Kupferkorrosion erklärt – 3DCAD.news

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Kupfer ist ein weit verbreitetes Metall, das eine einzigartige Kombination von Eigenschaften besitzt, wie z.B. formbar, dehnbar und leitfähig zu sein. Wie jedes andere Metall unterliegt es einem Zersetzungs- oder Oxidationsprozess, der physikalische und chemische Veränderungen mit sich bringt.

Lassen Sie uns nun tiefer in die Kupferkorrosion eintauchen.

Rostet oder korrodiert Kupfer?

Korrosion ist ein natürlicher Prozess, der auftritt, wenn Metalle mit der Atmosphäre, Chemikalien oder anderen spezifischen Bedingungen reagieren. Diese Umwandlung führt zu einem veränderten Erscheinungsbild sowie zu Veränderungen der mechanischen Eigenschaften des Metalls und einer schwächeren strukturellen Integrität. Kupfer bildet eine rötlich-braune Kupferoxidschicht während seiner elektrochemischen Reaktion mit der Umgebung.

Rost bildet sich, wenn Metalllegierungen, die Eisen enthalten, den Oxidationsprozess durchlaufen. Kupfer ist jedoch ein Nichteisenmetall, das heißt, es enthält kein Eisen. Da der Eisengehalt eine Voraussetzung für die Bildung von Rost ist, rostet Kupfer natürlich nicht, sondern korrodiert oder oxidiert wenn Sauerstoffmoleküle auf seiner Oberfläche landen und sich mit Kupferatomen zu Kupferoxid verbinden.

Anders als Eisenoxid zerfällt Kupferoxid nicht mit der Zeit. Es bildet einen Schutzfilm auf der Oberfläche des Kupfers, der sich allmählich verdichtet, bis er zu Kupferkarbonat wird. Diese neue Schicht des Materials, genannt Patina, dient als Schutzschild, der das unverdorbene Kupfer im Inneren bewahrt. Darüber hinaus regeneriert sich beschädigte Patina von selbst.

Die Korrosion von Kupfer ist ein langsamer Prozess, insbesondere in unverschmutzten Umgebungen. Daher dauert es Monate oder sogar Jahre, bis die Oberflächen anlaufen und sich allmählich dunkelbraun oder schwarz und schließlich in eine unverwechselbare blau-grüne Farbe verwandeln.

Die Bildung von Patina kann forciert werden, da für einige Anwendungen oft ein bestimmtes Aussehen gewünscht wird und niemand die Zeit hat, darauf zu warten, dass das Kupfer dieses Aussehen auf natürliche Weise erreicht. Dies wird erreicht durch die Behandlung der Kupferoberfläche mit verschiedenen Chemikalien oder korrosiven Mittelnwie Eisen(III)-nitrat, Natriumthiosulfat und schwefelhaltige Pottasche. Durch die Anwendung verschiedener Methoden und die Aussetzung des Kupfers gegenüber unterschiedlichen Temperaturen und Feuchtigkeitsgraden können verschiedene Farbtöne und Farben erzielt werden.

Einige Anwendungen von Kupfer sind am effizientesten, wenn die Patina vollständig entfernt wird und das Kupfer in seiner reinsten Form vorliegt. Ein Beispiel hierfür sind Kupferdrähte, die ohne Patina ihre beste elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Wachsbeschichtung, Polieren und Lösungen versiegeln Kupfer vor Korrosionsmittelnund verhindern, dass es oxidiert und anläuft.

Bedingungen, die zur Korrosion von Kupfer beitragen

Es gibt bestimmte Bedingungen, die die Kupferkorrosion fördern oder beschleunigen. Dazu gehören:

• Umweltbedingungen, die Salzwasser, Hitze oder säurehaltige Verbindungen enthalten, verschlechtern die Kupferoberfläche.
• Induzierte Gleich- oder Wechselströme, die im Boden fließen, beschleunigen die Korrosionsrate für unterirdische Kupferrohre.
• Galvanische Korrosion findet statt, wenn ungleiche Metalle mit Kupfer in Kontakt kommen. Ein Beispiel hierfür ist ein Kupferrohr, das mit einem Stahlrohr in Berührung kommt, wobei Unterschiede in der elektrischen Leitfähigkeit die Korrosion fördern. Der einfachste Weg, um galvanische Vorgänge zu verhindern, ist die Isolierung von Kupfer gegen andere Metalle.
• Ungewöhnlich aggressive Böden können die Korrosion von Kupfer fördern, wenn sie hohe Konzentrationen von Chlorid, Sulfat, Ammoniakverbindungen und Feuchtigkeit aufweisen.
• Der Kontakt mit großen Mengen an organischer und anorganischer Säure greift die Metalloberfläche des Kupfers an und entfernt den Schutzfilm.
• Korrosionsermüdung kann durch die ständige Beanspruchung der duktilen Kupfermetalle auftreten. Hohe Strömungsgeschwindigkeiten und turbulente Wasserströmungen in Kupferrohren können zu lokaler Erosion und Korrosion führen. Das periodische Zusammenziehen und Ausdehnen von Kupferrohren führt zu Spannungen, die die Ermüdung fördern.
• Erhöhte Mengen an Sauerstoffatomen in der Umgebung korrodieren die Oberfläche des Metalls durch beschleunigte Oxidation.

