Kāpēc niķelis reti rūsē?

1. Ievads

Niķelis “reti rūsē”, jo mēdz veidoties plānas, pieķērušies, un lēni augošs oksīda/hidroksīda virsmas slānis, kas ir aizsargājošs daudzos ekspluatācijas apstākļos.

Šī pasīvā plēve - parasti nanometru mēroga NiO / Iekšā(Ak!)₂ tipa slānis — ievērojami samazina turpmāku metāla šķīšanu, bloķējot tiešu metāla un ūdens kontaktu un palēninot jonu transportu.

Leģēšana, ļoti stabila termodinamika niķeļa oksīda veidošanai, un salīdzinoši lēnā oksidācijas kinētika apvieno niķeli un daudzus ar niķeli bagātus sakausējumus, kas ir ļoti izturīgi pret koroziju dažādās atmosfērās un ūdens vidēs.

Tā teikts, niķelis nav imūna: dažās agresīvās vidēs un paaugstinātā temperatūrā tas var sarūsēt, un īpaši sakausējumi vai pārklājumi tiek izvēlēti vietās, kur notiek ārkārtas vide.

2. Ko nozīmē “rūsa”.

“Rūsa” ir parasts vārds, kas parasti ir paredzēts pārslainajam, poraini dzelzs oksīdi (dzelzs oksihidroksīdi) kas veidojas dzelzs vai oglekļa tērauda korozijā ūdens un skābekļa klātbūtnē.

Rūsa parasti apzīmē neaizsargājošs, apjomīgi korozijas produkti, kas ļauj turpināt strauju uzbrukumu pamatā esošajam metālam.

Kad inženieri jautā: “Vai niķelis nerūsē?” tie parasti nozīmē: vai niķelis iziet tādu pašu progresīvo formu, pašpaātrinoša korozija, ko rada dzelzs?

Īsa tehniskā atbilde: nē — niķelis neveido tādu pašu pārslu, neaizsargājoša rūsa, ko dara dzelzs, jo niķelis veido kompaktu pasīvo oksīdu, kas ierobežo turpmāku uzbrukumu. Bet niķelis var korodēt apstākļos, kas iznīcina vai izšķīdina šo aizsargkārtu.

3. Atomu un elektronisku iemeslu dēļ niķelis ir izturīgs pret koroziju

Atomu līmenī, izturība pret koroziju ir atkarīga no cik stipri atomi saistās ar skābekli un cik stabili ir šie oksīdi termodinamiski un strukturāli.

• Elektroniskā struktūra un savienošana. Niķelis ir pārejas metāls ar daļēji piepildītām 3D orbitālēm. Šie 3D elektroni piedalās saitē ar skābekli, veidojot niķeļa oksīdus un hidroksīdus.
  Ni → NiO termodinamika (un saistītie oksīdi/hidroksīdi) iegūst oksīdu, kas ir relatīvi stabils un slikti šķīst neitrālā ūdenī.
• Oksīda kohēzija un kompaktums. NiO kristāliskā struktūra un tipiskie oksīda/hidroksīda slāņi ir kompakti un lipīgi, ar salīdzinoši zemu porainību.
  Tas atšķiras no daudziem dzelzs korozijas produktiem (Piem., FeO·OH) kas ir poraini un nodrošina elektrolīta iespiešanos.
• Zema jonu mobilitāte. Lai aizsargājošais oksīds būtu efektīvs, jonu transportēšana (vai nu metāla katjoni uz āru, vai skābeklis/ūdens uz iekšu) cauri filmai jābūt lēnai.
  Niķeļa oksīdiem ir pietiekami zema jonu vadītspēja apkārtējās vides temperatūrā, lai augšana būtu pašierobežojoša un aizsargājoša.

Īsi sakot: niķeļa ķīmija veicina a veidošanos mazs, pieķērušies, zemas šķīdības oksīds nevis apjomīgs, poraini korozijas produkti.

4. Pasniegšana: aizsargplēves ķīmija un struktūra

Dominējošais iemesls, kāpēc niķelis “reti rūsē” parastā vidē, ir pasivācija — spontāna ļoti plānas niķeļa veidošanās. (nanometrs - mikrometrs), blīvs, un pielipušais oksīda/hidroksīda slānis uz metāla virsmas, kas ievērojami samazina turpmāko reakciju.

