Чаму нікель рэдка іржавее?

1. Уводзіны

Нік «рэдка іржавее», таму што мае тэндэнцыю ўтвараць тонкі пласт, адэпт, і павярхоўны пласт аксіду/гідраксіду, які павольна расце, які з'яўляецца ахоўным у многіх умовах эксплуатацыі.

Гэта пасіўная плёнка - звычайна нанаметровы NiO / У(ой)Пласт тыпу ₂ — рэзка памяншае далейшае растварэнне металу, блакуючы прамы кантакт металу і вады і запавольваючы іённы транспарт.

Легіраванне, вельмі стабільная тэрмадынаміка для адукацыі аксіду нікеля, і адносна павольная кінетыка акіслення ў спалучэнні робяць нікель і многія багатыя нікелем сплавы высокай устойлівасцю да карозіі ў шырокім дыяпазоне атмасфер і водных асяроддзяў.

Гэта сказаў, нікель не застрахаваны: у некаторых агрэсіўных асяроддзях і пры падвышаных тэмпературах можа падвяргацца карозіі, і спецыяльныя сплавы або пакрыцця выбіраюцца ў выключных умовах.

2. Што азначае «іржа».

«Іржа» - звычайнае слова, якое звычайна зарэзервавана для абазначэння лускаватага, порыстых аксідаў жалеза (оксигидроксиды жалеза) якія ўтвараюцца пры карозіі жалеза або вугляродзістай сталі ў прысутнасці вады і кіслароду.

Іржа звычайна абазначае неахоўныя, аб'ёмныя прадукты карозіі, якія дазваляюць працягваць хуткую атаку асноўнага металу.

Калі інжынеры пытаюцца: «Ці іржавее нікель?яны звычайна маюць на ўвазе: нікель падвяргаецца той жа форме прагрэсіўнага, самапаскараючая карозія, якую робіць жалеза?

Кароткі тэхнічны адказ: не — нікель не ўтварае такіх жа шматкоў, неахоўная іржа, якую робіць жалеза, таму што нікель утварае кампактны пасіўны аксід, які абмяжоўвае далейшую атаку. Але нікель можа падвяргацца карозіі ва ўмовах, якія разбураюць або раствараюць гэты ахоўны пласт.

3. Атамныя і электронныя прычыны, нікель супрацьстаіць карозіі

На атамным узроўні, каразійная стойкасць залежыць ад наколькі моцна атамы злучаюцца з кіслародам і наколькі ўстойлівыя гэтыя аксіды тэрмадынамічна і структурна.

• Электронная структура і сувязь. Нікель - гэта пераходны метал з часткова запоўненымі трохмернымі арбіталямі. Гэтыя 3d-электроны ўдзельнічаюць у сувязі з кіслародам з адукацыяй аксідаў і гідраксідаў нікеля.
  Тэрмадынаміка Ni→NiO (і звязаныя з імі аксіды/гідраксіды) утвараюць аксід, які з'яўляецца адносна стабільным і дрэнна раствараецца ў нейтральнай вадзе.
• Згуртаванасць аксіду і кампактнасць. Крышталічная структура NiO і тыповыя аксідныя/гідраксідныя слаі кампактныя і злепленыя, з адносна нізкай сітаватасцю.
  Гэта кантрастуе з многімі прадуктамі карозіі жалеза (e.g., FeO·OH) якія з'яўляюцца кіпрымі і дазваляюць пранікаць электраліт.
• Нізкая іённая рухомасць. Каб ахоўны аксід быў эфектыўным, транспарт іёнаў (альбо катыёны металу вонкі, альбо кісларод/вада ўнутр) праз фільм павінен быць павольным.
  Аксіды нікеля маюць дастаткова нізкую іённую праводнасць пры тэмпературы навакольнага асяроддзя, таму рост з'яўляецца самаабмежавальным і ахоўным.

Сфармулявана коратка: хімія нікеля спрыяе адукацыі a тонкі, адэпт, малорастворимый аксід а не аб'ёмныя, кіпрыя прадукты карозіі.

4. Пасіўнасць: хімічны склад і структура ахоўнай плёнкі

Асноўнай прычынай таго, што нікель «рэдка іржавее» ў звычайных умовах, з'яўляецца пасівацыя - самаадвольнае ўтварэнне вельмі тонкага (нанаметр–мікраметр), густы, і адгезійны пласт аксіду/гідраксіду на металічнай паверхні, які рэзка памяншае далейшую рэакцыю.

