التآكل مقابل الأكسدة مقابل الصدأ: ما هي الاختلافات الرئيسية؟

التآكل مقابل الأكسدة مقابل الصدأ

تُعدّ نتائج تصنيع المعادن مثيرةً للاهتمام، لما تتضمنه من تنوّع في الأجزاء والمكونات، إلا أنها لا تخلو من بعض التحديات. ومن أبرز المشكلات التي تواجه المصنّعين مسألة التمييز بين التآكل والأكسدة والصدأ. أيّها التآكل، وأيّها الصدأ، وما هي الحلول؟

التآكل هو تدهور المعادن والمواد الأخرى نتيجة التفاعلات الكيميائية في البيئة. وعندما تحدث هذه العملية للحديد وسبائكه، تُسمى الصدأ. أما الأكسدة فتحدث عندما تفقد المادة إلكترونات بوجود الأكسجين. 

تؤثر هذه التغيرات في المعادن بشكل كبير على وظائف وأداء ومظهر الأجزاء. ويُعد نوع المادة المستخدمة، وعملية التصنيع، والبيئة من العوامل التي تُسهم في الصدأ والتآكل والأكسدة. 

تستعرض هذه المقالة هذه التدهورات المعدنية، مع التركيز على محفزاتها والمواد المتأثرة وآليات الوقاية والاختلافات الرئيسية. 

 

ما هي الأكسدة؟

الأكسدة على المعادن هي تفاعل كيميائي يفقد فيه المعدن إلكترونات لعنصر آخر. هذا التفاعل أساسي في العديد من العمليات الصناعية. تُسهم الأكسدة في العديد من العمليات المفيدة في التصنيع، ولكنها تُسهم أيضًا في عمليات ضارة، مثل صدأ الفولاذ وأنواع أخرى من تآكل المعادن. 

لذلك، من المفيد فهم هذه الظاهرة، سواء من حيث كيفية حل خصائصها الوقائية لبعض المتطلبات الصناعية أو كيفية إدارة قدرتها على إتلاف المعادن في الأجزاء المصنعة باستخدام الحاسوب وغيرها من الإعدادات.

 

التفاعل الكيميائي للأكسدة 

تُعرف حالة تأكسد المعدن بأنها تعرضه للأكسجين. ويتضمن ذلك فقدان المعدن للإلكترونات، كما هو الحال في المغنيسيوم. 

2 Mg + O2 → 2 [Mg2+][O2-], 

والتي يمكن كتابتها في جزأين كما يلي،

Mg → Mg2+ + 2 e-

O2 + 4 e- → 2 O2-

في بيئات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC)، تحدث الأكسدة بشكل منتظم مع مختلف المعادن القابلة للتشغيل، بما في ذلك الألومنيوم والحديد والصلب. وتتأكسد كل من هذه المواد بمعدلات مختلفة بناءً على ظروف التشغيل وإعدادات الإلكترونات. 

يوضح التمثيل الكيميائي لهذه الظاهرة سبب احتياج كل معدن إلى استراتيجية حماية محددة. برولين تكتُعد قابلية التأكسد أحد الاعتبارات الحاسمة عند إنتاج أجزاء التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC). 

 

أمثلة على الأكسدة 

يحدث تأكسد المعادن بطرق مختلفة في التفاعلات اليومية معها. فعلى الفضة، يظهر التفاعل الكيميائي على شكل طبقة سوداء باهتة على الأجزاء المعدنية. يتأثر الألومنيوم بالأكسدة، مكوناً طبقة رمادية باهتة من أكسيد الألومنيوم. في الطبيعة كساء أثناء هذه العملية، يتشكل حاجز وقائي ويمنع حدوث المزيد من الضرر. 

تخميل الألمنيوم

ستجد أيضًا الأكسدة على الأجزاء المصنوعة من الفولاذ والحديد على شكل طبقة بنية محمرة. يشكل المغنيسيوم، الذي تم توضيح تفاعله الكيميائي أعلاه، طبقة مسحوقية رمادية بيضاء. بصرف النظر عن الاختلافات في المظهر، فإن لهذه الأكسدة تأثيرات متنوعة على وظائف الأجزاء وعمرها الافتراضي. 

