Интересные факты о металлах. Оцинковка — не панацея. Медь – востребованный металл в электронике
2014-05-22
Коррозия является очень разрушительной формой окисления (т.е. реакцией с кислородом), происходящей в железе и металлах, содержащих железо. Ржавчина образуется в виде оранжевого вещества на железе, ослабляя его и металл в конце распадается. Другие металлы окисляются с образованием соединений. В этих случаях процесс известен как коррозия, а не ржавчина. Ржавчина конкретный тип коррозии, которая происходит только тогда, когда присутствует железо.
Ржавчина является общим названием для соединения железа называемого оксидом, который представляет собой сочетание железа и кислорода. Кислород есть в воздухе и не реагирует с железом, потому что он объединяется с другими частицами кислорода, но когда вода вступает в контакт с железом она сочетает с диоксидом углерода в воздухе с образованием кислоты, которая растворяет железо и расщепляет воду. Свободный кислород затем может взаимодействовать с железом с образованием оксида железа – ржавчины. Этот процесс освобождает электроны, позволяя им переходить в другой кусок металла или в другую точку, где происходит дальнейшая коррозия.
Железо ржавеет быстрее при воздействии морской воды или солей, чем когда она находится в контакте с чистой водой. Это из-за присутствия натрий-хлорид ионов, которые хорошо проводят ток и которые в свою очередь ускоряет процессы ржавчины.
Нанесение покрытий на металлы защитными красками может помочь предотвратить окисления, но ржавчина может появиться в любом месте что краска поцарапана. Процесс галаванизации цинком металлов, создает защитный слой и предотвращает коррозию путем замедления процесса коррозии, и коррозирует вместо него. Такая защита используется для предотвращения коррозии на судах и подземных труб. Магний похож цинка по восприимчивости к коррозии и часто используется таким же образом.
Металл служит примером прочности. Недаром, когда хотят подчеркнуть это свойство, говорят: «прочный, как сталь». С понятием «металл», «металлический», «стальной» связано представление о чем-то неизменном, твердом, прочном.
Но если заглянуть в Исторический музей, где нас познакомят с остатками вооружения наших предков, извлеченных при раскопках древних могил, то мы увидим, что когда-то блестящие и прочные мечи, топоры, стальные кольчуги и другие металлические изделия потеряли блеск и прочность. Они покрыты не только толстым слоем ржавчины, но почти полностью разрушены. Такому разрушению подвергаются металлические предметы, не только оставленные в земле, но и находящиеся в сыром помещении.
Следовательно, металлы оказываются далеко не такими прочными, как об этом гласит народная молва. Под влиянием внешней среды, водных растворов кислот, солей и электрического тока они окисляются, в результате чего разрушаются.
Такого рода разрушение металлов получило название коррозии. В переводе с латинского “corrodere” означает – разъедать.
Почему же они разрушаются?
Как известно, все металлы, за исключением золота, платины, серебра, встречаются в природе в виде соединений с кислородом, серой, а также в виде солей серной, соляной и других кислот, т. е. в окисленном состоянии. Чтобы получить их в чистом виде, необходимо затратить химическую или электрическую энергию. Так, например, для получения железа из его руд строятся громадные доменные печи, в которых оно выплавляется. Из естественного, природного (окисленного) состояния они переводятся в металлическое состояние. Это состояние неустойчиво. Металл как бы стремится вновь перейти в то соединение, в котором изначально существовал в природе.
Коррозия металлов – это процесс перехода металла в то природное, естественное состояние, в котором мы встречаем его в земной коре.
Почему же все-таки при некоторых условиях металлы не так быстро переходят в свое естественное состояние, в оксиды или соли кислот? Одним из замечательных памятников старого Дели в Индии является минарет Кутуб-Минар, построенный в 1200 г. Во дворе минарета уже более тысячи лет стоит известная Делийская железная колонна. Эта колонна знаменита тем, что она не подверглась разрушающему действию коррозии. О Делийской колонне рассказывают много легенд, касающихся ее исключительной коррозийной стойкости.
Чем же объясняют исключительную коррозийную устойчивость металла, из которого сделана эта колонна? Есть разные версии её антикоррозийной устойчивости, но, скорее всего, высокую коррозийную стойкость колонны можно объяснить условиями, в которых она находится. Дело в том, что климат Дели, в особенности там, где находится колонна, очень сухой: относительная влажность в течение года не превышает 50-60%, а обычная – в пределах 30- 40%.
Английский ученый Вернон нашел, что при относительной влажности до 30% коррозия металла практически не наблюдается, при повышении же влажности до 60-70% наблюдается медленное увеличение коррозии. При влажности выше 70% коррозия резко возрастает и несколько снижается при влажности выше 90%.
Итак, вывод:
Коррозийная стойкость металлов в значительной мере зависит и от условий, в которых они находятся.
А) Результаты опыта.
Для ответа на многие вопросы, связанные со скоростью коррозии металла в зависимости от среды, мною был заложен опыт, и проводились наблюдения за ходом процесса окисления металла в течение семи дней. Было взято 7 стаканов воды, только в первом стакане вода была кипяченая. В остальных 6-ти случаях – вода сырая, то есть содержащая определенное количество растворенного в воде кислорода.
№1 Описание условий эксперимента
Железный гвоздь полностью погружен в кипяченую воду
Железный гвоздь погружен в некипяченую воду, он виден из воды
Железный гвоздь полностью погружен в некипяченую воду
Железный гвоздь погружен в некипяченую воду, он виден из воды, в воду добавлена поваренная соль (NaCl)
Железный гвоздь погружен в некипяченую воду, он виден из воды, в воду добавлена питьевая сода (NaHCO3)
Железный гвоздь погружен в воду, он виден из воды, в воды, к гвоздю прикручена алюминиевая проволока
Железный гвоздь погружен в воду, он виден из воды, к гвоздю прикручена медная проволока
Результаты наблюдения:
1-ый стакан: Вода кипяченая, полностью покрывает железный гвоздь. Необходимо отметить, что в этом стакане гвоздь покрылся налетом ржавчины, но толщина слоя по сравнению с другими стаканами – минимальная. То есть, в кипяченой воде скорость коррозии самая малая из-за отсутствия растворенного в воде кислорода.
Во 2-ом и в 3-ем стаканах - вода сырая. Во втором стакане гвоздь виден из воды, а в третьем – полностью погружен в воду. Во втором стакане, где гвоздь виден из воды, коррозия железа достигла большего размера, чем в стакане, где гвоздь полностью покрыт водой. То есть, на границе раздела воздух – вода металл больше подвергается коррозии, так как идет соприкосновение воды и металла с кислородом воздуха и процесс окисления железа ярче выражен.
Таким образом, вода, содержащая растворенный кислород (опыты №№ 2,3), значительно опаснее в коррозионном отношении, чем вода, не содержащая его (опыт №1).
В 4-ом стакане в воду была добавлена поваренная соль – хлорид натрия NaCl. Гвоздь в этом стакане покрылся толстым слоем ржавчины, коррозия значительна. Причина кроется в среде – в воду добавлен электролит – поваренная соль, которая способствует разъеданию металла. В морской воде также содержится большое количество поваренной соли и других солей, которые тоже являются прекрасными электролитами, что способствует более быстрому протеканию коррозии корпусов кораблей.
В 5-ом стакане в воду было добавлено небольшое количество питьевой соды, которая имеется у всех дома – NaHCO3 (гидрокарбонат натрия). Раствор питьевой соды имеет слабо выраженную щелочную среду. Но коррозия быстрее протекает в кислых и нейтральных средах, в которых имеются растворенный в воде кислород и ионы водорода (Н+). В щелочной же среде концентрация гидроксид-ионов (ОН-) преобладает над концентрацией ионов водорода, то есть фактически ионы водорода устранены, что не позволяет разрушаться металлу. Щелочная среда препятствует протеканию реакций окисления металла. И по результатам опыта было видно, что в этом стакане гвоздь по истечении семи дней остался без изменений.
