التاكل وطرق حماية المعادن التعريف العوامل المؤثرة وأنواع التاكل وطرق حماية المعدن من التاكل

باعتبار التأكل أحد العوامل الإتلافية العامة التي لا تزال مستمرة، فيجب علينا معرفته ومعرفة العوامل المتسببة فيه وطرق الوقاية منه، وذلك لتجنب الخطر والخسائر الناجمة عنه. إن عملية التأكل في المعادن تعد من الظواهر الطبيعية والتي يعاني منها كافة المعادن.

وتعتبر العملية العكسية لتنقية المعادن من خاماتها.

إن عملية التأكل تغير من خواص المعدن الفيزيائية والكيميائية فضلاً عن تلفها، حيث تعرف بأنها عملية الانحلال للمعدن نتيجة لتفاعله مع الوسط المحيط به. كما تتعرض بعض المواد الغير معدنية للتأكل ايضاً مثل الخرسانة والبلاستيك ، حيث إن عمليه تأكلها تعتمد على درجة الحرارة البيئة المحيطة بالمادة، وتركيزها، فضلاً عن الضغط والحث. كما يمكن ملاحظة التأكل أيضاً للمعادن غير الحديدية، الطين المشوي والجص المطاط، الدهانات والخشب. كما توجد أمثله أخرى لتأكل أجزاء معدنية ملامسة لمواد حامضية أو قاعدية أو مياه مالحة. مما سبق يتضح بأن عملية التأكل تسبب خسائر مادية، كما أنها تؤثر على سلامة العاملين وقد تسبب خسائر إن تطوير المعادن واستغلالها في جميع المجالات، هو ما يزيد من تقدم وازدهار الاقتصاد في العصر الراهن، هذا لأننا نحتاجها في وسائل النقل والمباني وحتى الأغذية …. الخ …

فنجد من بينها معدن الحديد، الذي يعتبر من المعادن المهمة والأساسية إذا تم تحويله إلى الحديد الصلب أو ما يعرف بالفولاذ، وهو سبيكة معدنية تتكون من الحديد ونسب ضئيلة من العناصر الأخرى مثل الكربون والنحاس والمنغنيز …. الخ) فكل الصناعات والتطبيقات تعتمد عليه بنسبة كبيرة وذلك لوفرته وتكلفته المنخفضة ومتانته القوية لكن هذا لا ينفي كونه أكثر المواد عرضه لظاهرة التأكل، والتي تعد ظاهرة طبيعية خطرة لارجع فيها ولا تستثني أي مادة من التلف او البلى

وبسبب التآكل تنجم خسائر مادية تقدر بملاين الدولارات سنويا، كما يحدث في المنشآت الصناعية كتدهور خطوط البترول والغاز والخزانات كذلك إهتراء في قطاعات النقل والمعدات العسكرية والأجهزة المنزلية …. الخ، كلها

تحول من صناعة جديدة متطورة التي هياكل بالية محطمة وأكوام غير صالحة للاستعمال ، اضافة إلى تكاليف التصليح والحماية وتراجع مردود الإنتاج, فنسبه 20% من الحديد الذي ينتجها الأمريكيون وفق إحصائياتهم يستعمل فقط للتعويض عن الفولاذ الذي أنتجوه سابقا وأتلف، والأهم من ذلك الخسائر البشرية التي يتسبب فيها يومياً كحوادث وسائل النقل والجسور وأجهزة المصانع، كذلك الأمراض والأوبئئة الناتجنة إما عن تسرب المواد السامة من الأنابيب المدفونة تحت الأرض إلى النبات والمياه وبالتالي إلى الإنسان أو تواجد الصدأ في المياه ، النابع من تأكل أنابيب نقل المياه والخزانات ، وعلب المواد الغذائية ….. الخ ، كلها أسباب تؤدي إلى هلاك الكائنات الحية وإحداث اضرار جسيمة بالبيئه اذا لم نسع إلى منعها، أو تعطيلها بأية طريقة.