تعريف التآكل

التآكل هو التدهور البطيء للمعادن الناتج عن المواد الكيميائية والكائنات الدقيقة والرطوبة والأكسدة والاتصال بمعادن مختلفة. إن التآكل أوسع نطاقاً من عملية الأكسدة بنقل الإلكترونات الموصوفة أعلاه، إذ تتداخل فيه عوامل بيئية وغيرها من العوامل المتعددة. وتتضافر هذه العوامل لتسريع عملية تحلل المعدن. يُعد هذا التمييز مهمًا لأنه على الرغم من وجود الأكسدة في جميع عمليات التآكل، إلا أنها ليست بالضرورة مدمرة. فبعض عمليات الأكسدة مفيدة في خدمات الصفائح المعدنية. 

 

ما هما نوعا التآكل؟ 

أكثر أنواع التآكل شيوعاً في الأجزاء المصنعة باستخدام آلات CNC هي التآكل الجلفاني والتآكل النُقري. ومع ذلك، توجد أنواع أخرى من التآكل، كما هو موضح هنا؛

• شق 
• بين الحبيبات 
• هجوم موحد
• التآكل والتآكل
• التآكل البيولوجي
• التصدع الناتج عن الإجهاد والتآكل 
• الترشيح الانتقائي

يعتمد نوع التآكل على البيئة ونوع تركيبة المادة. ويؤثر كل نوع على المعدن من خلال آلية مختلفة. 

سنتناول المزيد من التفاصيل حول الآليات لاحقاً.

التآكل الجلفاني 

يحدث التآكل الجلفاني عندما يتعرض نوعان من المعادن لبيئة أكالة. يتشكل فرق جهد كهربائي بين قطبين كهربائيين، مما يؤدي إلى التآكل. ويحفز الاتصال الكهربائي بين هذين المعدنين المعدن الأكثر نشاطًا ليصبح المصعد (الأنود). 

التآكل الجلفاني 

يظهر هذا النوع من التآكل بوضوح عند استخدام مسامير فولاذية لتثبيت ألواح نحاسية، على سبيل المثال لا الحصر. توجد حلول عديدة لمكافحة التآكل الجلفاني، ولكن أنجعها تجنب استخدام معادن مختلفة.   

تأليب التآكل

يُعدّ التآكل النُقري نوعًا من أنواع التآكل يُحدث ثقوبًا في المعدن، لا سيما إذا كان المعدن مُغطى بطبقة أكسيد واقية. ويُعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ عرضةً بشكل خاص لهذا النوع من التآكل. غالبًا ما يبدأ هذا التآكل المُدمّر بفعل عوامل ثانوية، مثل التآكل الشقوقي، والخدوش، أو التآكل الكيميائي. 

تآكل شق

تآكل شق

يرتبط تآكل الشقوق بتآكل موضعي في شقوق الوصلات المتداخلة. وعندما تتعرض هذه المنطقة لبيئات أكالة، قد يحدث التآكل. كما أن الأجزاء المعدنية المحمية جزئيًا معرضة أيضًا لتآكل الشقوق. 

تآكل بين الخلايا الحبيبية

تآكل بين الخلايا الحبيبية

قد تستنزف حدود الحبيبات في المعدن الشوائب أو تحتوي عليها، وهي تغيرات قد تؤدي إلى التآكل بين الحبيبات. هذا النوع من التآكل شائع في الفولاذ المقاوم للصدأ الملحوم. كما أن المعالجة الحرارية قد تزيد من هذا التآكل. 

هجوم موحد (تآكل)

في التآكل المنتظم، يتعرض سطح المادة بأكمله لهجوم تآكلي منتظم إلى حد كبير. ينشأ هذا النوع من التآكل من منطقتي الكاثود والأنود الملامستين للإلكتروليت، ويتغير باستمرار. 

التآكل والتآكل

يحدث التآكل الناتج عن الاحتكاك عندما يتدفق المحلول الإلكتروليتي بسرعة عالية، مما يخلق بيئة كاشطة تزيد من التآكل. ويزداد التآكل سوءًا إذا احتوى المحلول الإلكتروليتي على مواد صلبة. ولهذا السبب، تتميز بعض المعادن بسرعات عتبية محددة للمحلول الإلكتروليتي. 

التآكل البيولوجي

قد ينشأ تآكل المعادن أيضاً من عناصر بيولوجية. ويمكن أن يكون هذا التآكل إما تآكلاً ناتجاً عن الكائنات الحية الدقيقة أو تأثيرات التلوث البيولوجي الكبير. 

