خوردگی آهن و روش های پیشگیری

عملا تنها عاملی که عمر آهن را محدود می‌­کند اکسیداسیون آن است. در آمریکا سالانه 100 میلیارد دلار به صورت تخمینی برای جایگزین کردن تجهیزات آهنی که توسط پدیده خوردگی آهن تخریب شده‌اند، هزینه می­‌شود.

خوردگی آهن عموما با تشکیل زنگ آهن (rust) و به واسطه یک واکنش الکتروشیمیایی در حضور اکسیژن و محلول الکترولیتیک نمکی رخ می‌­دهد. زمانی که آهن با آب و اکسیژن واکنش می­‌دهد، هیدروکسیدآهن (II) (Fe(OH)₂) تشکیل می­‌شود.

هیدرواکسید آهن با اکسیژن واکنش می‌­دهد و اکسید آهن هیدراته (III) (Fe₂O₃·xH₂O) که به rust  معروف است را بوجود می آورد.

این اکسید نمی­‌تواند یک لایه محافظ چسبان روی سطح آهن بوجود آورد. همانند آن لایه‌­ای که روی فلز آلومینیوم تشکیل می­‌شود (Al₂O₃) و لایه بوجود آمده از سطح فلز جدا می­‌شود.

برعکس، لایه هیدروکسیدی آهن به صورت پوسته پوسته از سطح جدا می­ شود و فلز تازه را در معرض اکسیژن و آب قرار می­ دهد.

هم اکسیژن و هم آب برای تشکیل شدن زنگ آهن (خوردگی آهن) مورد نیاز هستند. میخ آهنی که در آبی که اکسیژن زدایی شده قرار بگیرد، خورده نمی‌شود. حتی اگر غوطه­‌وری چندین هفته ادامه داشته باشد.

از طرف دیگر، یک میخ غوطه‌­ور شده در یک روغن هم خورده نخواهد شد و خوردگی آهن انجام نمی شود. چرا که اکسیژن امکان حضور یافتن نمی‌یابد.

آهن روی مناطق آندی فلز که اغلب ناخالصی‌­ها یا عیوب شبکه هستند به Fe²⁺(aq) تبدیل می­‌شود.

در جای دیگری از سطح، اکسیژن احیا شده و به آب تبدیل می‌­شود و به عنوان کاتد عمل می‌­کند. الکترون­‌ها از طریق فلز هادی از آند به کاتد منتقل می‌شوند. آب نقش یک حلال را برای ⁺Fe² ای که در ابتدا تولید شده ایفا می­‌کند و یک پل نمکی بوجود می­‌آید. Rust (Fe₂O₃·xH₂O) با اکسیداسیون متعاقب ⁺Fe² توسط اکسیژن اتمسفر بوجود می­‌آید.

درپروسه خوردگی آهن، آهن به عنوان آند در سل گالوانیک عمل می‌­کند و به ⁺Fe² تبدیل می‌شود، اکسیژن در نقاط کاتدی احیا شده و به آب تبدیل می‌شود.واکنش‌های مرتبط به صورت زیر است.

یون ⁺Fe² تولید شده در واکنش اولیه سپس توسط اکسیژن اتمسفری به اکسید هیدراته شامل ⁺Fe³ مطابق واکنش زیر اکسید می‌­شود.

علامت و بزرگی E⁰ برای پروسه خوردگی نشان می­‌دهد که یک نیرو محرکه قوی برای اکسیداسیون آهن با اکسیژن تحت شرایط استاندارد وجود دارد (⁺1MH). در شرایط خنثی نیرومحرکه قدری کمتر اما هنوز قابل توجه است (E = 1.25 V at pH 7.0).

اکسیداسیون آهن یا فولاد معمولی در هوا و اکسیژن، در دمای ثابت، ابتدا سریع است. ولی به تدریج که لایه اکسید ضخیم‌­تر می‌شود، سرعت اکسیداسیون آن نیز کاهش می‌یابد.

از نظر کمی پیشروی واکنش و تشکیل لایه‌­ها و اکسید، معمولاً به صورت سهمی انجام می‌گیرد. به طوری که ضخامت قشر اکسید (با افزایش وزن نمونه)، تابعی از جذر زمان است.

در شکل زیر منحنی تغییرات مربوطه نشان داده شده که در آن نتایج اندازه گیری‌های میزان اکسیداسیون آهن در دماهای ۷۰۰، ۹۰۰ و 1100 درجه سانتیگراد برحسب زمان در نظر گرفته شده است.

وجود یک یا چند عنصر آلیاژی موجب به هم خوردن این نسبت‌­ها خواهد شد. مخصوصاً در مواردی که انرژی آزاد تشکیل اکسید این عناصر بزرگتر از آهن باشد (به طور مثال کروم، سیلیسیم و یا آلومینیوم).

