Из других сплавов на основе железа упомянем еще обладающий очень малым коэффициентом расширения сплав инвар, содержащий 36 процентов Ni, 0,5 процента Mn и 0,5 процента С. Такой сплав очень нужен для изготовления точных приборов. Из него можно делать различные эталоны и калибры. Инвар может заменить гораздо более дорогой сплав платины и иридия, обладающий теми же свойствами.
А сплав, содержащий 46 процентов никеля и 0,15 процента С, успешно заменяет дорогостоящую платину, которая когда-то считалась незаменимой во всех случаях, когда нужно было впаять металл в стекло, — ведь у платины и у стекла очень близкие коэффициенты расширения. У нашего сплава, который поэтому и называется «платинит», такой же коэффициент расширения, но значительно более низкая стоимость.
Вы видите, как много у железа помощников. Но иногда железо и его помощники, так сказать, меняются местами. Тогда уже железо служит в качестве добавки к другим металлам. Так, в широко известный сплав нихром, применяемый для изготовления спиралей электронагревательных приборов, железо входит в количестве 16 процентов. Основу же сплава представляют никель (67,5 процента) и хром (15 процентов), как это видно и из названия сплава.
Широко известно замечательное содружество железа с бетоном в железобетонных конструкциях. В них сочетаются положительные качества того и другого материала и в значительной степени устраняются те недостатки, которыми обладают бетон и железо в отдельности.
Много у железа друзей. Но есть у него и враги. Нельзя не вспомнить, что сера и фосфор резко ухудшают свойства металла, делая его ломким. Справедливости ради отметим, что небольшие количества фосфора в чугуне даже полезны, так как улучшают литейные качества чугуна. Врагами железа являются агрессивные химические вещества. Химические воздействия окружающей среды, разрушающие металл, называют коррозией. Коррозия — страшный бич техники, ведь она уносит ежегодно до 35 процентов всего добытого за это же время металла!
Что является причиной коррозии? В воздухе всегда находится некоторое количество CO2, а также кислородных соединений серы, образующихся при сгорании топлива. Это наряду с действием влаги и кислорода приводит к разрушению железных кровель, железных дымовых труб и т. д. Это пример газовой коррозии. Такая коррозия разрушает железные предметы на химических предприятиях, на которых воздух содержит следы таких активных веществ, как хлористый водород, окислы азота.
Разумеется, в еще большей степени корродируют стальные трубы, по которым на химических предприятиях транспортируются различные агрессивные жидкости. Из-за этой химической коррозии приходится такие трубы делать из специальных материалов: из различных сплавов, из пластмасс и т. д.
Самый жестокий враг железа — это всем известная «безобидная» вода. Наибольшее количество железа уносит именно влажная коррозия, происходящая при контакте металлических предметов с водой или с водяными парами. Сущность ее состоит в вытеснении водорода из воды железом:
Fe + 2H+ = Fe2+ + H2
Такая реакция похожа на реакцию железа с кислотами, но, конечно, кислоты, диссоциируя в растворах, дают значительно больше ионов водорода, поэтому химическая коррозия идет гораздо быстрее.
Как и в случае других химических реакций, коррозия будет идти быстрее, если образовавшиеся продукты реакции связывать какими-либо способами. Понятно, что углекислый газ, связывая ионы железа, способствует коррозии:
Fe2+ + CO2 + H2O = FeCO3 + 2H+
Такую же роль играет и кислород воздуха, который, связывая выделяющийся при коррозии водород, способствует ей. Кроме того, кислород, снимая водород, защищающий поверхность железа (деполяризация), таким путем также ускоряет коррозию. Наконец, кислород окисляет двухвалентное железо до трехвалентного. Общий результат процессов, протекающих при влажной коррозии, можно выразить уравнением:
4Fe + 2H2O + 3O2 = 2(Fe2O3·H2O).
Таким образом, ржавчина представляет собой водную окись железа.
Почему же химически чистое железо гораздо устойчивее к коррозии, чем обычный технический металл? Это станет понятно, если мы будем рассматривать коррозию как процесс электрохимический.
Вспомним, что при контакте двух металлов, отличающихся между собой по легкости отдачи валентных электронов, то есть по активности, возникает разность потенциалов, причем менее активный металл становится электроотрицательным, а более активный — электроположительным. Если в воде есть хотя бы небольшое количество электролитов, в ней образуется гальванический элемент: водород выделяется на менее активном металле, а более активный металл разрушается. Чистые же металлы не образуют гальванических микроэлементов, поэтому они и устойчивее.
