چه چیزی فولاد گالوانیزه را در برابر خوردگی مقاوم می‌کند؟

فرآیند گالوانیزه‌کاری: نحوه اعمال و اتصال پوشش روی

تعریف فولاد گالوانیزه و اهمیت صنعتی آن

فولاد گالوانیزه، فولاد کربنی است که با روی پوشش داده شده است، معمولاً از طریق روش غوطه‌وری گرم. این فرآیند مقاومت پایدار در برابر خوردگی را فراهم می‌کند که برای زیرساخت‌ها، قطعات خودرو و ماشین‌آلات کشاورزی ضروری است. بیش از 80٪ از فولاد سازه‌ای در ساخت‌وساز ساحلی از گالوانیزاسیون برای مقاومت در برابر رطوبت و نمک استفاده می‌کند و هزینه‌های تعمیر و نگهداری بلندمدت را نسبت به فولاد بدون پوشش 60٪ کاهش می‌دهد.

مراحل گالوانیزه کردن به روش غوطه‌وری گرم: تمیزکردن، فلوکس‌دهی، غوطه‌وری در روی مذاب و سردکردن

اول از همه، فلز را با استفاده از یک محلول قلیایی تمیز می‌کنند تا روغن‌ها و کثیفی‌های مزاحم روی سطح آن را از بین ببرند. سپس مرحله اسیدشویی انجام می‌شود که در آن اسید هیدروکلریک عمل خود را برای حذف لایه اکسید فلز (میل اسکیل) که در طول تولید تشکیل شده انجام می‌دهد. پس از شست‌وشوی کامل، زمان استفاده از فلاکس فرا می‌رسد که معمولاً شامل مخلوطی از کلرید آمونیوم روی است. این مرحله از اکسیداسیون جلوگیری می‌کند و فولاد را برای مرحله بعدی آماده می‌کند. اتفاق واقعی زمانی رخ می‌دهد که قطعه در زینک مذاب با دمای حدود ۴۵۰ درجه سانتی‌گراد (معادل تقریبی ۸۴۲ درجه فارنهایت، اگر دقیق بخواهیم درباره دما بود) غوطه‌ور می‌شود. بسته به ضخامت و سایر عوامل، این فرآیند غوطه‌وری معمولاً بین چهار تا ده دقیقه طول می‌کشد. در طول این زمان، اتفاقی شگفت‌انگیز در سطح مولکولی رخ می‌دهد که پیوند محکمی بین روی و فولاد ایجاد می‌کند. در نهایت، سرد شدن طبیعی در هوای آزاد فرآیند را کامل می‌کند و به تثبیت ساختارهای کریستالی در پوشش محافظتی کمک می‌کند که همین امر گالوانیزه کردن با غوطه‌وری گرم را به روشی بسیار مؤثر برای محافظت در برابر خوردگی تبدیل می‌کند.

تشکیل لایه‌های آلیاژ روی-آهن در طول فرآیند گالوانیزاسیون

در حین غوطه‌وری، روی با آهن واکنش داده و لایه‌های آلیاژ بین‌فلزی تشکیل می‌دهد:

1. لایه گاما (75% روی، 25% آهن) – نزدیک‌ترین لایه به فولاد پایه
2. لایه دلتا (90% روی، 10% آهن) – فاز میانی
3. لایه زتا (94% روی، 6% آهن) – مجاور لایه خارجی از روی خالص

این لایه‌ها گرادیان سختی را 5 تا 7 برابر بیشتر از روی خالص ایجاد می‌کنند و مقاومت عالی در برابر سایش را فراهم می‌کنند، در حالی که انعطاف‌پذیری حفظ می‌شود.

