آهن زنگ نزن
اصطلاح آهن زنگ نزن به چه معناست؟ به علت فعال بودن فلز آهن وقتی در مجاورت اکسیژن و رطوبت قرار می گیرد ، اصطلاحا ((زنگ می زند)). در واقع آهن با اکسیژن تشکیل اکسید آهن داده که قرمز رنگ بوده و روی آن را می پوشاند. برای استفاده بهتر از آهن و جلوگیری از زنگ زدن آن، آن را گالوانیزه می کنند . در این روش آهن را با فلز روی پوشش می دهند و در نتیجه زمانی که آهن گالوانیزه در معرض محیط مرطوب قرار می گیرد زنگ نمی زند. یکی از آلیاژهای آن توری استیل می باشد.
اصطلاح آهن زنگ نزن در مورد این فلز اشتباه رایجی است. زمانی که کربن به آهن اضافه شود ، تبدیل به آلیاژ می شود و از حالت عنصری خارج می شود. به این آلیاژ، فولاد گفته می شود که خواصی بهتر از آهن دارد. یک نوع از این فولادها، فولاد زنگ نزن هستند که علاوه بر آهن و کربن عناصری دیگری مانند کروم به آن اضافه شده که باعث ایجاد مقاومت در برابر زنگ زدن در آنها می شود.
پس اصطلاح آهن زنگ نزن اشتباه بوده و فولاد زنگ نزن صحیح می باشد.
موارد کاربرد:
مخازن نگهدارنده موادشیمیایی – لوازم آشپزخانه – لوله های صنعتی –نمای خارجی بناها –استراکچرها
صنایع پتروشیمی – کاغذسازی – قند و نیشکر همچنین کشتی سازی این دسته ازفولادهای ضدزنگ هردو ساختارمتالورژیکی مربوط به فاز های فریت و آستنیت را همزمان درخودداشته ازاینرو آنها را فولادهای ضدزنگ duplex نیز نامگذاری کرده اند این فولادها حاوی مقادیری ازعنصرنیکل به منظور پایدارکننده فازآستنیت و حصول خواص انعطاف پذیری همچنین مقادیری از عنصر کرم به منظورپایدارکننده فازفریت و حصول خواص استحکام و چقرمگی مناسب درفولادمی باشند.
فرایند زنگ زدن
زنگ زدن عبارتی است که به اکسیداسیون آهن اطلاق می‌شود. اکسیداسیون آهن معمولا از طریق واکنش با اکسیژن صورت می‌گیرد اما نوع‌های دیگری از زنگ زدن وجود دارد که حاصل واکنش آهن و کلر است که به آن زنگ سبز می‌گویند. “زنگ” نام متداول یکی از ترکیبات بسیار رایج یعنی اکسید آهن با فرمول Fe2O3 است. این نام رایج است زیرا آهن به سرعت با اکسیژن ترکیب شده و تشکیل زنگ آهن را می دهد. در حقیقت آهن را به ندرت می توان به صورت خالص در طبیعت پیدا کرد. زنگ آهن (یا فولاد) نمونه ای از فرایند خوردگی است: فرایند الکتروشیمیایی شامل آند (یک قطعه فلز که به راحتی الکترون از دست می دهد)، الکترولیت (مایعی که به حرکت الکترون ها کمک می کند) و یک کاتد (یک قطعه فلز که به راحتی الکترون می پذیرد) است. وقتی فلزی خورده می شود، الکترولیت به تولید اکسیژن در آند کمک می کند. سپس اکسیژن با فلز ترکیب شده و الکترون آزاد می شود. وقتی الکترون ها از طریق الکترولیت به سمت کاتد جریان می یابند، آند با جریان الکتریکی حذف می شود یا به کاتیون های فلزی تبدیل شده و زنگ تشکیل می شود.