Ключавыя моманты пасівацыі нікелем:

• Склад. Пасіўная плёнка звычайна складаецца з нікеля(Ii) віды аксіду/гідраксіду (Ніо і Н.(ой)₂) і можа ўключаць аксіды або гідраксіды змешанай валентнасці ў залежнасці ад pH і акісляльна-аднаўленчага патэнцыялу.
• Самавыгаенне. Калі плёнка механічна пашкоджана або лакальна выдаленая, хуткае ператварэнне адбываецца ў прысутнасці кіслароду або акісляльных формаў, аднаўленне абароны.
• Адгезія і шчыльнасць. У адрозненне ад лускаватага, неахоўныя аксіды жалеза (Fe₂O₃/FeOOH) што растуць і рассыпаюцца па сталі, аксідны пласт нікеля кампактны і моцна звязаны з падкладкай, што робіць яго эфектыўным дыфузійным бар'ерам ад далейшага пранікнення кіслароду і іёнаў.
• Тэрмадынамічная стабільнасць. Дамены тэрмадынамічнай устойлівасці (як паказана на дыяграмах Пурбэ) паказваюць, што ў шырокім дыяпазоне pH і патэнцыялу нікель падтрымлівае пасіўны аксід, а не раствараецца ў выглядзе Ni²⁺.
  Гэта акно тлумачыць, чаму нікель супрацьстаіць карозіі ў многіх водных асяроддзях.

5. Кінетыка і фізічныя ўласцівасці, якія запавольваюць акісленне

Акрамя тэрмадынамічнай спрыяльнасці, кінэтычныя фактары абмяжоўваюць карозію:

• Хуткае адукацыю худых, ахоўная плёнка. Першапачатковы аксід утвараецца хутка, затым рост становіцца самаабмежаваным, таму што дыфузія іённых разнавіднасцяў праз аксід павольная.
• Нізкая шчыльнасць дэфектаў. Шчыльная аксідная плёнка прадстаўляе менш шляхоў дыфузіі для кіслароду і іёнаў металу; больш павольны транспарт іёнаў памяншае ток карозіі.
• Аздабленне паверхні і металургія. Гладкі, загартаваныя або пакрытыя нікелем паверхні маюць менш месцаў пачатку лакалізаванай атакі ў параўнанні з грубымі, кіпрыя паверхні.
  Механічная паліроўка, электралітычнае або электралітычнае пакрыццё можа палепшыць каразійную ўстойлівасць за кошт памяншэння дэфектаў паверхні.

6. Роля легіравання, пакрыццяў і мікраструктуры

Чысты нікель ужо пасівіруе, але ў інжынернай практыцы нікель звычайна выкарыстоўваецца ў якасці легіруючага элемента або ў якасці пакрыцця паверхні; гэта выкарыстанне яшчэ больш павышае ўстойлівасць да карозіі.

• Нікелевыя сплавы. Такія матэрыялы, як Монель, Инконель і хастеллой (сплавы на аснове нікеля) злучыць нікель з хромам, molybdenum, медзь і іншыя элементы.
  Хром і малібдэн павышаюць стабільнасць і рамонтапрыдатнасць пасіўнай плёнкі і забяспечваюць палепшаную ўстойлівасць да пітынгу, шчыліннай карозіі і аднаўленчых кіслот.
• Нікель без электрычнага і гальванічнага пакрыцця. Гэтыя пакрыцця забяспечваюць бесперапыннасць, шчыльны бар'ер, які ізалюе падкладку ад навакольнага асяроддзя і часта мае добрую адгезію і аднастайную таўшчыню.
• Мікраструктура. Зярністасць, ападкі і часціцы другой фазы ўплываюць на мясцовую электрахім.
  Гамагенныя цвёрдыя растворы без шкодных другіх фаз зніжаюць мікрагальванічныя элементы, якія ў адваротным выпадку спрыялі б лакалізаванай карозіі.

