Διάβρωση του χαλκού και των κραμάτων του: αιτίες και λύσεις

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Ο χαλκός και τα κράματα χαλκού έχουν υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, μπορούν να υποβληθούν σε μηχανική επεξεργασία, έχουν καλή αντοχή στη διάβρωση, επομένως χρησιμοποιούνται ενεργά σε πολλές βιομηχανίες. Αλλά όταν εισέρχεται σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον, η διάβρωση του χαλκού και των κραμάτων του εξακολουθεί να εκδηλώνεται. Τι είναι και πώς να προστατέψετε τα προϊόντα από ζημιές, θα εξετάσουμε σε αυτό το άρθρο.

Τι είναι η διάβρωση

Πρόκειται για την καταστροφή μετάλλων ως αποτέλεσμα της έκθεσης στο περιβάλλον. Σε χώρες με καλά ανεπτυγμένη βιομηχανία, η ζημιά από τη διάβρωση είναι 4–5% του εθνικού εισοδήματος. Δεν φθείρονται μόνο τα μέταλλα, αλλά και οι μηχανισμοί και τα μέρη που κατασκευάζονται από αυτά, γεγονός που οδηγεί σε πολύ υψηλό κόστος. Οι διαβρωμένοι αγωγοί συχνά διαρρέουν επιβλαβείς χημικές ουσίες, με αποτέλεσμα τη ρύπανση του εδάφους, του νερού και του αέρα. Όλα αυτά επηρεάζουν αρνητικά την υγεία των ανθρώπων. Η διάβρωση του χαλκού είναι η αυθόρμητη καταστροφή του υπό την επίδραση μεμονωμένων στοιχείων του ανθρώπινου περιβάλλοντος. Η αιτία της ζημιάς στο μέταλλο είναι η αστάθειασε μεμονωμένες ουσίες στον αέρα. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός διάβρωσης.

Ιδιότητες χαλκού

Ο χαλκός είναι το πρώτο μέταλλο που άρχισε να χρησιμοποιεί ο άνθρωπος. Έχει χρυσαφί χρώμα και στον αέρα καλύπτεται με μεμβράνη οξειδίου και αποκτά κόκκινο-κίτρινο χρώμα, που το ξεχωρίζει από άλλα μέταλλα που έχουν γκρι απόχρωση. Είναι πολύ πλαστικό, έχει υψηλή θερμική αγωγιμότητα, θεωρείται εξαιρετικός αγωγός, δεύτερος μόνο μετά το ασήμι. Σε ασθενές υδροχλωρικό οξύ, γλυκό και θαλασσινό νερό, η διάβρωση του χαλκού είναι αμελητέα.

Στην ύπαιθρο, το μέταλλο οξειδώνεται με το σχηματισμό ενός φιλμ οξειδίου που προστατεύει το μέταλλο. Με τον καιρό, σκουραίνει και γίνεται καφέ. Το στρώμα που καλύπτει τον χαλκό ονομάζεται πατίνα. Αλλάζει το χρώμα του από καφέ σε πράσινο και ακόμη και μαύρο.

Ηλεκτροχημική διάβρωση

Αυτός είναι ο πιο συνηθισμένος τύπος καταστροφής μεταλλικών προϊόντων. Η ηλεκτροχημική διάβρωση καταστρέφει μέρη μηχανής, διάφορες δομές που βρίσκονται στο έδαφος, νερό, ατμόσφαιρα, λιπαντικά και ψυκτικά υγρά. Πρόκειται για βλάβη στην επιφάνεια των μετάλλων υπό την επίδραση ηλεκτρικού ρεύματος, όταν, κατά τη διάρκεια μιας χημικής αντίδρασης, απελευθερώνονται ηλεκτρόνια και μεταφέρονται από τις κάθοδοι στις άνοδοι. Αυτό διευκολύνεται από την ετερογενή χημική δομή των μετάλλων. Όταν ο χαλκός έρχεται σε επαφή με το σίδηρο, εμφανίζεται ένα γαλβανικό στοιχείο στον ηλεκτρολύτη, όπου ο σίδηρος γίνεται η άνοδος και ο χαλκός γίνεται η κάθοδος, επειδή ο σίδηρος στη σειρά τάσεων σύμφωνα με τον περιοδικό πίνακα βρίσκεται στα αριστερά του χαλκού και είναι πιο ενεργός.

Σε ένα ζεύγος σιδήρου με χαλκό, η διάβρωση του σιδήρου συμβαίνει πιο γρήγορα από τον χαλκό. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι όταν ο σίδηρος καταστρέφεται, τα ηλεκτρόνια από αυτόν περνούν στον χαλκό, ο οποίος παραμένει προστατευμένος μέχρι να καταστραφεί εντελώς το στρώμα του σιδήρου. Αυτή η ιδιότητα χρησιμοποιείται συχνά για την προστασία εξαρτημάτων και μηχανισμών.