Что произошло в 6-ом и 7-ом стаканах? Об этом – немного позднее.
Человек не только должен знать, почему разрушается металл, но и как сберечь его от разрушения, ибо трудно себе представить сейчас нашу жизнь без металла, который в жизни человеческого общества играет первостепенную роль. Из него делают тысячи различных предметов: станки, автомобили, тракторы, сложные аппараты, самолеты, реактивные двигатели. Наши города и села связаны металлическими линиями проводов.
По металлическим трубам, проложенным под землей, протекают реки нефти из одних районов в другие. По трубам же подается вода от центральной водопроводной станции города на фабрики, заводы и в наши квартиры. Но металл играет большую роль не только в промышленности, он окружает нас и в быту. Всюду металл, без него нельзя представить себе современную жизнь.
Одной из важнейших задач в настоящее время является не только увеличение производства металла, но и сохранение его от разрушения. Чтобы представить, какое значение имеет борьба с коррозией металлов, рассмотрим, какой вред она приносит. Подсчеты, которые были сделаны в начале 20-х годов ХХ века, показали, что за время с 1860 по 1920 года, то есть за 60 лет, было выплавлено чугуна во всем мире 1860 млн. тонн, а в результате коррозионных разрушений погибло 660 млн. тонн, что составляет около 33% от всего выплавленного металла.
Сейчас считают, что примерно около 10% всей ежегодно выплавляемой стали идет на покрытие безвозвратных потерь металла от коррозии. Наша страна ежегодно теряет 5-6 млн. тонн металла. Иначе говоря, буквально в пыль превращается годовая продукция крупного металлургического комбината.
Чтобы понять, как можно лучше защитить металл от коррозии, познакомимся с некоторыми свойствами металлов.
Б) Общие свойства металлов.
В настоящее время известно 110 химических элементов, из них почти 90 – металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере. Можно сказать, что соединения металлов находятся повсюду: в горных породах, в воде.
По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов.
Периодический закон, установленный великим русским ученым Д. И. Менделеевым, представляет основу классификации химических элементов. Химические и физические свойства каждого элемента можно охарактеризовать, зная то место, которое занимает данный элемент в периодической системе; можно заранее сказать, какими химическими, а следовательно, и коррозионными свойствами обладает тот или иной элемент.
Русский ученый Николай Николаевич Бекетов расположил все металлы по своей активности в электрохимический ряд активности металлов:
В этом ряду каждый металл, стоящий левее, является более активным, по сравнению с правостоящим. Более активные металлы легче вступают в химические реакции, а, следовательно, легче окисляются. Так, мы видим, что алюминий является более активным металлом, чем железо, а медь – менее активным металлом по сравнению с тем же железом. Поэтому, при соприкосновении двух металлов различной активности они сразу образуют гальваническую пару, или гальванический элемент. В этом случае, металл, являющийся более активным, начинает энергично разрушаться (он активнее отдает свои электроны), следовательно, активнее подвергается коррозии, а металл, менее активный, остается в неизменном виде. Этот момент появления гальванической пары я и исследовала в двух последних случаях моего опыта. В стакан под № 6 был помещен гвоздь, который находился в контакте с алюминиевой проволокой. Сравнив расположение двух металлов в ряду активности, мы видим, что алюминий – более активен, чем железо, следовательно, разрушаться в воде должен именно этот металл. Мои наблюдения полностью подтвердили эту гипотезу: алюминиевая проволока за 7 дней покрылась рыхлым белым налетом гидроксида алюминия (Al(OH)3), а железный гвоздь совсем не изменился. В стакан № 7 я поместила гальваническую пару, состоящую из железного гвоздя и медной проволоки. Из результата опыта видно, что железо, как более активный металл, покрылся толстым слоем ржавчины, а медная проволока осталась без изменений.
Интересен один исторический факт. В начале XX века по заказу одного американского миллионера была построена роскошная яхта «Зов моря». Днище ее было обшито монель-металлом (это сплав меди и никеля), а рама руля, киль и другие детали были изготовлены из стали. Когда яхту спустили на воду, возник гигантский гальванический элемент, состоящий из катода – монель-металла, стального анода и раствора электролита – морской воды. Последствия были ужасными! Еще до выхода в открытое море яхта полностью вышла из строя, а «Зов моря» остался в истории мореплавания как пример конструкторской недальновидности и самонадеянного невежества.
В) Виды коррозии.
Этот вид коррозии, которая возникает в результате контакта двух различных металлов, получил название – электрохимическая коррозия.
Известны и другие виды коррозии металлов. Например, электрическая коррозия металла под воздействием блуждающих токов. Что это за токи и откуда они берутся?
Такой вид коррозии характерен в тех местах, где проложены рельсы для электропоездов. Электрический ток попадает в почву от линий метро, электричек, сварочных аппаратов из-за недостаточной изоляции. Подземные трубопроводы, кабельные сети и другие металлические сооружения, находящиеся под землей, подвергаются наибольшей коррозии. Чтобы понять действие блуждающего тока, рассмотрим простейшую схему:
Воздушный провод Эл. ток от станции
Рельс Эл. ток к станции
Труба 1 2 3
Ток поступает от электростанции в рабочий воздушный провод, от которого питается электропоезд, а обратно к станции электрический ток двигается по рельсам. Но очень часто рельсы соприкасаются с почвой, и часть тока ответвляется и направляется в землю. Если металлическая труба расположена вблизи токонесущих рельсов, то часть электрического тока потечет уже по трубе. Таким образом, можно разделить зоны движения тока по трубе, находящейся в почве, на три части:
1. Участок входа блуждающего тока из почвы на трубопровод. Эта зона не опасна для трубопровода.
2. Зона протекания блуждающего тока по трубопроводу. Данная зона также не вызывает изменений в трубопроводе.
3. Участок выхода блуждающего тока из металлического трубопровода в почву и далее на рельсы. Вот здесь то и возникает коррозия трубопровода. Она проявляется в виде глубоких язв или даже разрывов. Коррозионные разрушения зависят от величины блуждающего тока.
Для борьбы с блуждающими токами в настоящее время разработан ряд мероприятий. Во-первых, это тщательная изоляция токонесущих систем. Для защиты трубопроводов, прокладываемых в земле, применяют битумное покрытие.
Еще один интересный вид коррозии металлов – биокоррозия. Это новый вид коррозии. Известно, что коррозия протекает при участии микроорганизмов. Они выделяют продукты, которые могут вызывать коррозию. Биокоррозия изучена еще недостаточно. Но интересно отметить особый вид бактерий - так называемых железных, которые усваивают железо в виде ионов, для чего они выделяют продукты, разрушающие металл, переводящий его в соединения железа, то есть в окисленное состояние.
Особе место в коррозионном разрушении металлов занимает морская вода. А коррозия, возникающая в морской воде, получила название морской коррозии. В морской воде очень значительно содержание различных солей. Кроме того, в ней в растворенном состоянии всегда находятся газы: азот, кислород, углекислый газ, оксиды азота и другие.
В морской воде корродируют не только подводные части морских судов, но и периодически орошаемые надводные и палубные надстройки, а также металлические конструкции и сооружения, установленные в море. Морская коррозия приносит громадные потери народному хозяйству.
Г) Защита металлов от коррозии.
Вопрос о том, как защищать металлы от разрушения, является столь же древним, как и их применение. Можно сказать, что вместе с использованием металла возникла необходимость и его защиты. Однако научные методы защиты металлов от коррозии возникли много позже.
Разработка методов защиты тесно связана с изучением причин, вызывающих коррозию металлов. Первые научные основы изучения коррозии металлов были заложены гениальным русским ученым М. В. Ломоносовым.
Наряду с разработкой методов защиты металлов от коррозии в настоящее время получают новые вещества, которые с успехом могут заменять в некоторых изделиях металлы. Следовательно, борьба с коррозией металлов идет не только по пути защиты самих металлов, но и замены их коррозионно-стойкими материалами.
