چرا نیکل به ندرت زنگ می زند؟?

1. مقدمه

نیکل "به ندرت زنگ می زند" زیرا تمایل به تشکیل یک نازک دارد, وابسته, و لایه سطحی اکسید/هیدروکسید با رشد آهسته که تحت بسیاری از شرایط خدمات محافظت می کند.

آن فیلم غیرفعال - معمولاً یک NiO در مقیاس نانومتری / در(اوه)لایه نوع 2 - با مسدود کردن تماس مستقیم فلز-آب و با کند کردن انتقال یونی به طور چشمگیری انحلال بیشتر فلز را کاهش می دهد..

آلیاژی, ترمودینامیک بسیار پایدار برای تشکیل اکسید نیکل, و سینتیک اکسیداسیون نسبتاً آهسته ترکیب شده و نیکل و بسیاری از آلیاژهای غنی از نیکل را در طیف وسیعی از اتمسفرها و محیط های آبی بسیار مقاوم در برابر خوردگی می کند..

که گفت, نیکل مصون نیست: در برخی از محیط های تهاجمی و در دماهای بالا می تواند خورده شود, و آلیاژها یا پوشش های ویژه در جایی که محیط های استثنایی رخ می دهد انتخاب می شوند.

2. "زنگ" به چه معناست

"زنگ" یک کلمه رایج است که معمولاً برای پوسته پوسته ها استفاده می شود, اکسیدهای آهن متخلخل (اکسی هیدروکسید آهن) زمانی که آهن یا فولاد کربنی در مجاورت آب و اکسیژن خورده می شود، تشکیل می شود.

زنگ به طور معمول نشان می دهد غیر محافظ, محصولات خوردگی حجیم که امکان حمله سریع مداوم فلز زیرین را فراهم می کند.

وقتی مهندسان می پرسند "آیا نیکل زنگ می زند؟?” معمولاً منظورشان است: آیا نیکل دچار همان شکل پیشرونده می شود؟, خوردگی خود شتاب دهنده ای که آهن انجام می دهد?

پاسخ فنی کوتاه: خیر - نیکل همان پوسته پوسته شدن را تشکیل نمی دهد, زنگ غیر محافظی که آهن ایجاد می کند, زیرا نیکل یک اکسید غیرفعال فشرده را تشکیل می دهد که حمله بیشتر را محدود می کند. اما نیکل می تواند تحت شرایطی که لایه محافظ را از بین می برد یا از بین می برد، خورده شود.

3. دلایل اتمی و الکترونیکی نیکل در برابر خوردگی مقاومت می کند

در سطح اتمی, مقاومت در برابر خوردگی بستگی دارد اتم ها چقدر به اکسیژن پیوند می خورند و این اکسیدها چقدر پایدار هستند از نظر ترمودینامیکی و ساختاری.

• ساختار و پیوند الکترونیکی. نیکل یک فلز انتقالی با اوربیتال های سه بعدی نیمه پر است. این الکترون های سه بعدی در پیوند با اکسیژن برای تشکیل اکسیدهای نیکل و هیدروکسیدها شرکت می کنند.
  ترمودینامیک Ni→NiO (و اکسید/هیدروکسیدهای مرتبط) اکسیدی تولید می کند که نسبتاً پایدار است و در آب خنثی چندان محلول نیست.
• انسجام و فشردگی اکسید. ساختار بلوری NiO و لایه های معمولی اکسید/هیدروکسید فشرده و چسبنده هستند, با تخلخل نسبتا کم.
  این با بسیاری از محصولات خوردگی آهن در تضاد است (به عنوان مثال, FeO·OH) که متخلخل هستند و اجازه نفوذ الکترولیت را می دهند.
• تحرک یونی کم. برای اینکه یک اکسید محافظ موثر باشد, انتقال یون ها (کاتیون های فلزی به سمت بیرون یا اکسیژن/آب به سمت داخل) از طریق فیلم باید کند باشد.
  اکسیدهای نیکل در دمای محیط دارای رسانایی یونی به اندازه کافی کم هستند که رشد خود محدود کننده و محافظ است..

به طور خلاصه: شیمی نیکل به شکل گیری الف کمک می کند نازک, وابسته, اکسید کم حلالیت به جای حجیم, محصولات خوردگی متخلخل.

