جلوگيري از خورده شدن آلياژها

خوردگي يکي از عوامل تخريب سازه ها و قطعات فلزي و از نظر اقتصادي پارامتري هزينه بر است. يکي از روشهاي مهندسي مقابله با خوردگي ، ايجاد پوششهايي با مقاومت بالا در برابر خوردگي ، بر سطح مورد نظر است. در اين ميان فلز روي به دليل خواص الکتروشيميايي آن در مقايسه با فولاد و ويژگي محصولات خوردگي آن ، براي اين منظور اهميت ويژه اي دارد. يکي از روشهاي نوين پوشش دهي روي ، پوشش دهي به روش نفوذ در حالت جامد است که داراي برتري هايي هم از نظر مهندسي سطح و خوردگي و هم از نظر اقتصادي و زيست محيطي نسبت به ساير روشهاي پوشش کاري روي است. با اين روش که در دانشگاه صنعتي اميرکبير ارائه شده است ، فلزات به روش جديد پوشش داده مي شوند. به اين ترتيب و با طراحي روش جديد نفوذ در حالت جامد براي پوشش دهي و جلوگيري از خوردگي فولاد و چدن با روي ، عمر قطعات ساخته شده با اين آلياژها تا چند برابر افزايش مي يابد.

خوردگي ، دشمن فلزات

خوردگي عبارت است از تخريب ناخواسته يک ماده در اثر واکنش آن با محيط اطرافش. در اين ميان فلزات قابليت هدايت الکتريکي زيادي دارند و فرآيند خوردگي در آنها از نوع الکتروشيميايي است. در حالي که براي مواد غير هادي ، از نوع شيميايي است و اصول شيمي فيزيکي درباره آنها مطرح مي شود.امروزه اهميت خوردگي فلزات بيشتر از گذشته است چراکه استفاده از فلزات گسترش يافته است ، کاربردهاي ويژه نظير انرژي اتمي ، استفاده از فلزات نادر و گرانقيمت را طلب مي کند که جلوگيري از خوردگي آنها نيز اهميت ويژه اي دارد، خورندگي محيط بر اثر آلودگي آب و هوا افزايش يافته است که موجب افزايش خوردگي فلزات مي شود و در طراحي هاي جديد استفاده از سازه هاي سبکتر الزامي است و بنابراين همچون گذشته که سازه ها سنگين تر بود، نمي توان خوردگي را ناديده گرفت.
مهندسي سطح ، به عنوان دانشي براي تکميل و بهبود خواص سطح در گستره اي از فلزات ، پلاستيک ها، پليمرها و ساير مواد مهندسي جايگاه ويژه اي دارد و به همين دليل همواره شاهد نوآوري و ارتقا در روشهاي مهندسي سطح هستيم.به طور کلي با فرآيندهاي سطح ، خواص سطحي قطعات صنعتي را از لحاظ مقاومت سايشي و مقاومت خوردگي مي توان بالا برد. در اين شرايط در کنار افزايش عمر مفيد قطعات ، امکان ساخت قطعات با مواد اوليه ارزان تر نيز ممکن مي شود. مهندسي سطح ، پهنه وسيعي از کاربردها از موارد تزئيني و در مصارف خانگي گرفته تا موارد فني و در مصارف صنعتي را شامل مي شود و تاثير مثبتي در انتخاب مواد، روش توليد، ملاحظات اقتصادي و نگهداري و تعميرات قطعات دارد. در اين ميان پوشش کاري يکي از روشهاي مهندسي سطح و براي تکميل خواص سطحي قطعات يا تعمير و بازسازي آنهاست. روشهاي متفاوتي براي پوشش کاري با توجه به خواص مورد نياز پوشش و جنس مواد اصلي (پايه) و نيز محدوديت هاي فني وجود دارد. اما نکته مشترک در همه اين روشها، دستيابي به خواص بهينه تر و هزينه تمام شده کمتري با تغيير پارامترهاي موثر در هر روش است. به گفته مهندس عبدالخالق حسن زاده ، فارغ التحصيل کارشناسي ارشد دانشکده مهندسي معدن و متالورژي دانشگاه صنعتي اميرکبير يکي از مواردي که براي مقابله با آن ، از پوشش کاري سطوح کمک گرفته مي شود، خوردگي و اکسيداسيون سطح قطعات است. حسن زاده مي افزايد: خوردگي ، عامل بخش عمده اي از شکست سازه هاي فلزي است و اهميت آن نه تنها از اين نظر است که شکست در بيشتر موارد ناگهاني است ، بلکه بيشتر به علت حضور و تاثير همه جانبه آن است.

