Kuparin ja sen seosten korroosio: syitä ja ratkaisuja

2024 Kirjoittaja: Howard Calhoun | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-17 10:26

Kuparilla ja kupariseoksilla on korkea sähkön- ja lämmönjohtavuus, ne voidaan työstää, niillä on hyvä korroosionkestävyys, joten niitä käytetään aktiivisesti monilla teollisuudenaloilla. Mutta kun se joutuu tiettyyn ympäristöön, kuparin ja sen seosten korroosio ilmenee silti. Mikä se on ja kuinka suojata tuotteita vaurioilta, pohdimme tässä artikkelissa.

Mikä on korroosio

Tämä on metallien tuhoutuminen ympäristölle altistumisen seurauksena. Maissa, joissa teollisuus on hyvin kehittynyt, korroosion aiheuttamat vahingot ovat 4–5 % kansantulosta. Ei vain metallit, vaan myös niistä valmistetut mekanismit ja osat, mikä johtaa erittäin korkeisiin kustannuksiin. Ruostuneet putkistot vuotavat usein haitallisia kemikaaleja, mikä johtaa maaperän, veden ja ilman saastumiseen. Kaikki tämä vaikuttaa haitallisesti ihmisten terveyteen. Kuparin korroosio on sen spontaani tuhoutuminen ihmisen ympäristön yksittäisten elementtien vaikutuksesta. Metallin vaurioitumisen syy on epävakausse yksittäisiin aineisiin ilmassa. Mitä korkeampi lämpötila, sitä korkeampi korroosionopeus.

Kuparin ominaisuudet

Kupari on ensimmäinen metalli, jota ihminen alkoi käyttää. Se on väriltään kultainen, ja ilmassa se peittyy oksidikalvolla ja saa punakeltaisen värin, mikä erottaa sen muista metalleista, joilla on harmaa sävy. Se on erittäin muovinen, sillä on korkea lämmönjohtavuus, sitä pidetään erinomaisena johtimena, hopean jälkeen. Heikossa kloorivetyhapossa, makeassa ja merivedessä kuparin korroosio on mitätöntä.

Ulkoilmassa metalli hapettuu muodostaen oksidikalvon, joka suojaa metallia. Ajan myötä se tummuu ja muuttuu ruskeaksi. Kuparia peittävää kerrosta kutsutaan patinaksi. Se muuttaa värinsä ruskeasta vihreäksi ja jopa mustaksi.

Sähkökemiallinen korroosio

Tämä on yleisin metallituotteiden tuhoamistapa. Sähkökemiallinen korroosio tuhoaa koneen osia, erilaisia maassa sijaitsevia rakenteita, vettä, ilmakehää, voitelu- ja jäähdytysnesteitä. Kyseessä on metallien pinnan vaurioituminen sähkövirran vaikutuksesta, kun kemiallisen reaktion aikana elektroneja vapautuu ja siirtyy katodeilta anodeille. Tätä helpottaa metallien heterogeeninen kemiallinen rakenne. Kun kupari koskettaa rautaa, elektrolyyttiin ilmaantuu galvaaninen kenno, jossa raudasta tulee anodi ja kuparista katodi, koska rauta jaksollisen järjestelmän mukaisessa jännitesarjassa on kuparin vasemmalla puolella ja on aktiivisempi.

Rautaparissa kuparin kanssa raudan korroosio tapahtuu nopeammin kuin kupari. Tämä johtuu siitä, että kun rauta tuhoutuu, elektronit siirtyvät siitä kupariin, joka pysyy suojattuna, kunnes koko rautakerros tuhoutuu kokonaan. Tätä ominaisuutta käytetään usein osien ja mekanismien suojaamiseen.

