Skutki działania korozji są kosztowne, ponieważ proces ten prowadzi do nieodwracalnych zniszczeń, które pociągają za sobą konieczność wymiany elementów szczególnie narażonych na jego działanie. Dla zapobiegania korozji, która jest największym problemem w przypadku metali zawierających żelazo, a więc większości materiałów konstrukcyjnych takich jak żeliwo czy wszelkiego rodzaju gatunki stali stosuje się zarówno specjalne stopy, zawierające składniki ograniczające ryzyko jej pojawiania się, jak i nakłada rozmaite powłoki. Przykładem takich działań może być produkcja stali nierdzewnej z domieszką chromu, niklu albo tytanu czy miedzi, ale również nakładanie warstw cynku, alucynku czy rozmaitych powłok z tworzyw sztucznych, a także tradycyjne malowanie i lakierowanie. W wielu zastosowaniach stal i żeliwo są zastępowane metalami albo tworzywami, które są o wiele mniej podatne na działanie korozji, a jednocześnie gwarantują zbliżone parametry wytrzymałościowe zarówno jeśli chodzi o obciążenia, jak i temperaturę czy działanie różnych związków chemicznych. Wśród tego rodzaju materiałów znajdują się przede wszystkim metale nieżelazne, takie jak aluminium oraz rozmaite ich stopy – brązy berylowe, aluminiowe, cynowe, mosiądze oraz stopy aluminiowe. Przyjrzyjmy się bliżej zjawisku korozji i sprawdźmy, w jaki sposób radzą sobie z nią popularne stopy miedzi w postaci brązów.
Skutki działania korozji są kosztowne, ponieważ proces ten prowadzi do nieodwracalnych zniszczeń, które pociągają za sobą konieczność wymiany elementów szczególnie narażonych na jego działanie. Dla zapobiegania korozji, która jest największym problemem w przypadku metali zawierających żelazo, a więc większości materiałów konstrukcyjnych takich jak żeliwo czy wszelkiego rodzaju gatunki stali stosuje się zarówno specjalne stopy, zawierające składniki ograniczające ryzyko jej pojawiania się, jak i nakłada rozmaite powłoki. Przykładem takich działań może być produkcja stali nierdzewnej z domieszką chromu, niklu albo tytanu czy miedzi, ale również nakładanie warstw cynku, alucynku czy rozmaitych powłok z tworzyw sztucznych, a także tradycyjne malowanie i lakierowanie. W wielu zastosowaniach stal i żeliwo są zastępowane metalami albo tworzywami, które są o wiele mniej podatne na działanie korozji, a jednocześnie gwarantują zbliżone parametry wytrzymałościowe zarówno jeśli chodzi o obciążenia, jak i temperaturę czy działanie różnych związków chemicznych. Wśród tego rodzaju materiałów znajdują się przede wszystkim metale nieżelazne, takie jak aluminium oraz rozmaite ich stopy – brązy berylowe, aluminiowe, cynowe, mosiądze oraz stopy aluminiowe. Przyjrzyjmy się bliżej zjawisku korozji i sprawdźmy, w jaki sposób radzą sobie z nią popularne stopy miedzi w postaci brązów.
Na czym polegają procesy korozji?
Proces korozji wiąże się z degeneracją materiałów o różnej budowie chemicznej, jednak w przypadku metali stanowi szczególnie poważny problem. Ze względu na to, że są one dobrymi przewodnikami, łatwo zachodzi w nich korozja elektrochemiczna, a w niektórych przypadkach chemiczna. Mechanizm korozji elektrochemicznej jest stosunkowo prosty i zachodzi najszybciej w niesprzyjających środowiskach zawierających większą ilość wody lub wilgoci. W przypadku metali o dużej aktywności chemicznej na granicy faz między cieczą a metalem jony metalu przechodzą do roztworu i w wyniku reakcji z jonami wodorotlenkowymi tworzą wodorotlenki żelaza, a na powierzchni wytwarzają się ładunki ujemne. Elektrony znajdujące się na powierzchni żelaza dają możliwość tworzenia przez jony wodorowe wodoru w postaci gazowej, co napędza ponowne zachodzenie procesu. Elektrony z powierzchni metalu są zużywane także przez cząsteczki tlenu. Tempo procesów korozyjnych zależy od potencjału elektrycznego oraz wartości pH – przy wysokich potencjałach i niskim pH, a zatem wysokiej kwasowości korozja znacznie przyspiesza.