لكن فهم سبب هذه المشكلة وطريقة حدوثها كفيل بالمساعدة على إيجاد حلول لها ومنعه, وسوفه نتطرق شرحها وأسبابها وطرق الحمايه من التأكل بالتفصيل .

تعريف التأكل

يعرف التأكل Corrosion بأنه تلف الماده ( معدن لا معدن بلاستيك خشب …. الخ) نتيجة لتفاعل كيميائي أو كهرور كيميائي مع الوسط المحيط به او يعرف بأنه عمليه تلقائية طبيعية يتم فيها اعاده المعدن الى حالته الطبيعية الثابته ( الحالة الخام ( التي كان عليها في الطبيعة قبل استخلاصه وهوه تفاعل غير عكوس .

هو التدهور الخواص المادة الأساسية نتيجة لتفاعل كيميائي أو الكتروكيميائي مع بيئتها مما يطلق عليها وسط التأكل وليس كنتيجة لعملية ميكانيكية مثل الاحتكاك الحادث في الماكينات ما يطلق عليه اهتراء والأمثلة عديدة على التأكل منها صداً هيكل السيارة وعلب المواد الغذائية والصفائح والمقاطع الفولاذية وتأكل الأنابيب المدفونة في التربة، وهناك أمثلة أخرى على تأكل أجزاء معدنية عديدة تتعرض إلى أوساط صناعية مثل الأحماض والقواعد والمياه المالحة وغيرها

_ الية حدوث التأكل

لماذا يحدث التاكل؟

السبب الذي يدعو الى عملية التأكل هو عدم وجود ثبات أو إستقرار للمعدن، وبسبب تأثير الطاقة الحرة (Free Energy) فأن المعادن تميل للعودة الى حالاتها الأصلية الخام التي كانت عليها قبل استخلاصها. وينشأ التأكل نتيجة التفاعل الذي يحدث بين المعدن والأجواء المحيطة به سواءا كانت سائلة أو غازية ، فتحدث اكسده للمعدن . ويحدث نتيجة وجود فرق جهد كهربائي بين المناطق المختلفة للسطح المعدني نتيجة لمجموعة أسباب منها:

1 – وجود اختلافات في خواص المعدن من منطقة لأخرى من الهيكل المعدني او خطوط الانابيب.

2 – وجود اختلافات في خواص وتجانس التربة المماسة للهيكل المعدني وهذا ما تعاني منه خطوط الانابيب ذات المسارات الطويلة.

3 – وجود اختلافات بنسب الاوكسجين باختلاف موقع التربة وهذا ما تعاني منه معابر الطرق والشوارع الخطوط الانابيب.

العوامل المؤثرة على التأكل الكهروكيميائي :

يتسبب في هذه الظاهرة عدة عوامل مساعدة داخلية وخارجية تذكر منها:

العوامل الداخلية :

. طبيعة المعدن المعدن الذي يكون غير متجانس أو يتكون من معدنين مختلفين يكون أكثر عرضة للتأكل.

.المعالجة الحرارية تؤدي المعالجات الحرارية إلى إحداث تغيرات غير المرغوبة في بنية المعدن مما يساهم في سرعة تأكله

العوامل الخارجية

. الأس الهيدروجيني PH : بزيادة الأس الهيدروجيني في الوسط تزاد تركيز أيونات الهيدروجين وبالتالي تزداد حامضية الوسط وهذا يؤثر على سرعة التأكل.

. درجة الحرارة : الزيادة في درجة الحرارة بمقدار 3000 يسبب الزيادة في سرعة التاكل بأضعاف.

