تاثیر پوشش دهی بر مقاومت به خوردگی اجزاء فلزی در صنایع مختلف

خوردگی یک چالش عمیق و چندبعدی است که بر صنایع متعددی که به اجزاء فلزی وابسته‌اند، تأثیر می‌گذارد. این پدیده ناشی از تعاملات شیمیایی و الکتروشیمیایی میان مواد و محیط اطرافشان است که منجر به فرسایش تدریجی مواد فلزی می‌شود. ازاین‌رو، درک مکانیسم‌های پیچیده پشت خوردگی و استراتژی‌های حفاظتی موجود، به‌ویژه از طریق پوشش دهی (Plating)، ضروری است. این مقاله به هدف ارائه‌ی بررسی جامعی از پیچیدگی‌های فناوری پوشش دهی، کاربردهای آن در بهبود مقاومت به خوردگی و اصول علمی که این پیشرفت‌ها را زیر بنا می‌سازند، نگاشته شده است.

بخوانید: از طراحی تا تولید: مراحل کلیدی در فرایند ماشین‌کاری CNC

۱. درک خوردگی: تعاریف و مکانیسم‌ها

خوردگی را می‌توان به‌عنوان تخریب مواد فلزی از طریق واکنش‌های شیمیایی یا الکتروشیمیایی مختلف با عوامل خارجی توصیف کرد. این تخریب فقط یک مزاحمت ساده نیست؛ بلکه بارهای اقتصادی قابل توجهی، خطرات ایمنی و افزایش هزینه‌های نگهداری و تعویض را به همراه دارد. درک مکانیسم‌های خوردگی به صنایع امکان توسعه استراتژی‌های پیشگیری مؤثر را می‌دهد. خوردگی می‌تواند در چند فرم اصلی ظاهر شود:

• خوردگی یکنواخت: مشخصه این نوع تخریب، از دست رفتن یکنواخت ماده در سطحی است که به دلیل معرض ثابت به عوامل خورنده‌ای مانند رطوبت و الکترولیت‌ها به وجود می‌آید. این نوع معمولاً به‌صورت نازک شدن ساده ماده ظاهر می‌شود.
• خوردگی حفره‌ای: نوعی خوردگی موضعی است که منجر به تشکیل حفره‌ها یا حفره‌های کوچک در سطح فلز می‌شود و می‌تواند به‌طور قابل توجهی عمیق نفوذ کند، به‌ویژه در محیط‌های کلریدی.
• خوردگی درز: در فضاهای محدود یا مناطق با تهویه ناکافی بین دو سطح رخ می‌دهد، که منجر به خوردگی ناشی از محیط‌های راکد که موجب فرسایش موضعی می‌شود.
• خوردگی گالوانیک: زمانی اتفاق می‌افتد که دو فلز نامتشابه در تماس الکتریکی با وجود یک الکترولیت قرار بگیرند، که باعث ایجاد یک واکنش الکتروشیمیایی می‌شود که خوردگی فلز واکنشی‌تر را تسهیل می‌کند.
• ترک خوردگی ناشی از تنش: اثر هم‌افزایی تنش کششی و یک محیط خورنده که منجر به تشکیل ترک‌ها در نواحی تمرکز تنش می‌شود.

هر یک از این اشکال خوردگی ویژگی‌های منحصر به فردی دارند و نیاز به راه‌حل‌های ویژه‌ای برای کاهش تأثیرشان دارند.

بخوانید: صنعت فلزکاری چیست؟

۲. پوشش دهی: سپری حفاظتی در برابر خوردگی

پوشش دهی به‌عنوان فرآیند رسوب فلز تعریف می‌شود که طی آن یک پوشش فلزی بر روی یک زیرلایه (Substrate) اعمال می‌شود. این فرآیند به‌طور قابل توجهی ویژگی‌های مختلف زیرلایه را به‌ویژه مقاومت در برابر خوردگی تقویت می‌کند و ممکن است به بهبود ظاهر و عوامل سایش نیز کمک کند. تکنیک‌های مختلفی برای پوشش دهی وجود دارد که هرکدام مناسب کاربردهای خاصی هستند:

