Металлы и человек

Человечество добыло с 1890 по 1923 год 1766 млн. тонн черных металлов. Свыше трети этого металла — 718 млн. тонн — стало за эти же годы жертвой коррозии.

Считают, что и сегодня добыча ее составляет не менее 10 процентов выплавляемого за год металла.

Рыжую смерть железа видели все. Это она покрывает сверкающую ровную поверхность полированного металла струпьями, похожими на запекшуюся, смешанную с грязью кровь, делает ее ноздреватой, словно рябой. Это коррозия покрывает блестящую поверхность детали зеленым ядовитым налетом. Нет металла, включая золото и платину, который в той или иной степени не был бы покорен жестокой губящей власти.

Трудно представить себе весь вред, наносимый коррозией. Это из-за нее прерывается иногда подача воды водопроводом — она изгрызла металл труб. Это из-за нее приходится останавливать многие химические аппараты, заменяя сгоревшие части. Это из-за нее проводят тщательную диаэрацию — очистку от воздуха — воды, идущей на питание паровых котлов. Это на защиту от нее расходуются миллиарды рублей — на покраску, воронение, смазку металлических частей и деталей машин и механизмов. Борьба с коррозией — это непрерывная битва, которую, не жалея сил и средств, непрерывно ведет человечество. И, конечно, оно приложило все силы, чтобы изучить характер и повадки своего врага и выработать методы борьбы с ним.

Ученые различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. Химическая происходит в сухих газах и в жидкостях, не проводящих электрического тока. Она представляет собой прямое соединение металла с кислородом.

Наверное, все помнят, как на уроках химии учитель извлекал из стеклянной банки, наполненной керосином, кусочек удивительного металла— натрия. Перочинным ножом он отрезал от него крупинку, и в разрезе вдруг зеркалом сверкал чистый металл. А через пару минут тускнела поверхность металла — ее покрывала серая тусклая пелена. Вот это и есть химическая коррозия.

Особо выделяют газовую коррозию. Это те случаи, когда раскаленный металл соприкасается с газами. Обыкновенная окалина — вот результат такой коррозии.

Сложнее механизм электрохимической коррозии.

Вспомним простейшую химическую батарею — пластинки цинка и меди, опущенные в раствор электролита. Если теперь соединить эти пластинки проволочкой, по ней пойдет ток. Цинковая пластинка начнет окисляться, сгорать, ибо окисление и горение — это один и тот же процесс, только идущий с различной интенсивностью.

Вот такие же гальванические батареи возникают и на поверхности металла, разъедаемого электрохимической коррозией.

Трудно представить себе металл, абсолютно однородный по составу (кроме, конечно, специально получаемого сверхчистого металла). В нем всегда есть какие-нибудь посторонние включения, да и сами частицы металла различны между собой. В стали, например, всегда есть включения цементита, отличного от соседних кристаллов чистого железа. И вот между этими неоднородными микрочастицами происходит то же самое, что и между медью и цинком, опущенными в электролит. Нет электролита? Так он всегда найдется. Морская вода — это сильнейший электролит. Речная вода — тоже электролит: ведь в ней тоже содержатся какие-нибудь растворенные соли. Сконденсировавшаяся из воздуха пленка влаги, покрывшая металл, — тоже электролит: ведь в ней растворяются газы воздуха, а в нем всегда есть окислы углерода, серы и т. д.

Особенно много таких окислов, образующих при растворении в воде электролиты, в воздухе городов. И поэтому особенно быстро ржавеют в городах плохо покрашенные железные крыши.

Такова классификация коррозии по происхождению. Различны и проявления коррозии.

Бывает, что коррозия охватывает равномерно всю поверхность металла (А). Бывает, что ее разрушительные пятна сосредоточиваются лишь в отдельных местах (Б). И самое страшное — коррозия, прорвавшаяся внутрь металла (В). При этом разрушение его идет по самому слабому и неоднородному веществу — по границам зерен металла. Снаружи металл кажется прочным, нетронутым, а в действительности он уже весь во власти коррозии. Он рассыпается от удара, лопается при растяжении, не обеспечив и доли обычной прочности этой марки стали.

Мы говорили, что все металлы подвластны коррозии. А как же хром, алюминий, золото? Ведь они обладают удивительной способностью не окисляться!

Нет, окисляются и они. Хром сразу же при соприкосновении с воздухом начинает окисляться, на его поверхности образуется чрезвычайно тонкая, прозрачная ц прочная пленка окисла. Она-то и не дает проникнуть к поверхности металла кислороду воздуха, как броней защищает металл. Такая же пленка, но менее прозрачная, покрывает и поверхность алюминия. Это она делает его матовым, несколько ослабляя его металлический голубоватый блеск.

Вот эту способность некоторых металлов образовывать защитные пленки окислов и используют для защиты слабых, не способных сопротивляться ржавчине металлов.

Чаще всего эти металлы, например стали, покрывают пленкой такого металла. Всем известны никелированные и хромированные — покрытые никелем и хромом — детали машин, точный измерительный инструмент и т. д.

Интересен метод защиты металла от коррозии протекторами.

Вернемся ю нашему гальваническому элементу — пластинкам меди и цинка. В этой паре металлов сгорает цинк. А вот если опустить в электролит цинковую и магниевую пластинки, цинк останется нетронутым, сгорать будет магний. Он как бы берет на себя защиту цинка. И пока весь магний не сгорит, цинк в гальваническом элементе окисляться не будет. И так с любой парой металлов. Окисляется, отдавая энергию для образования электрического тока, только один из них.

Надежный щит.

Ученые расположили все элементы в один ряд в зависимости от их способности окисляться в гальваническом элементе. Вот некоторые металлы этого ряда: калий, натрий, барий, кальций, магний, алюминий, марганец, цинк, железо, никель, олово, свинец, медь, серебро, платина, золото. Какую бы пару элементов из этого ряда вы ни взяли, в гальваническом элементе будет сгорать тот металл, который ближе к началу этого списка.

И возникла идея: а почему бы, защищая особо важные детали машин и сооружений, не бросить на съедение ржавчине кусок другого металла, стоящего ближе защищаемого к началу списка? Конечно, это напоминает те жертвы, которые приносили критяне запертому в лабиринте минотавру — чудовищу с головой быка и телом человека. Ему на съедение отдавали ежегодно семь девушек и семь юношей, лишь бы он не наделал больших бед. Но в нашем случае с этим можно примириться: ведь речь идет о кусках цинка и марганца, которыми можно пожертвовать ради стальной нитки газопровода, металлического основания сооружения или корпуса океанского корабля.

Так и делают. К нити газопровода метров через пятьдесят подсоединяют протектор — сплав магния или цинка, закопанный в землю невдалеке. Образуется гальваническая пара, в которой сгорает протектор. Такая защита действует в течение нескольких лет. Но и по истечении этого срока значительно легче заменить протектор, чем целый газопровод.

Еще более активным методом защиты от коррозии является катодная защита. При этом методе к защищаемому металлу подсоединяется отрицательный полюс батареи, а положительный заземляется — его привязывают к старому рельсу, ржавому обломку трубы, которые и закапывают в землю. Таким образом создается ток, направление которого таково, что газопровод не ржавеет.