اکسیداسیون آهن به صورت سهمی با تشکیل سه لایه­ی اکسید آهـن (به طور جداگانه) است. به طوری که نسبت‌های آن­ها با تغییر دما و فشار جزیی  تغییر می‌نماید. گزارش‌هـای محققین مختلف با هم مطابقت ندارد که یکی از دلایل آن وجـود اختلاف در درجه‌ی خلوص نمونه‌های آهنی مورد آزمایش (مخصوصاً از نظر کربن) است.

در 600 درجه سانتیگراد و فشار اکسیژن ۱۱ و در مدت ۱۰۰ دقیقه معلوم شده است که قشر اکسید حاصل، دو لایه (متشکل از یک لایه‌ی داخلی از FeO و یک لایه‌ی خارجی از Fe₂ O₂ است. در۹۰۰ درجه سانتیگراد و در مـدت ۱۰۰ دقیقـه، قشـر اکـسید حاصـل شـامل سه لایه است. به طوریکه Fe₂ O₂ نود درصد و FeO کمتر از یک درصد است.

در پایین‌تر از 570 درجه سانتیگراد، لایه‌ی FeO ناپایدار است و اگر در بالاتر از این دما تشکیل شده باشد، در دمای معمولی (اتاق) تجزیه می‌شود و به Fe₂ O₂ و به Fe تبدیل خواهد شد.

مناسب‌ترین عناصری که جهت بهبود مقاومت اکسیداسیونی آهن به کار می‌رود، کروم (Cr) و آلومینیوم (AI) است. کاربرد این عناصر به همراه مقادیری از نیکل و سیلیسیم مؤثرتر خواهد بود.

اگر یک ورقه تمیـز از جنس فولاد نـرم در معرض باران قرارگیرد طی چند روز به سرعت زنگ می‌زند. این زنگ به صورت رسوبی سخت، پوسته‌ای و تاولی، در ناحیه‌های موضعی که قطرات آب به مدت طولانی در آن مناطق باقی مانده‌اند، تشکیل می‌گردد.

در صورتی که زنگ را با یک برس سیمی پاک کنیم در زیر زنگ، مناطق حفره­‌دار شده‌ای پیدا می‌شود، که قبلاً توسط محصولات خوردگی پوشیده شده بود.

در اینجا از کلمه زنگ که همان تعریف عامیانه خـوردگی آهـن است، استفاده شده. غالباً این عبارت به محصولات خوردگی قهـوه‌ای رنگی که بر روی سطوح آهنی یا فولادی تشکیل می‌شود، اطلاق می شود. همچنانکه در این بخش توضیح داده خواهد شد در واقع این محصولات ترکیبی از نمک های حاصل شده از خوردگی آهـن هستند.

مواد آلی موجود در آب، حاصل از ارگانیزم‌های زنده، سوخت و ساز و یا زوال آن­‌ها هستند. این مواد آلی غالبا به صورت کربنیک اسید، هیومیک اسید، سیتریک اسید، استیک اسید و بنزوئیک اسید یافت شده. همچنین این مواد باعث کاهش pH آب و تسریع خوردگی آهن می‌شوند.

ارگانیزم‌های زنده شامل باکتری‌ها، لجن‌ها، قارچ‌ها و جلبک‌ها و نیز صدف‌های کوچک دریایی هستند. سولفید هیدروژن ممکن است توسط باکتری‌های احیاء کننده سولفات یا سایر ارگانیزم‌ها به وجود آید.

آن‌ها ممکن است آمینواسیدهای خورنده نظیر سیستین اسید (Cystine acid) و یا دی‌آلفا‌ آمینوبتاپروپیونیک اسید را به وجود آورند. این فرآیند اثرات مخربی روی لوله­‌های آهنی ایجاد می‌کند.

باکتری‌های آهن مستقیما کیفیت آب را تغییر نمی‌دهند و در واکنش خوردگی شرکت نمی‌کنند. ولی به دلیل تجمع مقادیر زیاد هیدرات فریک سبب آلودگی خیلی بیشتر از باکتری‌ها شده. همچنین به دلیل تشکیل بر آمدگی‌ها سبب بلوکه نمودن و افزایش اصطکاک شده و آب قرمز ایجاد می‌کنند.

 این دسته از باکتری‌ها با افزایش کربنات سدیم برای بالا بردن pH تا ۸/۵ و یا افزایش کلر، کنترل می‌شوند. همچنین برای جلوگیری از رشد جلبک‎ها می‌توان از افزایش کلر یا سولفات مس استفاده نمود.

