Miért rozsdásodik ritkán a nikkel??

1. Bevezetés

Nikkel „ritkán rozsdásodik”, mert hajlamos vékonyodni, tapadó, és lassan növekvő oxid/hidroxid felületi réteg, amely számos üzemi körülmény között véd.

Ez a passzív film – jellemzően nanométeres méretű NiO / -Ben(Ó)₂ típusú réteg – drámaian csökkenti a további fémoldódást a fém-víz közvetlen érintkezés blokkolásával és az iontranszport lelassításával.

Ötvözés, nagyon stabil termodinamika a nikkel-oxid képződéshez, és a viszonylag lassú oxidációs kinetika együttesen a nikkelt és számos nikkelben gazdag ötvözetet rendkívül korrózióállóvá teszik a légkör és vizes környezet széles skálájában.

Ez azt mondta, a nikkel nem immunis: egyes agresszív közegekben és magas hőmérsékleten korrodálódhat, és különleges ötvözeteket vagy bevonatokat választanak ott, ahol kivételes környezet fordul elő.

2. Mit jelent a „rozsda”.

A „rozsda” egy általános szó, amelyet általában a pelyhesekre tartanak fenn, porózus vas-oxidok (vas-oxihidroxidok) amelyek akkor keletkeznek, amikor a vas vagy a szénacél víz és oxigén jelenlétében korrodálódik.

A rozsda jellemzően azt jelöli nem védő, terjedelmes korróziós termékek, amelyek lehetővé teszik az alatta lévő fém folyamatos gyors támadását.

Amikor a mérnökök megkérdezik: „A nikkel rozsdásodik??” – jelentik általában: a nikkel ugyanazon a progresszív formán megy keresztül, öngyorsuló korrózió, amelyet a vas okoz?

A rövid technikai válasz: nem – a nikkel nem képez ugyanazt a pelyhességet, nem védő rozsda, amit a vas tesz, mert a nikkel tömör passzív oxidot képez, amely korlátozza a további támadást. De a nikkel olyan körülmények között korrodálhat, amelyek tönkreteszik vagy feloldják ezt a védőréteget.

3. Atom és elektronikus okok miatt a nikkel ellenáll a korróziónak

Atomszinten, a korrózióállóság attól függ milyen erősen kötődnek az atomok az oxigénhez és mennyire stabilak ezek az oxidok termodinamikailag és szerkezetileg.

• Elektronikus szerkezet és kötés. A nikkel egy átmeneti fém, részben kitöltött 3D pályákkal. Ezek a 3d elektronok részt vesznek az oxigénhez való kötődésben, így nikkel-oxidokat és hidroxidot képeznek.
  A Ni→NiO termodinamikája (és a kapcsolódó oxidok/hidroxidok) viszonylag stabil és semleges vízben nem jól oldódó oxidot eredményez.
• Oxid kohézió és tömörség. A NiO kristályszerkezete és a tipikus oxid/hidroxid rétegek tömörek és tapadnak, viszonylag alacsony porozitással.
  Ez ellentétben áll sok vaskorróziós termékkel (PÉLDÁUL., FeO·OH) amelyek porózusak és lehetővé teszik az elektrolit behatolását.
• Alacsony ionmobilitás. Ahhoz, hogy a védő oxid hatásos legyen, ionok szállítása (vagy fémkationok kifelé, vagy oxigén/víz befelé) a filmen keresztül lassúnak kell lennie.
  A nikkel-oxidok ionvezetőképessége környezeti hőmérsékleten kellően alacsony ahhoz, hogy a növekedés önkorlátozó és védő hatású legyen..

Tömören fogalmazva: a nikkel kémiája kedvez az a vékony, tapadó, alacsony oldhatóságú oxid nem pedig terjedelmes, porózus korróziós termékek.

4. Passziválás: a védőfólia kémiája és szerkezete

A nikkel „ritkán rozsdásodása” domináns oka a közönséges környezetben a passziváció – egy nagyon vékony szövet spontán kialakulása. (nanométer-mikrométer), sűrű, és a fémfelületen tapadó oxid/hidroxid réteg, amely drámaian csökkenti a további reakciót.

