1. Pengenalan
Nikel "jarang berkarat" kerana ia cenderung untuk membentuk nipis, pengikut, dan lapisan permukaan oksida/hidroksida yang tumbuh perlahan yang melindungi di bawah banyak keadaan perkhidmatan.
Filem pasif itu - biasanya NiO berskala nanometer / Dalam(Oh)Lapisan jenis ₂ — secara mendadak mengurangkan pembubaran logam selanjutnya dengan menyekat sentuhan langsung logam-air dan dengan memperlahankan pengangkutan ionik.
Aloi, termodinamik yang sangat stabil untuk pembentukan nikel oksida, dan kinetik pengoksidaan yang agak perlahan bergabung untuk menjadikan nikel dan banyak aloi kaya nikel sangat tahan kakisan dalam pelbagai suasana dan persekitaran berair.
Itu berkata, nikel tidak kebal: dalam sesetengah media yang agresif dan pada suhu tinggi ia boleh menghakis, dan aloi atau salutan khas dipilih di mana persekitaran luar biasa berlaku.
2. Maksud "karat".
"Karat" adalah perkataan biasa yang biasanya dikhaskan untuk serpihan, oksida besi berliang (oksihidroksida besi) yang terbentuk apabila besi atau keluli karbon terhakis dengan kehadiran air dan oksigen.
Karat biasanya menandakan bukan pelindung, produk kakisan besar yang membenarkan serangan pantas berterusan logam asas.
Apabila jurutera bertanya “Adakah nikel berkarat?” lazimnya mereka maksudkan: adakah nikel mengalami bentuk progresif yang sama, kakisan pecutan sendiri yang dilakukan oleh besi?
Jawapan teknikal ringkas: tidak — nikel tidak membentuk kepingan yang sama, karat bukan pelindung yang dilakukan oleh besi, kerana nikel membentuk oksida pasif padat yang menghadkan serangan selanjutnya. Tetapi nikel boleh terhakis dalam keadaan yang memusnahkan atau melarutkan lapisan pelindung itu.
3. Sebab atom dan elektronik nikel tahan kakisan
Di peringkat atom, rintangan kakisan bergantung kepada betapa kuatnya atom terikat kepada oksigen dan betapa stabilnya oksida tersebut secara termodinamik dan struktur.
- Struktur elektronik dan ikatan. Nikel ialah logam peralihan dengan orbital 3d yang terisi separa. Elektron 3d ini mengambil bahagian dalam ikatan kepada oksigen untuk membentuk nikel oksida dan hidroksida.
Termodinamik Ni→NiO (dan oksida/hidroksida yang berkaitan) menghasilkan oksida yang agak stabil dan tidak sangat larut dalam air neutral. - Kohesi dan kekompakan oksida. Struktur kristal NiO dan lapisan oksida/hidroksida biasa adalah padat dan melekat, dengan keliangan yang agak rendah.
Ini berbeza dengan banyak produk kakisan besi (Mis., FeO·OH) yang berliang dan membenarkan penembusan elektrolit. - Mobiliti ionik yang rendah. Agar oksida pelindung menjadi berkesan, pengangkutan ion (sama ada kation logam ke luar atau oksigen/air ke dalam) melalui filem mesti perlahan.
Nikel oksida mempunyai kekonduksian ionik yang cukup rendah pada suhu ambien yang pertumbuhannya menghadkan diri dan melindungi.
Letakkan dengan tegas: kimia nikel menyokong pembentukan a nipis, pengikut, oksida keterlarutan rendah bukannya besar, produk kakisan berliang.
4. Passivation: kimia dan struktur filem pelindung
Sebab dominan nikel "jarang berkarat" dalam persekitaran biasa ialah pasif — pembentukan spontan yang sangat nipis (nanometer–mikrometer), padat, dan lapisan oksida/hidroksida yang melekat pada permukaan logam yang secara mendadak mengurangkan tindak balas selanjutnya.
Perkara utama mengenai pasif nikel:
- Komposisi. Filem pasif biasanya terdiri daripada nikel(Ii) spesies oksida/hidroksida (Nio dan N.(Oh)₂) dan mungkin termasuk oksida valens campuran atau hidroksida bergantung pada pH dan potensi redoks.
- Penyembuhan diri. Jika filem itu rosak secara mekanikal atau dikeluarkan secara tempatan, reformasi pesat berlaku dengan kehadiran oksigen atau spesies pengoksidaan, mewujudkan semula perlindungan.