 استفاده از آلیاژهایی که در برابر خوردگی مقاوم هستند برای جلوگیری از خوردگی آهن موثر است. مانند فولادهای زنگ نزن.

فولادهای زنگ نزن برای تمامی کاربردهای آهن از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیستند، ولی خیلی از موارد را پوشش می­‌دهند.

یک پوشش اعمال شده از روغن به جلوگیری از خوردگی آهن یا کاهش سرعت آن کمک به سزایی می­‌کند. زیرا باعث جلوگیری از رسیدن رطوبت به سطح آن می­‌شود.

روغن در بسیاری از موارد می‌­تواند برای ماشین­‌ها و ابزارآلات مشکل ایجاد کند. همچنین باعث به خطر افتادن سلامتی انسان و محیط زیست شود.

پوشش­‌های خشک ضد زنگ که یک لایه سدی محافظ روی سطح فلز ایجاد می­‌کنند. پوشش خشک می­‌تواند برای ممانعت از خوردگی آهن و تجهیزات در حال کار دریایی و مخازن مفید باشد.

کاربرد پوشش قلع بیشتر در صنایع غذایی است زیرا اسیدهای میوه روی قلع اثر نمی­‌کنند. همچنین مواد غذایی برای مدت بیشتری محفوظ می­‌مانند. به این نوع آهن یا فولاد که با قلع پوشیده شده است حلب می‌­گویند.

به این نوع آهن حلب می‌گویند زیرا موقعیت آهن در سری الکتروشیمیایی بالاتر از قلع است. با پیدایش خراش روی آن با سرعت قابل ملاحظه‌­ای زنگ می­زند زیرا آهن نسبت به قلع آند است و خورده می‌شود.

این پوشش بر روی سطح فولاد یا آهن توسط محلولی از اسید فسفریک رقیق و سایر مواد شیمیایی ایجاد می‌شود. سطح فلز در اثر تماس با این مواد به لایه­‌ای محافظ از کریستال­‌های فسفات غیر محلول تبدیل می‌شود.

به صورت کریستال­‌های ریز و رنگ آبی یا قهوه‌­ای مایل به آبی هستند که کاربرد اصلی آن­ها پایداری رنگ است.

این نوع پوشش‌ها برای حفاظت از فلزات آهنی و غیرآهنی از مواد شیمیایی خورنده در محیط‌‌های تا 460 درجه فارنهایت بکارگرفته می‌شود. این پوشش­‌ها دارای مقاومت بالایی در برابر مواد شیمیایی بوده که باعث می‌شود آن‌ها در کاربردهای متنوعی استفاده شود.

یک رنگ با کیفیت بالا سرعت فرآیند زنگ زدن را با کاهش دسترسی به رطوبت آرام می‌­کند.

اعمال پوشش‌­های گالوانیزه از روی(Zn) برروی سطح فولاد، آن را در برابر خوردگی محافظت می‌کند.

روی با سرعت کمتری نسبت به آهن خورده می­‌شود، بنابراین آهن را محافظت می‌کند. این مسئله از جنبه خوردگی گالوانیکی نیز قابل اهمیت است.

اگر سطح فولاد گالوانیزه دچار سایش یا خراش شود، چون روی نسبت به آهن فعال­‌تر است، زودتر خورده می­‌شود و از خوردگی آهن محافظت می‌کند.

در این پروسه پاسیواسیون آهن توسط اعمال یک لایه مگنتیت روی آهن انجام می­‌گیرد. فلز باید مرتبا روغن کاری شود و در این پروسه آبی یا سیاه می‌­شود.

یک لایه اکریلیک، ونیل، اپکسی می­تواند از رسیدن رطوبت به سطح فلز ممانعت کند.

پکیج‌های بازدارنده­ های فاز بخار نوعی از پکیج‌های آسان مصرف، تمیز و خشک هستند. آن ها به منظور جلوگیری از خوردگی  فلز و قطعات فلزی استفاده می‌شوند. این بازدارنده­‌ها نوعی از ترکیبات شیمیایی هستند و به محیط در معرض تماس با فلز تزریق می‌­شوند. در این شرایط با انتشار بخارهایی که مانع از خوردگی فلز می­‌شوند از خوردگی آهن و فلز ممانعت می­‌کنند.

وقتی قطعات فلزی به نحو صحیح با  VCI بسته بندی شوند، VCI فعال می‌­شود و بخار تمام فضای بسته را پر می­‌کند. یون­‌های VCI یک لایه محافظ روی سطح فلز تشکیل می‌­دهند که باعث کاهش خوردگی می­‌شود. بسته بندی VCI بدون گریس و روغن یا پوشش‌های محافظ به صورت ایمن از خوردگی آهن پیشگیری می­‌کنند.