تُستخدم المعادن على نطاق واسع في العديد من الصناعات. وغالباً ما يستخدم مصممو المنتجات المعادن المقاومة للتآكل في مختلف التطبيقات، بدءاً من الأجزاء الفضائية والأجهزة البحرية والآلات الموسيقية والمبادلات الحرارية وحتى المكونات الهيكلية.
على الرغم من أن هذه المعادن تتمتع بمقاومة ممتازة للحرارة والقوة الهيكلية، إلا أن مقاومتها للتآكل قد تختلف.
ولذلك، من الضروري استخدام معادن ذات أفضل مقاومة للتآكل لتلبية احتياجات محددة.
تتناول هذه المقالة بالتفصيل العديد من المعادن الشائعة المقاومة للتآكل.
ما هي المعادن المقاومة للتآكل؟
المعادن المقاومة للتآكل هي المواد التي تتمتع بمقاومة قوية للتكسر الكيميائي الناجم عن الرطوبة أو الأكسجين أو المواد الأخرى. فهي لا تصدأ.
وتشكل هذه المعادن (مثل الفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم والتيتانيوم وبعض السبائك) طبقات أكسيد واقية أو طبقات تخميل على أسطحها لمنع التدهور.
هذه الميزة تجعلها مثالية للاستخدام في البيئات القاسية مثل البيئة البحرية والمعالجة الكيميائية والإنشاءات الخارجية، حيث تكون المتانة وطول العمر أمرًا بالغ الأهمية.
المعادن الشائعة المقاومة للتآكل
هناك العديد من أنواع المعادن المقاومة للتآكل، ولكل منها خصائص واستخدامات فريدة.
ألومنيوم
الألومنيوم معدن قياسي يستخدم في العديد من التطبيقات. ويتميز بمقاومة ممتازة للتآكل بسبب طبقة الأكسيد المخمِّلة التي تتكون على سطحه.
تُظهر سبائك الألومنيوم 1xxx و3xxx و5xxx أقوى مقاومة للتآكل، على الرغم من أن معظم سبائك الألومنيوم في هذه السلسلة توفر مقاومة كيميائية عالية.
1xxx Series: تحتوي هذه السلسلة على ما يصل إلى 99% من الألومنيوم النقي وتوفر مقاومة ممتازة للتآكل في التطبيقات النموذجية.
السلسلة 3xxx: تستخدم هذه السلسلة المنجنيز كعنصر رئيسي في صناعة السبائك، مما يجعل مقاومته للتآكل أقل من الألومنيوم 1xxx. ومع ذلك، فهي مطاطية للغاية ومناسبة تمامًا لتطبيقات التشكيل على البارد التي تتطلب مقاومة للتآكل.
السلسلة 5xxx: تحتوي هذه السلسلة على نسبة عالية من المنجنيز، مما يوفر مقاومة تآكل مماثلة للألومنيوم 3xxx.
السلسلة 6xxx: تحقق هذه السلسلة توازنًا بين مقاومة التآكل والقوة والقابلية للتشغيل الآلي، مما يجعلها شائعة في التطبيقات الإنشائية.
السبائك ذات درجة الحرارة العالية
وهي عبارة عن معادن عالية الأداء مصممة خصيصًا توفر مقاومة ممتازة للتآكل وخصائص ميكانيكية ممتازة في درجات الحرارة العالية. تُستخدم هذه السبائك في تطبيقات الطاقة والفضاء.
السبائك ذات درجة الحرارة العالية القائمة على الكوبالت: تتمتع هذه السبائك بمقاومة ممتازة للتآكل الحراري، مع درجة انصهار أعلى من السبائك الأخرى ذات درجة الحرارة العالية.
سبائك النيكل عالية الحرارة القائمة على النيكل: هذه هي السبائك الأكثر استخدامًا في درجات الحرارة العالية لأنها عادةً ما تكون أرخص من السبائك القائمة على الكوبالت. وهي توفر قوة عالية ومقاومة ممتازة للتآكل.
السبائك ذات الأساس الحديدي ذات درجة الحرارة العالية: تتمتع هذه السبائك بمقاومة عالية للتآكل والقوة في درجة حرارة الغرفة. وهي أكثر فعالية من حيث التكلفة من السبائك القائمة على النيكل والكوبالت.
النحاس وسبائك النحاس
يشتهر النحاس النقي وسبائكه بمقاومته للتآكل. وتشمل سبائك النحاس الشائعة البرونز (النحاس والقصدير) والنحاس الأصفر (النحاس والزنك).
نحاس:
النحاس الأصفر هو سبيكة أساسها النحاس مع الزنك كعنصر رئيسي، وأحياناً مع كميات صغيرة من الرصاص أو الحديد أو الألومنيوم.
يتميز النحاس الأصفر بمقاومة جيدة للتآكل في معظم البيئات الجوية.
يتفاعل النحاس مع الأكسجين الموجود في الهواء لتكوين طبقة رقيقة واقية من أكسيد النحاس، مما يبطئ من عملية الأكسدة. يساعد الزنك الموجود في النحاس الأصفر على تعزيز مقاومته للتآكل من خلال تشكيل طبقة ملح الزنك الكثيفة، والتي تحمي المعدن.
برونزية:
البرونز عبارة عن سبيكة من النحاس والقصدير بشكل أساسي ويتميز بمقاومة جيدة للتآكل بشكل عام.
يساعد القصدير الموجود في البرونز على تكوين سبيكة مستقرة مع النحاس، مما يحسن من مقاومة التآكل. في الهواء، والمياه العذبة ومياه البحر، يشكل البرونز طبقة تخميل كثيفة تمنع المزيد من التآكل، مما يحمي المعدن الموجود بداخله.
