ニッケルがほとんど錆びない理由?

1. 導入

ニッケル 薄肉になりやすいため「錆びにくい」, 固着した, 成長が遅い酸化物/水酸化物の表面層は、多くの使用条件下で保護します。.

その不動態膜 – 通常はナノメートルスケールの NiO / で(おお)₂ タイプ層 — 金属と水の直接接触を遮断し、イオン輸送を遅らせることにより、さらなる金属溶解を劇的に減少させます。.

合金化, 酸化ニッケル形成のための非常に安定した熱力学, 比較的遅い酸化速度が組み合わさって、ニッケルおよび多くのニッケルリッチ合金は、幅広い大気および水環境において高い耐食性を発揮します。.

そうは言っても, ニッケルは影響を受けない: 一部の攻撃的な媒体や高温では腐食する可能性があります, 例外的な環境が発生する場合は、特殊な合金またはコーティングが選択されます。.

2. 「錆びる」ということは

「錆び」は、通常、不安定な人を指す一般的な単語です, 多孔質酸化鉄 (オキシ水酸化鉄) 鉄または炭素鋼が水と酸素の存在下で腐食したときに形成されるもの.

錆びは通常、次のことを示します 非保護的な, 大量の腐食生成物により、下地の金属が急速に攻撃され続けます。.

エンジニアが「ニッケルは錆びますか?」と尋ねると、?” 彼らは通常、次のことを意味します: ニッケルも同じ進行性反応を起こしますか, 鉄が引き起こす自己加速腐食?

技術的な簡単な答え: いいえ - ニッケルは同じ薄片状にはなりません, 鉄が引き起こす非保護的な錆, ニッケルはコンパクトな不動態酸化物を形成し、さらなる攻撃を制限するためです。. しかし、ニッケルはその保護層を破壊または溶解する条件下では腐食する可能性があります。.

3. ニッケルが腐食に強い原子的および電子的な理由

原子レベルで, 耐食性は以下に依存します 原子が酸素とどのくらい強く結合するのか、またそれらの酸化物がどの程度安定しているのか 熱力学的にも構造的にも.

• 電子構造と結合. ニッケルは、部分的に満たされた 3D 軌道を持つ遷移金属です。. これらの 3d 電子は酸素との結合に関与して、ニッケル酸化物と水酸化物を形成します。.
  Ni→NiOの熱力学 (および関連する酸化物/水酸化物) 比較的安定で、中性の水にあまり溶けない酸化物を生成します。.
• 酸化物の凝集性と緻密性. NiO の結晶構造と典型的な酸化物/水酸化物層は緻密で付着性があります。, 比較的気孔率が低い.
  これは多くの鉄腐食製品とは対照的です (例えば, FeO・OH) 多孔質で電解質の浸透を可能にする.
• 低いイオン移動度. 保護酸化物が効果を発揮するには, イオンの輸送 (金属カチオンが外側に向かうか、酸素/水が内側に向かうかのいずれか) フィルムを通して見るのは遅くなければなりません.
  酸化ニッケルは周囲温度でのイオン伝導率が十分に低いため、成長が自己制限的かつ保護的になります。.

簡潔に言うと: ニッケルの化学的性質により、 薄い, 固着した, 難溶性酸化物 ボリュームがあるというよりは, 多孔質腐食生成物.

4. 不動態化: 保護フィルムの化学と構造

一般的な環境でニッケルが「めったに錆びない」主な理由は不動態化、つまり非常に薄い金属の自然発生的な形成です。 (ナノメートル～マイクロメートル), 密集, 金属表面に付着した酸化物/水酸化物層により、さらなる反応が大幅に減少します。.

ニッケル不動態化に関する重要なポイント:

• 構成. 不動態皮膜は通常ニッケルで構成されています(Ⅱ) 酸化物/水酸化物種 (ニオとN.(おお)₂) また、pH と酸化還元電位に応じて、混合原子価の酸化物または水酸化物が含まれる場合があります。.
• 自己癒し. フィルムが機械的に損傷しているか、局所的に剥がれている場合, 酸素または酸化種の存在下で急速な再形成が起こる, 保護を再確立する.
• 密着性と密度. フレークとは異なります, 非保護酸化鉄 (Fe₂O₃/FeOOH) 鋼の上で成長したり砕けたりするもの, ニッケルの酸化層は緻密で基板にしっかりと結合しています, これにより、さらなる酸素やイオンの侵入に対する効果的な拡散バリアになります。.
• 熱力学的安定性. 熱力学的安定性ドメイン (プールベ図で表されるように) 幅広い pH および電位にわたって、ニッケルは Ni2⁺ として溶解するのではなく、不動態酸化物をサポートすることを示します。.
  この窓は、ニッケルが多くの水性環境で腐食に強い理由を説明しています。.