Все применяемые методы защиты металлов можно разделить на две группы.
Способы защиты:
Покрытие металла: Электрохимические методы защиты:
1. Металлические покрытия, гальванотехника. 1. Протекторная защита.
2. Неметаллические покрытия: покрытие красками, эмалями, лаками, смазками, оксидирование.
К первой группе относят различного рода покрытия. Сущность этого метода сводится к тому, что на поверхности металла создается та или иная пленка, защищающая поверхность металла от контакта с внешней средой. Покрытия в свою очередь делятся на металлические и неметаллические.
Ко второй группе относят электрохимические методы защиты.
Итак, первая группа защиты. Роль покрытия как средства защиты от коррозии большей частью сводится к тому, чтобы изолировать металл от внешней среды.
В качестве металлических покрытий корпусов изделий используют хром, никель, серебро и золото. Хромированные, никелированные, серебрённые и золочёные изделия имеют красивый внешний вид и в то же время коррозионно-стойки. Этот метод получил название гальванотехники. Часто металлические изделия, как говорят, «работают» в жидких средах, например в воде, растворах кислот, щелочей и солей. Здесь уже необходимы более сложные методы защиты. Из металлических покрытий для изделий, «работающих» в воде или во влажной атмосфере, широко применяют цинковые или оловянные покрытия: оцинкованные ведра, луженая посуда.
Из неметаллических покрытий часто используют покрытие эмалью, кислотоупорным лаком, различными смолами нефтяного происхождения, резиной. Многие из этих неметаллических покрытий являются очень стойкими, как, например, резина или фенолформальдегидные смолы, которые предохраняют металл даже в таких средах, как растворы соляной кислоты любой концентрации.
Часто на поверхность металла искусственно наносится оксидная пленка другого металла, которая является прочным веществом. Образование таких пленок получило название оксидирование. Оксидирование как средство защиты приборов, станков, а также основных частей огнестрельного оружия получило широкое распространение. Оксидирование не только играет защитную роль, но и придает изделиям красивую черную или синюю окраску. Поэтому очень часто оксидирование называют воронением, потому что окраска изделия в этом случае напоминает цвет воронова крыла.
Таким образом, мы видим, что выбор покрытия зависит от того, в каких условиях будет находиться изготовляемое металлическое изделие.
Из коррозионных разрушений металла мы наиболее часто встречаемся с ржавлением железа. Борьба с ржавлением железа и изделий из него имеет наибольшее значение в народном хозяйстве.
Рассматривая процесс ржавления металлов, я отметила, что если железо находится в контакте с другими металлами, то последние могут сильно изменить скорость ржавления. В одних случаях – контакта железа с медью (контакт с менее активным металлом) – скорость ржавления увеличивается, а в других, когда железо находится в контакте с алюминием, цинком (контакт железа с более активным металлом), наоборот, ржавление замедляется или полностью прекращается. Метод защиты металла способом создания гальванической пары получил название протекторная защита.
Цинк – один из наиболее широко применяемых металлов в протекторной защите. Кроме цинка, для этих целей используют сплавы магния и алюминия. Выбор протектора зависит от характера структуры металла, из которого изготовлена сама конструкция, а также условий, в которых находится данный металл.
Протекторную защиту обычно применяют для крупных сооружений: нефтехранилищ, танкеров, заводской арматуры, электрических кабелей, находящихся под землей, водопроводных труб, корпусов морских судов.
3. Заключение.
В своей работе я не ставила цель исследовать все существующие виды коррозии, их гораздо больше, чем я изложила. Но даже те виды коррозии, которые здесь представлены, уже говорят о значимости этой проблемы и путях ее решения. При изучении химии в дальнейшем мне еще предстоит более детальное знакомство с явлением разрушения металла под воздействием различных факторов. Но уже те немногие сведения, которые собраны здесь, думаю, заинтересуют тех ребят, которые прочтут данную работу, и помогут им в дальнейшем защитить свой собственный автомобиль, крышу дома, хозяйственный инвентарь от коррозии. А это уже не мало. Значит, есть результат от работы.
Неотъемлемым атрибутом промышленной революции и символом индустриальной мощи. Важность данного ресурса, безусловно, очень велика, но многие ли задумывались, сколь многообразной является данная группа химических элементов? Или какие любопытные свойства наблюдаются у некоторых металлов, а также какие невероятные качества им порой приписывают? Вряд ли. Так что стоит расширить понимание данной темы и перечислить некоторые интересные факты о металлах.
Подгруппы
На данный момент в периодической таблице насчитывают 94 химических элемента, которые рассматриваются в качестве металлов. Все разделены на 7 подгрупп:
- щелочные;
- щелочноземельные;
- переходные;
- легкие;
- полуметаллы;
- лантаноиды;
- актиноиды.
Особого рассмотрения требуют металлы первых четырех подгрупп.
Щелочные металлы
Своё название они обрели за счет свойства преобразования в щелочи в условиях водной среды.
Малоизвестный интересный факт о щелочных металлах: литий обладает некоторыми живительными свойствами. В частности - способствует лечению подагры. Так, ещё в древности люди заметили целебные свойства глины, которая обогащена литием. Мази и компрессы из этого материала способствовали ослаблению симптомов подагры.
Своё применение элементы данной группы нашли и в построении атомных подводных лодок. Натрий используется как теплоноситель в электрогенераторах, установленных на атомном реакторе подводной лодки. Он обеспечивает вращение паровых лопастей.
Но натрий требует особого обращения. При взаимодействии с ним следует учитывать его бурную реакцию с жидкостями. Даже простое прикосновение к натрию голой влажной рукой может спровоцировать небольшой взрыв.
Важны щёлочи и для здоровья. Дефицит натрия и калия в организме человека вызывает сильные судороги и боль, ввиду чего не следует ограничивать себя в воде и соли.
Щелочноземельные металлы
Данной группе присуща высокая плотность и большая температура плавления. Интересный факт о металлах: барий и радий обладают высокой токсичностью. Любопытно, что попавший в организм радий склонен транспортироваться более чем на 70 % в кости, но в силу своей высокой токсичности способствует образованию онкологических поражений костной ткани.
В 1950 году в республиканскую больницу Республики Коми поступило сразу 4 человека, с процентом поражения скелетных тканей злокачественными опухолями в районе 70-85 %, что было вызвано длительными разработками подземных минерализованных месторождений радия.
Переходные металлы
Эта группа заслуживает особого внимания. Интересные факты про металлы, относящиеся к ней, нельзя не упомянуть, так как она является наиболее многочисленной. Эта группа объединяет элементы с самыми разными свойствами.
Многие переходной группы задействованы в сфере производства продуктов электротехнической индустрии, так как обладают свойствами проводников электричества.
Забавный факт: общеизвестно, что Япония является лидером по поставкам хай-тек-оборудования на мировом рынке. В городе Сува была произведена оценка концентрации золота в пепельной массе, полученной от сожжения осадочных отложений городского коллектора. Итоговые показатели превосходили результаты аналогичных опытов в самых богатых рудниках на планете примерно в 50 раз, что объяснялось наличием огромной промышленной зоны, где изготавливают изделия электроники с применением сплавов драгоценных металлов, главным образом - золота. Кстати, о нём можно поведать немало интересного.
Золото
Всем известно, что изделия из этого материала сочетают в себе престиж, изысканность и роскошь. Украшения из золота являются замечательным подарком. Но кто бы мог подумать, что в Швейцарии есть ряд компаний, производящих из него фрагментированные плитки на манер шоколадных, которые могут быть использованы в качестве подарка? Либо же в расчетных операциях. Занимательно, что каждая плитка состоит из долей достоинством в 1 грамм и легко делится на части.
Интересный факт о металле: по состоянию на 2014 год во всем мире было добыто примерно 179 тонн золота, около половины которого приходится на Южно-Африканскую Республику. Почти такое же количества железа добывается из недр Земли ежечасно.
