С первого момента знакомства с металлами, можно сказать, что с медного века, предшествовавшего бронзовому, человечество столкнулось с проблемой коррозии металлов.
И, если на первых этапах, когда человечество имело дело преимущественно с медью и её сплавами, проблема коррозии не была настолько острой, то, с приходом железного века, проблема обострилась.
За прошедшие века человечество придумало множество способов борьбы с этим явлением, в частности, кардинально решив его, по мере появления нержавеющих сплавов.
Однако, как выясняется, даже такие сплавы не могут устоять перед негативным явлением, которое носит название «щелевая коррозия»…
Но для начала, перед рассмотрением этого вопроса, вспомним некоторые ключевые факты…
В прошлом, в одной из статей мы узнали, что с точки зрения официальной науки само явление коррозии представляет собой электрохимический процесс и коррозия обусловлена тем, что вся поверхность металлов покрыта участками с разной величиной потенциалов, где при попадании в среду электролита (даже обычной влажности в окружающем воздухе, почти невидимо конденсирующейся на поверхности металла), между этими участками с разной величиной потенциалов локально начинает протекать электрический ток, а сами эти участки начинают представлять собой своего рода короткозамкнутые сами на себя «микробатарейки», которыми покрыта вся поверхность металлов:
Как мы узнали, причин появления такой разницы потенциалов на разных участках поверхности множество:
Различия в температуре (сразу вспоминаем элементы Пельтье-Зеебека, где нагрев и охлаждение позволяет току течь от одного материала к другому; в данном же случае, происходит протекание тока между разными участками одного и того же материала);
Различия во внутреннем строении кристаллической решётки разных участков (например, тот же самый наклёп (уплотнение кристаллической решётки) на каком-то участке и его отсутствие на другом, а также аномалии строения и включения инородных примесей);
Наличие и отсутствие загрязнений (уменьшает и увеличивает ток);
Различия в механической обработке разных участков (заостренные заусенцы и следы обработки на поверхности усиливают напряжённость электрического поля, тогда как относительно более плоские участки отличаются меньшей напряжённостью, что начинает работать в этой паре как зона меньшего потенциала).
В ходе такого протекания тока, происходит разрушение положительного контакта (анода) такой «микробарейки» и ионы металла переходят в электролит, где затем перетекают к отрицательному электроду (катодом).
Для защиты от этой проблемы, применяют два основных способа:
Искусственное приложение отрицательного потенциала: например, если необходимо защитить какую-то подземную стальную конструкцию, то рядом с ней закапывают конструкцию несколько меньшего размера, после чего, от внешнего источника тока подают на них питающее напряжение, в ходе чего происходит сохранение целевого объекта и медленное разрушение вспомогательного объекта, закопанного рядом;
Установка протектора (жертвенного анода): часто это более активные металлы, например брусок магния, приклёпанный прямо на поверхность железного объекта — в результате, с течением времени, магниевый объект в этой гальванической паре разрушается, а железный полностью сохраняется, без возникновения ржавчины. Как мы узнали в той же статье, ссылку на которую я приводил выше, — подобные жертвенные аноды продаются в изобилии на маркетплейсах, если кому-то это интересно… :-)
Но, это всё что касается корродирующих в условиях воздействия электролитов металлов (не обязательно только железа и стали — по ссылке выше я приводил пример, как подобным же образом (применением жертвенного анода) защищали медную обшивку военных судов Британии в прошлом).
Ещё в XIX веке учёные начали делать первые попытки (Майкл Фарадей, в частности) по приданию нержавеющих свойств железу, так как было обнаружено, что сплав железа и хрома ржавеет в меньшей степени и начинает сопротивляться кислотам.
Однако на тот момент, у металлургов ещё не было понимания, как удалять из железа лишний углерод (он мешал делу и способствовал ржавлению), где подобная находка была совершена уже только в начале XX века, откуда и берёт своё начало нержавеющая сталь как класс металлов.
Нержавеющие стали отличаются содержанием большого количества хрома в своём составе, где процент, в зависимости от типа стали, колеблется от примерно 10 до 30 (например, AISI 446).
Механизм нержавеющих свойств такой стали заключается в том, что хром, ещё более активный чем сталь, в условиях присутствия кислорода воздуха моментально покрывается прочной оксидной пленкой, довольно тонкой, всего лишь в несколько атомов толщиной, но, которой вполне хватает, чтобы надёжно перекрыть доступ кислорода к железу.
Тем не менее, практически сразу, при использовании подобных сталей в конструкционных целях выявилась и проблема: она всё равно ржавела, но, почему-то, в, казалось бы, закрытых, относительно герметичных местах: под заклёпками, в местах стыков болтов и листов обшивки, трубных фланцев — и, в первую очередь, с этим столкнулся опять же британский флот*, где попытались использовать нержавейку в целях судостроения.
*Несколько отвлекаясь от темы: с этим флотом ещё много чего интересного происходило, кому интересно, велком сюда.
Суть проблемы была совершенно непонятна, и на понимание её ушло большое количество времени: стоит только отметить, что если официально нержавейка была открыта ещё в 1913 году, то понимание причины проблемы пришло только в период 1930-1940 годов (ближе к последним), где в ходе множества лабораторных исследований, было выявлено, что причина заключается … в недостатке кислорода!
Кто бы мог подумать, что тот же самый кислород, который служит делу разрушения металла (образуя оксидную плёнку на поверхности), также служит и делу его «выживаемости», если можно так сказать, где его пониженное содержание в электролите оказывается фатальным!
