التآكل Corrosion

أ.م.د محمد حميد حسين
كلية التربية للعلوم الصرفة – قسم الفيزياء

إن عملية التآكل في المعادن تعد من الظواهر الطبيعية والتي يعاني منها كافة المعادن. وتعتبر العملية العكسية لتنقية المعادن من خاماتها.
إن عملية التآكل تغير من خواص المعدن الفيزيائية والكيميائية فضلاً عن تلفها، حيث تعرف بأنها عملية الانحلال للمعدن نتيجة لتفاعله مع الوسط المحيط به (1). كما تتعرض بعض المواد الغير معدنية للتآكل ايضاً مثل الخرسانة والبلاستيك (2)، حيث إن عمليه تآكلها تعتمد على: درجة الحرارة البيئة المحيطة بالمادة، وتركيزها، فضلاً عن الضغط والحتّ. كما يمكن ملاحظة التآكل أيضاً للمعادن غير الحديدية، الطين المشوي والجص، المطاط، الدهانات والخشب. كما توجد أمثله أخرى لتآكل أجزاء معدنية ملامسة لمواد حامضية أو قاعدية أو مياه مالحة. مما سبق يتضح بأن عملية التآكل تسبب خسائر ماديّة، كما أنها تؤثر على سلامة العاملين وقد تسبّب خسائر بشرية (3، 4، 5).
ومن الأمثلة على عملية التآكل: الصدأ الحاصل لهياكل السيارة وعلب حفظ المواد الغذائية وقطع الحديد الفولاذية والأنابيب الموضوعة داخل التربة والتي تقود إلى فقدان السطح الملامس للماء أو لتربية لبعض أجزائه. إن تآكل سطوح الهياكل المعدنية الحديدية نتيجة وجود تماس مباشر بينها وبين الماء أو التربة، هو نتيجة حصول تفاعلات كيميائية نتيجة لسريان تيار كهربائي (عملية كهروكيميائية) (1، 4).
إن وجود الغاز الكبريتي في الهواء يعتبر العامل الأساسي لتآكل المعادن غير الحديدية، في حين إن الألمنيوم يكون أكثر مقاومة للحموضة بسبب طبقة (فِلْم الألومين (أكسيد الألمنيوم)) التي تغطيه. لكن عنصر الرصاص فهو ذا مقاومة كبيرة للتأثير الحامضي.
كيف يحدث التآكل؟ (4)
إن تكون خلايا للتآكل Corrosion Cells هي السبب الرئيسي للتآكل، 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 لخطوط الانابيب.
وصف عملية التآكل (4)
لوصف عملية التآكل يحب أولاً معرفه أتجاه حركة حاملات الشحنة (الإلكترونات)، فهي تسري من الكاثود Cathodic Area إلى الانود Anodic Area عبر التربة او الماء المحيط بالمعدن، بينما يكون اتجاه التيار الكهربائي بالعكس (من الانود الى الكاثود) عبر التربة او المحيط المائي.
إن الالكترونات المتولدة من فقدان ذرات الحديد للإلكترونات وتحويلها من ذرة متعادلة الى ايون موجب، والتي ستتحد مع ايونات الهيدروكسيد السالبة OH لتعطينا Ferric Hydroxide Fe(OH)3 وهو ما يعرف بالصدأ Rust.
الأضرار التي يسببها التآكل منها: (1، 4)
1- تغير الأبعاد وفقدان الخواص الميكانيكية: إن التآكل يؤدي إلى فقدان وزن المعدن بسبب انحلاله وبالتالي إلى تغير أبعاده، لذلك نرى المهندسين يعطون سماحات للتآكل (Corrosion Allowance) عند التصميم، حيث تكون هذه القيم عالية عندما تكون معدلات التآكل كبيره.
إن فقدان الوزن وتغير ابعاد المعدن تؤثر على الخواص الميكانيكية له، حيث تزيد من قابليته للتشوه بنوعيه اللدن (Plastic Deformation) والمرن (Elastic Deformation)، مقاومة المعدن للكلل (Fatigue Strength) وحدوث التشققات (Cracks) وبالتالي الهشوشة أو الكسر السريع (Fast Fracture).
2- تشوه المظهر: إن حصول التآكل للمعدن يشوه مظهره أي يكون مظهره سيئاً، بينما تظهر المواد المقاومة للتآكل بمظهر حسن. لذلك فمن المفضل استخدام معادن مقاومة للتآكل بالظروف الجوية (الألمنيوم مثلاً) عوضاً عن الفولاذ الكربوني في صناعة الشبابيك وواجهات الأبنية.
