Ржавчина постоянно угрожает окружающему нас железу, так как оно легко окисляется на воздухе и под воздействием воды. Даже сталь — твёрдый сплав железа с примесью углерода — подвержена ржавлению, что приводит к разрушению стали в зданиях, автомобилях и бытовой технике.
Но, как следует из названия статьи, нержавеющая сталь, похоже, не ржавеет. В чём же её секрет?
Проще говоря, химический состав нержавеющей стали не позволяет кислороду из воздуха и окружающей среды проникать к железу в стали, предотвращая вредную для него реакцию окисления.
Обычная сталь ржавеет, когда железо химически реагирует с кислородом, образуя оксид железа. И хотя ржавчина обычно не представляет угрозы для человека, она может сильно разъедать железо, делая его небезопасным и непривлекательным.
Обычная сталь представляет собой сплав, состоящий на 99% из железа и примерно от 0,2% до 1% углерода, в то время как нержавеющая сталь обычно содержит от 62% до 75% железа, до 1% углерода и более 10,5% хрома. Нержавеющая сталь также обычно включает несколько процентов никеля, который делает её более прочной и удобной в обработке.
В устойчивости нержавеющей стали к ржавчине ключевую роль играет хром, рассказал Live Science ученый-материаловед Тим Коллинз (Tim Collins), генеральный секретарь Worldstainless, бельгийской некоммерческой организации, связанной с промышленной группой World Steel Association.
Хром в окружающей среде реагирует с кислородом — обычно на воздухе, но также и под воздействием воды — образуя на поверхности металла «пассивный слой» оксида хрома (Cr2O3). Этот слой предотвращает доступ кислорода к железу в стали, не давая образовываться ржавчине, объяснил Коллинз.
Пассивный слой на нержавеющей стали имеет толщину всего в несколько нанометров и поэтому невидим, добавил он. Этот слой оксида хрома может самовосстанавливаться при повреждениях; он инертен, что означает, что он не вступает в химическую реакцию с другими веществами, и не вымывается за пределы поверхности металла, что делает нержавеющую сталь подходящей для производства пищевых продуктов, хирургии и других применений, пояснил Коллинз.
Случайное открытие
Современная нержавеющая сталь была разработана в 1912 году английским металлургом Гарри Брирли (Harry Brearley), который изучал стальные сплавы для предотвращения коррозии стволов оружия.
Брирли создал сплав из железа, углерода, хрома и никеля. Однако он не подошёл для ствола, поэтому специалист выбросил его во двор, как рассказал Коллинз. Спустя несколько недель Брирли заметил, что блестящий сплав во дворе не заржавел — так он разработал материал и представил его миру в 1915 году.
Коллинз сообщил, что в настоящее время нержавеющая сталь составляет около 4% стали, используемой во всём мире каждый год — почти 2 миллиарда тонн.
Но при этом стоит отметить, что нержавеющая сталь сложна и дорога в производстве — её изготовление обычно в 3-5 раз дороже по сравнению с обычной сталью. Включение же в сплавы специальных металлических элементов (таких как молибден для подводных применений) может сделать её ещё дороже.
В результате большинство применений, где требуется сталь, используют обычную или углеродистую сталь — либо в условиях, где она не ржавеет, либо там, где её защищает внешний слой краски или какое-либо другое покрытие.
Тем не менее, по словам Коллинза, нержавеющая сталь сейчас используется в большем количестве применений, чем когда-либо, в том числе в производстве продуктов питания и безопасности пищевых продуктов.
Учёный в области пищевых продуктов Канта Шелке (Kantha Shelke) из Университета Джонса Хопкинса рассказала Live Science, что нержавеющая сталь имеет множество преимуществ перед альтернативными материалами: она устойчива к коррозии от пищевых кислот и чистящих средств — в отличие от алюминия и меди — и не загрязняет и не портит продукты, с которыми контактирует.
Нержавеющая сталь также прочна, долговечна, она сильнее алюминия и гигиенична, с непористой поверхностью, которую легко чистить и дезинфицировать, написала она в электронном письме.
