Strategiczny Program Badań i Rozwoju Środowiska (SERDP) oraz Program Certyfikacji Technologii Bezpieczeństwa Środowiskowego (ESTCP), Obszar Programowy Systemów i Platform Broni, opracowały strategię mającą na celu zmniejszenie zużycia kadmu (Cd) i sześciowartościowego chromu (Cr6+) o 90% lub więcej w magazynach konserwacyjnych Departamentu Obrony (DoD) w ciągu najbliższych pięciu lat. Strategia obejmuje cele, mierniki i działania, które mają wykazać, w jaki sposób można osiągnąć to ograniczenie. W strategii wykorzystano demonstracje w terenie oraz zasoby DoD w celu powielenia procesów w całej społeczności magazynów DoD. Zawiera również zalecaną przyszłą ścieżkę sukcesu w obszarze zaawansowanych powłok.
Termin „chrom sześciowartościowy” jest skrótowym oznaczeniem związków chemicznych, które zawierają pierwiastek chrom w dodatnim stanie walencyjnym 6. Metaliczny chrom jest w zerowym stanie walencyjnym, a naturalnie występujący tlenek chromu zawiera chrom w dodatnim stanie walencyjnym 3, zwany również chromem trójwartościowym lub Cr(III). Ważne jest, aby dokonać tego rozróżnienia, ponieważ Cr(VI) jest znacznie bardziej toksyczny niż inne formy chromu
Chrom sześciowartościowy jest znanym czynnikiem rakotwórczym, z główną drogą narażenia poprzez wdychanie oparów lub pyłu. Podstawowym zagrożeniem dla zdrowia wynikającym z narażenia na Cr(VI) jest zwiększone prawdopodobieństwo rozwoju raka płuc. Inne potencjalne zagrożenia dla zdrowia obejmują astmę, owrzodzenia i perforacje przegrody nosowej oraz zapalenie skóry. W 2006 r. Administracja Bezpieczeństwa i Zdrowia w Pracy (OSHA) dziesięciokrotnie obniżyła dopuszczalny limit narażenia (PEL) z 52 do 5 mikrogramów na metr sześcienny, co czyni go jednym z najbardziej rygorystycznie regulowanych materiałów stosowanych w produkcji i konserwacji.
Dopuszczalny limit narażenia (PEL) to maksymalne stężenie substancji chemicznej, na które może być narażony pracownik, zwykle oparte na średniej wartości w ciągu 8-godzinnej zmiany roboczej.
Mimo swojej toksyczności, Cr(VI) ma wiele pożądanych właściwości i jest stosowany w powłokach i wykończeniach od ponad 50 lat na materiałach takich jak stopy aluminium, stale, stopy magnezu i inne. Po włączeniu do powłok, Cr(VI) w postaci związków chromianowych zapewnia doskonałą ochronę antykorozyjną prawie wszystkich metali w szerokim zakresie środowisk. Kiedy powłoka jest uszkodzona, np. przez zarysowanie, które odsłania materiał podstawowy, właściwości rozpuszczalności chromianów pozwalają im migrować do odsłoniętego obszaru i hamować korozję. Chromiany są używane w wielu zastosowaniach wojskowych do wykańczania metalu, w tym:
- Powłoki konwersyjne na aluminium, magnezie, i stopów tytanu
- Inhibitory korozji w podkładach
- Uszczelnianie powłok anodowanych
- Obróbka wtórna na protektorowych powłokach odpornych na korozję, takich jak kadm
- Obróbka wstępna powierzchni stalowych przed nałożeniem powłoki
- Podkłady adhezyjne
Wiele chromianów jest stosowanych w celu nadania odporności na korozję w tak zwanych „stosach” powłok.” Jako przykład, większość kadłubów samolotów są produkowane ze stopów aluminium, które są podatne na korozję. Układ powłok może składać się z cienkiej chromianowej powłoki konwersyjnej, która nadaje pewną odporność na korozję i zwiększa przyczepność kolejnych powłok, a następnie podkładu zawierającego związek chromianowy i poliuretanowej powłoki nawierzchniowej.
Większość potencjalnych narażeń i uwolnień związanych z chromianami występuje podczas procesów usuwania powłok, takich jak śrutowanie, szlifowanie i usuwanie wykończeń metalowych i/lub powłok. Dodatkowe narażenie może wystąpić podczas stosowania obróbki powierzchni i powłok, gdzie emitowane są opary zawierające Cr(VI).
W innych zastosowaniach, elementy systemów uzbrojenia są umieszczane w zbiornikach zawierających roztwory kwasu chromowego, w których chrom jest w stanie sześciowartościowym, w celu anodowania lub chromowania twardego. W tych zastosowaniach chodzi raczej o odporność na zużycie, a w przypadku chromowania twardego – o przywrócenie tolerancji wymiarowych wielu rodzajów komponentów. W tych procesach nie ma Cr(VI) w produkcie końcowym, ale opary emitowane przez zbiorniki zawierają Cr(VI) i dlatego należy podjąć znaczne wysiłki, aby zapewnić, że narażenie pracownika jest poniżej PEL.