Золото - очень мягкий металл, по этой причине в изготовлении ювелирной продукции его обычно сплавляют с примесями меди или серебра.
Ртуть
Это - единственный металл, способный пребывать в жидком агрегатном состоянии в комнатных условиях. О токсичности ртутных испарений известно всем, но только химики знают, как данный элемент влияет на свойства алюминия.
Законодательными актами и документами, регламентирующими порядок и правила перемещения грузов на борту самолетов в некоторых странах, строго запрещается транспортировка ртути, так как при попадании на алюминиевую поверхность, она способна прожечь отверстие, что особенно важно на борту самолета, конструкция которого включает множество деталей, сделанных из этого материала.
Медь и кобальт
Перечисляя интересные факты о металлах по химии, стоит упомянуть и данные элементы. Медь является объектом особого интереса вандалов и охотников за цветными металлами. Она встречается в трансформаторных будках, так как медные элементы не способны давать искру.
Но на Востоке, главным образом в Японии, медь применяется в рыбных хозяйствах как вещество, препятствующее появлению в водоемах водных грибковых заболеваний.
А возникновение кобальта сопряжено со скандинавской мифологией. Норвежские кузнецы, которые занимались плавкой кобальтосодержащих минералов, получали мышьяковое отравление. Недомогание и головную боль они объясняли местью горного демона - Кобольда, мстящего людям за разорение его рудников. Так и появилось название данного металла. Аналогично происхождение названия никеля.
Железо
Является самым популярным элементом переходной группы. Интересный факт о металле: в глубокой древности, когда человечество еще не было знакомо с технологиями производства стали, железо укреплялось посредством обжига в навозе и лоскутах кожи, за счет чего происходило углеродное обогащение материала и значительно повышалась прочность. Поэтому кузницы зачастую строились возле конюшен.
Нельзя не упомянуть и о коррозии металла. Интересный факт: то, что железо окисляется при взаимодействии с кислородом, в первую очередь учитывается космонавтами при снаряжении инвентарного отсека космического корабля. И ясное дело, почему! Ведь в условиях космического вакуума железо не способно окислиться, а при соприкосновении с другими металлами они буквально слипаются.
Во избежание данной проблемы, инструменты для работы в открытом космосе обволакивают специальной пластиковой основой либо подвергают окислению на Земле.
Серебро
Многим знакомо выражение: «Серебро дороже золота». Оно не соответствует действительности. Тем не менее данное утверждение произрастает на почве благотворных, целебных, очистительных свойств серебра. Вода, долгое время пребывавшая в посуде из этого материала, приобретает антитоксичные свойства. Чем и объяснялась высокая популярность серебряной утвари в старые времена. Из этих соображений, на современных космических станциях функционируют серебряные водоочистители.
Первые изделия из данного металла были обнаружены в Египте, и насчитывают они возраст более 6 тысяч лет. На территории современной Индии принято употреблять в пищу десерты, покрытые тончайшей серебряной фольгой, что помогает поддерживать здоровье желудочно-кишечного тракта в условиях высокой антисанитарии.
Данный металл активно применяется азиатскими производителями терморегуляционной техники, главным образом - при сборке кондиционеров с функцией воздушной очистки.
В старину серебро служило средством предотвращения молочного окисления. Ложку из этого металла помещали в крынку с молоком, за счет чего оно не окислялось долгое время. И наконец, он стимулирует репродукцию гемоглобина, положительно влияет на центральную нервную систему. Такой вот удивительный металл - серебро. Интересных фактов о нём ещё много, но это - основные.
Легкие металлы
Данная категория является особо токсичной и трудно выявляемой. Полоний, чрезвычайно ядовитый металл, неоднократно использовался при покушениях на высокопоставленных чиновников и политиков. Его особенность состоит в том, что его трудно обнаружить в организме на ранних этапах, а его токсический эффект очень высок. Человек, чья пища была отравлена полонием, обречен на мучительную кончину.
Очень вредными являются испарения цинка. Тем не менее цинк благоприятно воздействует на репродуктивную функцию мужских тестикул. У индийских работников змеиных ферм, занимающихся добычей змеиного яда, после неоднократных укусов кобр или гадюк наблюдается сильная эрекция и интенсивная выработка половых гормонов, что объясняется повышенным содержанием цинка в яде змей.
Коррозия
Это сугубо негативный процесс, хотя есть у него и свои преимущества. Ещё 100 лет назад кавказские джигиты осознали всю полезность коррозийного процесса для производства прочных, не тупящихся клинков.
Так, они первые стали зарывать свои сабли и клинки в землю на пару лет, где те обретали прочность и способность разрезать даже самые твердые волокна. Данные характеристики металла достигались за счет абсорбирующего свойства ржавчины, которая, находясь в земле, впитывала в себя органические элементы и углеродистые соединения.
Индийское инженерное научное сообщество изобрело собственный инновационный метод защиты металлических поверхностей посредством катализа коррозии и последующего нанесения оксидированной краски на заржавевшую поверхность. Таким образом, специальная краска вступает в реакцию с ржавчиной и образует однородный, крепкий защитный слой.
В производстве инструментов для разделки туш применяются сплавы с небольшим процентом хрома, меди и никеля, за счет чего изделие быстро покрывается коррозией, под которой со временем образовывается прочный защитный слой, препятствующий дальнейшему образованию ржавчины.
Другие любопытные факты
Невероятно прочный титан, на удивление, находит свое наивысшее признание не в металлургии, не в машиностроении или технике, а в производстве синтетических пластиков, бумаги и красок.
Алюминий в 1885 году считался одним из самых дорогих металлов. И ценился он выше золота и серебра. Наличие алюминиевых пуговиц у офицеров французской армии расценивалось как знак высшего благородства.
При строительстве спутников и космических радиационных дозиметров американцы в свое время решились на распиливание затонувшего в конце Первой мировой войны корабля «Кронпринц Вильгельм», так как сталь, изготавливаемая после 1945 года, содержит слишком большой процент радиации. Использование такого металла воспрепятствовало бы сбору достоверных данных.
И наконец, факт о калифорнии. Он является самым дорогостоящим синтезированным металлом. Его стоимость превышает 6,5 миллиона за грамм. Фото, кстати, представлено выше.
На самом деле, ещё можно рассказать много интересных фактов про металлы. Химия - удивительная наука, и каждый элемент периодической таблицы обладает уникальными, неповторимыми свойствами и качествами.
Что есть общего между ржавым гвоздем, проржавевшим мостом или прохудившимся железным забором? Отчего вообще ржавеют железные конструкции и изделия из железа? Что такое ржавчина как таковая? На эти вопросы постараемся дать ответы в нашей статье. Рассмотрим причины ржавления металлов и способы защиты от этого вредного для нас природного явления.
Причины ржавления
Все начинается с добычи металла. Не только железо, но и, например, и магний - добывают изначально в виде руды. Алюминиевая, марганцевая, железная, магниевая руды содержат в себе не чистые металлы, а их химические соединения: карбонаты, оксиды, сульфиды, гидроксиды.
Это химические соединения металлов с углеродом, кислородом, серой, водой и т. д. Чистых металлов в природе раз, два и обчелся — платина, золото, серебро — благородные металлы - они встречаются в форме металлов в свободном состоянии, и не сильно стремятся к образованию химических соединений.
Однако большинство металлов в природных условиях все же не являются свободными, и чтобы высвободить их из исходных соединений, необходимо руды плавить, восстанавливать таким образом чистые металлы.
Но выплавляя металлсодержащую руду, мы хоть и получаем металл в чистом виде, это все же состояние неустойчивое, далекое от естественного природного. По этой причине чистый металл в обычных условиях окружающей среды стремится вернуться назад в исходное состояние, то есть окислиться, а это и есть коррозия металла.
Таким образом, коррозия является естественным для металлов процессом разрушения, происходящим в условиях их взаимодействия с окружающей средой. В частности ржавление — это процесс образования гидроксида железа Fe(ОН)3, который протекает в присутствии воды.
