Kodėl nikelis retai rūdija?

1. Įvadas

Nikelis "retai rūdija", nes linkęs formuotis plonas, prisirišęs, ir lėtai augantis oksido/hidroksido paviršinis sluoksnis, kuris daugeliu naudojimo sąlygų yra apsauginis.

Ta pasyvioji plėvelė – paprastai nanometrų mastelio NiO / Į(Oi)₂ tipo sluoksnis – žymiai sumažina tolesnį metalo tirpimą blokuodamas tiesioginį metalo ir vandens kontaktą ir sulėtindamas jonų transportavimą.

Legiravimas, labai stabili termodinamika nikelio oksido susidarymui, ir santykinai lėta oksidacijos kinetika, todėl nikelis ir daugelis nikelio turinčių lydinių yra labai atsparūs korozijai įvairiose atmosferose ir vandens aplinkoje.

Tai pasakė, nikelis nėra apsaugotas: kai kuriose agresyviose terpėse ir aukštesnėje temperatūroje gali rūdyti, o ten, kur susidaro išskirtinė aplinka, pasirenkami specialūs lydiniai ar dangos.

2. Ką reiškia "rūdys".

„Rūdis“ yra įprastas žodis, paprastai skirtas dribsniams, akytieji geležies oksidai (geležies oksihidroksidai) kurios susidaro, kai geležis arba anglinis plienas korozuoja esant vandeniui ir deguoniui.

Rūdys paprastai reiškia neapsauginis, didelės apimties korozijos produktai, leidžiantys toliau sparčiai atakuoti pagrindinį metalą.

Kai inžinieriai klausia „Ar nikelis rūdija?“ jie paprastai reiškia: ar nikelis patiria tą pačią progresuojančią formą, savaime greitėjanti korozija, kurią daro geležis?

Trumpas techninis atsakymas: ne – nikelis nesudaro to paties dribsnio, neapsaugines rūdis, kurias daro geležis, nes nikelis sudaro kompaktišką pasyvų oksidą, kuris riboja tolesnį ataką. Tačiau nikelis gali korozuoti tokiomis sąlygomis, kurios sunaikina arba ištirpdo tą apsauginį sluoksnį.

3. Atominės ir elektroninės priežastys nikelis atsparus korozijai

Atominiame lygmenyje, atsparumas korozijai priklauso nuo kaip stipriai atomai jungiasi su deguonimi ir kokie stabilūs tie oksidai termodinamiškai ir struktūriškai.

• Elektroninė struktūra ir sujungimas. Nikelis yra pereinamasis metalas su iš dalies užpildytomis 3D orbitomis. Šie 3d elektronai dalyvauja jungiantis su deguonimi, sudarydami nikelio oksidus ir hidroksidus.
  Ni→NiO termodinamika (ir susiję oksidai/hidroksidai) susidaro gana stabilus ir mažai tirpus neutraliame vandenyje oksidas.
• Oksido sanglauda ir kompaktiškumas. NiO kristalinė struktūra ir tipiški oksido / hidroksido sluoksniai yra kompaktiški ir prilipę, santykinai mažo poringumo.
  Tai skiriasi nuo daugelio geležies korozijos gaminių (Pvz., FeO·OH) kurios yra porėtos ir leidžia prasiskverbti elektrolitams.
• Mažas jonų mobilumas. Kad apsauginis oksidas būtų veiksmingas, jonų transportavimas (arba metalo katijonai į išorę, arba deguonis/vanduo į vidų) per filmą turi būti lėtas.
  Nikelio oksidai turi pakankamai mažą joninį laidumą esant aplinkos temperatūrai, todėl augimas savaime ribojasi ir apsaugo..

Trumpai tariant: nikelio chemija skatina susidaryti a plonas, prisirišęs, mažai tirpus oksidas o ne tūrinis, akytieji korozijos produktai.

4. Pasyvavimas: apsauginės plėvelės chemija ir struktūra

Dominuojanti priežastis, dėl kurios nikelis „retai rūdija“ įprastoje aplinkoje, yra pasyvumas – savaiminis labai plono sluoksnio susidarymas. (nanometras – mikrometras), tankus, ir prilipęs oksido/hidroksido sluoksnis ant metalinio paviršiaus, kuris žymiai sumažina tolesnę reakciją.