اکسیده شدن آهن
برای این که آهن اکسید شود به سه ماده نیاز است: آهن، آب و اکسیژن. و اما فرایند زنگ زدن: با افتادن یک قطره آب بر روی اشیای آهن فورا دو اتفاق می افتد. نخست آن که آب به عنوان یک الکترولیت خوب با دی اکسیدکربن موجود در هوا واکنش داده و اسید کربنیک که یک اسید ضعیف است تشکیل می شود. اسید کربنیک نسبت به آب، الکترولیت بهتری است. پس از تشکیل اسید و حل شدن آهن در آن، ملکول های آب به اجزای سازنده آن یعنی اکسیژن و هیدروژن تبدیل می شود. اکسیژن آزاد و آهن حل شده با هم پیوند داده و اکسید آهن را تشکیل می دهند. در این فرایند الکترون آزاد می شود. الکترون های آزاد از بخش آند که همان آهن است به سمت کاتد که ممکن است فلزی با واکنش پذیری کمتر از آهن یا بخش دیگری از سطح آهنی باشد، جریان می یابد. مایعاتی مانند باران های اسیدی، آب دریا و افشانه نمکی برای ذوب کردن برف جاده های یخی به علت ترکیبات موجود در آنها نسبت به آب الکترولیت های قوی تری هستند. به همین دلیل آهن و فلزات دیگر در این محیط ها با سرعت بیشتری زنگ زده و خورده می شوند.
شما هم ممکن است تاکنون با سؤالات بسیاری در خصوص آهن، اهن ضد رنگ و مقاوم‌سازی آهن در مقابل زنگ‌زدگی مواجه شده باشید. سؤالاتی در مورد اینکه
- اهن زنگ نزن چگونه ساخته می‌شود؟
- از آهن زنگ نزن در چه مواردی استفاده می‌کنند؟
- با زنگ زدن آهن استحکام آنچه می‌شود؟
همه ما میدانیم که آهن به‌راحتی در مقابل رطوبت و هوا زنگ میزند؛ پوسته‌پوسته می‌شود و تغییر رنگ به سمت قرمز می‌دهد؛ اما برعکس اهن زنگ نزن به دلیل داشتن برخی از عناصر اضافی در ساختش مقاومت بسیار بهتری در برابر خوردگی یا زنگ‌زدگی دارد. به‌عنوان‌مثال فولاد، یک آلیاژ آهن و کروم است که باید حداقل ۱۰٫۵٪ کروم داشته باشد. سایر مواد افزودنی رایج در ساخت آهن زنگ نزن یا آهن ضدزنگ برخی عناصر اساسی از قبیل سنگ‌آهن، کروم، سیلیکون، نیکل، کربن، نیتروژن و منگنز می‌باشند. خصوصیات آهن زنگ نزن نهایی با تغییر مقادیر این عناصر تنظیم می‌شود. به‌عنوان‌مثال، نیتروژن باعث بهبود خواص کششی مانند و شکل‌پذیری آن می‌شود؛ همچنین مقاومت در برابر خوردگی را بهبود می‌بخشد و در کنار آن ماده کروم در اهن زنگ نزن یک‌لایه محافظتی بر روی آهن زنگ نزن تشکیل می‌دهد. این خصوصیت باعث می‌شود آهن با قرار گرفتن در مقابل هوا و همچنین اکسیژن شامل خوردگی و زنگ‌زدگی نشود. فولاد ضدزنگ حاوی آهن، کروم، منگنز، سیلیسیم، کربن و در بسیاری از موارد مقادیر قابل‌توجهی نیکل و مولیبدن است. اجزای دقیق و نسبت‌ها بر اساس درجه درخواستی و مورداستفاده متفاوت خواهد بود.
با زنگ زدن آهن استحکام آن چه می‌شود؟
زنگ‌زدگی باعث پوسته‌پوسته شدن و ضعیف شدن آهن می‌شود؛ استحکام، ظاهر و نفوذپذیری آهن را کاهش می‌دهد. آهن زنگ‌زده خواص مطلوب آهن را ندارد. زنگ‌زدگی آهن می‌تواند به خودروها، نرده‌ها، کوره‌ها و بسیاری از سازه‌های دیگر آسیب برساند. بسیاری از ساختمان‌ها ممکن است به دلیل زنگ‌زدگی در طولانی‌مدت دچار نقص سازه شوند. لوله‌های آب و مخازن آب به آن حساس هستند و گاهی باعث می‌شود که لوله‌ها آب قهوه‌ای یا سیاه حاوی مقدار ناایمن اکسیدهای آهن شوند.