Procesy korozyjne mogą mieć różny charakter w zależności od tego, jaki jest zakres ich działania. Możemy spotkać się z korozją ogólną, zachodzącą dość równomiernie na całej powierzchni metalu, a także miejscową zachodzącą lokalnie – korozją międzykrystaliczną powstającą wzdłuż granicy ziaren, co narusza wytrzymałość na obciążenia mechaniczne materiału, korozją wżerową, która zachodzi na ograniczonym obszarze, jednak sięga w głąb materiału oraz podobną nieco do niej korozję szczelinową, pojawiającą się w pęknięciach lub między dwoma powierzchniami materiału. Często zdarzającym się rodzajem korozji jest także korozja galwaniczna, z która mamy do czynienia wtedy, gdy stykają się ze sobą metale o różnych potencjałach, co powoduje przyspieszoną korozję metalu bardziej aktywnego chemicznie. Występuje również korozja zmęczeniowa pod wpływem połączenia środowiska korozyjnego i stałych obciążeń mechanicznych oraz korozja naprężeniowa, przy której czynnikiem zwiększającym ryzyko są obciążenia dynamiczne.
Procesy korozyjne zachodzą w różnym tempie w zależności od rodzaju metalu, jaki może być potencjalnie nimi dotknięty. Część materiałów ulega samoczynnej pasywacji. Dochodzi w nich wprawdzie do ograniczonego utleniania, jednak warstwa tlenku tworząca się na ich powierzchni skutecznie blokuje dalszy postęp. Choć korozja w takim przypadku zachodzi przez cały czas, to jej prędkość jest niewielka – często dotyczy co najwyżej kilku warstw atomów w strukturze krystalicznej metalu – że jej efekty można pominąć nawet tam, gdzie istnieją bardzo wysokie wymagania co do dokładności wymiarowej poszczególnych elementów.
Jaka jest specyfika brązów?
Brązy to stopy metalu, które powstają przez łączenie miedzi z innymi pierwiastkami, takimi jak cyna, aluminium, krzem, ołów lub beryl. Poza składnikami głównymi w brązach mogą się znaleźć także domieszki innych metali wpływające na ich parametry. W brązach stosowanych do produkcji odlewów zwykle znajduje się większa ilość rozmaitych składników, w rodzajach przeznaczonych do tradycyjnej obróbki najczęściej jest ich mniej. Ogólna charakterystyka brązów – przy wszystkich różnicach między poszczególnymi ich odmianami – obejmuje wysoką odporność na ścieranie, wytrzymałość mechaniczną oraz dobre właściwości ślizgowe. Warto pamiętać, że stopy miedzi stosuje się, by móc wykorzystać jej właściwości – bardzo dobrze przewodnictwo prądu elektrycznego, wysoki poziom przewodności cieplnej oraz dużą odporność na czynniki zewnętrzne w tym związane z korozją atmosferyczną i wodną.
Brązy cynowe charakteryzują się podwyższoną wytrzymałością i plastycznością, często są stosowane jako materiały odlewnicze, ponieważ wyróżniają się niewielkim skurczem, co ułatwia zachowanie odpowiednich wymiarów. Ze względu na stosowany dodatek fosforu i wysoką twardość często wykorzystuje się je na elementy o podwyższonej wytrzymałości na ścieranie – ślimaki, sita, łożyska ślizgowe, a także elementy armatury do instalacji wodnych, gazowych czy mających kontakt z chemikaliami.
Brązy aluminiowe powstają przez dodanie do miedzi glinu, a często również niewielkich ilości żelaza, niklu lub manganu. Charakteryzują się wyższą wytrzymałością na obciążenia niż brązy cynowe. Mają wysoką twardość i niewielką ścieralność, zwłaszcza jeśli dodano do nich żelazo, choć obniża to jednocześnie ich właściwości antykorozyjne. Nikiel poprawia ich odporność mechaniczną, a mangan pozwala na zmniejszenie korozyjności. Z brązu aluminiowego powstają łożyska, wałów, elementy złączne, ślizgi, lecz także koła zębate, korpusy silników i różnych urządzeń, a także gniazda zaworowe.