7. Межы навакольнага асяроддзя — дзе нікель падвяргаецца карозіі

Пасіўнасць Нікеля мае межы. Разуменне ўмоў, якія шкодзяць пасіўнай плёнцы, тлумачыць, калі нікель падвяргаецца карозіі:

• Атака хларыдаў і пітынг. Высокія канцэнтрацыі хларыдаў (e.g., марская вада або расолы з высокім утрыманнем солі) можа дэстабілізаваць пасіўныя плёнкі і выклікаць лакалізаваную кропкавую або шчылінную карозію, асабліва пры падвышаных тэмпературах.
  Некаторыя нікелевыя сплавы супрацьстаяць кропкавай адукацыі значна лепш, чым чысты нікель, з-за хрому і малібдэна.
• Моцныя аднаўляюць кіслоты. Пэўныя аднаўленчыя кіслотныя асяроддзя (e.g., саляная кіслата, серная кіслата пры пэўных канцэнтрацыях і тэмпературах) можа спрыяць актыўнаму растварэнню нікеля.
• Высокая тэмпература і акісляльныя ўмовы. Падвышаная тэмпература змяняе ўласцівасці аксіду і можа паскорыць дыфузію праз плёнкі, забяспечваючы больш высокую хуткасць карозіі ў некаторых акісляльных атмасферах або расплаўленых солях.
• Шчолачныя хларыдныя асяроддзя і карозія пад мікрабіялагічным уплывам. Камбінаваныя хімічныя і біялагічныя фактары могуць стварыць мікраасяроддзе, якое атакуе пасіўную плёнку.
• Гальванічная сувязь з вельмі высакароднымі матэрыяламі або асаблівай канструктыўнай геаметрыяй можа ствараць лакальныя анодныя/катодныя ўчасткі ў абмежаваных умовах.

8. Рэжымы адмоваў і стратэгіі змякчэння наступстваў

Агульныя рэжымы адмовы для нікеля і нікелевых сплаваў ўключаюць кропкавую апрацоўку, карозія шчыліны, межкристаллитная атака і карозія пад дзеяннем напружання. Стратэгіі змякчэння наступстваў практычныя і выкарыстоўваюцца пры праектаванні і абслугоўванні:

• Выбар матэрыялу. Выберыце прыдатны нікелевы сплаў (e.g., нікель-хром для акісляльных асяроддзяў, нікель-малібдэнавы для хларыднай талерантнасці) адпавядаюць умовам службы.
• Паверхневыя працэдуры. Электрычны нікель, нікеліраванне, апрацоўка пасіўацыі і паліроўка памяншаюць месцы ініцыявання і паляпшаюць аднастайнасць плёнкі.
• Дэталі дызайну. Пазбягайце шчылін, шчыльныя стыкі, і зоны застою; забяспечыць дрэнаж і доступ для агляду.
• Катодная абарона і ахвярныя аноды. У некаторых сістэмах, дзе нікель з'яўляецца часткай зборкі з некалькіх металаў, уражаны ток або ахвярныя аноды абараняюць больш актыўныя металы.
  Запіска: калі нікель больш высакародны, ён не прынясе карысці ад саміх ахвярных анодаў.
• Кантроль навакольнага асяроддзя і інгібітары. Кантроль ўзроўню хларыдаў, ўтрыманне кіслароду, і выкарыстанне інгібітараў карозіі можа захаваць пасіўнасць.
• Рэгулярны агляд. Сачыце за раннімі прыкметамі лакалізаванай атакі і ліквідуйце перад распаўсюджваннем.

9. Прамысловае выкарыстанне, якое выкарыстоўвае каразійныя паводзіны нікеля

Таму што нікель утварае ахоўныя плёнкі і дае трывалыя сплавы, ён выкарыстоўваецца шырока:

• Нікеляванне і гальванічнае пакрыццё: радовішчы нікеля ўтвараюць прывабныя, устойлівыя да карозіі паверхні на сталёвых і іншых падкладках (выкарыстоўваецца для дэкаратыўнай і функцыянальнай аздаблення).
• Сплавы на аснове нікелю (Умова, Hastelloy, Манель): выкарыстоўваецца на хімічных прадпрыемствах, газавыя турбіны, цеплаабменнікі і марскія асяроддзя, дзе патрабуецца ўстойлівасць да карозіі і высокая тэмпература.
• Чаканка манет, нержавеючы крапеж і электроніка: нікель і нікелевыя сплавы выкарыстоўваюцца для трываласці і ўстойлівасці да карозіі.
• Батарэі і электрахімія: гідраксід нікеля і аксід нікеля з'яўляюцца актыўнымі матэрыяламі электродаў батарэі (Ni–MH, Ni–Cd, катоды на аснове ні).
• Каталіз і спецыяльная хімічная апрацоўка: нікелевыя паверхні і сплавы з'яўляюцца агульнымі каталізатарамі і носьбітамі каталізатараў.

