Ինչու նիկելը հազվադեպ է ժանգոտում?

1. Ներածություն

Նիկել «Հազվադեպ է ժանգոտվում», քանի որ այն հակված է բարակ ձևավորելու, հավատարիմ, և դանդաղ աճող օքսիդ/հիդրօքսիդ մակերեսային շերտ, որը պաշտպանիչ է բազմաթիվ սպասարկման պայմաններում.

Այդ պասիվ թաղանթը սովորաբար նանոմետրի մասշտաբով NiO է / Մեջ(Օհ)₂ տիպի շերտ – կտրուկ նվազեցնում է մետաղի հետագա տարրալուծումը` արգելափակելով մետաղ-ջուր անմիջական շփումը և դանդաղեցնելով իոնային տրանսպորտը:.

Լեգիրում, շատ կայուն թերմոդինամիկա նիկելի օքսիդի ձևավորման համար, և համեմատաբար դանդաղ օքսիդացման կինետիկան միավորվում է, որպեսզի նիկելը և նիկելով հարուստ համաձուլվածքները բարձր կոռոզիոն դիմացկուն դարձնեն մթնոլորտային և ջրային միջավայրերի լայն տեսականիում:.

Դա ասվեց, նիկելը անձեռնմխելի չէ: որոշ ագրեսիվ միջավայրերում և բարձր ջերմաստիճանի դեպքում այն ​​կարող է կոռոզիայի ենթարկվել, և հատուկ համաձուլվածքներ կամ ծածկույթներ են ընտրվում, որտեղ բացառիկ միջավայրեր են առաջանում.

2. Ինչ է նշանակում «ժանգ»:

«Ժանգը» սովորական բառ է, որը սովորաբար վերապահված է շերտավորներին, ծակոտկեն երկաթի օքսիդներ (երկաթի օքսիհիդրօքսիդներ) որոնք ձևավորվում են, երբ երկաթը կամ ածխածնային պողպատը կոռոզիայի են ենթարկվում ջրի և թթվածնի առկայության դեպքում.

Ժանգը սովորաբար նշանակում է ոչ պաշտպանիչ, կոռոզիայից ծավալուն արտադրանքներ, որոնք թույլ են տալիս շարունակական արագ հարձակումը հիմքում ընկած մետաղի վրա.

Երբ ինժեներները հարցնում են «Նիկելը ժանգոտում է?», նրանք սովորաբար նկատի ունեն: Արդյո՞ք նիկելը ենթարկվում է պրոգրեսիվության նույն ձևին, ինքնաարագացվող կոռոզիա, որը կատարում է երկաթը?

Կարճ տեխնիկական պատասխանը: ոչ — նիկելը նույն շերտավորումը չի առաջացնում, ոչ պաշտպանիչ ժանգը, որն առաջացնում է երկաթը, քանի որ նիկելը ձևավորում է կոմպակտ պասիվ օքսիդ, որը սահմանափակում է հետագա հարձակումը. Բայց նիկելը կարող է կոռոզիայի ենթարկվել այնպիսի պայմաններում, որոնք քայքայում կամ լուծարում են այդ պաշտպանիչ շերտը.

3. Ատոմային և էլեկտրոնային պատճառներով նիկելը դիմադրում է կոռոզիային

Ատոմային մակարդակում, կոռոզիոն դիմադրությունը կախված է որքան ուժեղ են ատոմները կապված թթվածնի հետ և որքան կայուն են այդ օքսիդները թերմոդինամիկ և կառուցվածքային առումով.

• Էլեկտրոնային կառուցվածք և կապ. Նիկելը անցումային մետաղ է՝ մասամբ լցված 3d օրբիտալներով. Այս 3d էլեկտրոնները մասնակցում են թթվածնի հետ կապին` ձևավորելով նիկելի օքսիդներ և հիդրօքսիդներ.
  Ni→NiO-ի թերմոդինամիկան (և հարակից օքսիդներ/հիդրօքսիդներ) արտադրում է օքսիդ, որը համեմատաբար կայուն է և շատ չլուծվող չեզոք ջրում.
• Օքսիդային համախմբվածություն և կոմպակտություն. NiO-ի բյուրեղային կառուցվածքը և բնորոշ օքսիդ/հիդրօքսիդ շերտերը կոմպակտ են և կպչուն, համեմատաբար ցածր ծակոտկենությամբ.
  Սա հակադրվում է երկաթի կոռոզիայից շատ ապրանքների հետ (Է.Գ., FeO·OH) որոնք ծակոտկեն են և թույլ են տալիս էլեկտրոլիտի ներթափանցումը.
• Ցածր իոնային շարժունակություն. Որպեսզի պաշտպանիչ օքսիդը արդյունավետ լինի, իոնների տեղափոխում (կամ մետաղական կատիոններ դեպի դուրս, կամ թթվածին/ջուր դեպի ներս) ֆիլմի միջոցով պետք է դանդաղ լինի.
  Նիկելի օքսիդներն ունեն բավական ցածր իոնային հաղորդունակություն շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում, որի աճը ինքնասահմանափակվում է և պաշտպանում է.