- Lekatan dan ketumpatan. Berbeza dengan yang mengelupas, oksida besi bukan pelindung (Fe₂O₃/FeOOH) yang tumbuh dan tumpah pada keluli, lapisan oksida nikel adalah padat dan terikat kuat pada substrat, yang menjadikannya penghalang resapan yang berkesan terhadap kemasukan oksigen dan ion selanjutnya.
- Kestabilan termodinamik. Domain kestabilan termodinamik (seperti yang ditunjukkan dalam rajah Pourbaix) menunjukkan bahawa dalam julat luas pH dan nikel berpotensi menyokong oksida pasif dan bukannya larut sebagai Ni²⁺.
Tingkap itu menerangkan mengapa nikel menahan kakisan dalam banyak persekitaran berair.
5. Kinetik dan sifat fizikal yang melambatkan pengoksidaan
Melangkaui kelebihan termodinamik, faktor kinetik menghadkan kakisan:
- Pembentukan nipis yang cepat, filem pelindung. Oksida awal terbentuk dengan cepat, maka pertumbuhan menjadi terhad sendiri kerana resapan spesies ionik melalui oksida adalah perlahan.
- Ketumpatan kecacatan rendah. Filem oksida padat membentangkan lebih sedikit laluan resapan untuk oksigen dan ion logam; pengangkutan ion yang lebih perlahan mengurangkan arus kakisan.
- Kemasan permukaan dan metalurgi. Licin, permukaan nikel yang dikeraskan kerja atau bersalut mempunyai tapak permulaan yang lebih sedikit untuk serangan setempat berbanding dengan permukaan kasar, permukaan berliang.
Penggilap mekanikal, penyaduran tanpa elektro atau elektrolitik boleh meningkatkan rintangan kakisan dengan mengurangkan kecacatan permukaan.
6. Peranan pengaloian, salutan dan struktur mikro
Nikel tulen sudah pasif, tetapi dalam amalan kejuruteraan nikel biasanya digunakan sebagai unsur pengaloian atau sebagai salutan permukaan; penggunaan ini meningkatkan lagi rintangan kakisan.
- Aloi nikel. Bahan seperti Monel, Inconel dan Hastelloy (aloi berasaskan nikel) menggabungkan nikel dengan kromium, Molybdenum, tembaga dan unsur-unsur lain.
Kromium dan molibdenum meningkatkan kestabilan dan kebolehbaikan filem pasif dan memberikan ketahanan yang lebih baik terhadap pitting, kakisan celah dan asid penurun. - Nikel tanpa elektrik dan saduran elektrik. Salutan ini menyediakan berterusan, penghalang padat yang mengasingkan substrat dari persekitaran dan selalunya mempunyai lekatan yang baik dan ketebalan seragam.
- Mikrostruktur. Saiz bijirin, mendakan dan zarah fasa kedua menjejaskan elektrokimia tempatan.
Penyelesaian pepejal homogen tanpa fasa kedua yang memudaratkan mengurangkan sel mikro-galvanik yang sebaliknya akan menggalakkan kakisan setempat.
7. Sempadan alam sekitar — tempat nikel terhakis
Kepasifan nikel mempunyai had. Memahami keadaan yang menjejaskan filem pasif menerangkan bila nikel akan terhakis:
- Serangan dan pitting klorida. Kepekatan klorida yang tinggi (Mis., air laut atau air garam tinggi) boleh menjejaskan kestabilan filem pasif dan menyebabkan kakisan pitting atau celah setempat—terutamanya pada suhu tinggi.
Sesetengah aloi nikel menahan pitting jauh lebih baik daripada nikel tulen kerana kromium dan molibdenum. - Asid penurun yang kuat. Persekitaran asid pengurangan tertentu (Mis., asid hidroklorik, asid sulfurik pada kepekatan dan suhu tertentu) boleh menggalakkan pembubaran aktif nikel.
- Suhu tinggi dan keadaan pengoksidaan. Suhu tinggi mengubah sifat oksida dan boleh mempercepatkan resapan melalui filem, membolehkan kadar kakisan yang lebih tinggi dalam beberapa atmosfera pengoksidaan atau garam cair.
- Persekitaran alkali klorida dan kakisan yang dipengaruhi secara mikrobiologi. Faktor kimia dan biologi gabungan boleh mewujudkan persekitaran mikro yang menyerang filem pasif.
- Gandingan galvanik kepada bahan yang sangat mulia atau geometri reka bentuk tertentu boleh mencipta tapak anodik/katodik tempatan di bawah keadaan yang terhad.
