد هجوم واقع می شوند، به خوبی کار کنند. پلاستیک هایی مانند پلیمرهای بلوری مایع و سولفید پلی فنیلین در محیط های شیمیایی با درجه حرارت زیاد، مقاومت بسیار خوبی دارند. ترموپلاستیک های مهندسی پلی بلورین و نایلون، اغلب مقاومت شیمیایی بهتری نسبت به انواع بی شکل (نظیر پلی کربنات ها) دارند.

سرامیک ها:

سرامیک به موادی متشکل از عناصر فلزی و غیر فلزی به صورت ترکیب اکسیدی اطلاق می گردد که مهم ترین ویژگی آن ها مقاومت خوردگی مناسب در مقایسه با فولادها، مقاومت در درجه حرارت های بالا، تردی زیاد و مقاومت سایشی بهتر از فولادهاست. (به استثنا محیط های حاوی اسید سولفوریک و مواد قلیایی)

مقاومت در برابر حمله شیمیایی یک سرامیک به استحکام پیوندهای اتمی آن بستگی دارد. در این صورت سرامیک هایی با پیوند ضعیف مقاومت شیمیایی نسبتا کمی دارند. در صورتی که سرامیک های یونی و دارای پیوند کووالانسی نظیر آن هایی که برای مقاصد مهندسی به کار می روند، مقاومت خوبی دارند.

اکسید کروم مثالی از یک سرامیک مقاوم در برابر خوردگی است. اکسید کروم می تواند به شیشه متصل شود که این ترکیب برای پوشش جداره های داخلی شیشه ظروف مواد شیمیایی بسیار مناسب است. همچنین مقاومت در برابر خوردگی و سایش اکسید کروم مناسب است. اکسیدهای مقاوم دیگری نیز در برابر خوردگی (مانند آلومینا و زیرکونی) وجود دارند که این اکسیدها در محدوده های شیمیایی متفاوتی مقاومت دارند. اما برای کاربرد در زمان های طولانی در برابر اسیدها یا بازهای قوی توصیه نمی شوند.