استانداردهای ضخامت و چسبندگی پوشش روی (ASTM، ISO)

ASTM A123 و ISO 1461 حداقل ضخامت پوشش را بر اساس ضخامت فولاد مشخص می‌کنند:

چسبندگی طبق استاندارد ASTM B571 بررسی می‌شود و پوشش باید بتواند بدون جدایش، تنش برشی 2 تا 6 نیوتن بر میلی‌متر مربع را تحمل کند. این استانداردها عمر سرویسی 25 تا 50 ساله را در محیط‌های معتدل پشتیبانی می‌کنند.

حفاظت سدی: نحوه محافظت پوشش روی از قرار گرفتن فولاد در معرض عوامل محیطی

مسدود کردن رطوبت و اکسیژن به منظور جلوگیری از شروع خوردگی

پوشش‌های روی به عنوان سدی بین فولاد و عوامل ایجاد زنگ‌زدگی مانند رطوبت، اکسیژن و آلاینده‌های مختلف عمل می‌کنند. با مسدود شدن این تماس، واکنش‌های شیمیایی که فرآیند زنگ‌زدگی را آغاز می‌کنند، دیگر رخ نمی‌دهند. آزمایش‌ها نتایج واقعی را نیز نشان می‌دهند. فولادهای محافظت شده با روی در معرض رطوبت، طبق استانداردهای تعیین شده در ASTM A123-24، با نرخی تقریباً نصف فولاد معمولی دچار خوردگی می‌شوند. این موضوع تفاوت چشمگیری در کاربردهای عملی ایجاد می‌کند که در آن سطوح فلزی دائماً در معرض عوامل محیطی قرار دارند.

اثربخشی محافظت سدی در مقاومت اولیه در برابر خوردگی

در ۵ تا ۱۵ سال اول، محافظت سدی بیش از ۹۰٪ عملکرد فولاد گالوانیزه را تشکیل می‌دهد. پوشش سالم به‌طور مؤثری در برابر آلودگی شهری و تماس با باران مقاومت می‌کند. آزمون پاشش نمک نشان می‌دهد که در مراحل اولیه بهره‌برداری، این پوشش ۳ تا ۵ برابر بهتر از پوشش‌های رنگ آلی عمل می‌کند.

محدودیت‌ها در شرایط آسیب مکانیکی یا فرسودگی طولانی‌مدت

وقتی پوشش‌ها خراشیده می‌شوند، در اثر سایش فرسوده می‌گردند یا در طول زمان در معرض پرتوهای قوی UV قرار می‌گیرند، لایه محافظ آن‌ها شروع به تخریب می‌کند. این موضوع به ویژه در مناطق ساحلی مشکل‌ساز می‌شود، جایی که آب نمک حاوی یون‌های کلرید است و این یون‌ها از نقاط ضعیف وارد ساختار می‌شوند و فرآیند خوردگی را در مناطق خاصی تسریع می‌کنند. به عنوان مثال در ایمنی جاده: نرده‌های محافظ گالوانیزه که در نزدیکی بزرگراه‌های شلوغ قرار دارند، حدود ۲۳ درصد سریع‌تر نسبت به سازه‌های مشابه در مکان‌های محافظت‌شده و دور از ترافیک، علائم فرسودگی را نشان می‌دهند. به همین دلیل بازرسی‌های منظم برای ساختمان‌ها و زیرساخت‌هایی که در شرایط سخت قرار دارند بسیار مهم است و همچنین افزودن لایه‌های اضافی از محافظت در مواجهه با چنین عوامل محیطی چالش‌برانگیزی منطقی به نظر می‌رسد.

نتیجه کلیدی: اگرچه در مراحل اولیه عملکرد محافظتی نوع سدی غالب است، اما اثربخشی آن به یکپارچگی پوشش و شدت شرایط محیطی بستگی دارد.

