كيف لا يصدأ الفولاذ المقاوم للصدأ؟

الصدأ (Rust)، الذي يشكل تهديدًا دائمًا للحديد والفولاذ الذي يحيط بنا، حيث يتأكسدان بسهولة في الهواء والماء، مما يجعل الصدأ خطرًا على المباني والسيارات والأجهزة وعدد لا يحصى من الهياكل الأخرى. ولكن وسط هذا التآكل، هناك مادة واحدة تقف شامخة، وهي الفولاذ المقاوم للصدأ (Stainless steel). كما يوحي اسمها، لا يبدو أنها تصدأ، مما يجعلنا نتساءل، ما سرها؟

الصدأ المدمر الصامت

ما الذي يجعل الصدأ قويًا جدًا؟ لفهم هذا، دعونا نتعمق في الكيمياء وراءه. الصدأ هو في الأساس تفاعل كيميائي بين الحديد والأكسجين والرطوبة، مما يؤدي إلى تكوين أكسيد الحديد، المعروف أيضًا باسم الصدأ. يمكن أن يحدث رد الفعل هذا في أي مكان وفي أي وقت، مما يجعل الصدأ تهديدًا واسع النطاق.

لو وقعت قطرة ماء صغيرة على سطح فولاذي. قد يبدو الأمر غير ضار، ولكن في غضون دقائق، يبدأ الماء في التفاعل مع الحديد، مما يشكل بقعة صغيرة من الصدأ. إذا تركت هذه البقعة الصغيرة دون رادع، يمكن أن تنتشر، مما يضعف الهيكل ويجعله في النهاية عديم الفائدة.

الصدأ هو سيد التنكر، وغالبًا ما يختبئ تحت طبقة من المعدن الذي يبدو سليمًا. ويمكن أن يحدث بسبب شيء غير ضار مثل خدش أو تغير طفيف في درجة الحرارة. وبمجرد أن يترسخ الصدأ، يمكن أن ينتشر بسرعة، مما يسبب ضررًا لا يمكن إصلاحه للمعدن.

الاكتشاف العرضي للفولاذ المقاوم للصدأ

في أوائل القرن العشرين، كانت مكافحة الصدأ مصدر قلق ملح لعلماء المعادن. وكان عالم المعادن الإنجليزي هاري برييرلي واحدًا منهم، حيث كرس جهوده لإيجاد حل لمشكلة التآكل في السَّبَطانة (gun barrels)، الجزء الأنبوبي من الأسلحة النارية أو المدافع، ولم يكن يعلم أن سعيه سيؤدي إلى اكتشاف رائد من شأنه أن يغير وجه صناعة الصلب إلى الأبد.

تضمنت تجربة بريرلي إنشاء سبيكة من الحديد والكربون والكروم والنيكل. وكانت النتيجة عبارة عن سبيكة لا تناسب السَّبَطانة، لذا تخلص منها في الفناء الخلفي لمنزله. وبعد أسابيع، عثر بريرلي على السبيكة مرة أخرى، ولدهشته وجد أنها لم تصدأ. أثار هذا الاكتشاف بالصدفة سلسلة من الأحداث التي أدت إلى تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ الحديث.

أثار هذا فضول بريرلي، وبدأ في دراسة السبيكة بشكل أكبر. كان هذا الاكتشاف بالصدفة بمثابة بداية حقبة جديدة في إنتاج الصلب، ومضى بريرلي في تقديم الفولاذ المقاوم للصدأ إلى العالم في عام 1915.

سر المقاومة للصدأ

الفولاذ العادي عبارة عن سبيكة من 99% من الحديد وما بين حوالي 0.2% و1% من الكربون، بينما يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ عادةً على ما بين 62% و75% من الحديد، وما يصل إلى 1% من الكربون، وأكثر من 10.5% من الكروم. يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ عادةً أيضًا على نسبة قليلة من النيكل، مما يجعله أكثر صلابة وأسهل في التعامل معه. باختصار، الكروم هو المفتاح لمقاومة الصدأ.

إن إضافة الكروم، وهو عنصر حيوي، يخلق طبقة واقية على سطح المعدن، مما يمنع الأكسجين من التفاعل مع الحديد والتسبب بالصدأ. يبلغ سمك هذه “الطبقة السلبية” من أكسيد الكروم (Cr2O3) بضعة نانومترات فقط، مما يجعلها غير مرئية للعين المجردة.

علاوة على ذلك، تتمتع هذه الطبقة بخصائص الشفاء الذاتي، مما يسمح لها بإصلاح نفسها في حالة تلفها. وطبيعته الخاملة تعني أنه لن يتفاعل مع مواد أخرى، ولا يتسرب إلى ما وراء سطح المعدن، مما يجعل الفولاذ المقاوم للصدأ مناسبًا للتطبيقات التي يكون فيها النقاء أمرًا بالغ الأهمية، مثل إنتاج الغذاء والجراحة.

• ما هي كيمياء السطوح وما أهم تطبيقاتها؟
• ما هو الطراز الدولي international style في العمارة؟
• ما هو أثر الزلازل في المباني الخرسانية المسلحة؟
• ما هي فلسفة التصميم الزلزالي؟
• برج إيفل وكل ما تحتاج معرفته عنه

التطبيقات والتأثير

في صناعة المواد الغذائية، تعد معدات الفولاذ المقاوم للصدأ أمرًا ضروريًا نظرًا لمقاومتها للتآكل. يمكن التعامل مع الطعام وتخزينه ومعالجته دون القلق بشأن التلوث أو التلف. وقد أدى ذلك إلى انخفاض كبير في الأمراض المنقولة بالغذاء وتحسين سلامة الأغذية بشكل عام.

في البناء، يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ في بناء الجسور وناطحات السحاب ومشاريع البنية التحتية الأخرى نظرًا لقوته ومتانته ومقاومته للتآكل. وقد مكن هذا المهندسين من تصميم مشاريع أكثر طموحًا، ودفع حدود الهندسة المعمارية والهندسة.

في الطب، يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ في المعدات الطبية، والأدوات الجراحية، وحتى الأجهزة القابلة للزرع. إن توافقها الحيوي ومقاومتها للتآكل وسهولة التعقيم يجعلها مادة مثالية للتطبيقات الطبية.

وأخيرًا، يُستخدم الفولاذ المقاوم للصدأ أيضًا في تقنيات الطاقة المتجددة، مثل توربينات الرياح والألواح الشمسية، نظرًا لنسبة القوة العالية إلى الوزن، ومقاومته للتآكل، وقدرته على تحمل الظروف البيئية القاسية.

المصدر

Why doesn’t stainless steel rust? | live science

Author: أخبار علمية