כאחד מחומרי המתכת העתיקים ביותר המשמשים בני אדם, נעשה שימוש נרחב בנחושת בתחומים רבים כמו חשמל, ארכיטקטורה, הנדסה ימית וכן הלאה בגלל המוליכות החשמלית המעולה שלה, מוליכות תרמית ועמידות בפני קורוזיה. עם זאת, אפילו בסביבת השימוש האידיאלית ביותר, סדרה של שינויים פיזיקליים וכימיים מתרחשים בהכרח בתהליך השירות ארוך הטווח של נחושת.
1. חמצון פני השטח: שכבת הגנה שנוצרה באופן טבעי
השינוי האינטואיטיבי ביותר של נחושת החשופה לאוויר במשך זמן רב הוא השינוי של צבע פני השטח:
- שלב ראשוני (שבועות עד חודשים): פני השטח משתנה בהדרגה מכתום בהיר -אדום לאדום כהה.
- שלב-אמצע (חודשים עד שנים): שינוי נוסף לחום וסגול.
- שלב-לטווח ארוך (יותר ממספר שנים): לבסוף נוצרת פטינה כחולה-יציבה או ירוקה כהה.
הפטינה שנוצרת על ידי חמצון טבעי היא למעשה סרט הגנה צפוף של פחמת נחושת בסיסית, שיכול למנוע ביעילות קורוזיה נוספת של מתכות פנימיות. בתחום האדריכלות, זהו המפתח לשמירה על שלמות מבנית של גגות נחושת לאחר מאה שנים.
2. קורוזיה בגבול גרגרים: אבולוציה הדרגתית של מבנה מיקרו
בסביבה ספציפית, הידרדרות הנחושת מתחילה במיקרו-מבנה:
- פיצוח קורוזיה במתח (SCC)
חלקי נחושת הנתונים למתח מתיחה-לטווח ארוך נוטים למיקרו-סדקים לאורך גבולות התבואה במדיות ספציפיות כגון אמוניה וגופרית. תופעה זו נפוצה במיוחד בצינורות מחליפי חום ומחברי חשמל, ולרוב לוקח 8-15 שנים להראות סימנים ברורים.
- דה-אביט קורוזיה
עבור פליז (סגסוגת אבץ-נחושת), כאשר הוא משמש במי ים או מים מליחים במשך זמן רב, אבץ יתמוסס באופן סלקטיבי, וישאיר שלד נחושת נקבובי ושביר. תהליך זה מתחיל לעתים קרובות מפני השטח ונמשך פנימה בקצב של 0.01-0.1 מ"מ בשנה.
3. שינוי ההזדקנות של תכונות מכניות
אבולוציה טבעית של חוזק וקשיחות
- עבודה-נחושת מוקשה: ב-3-5 השנים הראשונות, הלחץ השיורי משתחרר בהדרגה, והקשיות עשויה לרדת ב-10-15%.
- נחושת מחושלת: תחת עומס מחזורי-לטווח ארוך, תהיה התקשות קלה והחוזק יגדל ב-5-8%.
- נקודת מפנה קריטית: בדרך כלל לאחר 20-25 שנות שירות, חוזק העייפות מתחיל לרדת באופן ברור.
הנחתה של מדד הפלסטיות:
לאחר שירות-לטווח ארוך, התארכות הנחושת יורדת בדרך כלל ב-20-30%, מה שבולט במיוחד באזור הכיפוף הקר. על פי הנתונים הסטטיסטיים של תעשיית החשמל, ביצועי הכיפוף של פסי נחושת בשימוש במשך יותר מ-30 שנה עשויים לרדת ב-40%.
4. השפלה האיטית של הביצועים החשמליים
עקומת ירידה של מוליכות:
- בסביבה אטמוספרית סטנדרטית, המוליכות של נחושת טהורה יורדת בכ-0.1-0.3% מדי שנה.
- במחזור של 30 שנה, אובדן המוליכות הכולל הוא בדרך כלל בין 5-8%.
- At high temperature (>80 מעלות), ניתן להאיץ את מהירות השפלה פי 2-3.
סיכונים פוטנציאליים של התנגדות למגע:
עיבוי שכבת התחמוצת על פני השטח של מחבר הנחושת יוביל לעלייה בהתנגדות למגע בשיעור של 1-2% בשנה. הדבר עלול לגרום להתחממות יתר מקומית בנקודת החיבור לחשמל במתח גבוה, דבר שעלול להוות סכנה בטיחותית.
5. הזדקנות מואצת סביבתית
השפעת הבדלי האקלים האזוריים:
- סביבה תעשייתית/ימית: שיעור הקורוזיה הוא פי 3-5 מזה של הסביבה הכפרית.
- אזורי טמפרטורה גבוהה ולחות גבוהה: תהליך ההזדקנות מהיר ב-40-60% מזה שבאזורים ממוזגים.
- גשם חומצי באזורים תכופים: מהירות ההרס של שכבת ההגנה על פני השטח מוגברת פי 2-3.
השפעת פרטי ההתקנה:
- מגע של מתכות שונות: במגע ישיר עם פלדה ואלומיניום, קורוזיה גלוונית יכולה לקצר את חיי השירות של הנחושת ב-30-50%.
- מים בנקיקים: קצב הקורוזיה של החלקים החופפים עם הצטברות מים לטווח ארוך הוא יותר מפי 10 מזה של המשטח החשוף.