حفاظت قربانی (کاتدی): چرا روی اول اکسید می‌شود تا فولاد را حفظ کند

اتصال گالوانیک: اساس الکتروشیمیایی روی به عنوان آند قربانی

روی از فولاد از نظر الکتروشیمیایی فعال‌تر است—تقریباً ۰٫۳۲ ولت بیشتر آندی—و هنگامی که این دو فلز به هم متصل شوند، یک سلول گالوانیک طبیعی ایجاد می‌شود. در محیط‌های خورنده، روی به عنوان آند قربانی عمل کرده و ترجیحاً خوردگی می‌یابد و با انتقال الکترون، فولاد زیرین را محافظت می‌کند.

حفاظت از لبه‌های برش‌خورده و خراش‌ها از طریق انتقال الکترون

روی حتی در صورت آسیب دیدن پوشش نیز به محافظت از فولاد ادامه می‌دهد. آنچه اتفاق می‌افتد این است که الکترون‌ها از روی اطراف به سطح فولاد منتقل می‌شوند و نوعی سپر در برابر خوردگی ایجاد می‌کنند. بر اساس برخی اعداد و ارقام اخیر از NACE در سال ۲۰۲۳، یک خراش کوچک به عمق تنها ۲ میلی‌متر روی فولاد گالوانیزه پس از پنج سال کامل حدود ۸۵ درصد مواد کمتری نسبت به فولاد معمولی بدون پوشش از دست می‌دهد. اثر محافظتی تا زمانی ادامه دارد که هنوز روی کافی در مجاورت وجود داشته باشد تا کار خود را ادامه دهد.

محدودیت‌ها در محیط‌های با مقاومت بالا مانند خاک‌های خشک یا قلیایی

در خاک‌های خشک با مقاومت بالاتر از 5,000 Ω·cm، حفاظت کاتدی به دلیل هدایت الکترولیت ناکافی تا 70٪ کاهش می‌یابد (ASTM G162). به طور مشابه، شرایط بسیار قلیایی (pH > 12) باعث پسیو شدن سطح می‌شوند و لایه‌ای غیرهادی بر روی روی تشکیل می‌دهند که جریان الکترون را متوقف کرده و فولاد را در برابر خوردگی نقطه‌ای آسیب‌پذیر می‌کند.

مطالعات موردی: زمانی که حفاظت کاتدی شکست می‌خورد — خوردگی در شرایط قلیایی تهاجمی

مطالعه‌ای در سال 2022 روی میلگرد گالوانیزه در بتن با pH 13.5 نشان داد که انحلال روی ظرف 18 ماه متوقف می‌شود و نرخ خوردگی فولاد به 0.8 mm/سال می‌رسد — که هشت برابر بیشتر از محیط‌های خنثی است. در چنین مواردی، استراتژی‌های حفاظتی اضافی مانند پوشش‌های اپوکسی یا استفاده از آلیاژهای ضدزنگ ضروری است.

پاتینه کربنات روی: لایه خودحفاظتی برای دوام بلندمدت

مراحل خوردگی جوی: از اکسید روی تا هیدروکسید روی

در اثر قرار گرفتن در معرض جو، سطح روی به سرعت اکسیده شده و در عرض ۴۸ ساعت لایه‌ای نازک از اکسید روی (ZnO) به ضخامت ۲ تا ۴ میکرومتر تشکیل می‌دهد، همان‌طور که در یک مطالعه سال ۲۰۲۳ درباره واکنش‌های جوی گزارش شده است. در صورت وجود رطوبت، این لایه به هیدروکسید روی (Zn(OH)₂) تبدیل می‌شود و زمینه را برای پایدارسازی بیشتر فراهم می‌کند.

تبدیل به پاتینا کربنات روی پایدار در طول زمان

هیدروکسید روی به تدریج با دی‌اکسید کربن جو واکنش داده و به کربنات روی نامحلول (ZnCO₃) تبدیل می‌شود. در رطوبت متوسط (60–75% RH)، این تبدیل ظرف شش ماه به ۹۰٪ تکمیل می‌شود. پاتینای حاصله متراکم، از نظر شیمیایی پایدار و خودتعمیرشونده است و در آزمون‌های دوام در فضای باز، ۸ تا ۱۲ سال نسبت به پوشش‌های موقتی مانند رنگ عملکرد بهتری دارد.