Կարճ ասած: Նիկելի քիմիան նպաստում է ա բարակ, հավատարիմ, ցածր լուծելի օքսիդ ոչ թե ծավալուն, ծակոտկեն կոռոզիայից արտադրանք.

4. Պասիվություն: պաշտպանիչ թաղանթի քիմիան և կառուցվածքը

Ընդհանուր միջավայրում նիկելը «հազվադեպ է ժանգոտում» գերիշխող պատճառը պասիվացումն է՝ շատ բարակ նյութի ինքնաբուխ ձևավորումը։ (նանոմետր-միկրոմետր), խիտ, և մետաղի մակերեսի վրա կպչուն օքսիդ/հիդրօքսիդ շերտ, որը կտրուկ նվազեցնում է հետագա ռեակցիան.

Նիկելի պասիվացման հիմնական կետերը:

• Կազմ. Պասիվ թաղանթը սովորաբար կազմված է նիկելից(II) օքսիդ/հիդրօքսիդ տեսակներ (Նիոն և Ն.(Օհ)₂) և կարող է ներառել խառը վալենտային օքսիդներ կամ հիդրօքսիդներ՝ կախված pH-ից և ռեդոքսային պոտենցիալից.
• Ինքնաբուժում. Եթե ​​թաղանթը մեխանիկորեն վնասված է կամ տեղայնորեն հեռացվում է, արագ վերափոխումը տեղի է ունենում թթվածնի կամ օքսիդացող տեսակների առկայության դեպքում, պաշտպանության վերահաստատում.
• Կպչունություն և խտություն. Ի տարբերություն շերտավորի, ոչ պաշտպանիչ երկաթի օքսիդներ (Fe2O3/FeOOH) որոնք աճում և թափվում են պողպատի վրա, Նիկելի օքսիդի շերտը կոմպակտ է և սերտորեն կապված է հիմքի հետ, ինչը դարձնում է այն արդյունավետ դիֆուզիոն խոչընդոտ թթվածնի և իոնների հետագա ներթափանցման դեմ.
• Թերմոդինամիկական կայունություն. Ջերմոդինամիկական կայունության տիրույթներ (ինչպես ներկայացված է Pourbaix դիագրամներում) ցույց տալ, որ pH-ի և պոտենցիալ նիկելի լայն տիրույթում աջակցում է պասիվ օքսիդին, այլ ոչ թե լուծվում է որպես Ni²⁺.
  Այդ պատուհանը բացատրում է, թե ինչու է նիկելը դիմադրում կոռոզիային բազմաթիվ ջրային միջավայրերում.

5. Կինետիկա և ֆիզիկական հատկություններ, որոնք դանդաղեցնում են օքսիդացումը

Թերմոդինամիկական բարենպաստությունից դուրս, կինետիկ գործոնները սահմանափակում են կոռոզիան:

• Նիհարի արագ ձևավորում, պաշտպանիչ ֆիլմ. Սկզբնական օքսիդը արագ ձևավորվում է, այնուհետև աճը դառնում է ինքնասահմանափակվող, քանի որ իոնային տեսակների դիֆուզիան օքսիդի միջով դանդաղ է ընթանում.
• Արատների ցածր խտություն. Խիտ օքսիդի թաղանթը ներկայացնում է թթվածնի և մետաղական իոնների ավելի քիչ դիֆուզիոն ուղիներ; դանդաղ իոնային փոխադրումը նվազեցնում է կոռոզիոն հոսանքը.
• Մակերեւույթի հարդարում և մետալուրգիա. Հարթ, Աշխատանքով կարծրացած կամ պատված նիկելային մակերեսներն ունեն ավելի քիչ սկզբնակետեր տեղայնացված հարձակման համար՝ համեմատած կոպիտի հետ, ծակոտկեն մակերեսներ.
  Մեխանիկական փայլեցում, էլեկտրոլիտիկ կամ էլեկտրոլիտային ծածկույթը կարող է բարելավել կոռոզիոն դիմադրությունը՝ նվազեցնելով մակերեսային թերությունները.