5. 酸化を遅らせる反応速度論と物理的特性

熱力学的好感度を超えて, 速度論的要因が腐食を制限する:

• 薄い層の急速な形成, 保護フィルム. 初期酸化物が急速に形成される, その後、酸化物を通るイオン種の拡散が遅いため、成長は自己制限的になります。.
• 低い欠陥密度. 緻密な酸化膜は酸素と金属イオンの拡散経路を少なくします; イオン輸送が遅いため、腐食電流が減少します。.
• 表面仕上げと冶金. スムーズ, 加工硬化またはメッキされたニッケル表面は、粗いものと比較して、局所的な攻撃の開始点が少なくなります。, 多孔質表面.
  機械研磨, 無電解メッキまたは電解メッキは、表面欠陥を減らして耐食性を向上させることができます.

6. 合金化の役割, コーティングと微細構造

純ニッケルはすでに不動態化されています, しかし、工学の実践では、ニッケルは合金元素または表面コーティングとして一般的に使用されます。; これらの使用により耐食性がさらに向上します.

• ニッケル合金. モネルなどの素材, インコネルとハステロイ (ニッケルベースの合金) ニッケルとクロムを組み合わせる, モリブデン, 銅およびその他の元素.
  クロムとモリブデンは不動態皮膜の安定性と修復性を高め、耐孔食性を向上させます。, 隙間腐食と還元酸.
• 無電解および電気メッキニッケル. これらのコーティングにより、継続的な, 基材を環境から隔離する緻密なバリアで、多くの場合良好な接着力と均一な厚さを持ちます。.
• 微細構造. 粒度, 沈殿物と第二相粒子が局所的な電気化学に影響を与える.
  有害な第二相のない均質な固溶体により、局所的な腐食を促進する微小ガルバニックセルが減少します。.

7. 環境境界 - ニッケルが腐食する場所

ニッケルの不動態には限界がある. 不動態皮膜を損なう条件を理解することで、ニッケルがいつ腐食するかを説明します:

• 塩化物による攻撃と孔食. 高い塩化物濃度 (例えば, 海水または高塩分濃度の塩水) 特に高温では、不動態皮膜が不安定になり、局部的な孔食や隙間腐食を引き起こす可能性があります。.
  一部のニッケル合金は、クロムとモリブデンが含まれているため、純ニッケルよりもはるかに耐孔食性が高くなります。.
• 強還元酸. 特定の還元酸環境 (例えば, 塩酸, 特定の濃度および温度の硫酸) ニッケルの積極的な溶解を促進することができます.
• 高温および酸化条件. 温度が上昇すると酸化物の特性が変化し、膜を介した拡散が加速される可能性があります, 一部の酸化性雰囲気または溶融塩ではより高い腐食速度が可能になります.
• アルカリ性塩化物環境および微生物の影響による腐食. 化学的要因と生物学的要因が組み合わさって、不動態皮膜を攻撃する微環境を作り出す可能性があります。.
• 非常に高貴な材料または特定の設計形状へのガルバニック結合 制約された条件下で局所的な陽極/陰極サイトを作成できる.

8. 障害モードと軽減戦略

ニッケルおよびニッケル合金の一般的な故障モードには孔食が含まれます, 隙間腐食, 粒界攻撃と応力補助腐食. 緩和戦略は実用的であり、設計とメンテナンスに使用されます。:

• 材料の選択. 適切なニッケル合金を選択してください (例えば, 酸化環境用のニッケルクロム, 塩化物耐性を備えたニッケルモリブデン) サービス条件に合わせて.
• 表面処理. エレクトロレスニッケル, ニッケルメッキ, 不動態化処理と研磨により開始部位が減少し、膜の均一性が向上します。.
• デザインの詳細. 隙間を避ける, 堅い関節, と停滞ゾーン; 排水と検査のためのアクセスを提供する.
• 陰極防食と犠牲陽極. ニッケルが複数の金属アセンブリの一部である一部のシステムでは, 印加電流または犠牲陽極がより活性な金属を保護します.
  注記: ニッケルがより高貴であれば、犠牲陽極自体の恩恵を受けられなくなります。.
• 環境制御と阻害剤. 塩素濃度の制御, 酸素含有量, 腐食防止剤を使用すると不動態を維持できます.
• 定期点検. 局所的な攻撃の初期の兆候を監視し、伝播する前に修復します。.

