خوردگی مس و آلیاژهای آن

مس یکی از پر مصرف ترین و مفیدترین عناصر فلزی است که گفته می شود از اولین فلزات کشف شده توسط بشر بوده است (حدود 8000 سال قبل از میلاد) چرا که جز معدود فلزاتی است که مثل طلا و نقره به شکل خالص در طبیعت یافت می شود. این فلز سرخ رنگ در طول تاریخ با افزودن عناصر آلیاژی مختلف، کاربردهای گسترده ای در صنایع گوناگون پیدا کرده است. ورق های مسی و ورق های آلیاژهای مس در حال حاضر یکی از پر رونق ترین محصولاتی است که در کشور ما و دنیا تولید و در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. با این حال، یکی از مهم ترین چالش های استفاده از ورق های مسی، خوردگی این فلز در محیط های مختلف است که می تواند عمر قطعات ساخته شده از این ورق های مسی را به طور قابل ملاحظه ای کاهش دهد. به همین دلیل بسیاری از کاربران به دنبال این هستند که بدانند خوردگی مس چیست و چگونه می توان از تخریب این فلز جلوگیری کرد. بنابراین لازم است ضمن شناخت بیشتر خواص این فلز و انواع آلیاژهای آن به بررسی چگونگی و دسته بندی انواع خوردگی ورق های مسی و آلیاژهای آن پرداخت. در مقاله مرکزآهن تلاش شده است ضمن بررسی این موضوعات، اطلاعات کاربردی و دقیقی در اختیار خوانندگان قرار گیرد. تا با توجه به نیاز خود ورق مسی مورد نظر خود را انتخاب کرده و با دید کامل تری نسبت به عوامل تخریب محصولات مسی در پروژه های خود، خریدی مطمئن داشته باشد. همچنین آگاهی از قیمت ورق مسی و عوامل موثر بر آن می تواند در انتخاب بهتر این محصول تاثیرگذار باشد.

انواع خوردگی مس

خوردگی مس یکی از مهم ترین چالش های استفاده از آلیاژهای مسی در صنایع مختلف محسوب می شود و شناخت انواع آن می تواند از آسیب های جدی به تجهیزات جلوگیری کند. ورق های مسی و آلیاژهای آن استفاده گسترده ای در کاربردهایی دارند که نیازمند مقاومت بالا در برابر خوردگی هستند. آلیاژهای مهم تجاری مس، از نظر ترکیب دامنه وسیعی داشته و بنابراین گوناگونی قابل ملاحظه‌ای نیز در مقاومت به خوردگی ارائه می‌دهند. در واقع یکی از مهم ترین دلایل استفاده گسترده از این فلز، مقاومت در برابر خوردگی فلز مس در بسیاری از محیط های صنعتی و مرطوب می باشد. از نظر علم خوردگی مس و آلیاژهای آن صرفاً برای امور ساده ضدخوردگی مناسب نبوده بلکه اغلب برای عموم عملکردهای معرفی شده در دسته بندی های زیر نیز عملکرد بسیار مناسبی دارند.

1- عملکردهای ملزم به مقاومت در برابر شرایط کاملاً اتمسفریک: به طور مثال کف های بام ها و سایر استفاده های رشته آرشیتکت یا معماری، یراق آلات، بخش های پیرامونی ساختمان، ریل های دستی، دستگیره های درب ها و پدال های خودرو.

2- خطوط پشتیبانی آب های شیرین و فیتینگ های لوله کشی و در مواردی که مقاومت بالا به خوردگی برای تیپ‌ های مختلف آب و خاک مهم باشد.

3- عملکردهای دریایی و اغلب بیشتر در خطوط پشتیبانی آب دریا و آب های شیرین، مبدل های حرارتی، محورها و شفت‌های کوندانسور، دماغه های کشتی ها، سخت افزارها و یراق های دریایی (در جایی که مقاومت در برابر آب دریا اهمیت دارد، رسوبات نمکی و زیستی ناشی از ارگانیسم های دریایی نیز مطرح هستند)

4- مبدل های حرارتی و کوندانسورهای مربوط به کاربرد دریایی، صفحات مورد کاربرد در فشار بخار از آب و در فرایندهای شیمیایی، مبدل های حرارتی مایع به گاز و گاز به گاز و در تمامی فرایندهایی که احتمال خوردگی سیالات یا تجهیزات وجود دارد.