6. Լեգիրման դերը, ծածկույթներ և միկրոկառուցվածք

Մաքուր նիկելն արդեն պասիվացվում է, բայց ինժեներական պրակտիկայում նիկելը սովորաբար օգտագործվում է որպես համաձուլվածքային տարր կամ որպես մակերեսային ծածկույթ; այս կիրառությունները ավելի են մեծացնում կոռոզիայից դիմադրությունը.

• Նիկելի համաձուլվածքներ. Նյութեր, ինչպիսիք են Մոնելը, Ինկոնել և Հասթելոյ (նիկելի վրա հիմնված համաձուլվածքներ) միավորել նիկելը քրոմի հետ, մոլիբդեն, պղինձ և այլ տարրեր.
  Քրոմը և մոլիբդենը մեծացնում են պասիվ թաղանթի կայունությունն ու վերանորոգումը և բարելավում դիմադրություն փոսերի նկատմամբ, ճեղքերի կոռոզիա և նվազեցնող թթուներ.
• Էլեկտրազերծված և էլեկտրապատված նիկել. Այս ծածկույթները ապահովում են շարունակական, խիտ պատնեշ, որը մեկուսացնում է ենթաշերտը շրջակա միջավայրից և հաճախ ունենում է լավ կպչունություն և միատեսակ հաստություն.
• Միկրոկառուցվածք. Հացահատիկի չափը, նստվածքները և երկրորդ փուլի մասնիկները ազդում են տեղական էլեկտրաքիմիայի վրա.
  Միատարր պինդ լուծույթները, առանց վնասակար երկրորդ փուլերի, նվազեցնում են միկրոգալվանական բջիջները, որոնք հակառակ դեպքում կխթանեն տեղայնացված կոռոզիան.

7. Բնապահպանական սահմաններ, որտեղ նիկելը քայքայվում է

Նիկելի պասիվությունը սահմաններ ունի. Պասիվ թաղանթը վնասող պայմանների ըմբռնումը բացատրում է, թե երբ է նիկելը կոռոզիայի ենթարկվելու:

• Քլորիդի հարձակումը և փոսը. Քլորիդների բարձր կոնցենտրացիաներ (Է.Գ., ծովի ջուր կամ բարձր աղի աղ) կարող է ապակայունացնել պասիվ թաղանթները և առաջացնել տեղայնացված փոս կամ ճեղքերի կոռոզիա, հատկապես բարձր ջերմաստիճանի դեպքում.
  Նիկելի որոշ համաձուլվածքներ քրոմի և մոլիբդենի պատճառով ավելի լավ են դիմադրում փորվածքներին, քան մաքուր նիկելը.
• Ուժեղ վերականգնող թթուներ. Որոշակի նվազեցնող թթվային միջավայրեր (Է.Գ., Հիդրոքլորաթթու, ծծմբաթթու որոշակի կոնցենտրացիաներում և ջերմաստիճաններում) կարող է նպաստել նիկելի ակտիվ տարրալուծմանը.
• Բարձր ջերմաստիճան և օքսիդացման պայմաններ. Բարձրացված ջերմաստիճանը փոխում է օքսիդի հատկությունները և կարող է արագացնել դիֆուզիան թաղանթների միջոցով, որոշ օքսիդացող մթնոլորտներում կամ հալած աղերում կոռոզիայի ավելի բարձր մակարդակի ապահովում.
• Ալկալային քլորիդային միջավայրեր և մանրէաբանական ազդեցություն ունեցող կոռոզիա. Համակցված քիմիական և կենսաբանական գործոնները կարող են ստեղծել միկրոմիջավայրեր, որոնք հարձակվում են պասիվ թաղանթի վրա.
• Գալվանական միացում շատ ազնիվ նյութերի կամ դիզայնի հատուկ երկրաչափությունների հետ կարող է ստեղծել տեղական անոդիկ/կաթոդիկ տեղամասեր սահմանափակ պայմաններում.