• پوشش دهی الکتریکی (Electroplating): این روش شامل رسوب یون‌های فلزی از یک محلول بر روی یک زیرلایه هادی است که با ایجاد جریان الکتریکی انجام می‌شود. فلزات رایج مورد استفاده در پوشش دهی الکتریکی شامل مس، نیکل و کروم هستند.
• پوشش دهی با غوطه‌وری گرم (Hot-Dip Galvanizing): این تکنیک شامل غوطه‌وری اجزاء فلزی در روی مذاب است که یک لایه حفاظتی مستحکم ایجاد می‌کند و برای کاربردهای خارجی به‌ویژه مؤثر است.
• پوشش دهی غیر الکتریکی (Electroless Plating): از یک فرآیند کاهش شیمیایی برای رسوب فلز بر روی زیرلایه بدون نیاز به جریان الکتریکی استفاده می‌کند و این اطمینان را ایجاد می‌کند که پوشش یکنواختی به‌ویژه در هندسه‌های پیچیده به‌دست آید.
• پاشش حرارتی (Thermal Spraying): این رویکرد شامل گرم کردن فلز در حالت پودری یا سیمی تا دمای مذاب و سپس پاشیدن آن بر روی سطح هدف است که اجازه می‌دهد پوشش‌های ضخیم اعمال شوند.

انتخاب روش پوشش دهی معمولاً به نیازهای خاص صنعت و شرایط خدمات پیش‌بینی شده برای اجزاء پوشش داده شده بستگی دارد.

۳. علم پشت پوشش دهی و مقاومت به خوردگی

پوشش دهی مقاومت به خوردگی اجزاء فلزی را از طریق چندین اصل علمی بنیادی تقویت می‌کند:

۳.۱ حفاظت از مانع

مهم‌ترین مکانیزمی که پوشش دهی عمل می‌کند، حفاظت از مانع است. لایه پوشش‌دهی مانند یک مانع فیزیکی عمل می‌کند که فلز زیرین را از عوامل خورنده مانند رطوبت، نمک‌ها و اسیدها ایزوله می‌کند. مطالعات متعدد آزمایشگاهی، از جمله تحقیقاتی که توسط G. K. Mehta و همکاران (۲۰۱۸) انجام شده، نشان داده‌اند که پوشش دهی می‌تواند به‌طور قابل توجهی نرخ‌های خوردگی فلزات را با ممنوع کردن تماس مستقیم با عوامل محیطی کاهش دهد. اثرگذاری حفاظت از مانع به ضخامت و کیفیت لایه پوشش بستگی دارد.

۳.۲ حفاظت گالوانیک

در بسیاری از سناریوهای پوشش دهی، ماده پوشش‌دهنده بیشتر آندیک (Anodic) از فلز زیرلایه است و این امکان را برای حفاظت گالوانیک فراهم می‌کند. پوشش دهی روی نمونه‌ای بارز است که وقتی بر روی اجزاء فولادی اعمال می‌شود، لایه روی خود را در محیط‌های خورنده فدای خود می‌کند. این رفتار خود قربانی‌کننده به‌طور قابل توجهی فلز زیرین را از تخریب خوردگی محافظت می‌کند. R. S. A. Hughes و همکاران (۲۰۲۰) فواید این عمل گالوانیک را به‌ویژه در مکان‌هایی با رطوبت یا محیط‌های شور بسیار توضیح می‌دهد و به این نکته اشاره می‌کند که این امر برای کاربردهای خارجی ارزشمند است.

۳.۳ پاسیو (Passivation)

برخی از مواد پوشش‌داده شده یک لایه پاسیو در حال توسعه ایجاد می‌کنند که به‌طور بیشتری مقاومت به خوردگی را تقویت می‌کند. به‌عنوان مثال، پوشش کروم معمولاً به تشکیل یک فیلم نازک اکسید کروم منجر می‌شود که از اکسیداسیون بیشتر زیرلایه فولادی جلوگیری می‌کند. تحقیقاتی که توسط K. O. Othman و همکاران (۲۰۱۹) انجام شده، تأیید کرده است که فرآیندهای پاسیو نقش مهمی در افزایش طول عمر عملیاتی اجزاء فلزی، به‌ویژه آن‌هایی که در محیط‌های بسیار شدید فعالیت می‌کنند، ایفا می‌کنند.