تكسير التآكل الناتج عن الإجهاد

يُلاحظ حدوث تشققات ناتجة عن تآكل الإجهاد في بعض السبائك عند استيفاء أي من الشروط التالية:  

• بيئة أكالة
• التركيب المعدني 
• هيكل معدني
• إجهاد الشد
• درجة الحرارة 

يُعدّ تشقق التآكل الناتج عن الإجهاد شائعًا في الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النحاس الأصفر. 

الترشيح الانتقائي (إزالة السبائك)

الترشيح الانتقائي

يحدث التآكل الناتج عن الترشيح الانتقائي في المعادن ذات الأسطح المختلفة من الناحية المعدنية. قد تجد هذه المشكلة في النحاس الأصفر، وهو سبيكة من النحاس والزنك. عند تعرضه لبيئة أكالة، يمكن أن يتآكل الزنك تاركًا النحاس خلفه، مما يؤدي إلى تغير اللون. 

آثار التآكل 

تتأثر أرباح الشركات سلبًا بالتآكل الناتج عن ضعف السلامة، وانخفاض موثوقية الأداء، وقصر عمر المكونات، وانخفاض مستوى الموثوقية. ويبقى خطر التعطل المفاجئ للأجزاء أو المكونات قائمًا. ويمكن التخفيف من هذه المخاطر من خلال التطبيق السليم لـ تشطيبات الصفائح المعدنية وغيرها من المعالجات للأجزاء المعدنية. 

إن وجود هذه الآثار يُعدّ خطيراً بالفعل، ولكن ما يثير القلق أكثر هو تفاقمها مع مرور الوقت. قد تبدأ المشكلة كعيب سطحي بسيط، ولكن في غضون بضعة أشهر، تتفاقم لتصبح انهياراً هيكلياً خطيراً، كما شُوهد في الجسور وغيرها من المنشآت. 

تآكل في جسر

المواد التي تتعرض للتآكل 

يمكن أن تتآكل جميع المعادن والسبائك، لكن معدل وشدة التآكل يعتمدان على البيئة، وتفاعل المعدن، والتركيب الكيميائي للمعدن. بينما المعادن المقاومة للتآكل على الرغم من أن البلاتين والذهب يتمتعان بمقاومة استثنائية، إلا أن الزنك والمغنيسيوم من بين أكثر المعادن عرضة للتآكل. ويمكن تحديد هذه المقاومة المتفاوتة أو التنبؤ بها من خلال جهد قطب المعدن. 

يُعد جهد القطب مقياسًا يُستخدم في الكيمياء الكهربائية ونظرية التآكل. وهو مقياس لقدرة المادة على فقدان أو اكتساب الإلكترونات في التفاعل الكهروكيميائي. 

يوجد أدناه جدول يوضح جهود الأقطاب الكهربائية لبعض المعادن الشائعة التي يتم تشكيلها باستخدام آلات CNC.

معدن	جهد القطب
الماغنسيوم	-2.37
المنيوم (Al)	-1.66
الزنك (الزنك)	-0.76
الحديد (الحديد)	-0.44
الفولاذ (الفولاذ الكربوني، حديد تقريبًا)	-0.44
نيكل (ني)	-0.25
تيتانيوم (Ti)	-0.17
النحاس (النحاس)	0.34+
الفولاذ المقاوم للصدأ (سبيكة الحديد والكروم والنيكل)	+0.40 (تقريبًا)
النحاس الأصفر (سبيكة النحاس والزنك)	+0.45 (تقريبًا)

 

كيفية منع التآكل

الوقاية الفعالة من التآكل في عمليات تصنيع الصفائح المعدنية يتضمن ذلك مزيجًا من الاستراتيجيات، معظمها تقنيات الحماية الكهروكيميائية، واختيار المواد المناسبة، واستخدام مثبطات التآكل، ومعالجات الأسطح، والتشطيبات السطحية. 

صُممت هذه الاستراتيجيات لمعالجة مراحل مختلفة من الأكسدة والتآكل. وتجمع أكثر طرق تثبيط التآكل فعالية بين استراتيجيات أخرى مع مراعاة البيئة ونوع المادة والتكلفة. 

 

الفرق بين الأكسدة والتآكل

يشير التأكسد والتآكل إلى عمليات كيميائية متميزة ذات تأثيرات مختلفة على الأجزاء المصنعة باستخدام آلات CNC نظرًا لنوع العملية والقدرة على الحماية وإمكانية عكسها. 