Galvenie punkti par niķeļa pasivāciju:

• Sastāvs. Pasīvā plēve parasti sastāv no niķeļa(II) oksīdu/hidroksīdu sugas (Nio un N.(Ak!)₂) un var ietvert jauktus valences oksīdus vai hidroksīdus atkarībā no pH un redokspotenciāla.
• Pašdziedināšana. Ja plēve ir mehāniski bojāta vai lokāli noņemta, ātra pārveide notiek skābekļa vai oksidējošu vielu klātbūtnē, aizsardzības atjaunošana.
• Adhēzija un blīvums. Atšķirībā no pārslveida, neaizsargājoši dzelzs oksīdi (Fe₂O₃/FeOOH) kas aug un plīst uz tērauda, niķeļa oksīda slānis ir kompakts un cieši saistīts ar pamatni, kas padara to par efektīvu difūzijas barjeru pret turpmāku skābekļa un jonu iekļūšanu.
• Termodinamiskā stabilitāte. Termodinamiskās stabilitātes jomas (kā parādīts Purbē diagrammās) parāda, ka plašā pH un potenciālā diapazonā niķelis atbalsta pasīvo oksīdu, nevis izšķīst kā Ni²⁺.
  Šis logs izskaidro, kāpēc niķelis ir izturīgs pret koroziju daudzās ūdens vidēs.

5. Kinētika un fizikālās īpašības, kas palēnina oksidēšanos

Ārpus termodinamiskās labvēlības, kinētiskie faktori ierobežo koroziju:

• Ātra plāna veidošanās, aizsargplēve. Sākotnējais oksīds veidojas ātri, tad augšana kļūst pašierobežojoša, jo jonu sugu difūzija caur oksīdu ir lēna.
• Zems defektu blīvums. Blīvā oksīda plēve nodrošina mazāk skābekļa un metālu jonu difūzijas ceļu; lēnāka jonu transportēšana samazina korozijas strāvu.
• Virsmas apdare un metalurģija. Izlīdzināt, rūdītām vai pārklātām niķeļa virsmām ir mazāk vietu lokālai uzbrukumam, salīdzinot ar raupjām virsmām, porainas virsmas.
  Mehāniskā pulēšana, Bezelektroniskais vai elektrolītiskais pārklājums var uzlabot izturību pret koroziju, samazinot virsmas defektus.

6. Leģēšanas loma, pārklājumi un mikrostruktūra

Tīrs niķelis jau pasivē, bet inženiertehniskajā praksē niķeli parasti izmanto kā leģējošu elementu vai kā virsmas pārklājumu; šie lietojumi vēl vairāk uzlabo izturību pret koroziju.

• Niķeļa sakausējumi. Materiāli, piemēram, Monel, Inkonels un Hastello (sakausējumi uz niķeļa bāzes) apvienot niķeli ar hromu, molibdēns, varš un citi elementi.
  Hroms un molibdēns palielina pasīvās plēves stabilitāti un labojamību, kā arī nodrošina uzlabotu izturību pret bedrēm., spraugas korozija un reducējošās skābes.
• Bezelektrisks un galvanizēts niķelis. Šie pārklājumi nodrošina nepārtrauktu, blīva barjera, kas izolē pamatni no apkārtējās vides, un tai bieži ir laba saķere un vienmērīgs biezums.
• Mikrostruktūra. Graudu lielums, nogulsnes un otrās fāzes daļiņas ietekmē lokālo elektroķīmiju.
  Homogēni cietie šķīdumi bez kaitīgām otrajām fāzēm samazina mikrogalvaniskās šūnas, kas citādi veicinātu lokālu koroziju.