Рассмотрим механику процесса, где для простоты примера возьмём заклёпку, которая соединяет два листа нержавейки.
На начальном этапе, когда конструкция только собрана — всё хорошо, ничего не происходит, и, нержавейка работает, так как и задумано: «не ржавеет». :-)
Проблемы начинаются чуть позже: никакие механические конструкции не могут быть собраны с идеальным соединением, без какого-либо перемещения относительно друг друга — даже то же самое тепловое расширение/сжатие, приведёт к тому, что листы металла, а также заклёпка, будут несколько скользить относительно друг друга.
Всё бы ничего, однако, такое скольжение неизбежно приведёт и к механическому повреждению оксидного слоя на поверхности трущихся объектов.
Если такие поверхности находятся на относительно открытых местах — то ничего страшного, оксидный слой восстанавливается практически моментально.
Если же речь идёт о небольшом замкнутом пространстве под заклёпкой — то тут беда…
Дело в самом механизме восстановления оксидного слоя: при подобном механическом разрушении слоя под заклёпкой во время трения, слой будет автоматически стараться самовосстанавливаться, забирая растворенный кислород из электролита вокруг.
Но электролита вокруг (то есть под заклёпкой) очень мало, в виду малого просвета щели между головкой заклёпки/основным листом металла и практически полного отсутствия его перетекания между ним и основным массивом электролита снаружи, за пределами заклёпки.
Таким образом, очень быстро возникнет ситуация, когда весь кислород (или почти весь), находящийся в электролите под заклепкой, будет выбран — постоянно пытающимся восстановиться оксидным слоем, где при этом, механическое повреждение никуда не делось, и постоянно продолжает происходить!
Что, в результате произойдёт? Верно: оксидный слой начнёт исчезать на всё большем участке поверхности под заклёпкой.
Как мы узнали из вступления выше, а также из прошлой статьи, на которую я давал ссылку выше, — необходимым условием ржавления (читай: «протекания тока между анодом и катодом») является присутствие общего электролита, которым этот анод и катод залиты.
Так как электролит под заклёпкой и электролит снаружи (несмотря на то, что под заклёпкой его ограниченное количество), всё же не разделены кардинально, и соединены друг с другом, — в результате, как вы поняли, это приводит к тому, что между участком под заклёпкой и всем окружающим пространством начинает протекать ток, потому что образуется очень большая разница потенциалов между оголенным металлом и покрытой оксидом, основной площадью металла!
При этом, что интересно, ведь понятно, что оксидный слой не пропадёт одномоментно, — он протрётся сначала локально, в некоторых местах, что уже и запустит протекание тока.
А что значит возникновение тока? Это значит, что атомы оголённых участков металла под заклёпкой начнут терять электроны, которые будут перетекать к катоду.
Атомы, потерявшие электроны, не смогут удерживаться в кристаллической решётке металла, так как кардинально поменяют свои физические и химические свойства, в результате чего они (уже называемые «ионами» — т.е. атомы с потерянными электронами) начнут в изобилии «вываливаться» из кристаллической решётки металла, попадая в воду (так как мы говорим о наиболее широко распространённом случае ржавления в воде, то в качестве электролита подразумеваем именно водный электролит).
Подобное насыщение электролита ионами металла резко изменит кислотно-щелочной баланс, сделав его всё более кислотным — то есть, прямо под заклёпкой образуется кислота, которая ещё более ускоренными темпами начнёт уничтожать оксидную плёнку, а также и сам металл, ток ещё больше увеличится, кислотность ещё больше возрастёт и т.д.
На самом деле, это довольно большая проблема так как, с момента открытия нержавеющего сплава, в полной мере решить этот вопрос не удалось и, инженерный набор методов довольно ограничен, где все они, в основном, сводятся к тому, чтобы уменьшить вероятность попадания электролита в узкие, недостаточно промываемые щели:
Обеспечить надёжное омывание окружающим электролитом (если он появится);
Быстрое высыхание (обеспечить вентиляцию, за счёт особой конструкции соединения);
Сварка;
Закрытие герметиками;
Плотное закрашивание.
Но, всё это хорошо, прекрасно и, даже, в некоторой степени, работает (в больших инженерных конструкциях), но что делать с имплантами внутри человеческого тела?!
Оказывается, прямо аналогичная проблема существует и с ними!
Например, вот здесь, есть интересная статья, как раз рассматривающая подобную проблему, получившую научное название MACC (Mechanically-Assisted Crevice Corrosion) — Механически Стимулированная Щелевая Коррозия. То есть, сочетание периодических механических нагрузок, с малым омыванием электролитом и узкими щелями.
Как было выявлено, подобная проблема потенциально касается практически всех хирургически внедрённых в человеческое тело искусственных имплантатов из металла.
То есть, например, было обнаружено, что подобной проблеме подвержены зубные имплантаты, а также, например, искусственный тазобедренный сустав (это не исчерпывающий список, полный список, о котором говорится в статье, находится здесь).
В завершение можно сказать, что, как уже и упоминалось выше, насколько можно судить по имеющейся в общем доступе информации о разработках, в данный момент, проблема щелевой коррозии в полной мере не решена, несмотря на наработку ряда методов для борьбы с ней и ещё ждёт своего решения…
P.S. Копилка фобий: +1 :-B
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