Но на руку людям играет тот естественный факт, что окислительная реакция протекает в привычной нам атмосфере не особо стремительно, она идет с очень небольшой скоростью, поэтому мосты и самолеты не разрушаются мгновенно, а кастрюли не рассыпаются на глазах в рыжий порошок. К тому же коррозию в принципе можно замедлить, прибегнув к некоторым традиционным хитростям.
Например, нержавеющая сталь не ржавеет, хотя и состоит из железа, склонного к окислению, она тем не менее не покрывается рыжим гидроксидом. А дело здесь в том, что нержавеющая сталь — это не чистое железо, нержавеющая сталь — это сплав железа и другого металла, главным образом — хрома.
Кроме хрома в состав стали могут входить никель, молибден, титан, ниобий, сера, фосфор и т. д. Добавление в сплавы дополнительных элементов, ответственных за определенные свойства получаемых сплавов, называется легированием.
Пути защиты от коррозии
Как мы отметили выше, главным легирующим элементом, добавляемым к обычной стали для придания ей антикоррозийных свойств, является хром. Хром окисляется быстрее железа, то есть принимает удар на себя. На поверхности нержавеющей стали, таким образом, появляется сначала защитная пленка из оксида хрома, которая имеет темный цвет, и не такая рыхлая как обычная железная ржавчина.
Оксид хрома не пропускает через себя вредные для железа агрессивные ионы из окружающей среды, и металл оказывается защищенным от коррозии, словно прочным герметичным защитным костюмом. То есть оксидная пленка в данном случае несет защитную функцию.
Количество хрома в нержавеющей стали, как правило, не ниже 13%, чуть меньше в нержавеющей стали содержится никеля, и в гораздо меньших количествах имеются другие легирующие добавки.
Именно благодаря защитным пленкам, принимающим на себя воздействие окружающей среды первыми, многие металлы получаются стойкими к коррозии в различных средах. Например, ложка, тарелка или кастрюля, изготовленные из алюминия, никогда особо не блестят, они, если присмотреться, имеют белесый оттенок. Это как раз оксид алюминия, который образуется при контакте чистого алюминия с воздухом, и защищает затем металл от коррозии.
Пленка оксида возникает сама, и если зачистить алюминиевую кастрюлю наждачной бумагой, то через несколько секунд блеска поверхность снова станет белесой — алюминий на зачищенной поверхности вновь окислится под действием кислорода воздуха.
Поскольку пленка оксида алюминия образуется на нем сама, без особых технологических ухищрений, она называется пассивной пленкой. Такие металлы, на которых оксидная пленка образуется естественным образом, называются пассивирующимися. В частности алюминий — пассивирующийся металл.
Некоторые металлы принудительно переводят в пассивное состояние, например высший оксид железа — Fe2О3 способен защитить железо и его сплавы на воздухе при высоких температурах и даже в воде, чем не может похвастаться ни рыжий гидроксид, ни низшие оксиды все того же железа.
Есть в явлении пассивации и нюансы. Например, в крепкой серной кислоте мгновенно пассивированная сталь оказывается устойчивой к коррозии, а в слабом растворе серной кислоты тут же начнется коррозия.
Почему так происходит? Разгадка кажущегося парадокса состоит в том, что в крепкой кислоте на поверхности нержавеющей стали мгновенно образуется пассивирующая пленка, поскольку кислота большей концентрации обладает ярко выраженными окислительными свойствами.
В то же время слабая кислота не окисляет сталь достаточно быстро, и защитная пленка не формируется, начинается просто коррозия. В таких случаях, когда окисляющая среда не достаточно агрессивна, для достижения эффекта пассивации прибегают к специальным химическим добавкам (ингибиторам, замедлителям коррозии), помогающим образованию пассивной пленки на поверхности металла.
Так как не все металлы склонны к образованию на их поверхности пассивных пленок, даже принудительно, то добавление замедлителей в окисляющую среду попросту приводит к превентивному удержанию металла в условиях восстановления, когда окисление энергетически подавляется, то есть в условиях присутствия в агрессивной среде добавки оказывается энергетически невыгодным.
Есть и другой путь удержания металла в условиях восстановления, если нет возможности использовать ингибитор, - применить более активное покрытие: оцинкованное ведро не ржавеет, поскольку цинк покрытия корродирует при контакте с окружающей средой вперед железа, то есть принимает удар на себя, являясь более активным металлом, цинк охотнее вступает в химическую реакцию.
Днище корабля часто защищено аналогичным образом: к нему крепят кусок протектора, и тогда протектор разрушается, а днище остается невредимым.
Электрохимическая антикоррозийная защита подземных коммуникаций — также весьма распространенный путь борьбы с образованием на них ржавчины. Условия восстановления создаются подачей отрицательного катодного потенциала на металл, и в таком режиме процесс окисления металла уже не сможет протекать просто энергетически.
Кто-то может спросить, почему подверженные риску коррозии поверхности просто не красят краской, почему бы просто не покрывать каждый раз эмалью уязвимую к коррозии деталь? Для чего нужны именно разные способы?
Ответ прост. Эмаль может повредиться, например автомобильная краска может в неприметном месте отколоться, и кузов начнет постепенно но непрерывно ржаветь, поскольку сернистые соединения, соли, вода, кислород воздуха, - станут поступать к этому месту, и в итоге кузов будет разрушаться.
Чтобы такое развитие событий предотвратить, прибегают к дополнительной антикоррозийной обработке кузова. Автомобиль — это не эмалированная тарелка, которую можно в случае повреждения эмали просто выбросить, и купить новую..
Текущее положение дел
Несмотря на кажущуюся изученность и проработанность явления коррозии, несмотря на применяемые разносторонние методы защит, коррозия по сей день представляет определенную опасность. Трубопроводы разрушаются и это приводит к выбросам нефти и газа, падают самолеты, терпят крушение поезда. Природа более сложна, чем может показаться на первый взгляд, и человечеству предстоит изучить еще многие стороны коррозии.
Так, даже коррозиестойкие сплавы оказываются стойкими лишь в некоторых предсказуемых условиях, для работы в которых они изначально предназначены. Например, нержавеющие стали не терпят хлоридов, и поражаются ими — возникает язвенная, точечная и межкристальная коррозия.
Внешне без намека на ржавчину конструкция может внезапно рухнуть, если внутри образовались мелкие, но очень глубокие поражения. Микротрещины, пронизывающие толщу металла незаметны снаружи.
Даже сплав не подверженный коррозии может внезапно растрескаться, будучи под длительной механической нагрузкой — просто огромная трещина внезапно разрушит конструкцию. Такое уже случалось по всему миру с металлическими строительными конструкциями, механизмами, и даже с самолетами и вертолетами.
Андрей Повный
Коррозия металлов, как известно, приносит много бед. Уж не вам ли, уважаемые автовладельцы, объяснять, чем она грозит: дай ей волю, так от машины одни покрышки останутся. Поэтому, чем раньше начнется борьба с этим бедствием, тем дольше проживет автомобильный кузов.
Чтобы быть успешными в борьбе с коррозией, необходимо выяснить, что же это за «зверь» и понять причины ее возникновения.
Сегодня вы узнаете
Есть ли надежда?
Ущерб, наносимый человечеству коррозией, колоссален. По разным данным коррозия «съедает» от 10 до 25% мировой добычи железа. Превращаясь в бурый порошок, оно безвозвратно рассеивается по белому свету, в результате чего не только мы, но и наши потомки остаемся без этого ценнейшего конструкционного материала.
Но беда не только в том, что теряется металл как таковой, нет — разрушаются мосты, машины, крыши, памятники архитектуры. Коррозия не щадит ничего.
Неизлечимо больна та же Эйфелева башня — символ Парижа. Изготовленная из обычной стали, она неизбежно ржавеет и разрушается. Башню приходится красить каждые 7 лет, отчего ее масса каждый раз увеличивается на 60-70 тонн.
