Miedź jest szeroko stosowanym metalem posiadającym unikalną kombinację właściwości, takich jak kowalność, ciągliwość i przewodzenie. Jak każdy inny metal podlega procesowi rozkładu lub utleniania, który obejmuje zmiany fizyczne i chemiczne.
Zagłębmy się teraz w temat korozji miedzi.
Czy miedź rdzewieje lub koroduje?
Korozja jest naturalnym procesem zachodzącym w wyniku reakcji metali z atmosferą, substancjami chemicznymi lub innymi specyficznymi warunkami. Transformacja ta prowadzi do zmiany wyglądu, zmiany właściwości mechanicznych metalu i osłabienia integralności strukturalnej. Miedź tworzy czerwonobrązową warstwę tlenku miedziawego podczas reakcji elektrochemicznej z otoczeniem.
Rdza powstaje, gdy stopy metali zawierające żelazo ulegają procesowi utleniania. Miedź jest jednak metalem nieżelaznym, co oznacza, że nie zawiera żelaza. Ponieważ zawartość żelaza jest warunkiem powstawania rdzy, miedź na pewno nie rdzewieje, ona koroduje lub utlenia się gdy cząsteczki tlenu lądują na jego powierzchni i łączą się z atomami miedzi, tworząc tlenek miedzi.
W przeciwieństwie do tlenku żelaza, tlenek miedzi nie rozpada się z czasem. Tworzy na powierzchni miedzi film ochronny, który stopniowo gęstnieje, aż stanie się węglanem miedzi. Ta nowa warstwa materiału, tzw patyna, służy jako tarcza chroniąca nienaruszoną miedź wewnątrz. Co więcej, uszkodzona patyna regeneruje się sama.
Korozja miedzi jest procesem powolnym, szczególnie w niezanieczyszczonym środowisku. Dlatego powierzchnie zmatowieją i stopniowo zmienią kolor na ciemnobrązowy lub czarny, a ostatecznie na charakterystyczny niebiesko-zielony kolor, miną miesiące, a nawet lata.
Można wymusić powstawanie patyny, ponieważ w przypadku niektórych zastosowań często pożądany jest specyficzny wygląd, podczas gdy nikt nie ma czasu czekać, aż miedź uzyska ten wygląd w sposób naturalny. To zostaje osiągnięte poprzez obróbkę powierzchni miedzianych różnymi chemikaliami lub środkami korozyjnymi, takie jak azotan żelaza, tiosiarczan sodu i potaż siarkowany. Stosując różne metody i poddając miedź działaniu różnych temperatur i poziomów wilgotności, można uzyskać różne odcienie i kolory.
Niektóre zastosowania miedzi są najskuteczniejsze, gdy patyna jest całkowicie usunięta, a miedź jest w najczystszej postaci. Przykładem tego mogą być druty miedziane, które wykazują najbardziej przewodzący prąd elektryczny bez patyny. Powłoka woskowa, polerowanie i roztwory zabezpieczą miedź przed czynnikami korodującymizapobiegając jego utlenianiu i matowieniu.
Warunki, które przyczyniają się do korozji miedzi
Istnieją szczególne warunki, które sprzyjają lub przyspieszają korozję miedzi. Obejmują one:
- Narażenie na warunki środowiskowe zawierające słoną wodę, ciepło lub związki kwasowe pogarsza powierzchnię miedzi.
- Indukowane prądy stałe lub zmienne płynące w glebie przyspieszają korozję podziemnych rur miedzianych.
- Korozja galwaniczna ma miejsce, gdy różne metale stykają się z miedzią. Przykładem tego jest rura miedziana stykająca się z rurą stalową, gdzie różnice w przewodności elektrycznej sprzyjają korozji. Najprostszym sposobem zapobiegania zjawisku galwanicznemu jest odizolowanie miedzi od innych metali.
- Nienormalnie agresywne gleby mogą ułatwiać korozję miedzi, gdy ma ona wysokie stężenie chlorków, siarczanów, związków amoniaku i wilgoci.
- Kontakt z dużą ilością kwasów organicznych i nieorganicznych niszczy metalową powierzchnię miedzi, usuwając warstwę ochronną.
