Колоссальный вред причиняет ржавчина, или
коррозия, металлов человечеству. Она преждевременно выводит из строя инженерные
сооружения, части машин, различные металлические изделия. Она приводит к
обвалам стропильных ферм, к авариям морских судов, к взрывам паровых котлов,
разрушению водопроводов...
1766 млн. т стали было получено во всем мире с
1890 по 1923 г., и за это же время 718 млн. т уничтожено коррозией.
Правда, не весь материал, пораженный
коррозией, пропадает безвозвратно. Переплавленный в мартеновских печах, он
снова используется для нужд человека. Но все же около 10% металла рассеивается
в виде ржавчины по поверхности земли, по дну рек, морей и океанов. Мировые
невозвратимые потери металла от коррозии достигают 3 млн. т в год.
В чем же причина коррозии? Что это за явление, которое, как тяжелая болезнь, подтачивает и разъедает металл?
Ответ на этот вопрос человек искал еще в
отдаленные времена. Люди давно заметили, что ржавчина сильнее сказывается у
железа, слабее у меди и олова и совершенно не наблюдается у золота и серебра.
Появилось деление металлов на нержавеющие — «благородные», или более устойчивые
против коррозии, и «неблагородные», которые со временем теряли свой блеск,
покрывались бурым, зеленым или серым налетом.
Средневековые алхимики считали, что все
металлы состоят из двух начал — ртути и серы. Ртуть — начало металличности —
сообщает металлу «благородные» свойства: блеск, тягучесть, ковкость. Сера —
начало горючести — вызывает в металле ржавчину.
Начались страстные поиски несуществующего
«философского камня», которым алхимики думали очищать от серы «неблагородные»
металлы и тем самым превращать железо и медь в золото и серебро. Алхимики,
естественно, не достигли своей цели; многие из них как фальсификаторы закончили
свою жизнь на виселицах.
*
В XIX столетии коррозию объясняли действием
угольной кислоты, содержащейся в окружающей среде, влиянием перекиси водорода,
которая образуется при соприкосновении металла с водой, и, наконец, просто
окислением металла. Здесь уже в известной мере прощупывалась истина, но все же
внутренний механизм процесса коррозии не был еще раскрыт.
Истинные причины ржавления металлов были
найдены только в 1903—1907 гг., когда ученые Уайтнер и Уокер разработали основы
электрохимической теории коррозии. Эта теория раскрыла подлинную картину
данного явления и вооружила человека могучими средствами защиты металлов от
ржавчины.
Для того чтобы понять сущность
электрохимической теории коррозии, проделаем небольшой опыт. Возьмем сосуд,
разделенный пористой перегородкой на две части. В одну половину сосуда нальем
раствор медного купороса и погрузим в него медную пластинку; другую часть
сосуда наполним раствором сернокислого цинка и в этот раствор опустим цинковую
пластинку.
Теперь соединим обе пластинки проволокой.
Получится обычный гальванический элемент. В нем цинковая пластинка будет
подвергаться разъеданию, а медная начнет покрываться налетом меди.
В чем причина этого явления?
Вспомним, что в каждом металле, который находится
в твердом состоянии, атомы образуют пространственную кристаллическую решетку.
Каждый атом содержит равное число протонов и электронов, т. е. положительных и
отрицательных частиц электричества. Они друг друга уравновешивают. Такой атом
является электрически нейтральным.
Однако атомы не пребывают в состоянии покоя,
они находятся в постоянном движении. Некоторые из них сталкиваются между собой
и при этих столкновениях лишаются какого-то числа электронов. Такие атомы уже
перестают быть нейтральными, они заряжаются положительно и называются
катионами, или положительными ионами.
Все это происходит в металле.
В растворе же совершается процесс
электролитической диссоциации: часть нейтральных молекул расщепляется на
заряженные атомы, т. е. на положительные и отрицательные ионы.
Подобное явление наблюдается при растворении
кислот, щелочей или солей в воде и других растворителях. Такой раствор
называется электролитическим.
Что же происходит в нашем гальваническом
элементе?
Цинковая пластинка, будучи опущена в
электролитический раствор, отдает ему часть своих катионов, потому что силы
сцепления ионов раствора сернокислого цинка больше сил внутреннего сцепления
ионов пластинки. В результате на металле создается избыток электронов, и
цинковая пластинка заряжается отрицательно.
