خوردگی شیاری چیست + روش های کنترل خوردگی شکافی

یکی از مشکلات شایع و فراگیر در میان فلزات، خورده شدن آن‌ها است. خوردگی یک فرآیند شیمیایی می‌باشد که منجر به صرف هزینه‌های بسیاری می‌شود. خوردگی فلزات در انواع مختلفی همچون خوردگی یکنواخت، خوردگی سایشی، حفره ای، شیاری و غیره وجود دارد.

بسته به نوع خوردگی، علت به وقوع پیوستن آن متفاوت می‌شود. خوردگی شیاری یا شکافی یکی از انواع خوردگی است که هنگامی رخ می‌دهد که در زمان اتصال قطعات فلزی به یک‌دیگر، میان آن‌ها فاصله بی‌افتد. در صورتی که این خوردگی کنترل نشود، مشکلات بسیاری را به وجود می‌آورد. در این مقاله قصد داریم به شرح کامل عوامل به‌وجود آمدن خوردگی شیاری یا شکافی و راه‌های جلوگیری از آن بپردازیم. تا انتهای مطلب همراه ما باشید.

خوردگی شیاری چیست؟

خوردگی شیاری یک نوع خوردگی موضعی است که در یک شیار یا شکاف باریک و در اثر اختلاف دمش هوا و انحلال فلز، رخ می‌دهد و با سرعت بالا پیش می‌رود. این خوردگی در یک شیار فلزی-فلزی یا فلزی-غیرفلزی رخ می‌دهد. به جز آن، امکان ایجاد شیار از ترک‌های موجود روی سطح بیش‌تر است.

در داخل شکاف، جایی که نفوذ جرمی محدود شده باشد، اکسیژن محلول و  PH یا اسیدیته کاهش می‌یابد. به دنبال آن، شکاف از یون‌های کلرید غنی می‌شود. این تغییرات، در محیط شیمیایی داخل شکاف، سطح فلزی درون شیار را از حالت منفعل خارج می‌کند.

با توجه به آن‌که، سرعت واکنش آندی داخل شکاف با واکنش کاتدی خارج شکاف در تعادل به سر می‌برد، خوردگی داخل شیار با شدت بالا صورت می‌گیرد. فلزاتی که از لایه‌های اکسیدی برای محافظت از خود استفاده می‌کنند، در برابر انواع خوردگی مقاومت کمی از خود نشان می‌دهند.

فولاد ضدزنگ و آلومینیوم در همین دسته از فلزات جای دارند. در این میان، فلزاتی همچون تیتانیوم، نیکل و آلیاژهای آن‌ها، مقاومت خوبی در مقابل فلزات دارند.

مکانیزم تخریب در خوردگی شیاری به چه صورت است؟

مکانیزم خوردگی شیاری مشابه با مکانیزم خوردگی یک‌نواخت است. تفاوتی که میان آن‌ها وجود دارد آن است که در خوردگی شیاری، پلاریزاسیون غلظتی، مهم‌ترین نقش را در ایجاد خوردگی ایفا می‌کند.همان‌طور که پیش‌تر گفته شد، این خوردگی به علت اختلاف اکسیژن رخ می‌دهد. نقاط درونی شیار که اکسیژن کم‌تری دارد، به عنوان آند عمل کرده و خورده می‌شوند. قسمت بیرونی شیار، به عنوان کاتد عمل کرده و بدون اثر باقی می‌ماند.

واکنش‌های آندی و کاتدی در خوردگی شکافی چگونه است؟

تا به این‌ قسمت از مطلب، به تاثیر اختلاف غلظت اکسیژن بر خوردگی شیاری پرداختیم. اما این امر، به تنهایی عامل ایجاد خوردگی شیاری نیست. عامل دیگری که حائز اهمیت بسیاری در این فرآیند است، انحلال کلی فلز (برای مثال فلز M) و احیا اکسیژن به یون‌های هیدروکسید است. اگرچه اختلاف غلظت اکسیژن عاملی تاثیرگذار است، با این حال سهم کم‌تری از علت ایجاد خوردگی شیاری را به خود اختصاص می‌دهد.

