Григорий Николаев - Металл Века

С титаном связывают будущее судостроения — ведь в морской воде он самый стойкий из промышленных металлов. Ни бронза, ни латунь, ни все другие сплавы на основе меди и никеля не могут соперничать с ним, не говоря уже о нержавеющих сталях, алюминии или магнии.

Правда, драгоценные металлы, за исключением серебра, тоже

не вызывают никаких претензий по части стойкости в агрессивной среде морей и океанов, но разве можно серьезно говорить об их широком применении в конструкциях судов? Мы никогда не увидим кораблей с золотыми якорями, с платиновым корпусом или с мачтами из иридия. А вот титановые корпуса и мачты — не пустая мечта.

В мире очень много веществ, обладающих способностью активно разрушать металлы, но подавляющее большинство их получено человеком искусственно и по сравнению с природными веществами количество их еще не так велико. Однако и в самой природе есть весьма агрессивные среды и важнейшая из них — морская вода. Важнейшая потому, что добрых две трети поверхности нашей планеты занимают океаны и моря, и потому, что морская вода, как мы уже узнали, крайне разрушительно действует на металлы. Воздействие это проявляется не только в случае погружения металлов в воду, но и тогда, когда они находятся над океаном или на его берегу. И как хорошо, что люди, наконец, имеют в своем распоряжении металл, который ничуть не боится моря и запасы которого в мире огромны!

Титан очень нужен не только судостроению, но и морской авиации, различным прибрежным сооружениям. В будущем, когда суша нашей планеты будет полностью освоена, когда будут возделаны все без исключения плодородные земли, а потребность в продовольственных ресурсах будет продолжать расти, люди вплотную займутся освоением богатств мирового океана. Помогут им в этом металлы и в первую очередь ~~ титан.

Если титан настолько устойчив в морской воде, то пресная вода для него, вероятно, совершенно не представляет опасности? Да, именно так. Хотя пресная вода тоже далеко не безобидна: обычная мягкая сталь, опущенная в водопроводную воду, уже через сутки покрывается толстым слоем ржавчины. Титан же не разрушается не только в обычной холодной, но даже в кипящей воде.

Одно из коррозионных испытаний титана заключалось в том, что пластинки металла помещали в автоклав, который в свою очередь ставили в печь. Температура нагрева составляла 280 °С, в результате чего давление в автоклаве достигало 480 кПа и на каждый квадратный сантиметр титановой пластинки действовало разрушающее усилие в 140 килограммов. И так продолжалось 13 суток.

Когда же испытания закончились, взору исследователей предстали совершенно не поврежденные титановые пластинки. Они не потеряли ни миллиграмма своей массы и не утратили прочности. А ведь перед испытанием пластинки намеренно изгибали, чтобы титан находился в напряженном состоянии, так как под напряжением металлы разрушаются быстрее.

Титану не страшны никакие атмосферные осадки — ни дожди, ни туманы, ни снег, ни град, совсем не опасен воздух, загрязненный отходами промышленных предприятий. Под открытым небом титан даже не тускнеет. Вот почему его называют "вечным” металлом.

Благородные металлы устойчивы против коррозии вследствие своего "благородства” — то есть присущей им химической невозмутимости. Но почему стоек титан? Ведь его даже при всем желании нельзя отнести к разряду инертных — это один из наиболее активных элементов, постоянно стремящихся вступить в реакцию, и именно этим прежде всего объясняется трудность его выделения из соединений. Все это так, но тем не менее металл демонстрирует завидную коррозионную стойкость.

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.