Поток электронов, подобно струе воды,
находящейся под большим давлением, устремляется по проволоке на медную
пластинку, туда, где свободных электронов мало.
А там навстречу электронному потоку уже
тянутся катионы из раствора медного купороса. На границе двух сред, т. е. на
поверхности меди, происходит встреча. Вновь прибывшие электроны соединяются с
катионами раствора. Образуются нейтральные атомы, которые и выпадают на
пластинке в виде налета меди.
Этот процесс ведет к тому, что в самом
растворе медного купороса число катионов убавляется. Отрицательные ионы
оказываются в большинстве. Создается как бы повышенное давление этих
отрицательных ионов, заставляющее их просачиваться сквозь пористую перегородку
в соседний раствор. Мы уже знаем, что цинк отдает раствору свои катионы. Вновь
прибывающие отрицательные ионы медного купороса только усиливают этот процесс.
Они в свою очередь уводят из цинковой пластинки новые дополнительные партии
катионов.
Атомная кристаллическая решетка цинка
постепенно рушится, и металл гибнет под ударами коррозии.
Так протекает процесс коррозии металлов.
И всякий раз, когда два неоднородных металла,
соединенных между собой, попадают в раствор электролита, неизбежно возникает
гальванический элемент. В этом гальваническом элементе один из металлов
является страдающей стороной: он подвергается усиленному разъеданию, другой —
избегает коррозии.
Любопытный случай произошел в конце прошлого
столетия в Америке. Одна фирма построила для участия в международных гонках
скоростную яхту. Но — удивительное дело — яхта, не совершив еще ни одного
рейса, получила столь тяжелые повреждения от коррозии, что ее пришлось
отправить на слом. Тогда ученые долго ломали голову над разгадкой этого
необъяснимого явления. А сейчас электрохимическая теория коррозии полностью
объясняет случившееся. Корпус яхты был обшит алюминиевыми листами, причем эти
листы скреплялись заклепками, содержавшими медь: получилась пара неоднородных
металлов, а роль раствора электролита великолепно сыграла соленая морская вода.
Такого рода коррозия имеет весьма широкое
распространение, так как, по существу, все металлические сооружения — мосты,
самолеты, морские суда, вагоны, станки — строятся не из одного, а из нескольких
металлов.
 |
| Явление местной коррозии — разрушение трубы. |
Правда, не все эти сооружения соприкасаются с
морской водой. Но электролитической средой может явиться даже окружающая нас
атмосфера, в которой содержатся и пары воды, и углекислый газ. Вода оседает на
поверхности металлов тонким слоем и соединяет разнородные металлические
поверхности. Углекислый газ, растворяясь в этой воде, образует раствор
электролита.
В этом же поверхностном водяном слое могут
растворяться и кристаллики соли, которыми особенно богат морской воздух.
Неудивительно, что металлические сооружения и машины, находящиеся в условиях
морского побережья, быстро выходят из строя. Например, срок службы аэропланов,
работающих в районе Соленых озер в Америке, исчисляется всего несколькими
месяцами.
*
Таким образом, два разнородных металла,
соединенных между собой, под воздействием электролитической среды начинают
работать как гальваническая пара, и эта работа гибельно сказывается на металле.
Но почему тогда подвергаются коррозии изделия,
состоящие как будто из одного металла? Откуда в них гальваническая пара? Ничего
загадочного в этом нет. Все применяемые в технике металлы в большинстве своем
неоднородны. Это — сплавы металлов «благородных» и «неблагородных», т. е.
устойчивых и неустойчивых против коррозии. В этих условиях между разнородными
кристаллами возникают так называемые микрогальванические пары. Они и производят
свое разрушительное действие.
Однако, если взять даже химически чистый
металл, то и в нем возникают гальванические пары. Каким образом? В различных
гранях связь между атомами отличается неодинаковой прочностью. Те грани, где
атомы связаны между собой крепче, растворяются медленнее. Они-то по отношению к
легкорастворимым граням и ведут себя подобно «благородному» металлу. К тому же
возникновению гальванической пары на химически однородной поверхности
способствует и неравномерный приток раствора электролита.
 |
| Наличие трещин, пор и каналов на поверхности металла способствует проникновению внутрь металла вредно действующих газов. Трещины и поры по своим размерам могут быть столь ничтожны, что межкристаллическую коррозию по внешним признакам трудно обнаружить. И если все же на рисунке действие коррозии весьма заметно, то это лишь потому, что дана микрофотография поверхности металла. |
Бесспорно все же, что металл, содержащий
ничтожное количество посторонних включений или химически однородный, оказывает
коррозии больше сопротивления, чем сплавленные металлы. История материальной
культуры дает этому блестящее подтверждение. В индийском городе Дели 2800 лет
стоит удивительная железная колонна, сваренная кузнецами древней Индии.