فيما يلي الاختلافات الرئيسية في جدول المقارنة:

العنصر	أكسدة	تآكل
تعريف	تفاعل كيميائي يتضمن الأكسجين	التدهور المدمر للمعادن
المواد المتأثرة	جميع المعادن	معادن محددة وسبائكها
التأثير على المادة	ضار أو وقائي	غالباً ما يؤدي ذلك إلى تدهور المادة
مقلوبية	يمكن عكس ذلك أحيانًا	ضرر لا رجعة فيه
سرعة	يمكن أن تكون سريعة أو بطيئة	التدهور البطيء عادةً
مثال	طبقة أكسيد الألومنيوم	صدأ الفولاذ
الحماية	يمكن أن يوفر حاجزًا واقيًا	يتطلب الحماية

 

ما هو الصدأ؟

الصدأ هو تآكل حصري للحديد أو المعادن المحتوية على الحديد، وينتج عنه تكوّن أكسيد الحديد بعد تفاعل الحديد مع الماء والأكسجين. الصدأ عملية تدريجية وغير قابلة للعكس، ولذلك يُنصح دائمًا بالوقاية بدلًا من المعالجة. 

 

ثلاثة أنواع من الصدأ

يمكن أن يظهر الصدأ بثلاثة أشكال مختلفة: الصدأ الأسود، والصدأ الأحمر، والصدأ الأصفر. يتميز كل نوع بمظهره ومستوى خطورته وطريقة تكوينه. 

الصدأ الأسود

صدأ أسود

الصدأ الأسود عبارة عن طبقة رقيقة من أكسيد الحديد الثنائي (Fe3O4)، تتشكل في البيئات منخفضة الأكسجين. عادةً ما يتكون هذا الصدأ على المعدن إذا كان مغطى بنوع من الغطاء الذي يمنع التآكل السريع. 

الصدأ الأحمر

الصدأ الأحمر هو أكسيد مائي Fe2O3•H2O، يتكون في البيئات المعرضة لمستويات عالية من الأكسجين والماء. ويكون التآكل منتظماً، كما هو موضح في الصورة أدناه.

الصدأ الأحمر

الصدأ الأصفر

يتكون الصدأ الأصفر أو أكسيد-هيدروكسيد الحديد FeO(OH)H2O في الأماكن الرطبة. ستجده غالباً حول المياه الراكدة. 

الصدأ الأصفر

هل الصدأ تغير كيميائي؟ 

نعم، الصدأ هو تغير كيميائي يحدث عند تعرض الحديد أو سبائكه للرطوبة والأكسجين. في هذه العملية البطيئة غالباً، ترتبط ذرات الحديد بذرات الأكسجين لتكوين أكاسيد الحديد. ونتيجة لذلك، تضعف روابط ذرات الحديد. 

أولاً، يتفاعل الحديد مع الأكسجين ويفقد إلكترونات. وجود الماء يعزز هذه العملية. يتبع ذلك تكوين هيدروكسيدات الحديد. إذن، ما هو أكسيد الحديد؟ عند فقدان الماء (التجفيف)، تتحول هيدروكسيدات الحديد إلى أكاسيد، على سبيل المثال، Fe₂O₃، والتي تظهر على شكل صدأ بني محمر. 

التفاعل الكيميائي العام لتكوين الصدأ هو:

4Fe+3O2​+6H2​O→4Fe(OH)3​

ثم يجف ويفقد الماء ليشكل أكسيدًا كما هو موضح أدناه:

4Fe(OH)3​→2Fe2​O3​⋅3H2​O+3H2​O

 

كيف يحدث الصدأ بناءً على الظروف؟ 

يتشكل الصدأ ويتسارع في ظل ظروف خاصة، بما في ذلك الرطوبة، ووجود الأكسجين، ودرجة الحرارة، والبيئة، وظروف السطح.

توافر المياه (الرطوبة)

بيئة رطبة

يُعد الماء إلكتروليتًا مهمًا في تكوين الصدأ. فهو يحتوي على تفاعلات الأكسدة والاختزال اللازمة لحدوث الصدأ. 

وجود الأكسجين

يُعدّ الأكسجين عنصراً أساسياً في عملية الصدأ. وتُعتبر المناطق الأكثر تهوية هي الأكثر خطورة نظراً لوفرة الأكسجين فيها. 

درجة الحرارة 

تلعب درجة الحرارة دورًا حاسمًا في الصدأ. عمومًا، تعمل درجات الحرارة المرتفعة على تسريع التفاعلات الكيميائية، بما في ذلك الصدأ. 

