التمرير: معالجة سطح الفولاذ لمقاومة التآكل والمتانة

التعريف والمفهوم الأساسي

التمرير هو عملية معالجة كيميائية للسطح تُطبق على الفولاذ ومواد معدنية أخرى لتعزيز مقاومتها للتآكل من خلال تشكيل فيلم أكسيد أو كيميائي واقٍ وغير نشط على السطح. تتضمن هذه العملية التكوين المنضبط لطبقة سلبية رقيقة ومستقرة وملتصقة تعمل كحاجز ضد العوامل البيئية مثل الرطوبة والأكسجين والعوامل المسببة للتآكل.

أساسًا، يهدف التمرير إلى تقليل قابلية الفولاذ للصدأ والأكسدة دون تغيير كبير في خصائصه الميكانيكية أو مظهره. يُستخدم بشكل أساسي لتحسين المتانة، وإطالة عمر الخدمة، وضمان أداء متسق في البيئات التآكلية.

في نطاق أوسع من طرق إنهاء سطح الفولاذ، يتم تصنيف التمرير كمعالجة كيميائية نشطة تركز على تعديل كيمياء السطح. على عكس الطلاءات أو الطلاء الكهربائي، التي تضيف حاجزًا ماديًا، يقوم التمرير بتعديل كيمياء السطح الموجودة لإنشاء فيلم سالب. غالبًا ما يُستخدم كخطوة نهائية أو وسيطة في التصنيع، خاصة للفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك عالية الجودة، لضمان مقاومة التآكل واستقرار السطح.

الطبيعة الفيزيائية ومبادئ العملية

آلية تعديل السطح

أثناء التمرير، يخضع سطح الفولاذ لتفاعلات كيميائية وكهربائية تؤدي إلى تشكيل طبقة أكسيد واقية رقيقة. في الفولاذ المقاوم للصدأ، يتضمن ذلك عادةً أكسدة الكروم الموجود في السبيكة لتشكيل فيلم أكسيد الكروم (Cr₂O₃)، الذي يتمتع بالاستقرار والالتصاق العالي.

تبدأ العملية بإزالة الحديد الحر والملوثات الأخرى من السطح من خلال التنظيف أو النقع، مما يكشف عن سطح معدني جديد. عند غمره في محلول تمرير - غالبًا ما يحتوي على حمض النيتريك أو حمض الستريك أو عوامل مؤكسدة أخرى - يتفاعل السطح لتشكيل فيلم أكسيد كثيف وموحد. يعمل هذا الفيلم كحاجز سالب، مما يقلل بشكل كبير من معدل الأكسدة أو التآكل الإضافي.

على المقياس المجهري أو النانوي، يكون الفيلم السالب غير متبلور أو نانوي، بسمك يتراوح عادةً بين 1 إلى 10 نانومتر. تعتبر انتظامه والتصاقه أمرين حاسمين لمقاومة التآكل الفعالة. تشمل الخصائص البينية طبقة أكسيد مرتبطة كيميائيًا وخالية من العيوب تلتصق بإحكام بالركيزة الفولاذية الأساسية، مما يمنع دخول الأنواع المسببة للتآكل وبدء الصدأ.

تركيب الفيلم وخصائصه

تتكون الطبقة السلبية الناتجة بشكل أساسي من أكاسيد المعادن، مع كون أكسيد الكروم هو السائد في الفولاذ المقاوم للصدأ. في بعض الحالات، قد تساهم عناصر أخرى مثل النيكل أو الموليبدينوم أو النيتروجين في استقرار وخصائص الفيلم الواقية.

ميكروهيكليًا، الفيلم السالب هو طبقة أكسيد رقيقة ومستمر وملتصقة ذات بنية كثيفة وغير متبلورة تقاوم الذوبان في البيئات العدوانية. يتميز هيكله المجهري بغياب المسامية والعيوب القليلة، والتي تعتبر ضرورية للاستقرار على المدى الطويل.

يتراوح سمك الفيلم السالب عادةً بين حوالي 2 إلى 5 نانومتر في الظروف القياسية. ومع ذلك، في البيئات التآكلية العالية أو تحت معلمات عملية محددة، يمكن أن ينمو الفيلم ليصل إلى 10 نانومتر أو أكثر. يعتبر سمك هذه الطبقة وسلامتها أمرين حاسمين لتحقيق مقاومة تآكل مثلى.

