چرا چدن در برابر خوردگی بهتر از فولاد کربنی مقاومت می کند؟?

1. خلاصه اجرایی

چدن اغلب در بسیاری از محیط های خوردگی معمولی از فولاد کربنی ساده بهتر عمل می کند زیرا شیمی و ریزساختار آن باعث ایجاد یک اثر محافظتی دوگانه: فازهای گرافیت بی اثر، سطح فلز فعال الکتروشیمیایی را کاهش می دهند, در حالی که سیلیکون در ماتریس یک لایه سطحی غلیظ از سیلیس را تشکیل می دهد که مقیاس خوردگی را مهر و موم می کند و تثبیت می کند..

این دو اثر با هم باعث کند شدن انتقال اکسیژن و یون به فلز پایه و کاهش نرخ خوردگی کلی در محیط‌های خنثی و خفیف می‌شوند..

مزیت وابسته به زمینه است: در بسیار اسیدی, به شدت کاهش می دهد, یا آلیاژهای محیطی بسیار حاوی کلرید مقاوم در برابر کربن (به عنوان مثال, فولادهای ضد زنگ, دوبلکس) یا مواد آستردار ممکن است ترجیح داده شوند.

2. پاسخ کوتاه

چدنعملکرد خوردگی بهبود یافته در مقایسه با فولاد کربنی در درجه اول است ریزساختاری و شیمیایی - گرافیت یک ماده فیزیکی را فراهم می کند, سپر توزیع شده, و سیلیکون یک فیلم فشرده غنی از SiO2 را تشکیل می دهد که مقیاس اکسید آهن متخلخل را تثبیت و سفت می کند..

این دو مکانیسم اکسیداسیون الکتروشیمیایی آهن را در بسیاری از شرایط خدمات کند می کنند.

3. شالوده متالورژی - تفاوت ترکیب و ریزساختار

ترکیبات معمولی (محدوده های نمایندگی)

دلالت: چدن نسبت به فولاد کربنی حاوی مقدار زیادی کربن و سیلیکون بسیار بیشتر است..
بسیار مهم, در چدن بیشتر کربن موجود است گرافیت فازها; در فولاد کربن از نظر شیمیایی در زمینه آهن متصل است (فریت/مروارید) یا به صورت سمنتیت.

کنتراست ریزساختاری

چدن

گره های گرافیت یا ورقه های تعبیه شده در یک ماتریس آهن (فریت/مروارید). گرافیت از نظر شیمیایی بی اثر و رسانای الکتریکی است; مورفولوژی آن (پولک در مقابل کروی) همچنین بر رفتار مکانیکی و خوردگی تأثیر می گذارد.

فولاد کربن (کم کربن / فولاد ملایم)

• ریزساختار: عمدتا فریت + مروارید (فریت = نرم, شکل پذیر α-Fe; پرلیت = آهن لایه ای + رفیق).
• محل کربن: به مقدار کم در فریت حل شده و در آن غلیظ می شود سیمانیت (رفیق) لاملا در پرلیت.
  سطح فلزی در اصل آهن پیوسته است; فاز کربن پراکنده بی اثر وجود ندارد.
• پیامدهای معمولی: سطح فلزی همگن با فعالیت الکتروشیمیایی یکنواخت; اکسیداسیون سریع ماکروسکوپی اگر محافظت نشده باشد.

4. حفاظت دوگانه در برابر خوردگی در چدن - مانع گرافیت و سیلیس (سیو) منفعل شدن

مقاومت برتر چدن در برابر بسیاری از اشکال خوردگی ناشی از دو مکانیسم مکمل است که در سطح ریزساختاری عمل می کنند.: (1) الف اثر مانع فیزیکی از فاز گرافیت, و (2) الف غیرفعال سازی شیمیایی ارائه شده توسط سیلیس (سیو) تشکیل.
این مکانیسم‌ها با هم، فرآیندهای الکتروشیمیایی را که منجر به از دست دادن فلز و افزایش عمر مفید در بسیاری از محیط‌های بیرونی و آبی می‌شوند، کند می‌کنند..

