تأثیر تغییرات اقلیمی بر خواص آلیاژهای استیل

در پی تشدید تغییرات اقلیمی مانند افزایش دما درسطح جهانی، نوسانات شدید آب و هوایی، تشدید رطوبت و بارش‌های اسیدی، همه چیز در این کره خاکی تحت تاثیر قرار می‌گیرند. بدیهی است خواص فیزیکی، مکانیکی و خوردگی آلیاژهای استنلس استیل نیز به نحوی تحت تاثیر تغییرات اقلیمی قرار می‌گیرند. نوسانات رطوبتی، همراه با افزایش غلظت CO₂ و آلاینده‌هایی مانند SO₂ و NOₓ، شرایط مناسب برای خوردگی گاز کربنیک و باران اسیدی را فراهم می‌آورد و لایه‌ی غیرفعال اکسیدکروم روی سطح فولاد ضدزنگ را تخریب می‌کند. در ادامه این مطلب به بررسی این موضوع می‌پردازیم که چگونه تغییرات اقلیمی می‌توانند در خواص استنلس استیل تاثیرگذار باشند.

آیا تغییرات آب‌وهوایی خواص استیل را تغییر می‌دهند؟

در مناطق ساحلی، برخورد طولانی‌مدت استیل با اسپری نمک یا یون کلر موجود در هوا، خوردگی شیاری و حفره‌ای را شدیدتر می‌کند و نرخ خوردگی را تا 2–3 برابر افزایش می‌دهد. علاوه بر این‌ها، تغییرات اقلیمی نحوه انتخاب آلیاژ و نیاز به راهبردهای حفاظتی مؤثر را دگرگون ساخته است؛ به طوری که امروزه توجه ویژه‌ای به آلیاژهای استیل داپلکس (Duplex) می‌شود. بدیهی است آلیاژهای فولاد معمولی در این محیط‌ها به سرعت دچار خوردگی می‌شوند و خواص خود را از دست می‌دهند. در این محیط‌ها استفاده از آلیاژهای فولادی تنها با استفاده از پوشش‌هایی مانند رنگ‌ها و پوشش‌های ضد زنگ و یا پوشش‌های گالوانیزه امکان پذیر است. هر چند همین پوشش‌ها نیز در اثر خراشیدیگی مقاومت خود را از دست می‌دهند و از محل بدون پوشش، خوردگی آغاز می‌شود. اما این موضوع در استنلس استیل متفاوت است. آلیاژهای استنلس استیل با مقاومت بالا در برابر خوردگی و قابلیت استفاده در شرایط مختلف محیطی، می‌توانند نقشی موثر در افزایش دوام سازه‌ها داشته باشند.

معرفی آلیاژهای استنلس استیل

آلیاژهای استنلس استیل با حداقل 10.5٪ کروم، یک لایه نازک و نامرئی از اکسید کروم (Cr₂O₃) روی سطح تشکیل می‌دهند که از تماس اکسیژن و یون‌های مهاجم با آهن جلوگیری می‌کند. این لایه غیر فعال است و در شرایط پایدار مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی دارد. اما تحت تأثیر عوامل محیطی شدید یا چرخه‌های حرارتی، ممکن است این لایه دچار تضعیف، رشد نامتوازن و تشکیل حفره‌های بسیار ریز شود که باعث شروع خوردگی می‌شود.

تأثیر گرمایش زمین بر خوردگی و دوام آلیاژهای استنلس استیل

برخی از تغییرات اقلیمی بر خواص استیل تاثیر چندانی ندارند چرا که استیل برای محیط‌هایی با شرایط سخت‌تر طراحی شده‌است. افزایش دمای کره زمین (Global warming) تاثیری بر خواص آلیاژهای استنلس استیل ندارد. خواص این آلیاژها اغلب در دماهای بسیار بالا شروع به تغییر می‌کند و در دمایی کم بالاتری از دمای محیط تغییری در دوام استنلس استیل مشاهده نمی‌‌شود. به همین دلیل می‌توان گفت گرمایش زمین تاثیر چندانی بر دوام استنلس استیل ندارد.

عوامل اقلیمی مؤثر

عوامل متغیر اقلیمی تنها در افزایش دمای زمین خلاصه نمی‌شود. در هر قسمت از کره زمین، شرایط محیطی و تعاملات محیط‌ زیستی متفاوت است و همین عوامل سبب شده‌اند تا این تغییر شرایط اهمیت زیادی پیدا کند.