Epäpuhtauksien vaikutus metallien huononemiseen

On tunnettua, että puhtaat metallit eivät käytännössä ruostu. Mutta käytännössä kaikki materiaalit sisältävät jonkin verran epäpuhtauksia. Miten ne vaikuttavat turvallisuuteen tuotteiden käytön aikana? Oletetaan, että osa on valmistettu kahdesta metallista. Harkitse kuinka kuparin korroosio alumiinin kanssa tapahtuu. Altistuessaan ilmalle sen pinta peittyy ohuella vesikalvolla. On huomattava, että vesi hajoaa vetyioneiksi ja hydroksidi-ioneiksi ja veteen liuennut hiilidioksidi muodostaa hiilihappoa. Osoittautuu, että liuokseen upotettu kupari ja alumiini muodostavat galvaanisen kennon. Lisäksi alumiini on anodi, kupari katodi (alumiini on kuparin vasemmalla puolella jännitesarjassa).

Alumiini-ionit tulevat liuokseen, ja ylimääräiset elektronit siirtyvät kupariin purkaen vetyioneja lähellä sen pintaa. Alumiini-ionit ja hydroksidisävyt yhdistyvät ja kerrostuvat alumiinin pinnalle valkoisena aineena aiheuttaen korroosiota.

Kuparin korroosio happamissa ympäristöissä

Kuparilla on hyvä korroosionkestävyys kaikissa olosuhteissa, koska se harvoin syrjäyttää vetyä, koska se kuuluu sähkökemialliseen jännitesarjaanseisoo lähellä jalometallia. Kuparin laaja käyttö kemianteollisuudessa johtuu sen kestävyydestä monille aggressiivisille orgaanisille aineille:

• nitraatit ja sulfidit;
• fenolihartsit;
• etikka-, maito-, sitruuna- ja oksaalihappo;
• kalium- ja natriumhydroksidit;
• heikot rikki- ja suolahapon liuokset.

Toisa alta kupari tuhoutuu voimakkaasti:

• kromisuolojen happamat liuokset;
• mineraalihapot - perkloori ja typpi, ja korroosio lisääntyy pitoisuuden kasvaessa.
• väkevä rikkihappo, lisääntyy lämpötilan noustessa;
• ammoniumhydroksidi;
• hapettavat suolat.

Metallinsuojausmenetelmät

Käytännössä kaikki kaasumaisessa tai nestemäisessä väliaineessa olevat metallit tuhoutuvat pintaan. Pääasiallinen tapa suojata kuparia korroosiolta on levittää tuotteiden pintaan suojakerros, joka koostuu:

• Metalli - tuotteen kuparipinnalle levitetään metallikerros, joka kestää paremmin korroosiota. Esimerkiksi messinkiä, sinkkiä, kromia ja nikkeliä käytetään sellaisenaan. Tässä tapauksessa pinnoitukseen käytetyn metallin kanssa tapahtuu kosketusta ympäristöön ja hapettumista. Jos suojakerros on osittain vaurioitunut, epäjaloinen metalli, kupari, tuhoutuu.
• Ei-metalliset aineet ovat epäorgaanisia pinnoitteita, jotka koostuvat lasimaisesta massasta, sementtilaastista tai orgaanisesta - maaleista, lakoista, bitumista.
• Kemiakalvot - suoja muodostetaan kemiallisella menetelmällä, jolloin metallipinnalle muodostuu yhdisteitä, jotka suojaavat kuparia luotettavasti korroosiolta. Tätä varten käytetään oksidi-, fosfaattikalvoja tai seosten pinta kyllästetään typellä, orgaanisilla aineilla tai käsitellään hiilellä, jonka yhdisteet säilyttävät sen luotettavasti.

Lisäksi kupariseosten koostumukseen lisätään seoskomponenttia, joka parantaa korroosionesto-ominaisuuksia tai muutetaan ympäristön koostumusta poistamalla siitä epäpuhtaudet ja lisäämällä reaktiota hidastavia inhibiittoreita.

Johtopäätös

Kupari ei ole kemiallisesti aktiivinen alkuaine, minkä vuoksi sen tuhoutuminen on hyvin hidasta melkein missä tahansa ympäristössä. Siksi sitä käytetään laajasti monilla kansantalouden sektoreilla. Esimerkiksi metalli on erittäin vakaa puhtaassa makeassa ja merivedessä. Mutta kun happipitoisuus kasvaa tai veden virtaus nopeutuu, korroosionkestävyys heikkenee.