إن الصدأ يشكل تهديداً مستمراً للحديد الموجود حولنا، والذي يتأكسد بسهولة في الهواء والماء.
حتى الفولاذ الذي يحتوي على آثار من الكربون يصدأ بسهولة، وهو ما يعني أن الأكسدة تلحق الضرر بالفولاذ في المباني والسيارات والأجهزة.
ولكن ما السر في وجود أنواع من الفولاذ مقاومة للصدأ؟
ببساطة، تعمل كيمياء الفولاذ المقاوم للصدأ على منع وصول الأكسجين الموجود في الهواء والبيئة إلى الحديد الموجود في الفولاذ، مما يمنع تفاعلات الأكسدة الضارة.
الفولاذ العادي والمقاوم للصدأ
يصدأ الفولاذ العادي عندما يتفاعل الحديد كيميائيًا مع الأكسجين لتكوين أكسيد الحديد. ورغم أن الصدأ لا يضر بالإنسان بشكل عام، إلا أنه قد يتسبب في تآكل الحديد بشكل كبير ويجعله غير آمن وقبيح المنظر.
الفولاذ العادي عبارة عن سبيكة من 99% من الحديد وما بين 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.
السر في الكروم
يحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ عادةً أيضًا على نسبة قليلة من النيكل، مما يجعله أكثر صلابة وأسهل في العمل.
قال تيم كولينز، عالم المواد، لموقع Live Science، إن الكروم هو العنصر الأساسي لمقاومة الفولاذ المقاوم للصدأ.
يتفاعل الكروم مع الأكسجين في البيئة – عادة في الهواء، ولكن أيضًا تحت الماء – لإنشاء “طبقة سلبية” من أكسيد الكروم (Cr2O3) على سطح المعدن.
وأوضح كولينز أن هذه الطبقة تمنع الأكسجين من الوصول إلى الحديد في الفولاذ لتكوين الصدأ.
وأضاف أن الطبقة السلبية على الفولاذ المقاوم للصدأ لا يزيد سمكها عن بضعة نانومترات وبالتالي فهي غير مرئية.
وأضاف كولينز أن طبقة أكسيد الكروم قادرة على إصلاح نفسها إذا تعرضت للتلف؛ وهي خاملة، مما يعني أنها لا تتفاعل كيميائيًا مع مواد أخرى؛ ولا تتسرب إلى ما هو أبعد من سطح المعدن، مما يجعل الفولاذ المقاوم للصدأ مناسبًا لإنتاج الأغذية والجراحة والتطبيقات الأخرى.
اكتشاف عرضي
تم تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ الحديث في عام 1912 من قبل عالم المعادن الإنجليزي هاري برييرلي، الذي كان يدرس سبائك الفولاذ لمنع التآكل في براميل البنادق.
ابتكر برييرلي سبيكة من الحديد والكربون والكروم والنيكل. لكن كولينز قال إنه لم يكن مناسبًا لأنابيب البنادق، لذا فقد ألقاها في حديقته الخلفية. وبعد بضعة أسابيع، لاحظ برييرلي أن السبائك اللامعة في حديقته لم تصدأ – لذا قام بتطوير المادة وقدمها للعالم في عام 1915.
وقال كولينز إن الفولاذ المقاوم للصدأ يشكل الآن حوالي 4% من الفولاذ المستخدم في جميع أنحاء العالم كل عام – ما يقرب من 2 مليار طن.
ولكن الفولاذ المقاوم للصدأ معقد ومكلف في التصنيع – عادة ما تكون تكلفة إنتاجه أعلى بثلاثة إلى خمسة أضعاف من تكلفة إنتاج الفولاذ العادي – كما أن إضافة عناصر معدنية خاصة إلى السبائك (مثل الموليبدينوم للتطبيقات تحت الماء) يمكن أن يجعلها أكثر تكلفة.