در ابتدا، این واکنش‌های شیمیایی بر روی تمام سطح فلز از جمله داخل شیار اعمال می‌شود. اصل بقای بار الکتریکی در فلز و داخل محلول برقرار است. الکترون‌هایی که به سبب تشکیل یون فلز، به وجود می‌آیند، با سرعتی بالا به وسیله واکنش احیا اکسیژن مصرف می‌شوند.

علاوه بر آن، به ازای هر یون فلز در محلول، یک یون هیدروکسید نیز به وجود می‌آید. پس از مدتی کوتاه، اکسیژن داخل شیار کاهش پیدا کرده و تمام می‌شود. علت این امر نیز، ساکن بودن محلول در شیار و عدم دسترسی آن به کل محلول یا عدم هم‌رفت است. بنابراین پس از این، احیا اکسیژن در این قسمت صورت نمی‌گیرد.

لازم به ذکر است که این مورد به خودی خود، ایجاد خوردگی نمی‌کند؛ به آن علت که معمولا سطح داخلی شیار به نسبت قسمت خارجی فلز بسیار کوچک‌تر است. همین امر نیز سبب آن می‌شود که سرعت کلی احیا اکسیژن ثابت بماند و سرعت خوردگی شیاری در مقایسه با مواقعی که شیار یا شکاف وجود ندارد، یکسان باشد.

اتمام اکسیژن درون شیار، تاثیر غیرمستقیم مهمی می‌گذارد و بعد از آن احیا اکسیژن انجام نمی‌شود. این درحالی رخ می‌دهد که حل شدن فلز M درون شکاف ادامه خواهد داشت. در نتیجه آن، تجمعی از بارهای مثبت در محلول، درون شیار ایجاد می‌شود که باید با انتقال یون‌های منفی کلر محلول به داخل شیار، خنثی شود.

لازم به ذکر است که انتقال یون‌های هیدروکسید از خارج شیار به داخل آن نیز انجام می‌گیرد، اما موبیلیتی (آزادی حرکت) این یون‌ها نسبت به یون‌های کلر کم‌تر است و سرعت حرکت نیز کندتر می‌شود. این امر باعث افزایش غلظت کلرور (ماده‌ای از ترکیب کلر با یک عنصر دیگر) در شیار می‌شود. در نتیجه غلظت کلرور فلز در داخل شیار افزایش پیدا می‌کند. به جز فلزات قلیایی همچون سدیم و پتاسیم، نمک‌های فلزی شامل فسفات‌ها و کلرورها در آب هیدرولیز می‌شوند.

این معادله نشان‌دهنده تجزیه محلول آبی کلرورهای فلزات در آب و ایجاد هیدروکسید نامحلول و اسید آزاد می‌باشد. در معادله‌ای که گفته شد، دو یون کلر و هیدروژن به علت انتقال و هیدرولیز در شیارها وجود دارند و به علت افزایش سرعت خوردگی فلزات به واسطه این 2 یون، سرعت حل شدن فلز M نیز به مراتب بیش‌تر می‌شود.

 در این خوردگی، سطوح مجاور شیار از طریق کاتدی محافظت می‌شوند؛ بنابراین در مرحله خوردگی شیاری، خوردگی در شیار متمرکز است، اما خوردگی در سطوح اطراف یا وجود ندارد و یا اگر وجود داشته باشد، به مقدار اندک است. خوردگی شیاری در محیط‌های بسیاری امکان رخ دادن دارد اما در مکان‌هایی که کلرور وجود دارد، شدیدتر رخ می‌دهد.

گاها شش ماه تا یک سال نیاز است تا خوردگی شیاری شروع به انجام کند اما پس از شروع فرآیند، با سرعتی افزایشی، ادامه پیدا می‌کند. فلزات یا آلیاژهایی که مقاومت خوردگی آن‌ها وابسته به پوسته‌های اکسیدی یا لایه‌های غیرفعال بر سطح آن‌هاست، بیش‌تر از مابقی خورده می‌شوند.