4. منفعل شدن: شیمی و ساختار فیلم محافظ

دلیل غالب نیکل "به ندرت زنگ می‌زند" در محیط‌های معمولی غیرفعال شدن است - تشکیل خود به خود یک ماده بسیار نازک. (نانومتر – میکرومتر), متراکم, و لایه اکسید/هیدروکسید چسبنده روی سطح فلز که واکنش بیشتر را به طور چشمگیری کاهش می دهد.

نکات کلیدی در مورد غیرفعال سازی نیکل:

• ترکیب. فیلم غیرفعال معمولاً از نیکل تشکیل شده است(II) گونه های اکسید/هیدروکسید (نیو و ن.(اوه)₂) و بسته به pH و پتانسیل ردوکس ممکن است شامل اکسیدها یا هیدروکسیدهای ظرفیت مخلوط باشد.
• خود داری. اگر فیلم از نظر مکانیکی آسیب دیده باشد یا به صورت موضعی برداشته شود, اصلاح سریع در حضور اکسیژن یا گونه های اکسید کننده رخ می دهد, برقراری مجدد حفاظت.
• چسبندگی و چگالی. بر خلاف پوسته پوسته شدن, اکسیدهای آهن غیر محافظ (Fe2O3/FeOOH) که روی فولاد رشد می کنند و می ریزند, لایه اکسید نیکل فشرده و محکم به زیرلایه چسبیده است, که آن را به یک مانع انتشار موثر در برابر ورود بیشتر اکسیژن و یون تبدیل می کند.
• پایداری ترمودینامیکی. حوزه های پایداری ترمودینامیکی (همانطور که در نمودارهای پوربایکس نشان داده شده است) نشان می دهد که در محدوده وسیعی از pH و نیکل بالقوه، به جای حل شدن به صورت Ni2+ از یک اکسید غیرفعال پشتیبانی می کند..
  این پنجره توضیح می دهد که چرا نیکل در برابر خوردگی در بسیاری از محیط های آبی مقاومت می کند.

5. سینتیک و خواص فیزیکی که اکسیداسیون را کند می کند

فراتر از مطلوبیت ترمودینامیکی, عوامل جنبشی خوردگی را محدود می کند:

• تشکیل سریع یک نازک, فیلم محافظ. اکسید اولیه به سرعت تشکیل می شود, سپس رشد به خودی خود محدود می شود زیرا انتشار گونه های یونی از طریق اکسید کند است.
• تراکم نقص کم. یک فیلم اکسید متراکم مسیرهای انتشار کمتری را برای اکسیژن و یون‌های فلزی ارائه می‌کند.; انتقال یون کندتر جریان خوردگی را کاهش می دهد.
• پرداخت سطح و متالورژی. صاف, سطوح نیکل سخت کاری شده یا اندود شده در مقایسه با زبر، محل شروع کمتری برای حمله موضعی دارند., سطوح متخلخل.
  پولیش مکانیکی, آبکاری الکترولس یا الکترولیتی می تواند مقاومت در برابر خوردگی را با کاهش عیوب سطح بهبود بخشد.

6. نقش آلیاژسازی, پوشش ها و ریزساختار

نیکل خالص در حال حاضر غیرفعال می شود, اما در عمل مهندسی نیکل معمولاً به عنوان یک عنصر آلیاژی یا به عنوان پوشش سطح استفاده می شود; این کاربردها مقاومت در برابر خوردگی را بیشتر می کند.

• آلیاژهای نیکل. موادی مانند مونل, اینکونل و هاستلوی (آلیاژهای مبتنی بر نیکل) نیکل را با کروم ترکیب کنید, مولیبدن, مس و سایر عناصر.
  کروم و مولیبدن پایداری و ترمیم پذیری لایه غیرفعال را افزایش می دهند و مقاومت بهتری در برابر سوراخ شدن ایجاد می کنند., خوردگی شکاف و اسیدهای کاهنده.
• نیکل بدون برق و آبکاری شده. این پوشش ها یک پیوستگی را فراهم می کنند, سد متراکمی که بستر را از محیط جدا می کند و اغلب چسبندگی خوب و ضخامت یکنواخت دارد..
• ریزساختار. اندازه دانه, رسوبات و ذرات فاز دوم بر الکتروشیمی موضعی تأثیر می گذارند.
  محلول های جامد همگن بدون فاز دوم مضر سلول های میکروگالوانیکی را کاهش می دهند که در غیر این صورت باعث ایجاد خوردگی موضعی می شوند..

