تآكل غازي

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة

 هذا المقال بحاجة إلى إعادة كتابته أو كتابة أجزاء منه بالكامل للأسباب المذكورة في صفحة النقاش. رجاء أزل هذا الإخطار حالما تتم إعادة الكتابة.


هذه المقالة بحاجة إلى إعادة كتابة باستخدام التنسيق العام لويكيبيديا، مثل استخدام صيغ الويكي، وإضافة روابط. الرجاء إعادة صياغة المقالة بشكل يتماشى مع دليل تنسيق المقالات. بإمكانك إزالة هذه الرسالة بعد عمل التعديلات اللازمة.
وسمت هذه المقالة منذ: ديسمبر 2007


التآكل الغازي (الجاف) سمي التآكل الغازي بهذا الاسم لتمييزه عن التآكل الجوي ، و بالتعريف هو التفاعل المباشر ما بين غاز معين و سطح معدني ويتم عادة في درجات الحرارة المرتفعة . و قد اختلف العلماء في موضوع هذا النوع من التآكل و هل هو تآكل كيميائي أو كهركيميائي و لكل من الفريقين حججه و وثائقه .


فهرس

[تحرير] آلية التآكل الغازي

يكون التآكل في البدء كيميائي وعندما تتشكل طبق كاملة على السطح أي بانعدام التماس المباشر للمعدن مع الغاز الأكال ننتقل بذلك إلى التآكل الكهركيميائي .

[تحرير] أولاً: التآكل الكيميائي

1) يقترب الغاز من سطح المعدن بآلية الانتشار (diffusion) حتى يصل إلى سطح المعدن و عندها تتم عدة مراحل. 2) الامتزاز الفيزيائي (absorption) (امتصاص انتقائي) و يتم بطاقة ربط ضعيفة (5-10 KJ/mol) . 3) ينتقل بعدها إلى امتزاز كيميائي حيث طاقة الربط أكبر من (50 KJ/mol) . 4) يتم تفاعل كيميائي على سطح المعدن أي تصبح الذرات جزء من المعدن أي أنها تنتج مركبات . 5) يتبعها تشكل نوى التبلور مثل( fecl2 ) حيث تتشكل نوى خاصة به أو مثل كبريتات أو نترات الحديد ، و منتجات التآكل لا تملك نفس البنية البلورية للمعدن نفسه حيث تتبلور حسب بنيتها ، و تتوزع نوى التبلور على كامل سطح المعدن ويرتبط ذلك بنوع المعدن و شوارده . 6) تبدأ نوى التبلور بالتوسع حتى تتصل ببعضها. 7) و تشكل غشاء رقيق و يصبح المعدن معزولاً تماماً بواسطة الغشاء الناتج عن منتجات التآكل و لا يوجد اتصال مباشر للمعدن مع العازل الأكال .

[تحرير] ثانياً : التآكل الكهركيميائي

إن المعدن محاط بالوسط ، و يكون هناك توازن ترموديناميكي بين المعدن و الوسط و بالتالي هنالك تشريد للشوارد المعدنية و لإلكترونات ، لكن في حال كان الأوكسيد المشكل للطبقة الرقيقة ناقلاً كهربائياً فإنه يحوي غيمة إلكترونية أيضاً ، و الالكترونات غير المرتبطة يمكن أن تنتقل عبر طبقة الأوكسيد إلى السطح . و عند درجات حرارة مرتفعة ووجود O2 و الالكترونات و تقدم درجة الحرارة العالية الطاقة الكافية لحصول التفاعل : O2 + 2e- →O -2و يعادل هذه الشاردة شاردة معدنية ويفصل بينهما طبقة الأوكسيد .

• و في حال كان معامل الانتشار جيداً أي أن الأوكسيد

يسمح للشوارد بالعبور ضمنه و يسمح أيضاً لشوارد
O-2 بالعبور ضمنه (مثل أوكسيد الحديد) فبالعبور يتم

الالتقاء M+2 + O-2 →MO

    و تتشكل طبقة أوكسيد لا تختلف عن الطبقة السابقة أي 
    تنموا طبقة الأوكسيد و تزداد سماكتها مع الزمن .

• أما في حال كان معامل الانتشار غير جيد فتتوقف العملية (أوكسيد الألمنيوم). • يتم التفاعل حسب سرعة الحركة فإذا كانت O-2 أسرع فيتم التفاعل على السطح الفاصل أوكسيد-معدن . أما إذا كان معامل الانتشار للشوارد أكبر فالتفاعل يتم على السطح الخارجي أو يتم ضمن طبقة الأوكسيد إذا كان لكل منهما سرعة انتشار . • أوكسيد التيتانيوم ناقل جيد للتيار لكن معامل الانتشار له رديء و لا يسمح بانتقال الشوارد ضمنه .

