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銅は、可鍛性、延性、導電性などのユニークな特性を併せ持つ、広く使用されている金属です。他の金属と同様に、物理的、化学的な変化を伴う分解や酸化プロセスを経ます。
では、銅の腐食についてさらに掘り下げてみましょう。
銅は錆びるのか、腐食するのか？
腐食は、金属が大気や化学物質、その他の特定の条件と反応することで起こる自然なプロセスです。この変化により、金属の機械的特性が変化し、構造的完全性が弱くなるとともに、外観も変化します。 銅は赤褐色の亜酸化銅層を形成します。 を形成します。
さびは、鉄を含む金属合金が酸化プロセスを経ることで形成されます。しかし銅は非鉄金属、つまり鉄を含んでいません。錆の発生には鉄分の含有が必須条件です、 銅は確かに錆びません。 酸素分子が銅の表面に降り注ぎ、銅原子と結合して酸化銅を形成するためです。
酸化鉄とは異なり、酸化銅は時間が経っても分解しません。酸化銅は銅の表面に保護膜を作り、徐々に厚くなり、炭酸銅になります。この新しい物質の層は パティーナと呼ばれるこの新しい層は、銅の内部を保護するシールドの役割を果たします。.さらに、傷ついたパティナは自ら再生します。
銅の腐食は、特に汚染されていない環境ではゆっくりと進行します。そのため、表面が変色し、徐々に暗褐色や黒色になり、最終的に独特の青緑色になるまでには、数ヶ月から数年かかります。
パティーナの形成は、強制的に用途によっては、銅が自然にそのような外観になるのを待つ時間がないため、特定の外観が求められることがよくあるからです。これは 銅の表面をさまざまな化学薬品や腐食剤で処理することによって。硝酸第二鉄、チオ硫酸ナトリウム、硫化カリなど。さまざまな方法を使い、銅をさまざまな温度や水分にさらすことで、さまざまな色合いや色が得られます。
銅の用途によっては、パテナ(変色)を完全に除去し、銅が最もきれいな状態になったときが最も効果的です。その例として銅線が挙げられます。 ワックス・コーティング、研磨、溶液は銅を腐食剤から守ります。酸化や変色を防ぎます。
銅の腐食に寄与する条件
銅の腐食を促進、加速させる特定の条件があります。以下はその例です：
- 塩水、熱、酸性化合物を含む環境条件にさらされると、銅の表面は劣化します。
- 土壌に流れる誘導直流または交流電流は、地下の銅パイプの腐食速度を速めます。
- ガルバニック腐食は、異種金属が銅と接触している場合に起こります。例えば、銅パイプと鉄パイプが接触している場合、電気伝導率の違いが腐食を促進します。ガルバニック現象を防ぐ最も簡単な方法は、銅を他の金属から絶縁することです。
- 異常に攻撃的な土壌は、塩化物、硫酸塩、アンモニア化合物、水分を高濃度に含む場合、銅の腐食を促進します。
- 多量の有機酸や無機酸との接触は、銅の金属表面を劣化させ、保護膜を取り除きます。
- 腐食疲労は、延性のある銅金属に常に応力がかかることで起こる可能性があります。銅管内の水流が高速で乱流になると、局部的な浸食や腐食が起こる可能性があります。銅管の周期的な収縮と膨張は、疲労を促進する応力を引き起こします。
- 環境中に存在する高レベルの酸素原子は、酸化を促進し、金属表面を腐食させます。
銅の腐食例-ニューヨーク自由の女神像
銅の腐食の素晴らしい例は、ニューヨークの自由の女神像で見ることができます。1886年に建立されたこの銅像は、もともとは光沢のある茶色でしたが、ニューヨークの水辺の自然環境にさらされ、青みがかった緑色のパティナに変色するのに約10年かかりました。さらに15年後、パティナは本格的なものになりました。
銅像を再び光沢のある茶色に塗ることを提案した政治家もいましたが、幸いなことに、広く一般市民はこの計画を少しも気に入りませんでした。今日、青緑色の外観は誰からも愛されています。銅像は50年ごとに磨かれるべきであり、そうすればすべての世代が徐々に変色していく様子を追体験できるはずだ、と主張する人もいます。しかし、この案は現実的ではありません。というのも 像の厚さは約2.4ミリしかないので何度か繰り返しているうちに薄くなってしまい、やがて像がなくなってしまうのです。
腐食は、鉄の骨格と銅の表皮を組み合わせた像の当初の設計に影響を与えました。雨水が電解質として作用し、2つの要素の間でガルバニック腐食が発生しました。鉄の骨組みには亜鉛コーティングが施され、腐食した部分はステンレス鋼に取り替えられました。
大規模な修復では、屋根やトーチなどの部品を交換するために8,000平方フィートの銅板を必要とし、トーチの炎は無垢の銅と金箔に交換されました。交換されたトーチは、1986年に像に取り付けられる前に、像の他の部分と同じようにあらかじめパテナイズされました。人工的なパティナは数年で剥がれ落ち、くすんだ銅が露出しました。くすんだ茶色の銅が独自のパティナ（古色）を帯びるまでには、20年以上かかりました。
銅合金の腐食の影響
銅は非常に可鍛性で延性のある金属元素であるため、他の金属と組み合わせるのが一般的です。銅の一般的な合金には、青銅（銅88％、スズ12％）や真鍮（銅66％、亜鉛34％、鉄と鉛の微量）があります。
銅合金は純銅とは異なり、腐食の仕方も異なります。銅合金は腐食を受けると、緑色とは異なる色に変化します。例えば、真鍮は黄金色に、青銅はライムグリーンからダークブラウンに変色します。
銅合金間の腐食挙動は、物理的・化学的特性、環境、応力、その他の要因によって異なります。
銅合金は特定の条件下で、並外れた耐食性を示します。以下はその例です：
- アルミニウム黄銅 は、高速海水による衝突腐食に非常に耐性があります。
- アルミニウム青銅 は亜硫酸塩溶液による化学的攻撃に耐性があります。
- 銅-シリコン 合金 は、黄銅と比較して応力腐食割れに対する大幅な耐性を提供します。
- ニッケル銀 は、淡水や海水による腐食に対して優れた保護性能を発揮します。
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