دلیل این امر نیز آن است که این پوسته‌ها به واسطه غلظت‌های بالای یون‌های کلر و هیدروژن از بین می‌روند و سرعت انحلال نیز افزایش پیدا می‌کند. برای مثال آلومینیوم به علت لزوم پوسته Al2O3 برای محافظت از آن، از لحاظ خوردگی شیاری ضعیف است. یکی از فاکتورهای مهم در خوردگی شیاری، پهنای دهانه شیار است.

چنان‌چه پهنای دهانه شیار به اندازه مناسب باریک باشد، تمام فلزات و آلیاژها مستعد خوردگی شیاری خواهند بود. در حقیقت، هرقدر دهانه شیار باریک‌تر باشد، خوردگی بیش‌تر اتفاق می‌افتد. برای کمک به انتخاب مواد مهندسی در خصوص مقاومت به خوردگی شیاری، اندیسی تحت عنوان اندیس خوردگی شیاری وجود دارد.

این اندیس به صورت ضرب تعداد سطوح خورده شده (S) در حداکثر عمق خوردگی (D) تعریف می‌شود و به صورت زیر است:

هرقدر مقدار اندیس بالا کوچک‌تر باشد، مقاومت فلز یا آلیاژ به خوردگی شیاری نیز بیش‌تر خواهد بود. برای آن‌که این خوردگی رخ دهد، رویین شدن ماده و وجود یون‌های مهاجم که اغلب هالیدهایی مانند Cl^–‎ و Br^–‎ مهم است.

در ابتدای فرآیند، درون شیار بر اثر واکنش کاتدی، اکسیژن مصرف می‌شود و به دلیل آن‌که دسترسی به اکسیژن وجود ندارد، واکنش آندی خورده شدن فلز درون شیار اتفاق می‌افتد و غلظت یون‌های مثبت افزایش پیدا می‌کند.

همین امر منجر به رانش یون‌های منفی مانند هالیدها و OH منفی به درون می‌شود و هم‌زمان با هیدرولیز شدن کاتیون‌ها، PH کاهش پیدا می‌کند و شیار اسیدی می‌شود. سپس لایه رویین از بین می‌رود و فرآیند هیدرولیز و کاهش PH هم‌زمان منجر به خوردگی فلز می‌شوند.

عوامل موثر بر خوردگی شیاری چیست؟

خوردگی شکافی یا شیاری در حقیقت به علت 2 عاملی که ذکر شد، ایجاد می‌شود اما عوامل دیگری نیز در بروز آن نقش دارند.

• رسوبات حاصل از محصولات خوردگی

برای مثال، رسوبات حاصل از محصولات خوردگی امکان ایجاد محیطی مناسب برای بروز خوردگی شیاری را فراهم می‌آورند؛ چراکه قسمت زیرین رسوبات، محیطی مناسب برای وقوع این خوردگی است. عمده‌ترین این رسوبات، مواردی همچون شن، لایه‌های آلوده و دیگر جامدات هستند.

• تاثیر یون‌های مخرب

تاثیر یون‌های مخرب در خوردگی شیاری نیز اهمیت دارد؛ چنان‌چه هر نوع محلول و یا آب خنثی حاوی یون‌های کلرید می‌توانند باعث پیشرفت این نوع خوردگی در شیارها شوند.

• غلظت محلول خورنده

به جز موارد ذکر شده، غلظت محلول خورنده در شیارها و میزان اکسیژن حل شده در محلول‌های خورنده، در میزان خوردگی تاثیرگذار هستند.

• وجود فولاد ضدزنگ

خوردگی شیاری در فولاد زنگ نزن به وفور مشاهده می‌شود. حتی اگر این فولاد در سطح خود جوانه‌ی غیر‌همگنی نداشته باشد، امکان بروز خوردگی شیاری در آن وجود دارد؛ چراکه در خوردگی شیاری برای شروع فرآیند، الزامی به جوانه آغازین نیست.