8. Mod kegagalan dan strategi mitigasi
Mod kegagalan biasa untuk nikel dan aloi nikel termasuk pitting, Crevice Corrosion, serangan antara butiran dan kakisan berbantukan tekanan. Strategi mitigasi adalah praktikal dan digunakan dalam reka bentuk dan penyelenggaraan:
- Pemilihan bahan. Pilih aloi nikel yang sesuai (Mis., nikel-kromium untuk persekitaran pengoksidaan, nikel-molibdenum untuk toleransi klorida) dipadankan dengan syarat perkhidmatan.
- Rawatan permukaan. Nikel Electroless, penyaduran nikel, rawatan pasif dan penggilap mengurangkan tapak permulaan dan meningkatkan keseragaman filem.
- Perincian reka bentuk. Elakkan celah-celah, sendi yang ketat, dan zon genangan; menyediakan saliran dan akses untuk pemeriksaan.
- Perlindungan katodik dan anod korban. Dalam sesetengah sistem di mana nikel adalah sebahagian daripada pemasangan pelbagai logam, anod arus atau korban terkesan melindungi logam yang lebih aktif.
Nota: apabila nikel lebih mulia ia tidak akan mendapat manfaat daripada anod korban itu sendiri. - Kawalan alam sekitar dan perencat. Mengawal paras klorida, kandungan oksigen, dan menggunakan perencat kakisan boleh mengekalkan kepasifan.
- Pemeriksaan berkala. Pantau tanda-tanda awal serangan setempat dan pulihkan sebelum penyebaran.
9. Kegunaan industri yang mengeksploitasi tingkah laku kakisan nikel
Kerana nikel membentuk filem pelindung dan menghasilkan aloi yang teguh, ia digunakan secara meluas:
- Penyaduran nikel dan penyaduran elektrik: deposit nikel membentuk menarik, permukaan kalis kakisan pada keluli dan substrat lain (digunakan pada kemasan hiasan dan berfungsi).
- Aloi nikel-base (Inconel, Hastelloy, Monel): digunakan dalam tumbuhan kimia, Turbin gas, penukar haba dan persekitaran marin di mana rintangan kakisan dan prestasi suhu tinggi diperlukan.
- Coinage, pengikat tahan karat dan elektronik: aloi nikel dan nikel digunakan untuk ketahanan dan rintangan kakisan.
- Bateri dan elektrokimia: nikel hidroksida dan nikel oksida ialah bahan elektrod bateri aktif (Ni–MH, Ni–Cd, katod berasaskan ni).
- Pemangkinan dan pemprosesan kimia khusus: permukaan dan aloi nikel adalah pemangkin biasa dan penyokong mangkin.
Pereka bentuk memilih aloi kaya nikel atau nikel untuk aplikasi di mana tingkah laku pasif, kestabilan, dan kadar kakisan yang boleh diramal adalah keutamaan.
10. Perbandingan dengan bahan yang serupa
| Bahan (bentuk tipikal) | Filem pasif / mekanisme | Kadar kakisan am berair biasa (kualitatif) | Pitting / rintangan celah (perkhidmatan klorida) | Adakah Karat? |
| Nikel tulen (komersial Ia adalah) | NiO / Dalam(Oh)₂ filem pasif; penyembuhan diri dalam media pengoksidaan | Rendah | Sederhana - mudah terdedah dalam keadaan panas, klorida pekat | Tidak - tidak membentuk "karat" besi; menghakis melalui pembentukan nikel oksida/hidroksida dan boleh mengalami serangan setempat dalam keadaan yang agresif |
| Aloi berasaskan nikel (Mis., Inconel, Hastelloy, Monel) | Kompleks, oksida campuran yang stabil (dipertingkatkan oleh Cr, Mo, dll.); pasif yang mantap | Sangat rendah | Cemerlang (banyak gred yang direka bentuk untuk rintangan klorida dan asid campuran) | Tidak - tidak boleh membentuk karat besi; sangat kalis kakisan tetapi boleh gagal oleh mod setempat jika pemilihan aloi tidak sesuai |
Keluli tahan karat 304 |
Cr₂O₃ filem pasif (lapisan pasif yang kaya dengan kromium) | Rendah dalam banyak keadaan neutral/atmosfera | Miskin — mudah berlubang/retak dalam persekitaran klorida | Ya (mungkin) — mengandungi besi dan boleh membentuk oksida besi (“karat”) jika filem pasif rosak atau terharu (Mis., klorida tinggi) |
| Keluli tahan karat 316 (L/LM) | Cr₂O₃ dengan penambahan Mo yang meningkatkan kestabilan filem | Rendah | Baik — rintangan klorida yang lebih baik daripada 304 tetapi had terhingga | Ya (kurang berkemungkinan daripada 304) — masih aloi berasaskan besi; berkarat jarang berlaku dalam perkhidmatan sederhana tetapi mungkin jika pasif terjejas |