5- وسایل طرح‌ های فرایندهای شیمیایی و صنایع درگیر یا در معرض دامنه‌ های مختلف مواد ارگانیک (آلی) و غیر ارگانیک شیمیایی. در چنین شرایطی بررسی خوردگی مس در محیط اسیدی اهمیت بسیار زیادی دارد؛ زیرا تماس مستقیم آلیاژهای مسی با برخی ترکیبات اسیدی می تواند سرعت تخریب و کاهش ضخامت فلز را افزایش دهد.

اما این مبحث در تخریب قطعات و ورق های مسی و آلیاژهای آن همچون دیگر فلزات وجود دارد که این محصولات نیز ممکن است خورده شوند که بسته به شرایط محیطی به شکل های مختلف رخ می دهد که در ادامه به آن ها می پردازیم:

1) خوردگی عمومی: خوردگی عمومی یا یکنواخت به حمله ای اطلاق می‌شود که به تمام سطح محصول مسی وارد شود نه بخش کوچکی از فلز. در واقع این خوردگی شامل برخورد بر یک صفحه، به صورت کامل و یکدست، بدون نفوذ محلی و اندک، با کمترین تخریب و در کلیه فرم‌ های مربوط به خوردگی می‌ باشد. بنابراین تنها نوع خوردگی که به کمک کاهش وزن برای تخمین دقیق نرخ نفوذ استفاده می‌ شود خوردگی عمومی است. در بسیاری از محیط های صنعتی، خوردگی فلز مس به صورت یکنواخت و تدریجی اتفاق می افتد و در صورت عدم کنترل می تواند باعث کاهش ضخامت قطعات شود. خوردگی عمومی یا همگن حاصل تماس ممتد با محیط‌ هایی است که نرخ خوردگی بسیار کمی دارند. مانند آب شیرین، شور، نمکین، انواع خاک، قلیاهای طبیعی، محلول های نمک اسیدی، اسیدهای ارگانیک و محلول های قندی.

2) خوردگی گالوانیک: اکثر اوقات، هنگامی که دو فلز غیر همجنس در داخل یک محلول هادی غوطه ور شوند در بین آن‌ ها اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی ایجاد می شود. حال اگر این دو فلز غیر همجنس با یکدیگر در تماس الکتریکی قرار گرفته و همزمان در یک محلول هادی نیز غوطه ور باشند منجر به افزایش پتانسیل خوردگی، در بین عضو آندی‌ تر و حفاظت در جز یا کل عضو کاتدی‌ تر خواهد بود. به طور تقریبی فلزات مس با توجه به ساختار سایر فلزات رایج مثل فولاد و آلومینیم کاتدی است. همچنین هنگامی که مس با فلزاتی مانند آلیاژهای نیکل بالا، تیتانیوم یا گرافیت باشد احتمال خوردگی آن بیشتر می شود. پتانسیل‌ های خوردگی آلیاژهای مس بین 0.2 تا 0.4 ولت است در حالیکه پتانسیل مس خالص حدود 0.3- ولت است. عناصر آلیاژی روی یا آلومینیم پتانسیل را به سمت آندی شدن بیشتر و عناصر قلع یا نیکل به سمت پتانسیل‌ های کاتدی جابجا می‌ کنند. با توجه به کاربرد گسترده انواع ورق ها و قطعات مسی در آب دریا داشتن سری های گالوانیک می تواند بسیار مفید باشد، که در جدول زیر گزارش شده است. همچنین مقایسه انواع آلیاژهای مهم و پرکاربرد مس با دیگر آلیاژها همچون انواع فولادها و آلیاژهای آلومینیم نیز در این جدول قابل مشاهده می باشد.

