Пассивация — защита металлов от коррозии¶

Пассивация — процесс формирования на поверхности металла или сплава тонкой защитной плёнки оксида или другого соединения, резко повышающей его коррозионную стойкость и химическую инертность. Пассивирующие плёнки, как правило, имеют толщину от долей до десятков нанометров, обладают высоким электрическим сопротивлением и замедляют протекание электрохимических реакций на поверхности металла. Явление пассивации открыто в XVIII веке и с тех пор стало основой многих промышленных технологий — от производства нержавеющих сталей до обработки полупроводниковых структур.

¶История открытия

Явление пассивации железа было впервые описано французским химиком Луи Бернаром Гюитоном де Морво в 1786 году. Он обнаружил, что железо, погружённое в концентрированную азотную кислоту, перестаёт реагировать с ней и ведёт себя подобно благородному металлу. Термин «пассивность» ввёл Михаэль Фарадей, предположивший в 1836 году, что поверхность железа покрывается тонкой оксидной плёнкой, изолирующей металл от агрессивной среды. Эта гипотеза впоследствии была подтверждена экспериментально.

¶Механизм пассивации

Пассивная плёнка образуется в результате взаимодействия поверхности металла с компонентами окружающей среды — кислородом, водой, окислителями. Наиболее распространённый тип плёнки — оксидная. Так, на алюминии формируется Al₂O₃, на титане — TiO₂, на хроме — Cr₂O₃. Толщина плёнки обычно составляет 1–10 нм, однако в некоторых случаях может достигать микрометров.

Пассивная плёнка обладает рядом свойств:

• Термодинамическая нестабильность — плёнка метастабильна и может разрушаться при повреждении;
• Самовосстановление — при наличии кислорода плёнка восстанавливается после механического повреждения;
• Избирательная проницаемость — пропускает ионы, но задерживает агрессивные компоненты среды.

Пассивация сопровождается резким сдвигом электродного потенциала металла в благородную сторону — на сотни милливольт. Например, потенциал железа в азотной кислоте смещается с −0,4 В до +0,5–1,0 В относительно водородного электрода.

¶Виды пассивации

По механизму образования различают:

• Химическую пассивацию — обработку окислителями (азотная кислота, хромовые ванны, растворы перекиси водорода);
• Электрохимическую пассивацию — подачу анодного потенциала, при котором металл переводится в пассивное состояние;
• Газовую пассивацию — выдержку на воздухе или в атмосфере кислорода для формирования естественной оксидной плёнки.

¶Пассивация нержавеющих сталей

Наиболее известный пример практического применения пассивации — нержавеющие стали. В их состав входит хром (обычно 10,5–30 %), который формирует на поверхности сплава сплошную оксидную плёнку Cr₂O₃. Если сталь подвергается сварке, травлению или механической обработке, хромсодержащая плёнка повреждается, и сталь утрачивает коррозионную стойкость. Для её восстановления применяют химическую пассивацию — обработку растворами азотной или лимонной кислоты.

В промышленности используются стандартные рецептуры пассивирующих ванн. Классический раствор включает азотную кислоту (20–50 %) при температуре 20–60 °C. Альтернативой являются безазотные составы на основе лимонной кислоты с добавками, что снижает экологическую нагрузку.

¶Пассивация в других областях

¶Микроэлектроника

В полупроводниковой промышленности пассивация кремниевых пластин — обязательный этап технологии. Слой диоксида кремния SiO₂ или нитрида кремния Si₃N₄ наносится на поверхность кристалла для защиты его от загрязнений, утечек тока и внешних воздействий. Термин «пассивация» в микроэлектронике означает химическое обезвреживание «подвешенных» связей на поверхности кремния, которые являются ловушками для носителей заряда.

¶Титан и его сплавы

Титановые имплантаты в хирургии и стоматологии пассивируются в естественных условиях — на воздухе и в биологических жидкостях на их поверхности формируется стабильная плёнка TiO₂, биологически инертная и совместимая с тканями организма. Для ускорения процесса применяют кислотную обработку.

¶Защита цветных металлов

Алюминий и его сплавы пассивируют хроматированием или анодированием. Анодирование создаёт значительно более толстую оксидную плёнку (5–150 мкм) по сравнению с естественной, что обеспечивает повышенную стойкость к износу и коррозии.

¶Факторы, влияющие на пассивацию

¶Термин в смежных науках

В биологии и медицине термин «пассивация» используется в другом значении — обозначает процесс приведения биологического объекта в неактивное состояние. Например, пассивация иммунных клеток, пассивация вирусных частиц сывороточными белками. В фармакологии — снижение чувствительности рецепторов к действующему веществу.

¶Литература

• Томашов Н. Д. «Теория коррозии и коррозионностойкие сплавы». — М.: Металлургия, 1959.
• Гейман В. Г., Балакина Е. А. «Коррозия и коррозионная защита металлов». — М.: Мета-Инфо, 2010.
• Uhlig H. H., Revie R. W. «Corrosion and Corrosion Control». — John Wiley & Sons, 1985.
• Паскаль Г. «Нержавеющие стали». — М.: Металлургия, 1990.