Коррозионные свойства меди

Коррозия меди – это ее разрушение под воздействием окружающей среды. Медь и ее сплавы нашли широкое применение во многих отраслях промышленности. Это связано с высокой коррозионной стойкостью данного металла, теплопроводностью, электропроводностью. Медь отлично обрабатывается механически, паяется. В различных условиях медь достаточно устойчива к проявлениям коррозии, поскольку редко вытесняет водород даже из кислых растворов. Это связано с тем, что по активности она находится в электрохимическом ряду рядом с благородными металлами. Медь не относится к химически активным элементам, следовательно, скорость ее коррозии редко высокая, даже если разрушению способствует пленка нерастворимых продуктов коррозии.

Атмосферная коррозия меди

В атмосферных условиях медь отличается высокой коррозионной стойкостью. На сухом воздухе поверхность меди почти не меняется. А при контакте с влажным воздухом образуется нерастворимая пленка, состоящая с продуктов коррозии меди типа CuCO3•Cu(OH)2.

2Cu + H2O + CO2 + O2 → CuCO3•Cu(OH)2.

В зависимости от состава среды и еще многих факторов  на медной поверхности в атмосфере сначала образуется очень тонкая защитная пленка, состоящая с оксидов меди и ее чистой закиси. Время образования этой пленки может достигать нескольких лет. Поверхность немного темнеет, становится коричневатой. Иногда пленка может быть почти черного цвета (во многом зависит от состава коррозионной среды). После образования оксидного слоя на поверхности начинают скапливаться соли меди, имеющие зеленоватый оттенок. Образующийся оксид меди и соли называют еще патиной. Цвет патины колеблется от светло коричневого, до черного и зеленого. Зависит от качества обработки поверхности, состава самого металла и среды, времени контакта с коррозионной средой (от внутренних и внешних факторов). Закись меди – красно-коричневого цвета, окись – черного. Голубые, зеленые, синие и другие оттенки патины обуславливаются различными медными минералами (сульфаты, карбонаты, хлориды и др.). Патина по отношению к основному металлу нейтральна, т.е. не оказывает на медь вредного влияния (кроме хлористой меди). Соли и оксиды, формирующие патину, нерастворимы в воде и обладают естественными декоративными, защитными свойствами по отношению к поверхности меди.

Присутствие во влажном воздухе углекислого газа приводит к образованию на поверхности смеси, которую еще называют малахитом. Сульфиды, хлориды, находящиеся в воздухе, разрушают малахит. Это ускоряет атмосферную коррозию меди. Медь с полированной поверхностью в условиях сухого воздуха коррозии не подвержена, оксидные слои не имеют цвета, нет эффекта побежалости, толщиной 50 нм. При увеличении шероховатости устойчивость снижается.

В чистом воздухе, насыщенной парами, медь сохраняет стойкость к коррозии. А вот наличие сероводорода в воздухе резко снижает коррозионную устойчивость, приводя к появлению на ее поверхности сульфатов: CuS04  и 3Сu(ОН)2.

При температуре от 300 до 400°С в восстановительной атмосфере этот металл иногда оказывается даже более устойчивым к коррозии, чем сталь.

Коррозия меди в почве

Коррозия меди в почве сильно зависит от значения рН грунта.  Чем грунт щелочнее либо кислее, тем быстрее проходит коррозия меди в почве. Менее сильное влияние оказывает аэрация, влажность грунта. При сильном насыщении почвы микроорганизмами усиливается коррозия меди и ее сплавов. Это объясняется тем, что некоторые из них в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают сероводород, который разрушает защитную оксидную пленку. Продукты почвенной коррозии меди и ее сплавов по составу более сложны, чем при атмосферной коррозии и отличаются слоистой структурой. Если медное изделие  пролежало в почве очень долгое время – оно могло полностью превратиться в рыхлую светло-зеленую массу, состоящую с продуктов коррозии меди. При недолгом нахождении изделия в почве может наблюдаться только небольшой слой патины, который легко снять механически.

Коррозия меди в воде

Скорость коррозии меди в воде во многом зависит от наличия на поверхности оксидных пленок. Стойкость меди к чистой пресной воде достаточно высока – от 0,005 до 0,25 мм в год. Однако, если в воде присутствуют элементы, тормозящие появление защитных пленок на поверхности металла (кислоты, сероводород, аммиак или хлориды), скорость коррозии заметно увеличивается. В быстро движущихся водных растворах и  воде медь подвергается такому виду разрушения, как ударная коррозия. Скорость протекания ударной коррозии меди  сильно зависит от количества растворенного кислорода. Если вода сильно аэрирована – ударная коррозия меди протекает интенсивно, если же обескислорожена – разрушение незначительно. Коррозия меди в аэрированной воде усиливается с уменьшением рН, увеличением концентрации ионов хлора. Скорость коррозии меди в воде зависит от климатической зоны. В тропиках скорость разрушения несколько выше.