در بسیاری از پروژه های صنعتی و دریایی، انتخاب آلیاژ مناسب علاوه بر مقاومت در برابر خوردگی به شرایط بازار فلزات نیز وابسته است. به همین دلیل نوسانات قیمت آهن و سایر فلزات صنعتی می تواند بر هزینه نهایی تولید قطعات و تجهیزات مسی تاثیرگذار باشد

3) خوردگی حفره ای: خوردگی فلزات مس نیز همچون بیشتر فلزات منجر به حفره سازی، در داخل شرایط خاص خواهد ‌شد. گاهی اوقات حفره عمدتاً در بالای سطح شکل می‌ گیرد. در این حالت فلزات یک شکلِ بی‌ قاعده و خشن از خود بروز می‌ دهند اما در مدل‌ های دیگر حفره‌ ها به صورت متمرکز در مناطق خاص با شیارها و اشکال متفاوت نیز به وجود می‌ آیند. در بین آلیاژهای مس، برنزهای آلومینیم با کمتر از 8 درصد آلومینیم و برنج‌ های با روی کم بهترین مقاومت به خوردگی حفره‌ ای دارند. مس- نیکل ها و برنزهای قلع نیز مقاومت متوسط و آلیاژهای با مس بالاتر نیز کمترین مقاومت به خوردگی حفره‌ ای را دارا هستند.

4) خوردگی شیاری: خوردگی شیاری یک نوع خوردگی منطقه‌ ای می‌ باشد که در نزدیکی شیار ایجاد شده بوسیله دو سطح فلز یا یک فلز و غیر فلز ایجاد شده باشد، اتفاق می افتد. همچون خوردگی حفره‌ ای این نوع از خوردگی نیز به صورت تصادفی اتفاق می‌ افتد و منطقه دقیق آن قابل پیش بینی نیست. عمق حملات حاصل از خوردگی شیاری نیز کمتر از خوردگی حفره‌ ای می‌ باشد و برای بیشتر آلیاژهای مس کمتر از 400 میکرون می‌ باشند. در شکل تصویری از این نوع خوردگی که مربوط به لوله های از جنس آلیاژ مس-نیکل 70/30 می‌ باشد، قابل مشاهده می‌ باشد.

5) خوردگی فرسایشی: مس و آلیاژهای آن مقاومت خوردگی خوبی در جریان‌ های آب ملایم دارند. اما هنگامی که جریان منطقه ای زیاد باشد، تنش برشی محلی برای حذف محصولات خوردگی کافی خواهد بود. در واقع پس از تشکیل فیلم حل شدن فیلم اتفاق می‌ افتد و باز هم این کار به کمک جریان آب تکرار می‌ شود. این موضوع خوردگی فرسایشی یا حمله برخوردی (Impingement Attack) نامیده می‌ شود، زیرا اغلب زمانی اتفاق می‌ افتد که جریان آب به سطح فلز برخورد کند. این پدیده یک فرایند الکتروشیمیایی است چرا که با بکار بردن حفاظت کاتدی می توان از آن جلوگیری کرد. مشخصه این نوع خوردگی شیارهای از بین رفته، حفره‌ ها و خندق‌ ها می باشند و در حالت کلی به صورت جهت دار ظاهر ‌می‌ شوند، به گونه ای که چاله‌ ها در جهت جریان کشیده ‌می‌ شوند. هنگامی که شرایط شدید باشد، ممکن است منجر به الگوی نعل اسبی شکل یا حفراتی با انتهای باز به سمت انتهای جریان شود.

6) کاویتاسیون: پدیده کاویتاسیون در آب در حرکت هنگامی که جریان آب آشفته باشد به گونه ای که یک افت فشار موضعی ایجاد کند، اتفاق می‌ افتد. تحت این شرایط یک حباب تشکیل خواهد‌ شد و سپس فرو می‌ پاشد و موجب اعمال تنشی تا 1379 مگاپاسگال به سطح می‌ گردد. این اتفاق می تواند موجب از بین رفتن فلز شود. از آلیاژهای مس، برنزهای آلومینیم بهترین مقاومت کاویتاسیون را دارند. موثرترین راه برای جلوگیری از این امر نیز کم کردن سرعت جریان می‌ باشد.

7) خوردگی بین کریستالی: این نوع خوردگی نوع «برخورد» است که به ندرت اتفاق می افتد و اغلب در کاربردهای درگیر با یک جریان پرفشار رخ می‌ دهد. این نوع از نفوذ خوردگی در امتداد مرزهای دانه فلز شکل می‌ گیرد. آن‌ ها اغلب در دانه‌ های مختلف که از نظر زبری سطح قابل تمایزند رخ می‌ دهند. آلیاژهای مستعد به این نوع خوردگی عبارتند از فلز مونتز، فلز دریایی، برنج‌ های آلومینیم و برنزهای سیلیکون.