چگونه پاتینا مقاومت بلندمدت در برابر خوردگی را افزایش می‌دهد

خوردگی روی در مناطق معتدل که لایه پاتینا به‌صورت طبیعی تشکیل می‌شود، به‌طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. مطالعات نشان می‌دهند که نرخ خوردگی در شرایط آب‌وهوای شبیه‌سازی‌شده به حدود ۰٫۱ میکرون در سال کاهش می‌یابد. آنچه این موضوع را بسیار مهم می‌کند، نحوه عملکرد لایه محافظتی حتی پس از آسیب دیدن است. در واقع روی اطراف به سمت نقاط آزاد منتقل می‌شود و با انتقال الکترون‌ها، فولاد را محافظت می‌کند. این سیستم دوگانه محافظتی باعث می‌شود که هزینه‌های نگهداری در دوره ۲۵ ساله حدود ۹۲ درصد نسبت به فولاد معمولی بدون پوشش کاهش یابد.

عوامل محیطی مؤثر بر تشکیل پاتینا (CO₂، رطوبت، آلاینده‌ها)

برای توسعه بهینه پاتینا نیاز است:

• غلظت CO₂ : ≥ ۴۰۰ ppm (سطوح شهری معمولی)
• رطوبت : قرارگیری متناوب در معرض خیس و خشک شدن (رطوبت نسبی ۴۰–۸۵٪)
• آلودگی‌ها : دی‌اکسید گوگرد زیر ۵۰ میکروگرم بر مترمکعب

محیط‌های دریایی با رسوبات بالای کلرید (>1,000 mg/m²) تشکیل پاتینه را به مدت 18 تا 24 ماه به تأخیر می‌اندازند، در حالی که باران اسیدی (pH <4.5) در مناطق صنعتی ممکن است لایه را زودتر از موعد حل کند.

عملکرد در محیط‌های سخت و کاربردهای واقعی فولاد گالوانیزه

تأثیر یون‌های کلرید بر فولاد گالوانیزه در مناطق دریایی و ساحلی

علیرغم قرار گرفتن در معرض غلظت بالای کلرید، فولاد گالوانیزه در محیط‌های دریایی عملکرد خوبی دارد. پوشش روی با کلریدها واکنش داده و هیدروکسی‌کلرید روی را تشکیل می‌دهد، ترکیبی محافظ که تخریب را کند می‌کند. عمر مفید در کاربردهای ساحلی از 20 تا 50 سال متغیر است که بسیار بیشتر از 5 تا 10 سال معمول برای فولاد بدون پوشش در شرایط مشابه است.

مقایسه مقاومت در برابر خوردگی: فولاد گالوانیزه در مقابل فولاد رنگ‌شده و فولاد ضدزنگ

فولاد گالوانیزه در مقایسه با فولاد رنگ‌شده که تمایل به ترک خوردن و مشکلات زیرساختی دارد یا فولاد ضدزنگ که اغلب در معرض کلریدها دچار حفره می‌شود، برجسته می‌شود. فرآیند گالوانیزاسیون لایه‌ای محافظ پایدار ایجاد می‌کند که مستقیماً به سطح فلز متصل می‌شود. آزمایش‌های آزمایشگاهی پاشش نمک نشان می‌دهد که این پوشش‌ها معمولاً عمری حدود سه تا پنج برابر طولانی‌تر از معادل‌های رنگ‌شده اپوکسی دارند. آلیاژهای فولاد ضدزنگ قطعاً در مواجهه با برخی مواد شیمیایی عملکرد خوبی دارند. اما بیایید از نظر اعداد صحبت کنیم: تولیدکنندگان معمولاً برای کاربردهای سازه‌ای مشابه، هر تن دو تا چهار برابر قیمت بیشتری پرداخت می‌کنند. این موضوع تفاوت چشمگیری در برنامه‌ریزی بودجه بسیاری از پروژه‌های ساختمانی ایجاد می‌کند.

