ظاهرة تآكل المعادن بسبب التحليل الكهربائي

التحليل الكهربائي (الصدأ الكهربائي) يحدث عندما يكون هناك إتصال (تلامس) بين معدنين مختلفين في وجود محلول توصيل كهربائي electrolyte, مثل الماء (رطوبة) ويحتوي على مقدار قليل من الحامض. هذا يؤدي بما يعرف بعملية تولد الكهرباء نتيجة تفاعل كميائيaction galvanic, والتي تؤدي إلى تآكل أحد المعدنين. والجدول التالي يحتوي على المعادن المستخدمة بشكل تجاري مرتبة تبع بما يعرف بالتسلسل الكهربائ للمعادن Galvanic Series .

جدول التسلسل الكهربائ للمعادن المتصلة Galvanic Series:

1	ماغنسيوم
2	زنك
3	كادميوم
4	الومنيوم
5	صفيح
6	رصاص
7	صلب
8	حديد
9	نيكل
10	نحاس أحمر
11	نحاس أصفر
12	فضة
13	ذهب
14	بلاتنيوم
15	جرافيت

* يطلق على العناصر بأعلى القائمة (الأكثر موجبة) بالعناصر المضحية sacrifice materials, وعلى التي بأسفل القائمة (الأكثر سلبية) بالعناصر النبيلة noble materials.

عندما يتصل (يتلامس) أي معدنين من هذا الجدول, وفي وجود محلول توصيل كهربائي, المعدن ذو الرقم (الترتيب) الأقل يحدث له تآكل (صدأ). تزداد عملية التآكل بزيادة المسافة بين ترتيب المعدنين بالقائمة. ولكن ليس هذه قاعدة مطبقة في جميع الأحوال, حيث إنه قد يحدث تآكل كبير في حالة معدنين متتابعين في القائمة.

واحدة من الأساسيات التي يجب أن تكون معروفة لدى المهندس الأنشائي هو التفاعل بين المعادن أو السبائك والتي تتصل ببعضها في أي منشئ معدني. هذه البيانات موجودة في جدول التسلسل الكهربائي للمعادن. هذه القائمة مرتبة بحيث أنه عند وجود إتصال (تلامس) بين معدنين, فإن المعدن بأعلى القائمة سوف يتآكل (يصدأ) بواسطة أي من (جميع) المعادن التي تليه في القائمة. وبتعبير أخر, عند تلامس معدنين مختلفين في وجود رطوبة, سيكون هناك تيار كهربائي يمر من أحدى المعدنين ذو الرقم الأقل بالقائمة والذي يصبح القطب الموجب anode (+) إلى المعدن الاخر ذو الرقم الأعلى بالقائمة والذي يصبح القطب السالب cathode (-), وسوف يؤدي ذلك التيار إلى تآكل (صدأ) أحدى المعدنين, أو تحلله (القطب الموجب), فيما يبقى المعدن الأخر (القطب السالب) دون أي مساس.

هناك نقطة مهمة يجب تذكرها, وهي أن تسلسل المواد المتفاعلة لتوليد الكهرباء هو المسئول الرئيسي عن هذا النوع من الصدأ, وتعتمد الرطوبة بشكل كبير على المناخ والطقس المحيط بالمنشئ المكون من معادن مختلفة في حالة تلامس, ففي الأجواء الصحراوية, يكون تأثير التحليل الكهربائ ضئيل. ولكن في المناطق الساحلية يكون التفاعل أكبر, ليس فقط بسبب وجود الرطوبة, ولكن بسبب وجود الملح. ولهذا يجب أن يكون هناك وسيلة للفصل بين إتصال المعادن المختلفة.

لا يجب عمل تثبيت مباشر لألواح النحاس فوق سقف من الخشب بمسامير من الصلب. وكذلك, إلواح الألومنيوم لا يجب أن توضع مباشرة فوق عرضات من الصلب, ولكن يجب أن تعزل عن الصلب بواسطة شرائط عازلة.

في أي من الإتصال بين معدنين مختلفين, فأن المساحة النسبية بين المعدنين, المكونة للوصلة يكون لها تأثير مهم في مقدار ودرجة الصدأ. في كثير من الحالات فإن تأثير التآكل الكهربائي يتناسب طرديا مع نسبة مساحة المعدن الموجد بأسفل القائمة.

ولهذا, في حالة إتصال قطعة صلب لها مساحة سطح مقدارها 2 بوصة مربعة, مع قطعة نحاس أحمر له مساحة سطح مقدارها 100 بوصة مربعة, فإن الصدأ الكهربائي سيكون 50 ضعف أسرع منه في حالة أن نفس قطعة الصلب أتصلت بقطعة من النحاس الأحمر لها نفس مساحة السطح والتي 2 بوصة مربعة.

ولهذا السبب, فإنه يجب تجنب عمل وصله بها معادن مختلفة عندما تكون المساحة المعرضة من المعدن بأسفل القائمة أكثر بكثير من التي في بأعلى القائمة. وكمثال عملي, فإنه بلا شك من الخطورة استخدام برشام صلب مع إلواح من النحاس, ولكن من الأمان استخدام برشام نحاس مع ألواح من الصلب. على قدر المستطاع, المسامير ووسائل التثببيت المستخدمة في تثبيت الألواح بالإسطح (الأسقف) يجب أن تكون من نفس معدن الألواح.