| Tembaga (Secara murni secara komersil, C11000) | Cu₂O / CuO dan patina stabil dalam banyak persekitaran | Rendah di banyak perairan | Sederhana — serangan setempat dengan halida, Ammonia, sulfida | Tidak - tidak membentuk karat besi; membentuk oksida kuprum/patina dan mengalami bentuk kakisan lain (Pembasmian kuman, mengadu dalam beberapa media) |
Aloi aluminium (5siri xxx/6xxx) |
Al₂O₃ nipis, filem oksida yang melekat | Rendah sederhana (bergantung kepada persekitaran) | Miskin - terdedah kepada pitting dalam media klorida | Tidak - tidak membentuk karat besi; terhakis oleh pembentukan aluminium oksida dan pitting setempat dalam persekitaran halida |
| Titanium (Gred 2 Secara murni secara komersil) | TiO₂ sangat stabil, filem pasif yang melekat | Sangat rendah | Cemerlang — rintangan yang luar biasa terhadap klorida dan serangan celah dalam kebanyakan media berair | Tidak - tidak membentuk karat besi; menunjukkan rintangan kakisan keseluruhan yang luar biasa walaupun kimia tertentu (Mis., fluorida) boleh menyerang titanium |
11. Kesimpulan
Nikel "jarang berkarat" kerana ia menggabungkan keluhuran elektrokimia intrinsik dengan keupayaan untuk membentuk padat, filem oksida/hidroksida pasif melekat yang mengehadkan diri dan menyembuhkan diri.
Rawatan aloi dan permukaan meluaskan lagi tetingkap perkhidmatan selamat. Walau bagaimanapun, nickel’s passivity has defined limits — chlorides, certain acids, high temperatures and poor design can overcome corrosion resistance.
Understanding the thermodynamics (stability domains), kinetics (film formation and transport), metalurgi (microstructure and alloying) and environment (Kimia, suhu, mekanik) is essential to predict performance and to design robust, long-lived components.
Soalan Lazim
Adakah nikel kebal sepenuhnya kepada kakisan?
Tidak. Nickel is resistant to many environments because of passivation, but aggressive chemistries (strong complexing acids, hot chlorides, certain sulphide atmospheres) can corrode nickel or its alloys. Proper alloy selection is essential.
Bagaimana penyaduran nikel melindungi keluli?
Nickel plating acts primarily as a halangan against corrosive agents and, depending on the system, as a noble (katodik) permukaan.
Nickel is more noble than iron; it will not sacrificially protect steel — if the coating is breached, steel can corrode preferentially at the exposed site.
Apakah perbezaan antara rintangan kakisan nikel dan keluli tahan karat?
Keluli tahan karat sangat bergantung pada kandungan kromium untuk membentuk filem pasif Cr₂O₃; aloi nikel dan nikel bergantung kepada NiO/Ni(Oh)₂ filem dan selalunya termasuk Cr, Mo atau Cu untuk meningkatkan perlindungan.
Reka bentuk aloi menentukan bahan yang berprestasi terbaik dalam persekitaran tertentu.
Bolehkah saya menggunakan nikel dalam air laut?
Beberapa aloi nikel (Mis., Monel, aloi Ni–Cu tertentu) berfungsi dengan baik dalam air laut. Yang lain kurang sesuai.
Persekitaran air laut adalah kompleks (klorida, oksigen, biologi); pilih aloi dengan prestasi air laut yang ditunjukkan.
Adakah suhu menjejaskan pasif nikel?
Ya. Suhu tinggi boleh mempercepatkan proses kakisan, menukar keterlarutan oksida, dan dalam beberapa kes menjejaskan kestabilan filem pasif. Rujuk data aloi untuk had perkhidmatan suhu tinggi.
Adakah nikel berkarat?
Tidak - tidak seperti yang dilakukan besi. Nikel tidak membentuk "karat" (oksida besi mengelupas tipikal keluli). Sebaliknya, nikel cepat membangun nipis, padat, filem oksida/hidroksida yang melekat (biasa NiO / Dalam(Oh)₂ dan oksida campuran) yang memasifkan permukaan dan sangat memperlahankan kakisan selanjutnya.
Itu berkata, Nikel boleh terhakis dalam keadaan agresif tertentu (media yang kaya dengan klorida, asid penurun kuat, suhu tinggi, dll.).