مطالعه موردی: دوام فولاد گالوانیزه در زیرساخت‌های بزرگراهی

تحلیل سال 2023 از نرده‌های محافظ فلوریدا در بزرگراه I-95 نشان داد که تنها ۱۲٪ خوردگی سطحی پس از ۲۵ سال قرار گرفتن در معرض نمک‌های جاده‌ای، رطوبت و تغییرات دمایی وجود داشته است. در مقابل، گزینه‌های غیر روی‌افشان در عرض ۸ تا ۱۲ سال نیاز به تعویض داشتند که مزایای اقتصادی و عملیاتی روی‌افشانی را در زیرساخت‌های حمل‌ونقل برجسته می‌کند.

استفاده رو به افزایش در ساخت‌وساز پایدار به دلیل نیاز کم به نگهداری

فولاد گالوانیزه در بیشتر مناطق معتدل از ۵۰ تا ۷۵ سال دوام دارد که قطعاً معیارهای مواد ساختمانی پایدار و کم‌نگهداری را برآورده می‌کند. اینکه این سازه‌ها نیاز به پوشش‌دهی مکرر ندارند، به این معناست که در طول زمان حدود ۴۰ درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتری نسبت به ساختمان‌هایی که به‌طور منظم رنگ‌آمیزی می‌شوند، تولید می‌کنند. مطالعات چرخه حیات در مورد زیرساخت‌های سبز این موضوع را در محیط‌های مختلف به‌صورت قابل توجهی تأیید می‌کنند. از آنجا که فولاد گالوانیزه در برابر گذشت زمان مقاوم است و قابلیت بازیافت چندباره دارد، بسیاری از معماران آن را برای پروژه‌های دارای گواهی LEED مشخص می‌کنند جایی که به دنبال سیستم‌های قاب‌بندی هستند که پس از چند دهه از هم نپاشند.

بخش سوالات متداول

هدف از گالوانیزه کردن فولاد چیست؟

گالوانیزه کردن فولاد به معنای پوشش دادن آن با روی است تا مقاومت پایدار در برابر خوردگی فراهم شود که برای حفظ یکپارچگی و دوام سازه‌ها و ماشین‌آلات ضروری است.

در فرآیند گالوانیزاسیون، روی چگونه روی فولاد اعمال می‌شود؟

روی از طریق فرآیند غوطه‌وری گرم اعمال می‌شود که در آن فولاد تمیز شده، فلاکس داده می‌شود، در روی مذاب غوطه‌ور می‌شود و سپس اجازه خنک شدن داده می‌شود تا یک پیوند فلزی قوی ایجاد شود.

چرا روی حتی در صورت خراشیدگی پوشش، به حفاظت از فولاد ادامه می‌دهد؟

روی به عنوان آند قربانی عمل می‌کند و با انتقال الکترون، به حفاظت از فولاد ادامه می‌دهد و آن را حتی در صورت آسیب دیدن پوشش در برابر خوردگی محافظت می‌کند.

آیا فولاد گالوانیزه در مناطق ساحلی عملکرد خوبی دارد؟

بله، با وجود قرار گرفتن در معرض کلرید بالا، پوشش روی ترکیبات محافظتی تشکیل می‌دهد که تخریب را کند می‌کند و منجر به عمر مفیدی بین ۲۰ تا ۵۰ سال در کاربردهای ساحلی می‌شود.

چرا از فولاد گالوانیزه در ساخت‌وساز پایدار استفاده می‌شود؟

به دلیل عمر طولانی (۵۰ تا ۷۵ سال)، نیاز کمتر به نگهداری و انتشار آلاینده‌های کمتر نسبت به سایر مواد، از این فولاد در پروژه‌های ساختمانی پایدار استفاده می‌شود.