Для тех, кто имеет дело с металлами, это слово не менее страшно, чем набат пожара. Собственно, так и должно быть: коррозия — это то же горение, только незаметное для глаз. Этот незримый пожар ежегодно уничтожает до 10% выплавляемого металла, что в абсолютных величинах составляет десятки миллионов тонн. Но даже эта большая цифра не отражает истинного объема потерь. От коррозии гибнет не просто металл — она выводит из строя готовые изделия, сложные формы и точные размеры которых оплачены большим трудом. Стоимость этих изделий неизмеримо выше стоимости самого металла. Вот почему ежегодные потери от коррозии огромны.
Веками человек искал и продолжает искать эффективные средства борьбы с коррозией. Когда-то он делал это интуитивно, сегодня — все глубже проникая в суть ее химико-физических механизмов. Как правило, коррозия металла представляет собой сложный процесс, в котором чисто химическое взаимодействие сочетается с электрохимическими явлениями. Соответственно и различают химическую коррозию и коррозию электрохимическую.
Химическая коррозия наблюдается в тех случаях, когда металл взаимодействует со средой, не проводящей электрический ток. Находящиеся в этой среде активные вещества, например, кислород, галогены или сернистый газ, заставляют металл вступать с ними в химические реакции, в ходе которых электроны с атомов металла переходят непосредственно на активные частицы окислителя. В результате образуются химические соединения, как правило, отличающиеся низкими техническими свойствами, и участки детали с подобными образованиями начинают быстро разрушаться.
Значительно чаще практика имеет дело с коррозией второго типа — электрохимической. Она возникает в средах, способных проводить электрический ток,— в растворах солей, кислот и щелочей — и протекает по законам гальванического элемента. Предпосылки к этому заложены в самом промышленном металле: как правило, он неоднороден или содержит посторонние включения (примеси). Эти включения образуют с основным металлом мириады микроскопических гальванических пар, токопроводящая среда замыкает цепь, и гальванические элементы начинают работать. При этом общая химическая реакция взаимодействия состоит из двух в значительной мере самостоятельных процессов: анодного, когда сам металл в виде положительных ионов переходит в раствор, и катодного, сопровождающегося «снятием» избытка электронов с частиц-включений находящимися в растворе частицами-деполяризаторами (например, ионами водорода).
Даже столь поверхностное знакомство с механизмами коррозии показывает, что наиболее простой принцип защиты металлов от разрушения — это изоляция их от окружающей среды. Во многих случаях так и поступают: металлические изделия покрывают лаками и красками, специальными защитными покрытиями, полимерными пленками, смазками и маслами. Но даже такая «защита», создание которой связано с определенными технологическими трудностями, зачастую не спасает металл: стоит покрытию нарушиться хотя бы в одном месте, как коррозия немедленно начинает вгрызаться в деталь. Все это заставляет искать более простые в употреблении и надежные в работе средства защиты металлов от разрушения. К числу таких средств относятся вещества, известные под названием ингибиторов коррозии.
В годы Великой Отечественной войны, железнодорожники одной из подмосковных станций стали свидетелями интересного эксперимента: вдали от основных путей, в тупике, появилась 25-тонная цистерна, внешне не отличающаяся от сотен других. Но железнодорожники поглядывали на нее с нескрываемым недоверием: в цистерне находилась соляная кислота — злейший враг металла.
История железнодорожного транспорта знает немало случаев, когда соляная кислота служила причиной аварий: она проедала стенки цистерн, попадала на полотно дороги, разрушала рельсы. Чтобы избежать этого, стенки металлических цистерн приходилось покрывать изнутри натуральным каучуком. Но даже это дорогостоящее покрытие не гарантировало от происшествий: достаточно было микроскопического изъяна в каучуке, чтобы молниеносно начался процесс разрушения. А тут в тупике вот уже больше сорока дней стояла цистерна без всякого покрытия, залитая соляной кислотой, и следов разрушения все не было.
Трудно сказать, как долго продолжался бы этот эксперимент, если бы не случай: неожиданно дала течь цистерна с каучуковой облицовкой, в резерве подобных емкостей не было, а агрессивный груз нужно было срочно доставить на одно из предприятий Башкирии. Пришлось отправить кислоту в опытной цистерне. Долгий путь, тряску, продолжительные стоянки на солнцепеке — все выдержала экспериментальная стальная колба. И всему «виной» было небольшое количество добавленного в кислоту вещества под названием «Уникол» — одного из наиболее удачных ингибиторов, созданных в ХХ веке советскими учеными.
Само название «ингибиторы» происходит от латинского слова «inhibire», что означает «тормозить». Подобно тому, как катализаторы ускоряют течение химических процессов, не входя при этом в конечные продукты реакций, ингибиторы замедляют коррозионные процессы, практически не изменяя при этом свойств агрессивной среды. Поэтому их иногда называют «отрицательными катализаторами». Сущность тормозящего действия ингибиторов состоит в том, что их частицы образуют на деталях своеобразные защитные пленки, которые изолируют металл от окружающей среды.
Механизм образования ингибирующих пленок может быть самым различным. Простейший его вариант — физическая адсорбция. Частицы ингибитора, свободно перемещающиеся в окружающей среде, могут приближаться к самой детали и здесь улавливаться электростатическим полем поверхностных ион-атомов металла, образуя своего рода «частокол». Правда, образованная таким способом «защита» малоустойчива к нагреву — при повышении температуры энергия движения частиц ингибитора становится настолько большой, что поле ион-атомов уже не в состоянии удержать их на поверхности металла.
В этом отношении более устойчива «защита», образованная по механизму химической адсорбции. Здесь попавшие на поверхность изделия частицы ингибитора вступают во взаимодействие с самим металлом, после чего их удерживают на месте уже более прочные внутримолекулярные связи. В ряде случаев образовавшиеся таким образом частицы-соединения могут диффундировать — выходить за границу самого металла и накапливаться в непосредственной близости от него. Связанные друг с другом силами межмолекулярного взаимодействия, они образуют при этом защитную пленку. Этот механизм образования «защиты» носит название хемосорбции.
Своеобразную пленку образуют на поверхности металла и коллоидные ингибиторы. Известно, что частицы коллоидов несут на своей поверхности электрические заряды, препятствующие их слипанию,— как тела с одноименным зарядом, частицы отталкиваются друг от друга. Попав же на поверхность металла, частицы разряжаются, начинают коагулировать (слипаться) и в результате образуют желеобразную пленку, обладающую защитными свойствами.
Наконец, нельзя не отметить ингибиторы, которые либо вызывают образование на металле устойчивой к воздействию среды окисной пленки, либо уплотняют уже имеющуюся рыхлую пленку окисла. В последнем случае частицы ингибитора проникают в поры рыхлой пленки, «штопают» их и одновременно как бы стягивают саму пленку — толщина пленки уменьшается, и при этом она становится более плотной и непроницаемой.
Ингибитор взаимодействует только с поверхностью металла, размеры которой, как правило, сравнительно невелики в сопоставлении с объемом окружающей среды. Поэтому для защиты металлов от коррозии в большинстве случаев требуется очень небольшое количество ингибитора — от нескольких десятых до одного процента от веса вещества в окружающей среде.