Főbb tudnivalók a nikkel passziválással kapcsolatban:

• Összetétel. A passzív film jellemzően nikkelből áll(II) oxid/hidroxid fajták (Nio és N.(Ó)₂) és a pH-tól és a redoxpotenciáltól függően vegyes vegyértékű oxidokat vagy hidroxidokat tartalmazhatnak.
• Öngyógyítás. Ha a film mechanikusan sérült vagy helyileg eltávolították, a gyors reformáció oxigén vagy oxidáló anyagok jelenlétében megy végbe, a védelem visszaállítása.
• Tapadás és sűrűség. A pelyhessel ellentétben, nem védő vas-oxidok (Fe₂O3/FeOOH) amelyek az acélra nőnek és omlanak, a nikkel-oxid réteg tömör és szorosan kötődik az aljzathoz, ami hatékony diffúziós gáttá teszi a további oxigén- és ionbejutással szemben.
• Termodinamikai stabilitás. A termodinamikai stabilitási tartományok (amint azt a Pourbaix diagramok ábrázolják) azt mutatják, hogy a pH és potenciál széles tartományában a nikkel a passzív oxidot támogatja, nem pedig Ni2⁺-ként oldódik fel..
  Ez az ablak megmagyarázza, hogy a nikkel miért ellenáll a korróziónak sok vizes környezetben.

5. Az oxidációt lassító kinetika és fizikai tulajdonságok

A termodinamikai kedvezőségen túl, A kinetikai tényezők korlátozzák a korróziót:

• Gyors kialakulása egy vékony, védőfólia. A kezdeti oxid gyorsan képződik, akkor a növekedés önkorlátozóvá válik, mivel az ionos fajták diffúziója az oxidon keresztül lassú.
• Alacsony hibasűrűség. A sűrű oxidfilm kevesebb diffúziós utat biztosít az oxigén és a fémionok számára; a lassabb iontranszport csökkenti a korróziós áramot.
• Felületkezelés és kohászat. Sima, a megmunkálásra edzett vagy bevont nikkel felületeknek kevesebb helyük van a helyi támadásokhoz, mint az érdes felületeken, porózus felületek.
  Mechanikus polírozás, Az elektrolitmentes vagy elektrolitikus bevonat javíthatja a korrózióállóságot a felületi hibák csökkentésével.

6. Az ötvözés szerepe, bevonatok és mikroszerkezet

A tiszta nikkel már passzivál, de a mérnöki gyakorlatban a nikkelt általában ötvözőelemként vagy felületbevonatként használják; ezek a felhasználások tovább növelik a korrózióállóságot.

• Nikkel -ötvözetek. Olyan anyagok, mint a Monel, Inconel és Hastelloy (nikkel alapú ötvözetek) nikkelt krómmal kombinálni, molibdén, réz és egyéb elemek.
  A króm és a molibdén növeli a passzív film stabilitását és javíthatóságát, és javítja a lyukasztással szembeni ellenállást, réskorrózió és redukáló savak.
• Elektromos és galvanizált nikkel. Ezek a bevonatok folyamatosságot biztosítanak, sűrű gát, amely elszigeteli az aljzatot a környezettől, és gyakran jó tapadású és egyenletes vastagságú.
• Mikroszerkezet. Szemcseméret, a csapadékok és a második fázisú részecskék befolyásolják a helyi elektrokémiát.
  A homogén szilárd oldatok káros második fázis nélkül csökkentik a mikrogalvanikus cellákat, amelyek egyébként elősegítenék a helyi korróziót.