- Zmęczenie korozyjne może wystąpić w wyniku stałego naprężenia wywieranego na plastyczne metale miedziane. Duża prędkość i turbulentny przepływ wody wewnątrz rur miedzianych może powodować miejscową erozję i korozję. Okresowe kurczenie się i rozszerzanie rur miedzianych powoduje naprężenia, które sprzyjają zmęczeniu.
- Podwyższony poziom atomów tlenu obecnych w środowisku powoduje korozję powierzchni metalu w wyniku przyspieszonego utleniania.
Przykład korozji miedzi – Statua Wolności w Nowym Jorku
Świetny przykład korozji miedzi można zobaczyć na Statui Wolności w Nowym Jorku. Posąg, wzniesiony w 1886 roku, pierwotnie był lśniąco brązowy, ale potrzeba było około 10 lat wystawienia go na działanie środowiska naturalnego nad wodą w Nowym Jorku, zanim jego kolor zmienił się w niebieskawo-zieloną patynę. Po kolejnych 15 latach patyna była już w pełni rozwinięta.
Pojawili się nawet politycy, którzy sugerowali ponowne pomalowanie pomnika na lśniący brąz, ale na szczęście szerszej opinii publicznej ten plan ani trochę nie przypadł do gustu. Dziś niebiesko-zielony wygląd jest kochany przez wszystkich. Niektórzy argumentowali, że pomnik należy polerować co 50 lat, aby każde pokolenie mogło na nowo przeżyć stopniowe matowienie i zmianę kolorów. Jednak ten pomysł jest niepraktyczny. Jak posąg ma tylko około 2,4 milimetra grubościpo kilku cyklach okazałby się zbyt cienki i wkrótce nie pozostałby żaden posąg.
Korozja miała wpływ na oryginalny projekt posągu, który stanowił połączenie żelaznej konstrukcji szkieletowej z miedzianą powłoką. Pomiędzy obydwoma elementami wystąpiła korozja galwaniczna, a woda deszczowa pełniła rolę elektrolitu. Żelazna konstrukcja została pokryta powłoką cynkową, a skorodowane części zastąpiono stalą nierdzewną.
Poważna renowacja wymagała wymiany części, takich jak pokrycie dachowe i pochodnia, o powierzchni 8000 stóp kwadratowych blachy miedzianej, a płomień pochodni zastąpiono litą miedzią i płatkami złota. Zamienna latarka została wstępnie patynowana, aby pasowała do reszty posągu, zanim została zamontowana w 1986 roku. Sztuczna patyna zeszła w ciągu kilku lat, odsłaniając matową miedź. Minęło ponad dwadzieścia lat, zanim matowa brązowa miedź wytworzyła własną patynę.
Wpływ korozji na stopy miedzi
Miedź powszechnie łączy się z innymi metalami, gdyż jest niezwykle plastycznym i ciągliwym metalem. Typowe stopy miedzi obejmują brąz (88% miedzi, 12% cyny) i mosiądz (66% miedzi, 34% cynku z pewnymi śladami żelaza i ołowiu).
Stopy miedzi różnią się od czystej miedzi i korodują inaczej niż czysta miedź. Stop miedzi może w wyniku korozji zmienić kolor na inny niż zielony. Na przykład mosiądz nabiera złotobrązowego koloru, podczas gdy brąz może zmienić kolor limonkowo-zielony na ciemnobrązowy.
Zachowanie korozyjne stopów miedzi różni się w zależności od ich właściwości fizycznych i chemicznych, środowiska, naprężenia i innych czynników.
Stopy miedzi wykazują wyjątkową odporność na korozję w określonych warunkach. Oto kilka przykładów:
- Mosiądz aluminiowy jest wysoce odporny na korozję uderzeniową powodowaną przez słoną wodę poruszającą się z dużą prędkością.
- Brąz aluminiowy jest odporny na ataki chemiczne roztworów siarczynów.
- Miedź-krzem stopy oferują znaczną odporność na pękanie spowodowane korozją naprężeniową w porównaniu z mosiądzem.
- Srebra niklowe zapewniają doskonałą ochronę przed korozją spowodowaną narażeniem na wodę słodką i słoną.