เกรดและมาตรฐานทองแดง
ประโยชน์ของทองแดง

ประโยชน์ของทองแดง

ทองแดง copper เป็นโลหะที่ถูกนำมาใช้ประโยชน์มาตั้งแต่อดีต เริ่มต้นที่ยุคสัมฤทธิ์ (Bronze Age) จนถึงปัจจุบัน และเป็นโลหะที่นิยมใช้เป็นอย่างมากด้วยคุณสมบัติและสีสันที่สวยงานจึงเป็นรองลงมาจากเหล็ก และอลูมิเนียม
ปัจจุบันมีการนำโลหะทองแดงมาใช้เป็นส่วนผสมของทอง และเงินมากขึ้น เพื่อเพิ่มคมและแข็งแรงทั้งเพื่อความสวยงาม และทนต่อการกัดกร่อน โดยใช้โลหะทองแดงในรูปทองแดงเจือสำเร็จรูป ซึ่งสามารถนำไปใช้ได้ง่าย
โลหะทองแดงบริสุทธิ์ใช้เรียกโลหะทองแดงที่มีส่วนผสมไม่เกิน 0.5% โดยน้ำหนัก และใช้คำว่า โลหะทองแดงผสมกับโลหะทองแดงที่มีทองแดงไม่ต่ำกว่า 40% แต่ไม่มากกว่า 99% โดยน้ำหนัก
คุณสมบัติทางกายภาพ เคมี และฟิสิกส์
– ธาตุทรานสิชันตัวแรกของหมู่ IB ในตารางธาตุ
– สถานะ : ของแข็ง
– โครงสร้างผลึก : Face-Centered Cubic
– เลขอะตอม : 29
– มวลอะตอม : 63.546
– รัศมีอะตอม : 0.12 nm
– การจัดเรียงอิเลคตรอน : 1s2 2s2 2p6 3s2 3d10 4s1
– มีจุดเดือด : 2567 ºC
– จุดหลอมเหลว : 1083 ºC
– ความจุความร้อนจำเพาะ : 0.092 cal/g ºC
– ความร้อนในการหลอมละลาย (ที่ 20 ºC) : 50.6 cal/g
– สัมประสิทธิ์การขยายตัวเชิงเส้น : 16.5 µ in/in ºC
– ความต้านทานไฟฟ้า (ที่ 20 ºC) : 1.673 µΩcm
– ความหนาแน่น (20 ºC) : 8.92 g/cm3
– ความแข็ง (HB) : 37
– การต้านทานแรงดึง : 16 x 106 psi
– โมดูลัสของยัง : 129.8 E:GPa
– บัคส์โมดูลัส : 137.8 K:GPa
– โมดูลัสเฉือน : 48.3 G:GPa
– อัตราส่วนของพัวซองส์ : 0.343 γ

คุณสมบัติทางกล (ทองแดงบริสุทธิ์ 99.9%)

 คุณสมบัติทางกล (ทองแดงบริสุทธิ์ 99.9%)


สารประกอบทองแดง
ทองแดง ตามธรรมชาติพบได้มากในรูปของแร่ที่เป็นสารประกอบของซัลไฟด์ ได้แก่
– คาลโคไซด์ (chalcocite) : Cu2S
– โคเวลไลต์ (covellite) : CuS
– คาลโคไพไรต์ (chalcopyrite) : CuFeS2
– โบไมต์ (bomite) : Cu3FeS3