آهن زنگ نزن چگونه ساخته می‌شود؟
- ترکیب آهن با عناصر دیگر و تولید آلیاژهای مقاوم در برابر زنگ‌زدگی
برخی از آلیاژهای آهن در برابر زنگ‌زدگی مقاوم هستند. به‌عنوان‌مثال فولاد ضدزنگ که دارای یک لایه اکسید کروم (III) و فولاد هوازدگی است. همچنین فولاد COR-TEN در مقایسه با فولاد معمولی با سرعت نسبتاً کمتری زنگ میزند.
- گالوانیزه کردن
گالوانیزه فرآیند استفاده از یک لایه محافظ از جنس روی است که رویه فلز را با آن می‌پوشانند. این روش یک روش بسیار معمول برای تولید آهن زنگ نزن است. این کار را می‌توان با فروبردن فلز در روی داغ، ذوب روی یا با فرآیند آبکاری انجام داد. روی فلزی نسبتاً ارزان است که به‌راحتی به فولاد می‌چسبد. همچنین با نقش آند از سطح آهن محافظت می‌کند. به همین دلیل لایه روی به جای آهن خورده می‌شود. از معایب گالوانیزه این است که لایه روی نیز ممکن است در بستر زمان دچار خوردگی شود و تنها در مدت زمان محدودی از خوردگی محافظت می‌کند. اگر به‌جای روی از پوشش کادمیوم استفاده کنید مدت‌زمان بیشتری از آهن محافظت می‌شود.
- محافظت کاتدیک
تأمین بار الکتریکی برای فلزات می‌تواند به مهار واکنش‌های الکتروشیمیایی منجر به زنگ‌زدگی کمک کند. این کار را می‌توان با اتصال آند فلز محافظ به آن کاتد، از آهن / فولاد انجام داد. فلزاتی که معمولاً به‌عنوان آندهای قربانی استفاده می‌شوند، منیزیم، روی و آلومینیوم هستند.
- پوشش‌ها
به‌منظور جلوگیری از خوردگی می‌توان انواع مختلفی از پوشش‌ها را روی سطح فلز قرار داد. نمونه‌های متداول پوشش‌هایی که از خوردگی جلوگیری می‌کنند شامل رنگ، نوار موم و لاک است. اجسام کوچک‌تر آهنی را همچنین می‌توان با روغن‌های ضد آب پوشاند. به‌عنوان‌مثال بسیاری از ماشین‌آلات و ابزارهای صنعتی ساخته‌شده از آهن با لایه‌ای از گریس پوشانده می‌شوند.
در ادامه روش اصلی ساخت اهن ضد زنگ به‌صورت آلیاژی را بیان کرده‌ایم:
ذوب و ریخته‌گری
مواد اولیه ابتدا در کوره برقی ذوب می‌شوند. این مرحله معمولاً به ۸ تا ۱۲ ساعت گرمای شدید نیاز دارد.
شکل دادن:
بعد از اتمام مرحله ذوب و ریختگی، مرحله فرم دهی شروع می‌شود. در این مرحله آهنگ زنگ نزن به اشکال متفاوتی همچون شکوفه‌ها و گلدان‌ها (به شکل میله و سیم) صفحه، نوار و ورق شکل می‌گیرد. برخی دیگر نیز به‌صورت میله‌ها ( گرد، مربع، هشت‌ضلعی یا شش‌ضلعی) ایجاد می‌شوند که هرکدام اندازه‌های مختص خودشان را دارند.
حرارت درمانی یا بازپخت
بعد از تشکیل اهن ضد زنگ، اکثر باید مرحله باز پخت را طی کنند. در این مرحله آهن زنگ نزن در شرایط کنترل‌شده گرم و سرد می‌شود تا فلز را نرم و یکدست کند. همچنین بعضی از فولادها برای مقاومت بالاتر تحت عملیات حرارتی قرار می‌گیرند. چنین عملیات حرارتی نیازمند کنترل دقیق است، زیرا حتی تغییرات اندک در دما، زمان یا میزان خنک‌کننده می‌تواند به‌طورجدی بر خصوصیات محصول نهایی تأثیر بگذارد.