Jedną z ostatnich dróg narażenia pracowników na Cr(VI) jest wysokotemperaturowa obróbka materiałów zawierających chrom, taka jak spawanie i lutowanie twarde, które mogą generować opary zawierające Cr(VI).
Departament Obrony jest zaangażowany w ograniczenie stosowania materiałów i procesów zawierających Cr(VI). Znalazło to odzwierciedlenie w wydanym 8 kwietnia 2009 r. memorandum podsekretarza obrony ds. zakupów, technologii i logistyki zatytułowanym „Minimizing the Use of Hexavalent Chromium”. W memorandum tym podsekretarz stwierdził: „Ze względu na poważne zagrożenia dla zdrowia ludzkiego i środowiska związane z wykorzystaniem Cr(VI), wzrastają krajowe i międzynarodowe ograniczenia i kontrole. Ograniczenia te będą nadal zwiększać obciążenia regulacyjne i koszty cyklu życia dla DoD oraz zmniejszać dostępność materiałów.” Dalej stwierdził: „Jest to sytuacja wyjątkowa, która wymaga od DoD wyjścia poza ustalone procesy zarządzania materiałami niebezpiecznymi.” Polecił departamentom wojskowym, aby:
- Zainwestować w odpowiednie badania i rozwój nad substytutami
- Zapewnić finansowanie badań w celu zakwalifikowania alternatywnych materiałów i procesów
- Zatwierdzić użycie alternatyw, jeśli mogą one działać odpowiednio
- Zaktualizować wszystkie odpowiednie dokumenty techniczne i specyfikacje, aby upoważnić do użycia zakwalifikowanych alternatyw
- Dokumentować specyficzne dla systemu zagrożenia związane z Cr(VI) i wysiłki w celu zakwalifikowania alternatyw w Środowisku Programowym, Bezpieczeństwa i Higieny Pracy dla systemu
- Podziel się wiedzą uzyskaną z badań, rozwoju, testów i oceny rozwiązań alternatywnych
- Wymagaj od Biura Wykonawczego Programu (PEO) lub równoważnego poziomu zaświadczenia, że nie ma akceptowalnego rozwiązania alternatywnego, gdy Cr(VI) ma być stosowany w nowym systemie
Ta notatka dotycząca polityki zostanie sformalizowana w nowym dodatku do Defense Federal Acquisition Regulation Supplement (DFARS), który ma zostać wydany w 2011 roku. Memorandum określa również rolę SERDP jako źródła informacji o alternatywach.
SERDP i ESTCP poczyniły w ciągu ostatnich 15 lat znaczne inwestycje w dziedzinie Cr(VI). Biorąc pod uwagę szeroki zakres zastosowań i długotrwałe wykorzystanie Cr(VI), konieczne były inwestycje obejmujące badania podstawowe, zaawansowane prace rozwojowe, testy i ocenę w celu akceptacji rozwiązań alternatywnych. Badania podstawowe koncentrowały się na zrozumieniu mechanizmów inhibicji korozji związków zawierających Cr(VI) i alternatywnych inhibitorów. Zaawansowane prace rozwojowe opierały się na badaniach podstawowych w celu opracowania nowych materiałów, nowych procedur badawczych i nowych technologii powlekania. W ramach demonstracji zebrano dane walidacyjne dla alternatywnych powłok na licznych komponentach systemów uzbrojenia. Inwestycje te były kierowane przez liczne warsztaty sponsorowane przez SERDP i ESTCP i doprowadziły do szerokiego wdrożenia alternatyw Cr(VI) w magazynach DoD i u producentów oryginalnego sprzętu.
Jako przykład, pod koniec lat 90-tych ESTCP sponsorował Hard Chrome Alternatives Team (HCAT), który zgromadził ekspertów DoD ds. materiałów oraz użytkowników końcowych, producentów systemów uzbrojenia, i sprzedawców powłok w celu zademonstrowania i walidacji wysokoprędkościowych powłok ceramicznych/metalicznych natryskiwanych termicznie tlenem (HVOF) jako alternatywy dla chromowania twardego, głównie na częściach samolotów takich jak podwozia, siłowniki hydrauliczne i części silników turbin gazowych. Doprowadziło to do zastosowania powłok HVOF na elementach wielu typów samolotów wojskowych. Prace HCAT, wraz z dodatkowymi badaniami kwalifikacyjnymi przeprowadzonymi przez przemysł, doprowadziły do wdrożenia powłok HVOF na podwoziach wszystkich nowych samolotów komercyjnych.
Ostatnio SERDP i ESTCP ustanowiły Zaawansowane Technologie Inżynierii Powierzchni dla Zrównoważonej Obrony (ASETSDefense), inicjatywę promującą alternatywy dla Cr(VI) i innych materiałów niebezpiecznych dla środowiska w inżynierii powierzchni poprzez okresowe warsztaty i stronę internetową. Strona internetowa ASETSDefense ( www.asetsdefense.org) zawiera bazę danych inżynierii powierzchni, która pozwala naukowcom i użytkownikom końcowym na dostęp do danych z badań laboratoryjnych i terenowych, autoryzacji i wdrożeń alternatyw dla niebezpiecznych materiałów i procesów, w tym Cr(VI).