پوششهايي از جنس روي

پوشش کاري روي با روشهاي متنوعي صورت مي گيرد و پوشش حاصل از هر کدام از اين روشها، ويژگي ها و مشخصات خود را دارند و پارامترهاي متفاوتي مانند دماي فرآيند، زمان فرآيند، آناليز شيميايي محلول يا پودر فرآيند و ساير عمليات جانبي ديگر مانند عمليات حرارتي ، عمليات مکانيکي و عمليات شيميايي تکميلي در کيفيت پوشش تاثير دارند. بنابراين با توجه به خواص مورد نياز و مطالعات اقتصادي و محدوديت هاي هر فرآيند، بايد روش مناسب را انتخاب کرد.
حسن زاده درباره مزايا و موارد استفاده روش نوين مي گويد: پوشش حاصل از روش نفوذي در حالت جامد داراي برتري هاي نسبي در مقايسه با ساير روشهاي ديگر است که از آن جمله مي توان به عدم آلايندگي محيط زيست ، مصرف کمتر انرژي ، سهولت فرايند پوشش کاري ، يکنواختي سطح پوشش ، امکان تشکيل پوششهاي رنگي ، امکان پوشش کاري مناسب شيارها، لبه هاي تيز و منافذ قطعات و بويژه عمر طولاني تر (نرخ خوردگي کمتر) پوشش اشاره کرد. ضمن آن که عمده ترين موارد کاربرد اين روش نوين ، پوشش دهي پيچ و مهره ها، واشرها، بست ها و قطعات داراي منافذ و سوراخ هاي ريز و کوچک در صنايع خودروسازي ، صنايع دريايي و زيردريايي ، قطعات کشاورزي و باغباني ، خطوط انتقال برق و تجهيزات ماهواره اي و مخابرات ، صنايع پتروشيمي و... است.
اين روش براي نخستين بار در دنيا، در سال 2000 ميلادي توسط يک تيم پژوهشي از دانشمندان روسي و به نام اسرائيل (رژيم اشغالگر قدس) تحت عنوان تجاري Distek ابداع و ثبت شد. به اين ترتيب تمامي صنايع استفاده کننده از اين روش پس از خريد تکنولوژي از اين شرکت اسرائيلي براي تامين پودر مورد نياز و ساير خدمات فني ، به نمايندگي هاي انحصاري اين شرکت در چند کشور وابسته هستند. به همين دليل هم تاکنون از اين روش در کشور ايران استفاده نشده است و پس از مطالعات و پژوهش هاي انجام شده در اين زمينه و دستيابي به ترکيب پودر مناسب که داراي قيمت تمام شده پائين تري نسبت به پودر مشابه است ، امکان استفاده صنعتي از اين روش بدون نياز به خريد تکنولوژي و وابستگي هاي بعدي در داخل کشور به وجود آمده است.

مزاياي نفوذ در حالت جامد

حسن زاده با اشاره به آزمايش هاي انجام شده در اين پژوهش ، مي افزايد: نرخ خوردگي در آهن پوشش داده شده با روش غوطه وري گرم گالوانيزه به طور متوسط 350 ميکرون است در حالي که در نمونه به دست آمده اين ميزان به 15 ميکرون رسيده است. در اين طرح پوشش هايي با ضخامت 60 تا 95 ميکرون ايجاد شد و نتايج هم با استفاده از ميکروسکوپ نوري ، ميکروسکوپ روبشي (STM) و همچنين با کمک اشعه ايکس (XRD) بررسي و صحت سنجي شد. درواقع به کمک اين روش با توجه به ضعف فولاد در برابر خوردگي ، فلز روي که در سطح فلز قرار مي گيرد، خورده شده و محصولات خوردگي آن با تشکيل لايه اي متراکم و چسبنده نفوذ خوردگي به فولاد را بسيار کند مي کنند. به گفته حسن زاده در اين شيوه که نخستين بار در سال 2000 ميلادي ثبت شده پودر روي مخلوط با چند ماده کمکي ديگر، در درجه حرارت معين و بدون نياز به ذوب شدن در سطوح فولاد نفوذ مي کند و پوشش محافظ تشکيل مي شود.
پيچيدگي اين روش در تعيين ميزان مواد کمکي ، حرارت مورد نياز و سرعت چرخش قطعات براي پوشش دهي به شمار مي رود. در اين تحقيق عمليات پوشش دهي روي بر روي نمونه هايي از جنس فولاد ساده کربني انجام گرفت.از پودر روي هم به عنوان منبع تامين کننده روي ، استفاده شده است.بطورکلي در پوشش دهي به حالت چرخشي ، نمونه به همراه مخلوط پودر در يک محفظه استوانه اي فولادي ريخته مي شود. در واقع اين محفظه توسط يک موتور گرداننده با دور چرخش قابل کنترل در درون يک کوره مقاومتي استوانه اي با سرعت معين چرخانده مي شود. پس از تعيين ترکيب بهينه پودر با توجه به نتايج آزمون پتانسيو استات و مطالعات ريز ساختاري ، در دما و زمان ثابت و سرعت چرخش معين ، به منظور دستيابي به شرايط مناسبي از متغيرهاي موثر در کيفيت پوشش ، فرآيند پوشش دهي صورت مي گيرد؛ سپس پس از تعيين دماي بهينه ، عمليات در مدت زمان هاي مختلف و پس از آن با سرعت چرخش هاي متفاوت انجام مي گيرد. به منظور بررسي امکان پذيري انجام فرآيند پوشش دهي در حالت ساده تر، آزمايش هايي در حالت ثابت انجام مي شود. در اين روش ، ابتدا نمونه هاي آماده سازي شده به همراه پودر فرآيند در جعبه اي از جنس فولاد نسوز قرار مي گيرند و روي آنها با يک ورقه فولادي پوشانده مي شود و در نهايت به منظور جلوگيري از اکسيد شدن پودر با اتمسفر کوره ، سطوح جعبه با مخلوط گل و سيمان نسوز پوشانده مي شود. در واقع در اين روش تشکيل لايه هاي آلياژي آهن - روي باعث کاهش نرخ خوردگي پوشش ايجاد شده مي شود، فاز زتا در آب بندي کردن ترک هاي موجود در لايه مياني (فاز دلتا) و در نتيجه افزايش مقاومت به خوردگي پوشش تاثير مثبت دارد، استفاده از ترکيب بهينه پودر فرآيند باعث افزايش مقاومت به خوردگي پوشش مي شود، استفاده از ترکيب بهينه پودر فرآيند باعث کنترل ضخامت فاز ترد و شکننده زتا مي شود و دستيابي به لايه اي متشکل از سه فاز گاما، دلتا و زتا با روش پوشش دهي نفوذ در حالت جامد به حالت چرخشي امکانپذير است.