گرافیت - فیزیکی, سپر در مقیاس میکرو

• پایداری و بی اثری شیمیایی. گرافیت یک آلوتروپ بی اثر شیمیایی از کربن است.
  در شرایط معمول محیطی به راحتی اکسید نمی شود (هوا, رطوبت), بنابراین ذرات گرافیت تعبیه شده در زمینه فلزی به عنوان مکان های آندی عمل نمی کنند و به خوردگی فعال کمک نمی کنند..
• محافظ در مقیاس میکرو. در چدن ها گرافیت به صورت ورقه ای ظاهر می شود (آهن خاکستری) یا کروی ها (آهن).
  این ویژگی‌های گرافیتی در سراسر سطح و زیر سطح توزیع شده‌اند و مانند سپرهای میکروسکوپی بی‌شمار عمل می‌کنند که سطح در معرض ماتریس آهن را کاهش می‌دهد..
  با قطع تماس مستقیم بین آهن و گونه های خورنده (اکسیژن, آب, یون های کلرید), فاز گرافیت ناحیه موثر الکتروشیمیایی موجود برای اکسیداسیون را کاهش می دهد.
• اثر خالص در مقابل. فولاد کربنی. فولادهای کربنی فاقد این درونی هستند, فاز بی اثر توزیع شده; ماتریس آهن در فولادهای کربنی به طور قابل ملاحظه ای در معرض دید قرار می گیرد, بنابراین حمله اکسیداتیو به طور یکنواخت تر و تهاجمی تر روی سطح فلز انجام می شود.

سیلیکون - غیرفعال سازی شیمیایی از طریق تشکیل فیلم SiO2

• پایه الکتروشیمیایی. خوردگی آهن یک فرآیند اکسیداسیون الکتروشیمیایی است که در آن اتم های آهن الکترون های خود را از دست می دهند و گونه های اکسیدی را تشکیل می دهند..
  وجود سیلیکون در چدن مسیرهای شیمیایی را در طول این اکسیداسیون تغییر می دهد.
• اکسیداسیون ترجیحی و تشکیل فیلم. سیلیکون تمایل دارد در کنار آهن یا در برخی موارد قبل از آن اکسید شود و یک ماده متراکم تشکیل دهد, سیلیس چسبنده (سیو) فیلم روی سطح فلز.
  این لایه سیلیکا منافذ و عیوب درون اکسید آهن اولیه را پر می کند (زنگ زدگی) لایه و به خوبی به بستر می چسبد.
• خواص سد کننده SiO2. فیلم SiO2 فشرده و از نظر شیمیایی پایدار است; انتشار اکسیژن و یون های مهاجم را به فلز کاهش می دهد و در نتیجه اکسیداسیون بیشتر آهن را کاهش می دهد..
  در قرار گرفتن در فضای باز, مقیاس محافظ روی چدن اغلب یک فیلم مخلوط از اکسیدهای آهن و سیلیس است; جزء سیلیکا انسجام را بهبود می بخشد و پوسته پوسته شدن لایه زنگ را کاهش می دهد.
• در مقابل زنگ فولاد کربنی. زنگ روی فولاد کربنی معمولاً از اکسیدهای آهن متخلخل تشکیل شده است (FeO, Fe2O3, fe₃o₄) که فاقد تنگ است, ساختار چسبنده فیلم های غنی از سیلیس.
  زنگ فولاد کربنی تمایل به شکننده شدن دارد, متخلخل و با چسبندگی ضعیف, بنابراین پوسته پوسته می شود و فلز تازه را در معرض دید قرار می دهد - تولید مترقی, تسریع در خوردگی.

نحوه کار این دو مکانیسم با هم

• هم افزایی. گرافیت سطح آهن فعال موجود برای خوردگی را کاهش می دهد, در حالی که فیلم سیلیکا در جایی که آهن خورده می شود عمل می کند - باعث آب بندی و کاهش حمله الکتروشیمیایی می شود.
  اثر ترکیبی سرعت خوردگی کندتر و تشکیل مقیاس سطحی منسجم تر از فولاد کربنی ساده است..
• نتیجه عملی. در بسیاری از محیط های آبی جوی و غیر تهاجمی, چدن یک اصطبل ایجاد می کند, لایه محافظ چسبنده که نفوذ عمیق و از بین رفتن ساختار را به تاخیر می اندازد.
  به همین دلیل است که قطعات چدنی می توانند عمر طولانی را در شهرداری نشان دهند, کاربردهای معماری و بسیاری از صنایع زمانی که در معرض مواد شیمیایی بسیار تهاجمی قرار نگیرند.