7. Környezeti határok – ahol a nikkel korrodál

A nikkel passzivitásának vannak határai. A passzív fóliát veszélyeztető körülmények megértése megmagyarázza, mikor korrodálódik a nikkel:

• Klorid támadás és gödrösödés. Magas kloridkoncentráció (PÉLDÁUL., tengervíz vagy magas sótartalmú sóoldat) destabilizálhatja a passzív filmeket, és helyi lyukkorróziót vagy réskorróziót okozhat – különösen magas hőmérsékleten.
  Egyes nikkelötvözetek a króm és a molibdén miatt sokkal jobban ellenállnak a lyukasztásnak, mint a tiszta nikkel.
• Erős redukáló savak. Bizonyos redukáló savas környezetek (PÉLDÁUL., sósav, kénsav adott koncentrációban és hőmérsékleten) elősegítheti a nikkel aktív oldódását.
• Magas hőmérséklet és oxidációs körülmények. A magasabb hőmérséklet megváltoztatja az oxid tulajdonságait, és felgyorsíthatja a diffúziót a filmeken keresztül, magasabb korróziós sebességet tesz lehetővé bizonyos oxidáló atmoszférákban vagy olvadt sókban.
• Lúgos kloridos környezet és mikrobiológiailag befolyásolt korrózió. A kémiai és biológiai tényezők együttes hatása olyan mikrokörnyezetet hozhat létre, amely megtámadja a passzív filmet.
• Galvanikus csatolás nagyon nemes anyagokhoz vagy különleges tervezési geometriákhoz korlátozott feltételek mellett helyi anódos/katódos helyeket hozhat létre.

8. Hibamódok és enyhítési stratégiák

A nikkel és a nikkelötvözetek gyakori meghibásodási módjai közé tartozik a pitting, hasadás korrózió, szemcseközi támadás és feszültség által támogatott korrózió. A mérséklő stratégiák praktikusak, és a tervezésben és karbantartásban használatosak:

• Anyagválasztás. Válasszon megfelelő nikkelötvözetet (PÉLDÁUL., nikkel-króm oxidáló környezetekhez, nikkel-molibdén a klorid toleranciáért) megfelelt a szolgáltatási feltételeknek.
• Felszíni kezelések. Elektromos nikkel, nikkelezés, A passziválási kezelések és polírozások csökkentik az iniciációs helyeket és javítják a film egyenletességét.
• Tervezési részletek. Kerülje a hasadékokat, szoros ízületek, és stagnáló zónák; vízelvezetést és hozzáférést biztosítanak az ellenőrzéshez.
• Katódos védelem és áldozati anódok. Egyes rendszerekben, ahol a nikkel több fémből álló szerelvény része, a benyomott áram vagy feláldozó anódok megvédik az aktívabb fémeket.
  Jegyzet: amikor a nikkel nemesebb, akkor magának az áldozati anódoknak nincs haszna.
• Környezetvédelmi szabályozás és inhibitorok. A kloridszint szabályozása, oxigéntartalom, és korróziógátlók használatával megőrizhető a passzivitás.
• Rendszeres ellenőrzés. Figyelje a lokalizált támadás korai jeleit, és javítsa ki a terjedés előtt.

9. Ipari felhasználás, amely kihasználja a nikkel korróziós viselkedését

Mivel a nikkel védőfóliát képez, és robusztus ötvözeteket eredményez, széles körben használják:

• Nikkelezés és galvanizálás: a nikkel lerakódások vonzóak, korrózióálló felületek acélon és egyéb aljzatokon (dekoratív és funkcionális felületeken használható).
• Nikkel alapú ötvözetek (Kuncol, Hastelloy, Monel): vegyi üzemekben használják, gázturbinák, hőcserélők és tengeri környezet, ahol korrózióállóságra és magas hőmérsékleti teljesítményre van szükség.
• Pénzverés, rozsdamentes kötőelemek és elektronika: nikkelt és nikkelötvözeteket használnak a tartósság és a korrózióállóság érdekében.
• Elemek és elektrokémia: A nikkel-hidroxid és a nikkel-oxidok aktív akkumulátorelektródák (Ni–MH, Ni-Cd, ni alapú katódok).
• Katalízis és speciális vegyi feldolgozás: A nikkel felületek és ötvözetek gyakori katalizátorok és katalizátorhordozók.