8) آلیاژزدایی: آلیاژزدایی نوعی از پروسه خوردگی است که بر اساس آن فلز فعال تر به طور گزینشی از یک آلیاژ آزاد شده و نهایتاً بوسیله یک رسوب ضعیف یک فلز نجیب‌ تر ظاهر می‌ گردد. آلیاژهای مس-روی (با بیش از 15درصد روی) برای پروسه آلیاژزدایی که روی زدایی نامیده ‌می‌ شوند مستعدند(در شکل زیر این تخریب در لوله برنجی قابل مشاهده است). برنج‌ های حاوی 85 درصد مس یا بیشتر مقاوم به روی‌ زدایی هستند. قلع به خصوص در آلیاژهای ریختگی تمایل به جلوگیری از جدایش دارد. آلیاژ C46400 (برنج دریایی) و C64500 (برنز منگنز) که به طور گسترده در تجهیزات دریایی بکار می روند، مقاومت خوبی در برابر روی زدایی دارند. اضافه کردن فسفر، آنتیموان یا آرسنیک به فلز نیروی دریایی ( برنج 71Cu-28Zn-1Sn) از روی‌ زدایی جلوگیری می‌ کند. همچنین هنگامی که روی زدایی یک مشکل محسوب می‌ شود، برنج قرمز، برنز تجاری، فلز نظامی محافظت شده و برنج آلومینیم حفاظت شده می‌ توانند برای استفاده مناسب باشد. در آلیاژهای مس-آلومینیم هم آلیاژزدایی آلومینیم مشاهده شده است. آلیاژزدایی در برنزهای قلع ریختگی نیز دیده شده است اما بندرت این اتفاق می‌ افتد.

9) خوردگی خستگی: ترکیب عملیات خوردگی (معمولاً حفره ای) و تنش سیکلی می‌ تواند منجر به ترک های خستگی شود. معمولاً در تشابه با ترک های عادی حاصل از خستگی، ترک‌ های خستگی-خوردگی نیز در مسیرهای دارای حداکثر تنش کششی و در مناطق موثر آن منتشر می‌ گردند. هر چند عموم ترک‌ های به وجود آمده از تنش های مختلف و همزمان سریع‌ تر از ترک‌ های به وجود آمده به وسیله یک نوع تنش عمل می‌ نماید. ترک‌ های نشان داده شده در شکل زیر مشخصه تخریب‌ های شدید حاصل از خستگی خوردگی می‌ باشد. همانطور که در شکل مشاهده می‌ شود ترک های انتقالی با پایه حفرات خوردگی، در سطوح داخلی و زیر لوله مسی نشأت می‌ گیرند. آن دسته از آلیاژهای مسی که حد خستگی بالا و مقاومت به خوردگی مناسبی در شرایط محیطی دارند، مطمئناً مقاومت به خستگی خوردگی بالایی نیز خواهند داشت. آلیاژهایی که اغلب در هنگام وجود خوردگی و تنش سیکلی به کار گرفته ‌می‌ شوند عبارتند از مس های برلیم، برنزهای فسفر، برنزهای آلومینیم و مس- نیکل‌ ها.

10) ترک تنش خوردگی (SCC): ترک تنش ناشی از خوردگی و ترک فصلی به پدیده مشابهی یعنی ترک برداشتن خود به خودی فلز تنش‌ دار تحت تنش قرار دارد. این تخریب معمولاً بین دانه های کریستالی دیده می شود و فقط زمانی اتفاق می افتد که یک آلیاژ تنش‌دار و تحت مواد شیمیایی معین باشد. در واقع سه عامل مواد، تنش و محیط خورنده هر سه در این نوع خوردگی مهم هستند. آمونیاک و ترکیبات آمونیوم ماده خورنده هستند که اغلب موجب SCC در آلیاژهای مس ‌می‌ شوند. این ترکیبات گاهی در اتمسفر هم وجود دارند. همچنین اکسیژن و رطوبت نیز باید برای خورنده شدن آمونیاک در برابر آلیاژهای مس وجود داشته باشد. ترکیبات دیگر نظیر CO₂ بیشتر موجب سرعت بخشیدن به SCC در حضور آمونیاک خواهند شد. برنج‌ های حاوی کمتر از 15 درصد روی مقاومت بالایی به SCC دارند. مس فسفر-اکسیدزدایی شده و مس تاف پیچ نیز حتی تحت شرایط شدید خورنده نیز به ندرت SCC در آن‌ ها مشاهده شده است. از سوی دیگر برنج‌ های حاوی 20 تا 40 درصد روی مستعد به SCC هستند (هر چه مقدار روی از 20 تا 40 درصد بیشتر شود این استعداد بیشتر خواهد بود). در بسیاری از شرایط برلیم، منگنز، منیزیم، فسفر، آرسنیک، قلع و تلریم ریسکِ SCC را کاهش می‌ دهند. اضافه کردن 1.5 درصد سیلیکون نیاز برای کاهش این موضوع بسیار پرکاربرد است.