Beispiel für Kupferkorrosion – Freiheitsstatue NYC

Ein gutes Beispiel für Kupferkorrosion ist die Freiheitsstatue in New York. Die 1886 errichtete Statue war ursprünglich glänzend braun, aber es dauerte etwa 10 Jahre, in denen sie der natürlichen Umgebung durch das Wasser in New York ausgesetzt war, bis sich ihre Farbe in eine bläulich-grüne Patina verwandelte. Weitere 15 Jahre später war die Patina voll ausgeprägt.

Es gab sogar Politiker, die vorschlugen, die Statue wieder glänzend braun zu streichen, aber zum Glück gefiel dieser Plan der breiten Öffentlichkeit überhaupt nicht. Heute wird das blau-grüne Aussehen von allen geliebt. Einige haben argumentiert, dass die Statue alle 50 Jahre poliert werden sollte, damit jede Generation das allmähliche Anlaufen und die Veränderung der Farben miterleben kann. Diese Idee ist jedoch nicht praktikabel. Wie die Statue nur etwa 2,4 Millimeter dick istwäre sie nach ein paar Zyklen zu dünn und es gäbe bald keine Statue mehr.

Die Korrosion wirkte sich auf die ursprüngliche Konstruktion der Statue aus, die eine Kombination aus einem Eisengerüst und einer Kupferhaut aufwies. Zwischen den beiden Elementen kam es zu galvanischer Korrosion, wobei Regenwasser als Elektrolyt fungierte. Die Eisenstruktur wurde mit einer Zinkbeschichtung versehen, während die korrodierten Teile durch rostfreien Stahl ersetzt wurden.

Die umfangreiche Restaurierung erforderte 8.000 Quadratmeter Kupferblech, um Teile wie die Überdachung und die Fackel zu ersetzen, während die Fackelflamme durch massives Kupfer und Blattgold ersetzt wurde. Die Ersatzfackel wurde vor der Montage 1986 vorpatiniert, um sie an den Rest der Statue anzupassen. Die künstliche Patina verblasste innerhalb weniger Jahre und legte das stumpfe Kupfer frei. Es dauerte über zwanzig Jahre, bis das stumpfe braune Kupfer seine eigene Patina entwickelte.

Die Auswirkungen von Korrosion auf Kupferlegierungen

Kupfer wird häufig mit anderen Metallen kombiniert, da es ein extrem formbares und dehnbares Metallelement ist. Zu den gängigen Kupferlegierungen gehören Bronze (88% Kupfer, 12% Zinn) und Messing (66% Kupfer, 34% Zink mit einigen Spuren von Eisen und Blei).

Kupferlegierungen sind anders als reines Kupfer und korrodieren anders als reines Kupfer. Eine Kupferlegierung kann eine andere Farbe als grün annehmen, wenn sie korrodiert. Messing zum Beispiel nimmt eine goldbraune Farbe an, während Bronze sich lindgrün bis dunkelbraun verfärbt.

Das Korrosionsverhalten von Kupferlegierungen variiert je nach ihren physikalischen und chemischen Eigenschaften, der Umgebung, der Belastung und anderen Faktoren.

Kupferlegierungen weisen unter bestimmten Bedingungen eine außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit auf. Hier sind ein paar Beispiele:

• Aluminium-Messing ist sehr widerstandsfähig gegen Aufprallkorrosion durch Salzwasser mit hoher Geschwindigkeit.
• Aluminium-Bronze ist resistent gegen chemische Angriffe durch Sulfitlösungen.
• Kupfer-Silizium Legierungen bieten im Vergleich zu Messing eine erhebliche Widerstandsfähigkeit gegen Spannungskorrosionsrisse.
• Nickel-Silber bieten einen hervorragenden Schutz gegen Korrosion durch Süß- und Salzwasser.

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