К сожалению, полностью предотвратить коррозию металлов невозможно. Ну, разве что полностью изолировать металл от окружающей среды, например поместить в вакуум. 🙂 Но какой прок от таких «консервированных» деталей? Металл должен «работать». Поэтому единственным способом защиты от коррозии является поиск путей ее замедления.
В незапамятные времена для этого применяли жир, масла, позднее начали покрывать железо другими металлами. Прежде всего, легкоплавким оловом. В трудах древнегреческого историка Геродота (V в. до н.э.) и римского ученого Плиния-старшего уже есть упоминания о применении олова для защиты железа от коррозии.
Интересный случай произошел в 1965 году на Международном симпозиуме по борьбе с коррозией. Некий индийский ученый рассказал об обществе по борьбе с коррозией, которое существует около 1600 лет и членом которого он является. Так вот, полторы тысячи лет назад это общество принимало участие в постройке храмов Солнца на побережье у Конарака. И несмотря на то, что эти храмы некоторое время были затоплены морем, железные балки прекрасно сохранились. Так что и в те далекие времена люди знали толк в борьбе с коррозией. Значит, не все так безнадежно.
Что такое коррозия?
Слово «коррозия» происходит от латинского «corrodo – грызу». Встречаются ссылки и на позднелатинское «corrosio – разъедание». Но так или иначе:
Коррозия – это процесс разрушения металла в результате химического и электрохимического взаимодействия с окружающей средой.
Хотя коррозию чаще всего связывают с металлами, ей также подвергаются бетон, камень, керамика, дерево, пластмассы. Применительно к полимерным материалам, правда, чаще используется термин деструкция или старение.
Коррозия и ржавчина — не одно и то же
В определении коррозии абзацем выше не зря выделено слово «процесс». Дело в том, коррозию частенько отождествляют с термином «ржавчина». Однако это не синонимы. Коррозия — это именно процесс, в то время как ржавчина — один из результатов этого процесса.
Также стоит отметить, что ржавчина — продукт коррозии исключительно железа и его сплавов (таких как сталь или чугун). Поэтому, когда говорим «ржавеет сталь», мы подразумеваем, что ржавеет железо в ее составе.
Если ржавчина относится только к железу, значит другие металлы не ржавеют? Не ржавеют, но это не значит, что они не корродируют. Просто продукты коррозии у них другие.
Например, медь, корродируя, покрывается красивым по цвету зеленоватым налетом (патиной). Серебро на воздухе тускнеет — это на его поверхности образуется налет сульфида, чья тонкая пленка придает металлу характерную розоватую окраску.
Патина — продукт коррозии меди и ее сплавов
Механизм протекания коррозионных процессов
Разнообразие условий и сред, в которых протекают коррозионные процессы, очень широко, поэтому сложно дать единую и всеобъемлющую классификацию встречающихся случаев коррозии. Но не смотря на это, все коррозионные процессы имеют не только общий результат — разрушение металла, но и единую химическую сущность — окисление.
Упрощенно окисление можно назвать процессом обмена веществ электронами. Когда одно вещество окисляется (отдает электроны), другое, наоборот, восстанавливается (получает электроны).
Например, в реакции…
… атом цинка теряет два электрона (окисляется), а молекула хлора присоединяет их (восстанавливается).
Частицы, которые отдают электроны и окисляются, называются восстановителями , а частицы, которые принимают электроны и восстанавливаются, называются окислителями . Два этих процесса (окисление и восстановление) взаимосвязаны и всегда протекают одновременно.
Такие вот реакции, которые в химии называются окислительно-восстановительными, лежат в основе любого коррозионного процесса.
Естественно, склонность к окислению у разных металлов неодинакова. Чтобы понять, у каких она больше, а у каких меньше, вспомним школьный курс химии. Было там такое понятие как электрохимический ряд напряжений (активности) металлов, в котором все металлы расположены слева направо в порядке повышения «благородности».
Так вот, металлы, расположенные в ряду левее, более склонны к отдаче электронов (а значит и к окислению), чем металлы, стоящие правее. Например, железо (Fe) больше подвержено окислению, чем более благородная медь (Cu). Отдельные металлы (например, золото), могут отдавать электроны только при определенных экстремальных условиях.
К ряду активности вернемся немного позднее, а сейчас поговорим об основных видах коррозии.
Виды коррозии
Как уже говорилось, критериев классификация коррозионных процессов существует множество. Так, различают коррозию по виду распространения (сплошная, местная), по типу коррозионной среды (газовая, атмосферная, жидкостная, почвенная), по характеру механических воздействий (коррозионное растрескивание, явление Фреттинга, кавитационная коррозия) и так далее.
Но основным способом классификации коррозии, позволяющим наиболее полно объяснить все тонкости этого коварного процесса, является классификация по механизму протекания.
По этому критерию различают два вида коррозии:
- химическую
- электрохимическую
Химическая коррозия
Химическая коррозия отличается от электрохимической тем, что протекает в средах, не проводящих электрический ток. Поэтому при такой коррозии разрушение металла не сопровождается возникновением электрического тока в системе. Это обычное окислительно-восстановительное взаимодействие металла с окружающей средой.
Наиболее типичным примером химической коррозии является газовая коррозия. Газовую коррозию еще называют высокотемпературной, поскольку обычно она протекает при повышенных температурах, когда возможность конденсации влаги на поверхности металла полностью исключена. К такому виду коррозии можно отнести, например, коррозию элементов электронагревателей или сопел ракетных двигателей.
Скорость химической коррозии зависит от температуры — при ее повышении коррозия ускоряется. Из-за этого, например, в процессе производства металлического проката, во все стороны от раскаленной массы разлетаются огненные брызги. Это с поверхности металла скалываются частички окалины.
Окалина — типичный продукт химической коррозии, — оксид, возникающий в результате взаимодействия раскаленного металла с кислородом воздуха.
Помимо кислорода и другие газы могут обладать сильными агрессивными свойствами по отношению к металлам. К таким газам относятся диоксид серы, фтор, хлор, сероводород. Так, например, алюминий и его сплавы, а также стали с высоким содержанием хрома (нержавеющие стали) устойчивы в атмосфере, которая содержит в качестве основного агрессивного агента кислород. Но картина кардинально меняется, если в атмосфере присутствует хлор.
В документации к некоторым антикоррозионным препаратам химическую коррозию иногда называют «сухой», а электрохимическую — «мокрой». Однако химическая коррозия может протекать и в жидкостях. Только в отличие от электрохимической коррозии эти жидкости — неэлектролиты (т.е. не проводящие электрический ток, например спирт, бензол, бензин, керосин).
Примером такой коррозии является коррозия железных деталей двигателя автомобиля. Присутствующая в бензине в качестве примесей сера взаимодействует с поверхностью детали, образуя сульфид железа. Сульфид железа очень хрупок и легко отслаивается, освобождая свежую поверхность для дальнейшего взаимодействия с серой. И так, слой за слоем, деталь постепенно разрушается.
Электрохимическая коррозия
Если химическая коррозия представляет собой не что иное, как простое окисление металла, то электрохимическая — это разрушение за счет гальванических процессов.
В отличие от химической, электрохимическая коррозия протекает в средах с хорошей электропроводностью и сопровождается возникновением тока. Для «запуска» электрохимической коррозии необходимы два условия: гальваническая пара и электролит .
В роли электролита выступает влага на поверхности металла (конденсат, дождевая вода и т.д.). Что такое гальваническая пара? Чтобы понять это, вернемся к ряду активности металлов.
Смотрим. Cлева расположены более активные металлы, справа — менее активные.
Если в контакт вступают два металла с различной активностью, они образуют гальваническую пару, и в присутствии электролита между ними возникает поток электронов, перетекающих от анодных участков к катодным. При этом более активный металл, являющийся анодом гальванопары, начинает корродировать, в то время как менее активный коррозии не подвергается.
