Металл века
Шрифт:
Теоретически стойкость того или иного металла против коррозии прямо зависит и от так называемого электродного потенциала: чем он выше, тем лучше и коррозионная стойкость, и наоборот. Так вот, по подсчетам и экспериментам, электродный потенциал титана невысок и теоретически титан должен быть по коррозионной стойкости примерно таким же "середнячком”, как магний или алюминий. Чем же объясняется в таком случае его нередко прямо-таки поразительная стойкость?
Вот здесь-то как раз химическая активность металла, стремление вступать в реакцию с другими элементами служит добрую службу. Благодаря своей химической активности титан интенсивно окисляется и на его поверхности образуется тончайшая пленка диоксида титана. И где бы ни находился металл — на воздухе, в воде или в производственных агрессивных растворах — от дальнейшего взаимодействия с разрушающими веществами толщу металла защищает эта тонкая, но чрезвычайно прочная пленка. Пленка настолько тонка, что ее невозможно увидеть не то что невооруженным глазом, но даже и в обычный микроскоп. В быту мы редко пользуемся малыми величинами и кажется, что меньше микрона — тысячной доли миллиметра — нет уже никаких единиц измерения. Однако есть еще ангстрем — десятитысячная доля микрона. Вот в ангстремах-то как раз и выражают толщину оксидной пленки титана.
Хотя защитная пленка необычайно тонка, она достаточно прочна и надежна. Если ее в каком-либо месте специально сцарапать, она ”самозалечивается” и возникает снова как ни в чем не бывало. Оксидная пленка защищает титан не только от коррозии, но и от умеренного механического воздействия, поэтому металл стоек также против эрозии и кавитации.
”Лучший друг” титана — кислород, поскольку является одним из сильнейших окислителей. Другие окисляющие агенты — азотная и хромовая кислоты, вода тоже помогает титану окисляться и тем самым покрываться невидимым защитным панцирем. Наблюдается удивительная картина: окисление, тот же самый процесс, который стремительно съедает железо, превращая его в окисел — ржавчину, делает титан сказочным богатырем, не боящимся почти никаких врагов.
По этой же самой причине влага и сырость — злейшие враги железа и многих других металлов — для титана являются чем-то вроде водных процедур, закаливая и укрепляя его. Так обстоит дело на практике.
Впрочем, свежезачищенная поверхность титана, опущенного в морскую воду или другой раствор, в котором металл стоек, поначалу действительно имеет низкий электродный потенциал— гораздо ниже нуля. Но сразу после погружения потенциал начинает повышаться и вскоре из отрицательного делается положительным. Так что в действительности расхождения между теорией и практикой нет: высокой стойкостью против коррозии обладают металлы с высоким электродным потенциалом, которым обладает и титан, когда находится во многих агрессивных средах.
Поскольку азотная и хромовая кислоты — сильнейшие окислители, не удивительно, что титан не разрушается в них при любых концентрациях и при любых температурах — вплоть до температур кипения. В органических кислотах — уксусной, молочной, стеариновой, лимонной, виннокаменной и многих других — металл настолько стоек, что отполированная его поверхность нисколько не утрачивает своего блеска. Металл абсолютно устойчив во влажном хлоре и его водных соединениях, в соединениях серы, хрома. Хорошую стойкость титан демонстрирует в щелочах, растворах гипохлорита кальция и натрия.
Титан стоек и в целом ряде расплавленных металлов — в жидком магнии, нагретом до 700 °С, в горячих олове, галлии, ртути, литии, натрии, калии. (Это позволяет изготовлять из него специальные контейнеры для транспортировки перечисленных расплавленных материалов, а также черпаки для взятия проб.) Титан стоек и в расплавленной сере.
В растворах серной и соляной кислот титан не разрушается только в том случае, если концентрация их не превышает 5 процентов. Это, конечно, не бог весть какое достижение. Ведь золото, к примеру, без малейшего для себя ущерба переносит соляную и серную кислоты самой высокой концентрации. Но надо все же сравнивать титан с металлами, близко стоящими к нему по своей стоимости и доступности, а не с золотом. Так вот, нержавеющая сталь гораздо менее устойчива в тех же кислотах, чем титан. Хотя титан и разрушается, все же в 25-процентном растворе соляной кислоты он почти в 250 раз устойчивее, чем нержавеющая сталь.