. الأملاح الذائبة : زيادة الأملاح الذائبة في الوسط تزيد من سرعة انتقال التيار الكهربائي وبالتالي زيادة سرعة التأكل

الجدول (1-1) العوامل المؤثرة على التأكل الكهروكيميائي :

انواع التأكل :

1- التأكل الكيميائي ( الجاف ):

هو تفاعل كيميائي يحدث بين سطح المعدن و غاز أوسائل غير كهروليتي. على سبيل المثال : أكسدة الفولاذ العادي عند درجات حرارة عالية بواسطة أكسجين الهواء هو عبارة عن تأكل كيميائي.

2- التاكل الكهروكيميائي (الرطب ) :

هو تفاعل كهروكيميائي بين سطح المعدن ومحلول كهروليتي، ويرافق هذا التفاعل تشكيل خلية غلفاني، ويشكل هذا النوع %90% من حالات التأكل

3- التأكل البكتيري :

هو هجوم بكتيري لمواد معدنية، خاصة في الأنابيب والخزانات المدفونة، وذلك لأن التمثيل الغذائي لبعض البكتيريا ينتج حمض الكبريتيك و بالتالي تشكل وسط كهروليتي مؤكسد للمعدن مما يؤدي إلى تأكل كهروكيميائي. لذا يمكن إدراج التأكل البكتيري ضمن التأكل الكهروكيميائي

* اشكال التآكل :

اعتمادا على مظهر المعدن المتأكل، يمكن تصنيف أشكال مختلفة للتأكل كما يلي :

1- التأكل العام أو المنتظم

هو ضياع للمادة بطريقة منتظمة إلى حد ما على جميع سطح المعدن و بنفس المعدل مما يجعل سماكة التأكل منتظمة. و يحدث هذا النوع من التأكل خاصة على المعادن المعرضة البينات حمضية، وهو أكثر الأنواع انتشارا وأقلها خطرا.

2- التأكل الغلفاني

يحدث هذا النوع من التاكل عند اتصال معدنين مختلفين ببعضهما في وسط تأكل كهروليتي و كلما كان فرق الجهد بينهما متباعدا حسب السلسلة الكهربائية كان التأكل اشد على المعدن الأقل جهد

3- تأكل مابين الحبيبات

ينشأ بين المعادن والسبائك التي تكون فيها الحدود الحبيبية نشطة جدا بالنسبة إلى باقي مساحة الحبيبات بسبب تركيز الشوائب بها أو بسبب زيادة أو نقص تركيز احد إضافات السبك، فتتكون انية بين هذه الأجزاء النشيطة ) وباقي السطح و تؤدي إلى معدل تأكل بين بين الحبيبات

4- التأكل بالتعرية

يحدث هذا النوع نتيجة للحركة السريعة لوسط التأكل على المعدن، مما يؤدي الى ازالة بعض الأجزاء من السطح أو من طبقة الأكسيد الواقية، ويتميز هذا النوع بظهور التموجات و الأخاديد و تشيع هذه الصورة في المعدات المستخدمة في الأوساط المالحة ذات السريان العالي.

5- التأكل الإجهادي

يحدث هذا النوع بسبب وجود إجهاد على الجزء المتأكل في وسط معين على التأكل، فتكون شقوق على سطح المعدن تكبر مع الوقت بسبب استمرار الإجهاد على سطح المعدن.

6 – التأكل النقري ( النقطي ) :

يعتبر التأكل النقري تأكلا غير منتظماء ينشأ عنه نقر صغير ( حفرة ) على سطح المعدن و هو شائع الحدوث في كثير من المعادن في أوساط المياه المالحة و غالبا في المعادن التي لا تصدأ مثل فولاد ( 8/18 ) ويحتاج حدوثه إلى توفر أيون الكلوريد في بيئة التأكل

7 – التأكل التجويفي أو الشقي

يحدث هذا التأكل على سطح المعادن في المناطق الضيقة التي يتعذر وصول الأكسجين إليها أو يصل بكميات ضئيلة، ويصبح بذلك أنودات، في حين تكون الكاثودات هي باقي سطح المعدن المحيط بها والتي يتوافر بها الأكسجين ويحدث ذلك في الشقوق و الفجوات و الصدع الصغيرة و تحت قشور الأكاسيد الصلبة