Схема гальванического элемента
Для наглядности рассмотрим несколько простых примеров.
Допустим, стальной болт закреплен медной гайкой. Что будет корродировать, железо или медь? Смотрим в ряд активности. Железо более активно (стоит левее), а значит именно оно будет разрушаться в месте соединения.
Стальной болт — медная гайка (корродирует сталь)
А если гайка алюминиевая? Снова смотрим в ряд активности. Здесь картина меняется: уже алюминий (Al), как более активный металл, будет терять электроны и разрушаться.
Таким образом, контакт более активного «левого» металла с менее активным «правым» усиливает коррозию первого.
В качестве примера электрохимической коррозии можно привести случаи разрушения и затопления кораблей, железная обшивка которых была скреплена медными заклепками. Также примечателен случай, который произошел в декабре 1967 года с норвежским рудовозом «Анатина», следовавшим из Кипра в Осаку. В Тихом океане на судно налетел тайфун и трюмы заполнились соленой водой, в результате чего возникла большая гальваническая пара: медный концентрат + стальной корпус судна. Через некоторое время стальной корпус судна начал размягчаться и оно вскоре подало сигнал бедствия. К счастью, экипаж был спасен подоспевшим немецким судном, а сама «Анатина» кое-как добралась до порта.
Олово и цинк. «Опасные» и «безопасные покрытия
Возьмем еще пример. Допустим, кузовная панель покрыта оловом. Олово — очень стойкий к коррозии металл, кроме того, оно создает пассивный защитный слой, ограждая железо от взаимодействия с внешней средой. Значит, железо под слоем олова находится в целости и сохранности? Да, но только до тех пор, пока слой олова не получит повреждение.
А коль уж такое случается, между оловом и железом тут же возникает гальваническая пара, и железо, являющееся более активным металлом, под воздействием гальванического тока начнет корродировать.
Кстати, в народе до сих пор ходят легенды о якобы «вечных» луженых кузовах «Победы». Корни этой легенды таковы: ремонтируя аварийные машины, мастера использовали паяльные лампы для нагрева. И вдруг, ни с того ни с сего, из-под пламени горелки начинает «рекой» литься олово! Отсюда и пошла молва, что кузов «Победы» был полностью облужен.
На самом деле все гораздо прозаичнее. Штамповая оснастка тех лет была несовершенной, поэтому поверхности деталей получались неровными. Вдобавок тогдашние стали не годились для глубокой вытяжки, и образование морщин при штамповке стало обычным делом. Сваренный, но еще не окрашенный кузов приходилось долго готовить. Выпуклости сглаживали наждачными кругами, а вмятины заполняли оловяным припоем, особенно много которого было вблизи рамки ветрового стекла. Только и всего.
Ну, а так ли «вечен» луженый кузов, вы уже знаете: он вечен до первого хорошего удара острым камешком. А их на наших дорогах более чем достаточно.
А вот с цинком картина совсем иная. Здесь, по сути, мы бьем электрохимическую коррозию ее же оружием. Защищающий металл (цинк) в ряду напряжений стоит левее железа. А значит при повреждении будет разрушаться уже не сталь, а цинк. И только после того, как прокорродирует весь цинк, начнет разрушаться железо. Но, к счастью, корродирует он очень и очень медленно, сохраняя сталь на долгие годы.
а) Коррозия луженой стали: при повреждении покрытия разрушается сталь. б) Коррозия оцинкованной стали: при повреждении покрытия разрушается цинк, защищая от коррозии сталь.
Покрытия, выполненные из более активных металлов называются «безопасными », а из менее активных - «опасными ». Безопасные покрытия, в частности оцинковка, давно и успешно применяются как способ защиты от коррозии автомобильных кузовов.
Почему именно цинк? Ведь помимо цинка в ряду активности относительно железа более активными являются еще несколько элементов. Здесь подвох вот в чем: чем дальше в ряду активности находятся друг от друга два металла, тем быстрее разрушение более активного (менее благородного) . А это, соответственно, сокращает долговечность антикоррозионной защиты. Так что для автомобильных кузовов, где помимо хорошей защиты металла важно достичь и продолжительного срока действия этой защиты, оцинковка подходит как нельзя лучше. Тем более, что цинк доступен и недорог.
Кстати, а что будет, если покрыть кузов, например, золотом? Во-первых, будет ох как дорого! 🙂 Но даже если золото стало бы самым дешевым металлом, такого делать нельзя, поскольку оно окажет нашей «железке» плохую услугу.
Золото ведь стоит очень далеко от железа в ряду активности (дальше всего), и при малейшей царапине железо вскоре превратится в груду ржавчины, покрытую золотой пленкой.
Автомобильный кузов подвергается воздействию как химической, так электрохимической коррозии. Но главная роль все же отводится электрохимическим процессам.
Ведь, чего греха таить, гальванических пар в автомобильном кузове воз и маленькая тележка: это и сварные швы, и контакты разнородных металлов, и посторонние включения в листовом прокате. Не хватает только электролита, чтобы «включить» эти гальванические элементы.
А электролит тоже найти легко — хотя бы влага, содержащаяся в атмосфере.
Кроме того, в реальных условиях эксплуатации оба вида коррозии усиливаются множеством других факторов. Поговорим о главных из них поподробнее.
Факторы, влияющие на коррозию автомобильного кузова
Металл: химический состав и структура
Конечно, если бы автомобильные кузова изготавливались из технически чистого железа, их коррозионная стойкость была бы безупречной. Но к сожалению, а может быть и к счастью, это невозможно. Во-первых, такое железо для автомобиля слишком дорого, во-вторых (что важнее) — недостаточно прочно.
Впрочем, не будем о высоких идеалах, а вернемся к тому, что имеем. Возьмем, к примеру, сталь марки 08КП, широко применяемую в России для штамповки кузовных элементов. При изучении под микроскопом эта сталь представляет собой следующее: мелкие зерна чистого железа перемешаны с зернами карбида железа и другими включениями.
Как вы уже догадались, подобная структура порождает множество микрогальванических элементов, и как только в системе появится электролит, коррозия потихоньку начнет свою разрушительную деятельность.
Интересно, что процесс коррозии железа ускоряется под действием серосодержащих примесей. Обычно она попадает в железо из каменного угля при доменной выплавке из руд. Кстати, в далеком прошлом для этой цели использовался не каменный, а древесный уголь, практически не содержащий серы.
В том числе и по этой причине некоторые металлические предметы древности за свою многовековую историю практически не пострадали от коррозии. Взгляните, к примеру, на эту железную колонну, которая находится во дворе минарета Кутуб-Минар в Дели.
Она стоит уже 1600 (!) лет, и хоть бы что. Наряду с низкой влажностью воздуха в Дели, одной из причин такой поразительной коррозионной стойкости индийского железа является, как раз-таки, низкое содержание в металле серы.
Так что в рассуждениях на манер «раньше металл был чище и кузов долго не ржавел», все-таки есть доля правды, и немалая.
Кстати, почему же тогда не ржавеют нержавеющие стали? А потому, что хром и никель, используемые в качестве легирующих компонентов этих сталей, стоят в электрохимическом ряду напряжений рядом с железом. Кроме того, при контакте с агрессивной средой они образуют на поверхности прочную оксидную пленку, предохраняющую сталь от дальнейшего корродирования.
Хромоникелевая сталь — наиболее типичная нержавейка, но кроме нее есть и другие марки нержавеющих сталей. Например, легкие нержавеющие сплавы могут включать алюминий или титан. Если вы были во Всероссийском выставочном центре, вы наверняка видели перед входом обелиск «Покорителям космоса». Он облицован пластинками из титанового сплава и на его блестящей поверхности нет ни единого пятнышка ржавчины.
Заводские кузовные технологии
Толщина листовой стали, из которой изготавливаются кузовные детали современного легкового автомобиля, составляет, как правило, менее 1 мм. А в некоторых местах кузова эта толщина — и того меньше.