Pagrindiniai dalykai apie nikelio pasyvavimą:

• Kompozicija. Pasyvioji plėvelė paprastai sudaryta iš nikelio(II) oksido/hidroksido rūšys (Nio ir N.(Oi)₂) ir gali apimti mišrius valentinius oksidus arba hidroksidus, priklausomai nuo pH ir redokso potencialo.
• Savęs išgydymas. Jei plėvelė mechaniškai pažeista arba lokaliai pašalinta, greitas persitvarkymas vyksta esant deguoniui arba oksiduojančioms rūšims, atkurti apsaugą.
• Sukibimas ir tankis. Skirtingai nuo dribsnių, neapsauginiai geležies oksidai (Fe₂O₃/FeOOH) kurie auga ir pleiskanoja ant plieno, nikelio oksido sluoksnis yra kompaktiškas ir tvirtai surištas su pagrindu, todėl jis yra veiksmingas difuzijos barjeras nuo tolesnio deguonies ir jonų patekimo.
• Termodinaminis stabilumas. Termodinamikos stabilumo sritys (kaip parodyta Pourbaix diagramose) parodyta, kad plačiame pH ir potencialo diapazone nikelis palaiko pasyvų oksidą, o ne tirpsta kaip Ni²⁺.
  Šis langas paaiškina, kodėl nikelis yra atsparus korozijai daugelyje vandeningų aplinkų.

5. Kinetika ir fizinės savybės, lėtinančios oksidaciją

Be termodinaminio palankumo, kinetikos veiksniai riboja koroziją:

• Greitas plonumo susidarymas, apsauginė plėvelė. Pradinis oksidas susidaro greitai, tada augimas tampa savaime ribojamas, nes joninių rūšių difuzija per oksidą yra lėta.
• Mažas defektų tankis. Tanki oksido plėvelė suteikia mažiau deguonies ir metalo jonų difuzijos takų; lėtesnis jonų pernešimas sumažina korozijos srovę.
• Paviršiaus apdaila ir metalurgija. Sklandžiai, grūdinti arba padengti nikeliu paviršiai turi mažiau vietinių atakų pradžios vietų, palyginti su grubiais paviršiais, akytų paviršių.
  Mechaninis poliravimas, Beelektrinis arba elektrolitinis dengimas gali pagerinti atsparumą korozijai, sumažindamas paviršiaus defektus.

6. Legiravimo vaidmuo, dangos ir mikrostruktūra

Grynas nikelis jau pasyvuoja, tačiau inžinerinėje praktikoje nikelis dažniausiai naudojamas kaip legiravimo elementas arba kaip paviršiaus danga; šie naudojimo būdai dar labiau padidina atsparumą korozijai.

• Nikelio lydiniai. Tokios medžiagos kaip Monel, Inconel ir Hastelloy (nikelio pagrindu pagaminti lydiniai) sujunkite nikelį su chromu, molibdenas, varis ir kiti elementai.
  Chromas ir molibdenas padidina pasyviosios plėvelės stabilumą ir taisomumą bei pagerina atsparumą įdubimams, plyšių korozija ir redukuojančios rūgštys.
• Beelektrinis ir galvanizuotas nikelis. Šios dangos užtikrina nuolatinį, tankus barjeras, kuris izoliuoja pagrindą nuo aplinkos ir dažnai turi gerą sukibimą bei vienodą storį.
• Mikrostruktūra. Grūdelių dydis, nuosėdos ir antrosios fazės dalelės veikia vietinę elektrochemiją.
  Homogeniški kietieji tirpalai be žalingų antrųjų fazių sumažina mikrogalvaninius elementus, kurie kitu atveju skatintų vietinę koroziją.