Дызайнеры выбіраюць нікель або багатыя нікелем сплавы для прымянення, дзе пасіўныя паводзіны, стабільнасць, і прадказальныя хуткасці карозіі з'яўляюцца прыярытэтамі.

10. Параўнанне з аналагічнымі матэрыяламі

11. Conclusion

Нікель «рэдка іржавее», таму што ён спалучае ў сабе электрахімічную высакароднасць са здольнасцю ўтвараць шчыльны, адгезійная пасіўная аксідна/гідраксідная плёнка, якая самаабмежаваная і самааднаўляецца.

Легіраванне і апрацоўка паверхні дадаткова пашыраюць бяспечнае акно абслугоўвання. Аднак, пасіўнасць нікеля мае пэўныя межы — хларыды, пэўныя кіслоты, высокія тэмпературы і дрэнная канструкцыя могуць перамагчы ўстойлівасць да карозіі.

Разуменне тэрмадынамікі (вобласці стабільнасці), кінетыка (фарміраванне плёнкі і транспарціроўка), металургія (мікраструктуры і легіравання) і навакольнага асяроддзя (хіміі, тэмпература, механіка) важна для прагназавання прадукцыйнасці і распрацоўкі надзейнага, даўгавечныя кампаненты.

 

FAQ

Нікель цалкам устойлівы да карозіі?

Ніякі. Нікель устойлівы да ўздзеяння многіх асяроддзяў дзякуючы пасівацыі, але агрэсіўныя хімікаты (моцныя комплексообразующие кіслоты, гарачыя хларыды, пэўныя сульфідныя атмасферы) можа выклікаць карозію нікеля або яго сплаваў. Важны правільны выбар сплаву.

Як нікеляванае пакрыццё абараняе сталь?

Нікеляванае пакрыццё дзейнічае ў першую чаргу як а бар'ер супраць каразійных рэчываў і, у залежнасці ад сістэмы, як высакародны (катодны) паверхні.

Нікель больш высакародны, чым жалеза; гэта не будзе ахвярна абараняць сталь - калі пакрыццё парушана, сталь можа падвяргацца карозіі пераважна на адкрытым месцы.

У чым розніца паміж устойлівасцю да карозіі нікеля і нержавеючай сталі?

Нержавеючая сталь у значнай ступені залежыць ад утрымання хрому для фарміравання пасіўных плёнак Cr₂O₃; нікель і нікелевыя сплавы абапіраюцца на NiO/Ni(ой)₂ і часта ўключаюць Cr, Mo або Cu для павышэння абароны.

Канструкцыя сплаву вызначае, які матэрыял лепш за ўсё працуе ў дадзеным асяроддзі.

Ці магу я выкарыстоўваць нікель у марской вадзе?

Некаторыя нікелевыя сплавы (e.g., Манель, некаторыя сплавы Ni–Cu) добра працуюць у марской вадзе. Іншыя падыходзяць менш.

Асяроддзе марской вады складанае (хларыды, кісларод, біялогіі); выбірайце сплавы з прадэманстраванымі характарыстыкамі ў марской вадзе.

Ці ўплывае тэмпература на пасівацыю нікеля?

Так. Падвышаная тэмпература можа паскорыць працэсы карозіі, змяніць растваральнасць аксідаў, а ў некаторых выпадках дэстабілізуюць пасіўныя плёнкі. Пракансультуйцеся з дадзенымі аб сплавах для абмежаванняў эксплуатацыі пры высокіх тэмпературах.

Нікель іржавее?

Не — не так, як жалеза. Нікель не ўтварае «іржы» (лускаваты аксід жалеза, тыповы для сталі). Замест, нікель хутка становіцца тонкім, густы, прыліплая аксідная/гідраксідная плёнка (звычайна NiO / У(ой)₂ і змешаныя аксіды) які пасівіруе паверхню і значна запавольвае далейшую карозію.

Гэта сказаў, нік можна падвяргацца карозіі пры пэўных агрэсіўных умовах (асяроддзя, багатыя хларыдамі, моцныя аднаўляюць кіслоты, Высокая тэмпература, і г.д.).