Особенностью процесса штамповки кузовных панелей, да и вообще, любой пластической деформации металла, является возникновение в ходе деформации нежелательных остаточных напряжений. Эти напряжения незначительны, если шпамповочное оборудование не изношено, и скорости деформирования настроены правильно.
В противном случае в кузовную панель закладывается этакая «часовая бомба»: порядок расположения атомов в кристаллических зернах меняется, поэтому металл в состоянии механического напряжения корродирует интенсивнее, чем в нормальном состоянии. И, что характерно, разрушение металла происходит именно на деформированных участках (изгибах, отверстиях), играющих роль анода.
Кроме того, при сварке и сборке кузова на заводе в нем образуется множество щелей, нахлестов и полостей, в которых скапливается грязь и влага. Не говоря уже о сварных швах, образующих с основным металлом все те же гальванические пары.
Влияние окружающей среды при эксплуатации
Среда, в которой эксплуатируются металлические конструкции, в том числе и автомобили, с каждым годом становится все более агрессивной. В последние десятилетия в атмосфере повысилось содержание сернистого газа, оксидов азота и углерода. А значит, автомобили омываются уже не просто водичкой, а кислотными дождями.
Коль уж зашла речь о кислотных дождях, вернемся еще раз к электрохимическому ряду напряжений. Наблюдательный читатель подметил, что в него включен также и водород. Резонный вопрос: зачем? А вот зачем: его положение показывает, какие металлы вытесняют водород из растворов кислот, а какие — нет. Например, железо расположено левее водорода, а значит вытесняет его из растворов кислот, в то время как медь, стоящая правее, на подобный подвиг уже не способна.
Отсюда следует, что кислотные дожди для железа опасны, а для чистой меди — нет. А вот о бронзе и других сплавах на основе меди этого сказать нельзя: они содержат алюминий, олово и другие металлы, находящиеся в ряду левее водорода.
Замечено и доказано, что в условиях большого города кузова живут меньше. В этой связи показательны данные Шведского института коррозии (ШИК), установившего, что:
- в сельской местности Швеции скорость разрушения стали составляет 8 мкм в год, цинка — 0,8 мкм в год;
- для города эти цифры составляют 30 и 5 мкм в год соответственно.
Немаловажны и климатические условия, в которых эксплуатируется автомобиль. Так, в условиях морского климата коррозия активизируется примерно в два раза.
Влажность и температура
Насколько велико влияние влажности на коррозию мы можем понять на примере ранее упомянутой железной колонны в Дели (вспомним сухость воздуха, как одну из причин ее коррозионной стойкости).
Поговаривают, что один иностранец решил раскрыть тайну этого нержавеющего железа и каким-то образом отколол небольшой кусочек от колонны. Каково же было его удивление, когда еще на корабле по пути из Индии этот кусочек покрылся ржавчиной. Оказывается, на влажном морском воздухе нержавеющее индийское железо оказалось не таким уж и нержавеющим. Кроме того, аналогичную колонну из Конарака, расположенного поблизости моря, коррозия поразила очень сильно.
Скорость коррозии при относительной влажности до 65% сравнительно невелика, но когда влажность возрастает выше указанного значения — коррозия резко ускоряется, поскольку при такой влажности на металлической поверхности образуется слой влаги. И чем дольше поверхность остается влажной, тем быстрее распространяется коррозия.
Вот почему основные очаги коррозии всегда обнаруживаются в скрытых полостях кузова: cохнут-то они гораздо медленнее открытых частей. Как результат — в них образуются застойные зоны, — настоящий рай для коррозии.
Кстати, применение химических реагентов для борьбы с гололедом коррозии тоже на руку. Вперемешку с подтаявшими снегом и льдом антигололедные соли образуют очень сильный электролит, способный проникнуть куда угодно, в том числе и в скрытые полости.
Что касается температуры, то мы уже знаем, что ее повышение активизирует коррозию. По этой причине вблизи выхлопной системы следов коррозии всегда будет больше.
Доступ воздуха
Интересная все-таки вещь эта коррозия. Насколько интересна, настолько же и коварна. К примеру, не удивляйтесь, что блестящий стальной трос, с виду абсолютно не тронутый коррозией, внутри может оказаться проржавевшим. Так происходит из-за неравномерного доступа воздуха: в тех местах, где он затруднен, угроза коррозии больше. В теории коррозии это явление называется дифференциальной аэрацией.
Принцип дифференциальной аэрации: неравномерный доступ воздуха к разным участкам металлической поверхности приводит к образованию гальванического элемента. При этом участок, интенсивно снабжаемый кислородом, остается невредимым, а участок хуже снабжаемый им, корродирует.
Яркий пример: капля воды, попавшая на поверхность металла. Участок, находящийся под каплей и потому хуже снабжаемый кислородом, играет роль анода. Металл на этом участке окисляется, а роль катода выполняют края капли, более доступные влиянию кислорода. В результате на краях капли начинает осаждаться гидроксид железа — продукт взаимодействия железа, кислорода и влаги.
Кстати, гидроксид железа (Fe 2 O 3 ·nH 2 O) и является тем, что мы называем ржавчиной. Поверхность ржавчины, в отличие от патины на медной поверхности или оксидной пленки алюминия, не защищает железо от дальнейшего корродирования. Изначально ржавчина имеет структуру геля, но затем постепенно происходит ее кристаллизация.
Кристаллизация начинается внутри слоя ржавчины, при этом внешняя оболочка геля, который в сухом состоянии очень рыхлый и хрупкий, отслаивается, и воздействию подвергается следующий слой железа. И так до тех пор, пока все железо не будет уничтожено или в системе не закончится весь кислород с водой.
Возвращаясь к принципу дифференциальной аэрации, можно представить, сколько существует возможностей для развития коррозии в скрытых, плохо проветриваемых участках кузова.
Ржавеют… все!
Как говорится, статистика знает все. Ранее мы упоминали о таком известном центре борьбы с коррозией, как Шведский институт коррозии (ШИК) — одной из наиболее авторитетных организаций в данной области.
Раз в несколько лет ученые института проводят интересное исследование: берут кузова хорошо потрудившихся автомобилей, вырезают из них наиболее полюбившиеся коррозии «фрагменты» (участки порогов, колесных арок, кромок дверей и т.д.) и оценивают степень их коррозионного поражения.
Важно отметить, что среди исследуемых кузовов есть как защищенные (оцинковкой и/или антикором), так и кузова без какой либо дополнительной антикоррозионной защиты (просто окрашенные детали).
Так вот, ШИК утверждает, что наилучшей защитой автомобильного кузова является лишь сочетание «цинк плюс антикор». А вот все остальные варианты, включая «просто оцинковку» или «просто антикор», по словам ученых — плохи.
Оцинковка — не панацея
Сторонники отказа от дополнительной антикоррозионной обработки часто ссылаются на заводскую оцинковку: с ней, мол, никакая коррозия автомобилю не грозит. Но, как показали шведские ученые, это не совсем так.
Действительно, цинк может служить в качестве самостоятельной защиты, но только на ровных и плавных поверхностях, к тому же не подверженных механическим атакам. А на кромках, краях, стыках, а также местах, регулярно подвергающихся «обстрелу» песком и камнями, оцинковка перед коррозией пасует.
К тому же, далеко не у всех автомобилей кузова оцинкованы полностью. Чаще всего цинком покрыто лишь несколько панелей.
Ну и не нужно забывать, что цинк хоть и защищает сталь, но в процессе защиты неизбежно расходуется сам. Поэтому толщина цинкового «щита» со временем будет постепенно снижаться.
Так что легенды о долгожительстве оцинкованных кузовов правдивы лишь в тех случаях, когда цинк становится частью общего барьера, дополнением к регулярной дополнительной антикоррозионной обработке кузова.
Пора заканчивать, но на этом тема коррозии далеко не исчерпана. О борьбе с ней мы продолжим говорить в следующих статьях рубрики «Антикоррозионная защита».