3- الأضرار الاقتصادية بسبب الإجراءات الوقائية: إن حدوث التآكل لبعض قطع المكائن الحديدية يؤدي إلى توقف المعمل عن العمل بشكل مفاجئ وغير مبرمج، وهذا بدوره يقود إلى زيادة الكلف الاقتصادية المصروفة على الإنتاج وبالتالي زيادة سعر بيع المنتج بشكل غير متوقعة.
4- تلوث المنتجات: إن النواتج التي يسببها التآكل تؤدي إلى تغير الطبيعة الكيميائية للوسط المحيط (تلوثه)، حيث أنها عمليه غير مرغوب فيها لأن المنتج يجب أن يكون نقي (خالي من الشوائب) وذات مواصفات قياسية بالإضافة إلى خلوه من التلوث.
5- فقدان السلامة: قد يكون التآكل هو السبب الرئيسي لحدوث كوارث إذا لم يتم التعامل معه بشكل فعال وسريع، فقد يكون التعامل مع مواد سامة أو أحماض مركزه، مواد قابلة للاشتعال، مواد مشعة أو مواد كيميائية سامة وتحت درجات حرارية أو ضغوط عالية. عندها يجب التركيز على استخدام مواد مقاومة للتأكل بشكل كبير تحت هذه الظروف.
إن حصول التآكل للجدار المعدني افاصل بين الوقود والمؤكسدات داخل الصاروخ يؤدي إلى الخلط المبكر بينهما مما يقود إلى خسائر كبيره مادية وبشرية. كما إن تآكل قطعة معدنية صغير لماكنه إلى توقف المنشأة أو المصنع بشكل كامل ومفاجئ. ومن ناحية أخرى فقد يسبب التآكل تحول مواد غير مضرة إلى مواد متفجرة أو سامة.
وبهذا الخصوص يكون من الأفضل والأسلم اختيار مواد ذات مقاومة جيدة للتآكل والتي تكون عالية التكاليف نسبياً بدلاً من استخدام مادة تجارية أرخص تكلفة ولكنها أقل جودة وتتعرض للتآكل بشكل سريع وكبير. وهذه العملية ستتطلب تغيير هذه القطعة بشكل دوري مما يقود إلى أضرار اقتصادية إضافية.
طرق حماية المعادن من التآكل
لقد وجد العلماء طرق عديدة لمقاومة التآكل منها (6):
1- الطلاء أو التغليف: وهي مواد عازله كهربائياً مهمتها منع التماس المباشر بين سطح المعدن ولبيئة المحيطة به. إن المهمة الأساسية للطلاء أو التغليف هو الحفاظ على سطح المعدن من الرطوبة أو البلل. أما خواصه فيجب أن يغطي 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 تآكل الزنك بدلاً من السبائك (7).
3- الحماية الكاثودية: تتم من خلال ربط المعدن بمصدر خارجي يجهز الشحنة السلبة بصورة مستمر، وهو ما يتم تطبيقه على خزّانات الوقود وخطوط الأنابيب تحت الأرض (7).
4- الحماية الأنودية: يتمّ باستعمال معدن ذو نشاط عالي أكبر من المعدن المراد حمايته كأنود، حيث أن الأنود سيتآكل ويجب استبداله بآخر جديد (7).
المصادر:
1- http://al3loom.com/?p=1051
2- Michael J Schofield BSc, “Corrosion”، www.sciencedirect.com, Retrieved 30-1-2019.
3- J.KrugerS.Begum, “Corrosion of Metals: Overview”, www.sciencedirect.com, Retrieved 30-1-2019. Edited.
4- https://www.marefa.org/%D8%AA%D8%A2%D9%83%D9%84
5- https://mawdoo3.com/%D8%A7%D9%84%D8%AA%D8%A2%D9%83%D9%84_%D9%88%D8%B7%D8%B1%D9%82_%D8%AD%D9%85%D8%A7%D9%8A%D8%A9_%D8%A7%D9%84%D9%85%D8%B9%D8%A7%D8%AF%D9%86#.D8.A3.D9.86.D9.88.D8.A7.D8.B9_.D8.A7.D9.84.D8.AA.D8.A2.D9.83.D9.84
6- “Crossion Prevention of Steel Bridge”, www.nap.edu, Retrieved 30-1-2019. Edited.
7- “Corrosion”, www.courses.lumenlearning.com, Retrieved 30-1-2019.