7. Vides robežas — kur niķelis korozējas

Niķeļa pasivitātei ir robežas. Izpratne par apstākļiem, kas apdraud pasīvo plēvi, izskaidro, kad niķelis sāks koroziju:

• Hlorīda uzbrukums un bedres. Augsta hlorīda koncentrācija (Piem., jūras ūdens vai sālījumi ar augstu sāls saturu) var destabilizēt pasīvās plēves un izraisīt lokālu punktveida vai plaisu koroziju, īpaši paaugstinātā temperatūrā.
  Daži niķeļa sakausējumi hroma un molibdēna dēļ ir daudz labāk izturīgi nekā tīrs niķelis.
• Spēcīgas reducējošas skābes. Noteiktas reducējošas skābes vides (Piem., sālsskābe, sērskābe noteiktās koncentrācijās un temperatūrās) var veicināt niķeļa aktīvu šķīdināšanu.
• Augsta temperatūra un oksidējoši apstākļi. Paaugstināta temperatūra maina oksīda īpašības un var paātrināt difūziju caur plēvēm, nodrošina lielāku korozijas ātrumu dažās oksidējošās atmosfērās vai izkausētajos sāļos.
• Sārmu hlorīdu vide un mikrobioloģiski ietekmēta korozija. Kombinēti ķīmiskie un bioloģiskie faktori var radīt mikro vidi, kas uzbrūk pasīvajai plēvei.
• Galvaniskā sakabe ar ļoti cēliem materiāliem vai īpašām dizaina ģeometrijām var izveidot lokālas anodiskās/katodiskās vietas ierobežotos apstākļos.

8. Kļūmju režīmi un mazināšanas stratēģijas

Bieži sastopami niķeļa un niķeļa sakausējumu atteices režīmi ietver bedrīšu veidošanos, plaisas korozija, starpgranulu uzbrukums un stresa izraisīta korozija. Seku mazināšanas stratēģijas ir praktiskas un tiek izmantotas projektēšanā un apkopē:

• Materiālu izvēle. Izvēlieties piemērotu niķeļa sakausējumu (Piem., niķeļa-hroms oksidējošai videi, niķeļa-molibdēna hlorīda tolerancei) atbilst pakalpojuma nosacījumiem.
• Virsmas procedūras. Bezelektrisks niķelis, niķeļa pārklājums, pasivēšanas procedūras un pulēšana samazina iniciācijas vietas un uzlabo plēves viendabīgumu.
• Dizaina detaļas. Izvairieties no plaisām, saspringtas locītavas, un stagnācijas zonas; nodrošināt drenāžu un piekļuvi pārbaudei.
• Katoda aizsardzība un upura anodi. Dažās sistēmās, kur niķelis ir daļa no daudzmetālu mezgla, nospiesti strāvas vai upurēšanas anodi aizsargā aktīvākus metālus.
  Piezīme: kad niķelis ir cēlāks, tas negūs labumu no upurēšanas anodiem.
• Vides kontrole un inhibitori. Hlorīda līmeņa kontrole, skābekļa saturs, un izmantojot korozijas inhibitorus, var saglabāt pasivitāti.
• Regulāra pārbaude. Pārraugiet, vai nav agrīnas lokalizēta uzbrukuma pazīmes, un novērsiet to pirms izplatīšanās.

9. Rūpnieciski lietojumi, kas izmanto niķeļa koroziju

Tā kā niķelis veido aizsargplēves un rada izturīgus sakausējumus, tas tiek plaši izmantots:

• Niķelēšana un galvanizācija: niķeļa nogulsnes veido pievilcīgu, korozijizturīgas virsmas uz tērauda un citām pamatnēm (izmanto dekoratīvai un funkcionālai apdarei).
• Niķeļa bāzes sakausējumi (Neiebilstība, Hastelijs, Monel): izmanto ķīmiskajās rūpnīcās, gāzes turbīnas, siltummaiņi un jūras vide, kur nepieciešama izturība pret koroziju un veiktspēja augstā temperatūrā.
• Monētu kalšana, nerūsējošā tērauda stiprinājumi un elektronika: niķelis un niķeļa sakausējumi tiek izmantoti izturībai un izturībai pret koroziju.
• Baterijas un elektroķīmija: niķeļa hidroksīds un niķeļa oksīdi ir aktīvi akumulatora elektrodu materiāli (Ni-MH, Ni-Cd, ni bāzes katodi).
• Katalīze un speciālā ķīmiskā apstrāde: niķeļa virsmas un sakausējumi ir izplatīti katalizatori un katalizatoru balsti.

