1. Γενικά χαρακτηριστικά διάβρωσης ορείχαλκου
Ο ορείχαλκος είναι ένα κράμα Cu-Zn με τον Zn ως το κύριο στοιχείο κράματος. Ονομάζεται ορείχαλκος λόγω του κίτρινου χρώματός του. Ανάλογα με τους τύπους και τα περιεχόμενα των πρόσθετων στοιχείων κράματος, ο ορείχαλκος μπορεί να χωριστεί σε τρεις κατηγορίες: μονοφασικός ορείχαλκος, ορείχαλκος σύνθετης φάσης και ειδικός ορείχαλκος. Όταν η περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο είναι μικρότερη από 36%, σχηματίζεται μονοφασικό στερεό διάλυμα, επομένως ο μονοφασικός ορείχαλκος ονομάζεται επίσης ορείχαλκος. Όταν η περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο είναι 36%-45%, γίνεται + ορείχαλκος σύνθετης φάσης. Όταν η περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο είναι μεγαλύτερη από 45%, υπάρχει πάρα πολύ φάση και είναι εύθραυστο και δεν έχει πρακτική αξία. Ο ειδικός ορείχαλκος βασίζεται σε Cu-Zn και προσθέτει Sn, Mn, Al, Fe, Ni, Si, Pb και άλλα στοιχεία.
Ο ορείχαλκος διαβρώνεται πολύ αργά στην ατμόσφαιρα, ο ρυθμός διάβρωσης στο καθαρό γλυκό νερό δεν είναι μεγάλος ({{0}}.0025-0.025 mm/έτος) και ο ρυθμός διάβρωσης στο θαλασσινό νερό είναι ελαφρώς μεγαλύτερος ( 0.0075-0.1 χιλιοστά/έτος). Το φθόριο στο νερό έχει μικρή επίδραση στη διάβρωση του ορείχαλκου, το χλωρίδιο έχει μεγαλύτερη επίδραση και το ιώδιο έχει σοβαρή επίδραση. Σε νερό που περιέχει αέρια όπως O2, CO2, H2S, SO2, NH3 κ.λπ., ο ρυθμός διάβρωσης του ορείχαλκου αυξάνεται δραματικά. Είναι εξαιρετικά εύκολο να διαβρωθεί σε μεταλλικό νερό, ειδικά σε νερό που περιέχει Fe2(SO4)3. Προκαλεί σοβαρή διάβρωση στο νιτρικό οξύ και το υδροχλωρικό οξύ, διαβρώνεται αργά στο θειικό οξύ και είναι ανθεκτικό στη διάβρωση στο διάλυμα NaOH. Ο ορείχαλκος έχει καλύτερη αντοχή στη διάβρωση κρούσης από τον καθαρό χαλκό.
Ο ειδικός ορείχαλκος έχει καλύτερη αντοχή στη διάβρωση από τον συνηθισμένο ορείχαλκο. Η προσθήκη περίπου 1% Sn στον ορείχαλκο μπορεί να μειώσει σημαντικά τη διάβρωση του ορείχαλκου από την αφαλάτωση και να βελτιώσει την αντίσταση στη διάβρωση στο θαλασσινό νερό. Η προσθήκη περίπου 2% Pb στον ορείχαλκο μπορεί να αυξήσει την αντίσταση στη φθορά, μειώνοντας έτσι σημαντικά τον ρυθμό διάβρωσής του στο ρέον θαλασσινό νερό. Προκειμένου να αποφευχθεί η διάβρωση από την αφαλάτωση, μπορεί επίσης να προστεθεί μια μικρή ποσότητα As, Sb και P (0.02%~0.05%). ; Ο ναυτικός ορείχαλκος περιέχει 0,5%~1,0% Mn, το οποίο μπορεί να βελτιώσει την αντοχή και να έχει καλή αντοχή στη διάβρωση. . Σε ορείχαλκο που περιέχει 65% Cu και 55% Cu, χρησιμοποιείται 12%-18% Ni για την αντικατάσταση μέρους του Zn. Επειδή το χρώμα είναι ασημί λευκό, ονομάζεται ασημί νίκελ ή γερμανικό ασήμι. Αυτό το κράμα έχει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση σε άλατα, αλκάλια και μη οξειδωτικά οξέα. Ταυτόχρονα, δεδομένου ότι μεγάλη ποσότητα Ni αντικαθιστά το 2n, δεν παρατηρείται φαινόμενο αποψευδάρωσης. Εκτός από τα παραπάνω χαρακτηριστικά διάβρωσης, ο ορείχαλκος έχει επίσης δύο σημαντικές μορφές διάβρωσης, δηλαδή τη διάβρωση αποψευδαργύρου και τη διάβρωση λόγω τάσης.