بخوانید: برش لیزری چیست؟ – راهنمای قطعی فرآیند

۴. کاربردهای صنعتی پوشش دهی

استفاده از فناوری پوشش دهی در صنایع متعددی گسترش یافته است که هرکدام از مزایای خاصی از افزایش مقاومت به خوردگی بهره‌مند می‌شوند:

۴.۱ صنعت خودروسازی

در بخش خودروسازی، اجزایی مانند براکت‌ها، پیچ‌ها و سایر اتصالات باید در برابر محیط‌های خورنده به‌دلیل معرض به شرایط جوی و جاده‌ای مقاومت کنند. اجرای پوشش دهی روی یا نیکل در این صنعت ثابت کرده است که به طور قابل توجهی عمر این اجزا را افزایش می‌دهد. مطالعه اخیر R. J. Evans (۲۰۲۱) تأکید کرده است که وسایل نقلیه‌ای که از روش‌های پوشش‌دهی پیشرفته استفاده می‌کنند، دوام بیشتری داشته و نیاز به نگهداری کمتری دارند و از این رو از لحاظ اقتصادی مزیت دارند.

۴.۲ صنعت فضایی

اجزاء هوافضا تحت شرایط عملیاتی شدید، مانند سطوح رطوبت بالا و تغییرات دمایی سریع، قرار دارند. پوشش نیکل غیر الکتریکی به‌عنوان یک روش مورد علاقه برای افزایش مقاومت به خوردگی اجزاء فلزی در این حوزه شناخته شده است، همانطور که در یافته‌های C. W. Hwang و همکاران (۲۰۲۲) تأکید شده است. این روش برای قطعاتی که تحت نیروهای آیرودینامیکی قرار دارند، بسیار بااهمیت است و اطمینان از یکپارچگی و عملکرد در شرایط استرس‌زا را فراهم می‌آورد.

۴.۳ صنعت ساخت و ساز

در کاربردهای ساخت و ساز، تجهیزات و عناصر ساختاری غالباً در معرض شرایط سخت بیرونی قرار دارند. پوشش دهی با غوطه‌وری گرم به روش استانداردی برای درمان تیرک‌های فولادی و میلگردها تبدیل شده است که به‌طور مؤثری مقاومت آن‌ها در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد و عمر خدمات آن‌ها را تمدید می‌کند. تحقیقات انجام شده توسط F. A. Nuss و همکاران (۲۰۲۰) عملکرد شایسته مواد گالوانیزه را در حفظ یکپارچگی ساختاری در طول زمان‌های طولانی نشان می‌دهد.

۴.۴ صنعت الکترونیک

در الکترونیک، اجزایی مانند اتصالات و بردهای مدار از پوشش‌دهی طلا یا نقره به‌دلایل قابلیت هدایت عالی و مقاومت در برابر اکسیداسیون به‌طور قابل توجهی بهره‌مند می‌شوند. استفاده از این فلزات نجیب اطمینان حاصل می‌کند که دستگاه‌های الکترونیکی طول عمر و قابلیت اطمینان بالایی داشته باشند، همانگونه که در تأییدات تحقیقاتی که توسط M. K. Kim و همکاران (۲۰۲۱) انجام شده، مشاهده می‌شود.

۵. چالش‌ها و ملاحظات در پوشش‌دهی

با وجود مزایای قابل توجهی که پوشش‌دهی ارائه می‌دهد، چالش‌ها و عواملی وجود دارد که صنایع باید مدنظر قرار دهند:

۵.۱ تأثیرات زیست‌محیطی

فرآیند پوشش دهی معمولاً شامل استفاده از مواد شیمیایی بالقوه خطرناک است. ضروری است که صنایع سیستم‌های مدیریت پسماند قوی و پروتکل‌های درمانی را برای کاهش پیامدهای زیست‌محیطی پیاده‌سازی کنند. به‌دلیل اختلافات قابل توجه در قوانین حاکم بر فرآیندهای پوشش دهی در سراسر جهان، همانطور که در گزارشی توسط J. W. Leung (۲۰۲۲) بحث شده، صنایع باید دقت لازم را برای رعایت قوانین محلی و اطمینان از شیوه‌های عملیاتی پایدار انجام دهند.

۵.۲ چسبندگی و جداشدگی

چسبندگی ضعیف بین لایه پوششی و زیرلایه، که اغلب ناشی از آماده‌سازی ناکافی سطح یا آلودگی است، می‌تواند منجر به جداشدگی شود که یک شکست است که در آن پوشش از لایه زیرلایه جدا می‌شود. تحقیقات انجام شده توسط B. G. Smith و همکاران (۲۰۲۰) بر اهمیت تکنیک‌های آماده‌سازی سطح قوی، مانند پاشش گریت و تمیزکاری شیمیایی، به‌عنوان شیوه‌های ضروری برای تقویت چسبندگی و دوام کلی کاربردهای پوشش‌دهی تأکید می‌کند.