 
สารประกอบทองแดง01สารประกอบทองแดง
ทองแดงเป็นโลหะที่มีคมเหนียว และเนื้ออ่อน สามารถดัดให้มีรูปร่างตามที่ต้องการได้ มีคุณสมบัติเป็นตัวนำคมร้อนและไฟฟ้าได้ดี (รองจากเงิน) เป็นโลหะที่มีคมทนทานต่อการกัดกร่อน มีเลขออกซิเดชัน +1, +2 และ +3 แต่โดยทั่วไปพบทองแดงที่มีเลขออกซิเดชัน +1 (cuprous ion) และ +2 (cupric ion) เท่านั้น ซึ่งในสารละลายคิวปริกไอออน (Cu2+) มีความเสถียรกว่า คิวปรัสไอออน (Cu+) เนื่องจาก คิวปรัสไอออนจะเกิดออกซิเดชันและรีดักชันได้ง่ายกว่า แต่คมเสถียรของทั้ง Cu+ และ Cu2+ นั้น ขึ้นอยู่กับชนิดของไอออนลบหรือลิแกนด์ ค่าคงที่ในการละลาย และชนิดของอะตอมในผลึกด้วย
ทองแดงละลายได้ดีในกรดซัลฟูริก และกรดไนตริก รวมทั้งสารละลายแอมโมเนียมไซยาไนด์ และโปตัสเซียมไซยาไนด์ โดยคิวปริกไอออนส่วนใหญ่ละลายได้ในน้ำ คิวปริกไฮดรอกไซด์ (Cu(OH)2) สามารถตกตะกอนเป็นตะกอนเบา หรือผลึกได้ แต่เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น คิวปริกไฮดรอกไซด์อาจเปลี่ยนเป็นคิวปริกออกไซด์ (CuO) ซึ่งละลายได้ดีในกรดแก่ แต่บางครั้งอาจพบคิวปริกไอออนอยู่ในรูปคอปเปอร์ซัลเฟตที่มีน้ำเป็นองค์ประกอบอยู่ด้วย เช่น Cu2SO4.5H2O รวมทั้งทองแดงยังสามารถเกิดเป็นสารประกอบของ ซัลไฟด์ อาร์ซีไนด์ คลอไรด์ และคาร์บอเนตได้เช่นกัน

ประโยชน์ทองแดง
ทองแดง เป็นโลหะที่มีความสำคัญในการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเล็กโทรนิก รวมถึงเครื่องเรือนต่างๆ เพราะมีคุณสมบัติที่ดีหลายประการ ได้แก่ เป็นโลหะที่สื่อไฟฟ้า และถ่ายเทคมร้อนได้ดี มีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูง สามารถรีดขึ้นรูปได้ง่าย อุตสาหกรรมที่มีการใช้ทองแดง ได้แก่
– อุตสาหกรรมการผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้า และอิเลคทรอนิกส์
– อุตสาหกรรมเครื่องประดับ
– อุตสาหกรรมก่อสร้าง
– อุตสาหกรรมยานยนต์
– อุตสาหกรรมผลิตเครื่องใช้ เครื่องเรือน
– อุตสาหกรรมเครื่องทำความเย็น
– อุตสาหกรรมการผลิตกระป๋องบรรจุภัณฑ์

