Как защитить металл от ржавчины, рассказали ученые

09:03, 13 декабря 2022

Почему железо разрушается и что с этим можно сделать — в материале о коррозии

Коррозией называют разрушение металла в результате взаимодействия с окружающей средой. Фото: Анжелика Вахтомина.

Коррозии подвластно все: от велосипеда, который вы оставили под дождем, до мостов, самолетов и нефтяных танкеров. Нередко она становится причиной страшных аварий, а на борьбу с ее последствиями человечество каждый год тратит 3,4 % ВВП. Корреспондент N+1 вместе с УрФУ разбирались, с чего начинается процесс коррозии, почему нельзя сажать медную обшивку на железные гвозди и как нам могут помочь бактерии и 3D-печать.

В 1761 году сотрудники Британского адмиралтейства решились на смелый эксперимент: покрыть деревянное судно медной обшивкой. Предполагалось, что она защитит корпус и днище от моллюсков, которые нарастали вокруг киля и тормозили движение судна. Некоторые разновидности этих беспозвоночных даже протачивали деревянные доски. Медь должна была уберечь деревянный корпус, а ее уже известные к тому моменту токсические свойства — не дать моллюскам прицепиться сверху.

Полем для экспериментов стал новый 32-пушечный фрегат Alarm, спущенный на воду в 1758 году. Обшивку сделали из тонких медных листов, которые закрепили на дереве с помощью железных гвоздей. После этого Alarm снова отправился в плавание. Когда спустя два года фрегат вытащили на берег и тщательно осмотрели, выяснилось, что медная обшивка выполнила свою задачу на отлично. Деревянный корпус фрегата почти не пострадал, а слой моллюсков, наросший вокруг киля, был небольшим. Но вот сама обшивка оказалась не в лучшем состоянии и местами уже буквально отваливалась — и все из-за железных гвоздей, некоторые из которых проржавели насквозь.

Инженеры, которые осматривали корабль, удивились: железные гвозди и другие детали до этого уже использовали в кораблестроении, но никогда они не выходили из строя так быстро. Более детальный осмотр выявил еще один удивительный факт: сильнее всего пострадали гвозди, которые находились с медью в непосредственном контакте, а те, что были изолированы деревом или вощеной бумагой, сохранились лучше.

Сотрудники Адмиралтейства сделали вывод, что медь можно использовать для защиты судов, но между слоями железа и меди необходимо делать изолирующие прокладки. Эта история — один из первых изученных и описанных в литературе случаев электрохимической коррозии металлов.

В УрФУ тоже изучают фазовый состав и его влияние на коррозионную устойчивость — этим занимаются сотрудники лаборатории жаростойких коррозионных сплавов на основе никеля и железа.

«Преимущество никелевых и железно-никелевых сплавов — в их высокой коррозионной стойкости. Они стабильны в разных средах: от растворов слабых кислот и щелочей до кипящих концентрированных кислот», — рассказывает руководитель лаборатории Аркадий Жиляков.

Еще один плюс, добавляет он, заключается в том, что разработана широкая номенклатура — сотни марок разного химического состава. И приступая к созданию новых материалов, специалист не должен начинать с нуля.

Однако такое разнообразие марок сплавов не означает, что возможности уже исчерпаны, а все процессы формирования структуры и свойств этих сплавов полностью изучены. Сотрудники лаборатории до сих пор узнают что-то новое о фазо- и структурообразовании сплавов, а также о влиянии структурных факторов на их коррозионное поведение.

«Например, мы ищем материалы с оптимальным сочетанием коррозионной стойкости и конструктивной прочности. В каких-то сплавах выделение интерметаллидов или карбидов по границам зерен приводит к снижению коррозионной стойкости. При этом прочность может немного подрасти, так как выделившиеся частицы прочнее матрицы, — объясняет Жиляков. — В другом случае выделение дисперсных частиц упорядоченной фазы приводит к сильному росту прочности и одновременно улучшает коррозионную стойкость. Но здесь может быть уже другой негативный момент: сильно падает пластичность и трещиностойкость, материал становится хрупким».

Помимо уже известных нам коррозионно-стойких сталей с добавками углерода, хрома никеля и других элементов, ученые работают и со сплавами на основе никеля: к нему добавляют железо, хром, молибден и вольфрам.

В поисках оптимального химического и фазового состава исследователи обращаются к методам термодинамического моделирования, а контролировать фазовый состав помогают в том числе аддитивные технологии — 3D-печать. Такие методы позволяют быстро нагревать материал — например, с помощью лазера — и получать сплавы с интересными свойствами, которые традиционной плавкой получить не удается.