لا تزال بعض القطع الأثرية البرونزية القديمة في الصين، المدفونة منذ آلاف السنين، محفوظة بشكل جيد، مما يدل على مقاومة البرونز الممتازة للتآكل.
الفولاذ المقاوم للصدأ
الفولاذ المقاوم للصدأ هو معدن شائع الاستخدام مقاوم للتآكل. وتحدد العناصر الموجودة في سبيكته مستوى مقاومته للتآكل.
يتميز الفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومة ممتازة للتآكل، مما يجعله مناسبًا للبيئات ذات درجات الحرارة العالية والمواد الكيميائية المسببة للتآكل.
يشكّل الكروم الموجود في الفولاذ المقاوم للصدأ طبقة تخميل واقية من أكسيد الكروم، مما يمنع التحلل.
يستخدم المصنعون العديد من سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ في صناعات مثل معالجة الأغذية والمعالجة الكيميائية والسيارات والأدوية والبناء. يتم تصنيف هذه السبائك بناءً على بنيتها المجهرية إلى ثلاثة أنواع رئيسية:
الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي:
هذه السبائك عادةً ما تكون من الفولاذ المقاوم للصدأ من السلسلة 300. وتشمل الدرجات الشائعة الفولاذ المقاوم للصدأ 304 و316.
يحتوي الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ عادةً على 18% من الكروم و8% من النيكل، إلى جانب كميات صغيرة من المنجنيز والنيتروجين. وتعد هذه السبائك من بين أكثر المعادن المتاحة مقاومة للتآكل.
الفولاذ المقاوم للصدأ الحديدي:
ينتمي الفولاذ الفريتي المقاوم للصدأ إلى السلسلة 400.
تحتوي هذه السبائك عادةً على حوالي 27% من الكروم، مما يحسن من متانتها. كما أنها تحتوي على نسبة أقل من الكربون، مما يجعلها أكثر ليونة.
ومن الأمثلة النموذجية على ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ 430A.
الفولاذ المرتنزيتي غير القابل للصدأ:
هذه هي سبائك السلسلة 400، مثل الفولاذ المقاوم للصدأ 420A. تحتوي على 18% كروم، ومحتوى أعلى من الكربون، ولا تحتوي على النيكل.
يُعد الفولاذ المرتنزيتي المقاوم للصدأ أكثر صلابة من المعادن الأخرى المقاومة للتآكل، ولكنه أقل مقاومة للتآكل مقارنةً بالفولاذ من السلسلة 300.
تيتانيوم
يُستخدم التيتانيوم على نطاق واسع في صناعة الطيران بسبب نسبة القوة إلى الوزن الممتازة التي يتميز بها. كما يتميز بمقاومة ممتازة للتآكل، مما يجعله مفيدًا في التطبيقات الصناعية.
على غرار المعادن الأخرى المقاومة للتآكل، يُشكّل التيتانيوم طبقة أكسيد تخميل على سطحه، وهو أمر أساسي لمقاومته للتآكل.
ومع ذلك، إذا تعرضت طبقة الأكسيد للتلف، فسوف تتشكل بسرعة في وجود الرطوبة والأكسجين.
ونظراً لمقاومته الممتازة، يشيع استخدام التيتانيوم في تطبيقات مثل صناعة الكلور والقلويات، حيث يقاوم محاليل الكلور.
الصلب المجلفن هو معدن ذو خصائص مضادة للصدأ. يحتوي على طبقة من الزنك تمنع الصدأ والمزيد من الأكسدة. تمنع طبقة الزنك هذه الأكسجين والماء من الوصول إلى الفولاذ الموجود تحته.
يتميز الفولاذ الكربوني المجلفن بمقاومة ممتازة للتآكل، ومظهر جمالي رائع وقابلية عالية لإعادة التدوير.
يستخدم المصنعون الصلب المجلفن في قطع غيار السيارات ومكونات المباني والعديد من التطبيقات الأخرى التي تتطلب مقاومة عالية للتآكل.
طرق تحسين مقاومة التآكل للمعادن
إذا كان المعدن قادرًا على تحمل الآثار السلبية للبيئات القاسية، فإنه يعتبر مقاومًا للتآكل. وغالباً ما يتبع المصنعون ومصممو المنتجات إجراءات محددة لتحسين مقاومة المعدن للتآكل، حيث أن بعض المعادن أكثر مقاومة من غيرها. وفيما يلي بعض الطرق القياسية:
الطلاء بأكسيد الألومنيوم
تشكل هذه الطريقة الكهروكيميائية طبقة أكسيد يمكن التحكم فيها على معادن مثل التيتانيوم والألومنيوم.
يحسّن الألومنيوم المؤكسد من مقاومة التآكل ويمكن أيضاً تلوينه لأغراض جمالية.
تلميع السطح
يساعد تلميع سطح المعدن على إزالة العيوب، مما يخلق سطحًا أكثر سلاسة ويقلل من التآكل.
يعمل صقل السطح على تحسين كل من مقاومة التآكل والمظهر.
الطلاء بالرش بالرذاذ
يعمل الطلاء بالرش على إنشاء طبقة واقية على سطح المعدن. تعمل هذه الطبقة كحاجز لمنع العناصر المسببة للتآكل والرطوبة من الوصول إلى المعدن.
يعد التحضير المناسب للسطح واختيار الطلاء أو الطلاء المناسب أمران ضروريان للحصول على أفضل النتائج.
الطلاء الكهربائي
الطلاء الكهربائي هو عملية كهروكيميائية يتم فيها ترسيب معدن على معدن آخر لتحسين سطح المعدن. وتشكل الطبقة المطلية حاجزاً واقياً يعزز مقاومة التآكل.
تشمل المعادن الشائعة المستخدمة في الطلاء الكهربائي النيكل والكروم والزنك.