มาตรฐานทองแดง

มาตรฐานทองแดง

มาตรฐานทองแดงกำหนดรายละเอียดของทองแดง และ ทองแดงผสม การใช้มาตรฐานให้เหมาะสมกับการกำหนดชนิด, รูปแบบ และสถานะของอัลลอยด์ ยิ่งไปกว่านั้นยังมีมาตรฐานทองแดงผสมที่เกิดจากจากภาษาสามัญระหว่างผู้ผลิต, พ่อค้า และผู้ใช้งาน
จากภาวะการเปลี่ยนแปลงในโลกของโลหะ และการผลิตในโรงงานอุตสาหกรรม ยิ่งเพิ่มความสำคัญในการเปรียบเทียบ มาตรฐานของยุโรป, อเมริกา, ญี่ปุ่น และมาตรฐานทองแดงอื่นๆในโลก
มาตรฐานทองแดงของยุโรปเป็นระบบที่ได้รับการพัฒนาโดย Comité Européen de Normalisation (CEN) โดยระบบนี้จะใช้เลขหกหลัก แอลฟา-เชิงตัวเลขในการระบุ ตัวอักษรตัวแรก “C” จะแสดงทองแดงผสม ตัวอักษรตัวที่สองจะแสดงรูปแบบการผลิต เช่น B คือจากแท่งอิงกอท สำหรับการหลอมใหม่เพื่อการหล่อผลิตภัณฑ์, C คือผลิตภัณฑ์จากการหล่อ, F คือวัสดุเติมเต็มสำหรับการประสาน และเชื่อม, M คือมาสเตอร์อัลลอยด์, R คือ Refined unwrought copper, S คือ เศษ, W คือผลิตภัณฑ์ขึ้นรูป และ X วัสดุไม่ได้มาตรฐาน หมายเลขสามหลักถูกใช้ในการระบุวัสดุ และตัวอักษรตัวสุดท้ายจะแสดงกลุ่มวัสดุของทองแดง และเพื่อขยายระบบจำนวนชื่อที่ระบุ
ในอเมริกาใต้ มาตรฐานของทองแดงสำหรับทองแดงผสมจะใช้ของ Unified Numbering System (UNS) ที่ออกโดย American Society for Testing and Materials (ASTM) และ Society of Automotive Engineers (SAE) ภายใต้ระบบของ UNS ทองแดง และทองแดงผสมจะระบุโดยใช้ตัวเลขห้าหลักที่ขึ้นต้นด้วยตัวอักษร C โดยรหัสห้าหลักนี้จะใช้พื้นฐานของการแทนที่ระบบตัวเลขเดิมที่มีสามหลัก ที่พัฒนาโดย U.S. copper and brass industry.
ระบบเก่าบริหารงานโดย Copper Development Association (CDA) และในเอกสารจำนวนมาก ข้อมูลทองแดงผสมยังคงแสดงด้วยหมายเลขของ CDA การระบุของ UNS ใช้เพียงเลขสองหลัก ส่วนขยายหมายเลขของ CDA เพื่ออำนวยความสะดวกให้กับส่วนประกอบใหม่ๆ ตัวอย่างเช่น ทองเหลืองกลึงไสเสรี ( free-cutting brass) หรือในชื่อของ CDA อัลลอยด์ คือ หมายเลข 360 จะกลายเป็น C36000 ซึ่งการระบุของ UNS เป็นระบบที่เข้ากันได้กับการระบุมาตรฐานของ ASTM, ASME และ SAE
ในระบบ UNS หมายเลขจาก C10000 ถึง C79999 หมายถึงอัลลอยด์ที่ทำขึ้น ในขณะที่อัลลอยด์จากการหล่อจะมีชื่อจาก C80000 ถึง C99999 จากสองประเภทนี้สามารถแบ่งกลุ่มส่วนประกอบของทองแดงผสมได้เป็นหกกลุ่มใหญ่คือ ทองแดง, ทองแดงผสมอัลลอยด์ที่ปริมาณสูง (high-alloy coppers), ทองเหลือง, บรอนซ์, นิกเกิล และนิกเกิลเงิน ส่วนอัลลอยด์ที่ไม่อยู่ในหกกลุ่มนี้ และถูกแบ่งเป็น ทองแดง-สังกะสี อัลลอยด์ ส่วนประกอบที่ทำขึ้น หรืออัลลอยด์พิเศษ และการหล่อส่วนประกอบ
มาตรฐานทองแดงของญี่ปุ่น JIS มีพื้นฐานมาจากมาตรฐาน ISO การกำหนดชื่อจะเริ่มต้นด้วยตัวอักษร JIS และตามด้วยตัวอักษร C สำหรับทองแดงที่หล่อขึ้น และทองแดงผสม หมายเลขสี่หลักที่ใช้จะขึ้นอยู่กับธาตุผสมที่ใส่เข้าไป ตัวอย่างเช่น Jis C1020 ประกอบด้วย Cu 99.9%, JIS C2720 คือ Cu-Zn (ทองเหลือง), JIS C5191 คือ Cu-Sn-P (phosphor bronze), JIS C3601 คือ Cu-Zn-Pb (ตะกั่วผสมทองเหลือง), JIS C6801 คือ Cu-Zn-Al (ทองเหลือง), JIS C 4430 คือ Cu-Zn-Sn (ทองเหลือง) และอื่นๆ
 