Однако гальванический микроэлемент образуют не только два металла. Так, при ржавлении обычной углеродистой стали образуется гальванический микроэлемент, в котором железо служит катодом и потому разрушается, а роль анода выполняет карбид железа — цементит. Гальванический микроэлемент может образоваться и в том случае, если на поверхности металла есть загрязнения: пыль, кусочки угля и т. п.
Известно, что для защиты железа от коррозии изделие покрывают цинком (цинкуют) или оловом (лудят). При нарушении защитного слоя (царапины, трещины и т. п.) процессы коррозии идут по-разному. В первом случае разрушается цинк — ведь он более активен, чем железо, а во втором — железо, так как олово менее активный металл.
По той же причине при нарушении никелевых покрытий разрушается также железо, а менее активный никель сохраняется. В этом отношении красивые никелированные изделия-«аристократы» явно проигрывают перед обычными, совсем не блестящими оцинкованными ведрами…
Поскольку для образования гальванического микроэлемента нужен раствор электролита, то особенно интенсивно идет коррозия в соленой морской воде, ведь в ней растворено много солей. Но даже в относительно чистую дождевую воду из запыленного воздуха попадает достаточно веществ, чтобы обеспечить образование гальванической пары, а значит, и коррозии.
Процессы коррозии, с которыми мы лишь коротко познакомились, чрезвычайно сложны. Поэтому, несмотря на усилия большого числа ученых, многое в ней еще не выяснено, и существующие теоретические положения нередко являются спорными. Но наука непрерывно развивается, с каждым днем накапливаются все новые и новые данные, которые позволяют все правильнее и точнее представить себе процессы, происходящие при коррозии, и научиться управлять ими.
Каковы же средства защиты от коррозии? Прежде всего нужно стремиться к получению однородной поверхности. Полированные поверхности подвержены коррозии в минимальной степени, ведь на них мало механических неоднородностей, способствующих неравномерному окислению и образованию гальванических микроэлементов. По той же причине следует очищать изделия от пыли.
Там, где это возможно, нужно предохранять металл от попадания на него влаги. Простейший способ такой защиты — смазка железных предметов маслами, слой которых не пропускает к поверхности влагу и кислород. Часто изделия из железа красят, или лакируют, или, как мы уже говорили, лудят, цинкуют, никелируют.
Мы уже знакомы и с хромированием стали. Устойчивость хромированных изделий против коррозии объясняется тем, что хром очень быстро покрывается на воздухе тончайшим слоем плотной и однородной окиси Cr2O3, которая не пропускает к металлу влагу и кислород и потому надежно пассивирует его.
К сожалению, окислы самого железа пассивируют металл, лишь если они получены в специальных условиях. Как правило же, окислы на поверхности железа настолько рыхлы, что не препятствуют дальнейшему ржавлению.
При длительном нагревании металлических изделий в концентрированном растворе селитры со щелочью поверхность их темнеет вследствие образования защитной пленки окисла. Такой процесс пассивирования железа называют воронением. Очень прочные защитные пленки получаются при фосфатировании поверхности фосфатами железа и марганца.
Изучив электрохимические процессы, происходящие при ржавлении, люди нашли остроумные методы борьбы с коррозией. Например, если у днища судна закрепить цинковую пластину и соединить ее с корпусом, то, как мы уже знаем, цинк будет растворяться, а стальной корпус останется невредимым.
Упорные поиски ведутся для того, чтобы найти вещества, замедляющие коррозию, отрицательные катализаторы коррозии (ингибиторы). Такими веществами служат, например, хромат натрия и органические вещества формалин и уротропин. Проблема борьбы с коррозией продолжает оставаться важнейшей научной проблемой и привлекает к себе большие научные силы.
Железо знакомо человеку с глубокой древности, однако лишь сравнительно недавно люди научились использовать не только «готовое» железо, попадавшее на Землю в виде метеоритов из космоса, но и выплавлять его из руды. Введение изделий из железа в трудовую практику людей вместо меди и бронзы произвело такой значительный переворот, что большой период в жизни человечества назван «железным веком».
Время, в которое мы с вами живем, часто называют веком пластмасс, иногда — веком алюминия, но уже редко говорят «век железа». А напрасно!
Судите сами. Подсчитано, что за всю историю человечества люди извлекли из недр Земли несколько миллиардов тонн железа. И большая часть этого количества поставлена на службу человеку в течение последних ста лет.
За это время люди стали использовать много новых материалов, в том числе алюминий, титан, вольфрам, ванадий, пластические массы и т. д. Но в то же время с каждым годом увеличивается и производство железа. Если в 1900 году во всем мире было получено около 42 миллионов тонн железа, то в 1940 году — уже 105 миллионов тонн. А лет через 7–8 такое количество железа будет давать одна только наша страна. Ведь уже в 1965 году семилетний план предусматривает выплавку в нашей стране до 91 миллиона тонн стали.