7. Aplinkos ribos – kur nikelis rūdija

Nikelio pasyvumas turi ribas. Sąlygų, kurios pažeidžia pasyviąją plėvelę, supratimas paaiškina, kada nikelis pradės koroziją:

• Chlorido ataka ir duobės. Didelė chlorido koncentracija (Pvz., jūros vandens arba daug druskos turinčių sūrymų) gali destabilizuoti pasyvias plėveles ir sukelti vietinę duobių ar plyšių koroziją, ypač esant aukštesnei temperatūrai.
  Kai kurie nikelio lydiniai dėl chromo ir molibdeno daug geriau atsparūs įdubimams nei grynas nikelis.
• Stiprios redukuojančios rūgštys. Tam tikros redukuojančios rūgštinės aplinkos (Pvz., druskos rūgštis, sieros rūgštis esant tam tikroms koncentracijoms ir tam tikroms temperatūroms) gali skatinti aktyvų nikelio tirpimą.
• Aukšta temperatūra ir oksidacinės sąlygos. Padidėjusi temperatūra keičia oksido savybes ir gali paspartinti difuziją per plėveles, leidžiantys padidinti korozijos greitį kai kuriose oksiduojančiose atmosferose arba išlydytose druskose.
• Šarminio chlorido aplinka ir mikrobiologiškai paveikta korozija. Kombinuoti cheminiai ir biologiniai veiksniai gali sukurti mikroaplinką, kuri atakuoja pasyviąją plėvelę.
• Galvaninis sujungimas su labai tauriomis medžiagomis arba tam tikromis geometrijomis gali sukurti vietines anodines / katodines vietas ribotomis sąlygomis.

8. Gedimų režimai ir mažinimo strategijos

Įprasti nikelio ir nikelio lydinių gedimų režimai apima įdubimą, įtrūkimų korozija, tarpgranulinė ataka ir korozija dėl įtempių. Sušvelninimo strategijos yra praktiškos ir naudojamos projektuojant bei prižiūrint:

• Medžiagos pasirinkimas. Pasirinkite tinkamą nikelio lydinį (Pvz., nikelis-chromas, skirtas oksiduojančiai aplinkai, nikelio-molibdeno chlorido tolerancija) atitiko paslaugų sąlygas.
• Paviršiaus procedūros. Beelektrinis nikelis, Nikelio danga, pasyvinimas ir poliravimas sumažina inicijavimo vietas ir pagerina plėvelės vienodumą.
• Dizaino detalės. Venkite įtrūkimų, sandarūs sąnariai, ir stagnacijos zonos; numatyti drenažą ir priėjimą apžiūrai.
• Katodinė apsauga ir aukojamieji anodai. Kai kuriose sistemose, kuriose nikelis yra kelių metalų mazgo dalis, įspausta srovė arba aukos anodai apsaugo aktyvesnius metalus.
  PASTABA: kai nikelis yra kilnesnis, jam nebus naudingi patys aukojamieji anodai.
• Aplinkos kontrolė ir inhibitoriai. Chloro kiekio kontrolė, deguonies kiekis, o naudojant korozijos inhibitorius galima išsaugoti pasyvumą.
• Reguliarus patikrinimas. Stebėkite ankstyvus lokalizuoto atakos požymius ir pataisykite prieš plintant.

9. Pramoninis naudojimas, kai naudojamas nikelio korozinis elgesys

Kadangi nikelis sudaro apsaugines plėveles ir išgauna tvirtus lydinius, jis naudojamas plačiai:

• Nikeliavimas ir galvanizavimas: nikelio nuosėdos yra patrauklios, korozijai atsparūs paviršiai ant plieno ir kitų pagrindų (naudojamas dekoratyvinei ir funkcinei apdailai).
• Nikelio pagrindo lydiniai (Inconel, Hastelloy, Monel): naudojami chemijos gamyklose, Dujų turbinos, šilumokaičiai ir jūrinė aplinka, kur reikalingas atsparumas korozijai ir veikimas aukštoje temperatūroje.
• Monetų kaldinimas, nerūdijančio plieno tvirtinimo detalės ir elektronika: nikelis ir nikelio lydiniai naudojami ilgaamžiškumui ir atsparumui korozijai užtikrinti.
• Baterijos ir elektrochemija: nikelio hidroksidas ir nikelio oksidai yra aktyvios akumuliatoriaus elektrodų medžiagos (Ni-MH, Ni-Cd, ni pagrindu pagaminti katodai).
• Katalizė ir specialus cheminis apdorojimas: nikelio paviršiai ir lydiniai yra įprasti katalizatoriai ir katalizatorių atramos.