2. Ρηγμάτωση ορείχαλκου λόγω διάβρωσης λόγω καταπόνησης
Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη διάβρωση λόγω τάσης του ορείχαλκου περιλαμβάνουν τα διαβρωτικά μέσα, την καταπόνηση, τη σύνθεση του κράματος και την οργανωτική δομή. Ένα συγκεκριμένο κράμα θα διαβρωθεί και θα ραγίσει μόνο κάτω από ορισμένα μέσα και συγκεκριμένες συνθήκες καταπόνησης.
(1) Διαβρωτικό μέσο
Ο ορείχαλκος υπό τάση εφελκυσμού μπορεί να προκαλέσει διάβρωση λόγω τάσης σε όλα τα μέσα που περιέχουν αμμωνία (ή NH4+) και στην ατμόσφαιρα, θαλασσινό νερό, γλυκό νερό, νερό υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης και υδρατμούς. Για παράδειγμα, η ρωγμή των περιβλημάτων από ορείχαλκο κατά τη θερινή περίοδο των βροχών (γνωστή και ως εποχιακή ρηγμάτωση) είναι ένα τυπικό παράδειγμα ρωγμής από ορείχαλκο λόγω διάβρωσης λόγω τάσης. Επιπλέον, η μορφολογία ρωγμών λόγω διάβρωσης από τάση του ορείχαλκου χωρίζεται σε διακοκκώδη και διακοκκώδη. Στο διάλυμα που σχηματίζει φιλμ, εμφανίζεται κυρίως διακοκκώδες κάταγμα και στο διάλυμα που δεν σχηματίζει φιλμ, εμφανίζεται κυρίως διακοκκώδες κάταγμα. Ο μηχανισμός ρωγμής λόγω διάβρωσης του ορείχαλκου γενικά πιστεύεται ότι είναι ότι στο διάλυμα σχηματισμού μεμβράνης σχηματίζεται ένα στρώμα μεμβράνης οξειδίου του χαλκού με χαμηλή σκληρότητα στην επιφάνεια του ορείχαλκου. Υπό τη δράση της πίεσης και της παραμόρφωσης, το φιλμ οξειδίου του χαλκού υφίσταται εύθραυστη ρωγμή και στη συνέχεια σχηματίζεται στα όρια των κόκκων. Αφού αυτό το φιλμ είναι εύθραυστο, η ρωγμή θα επεκταθεί στο βασικό μέταλλο και θα σταματήσει λόγω ολίσθησης, εκθέτοντας το άκρο της ρωγμής στο διαβρωτικό διάλυμα. Στη συνέχεια, θα προκύψει διακοκκώδης διείσδυση, σχηματισμός φιλμ, εύθραυστο ράγισμα και διαστολή ρωγμών. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται. , σχηματίζοντας τελικά ένα κλιμακωτό ασυνεχές κάταγμα. Στη λύση που δεν σχηματίζει φιλμ, η τάση προκαλεί κατά προτίμηση την διάλυση των εξαρθρώσεων στην επιφάνεια του ορείχαλκου, προκαλώντας τη διάδοση ρωγμών κατά μήκος της διαδρομής με την υψηλότερη πυκνότητα εξάρθρωσης και προκαλώντας θραύση. Στον ορείχαλκο με χαμηλή περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο, οι εξαρθρώσεις είναι κυρίως με τη μορφή κυψελών και τα όρια των κόκκων είναι οι περιοχές μέγιστης πυκνότητας εξάρθρωσης, επομένως τα κατάγματα συμβαίνουν κατά μήκος της κρυσταλλικής μορφής. Σε ορείχαλκο με υψηλή περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο, οι εξαρθρώσεις είναι κυρίως σε επίπεδη μορφή, και τα ρήγματα στοίβαξης είναι οι περιοχές μέγιστης πυκνότητας εξάρθρωσης, επομένως εμφανίζεται διακοκκώδες κάταγμα. Επιπλέον, δεδομένου ότι τα άτομα ψευδαργύρου διαχωρίζονται σε εξαρθρήματα υπό πίεση και αυξάνουν τη δραστηριότητα σε εξαρθρήματα, ο ρυθμός ανάπτυξης ρωγμών θα αυξηθεί με την αύξηση της περιεκτικότητας σε ψευδάργυρο.