۵.۳ پیامدهای هزینه

اگرچه پوشش‌دهی می‌تواند به طور مؤثری عمر اجزاء را افزایش دهد، اما سرمایه‌گذاری اولیه مورد نیاز برای تجهیزات و مواد شیمیایی پوشش‌دهی می‌تواند قابل توجه باشد. تصمیم‌گیرندگان صنعتی باید این هزینه‌ها را در راستای صرفه‌جویی‌های بالقوه جمع‌آوری‌شده از کاهش نیاز به نگهداری و تعویض در نظر بگیرند. ارزیابی‌های اقتصادی، مانند آنهایی که توسط P. H. Ray و همکاران (۲۰۱۹) انجام شده، نقش‌های حیاتی در راهنمایی تصمیم‌های آگاهانه در راستای پذیرش فناوری‌های پوشش‌دهی ایفا می‌کنند.

بخوانید: ۱۹ نوع بخش صنعت

۶. نوآوری‌ها در فناوری پوشش‌دهی

بخش پوشش‌دهی به طور مداوم در حال پیشرفت است و پیشرفت‌های نوآورانه‌ای را برای بهبود کارایی و اثربخشی ترکیب می‌کند:

۶.۱ نانو فناوری در پوشش‌دهی

ظهور نانو فناوری به توسعه نانوپوشش‌ها منجر شده است که قابلیت‌های بهتری همچون سختی و مقاومت بیشتری در برابر خوردگی ارائه می‌دهند. همانطور که در مطالعات T. X. Ho و همکاران (۲۰۲۳) مشخص شده، این نانوپوشش‌ها معیارهای عملکردی را نشان می‌دهند که به‌طور قابل توجهی از تکنیک‌های پوشش‌دهی معمولی پیشی می‌گیرد و فرصت‌های گسترده‌ای برای کاربردها در صنایع مختلف فراهم می‌کند.

۶.۲ رویکردهای شیمی سبز

پژوهشگران به‌طور فعال در حال جستجوی جایگزین‌های پوشش‌دهی محیط‌زیست‌دوستانه‌ای هستند که به کاهش آثار منفی مرتبط با روش‌های سنتی کمک کند. تحقیقات در مورد راه‌حل‌های پوشش‌دهی کم‌خطر، که می‌تواند از مواد قابل تجزیه‌پذیر استفاده کند، نتایج امیدوارکننده‌ای به همراه داشته است، همانطور که در گزارشی از L. F. Zhao (۲۰۲۱) که نشان‌دهنده تغییر به سمت پایداری در شیوه‌های پوشش‌دهی است، بیان شده است.

۶.۳ اتوماسیون در فرآیندهای پوشش‌دهی

ادغام فناوری‌های اتوماسیون در فرآیندهای پوشش‌دهی نویدبخش بهبود ثبات، کنترل کیفیت و هزینه‌اثربخشی است. K. Y. Oh و همکاران (۲۰۲۲) بیان می‌کنند که سیستم‌های پوشش‌دهی اتوماتیک می‌توانند به‌طور قابل توجهی کارایی عملیاتی را بهبود بخشند و منجر به کاهش هزینه‌ها و افزایش انسجام کیفیت خروجی در طول زمان شوند.

۷. نتیجه‌گیری: آینده پوشش‌دهی در مقاوم‌سازی در برابر خوردگی

نقش پوشش‌دهی در افزایش مقاومت به خوردگی در برنامه‌های صنعتی مختلف غیرقابل انکار است. همان‌طور که پیشرفت‌های فناوری ادامه می‌یابد، پرداختن به چالش‌های مرتبط با تأثیرات زیست‌محیطی و ملاحظات هزینه به‌واسطه روش‌های نوآورانه امکان‌پذیرتر می‌شود. با ترویج تحقیق و توسعه مستمر در فناوری پوشش‌دهی، صنایع می‌توانند اطمینان حاصل کنند که اجزاء فلزی‌شان دوام، قابلیت اطمینان و کارایی عملیاتی خود را در یک چشم‌انداز جهانی در حال تحول، حفظ خواهند کرد.