Hvorfor nikkel sjældent ruster?

1. Indledning

Nikkel "ruster sjældent", fordi det har tendens til at danne en tynd, tilhænger, og langsomt voksende oxid/hydroxid-overfladelag, der er beskyttende under mange driftsforhold.

Den passive film - typisk en NiO i nanometerskala / I(Åh)₂-type lag — reducerer dramatisk yderligere metalopløsning ved at blokere direkte metal-vand-kontakt og ved at bremse iontransport.

Legering, meget stabil termodynamik til nikkeloxiddannelse, og relativt langsom oxidationskinetik tilsammen gør nikkel og mange nikkelrige legeringer meget korrosionsbestandige i en lang række atmosfærer og vandige miljøer.

Når det er sagt, nikkel er ikke immun: i nogle aggressive medier og ved høje temperaturer kan det korrodere, og specielle legeringer eller belægninger vælges, hvor exceptionelle miljøer forekommer.

2. Hvad betyder "rust".

"Rust" er et almindeligt ord, der normalt er forbeholdt det flaky, porøse jernoxider (jernoxyhydroxider) der dannes, når jern eller kulstofstål korroderer i nærværelse af vand og ilt.

Rust betegner typisk ikke-beskyttende, voluminøse korrosionsprodukter, der tillader fortsat hurtigt angreb af det underliggende metal.

Når ingeniører spørger "ruster nikkel?” mener de typisk: gennemgår nikkel den samme form for progressiv, selvaccelererende korrosion, som jern gør?

Det korte tekniske svar: nej — nikkel danner ikke den samme flager, ikke-beskyttende rust, som jern gør, fordi nikkel danner en kompakt passiv oxid, der begrænser yderligere angreb. Men nikkel kan korrodere under forhold, der ødelægger eller opløser det beskyttende lag.

3. Atomiske og elektroniske årsager til, at nikkel modstår korrosion

På atomniveau, korrosionsbestandighed afhænger af hvor stærkt atomer binder til oxygen, og hvor stabile disse oxider er termodynamisk og strukturelt.

• Elektronisk struktur og binding. Nikkel er et overgangsmetal med delvist fyldte 3d orbitaler. Disse 3d-elektroner deltager i bindingen til oxygen for at danne nikkeloxider og -hydroxider.
  Termodynamikken af ​​Ni→NiO (og beslægtede oxider/hydroxider) giver et oxid, der er relativt stabilt og ikke meget opløseligt i neutralt vand.
• Oxidsammenhæng og kompakthed. Krystalstrukturen af ​​NiO og de typiske oxid/hydroxidlag er kompakte og klæbende, med relativt lav porøsitet.
  Dette står i kontrast til mange jernkorrosionsprodukter (F.eks., FeO·OH) der er porøse og tillader elektrolytgennemtrængning.
• Lav ionisk mobilitet. For at et beskyttende oxid skal være effektivt, transport af ioner (enten metalkationer udad eller oxygen/vand indad) gennem filmen skal være langsom.
  Nikkeloxider har tilstrækkelig lav ionisk ledningsevne ved omgivelsestemperaturer til at væksten er selvbegrænsende og beskyttende.

Kort sagt: nikkels kemi favoriserer dannelsen af ​​en tynd, tilhænger, lavopløseligt oxid snarere end omfangsrig, porøse korrosionsprodukter.

4. Passivering: kemi og struktur af den beskyttende film

Den dominerende årsag til, at nikkel "sjældent ruster" i almindelige miljøer er passivering - den spontane dannelse af en meget tynd (nanometer-mikrometer), tæt, og vedhæftende oxid/hydroxidlag på metaloverfladen, der dramatisk reducerer yderligere reaktion.

Nøglepunkter om nikkelpassivering:

• Sammensætning. Den passive film er typisk sammensat af nikkel(Ii) oxid/hydroxidarter (Nio og N.(Åh)₂) og kan omfatte blandede valensoxider eller hydroxider afhængigt af pH og redoxpotentiale.
• Selvhelbredelse. Hvis filmen er mekanisk beskadiget eller lokalt fjernet, hurtig reformation sker i nærvær af oxygen eller oxiderende stoffer, genetablere beskyttelse.
• Vedhæftning og tæthed. I modsætning til den flaky, ikke-beskyttende jernoxider (Fe203/FeOOH) der vokser og sprætter på stål, nikkels oxidlag er kompakt og tæt bundet til underlaget, hvilket gør den til en effektiv diffusionsbarriere mod yderligere ilt- og ionindtrængning.
• Termodynamisk stabilitet. De termodynamiske stabilitetsdomæner (som repræsenteret i Pourbaix-diagrammer) vise, at nikkel over et bredt område af pH og potentiale understøtter et passivt oxid i stedet for at opløses som Ni²⁺.
  Det vindue forklarer, hvorfor nikkel modstår korrosion i mange vandige miljøer.