Было бы очень неплохо иметь хотя бы один материал, который совершенно не подвергался бы коррозии. Увы, это нереально. В природе нет ничего вечного. Тогда, может быть, есть такой материал, который хотя и разрушается, но везде одинаково, незаметно, то есть такой, который был бы практически стоек во всех агрессивных средах? Нет и такого материала. Чудес не бывает.
Как разрушается золото — уже говорилось выше. И его "свита” тоже уязвима. В азотной кислоте растворяются палладий и осмий, в "царской водке" — палладий и платина. Серебро интенсивно корродирует при встрече с хлором, сурьмой, мышьяком.
Титан тоже не всемогущ и не претендует на то, чтобы с его помощью решать все проблемы. При контакте со щавелевой, фосфорной, с концентрированными соляной и серной кислотами защитная пленка на поверхности металла разрушается (точнее, скорость ее растворения превосходит скорость образования) , обнажается активный металл и начинается интенсивная коррозия.
Титан не стоек в пероксиде водорода, сухих хлоре и броме, в спиртовой настойке иода. Самый же страшный разрушитель титана — фтор. Совершенно незначительное количество ионов фтора вызывает стремительную коррозию металла. В плавиковой кислоте (соединении фтора с водородом) титан растворяется буквально на глазах — как сахар в горячем чае. Фтор вообще удивительный элемент, он разрушает все на свете. В его струе загораются вещества, которые обычно никогда не горят — кирпич, асбест, железо, сталь и даже... вода, если ее подогреть!
Фтор — самый активный, самый агрессивный элемент в природе, само его название в переводе с греческого языка означает "разрушающий все". И свое название фтор подтверждает на каждом шагу. Так, инертные газы (аргон, гелий, криптон, неон и др.) потому и названы инертными, что не вступают в реакцию ни с одним элементом. Ни с одним! Кроме... фтора. Этот газ светло-желтого цвета воспламеняет (если приблизить к нему) кремний и теллур, мышьяк и бром, иод и сурьму. Благородные платиновые металлы полностью проявляют свое "благородство" и при комнатной температуре не вспыхивают во фторе, как это делают названные выше элементы, но стоит платиновые металлы чуть-чуть нагреть — их постигает та же плачевная участь. И вправду, фтор — "разрушающий все"! Перед таким противником не стыдно отступить и титану.
Коррозионную стойкость титана можно повысить. Делается это различными путями. Вот один из них. В соляной и серной кислотах титан не стоек. Однако достаточно добавить в них немного азотной или хромовой кислоты, как поведение титана меняется самым разительным образом — он делается устойчивым материалом, его разрушение практически прекращается. Точно так действуют на титан и присутствующие в растворе ионы железа, меди и некоторых других металлов.
Поэтому иногда в растворы, в которых титан обычно не стоек, специально добавляют азотную или хромовую кислоту, соединения хлора и некоторые другие вещества, чтобы металл сделался пассивным, устойчивым. Способностью азотной кислоты пассивировать титан как раз и объясняется его кажущаяся столь феноменальной стойкость в "царской водке".
А бывает, что вещества, пассивирующие титан, так называемые ингибиторы коррозии, уже имеются в растворе.
В этом случае металл будет устойчив в концентрированных серной и соляной кислотах, а также в других соединениях, в которых он, как правило, разрушается.
Вот почему лучше всего исследовать стойкость титана в каждом конкретном случае, а особенно когда пригодность титана для применения в данной среде вызывает сомнения.
Ну а если в агрессивном растворе нет пассивирующих титан веществ или ввести их туда невозможно из-за особенностей технологии, что тогда? Отказаться от титана, поискать что-нибудь другое, более стойкое? Можно и так. Но только и среди более стойких, чем обычные сплавы титана, материалов тоже окажутся... титановые сплавы. Речь действительно идет о сплавах титана, но с повышенной коррозионной стойкостью.