تصنيف العملية

يتم تصنيف التمرير كمعالجة كيميائية أو كهربائية للسطح ضمن الفئة الأوسع من طرق حماية التآكل. يتميز عن الطلاءات الفيزيائية مثل الدهانات أو الطلاءات الكهربائية من خلال اعتماده على تعديل كيمياء السطح بدلاً من تطبيق طبقة مادة إضافية.

مقارنةً بعلاجات السطح الأخرى مثل الأكسدة أو التلميع الكهربائي، فإن التمرير عمومًا أبسط وأسرع وأكثر فعالية من حيث التكلفة. غالبًا ما يُستخدم كعملية مكملة بعد التنظيف أو النقع لتعزيز مقاومة التآكل.

تشمل أنواع التمرير:

• تمرير حمض النيتريك: الطريقة الأكثر شيوعًا للفولاذ المقاوم للصدأ، مما يشكل فيلم أكسيد غني بالكروم.
• تمرير حمض الستريك: بديل صديق للبيئة ينتج أفلام واقية مماثلة.
• تمرير حمض الفوسفوريك: يُستخدم لبعض سبائك الفولاذ وفي سياقات صناعية محددة.
• التلميع الكهربائي: عملية ذات صلة تعمل على تنعيم وإضاءة السطح بينما تشكل في نفس الوقت فيلمًا سالبًا.

تختلف كل نوع في التركيب الكيميائي ومعلمات العملية وملاءمتها لأنواع الفولاذ وتطبيقاته المحددة.

طرق التطبيق والمعدات

معدات العملية

عادةً ما تستخدم عملية التمرير الصناعية خزانات أو حمامات غمر مصممة لحمل محلول التمرير. تُصنع هذه الخزانات من مواد مقاومة للتآكل مثل البولي بروبيلين أو PVC أو الفولاذ المقاوم للصدأ لتحمل المواد الكيميائية العدوانية.

تشمل الميزات الرئيسية للمعدات:

• أنظمة التحكم في درجة الحرارة: الحفاظ على درجة حرارة المحلول المثلى (عادةً 20–40 درجة مئوية) يعزز من حركية التفاعل وتكوين الفيلم.
• أنظمة التحريك: التحريك الميكانيكي أو بالموجات فوق الصوتية يضمن تعرضًا موحدًا ويمنع استنفاد أو تراكم المنتجات الناتجة عن التفاعل.
• وحدات الترشيح: إزالة الجسيمات والمنتجات الثانوية للتفاعل تحافظ على جودة المحلول وتماسكه.
• أجهزة الاستشعار للمراقبة: أجهزة استشعار pH ودرجة الحرارة وإمكانات الأكسدة والاختزال (ORP) تتيح التحكم الدقيق في ظروف العملية.

تتضمن بعض المرافق المتقدمة أنظمة تلقائية للجرعات والتحكم لتحسين تركيزات المواد الكيميائية وأوقات العملية، مما يضمن التكرارية والجودة.

تقنيات التطبيق

تشمل إجراءات التمرير القياسية:

• التنظيف المسبق: إزالة الزيوت والشحوم والصدأ والملوثات الأخرى عبر إزالة الشحوم أو النقع أو التنظيف الكاشط.
• الشطف: غسل شامل بالماء لإزالة المواد الكيميائية المتبقية.
• غمر التمرير: غمر الفولاذ المنظف في محلول التمرير لمدة محددة، عادةً 15–60 دقيقة.
• الشطف النهائي: شطف نهائي بالماء لإزالة المواد الكيميائية المتبقية.
• التجفيف: تجفيف منضبط لمنع بقع الماء أو الخطوط.

تشمل معلمات العملية الحرجة درجة حرارة المحلول، ووقت الغمر، وتركيز المواد الكيميائية، وpH. يتم التحكم فيها بعناية من خلال أنظمة تلقائية واختبارات منتظمة لضمان تشكيل الفيلم بشكل متسق.

في خطوط الإنتاج، يتم دمج التمرير بعد خطوات التصنيع أو إنهاء، غالبًا كجزء من عملية متعددة المراحل تشمل التنظيف والتمرير والتفتيش.

متطلبات المعالجة المسبقة

تعتمد فعالية التمرير بشكل كبير على نظافة السطح. قبل المعالجة، يجب أن تكون الأسطح خالية من الزيوت والشحوم والأكاسيد والملوثات الأخرى التي قد تعيق تشكيل فيلم الأكسيد.

تشمل خطوات إعداد السطح:

• إزالة الشحوم: باستخدام منظفات قلوية أو قائمة على المذيبات.
• النقع: معالجة حمضية لإزالة قشور المصنع أو الصدأ.
• التنظيف الميكاني