Некоторые проблемы, увы, не имеют простых решений - и проблема коррозии как раз одна из таких. Вопросам создания такого металла, который был бы устойчив к ней на 100 процентов, посвящены сотни и, возможно, даже тысячи научных статей, исследований и прикладных разработок, но пока ни один подобный проект не увенчался успехом. В новой серии нашего «антикоррозионного» проекта подробно рассказываем, почему ученым так и не удалось создать «чудо-металл» и удастся ли когда-нибудь в будущем.
...а может, он все-таки существует?
Как отмечают специалисты, проектирование и изготовление металлов и сплавов, обладающих высокой степенью устойчивости, является наиболее эффективным - как практически, так и экономически - методом защиты от коррозии.
«При этом отпадает необходимость в применении дополнительных мероприятий по защите от коррозии и устраняется значительный объем работ по поддержанию средств защиты при эксплуатации, - пишет в учебном пособии «Коррозия и защита металлических материалов (структурные и химические факторы)» изобретатель и преподаватель Рудольф Лучкин. - В ряде случаев сокращение эксплуатационных расходов при использовании коррозионно-стойких металлов и сплавов для конструкций компенсирует их более высокую стоимость и связанное с этим увеличение единовременных затрат при изготовлении изделий».
Таким образом, создав чудо-металл или сплав, который коррозия вообще не могла бы поражать, человечество не только повысило бы прочность, качество и срок службы металлических изделий и конструкций, но и здорово сэкономило бы на их обслуживании и ремонте. Почему же такого сплава до сих пор нет?
Для начала, впрочем, стоит уточнить: строго говоря, металлы, на 100 процентов устойчивые к коррозии, уже существуют. Например, невосприимчиво к ней золото: оно электрохимически инертно, имеет низкую реакционную способность, практически не вступает в контакт с кислородом и влагой и обладает особой высокостабильной атомарной структурой. Поэтому, в частности, золото нередко используется там, где от металла требуется «работать» годами и десятилетиями, не разрушаясь и не теряя своих свойств. Например, в микроэлектронике в качестве материала для проводов и разъемов, медицине и космических технологиях.
Но, думается нам, не нужно объяснять, почему в широком смысле золото - это не наш вариант. Изготовить из этого металла микроскопический разъем или деталь для кардиостимулятора можно, хотя будет очень дорого, а вот золотая труба нефтепровода или опора для вышки сотовой связи - это уже что-то из области фантастики, так что давайте искать дальше.
Дорого, сложно и бессмысленно
В процессе поисков мы так или иначе упираемся в целый ряд ограничений. Во-первых, коррозия - понятие, как мы уже не раз отмечали, крайне обширное. Ее могут провоцировать десятки факторов: особенности состава среды с которой контактирует металл, виды и интенсивность механических нагрузок, которым он подвергается, непосредственный контакт с другими, более активными металлами и многое, многое другое. Коррозия способна развиваться даже в космическом вакууме в силу воздействия высокоэнергетических частиц космических лучей и солнечного ветра. Причем многие из этих факторов могут меняться со временем, к ним могут добавляться новые - этот процесс слабо предсказуем.
Второй немаловажный аспект - ни одно изделие из металла не может существовать само по себе, в полной изоляции. Любая металлическая конструкция - это сложный многосоставный механизм, в котором всегда есть соединения, сочленения, крепления и так далее. Все это потенциальные зоны уязвимости, которые чаще всего как раз и становятся очагами коррозии. Можно, конечно, ту же вышку сотовой связи изготовить целиком из нашего гипотетического чудо-металла, но это опять же, скорее всего, будет неоправданно дорого.
Ну и да, вопросы экономики тоже никто не отменял. Так, например, создание сверхчистых сплавов с минимальным включением примесей, за которые может «зацепиться» коррозия - крайне затратный процесс, требующий особых условий и дорогостоящего оборудования, поэтому сфера их применения серьезно ограничена: они могут использоваться, например, в точной электронике или атомной энергетике, но не в производящей промышленности в широком смысле этого термина.