8. Անհաջողության ռեժիմներ և մեղմացման ռազմավարություններ

Նիկելի և նիկելի համաձուլվածքների խափանումների ընդհանուր ռեժիմները ներառում են փոսը, Crevice Corrosion, միջգրանուլային հարձակում և սթրեսի օգնությամբ կոռոզիա. Մեղմացման ռազմավարությունները գործնական են և օգտագործվում են նախագծման և պահպանման մեջ:

• Նյութի ընտրություն. Ընտրեք համապատասխան նիկելի համաձուլվածք (Է.Գ., նիկել-քրոմ օքսիդացնող միջավայրերի համար, նիկել-մոլիբդեն քլորիդային հանդուրժողականության համար) սպասարկման պայմաններին համապատասխան.
• Մակերեւութային բուժում. Էլեկտրաէներգետիկ նիկել, նիկելապատում, պասիվացման պրոցեդուրաները և փայլեցումը նվազեցնում են սկզբնավորման վայրերը և բարելավում թաղանթի միատեսակությունը.
• Դիզայնի մանրամասներ. Խուսափեք ճեղքերից, ամուր հոդեր, և լճացման գոտիներ; ապահովել ջրահեռացում և մուտք ստուգման համար.
• Կաթոդիկ պաշտպանություն և զոհաբերական անոդներ. Որոշ համակարգերում, որտեղ նիկելը բազմամետաղական հավաքույթի մի մասն է, տպավորված ընթացիկ կամ զոհաբերական անոդները պաշտպանում են ավելի ակտիվ մետաղներ.
  Նշում: երբ նիկելն ավելի ազնիվ է, այն ինքնին չի շահի զոհաբերական անոդներից.
• Շրջակա միջավայրի հսկողություն և արգելակիչներ. Քլորիդների մակարդակի վերահսկում, թթվածնի պարունակությունը, իսկ կորոզիայի արգելակիչների օգտագործումը կարող է պահպանել պասիվությունը.
• Պարբերական ստուգում. Հետևեք տեղայնացված հարձակման վաղ նշաններին և վերականգնեք նախքան տարածումը.

9. Արդյունաբերական օգտագործում, որն օգտագործում է նիկելի կոռոզիոն վարքագիծը

Քանի որ նիկելը ձևավորում է պաշտպանիչ թաղանթներ և տալիս է ամուր համաձուլվածքներ, այն լայնորեն կիրառվում է:

• Նիկելապատում և էլեկտրապատում: Նիկելի հանքավայրերը ձևավորվում են գրավիչ, կոռոզիոն դիմացկուն մակերեսներ պողպատի և այլ հիմքերի վրա (օգտագործվում է դեկորատիվ և ֆունկցիոնալ հարդարման համար).
• Նիկելի հիմքով համաձուլվածքներ (Ինքնորոշ, Հաստելո, Մանգաղ): օգտագործվում է քիմիական գործարաններում, Գազային տուրբիններ, ջերմափոխանակիչներ և ծովային միջավայրեր, որտեղ պահանջվում է կոռոզիոն դիմադրություն և բարձր ջերմաստիճանի կատարում.
• Մետաղադրամ, չժանգոտվող ամրացումներ և էլեկտրոնիկա: նիկելի և նիկելի համաձուլվածքները օգտագործվում են ամրության և կոռոզիոն դիմադրության համար.
• Մարտկոցներ և էլեկտրաքիմիա: Նիկելի հիդրօքսիդը և նիկելի օքսիդները ակտիվ մարտկոցի էլեկտրոդի նյութեր են (Նի–ՄՀ, Ni–Cd, ni-ի վրա հիմնված կաթոդներ).
• Կատալիզ և հատուկ քիմիական մշակում: Նիկելի մակերեսները և համաձուլվածքները սովորական կատալիզատորներ և կատալիզատորներ են.

Դիզայներներն ընտրում են նիկել կամ նիկելով հարուստ համաձուլվածքներ այն կիրառությունների համար, որտեղ պասիվ վարքագիծ, կայունություն, և կանխատեսելի կոռոզիայի տեմպերը առաջնահերթություններ են.

10. Համեմատություն նմանատիպ նյութերի հետ

11. Եզրափակում

Նիկելը «հազվադեպ է ժանգոտվում», քանի որ այն համատեղում է ներքին էլեկտրաքիմիական ազնվականությունը խիտ ձևավորելու ունակության հետ, կպչուն պասիվ օքսիդ/հիդրօքսիդ թաղանթ, որն ինքնասահմանափակվող և ինքնաբուժվող է.