نظر به کاربرد گسترده فولاد زنگ نزن 316 در صنعت، مطالعات فراوانی بر این نوع فولاد از لحاظ خوردگی شیاری صورت گرفته است که از جمله می‌توان به تاثیر عواملی مانند دما، پتانسیل، PH  و تاثیر غلظت یون کلرید در محلول، بر مقاومت این آلیاژ به خوردگی شیاری اشاره نمود.

• اندازه مناسب شیار یا شکاف

برای آن‌که خوردگی شیاری اتفاق بی‌افتد، شکاف باید به قدر لازم باز باشد تا آن‌جایی که الکترولیت امکان نفوذ به درون آن را داشته باشد. حدود اندازه این شکاف، مابین 0/1 تا 0/25 میلی‌متر است. قابل توجه است که این شیار باید به اندازه‌ای محدود باشد که الکترولیت امکان ساکن ماندن در آن را داشته باشد.

• شکل هندسی و ابعاد شیار

شکل هندسی و ابعاد شیار در شدت وقوع خوردگی شیاری تاثیرگذار است؛ چراکه شیارهای کم‌عرض بیش‌تر از سایر، در معرض خوردگی شدید قرار می‌گیرند. شیارهای ایجاد شده بین فلز و یک ماده پلیمری، به نسبت شیارهای تشکیل شده میان دو فلز، آسیب‌های بیش‌تری از خوردگی را متحمل می‌شوند.

روش‌های کنترل خوردگی شکافی چیست؟

به طور کلی با کاهش میزان خوردگی محیط و یا افزایش مقاومت فلز و آلیاژ می‌توان از پیشرفت خوردگی شیاری جلوگیری کرد. مواردی که به کمک آن می‌توان از خوردگی جلوگیری کرد، به شرح زیر است:

• محیط شیمیایی یک‌نواخت

برای کاهش قدرت خورندگی محیط می‌توان از غلظت یون کلرید، اسیدیته محیط و یا دما کاست. وجود محلول‌های خورنده به صورت راکد، منجر به تشکیل رسوبات شده و هیدرولیز آن‌ها، سبب کاهش PH می‌شود.

• طراحی مناسب قطعات

طراحی قطعات و تجهیزات باید به گونه‌ای باشد که از پیدایش نواحی نوک‌‌تیز، گوشه‌دار و شیارها که سبب سکون محلول می‌گردند، جلوگیری شود.

• حذف مواد و اتصالات جاذب رطوبت

به‌کارگیری واشرهایی که جاذب رطوب نیستند مانند واشرهای لاستیکی، تفلنی و درگیرهای بتونه‌ای و غیره کمک بسیاری به عدم وقوع خوردگی می‌کند. همچنین هنگامی که خط تولید در طولانی مدت، در خاموشی قرار دارد، موادی که رطوبت را جذب می‌کنند، باید حذف شوند.

• حذف رسوبات

برای کاهش خوردگی، مهم است که محلول رسوب‌زدایی شده و فیلتر شود. با این عمل، ذرات جامد معلق محلول کاهش پیدا می‌کند و احتمال ایجاد رسوبات نیز کم‌تر می‌شود.

• استفاده از اتصالات جوشکاری مناسب

لازم است که در اتصالات، به جای استفاده از میخ پرچ یا پیچ و مهره، از جوش کامل (پیوسته) استفاده شود.

جمع بندی

در این محتوا به بررسی خوردگی شیاری، نحوه ایجاد و روش‌های جلوگیری از ایجاد آن پرداختیم. انحلال کلی فلز و احیا یون‌های اکسیژن به یون‌های هیدروکسید از علل ایجاد خوردگی شیاری هستند. با توجه به نکاتی همچون حذف رسوبات، طراحی مناسب قطعات، حذف موادی که رطوبت را جذب می‌کنند و غیره، می‌توان بروز خوردگی را کنترل کرد.

سوالات متداول