عوامل موثر بر خوردگی مس

عوامل مختلفی می توانند بر شدت و سرعت خوردگی فلز مس تاثیر بگذارند. رطوبت، دمای محیط، میزان اکسیژن، وجود مواد شیمیایی خورنده و نوع سیال در تماس با فلز از مهم ترین مواردی هستند که می توانند روند تخریب ورق ها و قطعات مسی را افزایش دهند. همچنین کیفیت آلیاژ، میزان خلوص مس و شرایط نگهداری نیز نقش مهمی در کاهش یا افزایش خوردگی دارند.

یکی دیگر از عوامل مهم، قرار گرفتن مس در محیط های صنعتی و شیمیایی است. برای مثال خوردگی مس در محیط اسیدی می تواند سرعت بیشتری نسبت به محیط های معمولی داشته باشد و موجب آسیب جدی به سطح فلز شود. علاوه بر این، تماس مس با فلزات غیر همجنس و ایجاد واکنش های الکتروشیمیایی نیز می تواند احتمال خوردگی گالوانیکی را افزایش دهد.

به همین دلیل در بسیاری از پروژه های صنعتی، استفاده از روش های ضد خوردگی مس و انتخاب آلیاژ مناسب اهمیت زیادی دارد. استفاده از پوشش ها و روش های ضد خوردگی مس در صنایع نفت، تاسیسات و تجهیزات دریایی نقش مهمی در افزایش طول عمر قطعات دارد. رعایت اصول طراحی، استفاده از پوشش های محافظ و کنترل شرایط محیطی می تواند مقاومت در برابر خوردگی مس را افزایش داده و از کاهش عمر مفید تجهیزات جلوگیری کند. علاوه بر ویژگی های فنی و مقاومت به خوردگی، بررسی قیمت ورق و مقایسه انواع آلیاژهای مسی می تواند در انتخاب بهترین محصول برای پروژه های صنعتی و ساختمانی موثر باشد.

ورق های مسی و آلیاژهای مسی دارای خواص بسیار مناسبی می باشند که منجر به استفاده آن ها در صنایع مختلف شده است. با دانستن این موضوع لازم است قبل از انتخاب ورق مورد نیاز آگاهی صحیحی از آلیاژها و عوامل تخریب آن ها داشت. در بین عوامل تخریب، خوردگی می تواند موجب ضررهای اقتصادی قابل توجهی شود که شناخت انواع خوردگی های اتفاق افتاده بر روی قطعات مسی در صنعت می تواند از این امر جلوگیری کند. در مقاله مرکزآهن تلاش شد مهم ترین و کاربردی ترین مباحث مربوط به ورق های مسی و انواع خوردگی آن ها از دیدگاه علمی و صنعتی به زبانی ساده و کاربردی بررسی شود. اما به طور حتم ممکن است سوالات بیشتری نیز در ذهن هنگام انتخاب، خرید و یا بکارگیری این محصولات فلزی داشته باشید. علاوه بر این لازم به ذکر است توانایی خرید ورق های مسی با کیفیت برتر و قیمت مناسب تر مطمئناً هزینه های نهایی پروژه مد نظر خود را به طور محسوسی کاهش خواهد داد. پیشنهاد می شود برای این منظور و ارتباط با مشاوران فنی و فروش به سایت مرکز آهن مراجعه و یا با شماره تلفن های مجموعه تماس بگیرید.

سوالات متداول