Η πειραματική έρευνα δείχνει ότι μεταξύ των ατμοσφαιρών, η βιομηχανική ατμόσφαιρα είναι πιο πιθανό να προκαλέσει ρωγμές από διάβρωση ορείχαλκου και έχει τη μικρότερη διάρκεια θραύσης. Η αγροτική ατμόσφαιρα είναι η δεύτερη πιο πιθανή και η θαλάσσια ατμόσφαιρα έχει τον μικρότερο αντίκτυπο. Αυτή η διαφορετική επίδραση στο ατμοσφαιρικό περιβάλλον προκαλείται από τη διαφορά στην περιεκτικότητα σε SO2 στην ατμόσφαιρα (η βιομηχανική ατμόσφαιρα περιέχει το περισσότερο SO2, η αγροτική ατμόσφαιρα περιέχει λιγότερο SO2 και η θαλάσσια ατμόσφαιρα δεν περιέχει σχεδόν καθόλου SO2).
Εν ολίγοις, οι ουσίες που προκαλούν τη διάβρωση του ορείχαλκου είναι κυρίως αμμωνία και ουσίες που μπορούν να παράγουν αμμωνία ή σουλφίδια. Μεταξύ αυτών, αναγνωρίζεται ο ρόλος της αμμωνίας, ενώ ο ρόλος του σουλφιδίου είναι ασαφής. Επιπλέον, ο ατμός, το οξυγόνο, το SO2, το CO2 και το CN- έχουν επιταχυντική επίδραση στη διάβρωση λόγω τάσης.
(2) Στρες
Η εφελκυστική τάση είναι απαραίτητη προϋπόθεση για τη διάβρωση λόγω καταπόνησης στον ορείχαλκο. Όσο μεγαλύτερη είναι η τάση εφελκυσμού, τόσο μεγαλύτερη είναι η διάβρωση λόγω καταπόνησης
Όσο μεγαλύτερη είναι η ευαισθησία. Η χρήση σκλήρυνσης σε χαμηλή θερμοκρασία για την εξάλειψη της υπολειπόμενης τάσης εφελκυσμού μπορεί να προστατεύσει τον ορείχαλκο από τη διάβρωση λόγω καταπόνησης.
(3) Σύνθεση και δομή κράματος
Όσο υψηλότερη είναι η περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο στον ορείχαλκο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ευαισθησία του στη διάβρωση λόγω καταπόνησης. Όσο για το πόσο χαμηλή είναι η περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο, δεν θα συμβεί διάβρωση λόγω τάσης. Αυτό σχετίζεται με τις ιδιότητες του μέσου. Για παράδειγμα, ο ορείχαλκος με περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο μικρότερη από 20% γενικά δεν προκαλεί διάβρωση λόγω τάσης στο φυσικό περιβάλλον, ενώ ο ορείχαλκος με χαμηλή περιεκτικότητα σε ψευδάργυρο στο νερό αμμωνίας θα προκαλέσει επίσης ρωγμές λόγω διάβρωσης λόγω καταπόνησης.
Η επίδραση άλλων στοιχείων κράματος στη διάβρωση λόγω καταπόνησης, το Si μπορεί να αποτρέψει αποτελεσματικά τη διάβρωση του ορείχαλκου. Το Si και το Mn μπορούν να βελτιώσουν την αντοχή στη διάβρωση των τάσεων του + και του ορείχαλκου. Υπό συνθήκες ατμόσφαιρας αμμωνίας, τα Si, As, Ce, Mg και άλλα στοιχεία βελτιώνουν την αντοχή στη διάβρωση των καταπονήσεων του ορείχαλκου. Υπό ατμοσφαιρικές συνθήκες, τα Si, Ce, Mg και άλλα στοιχεία βελτιώνουν την απόδοση διάβρωσης λόγω καταπόνησης. Τα αποτελέσματα των βιομηχανικών δοκιμών ατμοσφαιρικής έκθεσης δείχνουν ότι η προσθήκη Ai.Ni και Sn σε κράματα Cu-Zn μπορεί να μειώσει τις τάσεις διάβρωσης λόγω τάσης.