5. Kinetik og fysiske egenskaber, der bremser oxidation

Ud over termodynamisk favorisering, kinetiske faktorer begrænser korrosion:

• Hurtig dannelse af en tynd, beskyttende film. Det oprindelige oxid dannes hurtigt, så bliver væksten selvbegrænsende, fordi diffusionen af ​​ioniske arter gennem oxidet er langsom.
• Lav defekttæthed. En tæt oxidfilm præsenterer færre diffusionsveje for oxygen og metalioner; langsommere iontransport reducerer korrosionsstrømmen.
• Overfladefinish og metallurgi. Glat, arbejdshærdede eller belagte nikkeloverflader har færre initieringssteder for lokaliseret angreb sammenlignet med ru, porøse overflader.
  Mekanisk polering, strømløs eller elektrolytisk plettering kan forbedre korrosionsbestandigheden ved at reducere overfladefejl.

6. Rolle af legering, belægninger og mikrostruktur

Rent nikkel passiveres allerede, men i ingeniørpraksis anvendes nikkel almindeligvis som et legeringselement eller som overfladebelægning; disse anvendelser øger korrosionsbestandigheden yderligere.

• Nikkellegeringer. Materialer som Monel, Inconel og Hastelloy (Nikkelbaserede legeringer) kombinere nikkel med krom, Molybdæn, kobber og andre grundstoffer.
  Krom og molybdæn øger stabiliteten og reparationsevnen af ​​den passive film og giver forbedret modstand mod pitting, spaltekorrosion og reducerende syrer.
• Elektroløs og galvaniseret nikkel. Disse belægninger giver en kontinuerlig, tæt barriere, der isolerer underlaget fra omgivelserne og ofte har god vedhæftning og ensartet tykkelse.
• Mikrostruktur. Kornstørrelse, bundfald og andenfasepartikler påvirker lokal elektrokemi.
  Homogene faste opløsninger uden skadelige anden faser reducerer mikro-galvaniske celler, der ellers ville fremme lokal korrosion.

7. Miljømæssige grænser - hvor nikkel korroderer

Nikkels passivitet har grænser. At forstå forhold, der kompromitterer den passive film, forklarer, hvornår nikkel vil korrodere:

• Kloridangreb og pitting. Høje kloridkoncentrationer (F.eks., havvand eller saltlage) kan destabilisere passive film og forårsage lokaliseret grubetæring eller sprækkekorrosion - især ved høje temperaturer.
  Nogle nikkellegeringer modstår pitting meget bedre end rent nikkel på grund af krom og molybdæn.
• Stærkt reducerende syrer. Visse reducerende sure miljøer (F.eks., Hydrochlorsyre, svovlsyre ved særlige koncentrationer og temperaturer) kan fremme aktiv opløsning af nikkel.
• Høj temperatur og oxiderende forhold. Forhøjede temperaturer ændrer oxidegenskaber og kan accelerere diffusion gennem film, muliggør højere korrosionshastigheder i nogle oxiderende atmosfærer eller smeltede salte.
• Alkaliske kloridmiljøer og mikrobiologisk påvirket korrosion. Kombinerede kemiske og biologiske faktorer kan skabe mikromiljøer, der angriber den passive film.
• Galvanisk kobling til meget ædle materialer eller særlige designgeometrier kan skabe lokale anodiske/katodiske steder under begrænsede forhold.

8. Fejltilstande og afhjælpningsstrategier

Almindelige fejltilstande for nikkel og nikkellegeringer omfatter pitting, spredningskorrosion, intergranulært angreb og spændingsassisteret korrosion. Afhjælpningsstrategier er praktiske og bruges i design og vedligeholdelse:

• Materialevalg. Vælg en passende nikkellegering (F.eks., nikkel-chrom til oxiderende miljøer, nikkel-molybdæn for kloridtolerance) matchet med servicebetingelserne.
• Overfladebehandlinger. Elektrofri nikkel, Nikkelbelægning, passiveringsbehandlinger og polering reducerer initieringssteder og forbedrer filmens ensartethed.
• Design detaljer. Undgå sprækker, tætte led, og stagnationszoner; sørge for afløb og adgang til eftersyn.
• Katodisk beskyttelse og offeranoder. I nogle systemer, hvor nikkel er en del af en multi-metal samling, imponerede strøm- eller offeranoder beskytter mere aktive metaller.
  Note: når nikkel er mere ædel, vil det ikke have gavn af selve offeranoder.
• Miljøkontrol og inhibitorer. Kontrol af kloridniveauer, iltindhold, og brug af korrosionsinhibitorer kan bevare passiviteten.
• Regelmæssig inspektion. Overvåg for tidlige tegn på lokaliseret angreb og afhjælp før formering.