A tervezők nikkelt vagy nikkelben gazdag ötvözeteket választanak olyan alkalmazásokhoz, ahol passzív viselkedés, stabilitás, és kiszámítható korróziós sebesség prioritások.

10. Összehasonlítás hasonló anyagokkal

11. Következtetés

A nikkel „ritkán rozsdásodik”, mert egyesíti a belső elektrokémiai nemességet azzal a képességgel, hogy sűrű anyagot képez, tapadó passzív oxid/hidroxid film, amely önkorlátozó és öngyógyító.

Az ötvözés és a felületkezelés tovább szélesíti a biztonságos szolgáltatási ablakot. Viszont, a nikkel passzivitásának meghatározott határai vannak – kloridok, bizonyos savak, a magas hőmérséklet és a rossz kialakítás leküzdheti a korrózióállóságot.

A termodinamika megértése (stabilitási tartományok), kinetika (filmképzés és szállítás), kohászat (mikroszerkezet és ötvözés) és a környezet (kémia, hőmérséklet, mechanika) elengedhetetlen a teljesítmény előrejelzéséhez és a robusztus tervezéshez, hosszú élettartamú alkatrészek.

 

GYIK

A nikkel teljesen immunis a korrózióra?

Nem. A nikkel a passziváció miatt számos környezetben ellenáll, hanem agresszív kémiák (erős komplexképző savak, forró kloridok, bizonyos szulfid atmoszférák) korrodálhatja a nikkelt vagy ötvözeteit. Az ötvözet megfelelő kiválasztása elengedhetetlen.

Hogyan védi a nikkelezés az acélt??

A nikkelezés elsősorban a akadály maró hatású anyagok ellen és, rendszertől függően, mint egy nemes (katódos) felület.

A nikkel nemesebb, mint a vas; nem védi áldozatul az acélt – ha a bevonat megsérül, az acél elsősorban a kitett helyen korrodálhat.

Mi a különbség a nikkel és a rozsdamentes acél korrózióállósága között??

A rozsdamentes acélok nagymértékben támaszkodnak a krómtartalomra, hogy Cr2O3 passzív filmeket képezzenek; a nikkel és a nikkelötvözetek NiO/Ni-re támaszkodnak(Ó)₂ filmek, és gyakran tartalmazzák a Cr, Mo vagy Cu a védelem fokozása érdekében.

Az ötvözet kialakítása határozza meg, hogy egy adott környezetben melyik anyag teljesít a legjobban.

Használhatok nikkelt tengervízben??

Néhány nikkelötvözet (PÉLDÁUL., Monel, bizonyos Ni–Cu ötvözetek) jól teljesít a tengervízben. Mások kevésbé alkalmasak.

A tengervíz környezete összetett (kloridok, oxigén, biológia); válasszon olyan ötvözeteket, amelyek bizonyított tengervízteljesítményűek.

Befolyásolja-e a hőmérséklet a nikkel passzivációját??

Igen. A magasabb hőmérséklet felgyorsíthatja a korróziós folyamatokat, megváltoztatja az oxidok oldhatóságát, és bizonyos esetekben destabilizálja a passzív filmeket. Tekintse meg az ötvözetadatokat a magas hőmérsékletű szolgáltatási határértékekkel kapcsolatban.

Nem rozsdásodik a nikkel?

Nem – nem úgy, ahogy a vas teszi. A nikkel nem képez „rozsdát” (az acélra jellemző pelyhes vas-oxid). Helyette, nikkel gyorsan fejlődik egy vékony, sűrű, tapadó oxid/hidroxid film (általában NiO / -Ben(Ó)₂ és vegyes oxidok) amely passziválja a felületet és nagymértékben lassítja a további korróziót.

Ez azt mondta, nikkel tud bizonyos agresszív körülmények között korrodálódnak (kloridban gazdag közeg, erős redukáló savak, magas hőmérséklet, stb.).