[تحرير] العوامل المؤثرة على التآكل الغازي

1) الألفة للأوكسجين :

أي إمكانية تفاعل الأوكسجين مع المركب ، مثل سطح الفولاذ الذي توجد عليه كافة مكونات الفولاذ فلا تلعب العناصر نفس التفاعل مع O2 فهنالك عناصر لها شراهة أكبر للتفاعل مع الـ O2 و هذا مرتبط بـ : ∆G = ∆H – T. ∆S 
∆G سلبية ← سرعة التفاعل أكبر M + 1/2 O2 →MO   + ∆G

و قسمت الألفة للأوكسجين حسب طاقة التفكك : 2Fe + O2 ↔ 2 FeO 4/3 Fe + O2 ↔2/3 Fe2O3 3Fe + 2O2¬¬↔ Fe3O4 يعتمد المبدأ على حساب الطاقة التي تنتج( 1 mol )من الأوكسجين و بما أن القيمة الكبيرة هي ∆H لذلك يمكن إهمال قيمة ∆S . و يتم تقسيم العناصر إلى أربعة مجموعات حسب الألفة للأوكسجين بدءاً من المعادن النبيلة و حتى المعاد ذات الشراهة الكبيرة للأوكسجين كالتالي : أ‌- معادن نبيلة ←∆H صغيرة ←∆G صغيرة تفككها سهل ∆H<50 Kcal/Mol . ب‌- معادن ذات إلفة صغيرة للأوكسجين 50 <∆H <130 . ت‌- معادن ذات إلفة قوية للأوكسجين ∆H <200 130 < . ث‌- معادن ذات إلفة قوية جداً للأوكسجين ∆H >200 . و هذا العامل ليس أساسي و حاسم .

2) عامل التغير الحجمي (معامل بيلينغ بدنورت) : نقوم بأكسدة (1сm3) من المعدن و ندرس تغيرات الحجم و هل حجم الأوكسيد أكبر أم يساوي أم أصغر من حجم المعدن ، فإذا كان أصغر فإن حجم هذه الطبقة يتقلص و تحدث تشققات على السطح حتى تأخذ الطبقة الحجم الجديد و بالتالي يتعرض السطح الداخلي لعملية الأكسدة و تستمر عملية التآكل و هذه الطبقة لا تؤمن الحماية ox  : رمز الأوكسيد ، m : رمز المعدن ،n : عدد ذرات المعدن في الأوكسيد مثلاً Al2O3 ←n =2 فعندما يكون R<1 ←الأوكسيد أصغر من المعدن .

                R>1 ←الأوكسيد أكبر من المعدن و بالتالي يحدث انخلاع أو تقشر لطبقات الأوكسيد .

و بالتالي حتى تؤمن طبقة الأوكسيد الحماية فهنالك عامل أساسي حيث يجب أن يكون R>1 لكن هذا العامل ليس هو كل شيء فمثلاً( R=1.59 ) للبيريليوم تؤمن الحماية بينما لا تؤمن الحماية للفضة من الأكسدة . 3) معامل الناقلية الكهربائية و انتشار الشوارد : إن لم تكن طبقة الأوكسيد تنقل التيار الكهربائي أي لا تسمح بمرور e- عبرها مثل الألمنيوم فلا تسمح هذه الطبقة باستمرار التآكل الغازي و و إلا فتكون عملية اتآكل عملية مستمرة . و إذا لم تنتقل الشاردة المعدنية M+2 أو شاردة الأوكسجين O-2 أيضاً لا تستمر العملية (أوكسيد التيتانيوم ) حيث أن أوكسيد التيتانيوم ناقل جيد للكهرباء لكنه غير ناقل للشوارد مما يؤدي لتوقف عملية التآكل الغازي أي معامل انتشار الشوارد فيه بطيء .


x : محور الدراسة ، Bi : حركية الجزيئات و لها علاقة بمعامل الانتشار Di = Bi.K.T Di : معامل الانتشار و يزداد بازدياد درجة الحرارة ، N : عدد أفوغادرو ، e : الشحنة ، Ci : التركيز ، Z : التكافؤ الكهربائي (سالب للأنود و موجب للكاتود) ، iμ : الكمون الكيميائي .