9. ニッケルの腐食挙動を利用した産業用途

ニッケルは保護膜を形成し、丈夫な合金を生成するため, 広く使われています:

• ニッケルメッキと電気メッキ: 魅力的なニッケル鉱床の形成, スチールおよびその他の基材上の耐食性表面 (装飾的および機能的な仕上げに使用される).
• ニッケル基合金 (インコネル, ハステロイ, モネル): 化学プラントで使用される, ガスタービン, 耐食性と高温性能が要求される熱交換器および海洋環境.
• 貨幣, ステンレス製のファスナーと電子機器: 耐久性と耐食性のためにニッケルおよびニッケル合金が使用されています.
• 電池と電気化学: 水酸化ニッケルと酸化ニッケルは電池の電極材料として使用されます。 (ニッケル水素, Ni–Cd, ni系カソード).
• 触媒作用と特殊化学処理: ニッケル表面と合金は一般的な触媒と触媒担体です.

設計者は、次のような用途にニッケルまたはニッケルを多く含む合金を選択します。 受動的な行動, 安定性, 予測可能な腐食速度 優先事項です.

10. 類似素材との比較

11. 結論

ニッケルは、本質的な電気化学的高貴さと緻密な組織を形成する能力を兼ね備えているため、「めったに錆びない」, 自己制限性と自己修復性を備えた付着性不動態酸化物/水酸化物膜.

合金と表面処理により、安全なサービス範囲がさらに広がります. しかし, ニッケルの不動態には限界が定められています - 塩化物, 特定の酸, 高温と不適切な設計により、耐食性が克服される可能性があります.

熱力学を理解する (安定性ドメイン), 動力学 (成膜と搬送), 冶金 (微細構造と合金化) と環境 (化学, 温度, 力学) パフォーマンスを予測し、堅牢な設計を行うために不可欠です, 長寿命コンポーネント.

 

よくある質問

ニッケルは腐食に対して完全に耐性がありますか?

いいえ. ニッケルは不動態化されているため、多くの環境に対して耐性があります。, しかし攻撃的な化学反応 (強力なコンプレックス酸, 熱い塩化物, 特定の硫化物雰囲気) ニッケルまたはその合金を腐食する可能性があります. 適切な合金の選択が不可欠です.

ニッケルめっきはどのようにして鋼を保護するのでしょうか?

ニッケルメッキは主に次のような役割を果たします。 バリア 腐食剤に対する耐性と, システムによっては, 貴族として (陰極性) 表面.

ニッケルは鉄より貴い; コーティングが破れた場合でも、鋼を犠牲に保護することはできません。, 鋼は露出した部位で優先的に腐食する可能性があります.

ニッケルとステンレス鋼の耐食性の違いは何ですか?

ステンレス鋼はクロム含有量に大きく依存して Cr₂O₃ 不動態皮膜を形成します; ニッケルおよびニッケル合金は NiO/Ni に依存しています(おお)₂ フィルムには Cr が含まれることが多い, 保護を強化する Mo または Cu.

合金設計により、特定の環境でどの材料が最高のパフォーマンスを発揮するかが決まります.

ニッケルを海水に使用できますか?

一部のニッケル合金 (例えば, モネル, 特定のNi-Cu合金) 海水中でうまく機能する. 他はあまり適切ではありません.

海水環境は複雑です (塩化物, 酸素, 生物学); 海水性能が実証された合金を選択.

温度はニッケルの不動態化に影響しますか?

はい. 温度の上昇により腐食プロセスが加速される可能性があります, 酸化物の溶解度を変える, 場合によっては不動態皮膜を不安定にする. 高温使用限界については合金データを参照してください。.

ニッケルは錆びますか?

いいえ、鉄とは違います. ニッケルは「錆び」を形成しません (鋼に典型的な薄片状の酸化鉄). その代わり, ニッケルは急速に薄くなる, 密集, 付着した酸化物・水酸化物膜 (一般的にはNiO / で(おお)₂ および混合酸化物) 表面を不動態化し、さらなる腐食を大幅に遅らせます。.

そうは言っても, ニッケル できる 特定の攻撃的な条件下で腐食する (塩化物を多く含む培地, 強還元酸, 高温, 等).