رسوب‌زدایی:
بادوام کردن اهن زنگ نزن باعث ایجاد مقیاس یا تجمع روی فولاد می‌شود. مقیاس را می‌توان با استفاده از چندین فرآیند حذف کرد. یکی از متداول‌ترین روش‌ها استفاده از وان اسید نیتریک-هیدروفلوئوریک برای رسوب‌زدایی از فولاد است. در روش دیگر جریان الکتریکی با استفاده از کاتد و اسید فسفریک روی سطح اعمال می‌شود و مقیاس برداشته می‌شود.
برش کاری
عملیات برش معمولاً برای به دست آوردن شکل یا اندازه خالی موردنظر جهت اصلاح قطعه تا اندازه نهایی لازم است. برش مکانیکی با روش‌های مختلفی انجام می‌شود، ازجمله برش مستقیم با استفاده از چاقوهای گیوتین، برش دایره با استفاده از چاقوهای مدور به‌صورت افقی و عمودی از تیغه‌های فولادی با سرعت‌بالا استفاده می‌شود.
کاربرد آهن زنگ نزن:
آهن زنگ نزن، معمولاً به دلیل مقاومت، انعطاف‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی کاربردهای فروانی دارد. آهن و آلیاژهای آن به‌طور گسترده‌ای در ساخت بسیاری از سازه‌ها و بسیاری از ماشین‌آلات و اشیا استفاده می‌شود. در ادامه به برخی از کاربردهای اهن زنگ نزن اشاره‌کرده‌ایم:
- کاربرد فولاد زنگ نزن در صنایع شیمیایی و پترو شیمیایی (همانند مخازن تولید مواد شیمایی شامل لوله‌های فرآیند و مخازن ایجاد فشار، مخازن تبخیر و میعان، نیروگاه‌های انرژی ژئوترمال و غیره)
- کاربردهای آهن زنگ نزن لوازم‌خانگی (شامل ساخت ظروف، قاشق چنگال، ماکروویو و غیره)
- کاربردهای آهن زنگ نزن در عمران، راه‌سازی و ساختمان (شامل نرده منزل، معماری مدرن و برجسته، اتصالات درب و پنجره، لوله و اتصالات، سردرها، پایه‌های بنایی و غیره)
- کاربردهای آهن زنگ نزن خودرو و حمل‌ونقل (شامل موتور، لوازم خودروها و تانکر، کشتی و غیره)
- کاربرد آهن زنگ نزن پزشکی همچون ام آر آی، تجهیزات جراحی، ایمپلنت‌های جراحی
- کاربرد اهن زنگ نزن تولید برق (همانند پیل‌های سوختی، تجهیزات نیروگاهی، پنل های خورشیدی، توربین‌های متفاوت، تجهیزات تولید برق با انرژی هسته‌ای و سوخت‌های فسیلی)
- کاربرد فولاد زنگ نزن در کشاورزی
- کاربرد فولاد زنگ نزن در صنایع هوا – فضا
عواملی که باعث زنگ‌زدگی آهن می‌شوند؟
بسیاری از عوامل زنگ‌زدگی آهن را تسریع می‌کنند. رطوبت موجود در محیط و PH محیط اطراف دو نمونه از آن هستند. برخی از این عوامل در ادامه ذکرشده‌اند.
- رطوبت: خوردگی آهن محدود به آب موجود در محیط است. قرار گرفتن در معرض باران شایع‌ترین دلیل زنگ‌زدگی است.
- اسید: اگر pH محیط اطراف فلز کم باشد، فرآیند زنگ‌زدگی سریع‌تر می‌شود. زنگ‌زدگی آهن هنگام قرار گرفتن در معرض باران‌های اسیدی سرعت می‌گیرد. pH بالاتر باعث مهار خوردگی آهن می‌شود.
- نمک: آهن، به دلیل وجود نمک‌های مختلف، در دریا زودتر زنگ میزند. آب‌شور حاوی یون‌های زیادی است که از طریق واکنش‌های الکتروشیمیایی روند زنگ‌زدگی را تسریع می‌کند.
- ناخالصی: آهن خالص در مقایسه با آهن حاوی مخلوطی از فلزات، تمایل به زنگ‌زدگی با سرعت کمتری دارد.
- اندازه شی‌ء آهنی نیز می‌تواند در سرعت فرایند زنگ‌زدگی تأثیر بگذارد.