محدودیت ها و ملاحظات عملی

• محیط زیست مهم است. فیلم محافظ غنی از سیلیس در محیط های خنثی تا خفیف خورنده موثر است.
  در شرایط شدید اسیدی, محیط های بسیار اکسید کننده, یا در غوطه وری مداوم در محلول های کلرید تهاجمی, مزایای غیرفعال کاهش می یابد و خوردگی می تواند ادامه یابد.
• سلول های گالوانیکی محلی. گرافیت رسانای الکتریکی است; اگر نواحی در معرض گرافیت در تماس باشند، یک الکترولیت رسانا و یک فلز آندی بیشتر وجود دارد, فعل و انفعالات گالوانیکی محلی ممکن است رخ دهد. طراحی باید از خطر گالوانیکی در مجموعه های چند فلزی جلوگیری کند.
• وضعیت سطح و پوشش ها. پوشش های محافظ, هنگامی که چدن باید در برابر مواد شیمیایی تهاجمی مقاومت کند، معمولاً آستر یا محافظت کاتدی لازم است., غوطه ور شدن طولانی مدت, یا زمانی که الزامات نظارتی نیاز به شستشوی نزدیک به صفر دارد (به عنوان مثال, سیستم های آب آشامیدنی).
  پوشش ها همچنین به حفظ مقیاس مفید غنی از SiO2 در طول دوره خدمات اولیه کمک می کنند.
• کنترل تولید. سطح سیلیکون, ترکیب ماتریس, مورفولوژی گرافیت و یکپارچگی ریخته گری (تخلخل, اجزاء) همه بر اثربخشی حفاظت دوگانه تأثیر می گذارد.
  عملکرد خوب ریخته گری و مشخصات مناسب شیمی و ریزساختار ضروری است.

5. دیدگاه الکتروشیمیایی و مکانیزم خوردگی

ناحیه فعال و سینتیک

• چگالی جریان خوردگی متناسب با ناحیه فعال الکتروشیمیایی است. در چدن, سطح آهن فعال در واحد سطح ظاهری با پوشش گرافیت کاهش می یابد - کاهش جریان آندی و نرخ تلفات خالص فلز در محیط های مشابه.
• مقاومت در برابر انتشار مقیاس: متراکم تر, مقیاس غنی از سیلیس مقاومت در برابر انتشار یونی و مولکولی را افزایش می دهد (O2, هوس, کلوچه), به طور موثر نرخ واکنش را کاهش می دهد.

ملاحظات گالوانیکی (یک هشدار)

• رسانایی گرافیت: گرافیت رسانای الکتریکی است.
  هنگامی که گرافیت در سطح قرار می گیرد و یک الکترولیت رسانا وجود دارد, سلول های گالوانیکی محلی می توانند در جایی تشکیل شوند که گرافیت به عنوان یک مکان کاتدی عمل می کند و آهن مجاور آندی می شود.. در برخی از هندسه ها این می تواند ایجاد خوردگی موضعی.
• موجودی خالص: در بسیاری از موقعیت‌های عملی، لایه محافظ و کاهش ناحیه فعال بیشتر از خطر گالوانیکی موضعی است, اما طراحی باید از پیکربندی هایی که در آن گرافیت لکه های بسیار کاتدی تشکیل می دهد که به صورت الکتریکی با فلزات کمتر نجیب کوپل شده اند اجتناب کند..

6. تولید, عوامل پردازش و سرویس که بر عملکرد خوردگی تأثیر می گذارد

• سطح سیلیکون: Si بالاتر (در محدوده ریخته گری) تشکیل قوی‌تر SiO2 را ترویج می‌کند; چدن معمولی Si ≈ 1-3 درصد وزنی در مقابل فولاد کربن ≈ 0.1-0.5 درصد وزنی.
• مورفولوژی و توزیع گرافیت: آهن (گرافیت کروی) و آهن خاکستری (گرافیت پوسته پوسته) در نحوه تقاطع فاز گرافیت با سطح متفاوت است; جریمه, فاز گرافیت به خوبی توزیع شده محافظت یکنواخت تری می دهد.
• وضعیت سطح و مقیاس: آسیاب / عملیات حرارتی, پوشش های همجوشی, و هوازدگی طبیعی بر سرعت توسعه مقیاس سودمند سیلیس/اکسید تأثیر می گذارد.
  سطوح تازه ماشینکاری شده ممکن است تا زمانی که مقیاس پایدار تشکیل شود خورده شوند.
• تمیزی و تخلخل ریخته گری: شامل ها, سوراخ‌ها یا جداسازی‌ها می‌توانند نقطه شروع حمله موضعی باشند. تمرین خوب ریخته گری این خطرات را کاهش می دهد.
• پوشش ها & پوشش: چدن اغلب روکش دریافت می کند (حکیم, ملات سیمان, روکش لاستیکی) که باعث بهبود بیشتر عمر خوردگی در محیط های تهاجمی می شود.