Լեգիրումը և մակերեսային մշակումները ավելի են ընդլայնում անվտանգ սպասարկման պատուհանը. Սակայն, Նիկելի պասիվությունը որոշակի սահմաններ ունի՝ քլորիդներ, որոշակի թթուներ, բարձր ջերմաստիճանը և վատ դիզայնը կարող են հաղթահարել կոռոզիոն դիմադրությունը.

Հասկանալով թերմոդինամիկան (կայունության տիրույթներ), կինետիկա (ֆիլմի ձևավորում և տեղափոխում), մետալուրգիա (միկրոկառուցվածք և համաձուլվածք) և շրջակա միջավայրը (քիմիա, ջերմաստիճան, մեխանիկա) կարևոր է կատարողականությունը կանխատեսելու և ամուր ձևավորման համար, երկարակյաց բաղադրիչներ.

 

ՀՏՀ

Նիկելը լիովին պաշտպանված է կոռոզիայից?

Ոչ. Պասիվացման պատճառով նիկելը դիմացկուն է բազմաթիվ միջավայրերի նկատմամբ, բայց ագրեսիվ քիմիա (ուժեղ կոմպլեքսային թթուներ, տաք քլորիդներ, որոշակի սուլֆիդային մթնոլորտ) կարող է կոռոզիայի ենթարկել նիկելը կամ դրա համաձուլվածքները. Համաձուլվածքի ճիշտ ընտրությունը կարևոր է.

Ինչպես է նիկելապատումը պաշտպանում պողպատը?

Նիկելապատումը հիմնականում գործում է որպես ա արգելք քայքայիչ նյութերի դեմ և, կախված համակարգից, որպես ազնվական (կաթոդիկ) մակերեսը.

Նիկելն ավելի ազնիվ է, քան երկաթը; այն զոհաբերությամբ չի պաշտպանի պողպատը, եթե ծածկույթը խախտվի, պողպատը կարող է նախընտրելիորեն կոռոզիայի ենթարկվել բաց տեղում.

Ո՞րն է տարբերությունը նիկելի և չժանգոտվող պողպատի կոռոզիոն դիմադրության միջև?

Չժանգոտվող պողպատները մեծապես կախված են քրոմի պարունակությունից՝ Cr2O3 պասիվ թաղանթներ ձևավորելու համար; նիկելը և նիկելի համաձուլվածքները հենվում են NiO/Ni-ի վրա(Օհ)₂ ֆիլմեր և հաճախ ներառում են Քր, Mo կամ Cu պաշտպանությունը բարձրացնելու համար.

Ալյումինե դիզայնը որոշում է, թե որ նյութն է լավագույնս աշխատում տվյալ միջավայրում.

Կարո՞ղ եմ նիկել օգտագործել ծովի ջրի մեջ?

Որոշ նիկելի համաձուլվածքներ (Է.Գ., Մանգաղ, որոշ Ni–Cu համաձուլվածքներ) լավ հանդես գալ ծովի ջրում. Մյուսները ավելի քիչ հարմար են.

Ծովային միջավայրերը բարդ են (քլորիդներ, թթվածին, կենսաբանություն); ընտրեք համաձուլվածքներ ծովի ջրի ցուցադրված արդյունավետությամբ.

Արդյո՞ք ջերմաստիճանը ազդում է նիկելի պասիվացման վրա?

Այո. Բարձրացված ջերմաստիճանը կարող է արագացնել կոռոզիոն գործընթացները, փոխել օքսիդների լուծելիությունը, իսկ որոշ դեպքերում ապակայունացնել պասիվ ֆիլմերը. Խորհրդակցեք համաձուլվածքների տվյալները բարձր ջերմաստիճանի ծառայության սահմանաչափերի համար.

Նիկելը ժանգոտո՞ւմ է?

Ոչ, ոչ այնպես, ինչպես երկաթն է անում. Նիկելը «ժանգ» չի առաջացնում (պողպատին բնորոշ շերտավոր երկաթի օքսիդ). Փոխարեն, նիկելը արագորեն զարգանում է բարակ, խիտ, կպչուն օքսիդ / հիդրօքսիդ թաղանթ (սովորաբար NiO / Մեջ(Օհ)₂ և խառը օքսիդներ) որը պասիվացնում է մակերեսը և մեծապես դանդաղեցնում հետագա կոռոզիան.

Դա ասվեց, նիկել կարող է կոռոզիայի ենթարկվել որոշակի ագրեսիվ պայմաններում (քլորիդով հարուստ միջավայր, ուժեղ վերականգնող թթուներ, Բարձր ջերմաստիճան, Եվ այլն).