9. Industrielle anvendelser, der udnytter nikkels korrosionsadfærd

Fordi nikkel danner beskyttende film og giver robuste legeringer, det bruges meget:

• Fornikling og galvanisering: nikkelaflejringer dannes attraktive, korrosionsbestandige overflader på stål og andre underlag (bruges på dekorative og funktionelle finish).
• Nikkel-baserede legeringer (Inkonel, Hastelloy, Monel): bruges i kemiske anlæg, gasturbiner, varmevekslere og marine miljøer, hvor korrosionsbestandighed og ydeevne ved høje temperaturer er påkrævet.
• Mønt, rustfri fastgørelsesanordninger og elektronik: nikkel og nikkellegeringer bruges til holdbarhed og korrosionsbestandighed.
• Batterier og elektrokemi: nikkelhydroxid og nikkeloxider er aktive batterielektrodematerialer (Ni-MH, Ni-Cd, ni-baserede katoder).
• Katalyse og specialkemisk behandling: nikkeloverflader og -legeringer er almindelige katalysatorer og katalysatorbærere.

Designere vælger nikkel eller nikkelrige legeringer til applikationer, hvor passiv adfærd, stabilitet, og forudsigelige korrosionshastigheder er prioriteter.

10. Sammenligning med lignende materialer

11. Konklusion

Nikkel "ruster sjældent", fordi det kombinerer iboende elektrokemisk adel med evnen til at danne en tæt, vedhæftende passiv oxid/hydroxidfilm, der er selvbegrænsende og selvhelbredende.

Legeringer og overfladebehandlinger udvider det sikre servicevindue yderligere. Imidlertid, Nikkels passivitet har definerede grænser - chlorider, visse syrer, høje temperaturer og dårligt design kan overvinde korrosionsbestandighed.

Forståelse af termodynamikken (stabilitetsdomæner), kinetik (filmdannelse og transport), metallurgi (mikrostruktur og legering) og miljø (kemi, temperatur, mekanik) er afgørende for at forudsige ydeevne og for at designe robust, komponenter med lang levetid.

 

FAQS

Er nikkel fuldstændig immun over for korrosion?

Ingen. Nikkel er modstandsdygtig over for mange miljøer på grund af passivering, men aggressiv kemi (stærke kompleksdannende syrer, varme klorider, visse sulfid atmosfærer) kan korrodere nikkel eller dets legeringer. Korrekt legeringsvalg er afgørende.

Hvordan beskytter nikkelbelægning stål?

Fornikling fungerer primært som en barriere mod ætsende midler og, afhængig af systemet, som adelig (katodisk) overflade.

Nikkel er mere ædel end jern; det vil ikke ofre stål - hvis belægningen er brudt, stål kan fortrinsvis korrodere på det udsatte sted.

Hvad er forskellen mellem nikkel og rustfrit stål korrosionsbestandighed?

Rustfrit stål er stærkt afhængigt af chromindhold for at danne Cr₂O₃ passive film; nikkel og nikkellegeringer er afhængige af NiO/Ni(Åh)₂ film og inkluderer ofte Cr, Mo eller Cu for at forbedre beskyttelsen.

Legeringsdesign afgør, hvilket materiale der fungerer bedst i et givet miljø.

Kan jeg bruge nikkel i havvand?

Nogle nikkellegeringer (F.eks., Monel, visse Ni-Cu-legeringer) fungerer godt i havvand. Andre er mindre egnede.

Havvandsmiljøer er komplekse (chlorider, ilt, biologi); udvalgte legeringer med demonstreret havvandsydelse.

Påvirker temperaturen nikkelpassivering?

Ja. Forhøjet temperatur kan fremskynde korrosionsprocesser, ændre oxidopløseligheder, og i nogle tilfælde destabilisere passive film. Se legeringsdata for servicegrænser for høje temperaturer.

Ruster nikkel?

Nej - ikke på den måde jern gør. Nikkel danner ikke "rust" (den flagende jernoxid typisk for stål). I stedet, nikkel udvikler hurtigt en tynd, tæt, vedhæftende oxid/hydroxidfilm (almindeligvis NiO / I(Åh)₂ og blandede oxider) der passiverer overfladen og i høj grad bremser yderligere korrosion.

Når det er sagt, nikkel kan korroderer under visse aggressive forhold (kloridrige medier, stærkt reducerende syrer, høje temperaturer, osv.).