«Не совсем сплавы»: когда меньше - значит лучше
Итак, создать чудо-металл, который был бы на 100 процентов неуязвим к коррозии, будет либо слишком сложно, либо слишком дорого. Как же быть?
Человечество уже нашло ответ на этот вопрос и активно двигается в направлении создания новых форм и методов защиты металлов от коррозии. Так, тот же Лучкин предлагает разделять их на три типа: непосредственно подготовка материалов (включая, к примеру, создание все тех же сплавов), подготовка среды (например, удаление из нее химически активного кислорода) и комбинация этих подходов, куда относится применение разного рода ингибиторов и пассиваторов, нанесение полимерных и лакокрасочных покрытий и так далее.
Первый тип, как мы уже упоминали, наиболее сложный и затратный. Чтобы снизить стоимость и упростить получение новых коррозионно-стойких материалов, придуман целый ряд стратегий. Так, например, достаточно давно известно легирование - то есть добавление в состав металла разного рода примесей для улучшения его эксплуатационных характеристик. Однако этот метод, отмечают специалисты, имеет ограниченное применение: для того чтобы проявился эффект коррозионной стойкости, объем легирующего компонента (как правило, более редкого и дорогого) должен составлять не менее 25-50 процентов от объема базового металла. Например, чтобы сделать невосприимчивой к коррозии медь при помощи легирования золота, этого самого золота должна быть половина от объема меди, что неизбежно повлечет за собой повышенные финансовые затраты.
Для удешевления процесса было изобретено плакирование - это когда более качественным, устойчивым и дорогим материалом покрывается лишь поверхность металла, который будет непосредственно контактировать с агрессивной окружающей средой. Наибольшее распространение плакирование получило при производстве листового проката, когда листы двух металлов прочно соединяются друг с другом путем горячей прокатки, а на границе контакта дополнительно свариваются. Однако и этот способ крайне ограничен в применении: в частности, плакированный металл, который может иметь и два, и три, и даже больше слоев, очень трудно обрабатывается, а значит, его нельзя широко использовать при производстве сложных конструкций.
Еще один способ объединения свойств материалов - цементирование. При нем поверхность защищаемого изделия вводят в контакт с порошком цинка или алюминия или помещают в газовую среду с высоким содержанием хрома, а затем нагревают, «спекая» с ними. Таким образом получаются сплавы со значительными антикоррозионными свойствами. Однако и здесь есть свои минусы: как правило, подобного рода манипуляции проводятся в специальных промышленных установках. А значит, с их помощью нельзя обрабатывать особо большие и масштабные конструкции. Кроме того, необходимо затрачивать большие объемы энергии на нагрев металла, что вновь приводит нас к мысли о затратах и экономии.
Резюмируя, получается, что создать материал со 100-процентной устойчивостью к коррозии либо слишком дорого, либо слишком сложно, а значит, остается использовать традиционные методы защиты - по крайней мере, пока наука и производство не совершат резкий скачок, благо и тут человечество продвинулось достаточно далеко. Так, мы не раз писали о составах класса Zinker, которые обеспечивают надежную сохранность металла без серьезных финансовых затрат и необходимости использовать дорогостоящее оборудование. Секрет в химически активном цинке, который лежит в основе этих составов. Благодаря своим свойствам он принимает на себя агрессивное воздействие внешней среды, оберегая от него металл. Таким образом обеспечивается надежная защита от коррозии на десятки лет. В отличие от метода цементирования нанесение цинковых составов не требует специальных промышленных установок - достаточно валика и кисти или пульверизатора, а благодаря жесткому сцеплению с поверхностью защитный слой получается еще и ремонтопригодным: в случае механического повреждения достаточно вновь нанести состав на оголившиеся участки металла, чтобы он полностью восстановил свои свойства.