เกรดทองแดง
เกรดทองแดงเป็นหนึ่งในกลุ่มหลักของโลหะที่ทำการค้าขาย และถูกใช้อย่างแพร่หลายเพราะว่าคุณสมบัติการเป็นสภาพตัวนำไฟฟ้า และความร้อนที่ดีเยี่ยม, ต้านทานการกัดกร่อน และทำการผลิตง่าย
เกรดทองแดงไม่มีคุณสมบัติแม่เหล็ก และสามารถทำการเชื่อมต่อโดยการบัดกรี และการประสานได้ เกรดทองแดงหลายชนิดสามารถทำการเชื่อมด้วยแก๊ส, อาร์ค และวิธีการเพิ่มความต้านทานได้
เกรดทองแดงถูกแบ่งเป็น 6 กลุ่มใหญ่: ทองแดง, dilute copper alloys, ทองเหลือง, บรอนซ์, ทองแดง-นิกเกิล อัลลอยด์ และนิกเกิล-เงิน อัลลอยด์
1.ทองแดงบริสุทธิ์ที่ใช้ในการค้าเป็นหลัก เพราะมีน้ำหนักเบา และอ่อน อีกทั้งยังมีธาตุอื่นๆผสมอยู่ไม่ถึง 0.7% เกรดของทองแดงบริสุทธิ์ที่ระบุโดย UNS คือ C10100 ถึง C13000 โดยเกรดทองแดงที่เบานี้ประกอบด้วยธาตุอัลลอยด์เพียงเล็กน้อยที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของคุณสมบัติของทองแดงอย่างใดอย่างหนึ่ง
2.Electrolytic tough pitch copper C11000 ทำมาจากทองแดงขั้วลบ ซึ่งทองแดงได้ผ่านการปรับแต่งให้มีสภาพการนำไฟฟ้า และ C11000 เป็นเกรดทองแดงที่ใช้ในการนำไฟฟ้าโดยทั่วไป เพราะมีสภาพการนำไฟฟ้าสูง มากกว่า 100% IACS และมีปริมาณออกซิเจนเท่ากับ C12500 แต่มีส่วนประกอบซัลเฟอร์ที่แตกต่างกัน โดย C11000 มีความไม่บริสุทธิ์ของโลหะอยู่ทั้งหมด 50 ppm รวมทั้งซัลเฟอร์
3.ทองแดงแบบไม่ผสมออกซิเจน C10100 และ C10200 ผลิตขึ้นโดยการหลอมเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้า ด้วยขั้วลบภายใต้สภาวะที่ไม่มีออกซิเจน และผลิตโดยกระบวนการป้องกันและลดอากาศ และทำให้มีไฮโดรเจนต่ำ
4.ทองแดง-นิกเกิล อัลลอยด์ (copper-nickels, cupro-nickels) คือเกรดทองแดงที่ประกอบด้วยนิกเกิล 1.5-45% เป็นธาตุหลัก ตามที่ Unified Numbering System (UNS) กำหนด ทองแดง-นิกเกิล อัลลอยด์ระบุด้วยหมายเลขจาก UNS C70000 ถึง UNS C73499 อัลลอยด์กลุ่มนี้ใช้ในการผลิตเหรียญ, อุปกรณ์ที่ใช้ในน้ำทะเล, เครื่องระเหย (evaporators), ท่อแลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger tubes), ระบบไฮดรอลิคในยานยนต์ (automotive hydraulic) และ ระบบหล่อเย็น (cooling systems)
5.นิกเกิล เงิน ไม่ได้มีส่วนประกอบของเงิน และอาจจะเป็นทองเหลืองที่เพิ่มนิกเกิลเข้าไป โดยที่นิกเกิลถูกเพิ่มเข้าไปในปริมาณมากแต่ในความเป็นจริงแล้วอยู่ระหว่าง 9 ถึง 30% ขึ้นอยู่กับงานที่ใช้ และปริมาณทองแดงมีแนวโน้มที่จะเท่าเดิมคือประมาณ 60-65% แต่สังกะสีจะลดลงเมื่อเพิ่มปริมาณนิกเกิล ปริมาณนิกเกิลที่เพิ่มขึ้นจะทำให้เปลี่ยนเป็นสีขาว เพิ่มความต้านทานการกัดกร่อน และลดความอ่อน
6.นิกเกิล เงิน ถูกใช้อย่างแพร่หลายในงานที่ใช้โลหะนอกกลุ่มเหล็ก เนื่องจากคุณสมบัติความต้านทานการกัดกร่อน, สี และคุณภาพในการขึ้นรูปเย็น วัตถุที่ทำมาจาก นิกเกิล เงิน เช่นหม้อน้ำรถยนต์, ลูกลื่นของปากกา, คีย์ของเครื่องดนตรี, ตัวถังของทรานซิสเตอร์ (transistor casings), electrical contacts, architectural ironmongery, มีด และอื่นๆ ตามที่ UNS กำหนดขึ้น นิกเกิล เงิน ระบุด้วยหมายเลขจาก C73500 ถึง C79999