7. مرزهای محیطی - جایی که نیکل خورده می شود

انفعال نیکل محدودیت هایی دارد. درک شرایطی که فیلم غیرفعال را به خطر می اندازد توضیح می دهد که نیکل چه زمانی خورده می شود:

• حمله کلرید و ایجاد حفره. غلظت کلرید بالا (به عنوان مثال, آب دریا یا آب نمک زیاد) می‌تواند فیلم‌های غیرفعال را بی‌ثبات کند و باعث ایجاد حفره‌های موضعی یا خوردگی شکافی شود، به‌ویژه در دماهای بالا..
  برخی از آلیاژهای نیکل به دلیل وجود کروم و مولیبدن در برابر ایجاد حفره بسیار بهتر از نیکل خالص مقاومت می کنند..
• اسیدهای کاهنده قوی. محیط های اسیدی احیاء کننده خاص (به عنوان مثال, اسید هیدروکلریک, اسید سولفوریک در غلظت ها و دماهای خاص) می تواند باعث انحلال فعال نیکل شود.
• دمای بالا و شرایط اکسیداسیون. دماهای بالا خواص اکسید را تغییر می دهد و می تواند انتشار از طریق فیلم ها را تسریع کند, امکان نرخ خوردگی بالاتر در برخی از جوهای اکسید کننده یا نمک های مذاب.
• محیط های کلرید قلیایی و خوردگی تحت تاثیر میکروبیولوژیکی. ترکیبی از عوامل شیمیایی و بیولوژیکی می تواند ریزمحیط هایی ایجاد کند که به فیلم غیرفعال حمله می کند.
• اتصال گالوانیکی به مواد بسیار نجیب یا هندسه های طراحی خاص می تواند سایت های آندی/کاتدی محلی را تحت شرایط محدود ایجاد کند.

8. حالت های شکست و استراتژی های کاهش

حالت های شکست متداول برای نیکل و آلیاژهای نیکل شامل حفره می شود, خوردگی شکاف, حمله بین دانه ای و خوردگی به کمک تنش. استراتژی های کاهش عملی هستند و در طراحی و نگهداری استفاده می شوند:

• انتخاب مواد. آلیاژ نیکل مناسب را انتخاب کنید (به عنوان مثال, نیکل کروم برای محیط های اکسید کننده, نیکل-مولیبدن برای تحمل کلرید) مطابق با شرایط خدمات.
• درمان های سطحی. نیکل الکترول, آبکاری نیکل, درمان غیرفعال سازی و پرداخت محل شروع را کاهش می دهد و یکنواختی فیلم را بهبود می بخشد.
• جزئیات طراحی. از شکاف ها اجتناب کنید, مفاصل سفت, و مناطق رکود; زهکشی و دسترسی را برای بازرسی فراهم کنید.
• حفاظت کاتدی و آندهای قربانی. در برخی از سیستم ها که نیکل بخشی از مجموعه چند فلزی است, جریان تحت تاثیر یا آندهای قربانی از فلزات فعال بیشتری محافظت می کند.
  توجه داشته باشید: وقتی نیکل نجیب‌تر باشد، از آندهای قربانی سودی نمی‌برد.
• کنترل و بازدارنده های محیطی. کنترل سطح کلرید, محتوای اکسیژن, و استفاده از بازدارنده های خوردگی می تواند انفعال را حفظ کند.
• بازرسی منظم. علائم اولیه حمله موضعی را بررسی کنید و قبل از انتشار آن را اصلاح کنید.

9. مصارف صنعتی که از رفتار خوردگی نیکل سوء استفاده می کند

زیرا نیکل لایه های محافظ را تشکیل می دهد و آلیاژهای قوی تولید می کند, به طور گسترده استفاده می شود:

• آبکاری نیکل و آبکاری: رسوبات نیکل جذاب هستند, سطوح مقاوم در برابر خوردگی روی فولاد و سایر بسترها (برای پرداخت های تزئینی و کاربردی استفاده می شود).
• آلیاژهای پایه نیکل (اینکونل, هاستلوی, مونل): مورد استفاده در کارخانه های شیمیایی, توربین های گازی, مبدل های حرارتی و محیط های دریایی که مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد در دمای بالا مورد نیاز است.
• ضرب سکه, اتصال دهنده ها و لوازم الکترونیکی ضد زنگ: نیکل و آلیاژهای نیکل برای دوام و مقاومت در برابر خوردگی استفاده می شوند.
• باتری و الکتروشیمی: هیدروکسید نیکل و اکسیدهای نیکل مواد الکترود باتری فعال هستند (Ni–MH, Ni–Cd, کاتدهای مبتنی بر ni).
• کاتالیزور و پردازش شیمیایی تخصصی: سطوح و آلیاژهای نیکل کاتالیزورها و تکیه گاه های کاتالیست رایج هستند.