7. وابستگی محیطی و خدماتی

محیط هایی که در آن چدن بهتر از فولاد کربنی است

• قرار گرفتن در معرض اتمسفر (شهری / روستایی)- جزء سیلیس چسبندگی پتینه را بهبود می بخشد و از دست رفتن پیش رونده را کند می کند.
• آب آشامیدنی و فاضلاب- وقتی آستر/پوشش داده شده یا در محدوده pH پایدار است, لوله ها و اتصالات چدنی معمولاً از فولاد ملایم محافظت نشده دوام بیشتری دارند.
• محیط های آبی با اکسیداسیون متوسط- فلس های غنی از سیلیس مفید هستند.

محیط هایی که در آن چدن وجود دارد نه برتر

• محیط های بسیار اسیدی (pH پایین) - فیلم سیلیکا می تواند مورد حمله قرار گیرد یا حل شود; آهن فله به سرعت خورده می شود.
• محیط های کلرید قوی (آب دریا, آبسری) - حمله موضعی و سوراخ شدن می تواند فیلم محافظ را تضعیف کند; آلیاژهای ضد زنگ یا دوبلکس ترجیح داده می شوند.
• کاهش, خاک ها یا آب های غنی از سولفید - خوردگی تحت تأثیر میکروبیولوژیک (MIC) و گونه های سولفیدی می توانند به شدت به آهن حمله کنند.

8. مبادلات انتخاب مواد

چرا فولاد به شدت آلیاژی سیلیکونی ندارد و چرا به جای آن چدن انتخاب شده است

افزودن سطوح بالای سیلیکون به فولاد مقاومت آن را در برابر اکسیداسیون افزایش می دهد و می تواند تشکیل لایه های محافظ غنی از سیلیس را تشویق کند., اما شکنندگی آلیاژ را نیز افزایش می دهد.

برای بسیاری از کاربردهای فولادی سازه‌ای - جایی که انعطاف پذیری بالایی دارد, چقرمگی و جوش پذیری قابل اعتماد الزامی است - شکنندگی ناشی از محتوای سیلیکون بالا غیرقابل قبول است.

در نتیجه, فولادهای کربنی جریان اصلی سیلیکون را پایین نگه می دارند و به ابزارهای دیگر متکی هستند (پوشش ها, مهار کننده ها, آلیاژ با منگنز / کروم / مو, یا با استفاده از آلیاژهای ضد زنگ) برای برآوردن نیازهای خوردگی یا اکسیداسیون.

چدن, در مقابل, یک سازش عمدا متفاوت است. متالورژی ریخته گری کاهش شکل پذیری را در ازای مزایایی که اغلب در کاربردهای خاص تعیین کننده هستند می پذیرد.:

• قابلیت بازیگری عالی. کربن بالا, مذاب‌های با سیلیکون بالا فازهای گرافیت و مذاب سیالی تولید می‌کنند که قالب‌های پیچیده را پر می‌کند, فعال کردن اشکال نزدیک به شبکه و ویژگی های یکپارچه (دنده های نازک, روسای, معابر داخلی) ساخت آنها سخت یا پرهزینه است.
• خوردگی ذاتی و رفتار سایش. ریزساختار چدن (گرافیت + ماتریس آهن به اضافه سیلیکون بالا) ترکیبی از پدیده‌های سطحی - پوشش گرافیت و تشکیل مقیاس غنی از سیلیس - که اغلب باعث کاهش خوردگی و بهبود مقاومت در برابر سایش در خدمات خنثی یا خفیف می‌شود..
• سختی ریختگی و مقاومت سایشی بالاتر. بسیاری از گریدهای چدن سختی سطح بالاتر و عمر سایش بهتر را برای قطعاتی که در معرض ذرات ساینده قرار دارند ارائه می کنند. (به عنوان مثال گلوله های پمپ, محفظه های پروانه و اجزای جابجایی دوغاب).
• هزینه و قابلیت ساخت برای اشکال پیچیده. برای هندسه پیچیده در حجم های کوچک تا متوسط, چدن اغلب هزینه کل قطعات پایین تری را نسبت به مجموعه های فولادی جوش داده شده یا ماشینکاری شده ارائه می دهد.