ประโยชน์ของทองแดงในด้านอื่นๆ

ประโยชน์ของทองแดงในด้านอื่นๆ

การกำจัดทองแดงในน้ำเสีย
กฎหมายไทยได้กำหนดให้โรงงานอุตสาหกรรมปล่อยน้ำทิ้งที่มีปริมาณทองแดงได้ไม่เกิน 2 mg/L โดยทองแดงในน้ำเสียนั้นพบได้ในหลายรูปแบบ เนื่องจากกระบวนการทางเคมี และการผลิตที่แตกต่างกัน ซึ่งอาจอยู่ในรูปของเกลือหรือตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้ต้องเลือกใช้วิธีที่มีคมเหมาะสมในการกาจัด ส่วนมากนิยมใช้วิธีทำให้ตกตะกอนหรือการนำกลับมาใช้ใหม่ ซึ่งประกอบด้วยกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน (ion exchange) การระเหย (evaporation) และกระบวนการทางไฟฟ้า (electrodialysis) เป็นต้น
การแลกเปลี่ยนไอออนด้วย เรซินเป็นวิธีที่มีค่าใช้จ่ายสูง แม้ว่าเรซินที่ใช้แล้วสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้อีกโดยการทำรีเจนเนอเรชัน (regeneration) ด้วยกรด แต่เมื่อใช้งานไปนานๆ ประสิทธิภาพของเรซินจะค่อยๆลดลง จนไม่สามารถนำกลับมาใช้ได้อีก และกระบวนการแลกเปลี่ยนไอออน และการดูดซับด้วยถ่านกำมันต์ (activated carbon) ซึ่งเหมาะเฉพาะกับน้ำเสียที่มีทองแดงน้อยกว่า 200 mg/L ส่วนกระบวนการตกตะกอนของทองแดง ณ pH ที่เป็นด่างด้วยการเติมสารเคมี ได้แก่ โซดาไฟ (NaOH) เพื่อให้ทองแดงตกตะกอนในรูปคิวปริกไฮดรอกไซด์นั้น เกิดได้ดี เมื่อ pH อยู่ในช่วงประมาณ 9.0 – 10.3
 
การตกตะกอนทางเคมี (Chemical Precipitation)

1. การตกตะกอนด้วยไฮดรอกไซด์
เป็นการตกตะกอนทองแดงให้เป็นผลึกแบบดั้งเดิม โดยใช้สารเคมี 2 ชนิด คือ ปูนขาวหรือแคลเซียมไฮดรอกไซด์(Ca(OH)2) และโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ดังสมการด้านล่าง
Cu2+ + 2 NaOH = Cu(OH)2 (s) + 2Na+
2. การตกตะกอนด้วยซัลไฟด์
เป็นการตกตะกอนทองแดงด้วยสารประกอบของซัลไฟด์ ซึ่งเกิดปฏิกิริยา ดังสมการด้านล่าง ได้แก่
– โซเดียมซัลไฟด์ (Na2S)
– โซเดียมไฮโดรเจนซัลไฟด์ (NaHS)
– เฟอรัสซัลไฟด์ (FeS)
Cu2+ + Na2S = CuS (s) + 2Na+
 