Επίδραση των ακαθαρσιών στην αλλοίωση των μετάλλων

Είναι γνωστό ότι τα καθαρά μέταλλα πρακτικά δεν διαβρώνονται. Αλλά στην πράξη, όλα τα υλικά περιέχουν κάποια ποσότητα ακαθαρσιών. Πώς επηρεάζουν την ασφάλεια κατά τη λειτουργία των προϊόντων; Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει ένα μέρος κατασκευασμένο από δύο μέταλλα. Σκεφτείτε πώς συμβαίνει η διάβρωση του χαλκού με το αλουμίνιο. Όταν εκτίθεται στον αέρα, η επιφάνειά του καλύπτεται με μια λεπτή μεμβράνη νερού. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το νερό διασπάται σε ιόντα υδρογόνου και ιόντα υδροξειδίου και το διοξείδιο του άνθρακα διαλυμένο στο νερό σχηματίζει ανθρακικό οξύ. Αποδεικνύεται ότι ο χαλκός και το αλουμίνιο, βυθισμένα σε ένα διάλυμα, δημιουργούν ένα γαλβανικό στοιχείο. Επιπλέον, το αλουμίνιο είναι η άνοδος, ο χαλκός είναι η κάθοδος (το αλουμίνιο βρίσκεται στα αριστερά του χαλκού στη σειρά τάσης).

Ιόντα αλουμινίου εισέρχονται στο διάλυμα και η περίσσεια ηλεκτρονίων περνά στον χαλκό, εκκενώνοντας ιόντα υδρογόνου κοντά στην επιφάνειά του. Ιόντα αλουμινίου και τόνοι υδροξειδίου συνδυάζονται και εναποτίθενται στην επιφάνεια αλουμινίου ως λευκή ουσία, προκαλώντας διάβρωση.

Διάβρωση του χαλκού σε όξινα περιβάλλοντα

Ο χαλκός παρουσιάζει καλή αντοχή στη διάβρωση σε όλες τις συνθήκες, καθώς σπάνια εκτοπίζει το υδρογόνο επειδή ανήκει στην ηλεκτροχημική σειρά τάσηςστέκεται κοντά σε πολύτιμα μέταλλα. Η ευρεία χρήση του χαλκού στη χημική βιομηχανία οφείλεται στην αντοχή του σε πολλά επιθετικά οργανικά μέσα:

• νιτρικά και σουλφίδια;
• φαινολικές ρητίνες;
• οξικό, γαλακτικό, κιτρικό και οξαλικό οξύ;
• υδροξείδια καλίου και νατρίου;
• ασθενή διαλύματα θειικού και υδροχλωρικού οξέος.

Από την άλλη πλευρά, υπάρχει ισχυρή καταστροφή του χαλκού σε:

• όξινα διαλύματα αλάτων χρωμίου;
• ορυκτά οξέα - υπερχλωρικό και νιτρικό, και η διάβρωση αυξάνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης.
• συμπυκνωμένο θειικό οξύ, που αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας;
• υδροξείδιο αμμωνίου;
• οξειδωτικά άλατα.

Μέθοδοι διατήρησης μετάλλων

Πρακτικά όλα τα μέταλλα σε αέριο ή υγρό μέσο υφίστανται επιφανειακή καταστροφή. Ο κύριος τρόπος προστασίας του χαλκού από τη διάβρωση είναι η εφαρμογή ενός προστατευτικού στρώματος στην επιφάνεια των προϊόντων, που αποτελείται από:

• Μέταλλο - ένα στρώμα μετάλλου εφαρμόζεται στη χάλκινη επιφάνεια του προϊόντος, το οποίο είναι πιο ανθεκτικό στη διάβρωση. Για παράδειγμα, ορείχαλκος, ψευδάργυρος, χρώμιο και νικέλιο χρησιμοποιούνται ως αυτό. Σε αυτή την περίπτωση, θα συμβεί επαφή με το περιβάλλον και οξείδωση με το μέταλλο που χρησιμοποιείται για την επίστρωση. Εάν το προστατευτικό στρώμα είναι μερικώς κατεστραμμένο, τότε το βασικό μέταλλο, ο χαλκός, καταστρέφεται.
• Οι μη μεταλλικές ουσίες είναι ανόργανες επικαλύψεις που αποτελούνται από υαλώδη μάζα, τσιμεντοκονία ή οργανικά - χρώματα, βερνίκια, πίσσα.
• Χημικόμεμβράνες - η προστασία σχηματίζεται με χημική μέθοδο, δημιουργώντας ενώσεις στη μεταλλική επιφάνεια που προστατεύουν αξιόπιστα τον χαλκό από τη διάβρωση. Για να γίνει αυτό, χρησιμοποιούνται μεμβράνες οξειδίου, φωσφορικών ή η επιφάνεια των κραμάτων είναι κορεσμένη με άζωτο, οργανικές ουσίες ή επεξεργάζεται με άνθρακα, οι ενώσεις του οποίου το διατηρούν αξιόπιστα.

Επιπλέον, ένα συστατικό κράματος εισάγεται στη σύνθεση των κραμάτων χαλκού, το οποίο ενισχύει τις αντιδιαβρωτικές ιδιότητες ή αλλάζει η σύνθεση του περιβάλλοντος, αφαιρώντας ακαθαρσίες από αυτό και εισάγοντας αναστολείς που επιβραδύνουν την αντίδραση.

Συμπέρασμα

Ο χαλκός δεν είναι χημικά ενεργό στοιχείο, γι' αυτό η καταστροφή του είναι πολύ αργή σχεδόν σε οποιοδήποτε περιβάλλον. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλούς τομείς της εθνικής οικονομίας. Για παράδειγμα, το μέταλλο είναι πολύ σταθερό σε καθαρό γλυκό και θαλασσινό νερό. Αλλά καθώς η περιεκτικότητα σε οξυγόνο αυξάνεται ή η ροή του νερού επιταχύνεται, η αντίσταση στη διάβρωση μειώνεται.