البيئة 

تعزز كل من الظروف البيئية الحمضية والقلوية الصدأ، لكن الظروف الحمضية تفعل ذلك بقوة أكبر.  

حالة السطح

يمكن أن تتراكم الرطوبة على الأسطح المتسخة، مما يزيد من احتمالية الصدأ. كما أن وجود الحطام أو حتى تصميم السطح نفسه قد يشجع على تراكم الرطوبة. 

 

المواد الأكثر عرضة للصدأ

يحدد التعرض والميل إلى الصدأ كيفية تأثيره على المادة. 

باختصار، إليكم قائمة بالمواد الأكثر تأثراً: 

• الفولاذ الكربوني (وخاصة الفولاذ منخفض الكربون)
• الحديد المطاوع 
• الحديد الزهر 
• الحديد النقي 
• سبائك الصلب منخفضة ومتوسطة الكربون

يصدأ الفولاذ الكربوني

نص بديل: أنابيب فولاذية كربونية صدئة عليها صدأ ورواسب زرقاء مخضرة على أسطحها

 

ما هي المعادن التي لا تصدأ؟

تشمل المعادن التي لا تصدأ ما يلي:

• فولاذ مقاوم للصدأ
• الصلب المجلفن
• الامونيوم
• النحاس 
• نحاس 
• برونز 
• التيتانيوم 
• بلاتينوم 
• ذهبي 

 

كيفية منع الصدأ

يمكن أن تساعد الإجراءات العامة التالية في منع الصدأ على الأجزاء والمعدات: 

1. اغسل المعدات والآلات بانتظام 
2. ضع الأشياء في مكان جاف
3. عمليات فحص دورية للمعدات المعرضة للصدأ
4. استخدام مواد مقاومة للتآكل مثل الصفائح المعدنية المجلفنة
5. معدات الطلاء أو التغطية 
6. استخدام مواد مجففة
7. تشحيم الأجزاء المتحركة
8. تطبيق مثبط الصدأ

 

هل الصدأ هو نفسه التآكل؟

لا، وفهم الفرق بين التآكل والصدأ أساسي للتمييز بين هذين المصطلحين. الصدأ نوع من التآكل يصيب الحديد وسبائكه. بعبارة أخرى، التآكل مصطلح عام يشير إلى التدهور التدريجي الذي تتعرض له المعادن من خلال التفاعلات الكيميائية أو الكهروكيميائية.

 

هل يمكن تسمية الصدأ بالأكسدة؟

نعم، يمكن تسمية الصدأ بالأكسدة. تحديداً، هي أكسدة الحديد أو سبائكه لتكوين أكاسيد الحديد. 

 

جدول مقارنة: التآكل مقابل الأكسدة مقابل الصدأ

إليكم جدول مقارنة لعناصر مختلفة من التآكل مقابل الأكسدة مقابل الصدأ. 

العنصر	تآكل	أكسدة	Rust
تعريف	تدهور المعادن بسبب التفاعلات الكيميائية	فقدان الإلكترونات من مادة ما	تآكل الحديد وتكوين الأكاسيد.
الآثار	فقدان السلامة الهيكلية	تغيرات في تركيب المواد	تكوّن شظايا بنية محمرة
المواد المتأثرة	جميع المعادن	المعادن واللافلزات	الحديد وسبائك الحديد
المتفاعلات	معدن، أكسجين، رطوبة.	أكسجين	الحديد، الأكسجين، الرطوبة.
الوقاية والمكافحة	الطلاء، الحماية الكاثودية	تجنب التعرض للأكسجين	الجلفنة والطلاء

اتصل بنا لمعرفة المزيد عن الاستراتيجيات الوقائية والحمائية ضد المشاكل المذكورة أعلاه.

في الخلاصة 

قد تتشابه الظواهر الثلاث المتعلقة بالمعادن في بعض الجوانب، ولكن كما اتضح من هذه المناقشة، لكل منها أسبابها وآثارها الخاصة. لذا، ينبغي اختيار المعادن وسبائكها المستخدمة في عمليات التصنيع باستخدام الحاسوب (CNC) والمشاريع ذات الصلة بناءً على كيفية تفاعلها مع هذه المشكلات. 

توجد أيضًا طرق لاستخدام معادن مختلفة رغم قابليتها للصدأ والتآكل والأكسدة. مع خبرائنا، يمكنك التعرف على جميع تفاصيل هذه الظواهر وكيفية التعامل معها. تواصل مع Boda لمزيد من التفاصيل و تواصل معنا اليوم!