• رطوبت و نوسانات آن: رطوبت بالا می‌تواند مقاومت به خوردگی فلزات را تحت تاثیر قرار دهد. اکثر گریدهای استیل از این قاعده مثتثنی هستند چرا که به لطف ترکیب شیمیایی و ریزساختار میکروسکوپی، مقاومت بسیار خوبی در برابر رطوبت دارند. برخی از این گریدها نیز با نام استیل دریایی شناخته می‌شوند و در شرایطی با رطوبت شدید و وجود عناصر خورنده، مقاومت کرده و دوام بیشتری از خود نشان می‌دهند. تجمع موادی در نقش الکترولیت روی سطح و خوردگی کلریدی سبب ایجاد عیوبی درسطح استیل می‌شود. نمک (NaCl) به‌عنوان الکترولیت قوی عمل کرده و سبب خوردگی شیاری و حفره‌ای می‌شود. تست‌های حمام نمک نشان داده که در این شرایط، نرخ خوردگی می‌تواند تا 3 برابر افزایش یابد.
• گاز CO₂ و آلاینده‌های جوی: افزایش غلظت CO₂ و آلاینده‌ها باعث کاهش pH لایه مرطوب روی سطح و تسریع خوردگی گاز کربنیک و شرایط اسیدی می‌گردد. وجود این گازها می‌توانند سبب باران‌های اسیدی نیز بشوند. در حضور Co₂ لایه‌ی رطوبت روی سطح، اسیدی می‌شود و یون‌های کروم و آهن آزاد می‌شوند، به‌گونه‌ای که نرخ خوردگی با هر 6 درجه سانتی‌گراد افزایش دما تقریباً دو برابر می‌شود.
• باران اسیدی (SO₂ و NOₓ): قطرات باران اسیدی با واکنش شیمیایی کروم را از لایه غیرفعال می‌شویند و خوردگی یکنواخت و فرسایشی را افزایش می‌دهند. سولفوریک و نیتریک اسید در باران اسیدی، با کاهش pH و حل کردن کروم لایه غیرفعال، سرعت آزاد شدن یون‌ها را افزایش می‌دهد؛ آزمایش‌ها نشان داده‌اند که در 304L، باران اسیدی منجر به از بین رفتن دائمی پسیواسیون می‌شود. خوردگی ناشی از باران اسیدی در مناطق صنعتی تا 10 برابر سریع‌تر از مناطق روستایی رخ می‌دهد که نیاز به آلیاژهای ویژه یا پوشش‌های مقاوم‌تر را ایجاب می‌کند. در این شرایط استفاده از استیل 316 می‌تواند طول عمر سازه‌ها را افزایش دهد.

تأثیر نوسانات دمایی بر خواص مکانیکی

چرخه‌های شدید گرمایش و سرمایش منجر به پیدایش تنش‌های داخلی در شبکه کریستالی و تغییرات فاز می‌شوند. تغییر در ریزساختار می‌تواند بر خواص خوردگی و استحکام این آلیاژها تاثیرگذار باشد. مطالعات در این زمینه نشان داده‌اند که در محدوده 300 تا 550 درجه سانتی‌گراد، بدون تغییر در مقاومت نهایی کششی میزان قابلیت تغییر شکل کاهش می‌یابد. هر چند در محیط‌های غیر صنعتی دما بسیار کمتر است اما باید این تغییرات در خواص را برای محیط‌های صنعتی نیز مد نظر قرار داد.

نقش عناصر آلیاژی

عناصر آلیاژی موجود در ریزساختار استیل می‌تواند سبب پدید آمدن خواص مختلفی در آن شود. در ادامه مهم‌ترین عناصر آلیاژی موجود در ریزساختار ذکر شده‌است.

• کروم (Cr): افزایش کروم تا 20–25٪، ضخامت لایه اکسیدکروم را زیاد و مقاومت به خوردگی را بهبود می‌بخشد.
• نیکل (Ni): پایداری فاز آستنیتی را افزایش داده و مقاومت در برابر اسیدهای ضعیف را بالا می‌برد.
• مولیبدن  (Mo): افزودن مولیبدن به ساختار استیل می‌تواند مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای را افزایش دهد. علاوه بر این در محیط‌های تحت تنش نیز، مولیبدن می‌تواند تاثیر چشمگیری در مقاومت به ترک خوردگی تنشی را بهبود بخشد. گریدهای استیل 316 و داپلکس 2205 گریدهای دارای مولیبدن هستند.

اقداماتی در جهت کاهش اثر تغییرات اقلیمی

به منظور جلوگیری از تاثیر این تغییرات بر خواص استنلس استیل، می‌توان موارد زیر را رعایت کرد. هرچند برخی از این روش‌ها بیشتر برای آلیاژهای فولادی استفاده می‌شود چرا که این آلیاژها مقاومت خوبی در برابر رطوبت ندارند.

1. پوشش‌های محافظ: پوشش‌های سرامیک-پلیمری و پوشش‌های حرارتی پاششی (Thermal Spray) می‌توانند کاهش خوردگی بیش از 90٪ را تضمین کنند.
2. حفاظت کاتدی و آندی: استفاده از سیستم‌های حفاظت کاتدی با جریان کنترل‌شده و آندهای فداشونده در سازه‌های دریایی و زیرزمینی تا 85–90٪ نرخ خوردگی را کاهش می‌دهد.
3. انتخاب آلیاژ مناسب: برای شرایط باران اسیدی و چالش‌های ساحلی، آلیاژهای 316L، داپلکس و سوپرآستنیتی با مقادیر بالای مولیبدن و نیتروژن توصیه می‌شوند.

سخن آخر

تغییرات اقلیمی با تشدید دما، رطوبت و آلاینده‌ها چالش‌های جدیدی در حفاظت و طراحی قطعات استنلس استیل ایجاد کرده است. فهم دقیق مکانیسم‌های خوردگی، پایش شرایط محیطی و بهره‌گیری هوشمندانه از آلیاژها و پوشش‌های نوین، می‌تواند ضمن کاهش هزینه‌های نگهداری، دوام و ایمنی سازه‌ها را در دهه‌های آینده تضمین نماید.