Удивительна она тем, что на ее поверхности нет ни одного пятнышка ржавчины.
Химический анализ показал, что железо колонны содержит ничтожные следы
углерода, кремния, серы и фосфора.
 |
| 2800 лет стоит в индийском городе Дели удивительная железная колонна. Она весит 16,5 т и имеет высоту 18 м. Колонна возвышается над землей только на 6 м, остальная ее часть засыпана землей. Несмотря на многовековое существование, поверхность колонны совершенно не тронута коррозией. |
Правда, здесь имеет значение и среда — условия
сухой и жаркой Индии. Образцы этого железа, привезенные в туманный Лондон,
быстро заржавели, как самое обыкновенное железо.
*
Выше мы указали на вредное действие примесей.
Но это не всегда так. Есть металлы, которые в сплаве с железом не ослабляют, а
наоборот, усиливают его сопротивление коррозии. Это — никель, ванадий, хром,
молибден и др. В данном случае атомы защищаемого металла как бы укрываются от
вредного действия раствора электролита между атомами примешиваемого металла.
Последний называется легирующим. Широко известная нержавеющая сталь как раз и
представляет собой сплав железа с хромом и никелем.
Здесь мы уже подходим к средствам защиты металла
от коррозии. Такой метод, когда защищаемые металлы сплавляются с более
устойчивыми, носит название метода легирования. Он дает весьма надежную защиту
от коррозии, но очень дорог, так как требует большого количества легирующего
металла.
Большое значение имеет защита оксидными
пленками. Заключается она в следующем. На поверхности металла создается
соединение этого металла с кислородом. Оно выражается в образовании тонкой
пленки. Если пленка отличается достаточной плотностью и, следовательно, малой
пористостью, то она хорошо защищает металл. Но эта же пленка в случае недостаточной
прочности и большой рыхлости может явиться причиной так называемой газовой
коррозии. Обычно газовая коррозия сопровождается электрохимической: пленка
начинает играть роль «благородного» металла, и получается гальваническая пара.
У различных металлов образуются разные пленки
— или помогающие коррозии, или защищающие от нее.
Оксидирование применяется для защиты железа,
цинка, меди, серебра, латуни и алюминия. Такую защиту можно встретить в
затворах орудий, деталях часов, слесарном инструменте и т. д.
Для лучшего сохранения металлов, которые
покрываются оксидными пленками, поверхность их подвергается смазке жировыми
веществами.
Весьма остроумным способом защиты металлов от
ржавления является способ защиты протекторами. Здесь для борьбы с коррозией
используется сама... коррозия. Делается это довольно просто. К защищаемому
металлу прикрепляется пластинка металла менее «благородного», которая
называется протектором. Эта пластинка принимает на себя весь удар со стороны
коррозии. Почему? Потому что в растворе электролита протектор исполняет роль
уже известной нам цинковой пластинки, а защищаемый металл находится в положении
меди.
Защита протекторами завоевала себе прочное
место в котлах, трубопроводах, судостроении и авиации.
Представляет интерес и такой способ, как
нанесение на защищаемый металл особых металлических покрытий. Для этой цели с
большим успехом применяется гальванопластика. Металлы, которые необходимо
предохранить от коррозии, никелируются или хромируются, т. е. покрываются
тонким слоем никеля или хрома.
Наиболее общеизвестным и широко
распространенным средством против коррозии металлов является покрытие их
красками, лаками, смазывающими веществами. Достаточно сказать, что 90% всего
защищаемого от коррозии металла обязано именно этим неметаллическим покрытиям.
Это самый дешевый и практичный способ защиты металлов от коррозии.
За последние годы наука добилась огромных
успехов в деле защиты металлов от ржавчины. Уже прочно вошли в обиход самые
разнообразные и подчас неожиданные способы антикоррозийной защиты.
Напряженная научная работа ведется и дальше, но уже то, что сделано наукой, позволяет спасти от губительного разъедающего действия коррозии 70% всех существующих металлов.
Комментариев нет:
Отправить комментарий