طراحان نیکل یا آلیاژهای غنی از نیکل را برای کاربردهایی انتخاب می کنند رفتار منفعلانه, ثبات, و نرخ خوردگی قابل پیش بینی اولویت ها هستند.

10. مقایسه با مواد مشابه

11. نتیجه گیری

نیکل "به ندرت زنگ می‌زند" زیرا اصالت الکتروشیمیایی ذاتی را با توانایی تشکیل یک ماده متراکم ترکیب می‌کند., فیلم اکسید/هیدروکسید غیرفعال چسبنده که خود محدود شونده و خود ترمیم شونده است.

آلیاژسازی و عملیات سطح پنجره سرویس ایمن را بیشتر گسترش می دهد. با این حال, انفعال نیکل دارای محدودیت های مشخصی است - کلریدها, اسیدهای خاص, دماهای بالا و طراحی ضعیف می تواند بر مقاومت در برابر خوردگی غلبه کند.

آشنایی با ترمودینامیک (حوزه های ثبات), سینتیک (تشکیل و انتقال فیلم), متالورژی (ریزساختار و آلیاژسازی) و محیط زیست (شیمی, دما, مکانیک) برای پیش بینی عملکرد و طراحی قوی ضروری است, اجزای با عمر طولانی.

 

سوالات متداول

نیکل کاملاً در برابر خوردگی مصون است?

خیر. نیکل به دلیل غیرفعال شدن در بسیاری از محیط ها مقاوم است, اما شیمی تهاجمی (اسیدهای کمپلکس قوی, کلریدهای داغ, اتمسفرهای سولفیدی خاص) می تواند نیکل یا آلیاژهای آن را خورده کند. انتخاب مناسب آلیاژ ضروری است.

چگونه آبکاری نیکل از فولاد محافظت می کند؟?

آبکاری نیکل در درجه اول به عنوان یک عمل می کند مانع در برابر عوامل خورنده و, بسته به سیستم, به عنوان یک نجیب (کاتدی) سطح.

نیکل نجیب تر از آهن است; در صورت شکسته شدن پوشش، از فولاد محافظت فداکارانه ای نخواهد کرد, فولاد می تواند ترجیحا در محل در معرض خوردگی باشد.

تفاوت بین مقاومت در برابر خوردگی نیکل و فولاد ضد زنگ چیست؟?

فولادهای ضد زنگ برای تشکیل لایه‌های غیرفعال Cr2O3 به شدت به محتوای کروم متکی هستند.; نیکل و آلیاژهای نیکل بر NiO/Ni تکیه دارند(اوه)2 فیلم و اغلب شامل Cr, Mo یا Cu برای افزایش حفاظت.

طراحی آلیاژ تعیین می کند که کدام ماده در یک محیط معین بهترین عملکرد را دارد.

آیا می توانم از نیکل در آب دریا استفاده کنم؟?

برخی از آلیاژهای نیکل (به عنوان مثال, مونل, آلیاژهای خاص نیکل مس) عملکرد خوبی در آب دریا دارد. دیگران کمتر مناسب هستند.

محیط های آب دریا پیچیده هستند (کلرید, اکسیژن, زیست شناسی); آلیاژهایی را با عملکرد آب دریا انتخاب کنید.

آیا دما بر غیرفعال شدن نیکل تأثیر می گذارد؟?

بله. دمای بالا می تواند فرآیندهای خوردگی را تسریع کند, تغییر حلالیت اکسید, و در برخی موارد فیلم های منفعل را بی ثبات می کند. برای محدودیت های سرویس در دمای بالا، با داده های آلیاژی مشورت کنید.

آیا نیکل زنگ می زند؟?

نه - نه به روشی که آهن انجام می دهد. نیکل "زنگ" ایجاد نمی کند (اکسید آهن پوسته پوسته معمولی فولاد). در عوض, نیکل به سرعت رقیق می شود, متراکم, فیلم اکسید/هیدروکسید چسبنده (معمولا NiO / در(اوه)₂ و اکسیدهای مخلوط) که سطح را غیرفعال می کند و خوردگی بیشتر را تا حد زیادی کند می کند.

که گفت, نیکل می تواند تحت شرایط تهاجمی خاص خورده می شوند (رسانه های غنی از کلرید, اسیدهای کاهنده قوی, دمای بالا, و غیره).