Аналогичная картина наблюдается при взаимодействии меди и морской воды: при отсутствии факторов, снижающих скорость образования защитной пленки, коррозия невелика (около 0,05 мм в год). Но при увеличении содержания в воде кислорода или скорости потока воды – коррозионная устойчивость падает, поскольку скорость удаления защитной пленки выше скорости ее появления. Особенностью меди, омываемой морской водой, можно считать то, что она является одним из немногих металлов, которые не подвержены обрастанию микроорганизмами. Ионы меди для них губительны.

Скорость потока в медных трубах не должна превышать 1,5 м/с для пресной и 1,0 м/с для морской воды. Но и полный застой также неблагоприятен: небольшой поток воды минимизирует прииск появления накипи и осаждений, приводящих к коррозии.

С чистой меди очень часто изготавливают трубопроводы для подачи в дома воды. Они надежны, служат очень долгое время. При наличии в воде растворенной угольной и других кислот  медь понемногу корродирует, а продукты коррозии меди окрашивают сантехническое оборудование. Если вода, проходящая через медные трубы контактирует с железом, алюминием или оцинкованной сталью – то коррозию этих металлов значительно усиливается. Ионы меди осаждаются на поверхности этих металлов, образуя коррозионные гальванические элементы.

Чтоб исключить вредное влияние воды с медных труб на другие металлы используют луженую медь. Внутреннюю часть медного трубопровода покрывают  оловом. Оловянное покрытие должно быть безпористым, во избежание возникновения гальванического элемента (олово по отношению к меди является катодом).

В химической промышленности широкое применение меди обусловлено ее  устойчивостью к большинству агрессивных органических сред:

  • фенольным смолам,
  • сульфидам и нитратам,
  • гидроокиси натрия и калия,
  • органическим кислотам (уксусная, лимонная, молочная, щавелевая и др.),
  • спиртам,
  • а также к неокислительным кислотам (соляная, уксусная, разбавленная серная и др.).

Напротив, медь сильно корродирует: 

  • в окисленных минеральных кислотах (HN03, НСlO4 и др.);
  • в кислых растворах хромистых солей;
  • под действием серы и ее соединений;
  • в концентрированной серной кислоте, особенно при нагреве;
  • при воздействии хлористого аммония, щелочных цианистых соединений, но в отношении других щелочных растворов устойчива;
  • с едким калием, начиная с 350 °С;
  • гидроокисью аммония (один из самых агрессивных агентов);
  • влажным аммиаком;
  • хлоридами и цианидами;
  • окисляющими солями в кислой среде.При контакте с некоторыми более благородными металлами и сплавами (платина, золото, свинец, олово) или коррозионно-стойкой сталью, уже они выступают в роли катодов, вызывая коррозионные явления меди. При этом, чем больше разница электрохимических потенциалов, тем значительнее коррозия.

Электрохимическая коррозия контактного соединения меди и алюминия

Контактное соединение меди и алюминия играет важную роль в различных отраслях промышленности, таких как электротехника, строительство и энергетика. Однако, из-за различий в их электрохимических свойствах, контактные соединения меди и алюминия подвержены электрохимической коррозии, что может привести к серьезным проблемам в работе оборудования и конструкций.  Суть электрохимической коррозии контактного соединения меди и алюминия заключается в том, что при контакте металлов и наличии влаги или других электролитических сред, возникают гальванические элементы, что приводит к возникновению анодных и катодных участков в металлическом соединении. В данном случае, алюминий, будучи более активным металлом, выступает в роли анода, а медь — в роли катода. Это приводит к тому, что алюминий подвержен более интенсивной коррозии, а медь — менее активна и защищает собой алюминий, что приводит к дополнительному ускорению коррозионного процесса.

В контактных соединениях меди и алюминия могут также возникать другие виды коррозии, такие как химическая коррозия вследствие химических реакций между металлами и окружающей средой, а также трещинообразование из-за различий в коэффициенте теплового расширения у данных материалов.

Для предотвращения электрохимической коррозии контактного соединения меди и алюминия необходимо применять специальные методы и материалы. Например, для уменьшения коррозии могут быть использованы различные защитные покрытия, такие как гальванические покрытия меди оловом либо никелем, оксидные защитные пленки, а также применение промежуточных слоев сплавов, которые уменьшают разностные потенциалы и уменьшают вероятность коррозии.

Коррозионная стойкость меди в различных средах

Относительно других металлов и сплавов медь выступает катодом. Поэтому при контакте с ней в растворах солей или кислот они более подвержены коррозии.