Dizaineri izvēlas niķeli vai ar niķeli bagātus sakausējumus lietojumiem, kur pasīva uzvedība, stabilitāte, un paredzami korozijas ātrumi ir prioritātes.

10. Salīdzinājums ar līdzīgiem materiāliem

11. Secinājums

Niķelis “reti rūsē”, jo tas apvieno raksturīgo elektroķīmisko cēlumu ar spēju veidot blīvu., lipīga pasīvā oksīda/hidroksīda plēve, kas pati ierobežojas un pašatjaunojas.

Leģēšana un virsmas apstrāde vēl vairāk paplašina drošu apkalpošanas logu. Lai arī, niķeļa pasivitātei ir noteiktas robežas - hlorīdi, noteiktas skābes, augsta temperatūra un slikta konstrukcija var pārvarēt izturību pret koroziju.

Izpratne par termodinamiku (stabilitātes domēni), kinētika (plēves veidošana un transportēšana), metalurģija (mikrostruktūra un sakausējums) un vidi (ķīmija, temperatūra, mehānika) ir būtiska, lai prognozētu veiktspēju un izstrādātu stabilu, ilgstošas ​​​​komponentes.

 

FAQ

Vai niķelis ir pilnīgi imūns pret koroziju?

Ne. Niķelis pasivēšanas dēļ ir izturīgs pret daudzām vidēm, bet agresīvas ķīmijas (spēcīgas kompleksu veidojošas skābes, karstie hlorīdi, noteiktas sulfīdu atmosfēras) var korozēt niķeli vai tā sakausējumus. Svarīga ir pareiza sakausējuma izvēle.

Kā niķeļa pārklājums aizsargā tēraudu?

Niķelēšana galvenokārt darbojas kā a barjera pret kodīgiem līdzekļiem un, atkarībā no sistēmas, kā muižnieks (katoda) virsmas.

Niķelis ir cēlāks par dzelzi; tas neaizsargās tēraudu — ja pārklājums ir bojāts, tērauds var korodēt atklātajā vietā.

Kāda ir atšķirība starp niķeļa un nerūsējošā tērauda izturību pret koroziju?

Nerūsējošais tērauds lielā mērā ir atkarīgs no hroma satura, veidojot Cr2O3 pasīvās plēves; niķelis un niķeļa sakausējumi balstās uz NiO/Ni(Ak!)₂ filmas un bieži vien ietver Cr, Mo vai Cu, lai uzlabotu aizsardzību.

Sakausējuma dizains nosaka, kurš materiāls konkrētajā vidē darbojas vislabāk.

Vai es varu izmantot niķeli jūras ūdenī?

Daži niķeļa sakausējumi (Piem., Monel, daži Ni-Cu sakausējumi) labi darbojas jūras ūdenī. Citi ir mazāk piemēroti.

Jūras ūdens vide ir sarežģīta (hlorīdi, skābeklis, bioloģija); izvēlieties sakausējumus ar demonstrētu jūras ūdens veiktspēju.

Vai temperatūra ietekmē niķeļa pasivāciju?

Jā. Paaugstināta temperatūra var paātrināt korozijas procesus, mainīt oksīdu šķīdību, un dažos gadījumos destabilizē pasīvās plēves. Skatiet sakausējuma datus, lai uzzinātu augstas temperatūras apkalpošanas ierobežojumus.

Vai niķelis nerūsē?

Nē — ne tā, kā to dara dzelzs. Niķelis neveido "rūsu" (pārslainais dzelzs oksīds, kas raksturīgs tēraudam). Tā vietā, niķelis strauji attīstās plānas, blīvs, lipīga oksīda/hidroksīda plēve (parasti NiO / Iekšā(Ak!)₂ un jaukti oksīdi) kas pasivizē virsmu un ievērojami palēnina turpmāku koroziju.

Tā teikts, niķelis var korozija noteiktos agresīvos apstākļos (hlorīdu bagātinātas barotnes, spēcīgas reducējošās skābes, augsta temperatūra, utc).