Dizaineriai pasirenka nikelį arba lydinius, kuriuose yra daug nikelio pasyvus elgesys, stabilumas, ir nuspėjamas korozijos greitis yra prioritetai.

10. Palyginimas su panašiomis medžiagomis

11. Išvada

Nikelis „retai rūdija“, nes sujungia vidinį elektrocheminį kilnumą ir gebėjimą sudaryti tankų., prilipusi pasyvi oksido/hidroksido plėvelė, kuri savaime ribojasi ir savaime gyja.

Legiravimas ir paviršiaus apdorojimas dar labiau išplečia saugaus aptarnavimo langą. Tačiau, nikelio pasyvumas turi apibrėžtas ribas – chloridus, tam tikros rūgštys, aukšta temperatūra ir prastas dizainas gali įveikti atsparumą korozijai.

Termodinamikos supratimas (stabilumo sritis), kinetika (plėvelės formavimas ir transportavimas), metalurgija (mikrostruktūra ir legiravimas) ir aplinka (chemija, temperatūra, mechanika) yra būtina norint numatyti našumą ir sukurti tvirtą, ilgaamžiai komponentai.

 

DUK

Ar nikelis yra visiškai atsparus korozijai?

Ne. Nikelis yra atsparus daugeliui aplinkų dėl pasyvavimo, bet agresyvios chemijos (stiprios kompleksinės rūgštys, karšti chloridai, tam tikros sulfidinės atmosferos) gali korozuoti nikelį ar jo lydinius. Svarbus tinkamas lydinio pasirinkimas.

Kaip nikeliavimas apsaugo plieną?

Nikeliavimas pirmiausia veikia kaip a kliūtis nuo korozinių medžiagų ir, priklausomai nuo sistemos, kaip kilmingasis (katodinis) paviršius.

Nikelis yra tauresnis už geležį; jis neapsaugos plieno – jei danga pažeista, plienas gali rūdyti pirmiausia atviroje vietoje.

Kuo skiriasi nikelio ir nerūdijančio plieno atsparumas korozijai?

Nerūdijantis plienas labai priklauso nuo chromo kiekio, kad susidarytų pasyvios Cr2O3 plėvelės; nikelis ir nikelio lydiniai priklauso nuo NiO/Ni(Oi)₂ filmai ir dažnai apima Cr, Mo arba Cu apsaugai sustiprinti.

Lydinio dizainas nustato, kuri medžiaga geriausiai veikia tam tikroje aplinkoje.

Ar galiu naudoti nikelį jūros vandenyje?

Kai kurie nikelio lydiniai (Pvz., Monel, tam tikri Ni-Cu lydiniai) gerai veikia jūros vandenyje. Kiti mažiau tinka.

Jūros vandens aplinka yra sudėtinga (Chloridai, Deguonis, biologija); pasirinkti lydinius, pasižyminčius pademonstruotais jūros vandens savybėmis.

Ar temperatūra turi įtakos nikelio pasyvavimui?

Taip. Padidėjusi temperatūra gali paspartinti korozijos procesus, keisti oksidų tirpumą, o kai kuriais atvejais destabilizuoja pasyvias plėveles. Peržiūrėkite lydinio duomenis, kad sužinotumėte apie aukštos temperatūros aptarnavimo ribas.

Ar nikelis nerūdija?

Ne – ne taip, kaip daro geležis. Nikelis nesudaro „rūdžių“ (plienui būdingas dribsnių geležies oksidas). Vietoj, nikelis greitai išsivysto plonas, tankus, prilipusi oksido/hidroksido plėvelė (dažniausiai NiO / Į(Oi)₂ ir mišrūs oksidai) kuris pasyvina paviršių ir labai sulėtina tolesnę koroziją.

Tai pasakė, Nikelis gali korozija esant tam tikroms agresyvioms sąlygoms (chlorido turtingos terpės, stiprios redukuojančios rūgštys, Aukšta temperatūra, kt.).