Коррозионные свойства меди в различных средах

СредаКонцентрация,
%
Т0,
С
Скорость
коррозии, мм/год
Оценка,
балл*1
Неорганические среды (водные растворы) Кислоты
АзотнаяРазличная20105
БорнаяДо 5,020…1000,1*21
СернаяДо 5,0200,1…1,0*32
СернаяДо 5,050105
Серная10…60200,01…0,12*31
Серная10…6040…601,3…3,74
Серная90…98200,07…1,02
Серная90…98502,13
Сернаядымящаяся20105
СернистаяДо 8,6200,11
СолянаяДо 5,0200,041
Соляная10…35200,25…4,1*34
ХлорнаяДо 7220105
Хромовая1020105
ФтористоводороднаяЛюбая200,08…0,892
Фосфорная10…9020..750,52
Основания
Аммония гидроокисьДо 3020105
Калия гидроокись (едкий калий)До 53200,11
Калия гидроокись (едкий калий)До 53350,11
Калия гидроокись0,1620…1000,1…0,52
Натрия гидроокись (едкий натрий)До 52200,11
Натрия гидроокись (едкий натрий)До 52350,11
Натрия гидроокись (едкий натрий)Расплав10,05
Оксиды, соли, перекиси, газы и неорганические среды
Азота оксиды(NO, NO2, N2O3, N2O5, N2O)20105
Аммиак (газ)16…200,002…0,0041
Аммиак (газ)400…5000,011
Аммоний азотнокислый (нитрат)До 6420105
Аммоний сернистый (сульфит)Любая251,33
Аммоний хлористый (хлорид)До 1020…700,52
Аммоний хлористый (хлорид)10…2725…100105
Вода пресная200,006…0,0141
Вода пресная250 (пары)0,11
Вода морская20…800,02…0,041
Водород200,11
Водород401,322
Перекись водорода (H2O2)Любая20…100105
Кислород200,11
Озон (в смеси с воздухом)20105
Сера130…140355
Сероводород (сухой)200,11
Сероводород (влажный)20…100105
Углерода двуокись (сухой газ)20…1000,11
Углерода окись (газ)105
Хлор (сухой и жидкий)20…1000,11
Хлор (влажный газ)20105
Органические среды
Кислота винная, водный растворДо 58200,2*32
Кислоты жирные (Тпл=280С)230…2500,031
Кислота лимонная, водный растворДо 59200,1…0,57*32
Кислота муравьиная, водный растворДо 10 Кипящая0,1382
Кислота уксусная, водный растворДо 8020…400,1…0,52
Кислота уксусная, водный растворДо 80Кипящая1,2…6,23…4
Кислота щавелевая, водный растворДо 10200,5…1,02
Масла минеральные200,11
Скипидар20…Ткип0,11
Спирт этиловый20…Ткип0,11
Фенол20,0081

*1 Коррозионная стойкость оценивается по пятибалльной шкале:

  1. – очень высокая при скорости коррозии до 0,1 мм/год;
  2. – высокая при скорости ->0,1…1,0 мм/год;
  3. – средняя при скорости 1,0…3,0 мм/год;
  4. – низкая при скорости 3,0…10 мм/год;
  5. – очень низкая при скорости свыше 10,0 мм/год.

 *2 В отсутствии воздуха стойка в растворах любой концентрации до 1500С.

*3 В отсутствии воздуха

Коррозия луженой меди

Луженая медь отличается превосходной  коррозионной стойкостью. Луженая медь  отлично служит даже под воздействием дождя, града, снега, не чувствительна к перепаду температуры окружающей среды. Атмосферная коррозия луженой меди весьма незначительна. Оловянное покрытие по отношению к меди является анодом, т.к. имеет более электроотрицательный потенциал. Если на нем нет никаких изъянов (пор, трещин, царапин), через которые медь контактирует с атмосферой – оно прослужит очень долго. Если же дефекты покрытия присутствуют – атмосферная коррозия луженой меди протекает по следующим реакциям:

А: Sn — 2e→ Sn2+ — окисление олова;

К: 2 H2О + O2 + 4e → 4 OH — восстановление меди.

2 Sn + 2 H2О + O2 → 2 Sn(OH)2

Качественное оловянное покрытие продлевает срок службы луженой меди на десятки лет. Для увеличения коррозионной стойкости оловянного покрытия на медной шине покрытие осаждается из электролита с блескообразователями и легируется висмутом (т.е. осаждается сплав олово-висмут). Наиболее распространенное покрытие в электротехнической промышленности при лужениии меди- покрытие О-Ви (99,8% + 0,2%) 6-12мкм по ГОСТ 9.301-86.

Коррозионная стойкость никелированной шины, безусловно, также высока, однако у нее есть недостаток. Оловянное покрытие (особенно блестящее) беспористое начинается с толщины 6 мкм, а никелевое — с толщины 24 мкм. При средней требуемой толщине покрытия в 9-12 мкм олово будет иметь преимущество перед никелем.

 

По теме

Лужение, никелирование и серебрение медных шин и деталей

Пластины переходные для соединения алюминиевых и медных проводников. Типы и технологии

X