การแลกเปลี่ยนไอออน (Ion exchange)
กระบวนการแลกเปลี่ยนประจุสามารถแยกทองแดงออกจากน้ำได้ โดยอาศัยเรซินซึ่งทำหน้าที่แลกเปลี่ยนประจุ ได้แก่
– เรซินที่มีประจุบวก เรียกว่า cation exchange resin
– เรซินกรดแก่ ซึ่งรวมอยู่กับ sulfonic acid (ReSO3– H+) ดังสมการที่ 1
– เรซินกรดอ่อน ซึ่งรวมอยู่กับ carboxylic acid (ReCOOH) ดังสมการที่ 2
n ReSO3– H+ + Cu2+ = (ReSO3)nCu + nH+
n ReCO2– H+ + Cun+ = (ReCO2)n + nH+
โดย Re = resin
หลังจากใช้เรซินแลกเปลี่ยนประจุกับทองแดงแล้ว เรซินสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ด้วยกระบวนการล้างเรซินด้วยกรด (H+) สารละลายกรดเจือจางที่นิยมใช้ คือ กรดไฮโดรคลอริก (HCl) ดังสมการด้านล่าง
(ReSO3)n M + n HCl = n Re SO3– H+ + n Cl– + Mn+

การชุบเคลือบด้วยทองแดง

การชุบเคลือบด้วยทองแดงส่วนใหญ่จะใช้ในการรองผิวงาน ชั้นของทองแดงจะช่วยในการกลบรอยที่เป็นจุดตำหนิ และช่วยทำให้ผิวชิ้นงานเรียบและเงางาม และพร้อมสำหรับการชุบด้วยนิกเกิลหรือโครเมียมต่อไป ชั้นของทองแดงที่มีความเหนียวจะเป็นตัวเชื่อมระหว่างผิวของชิ้นงานพลาสติกหรือโลหะ กับชั้นชุบเคลือบของนิกเกิล-โครเมี่ยม ซึ่งทั้งสองมีสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อนที่แตกต่างกัน
นอกจากนี้ ชั้นของทองแดงยังเป็นกำแพงกั้นการแพร่ของอนุภาคโลหะในชิ้นงานออกสู่ภายนอก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในชิ้นงานที่เป็นสังกะสีหล่อ ซึ่งชั้นของทองแดงเปรียบเสมือนตัวสนับสนุนที่ช่วยเพิ่มการยึดเกาะบนชิ้นงานโลหะที่ยากต่อการชุบเคลือบและการชุบเคลือบบนพลาสติก
เรามีเคมีภัณฑ์สำหรับกระบวนการชุบเคลือบด้วยทองแดงทั้งเคมีภัณฑ์ชนิดกรดและด่าง สำหรับการชุบเคลือบบนโลหะและพลาสติก ซึ่งข้อมูลเพิ่มเติมอยู่ในตารางด้านล่าง
การชุบเคลือบด้วยทองแดง
จะเห็นได้ว่าทองแดงเป็นโลหะที่มีคุณสมบัติที่ดี ทั้งความเหนียว ทนทาน และสาวยงาม จึงไม่น่าแปลกใจเลยที่ทองแดงจะเป็นโลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในหลายๆอุตสาหกรรม
 
เอกสารอ้างอิง
[1] เบญจวรรณ วงศ์ศิริ, 2547, การกำจัดตะกั่วและทองแดงจากน้ำเสีย-โดยซิลิกาเจลที่ใช้แล้วเคลือบด้วยเหล็กออกไซด์.
[2] สุทัศน์ ยอดเพชร, 2545, การศึกษาเทคนิคการผลิตทองแดงเจือ-เพื่อเป็นโลหะเจือหลักสำหรับการผลิตตัวเรือนเครื่องประดับโลหะเงินเจือ.
[3] กนกพร สุพงษ์, 2558, การกำจัดทองแดงไอออนในน้ำเสียห้องปฏิบัติการด้วยปฏิกิริยารีดอกซ์ร่วมกับอิเลคโตรกราวิเมตรี.
[4] สุภาวดี หุ่นสวัสดิ์, 2539, ปริมาณสังกะสีและทองแดงในอาหารสำหรับผู้ป่วยในโรงพยาบาลภูมิพลอดุลยเดช พอ.
[5] สมาคมผู้ค้าอัญมณีไทยและเครื่องประดับ, 2542, โครงการพัฒนาบุคลากรในสถาบันการศึกษาที่เปิดสอนในสาขาวิชาอัญมณีและเครื่องประดับ.
QR LINE