Brązy krzemowe są często wykorzystywane zamiast brązów cynowych z uwagi na znacznie niższą cenę i podobne parametry odpornościowe. Charakteryzują się wysoką wytrzymałością mechaniczną i dobrą sprężystością oraz świetną odpornością na korozję, nie mogą być jednak używane jako materiał odlewniczy ze względu na bardzo duży skurcz.
Brązy berylowe zawierają dodatek berylu, a często również niklu, kobaltu oraz tytanu. Wyróżniają się niedużą gęstością zbliżoną do magnezu. Mają znakomitą wytrzymałość mechaniczną oraz odporność na ścieranie, a także dobrą sprężystość. Cechują się odpornością na chemikalia. Wykorzystuje się je jako materiał do produkcji sprężyn i gniazd zaworowych, a także szczotek w silnikach elektrycznych.
Brązy ołowiowe są wzbogacane ołowiem, cyną, cynkiem, niklem albo manganem. Wyróżniają się dobrą odpornością na ścieranie, a najczęściej wykorzystuje się je do produkcji szybkoobrotowych łożysk ślizgowych.
Czy korozja brązów jest możliwa?
Większość brązów jest bardzo odporna na korozję, co wynika w głównej mierze z wykorzystywanych do ich produkcji składników. W normalnych warunkach brązy nie ulegają w zasadzie korozji przez depolaryzację tlenową ani wodorową. W środowisku wodnym i gazowym o podwyższonej wilgotności zachowują swoją charakterystykę, dzięki czemu często są używane do produkcji armatury wszelkiego rodzaju. Warto jednak pamiętać, że właściwości antykorozyjne miedzi i poszczególnych składników stopowych mogą być ograniczone przez niesprzyjające warunki, w których się znajdą. Do największych zagrożeń związanych z możliwą korozją brązów i samej miedzi należy obecność jonów siarczanowych, chlorkowych i azotanowych. Miedź będzie ulegała korozji, jeżeli narazi się ją na kontakt z silnymi kwasami, w tym utleniającymi – kwasem azotowym albo siarkowym o bardzo wysokiej temperaturze. Niebezpieczny będzie również amoniak oraz związki amonowe, a także kwas siarkowodorowy.
W niesprzyjających warunkach na powierzchni miedzi, zwłaszcza w podwyższonej temperaturze mogą powstawać tlenki CuO2 lub CuO. Jeśli będzie miała kontakt z chlorem, może dojść do powstania chlorku miedziawego, które po połączeniu z tlenem dostarczanym przez tlenki miedzi może wytworzyć chlorek miedzi CuCL2, który w środowisku wodnym lub w obecności dużej ilości wilgoci może tworzyć tlenek miedzi CuO oraz kwas solny HCl. W efekcie cały proces może się powtarzać, a miedź będzie ulegała szybko postępującej degradacji. Poza działaniem chloru i kwasu solnego do degradacji miedzi może dochodzić również w obecności kwasu siarkowego H2S03 i H2S04, a także kwasu azotowego HNO3.
Warto jednak pamiętać, że brązy, w przeciwieństwie do mosiądzów nie są w takim stopniu narażone na procesy korozyjne i zachodzą one w ich przypadku tylko w określonych warunkach. O ile odcynkowanie mosiądzu pod wpływem chloru rozpuszczonego w wodzie spowoduje szybkie rozpuszczenie cynku, o tyle brązy nie są narażone na tak burzliwy przebieg tego procesu. Co więcej, powłoki z brązu są niejednokrotnie nakładane jako sposób na zabezpieczenie innych metali przed ryzykiem korozji.
Dobrą odpornością na korozję wyróżniają się brązy cynowe, które nie są nią zagrożone także w obecności kwasów organicznych albo rozcieńczonych kwasów nieutleniających, takich jak H2SO4, jednak obecność żelaza będzie pogarszać ich właściwości. Brązy aluminiowe będą radziły sobie z korozją w kwasach organicznych, rozcieńczonym kwasie solnym i wodzie morskiej. Brązy krzemowe mają najwyższą odporność na działanie korozyjne kwasów, dlatego są używane m.in. jako części aparatury chemicznej. Choć więc korozja brązów w niektórych przypadkach jest możliwa, zwłaszcza w środowiskach agresywnych chemicznie, to w większości typowych zastosowań brązy nie tylko nie podlegają korozji, ale są stosowane jako sposób na jej ograniczenie.