کوتاه: فولادها از سیلیکون بالا اجتناب می کنند زیرا چقرمگی و شکل پذیری معمولاً برای سازه حیاتی تر هستند, مجموعه های جوش داده شده;

چدن برای بدست آوردن قابلیت ریخته گری برتر، انعطاف پذیری کاهش یافته را می پذیرد, عملکرد سایش و درجه ای از مقاومت در برابر خوردگی ذاتی - که آن را به انتخاب ارجح برای بسیاری از محفظه های پمپ تبدیل می کند., بدنه دریچه ها و سایر اجزای ریختگی که با محیط های ساینده یا آبی کار می کنند.

مقایسه مواد نماینده

توجه داشته باشید: مقادیر محدوده‌های مهندسی معمولی برای اشکال محصول رایج هستند (به عنوان چدن برای چدن داکتیل, نرمال/نورد برای فولاد کربنی).

خواص واقعی به درجه بستگی دارد, عملیات حرارتی, اندازه بخش و عملکرد تامین کننده. همیشه با گواهی مواد و آزمایش های خاص برنامه تأیید کنید.

9. نتیجه گیری

چدن اغلب در برابر خوردگی مقاوم تر از فولاد کربنی است زیرا متالورژی آن دو مکانیسم حفاظتی ذاتی را فراهم می کند.:

پراکنده, فاز گرافیت بی اثر شیمیایی که سطح آهن فعال الکتروشیمیایی را کاهش می دهد, و محتوای سیلیکونی نسبتاً بالایی دارد که باعث تشکیل یک متراکم می شود, فیلم سطحی غنی از سیلیس, که مقیاس خوردگی را تثبیت می کند و اکسیداسیون بیشتر را کند می کند.

این ویژگی ها چدن را به ویژه در محیط های خنثی تا خفیف تهاجمی موثر می کند, به خصوص در جایی که هندسه ریخته گری پیچیده است, مقاومت در برابر سایش, و کارایی هزینه مهم هستند.

 

سوالات متداول

آیا چدن هرگز مانند فولاد زنگ نمی زند؟?

خیر. چدن هنوز خورده می شود, اما اغلب در بسیاری از محیط‌ها به دلیل سد گرافیت و مقیاس غنی از سیلیس کندتر است. تحت شرایط تهاجمی می تواند به سرعت فولاد خورده شود.

آیا آهن داکتیل برای خوردگی بهتر از آهن خاکستری است؟?

هر دو از فیلم سیلیکا سود می برند; گرافیت کروی چدن شکل‌پذیر معمولاً رفتار مکانیکی و خوردگی یکنواخت‌تری نسبت به گرافیت پولکی در آهن خاکستری نشان می‌دهد..

آیا پوشش ها مزیت گرافیت / سیلیس را نفی می کنند?

پوشش ها (حکیم, لاستیک, آستر سیمانی) محافظت را اضافه می کنند و معمولاً استفاده می شوند - آنها مکمل مزایای ذاتی هستند.

با این حال, در صورت شکست روکش, مکانیسم های بستر هنوز برای طول عمر باقی مانده اهمیت دارند.

آیا گرافیت می تواند باعث خوردگی گالوانیکی شود?

گرافیت در معرض رسانا است و می تواند به صورت کاتدی عمل کند; در ترکیبات و هندسه های خاص فلزی می تواند حمله موضعی را تشدید کند. طراحی برای جلوگیری از اتصال گالوانیکی یا جدا کردن تماس.

آیا هنوز به پوشش های چدنی نیاز است؟?

اغلب بله. پوشش ها یا آسترها (حکیم, ملات سیمان, لاستیک, fbe) مکمل حفاظت ذاتی, جلوگیری از حمله موضعی زودهنگام, و برای آب آشامیدنی استاندارد هستند, مایعات تهاجمی یا خدمات مدفون.