العاملين الأساسين المؤثران في شدة الصدأ الكهربائي هما:

1- الفرق في الجهد الكهربائي بين المعدنين بالقائمة (المعدنين يبعدان في الترتيب بعد كبير بالقائمة),

2- مقدار المساحة المعرضة من المعدن السالب cathodic metal (أسفل القائمة) بالنسبة لمساحة المعدن الموجب anodic metal (بأعلى القائمة).

الصدأ في المعدن الموجب يكون بسرعة عالية وأكثر خطورة كلما زادت مساحة المعدن بإسفل القائمة (السالب) بالنسبة إلى مساحة المعدن بأعلى القائمة (الموجب).

* تأثير العامل الثاني, نسبة مساحة السالب للموجب cathode-to-anode area ratio, C/A, موضح بالشكل السفلي لبرشمة الألواح.

$Description: Description: C:\My Site\subjects\machine_elements_design\PREVENTING_ELECTROLYSIS_Arabic_files\image001.png$

في الوصلتين أ و ب, الألومنيوم يكون القطب الموجب (ترتيبه أعلى بالقائمة), والصلب يكون القطب السالب (يلي الألومنيوم بالقائمة, ترتيبه أسفل القائمة). في الوصلة أ, فأن برشام الألومنيوم بالمقارنة الأصغر, وتكون نسبة السالب/ للموجب C/A عالية. وفي الوصلة ب, فإن الوضع يكون معكوسا: فإن برشام الصلب يكون صغير, وتكون النسبة بالتالي صغيرة.

الصدأ لبرشام الألومنيوم في الوصلة أ يكون عالي. ولكن, الصدأ في لوح الألومنيوم في الوصلة ب يكون أقل, على الرغم من الفرق بينهم في القائمة هو نفسه في الحالتين.

* عند تلامس سطحين تكون مساحة التلامس في جميع الأحوال متساوية للمعدنين, ولكن وجود الرطوبة (محلول توصيل كهربائي) المنتشر على كلا السطحين يجعل من نسبة مساحة الأسطح الداخلة في التفاعل مختلفة. ولهذا تكون نسبة المساحات هي المؤثرة وليست الكتلة أو الحجم.

ما الذي يمكن عملة لتقليل حدوث الصدآ الناتج من مرور تيار كهربائي؟

أولا حاول التخلص من المعدن السالب باختيار جميع الأجزاء بالمنشئ المعدني من نفس النوع. في حالة أن هذا غير ممكن, استخدم عازل غير معدني غير ممتص للرطوبة بين المعادن المختلفة لمنع مرور التيار. مثال على ذلك, يمكن استخدام وردات washers بلاستيك أو سيراميك و بطانة لعزل المسامير المثبته لألواح مختلفة المعدن, ولا تستخدم وردات الفيبر وما شابة, والتي تمتص المياه. طريقة أخرى وهي بأن تختار الأجزاء الهامة والصغيرة من معدن سالب (أسفل القائمة). حل اخر للمشكلة يكون عن طريق جعل الاجزاء الهامة والصغيرة بالمنشئ من المعادن الأكثر سلبية حتى يتم حمايتها ( تجنب وصل قطعة معدنية موجبة صغيرة مع قطعة معدنية سالبة كبيرة. استخدام طلاء (دهان) للوصلة يكون عامل مساعد لتقليل معدل الصدأ الكهربائي, ولكن دائما كن حذرا بدهان المعدنين الموجب والسالب المكونين للوصلة, للمحافظة على نسبة مساحة الاتصال السالب/ للموجب C/A منخفضة. في حالة طلاء الجزء المعرض للصدأ (البرشام الألومنيوم) في الوصلة أ فقط, وسيكون هناك جزء كبير غير مطلي من القطب السالب (الألواح), والذي سوف يؤدي إلى عمل صدأ للبرشام بشكل أكثر سوء في حالة ان جزء صغير من الطلاء تعرض للخدش.

يمكن إيقاف الصدأ الكهربائي عن طريق توصيل كلا المعدنين بمعدن ثالث يكون أكثر موجبة (أعلى في القائمة) من كلا من المعدنين. بالنسبة لقائمة التسلسل الكهربائي, يمكن أن يكون المعدن الثالث في هذه الحالة المغانسيوم أو الزنك أو الكادميوم. وعمليا, فإن الزنك يعمل هنا بشكل أفضل. ويحدث التآكل في الزنك بدلا من أي من المعادن التي تليه في القائمة, ويطلق على الزنك القطب الموجب المضحي به sacrificial anode. وتستخدم تلك التقنية للتحكم في الصدأ في الأجزاء المغمورة تحت الماء مثل السفن والمراكب والمنشاءات المائية الأخرى. نفس المبدأ يمكن تطبيقه لحماية الصلب في الأجواء الساحلية وللمنشاءات البحرية وذلك عن طريق دهان اللواح الصلب بمادة موجبة أكثر. طلاء الزنك والألومنيوم يستخدم بشكل واسع لحماية المنشئات الحديدية البحرية من التآكل والصدأ الكهربائي.