8 – آلية التأكل الكهروكيميائي للمعادن

يمكن تفسير الآلية الكهروكيميائية المؤدية إلى عملية تأكل وتخريب المعدن على أنها تفاعل أكسدة – إرجاع، يتم إنجازه على مرحلتين

– المرحلة الأولى : وتتمثل بعملية التأكسد المصعدي ، التي تتم بطريقة تلقائية، وتفقد خلالها ذرات المعدن المكونة للمصعد الكترونات التكافؤ متحولة إلى شوارد موجبة تفاعل التأكسد المصعدي: قطب الأنود

M ــــــــ >M+ne

— المرحلة الثانية : وتتمثل بعملية الإرجاع المهبطي التي تتم بصورة تلقائية، ويتم خلالها التقاط الالكترونات المتحررة على سطح المعدن من قبل شوارد الهيدروجين إذا كان الوسط حمضيا، و من قبل الأكسجين المنحل في الماء إذا كان الوسط معتدلا.

تفاعل الإرجاع المهبطي قطب الكاثود

إذا كان الوسط حمضيا

2H +2e ـــــــــ> H2

إذا كان الوسط قلويا و معتدلا

H2O + O2 + 2e ــــــــــ2OH

وكمثال تطبيقي على ما سبق عملية صدأ الصلب المشهورة ما هي إلا تفاعل أكسدة واختزال

لعنصر الحديد عند تعرضه لوسط رطب حامضي وتحول الحديد Fe إلى صدا، و ذلك كما يلي :

تفاعل الأكسدة عند الأنود:

Fe ________ Fe2+2e

ومن خلال هذا التفاعل، تنتقل الالكترونات إلى الكاثود من خلال سطح الحديد حتى تتفاعل مع البروتونات في وجود محلول الكتروليتي كالتالي :

2H+ +2e _______ H₂

ويمكن اختصار المعادلات الأنودية والكاثودية في معادلة واحدة تعبر عن التفاعل:

Fe + 2H _________ Fe2+ H2

شروط حدوث التآكل الكهروكيميائي للمعادن :

لكي يحدث تأكل المعدن ما، يجب توفر الشروط التالية :

• لابد من وجود مؤكسد ومرجع.

• أن يكون جهد المؤكسد أكبر من جهد المرجع

طرق حماية المعادن من التآكل

لقد وجد العلماء طرق عديدة لمقاومة التأكل منها.

1- الطلاء أو التغليف:

وهي مواد عازله كهربائياً مهمتها منع التماس المباشر بين سطح المعدن والبيئة المحيطة به. إن المهمة الأساسية للطلاء أو التغليف هو الحفاظ على سطح المعدن من الرطوبة أو البلل. أما خواصه فيجب أن يغطى المعدن بالكامل ولا توجد مناطق غير مطليه أو مغلفه، مقاوم لدرجات الحرارة للقشط والحك ولنفاذ الرطوبة من خلاله.

2 – الجلفنة (Galvanization)

حيث يطلى سطح المعدن بمعدن آخر ليتأكسد عوضاً عن المعدن الرئيسي، حيث يتم طلاء السبائك الفولاذية بالزنك فيتم تأكل الزنك بدلاً من السبائك .

3- الحماية الكاثودية تتم من خلال ربط المعدن بمصدر خارجي يجهز الشحنة السلبة بصورة مستمر، وهو ما يتم تطبيقه على خزانات الوقود وخطوط الأنابيب تحت الأرض .

4- الحماية الأندية يتم باستعمال معدن ذو نشاط عالي أكبر من المعدن المراد حمايته كأنود، حيث أن الأنود سيتأكل ويجب استبداله بآخر جديد.