4) التصاقية الأوكسيد بسطح المعدن : بعد تشكل الأوكسيد هل زادت قوة الالتصاق ما بين سطح المعدن و الأوكسيد أم لا ، و زيادة الالتصاقية حتى لو كان ( R >>1 ) لا تسمح لطبقة الأوكسيد بالانخلاع و تعمل نوعاً من التراص مما يؤمن نوعاً من الحماية لسطح المعدن . 5) معامل تمدد كل من الأوكسيد و المعدن : في حال تناوب التسخين و التبريد المتناوب و في حال كان معامل التمدد لكل منهما مختلفاً فإن ذلك يؤدي إلى الانفصال بين طبقة الأوكسيد و المعدن مع الأخذ بعين الاعتبار العوامل الأخرى ، أي أن الأوكسيد يتمدد بدرجة أكبر أو أصغر من المعدن و بالتالي ينفصل الأوكسيد عن المعدن و بالتالي لا تؤمن طبقة الأوكسيد استمرار الحماية ، و إذا كان معامل التمدد للأوكسيد و معامل التمدد للمعدن متقاربين فليس هنالك مشكلة .

6) مرونة طبقة الأوكسيد : هل طبقة الأوكسيد مرنة تتحمل التغيرات أم أنها تتكسر عند أي تغير ، ففي حال كانت غير مرنة فإنها لا تؤمن أي نوع من الحماية ، و إذا كانت مرنة يستمر وجودها و يمكن أن تؤمن حماية المعدن من استمرار عملية الأكسدة .

7) درجة حرارة تبخر أو انصهار الأوكسيد : إن خواص الأوكسيد تختلف عن خواص المعدن فدرجة حرارة انصهارالفانديوم هي (3500 Co ) بينما درجة حرارة تبخر أوكسيده بحدود (780 Co ) فعند تشكل الأوكسيد في درجات حرارة عمل أعلى من درجة حرارة تبخره فإن الأوكسيد يتبخر و نفقد طبقة الحماية . و درجة انصهار أوكسيد الرصاص منخفضة (200 Co ) و بالتالي في كاتم صوت السيارة مثلاً يكون الرصاص على شكل أكاسيد سائلة ذات ناقلية كهربائية عالية تسبب تآكلية عالية و تسرع التآكل العام و تقلل من عمر المعدن .

[تحرير] النتيجة

من هذه العوامل نخلص إلى تقرير هل المعدن يصلح للعمل أو لا ، كما أننا لا نستطيع الحكم من خلال عامل واحد حيث ندرس المعدن و ظروف العمل .

كيفية تواجد الأكاسيد في المعدن : • الإشابة فقط تتأكسد ، ففي حال وجود شوائب ضمن المعدن مثل النحاس الأصفر (zu+cu) فإن سرعة أكسدة النحاس الأصفر تختلف عنها للنحاس ، و عندما يتأكسـد الزنك يكون لدينا ( نحاس + أوكسيد الزنك ) أي معدن مشرب بالأوكسيد . • الأكسدة الداخلية مثل الذهب المشوب بالفضة حيث أن الفضة سريعة الأكســدة بينما لا يتأكسد الذهب ونحصل على أوكسيد الفضة . • كلا المعدنين يتأكسد مثل الفولاذ (Fe, Ni, Cr ) حيث أن كامل المجموعــــة تتأكسد أي ننتقل من خليطة معدنية إلى خليطة من الأكاسيد المعدنية . • المعدن يتأكسد دون الإشابة حيث نحصل على أوكسيد معدن مخلوط مع المعدن .

[تحرير] طرق تقييم التآكل الغازي و حركيته

و هي ترتبط بشكل أساسي بالتفاعل : • الحركية خطية : العلاقة من الدرجة الأولى . • الحركية قطعية :العلاقة من الثانية ، التآكل شديد في البداية ثم يثبت و هذه الحالة تمثل معظم الحالات . • الحركية لوغاريتمية : العلاقة لوغاريتمية أي سرعة الأكسدة عالية جداً كما في معدن الألمنيوم . • الحالة السلبية : الأكاسيد المتشكلة متبخرة فهنالك عملية نقص ( تقشر مثلا ً) .





[تحرير] طرق التقييم

1. الطريقة الحجمية : عندما يتم امتصاص الأوكسجين و بالتالي يقل حجمه عند تشكل الأوكسيد حيث يتغير حجم الأوكسجين المــــوجود و نستدل على ذلك بواسطة الضغط P.V=n.R.T بينمــــــا تعتمد الطريقة الحجمية لتقييم التآكــــــل الكهركيميائي على التفاعل الذي يكون أحد منتجاته غاز حيث تعتمد على حجم الغازات المتشكلة عن هذا التفاعل .





2. الطريقة الوزنية : عن طريق وصل العينة مع ميزان دقيق نحصل على تغير الوزن بشكل دقيق ، تشبه هذه الطريقة الطريقـــة الوزنية بالنسبة للتآكل الكهركيميائي ، حيث يستخــــدم فرن على شكل حلقة يتم رفعها أو إنزالها لضبط درجة الـــحرارة .