Hvorfor nikkel sjelden ruster?

1. Introduksjon

Nikkel "ruster sjelden" fordi det har en tendens til å danne en tynn, tilhenger, og saktevoksende oksid/hydroksid overflatelag som er beskyttende under mange bruksforhold.

Den passive filmen - vanligvis en NiO i nanometerskala / I(Å)₂-type lag - reduserer dramatisk ytterligere metalloppløsning ved å blokkere direkte metall-vann-kontakt og ved å bremse ionetransport.

Legering, meget stabil termodynamikk for nikkeloksiddannelse, og relativt langsom oksidasjonskinetikk kombineres for å gjøre nikkel og mange nikkelrike legeringer svært korrosjonsbestandige i et bredt spekter av atmosfærer og vannholdige miljøer.

Når det er sagt, nikkel er ikke immun: i noen aggressive medier og ved høye temperaturer kan det korrodere, og spesielle legeringer eller belegg velges der eksepsjonelle miljøer forekommer.

2. Hva betyr "rust".

"Rust" er et vanlig ord som vanligvis er reservert for flakete, porøse jernoksider (jernoksyhydroksider) som dannes når jern eller karbonstål korroderer i nærvær av vann og oksygen.

Rust betegner vanligvis ikke-beskyttende, voluminøse korrosjonsprodukter som tillater fortsatt raskt angrep av det underliggende metallet.

Når ingeniører spør «ruster nikkel?" mener de vanligvis: gjennomgår nikkel den samme formen for progressiv, selvakselererende korrosjon som jern gjør?

Det korte tekniske svaret: nei — nikkel danner ikke den samme flassende, ikke-beskyttende rust som jern gjør, fordi nikkel danner et kompakt passivt oksid som begrenser videre angrep. Men nikkel kan korrodere under forhold som ødelegger eller løser opp det beskyttende laget.

3. Atomiske og elektroniske grunner til at nikkel motstår korrosjon

På atomnivå, korrosjonsbestandighet avhenger av hvor sterkt atomer binder seg til oksygen og hvor stabile disse oksidene er termodynamisk og strukturelt.

• Elektronisk struktur og binding. Nikkel er et overgangsmetall med delvis fylte 3d-orbitaler. Disse 3d-elektronene deltar i bindingen til oksygen for å danne nikkeloksider og hydroksyder.
  Termodynamikken til Ni→NiO (og relaterte oksider/hydroksider) gi et oksid som er relativt stabilt og lite løselig i nøytralt vann.
• Oksydkohesjon og kompakthet. Krystallstrukturen til NiO og de typiske oksid/hydroksid-lagene er kompakte og festende, med relativt lav porøsitet.
  Dette står i kontrast til mange jernkorrosjonsprodukter (F.eks., FeO·OH) som er porøse og tillater elektrolyttpenetrering.
• Lav ionisk mobilitet. For at et beskyttende oksid skal være effektivt, transport av ioner (enten metallkationer utover eller oksygen/vann innover) gjennom filmen må være sakte.
  Nikkeloksider har tilstrekkelig lav ionisk ledningsevne ved omgivelsestemperaturer til at veksten er selvbegrensende og beskyttende.

Kort sagt: nikkels kjemi favoriserer dannelsen av en tynn, tilhenger, lavløselig oksid heller enn voluminøs, porøse korrosjonsprodukter.

4. Passivering: kjemi og struktur av den beskyttende filmen

Den dominerende årsaken til at nikkel "sjelden ruster" i vanlige miljøer er passivering - den spontane dannelsen av en veldig tynn (nanometer–mikrometer), tett, og vedheftende oksid/hydroksidlag på metalloverflaten som dramatisk reduserer ytterligere reaksjon.

Nøkkelpunkter om nikkelpassivering:

• Sammensetning. Den passive filmen er vanligvis sammensatt av nikkel(II) oksid/hydroksidarter (Nio og N.(Å)₂) og kan inkludere blandede valensoksider eller hydroksider avhengig av pH og redokspotensial.
• Selvheling. Hvis filmen er mekanisk skadet eller lokalt fjernet, rask reformering skjer i nærvær av oksygen eller oksiderende stoffer, reetablere beskyttelse.
• Vedheft og tetthet. I motsetning til den flassete, ikke-beskyttende jernoksider (Fe2O3/FeOOH) som vokser og spruter på stål, nikkels oksidlag er kompakt og tett bundet til underlaget, som gjør den til en effektiv diffusjonsbarriere mot ytterligere oksygen og ioneinntrengning.
• Termodynamisk stabilitet. De termodynamiske stabilitetsdomenene (som representert i Pourbaix-diagrammer) viser at over et bredt spekter av pH og potensiell nikkel støtter et passivt oksid i stedet for å løses opp som Ni²⁺.
  Dette vinduet forklarer hvorfor nikkel motstår korrosjon i mange vannholdige miljøer.

5. Kinetikk og fysiske egenskaper som bremser oksidasjon

Utover termodynamisk favorisering, kinetiske faktorer begrenser korrosjon:

• Rask dannelse av en tynn, beskyttende film. Det første oksidet dannes raskt, da blir veksten selvbegrensende fordi diffusjon av ioniske arter gjennom oksidet er langsom.
• Lav defekttetthet. En tett oksidfilm presenterer færre diffusjonsveier for oksygen og metallioner; langsommere ionetransport reduserer korrosjonsstrømmen.
• Overflatefinish og metallurgi. Glatt, arbeidsherdede eller belagte nikkeloverflater har færre initieringssteder for lokalisert angrep sammenlignet med ru, porøse overflater.
  Mekanisk polering, strømløs eller elektrolytisk plettering kan forbedre korrosjonsmotstanden ved å redusere overflatedefekter.

6. Rollen til legering, belegg og mikrostruktur

Rent nikkel passiveres allerede, men i ingeniørpraksis er nikkel ofte brukt som et legeringselement eller som overflatebelegg; disse bruksområdene øker korrosjonsmotstanden ytterligere.

• Nikkellegeringer. Materialer som Monel, Inconel og Hastelloy (Nikkelbaserte legeringer) kombinere nikkel med krom, Molybden, kobber og andre elementer.
  Krom og molybden øker stabiliteten og reparerbarheten til den passive filmen og gir forbedret motstand mot gropdannelse, spaltekorrosjon og reduserende syrer.
• Elektroløs og galvanisert nikkel. Disse beleggene gir en kontinuerlig, tett barriere som isolerer underlaget fra omgivelsene og har ofte god vedheft og jevn tykkelse.
• Mikrostruktur. Kornstørrelse, utfellinger og andrefasepartikler påvirker lokal elektrokjemi.
  Homogene faste løsninger uten skadelige andre faser reduserer mikro-galvaniske celler som ellers ville fremme lokal korrosjon.

7. Miljøgrenser - der nikkel korroderer

Nikkels passivitet har grenser. Å forstå forhold som kompromitterer den passive filmen forklarer når nikkel vil korrodere:

• Kloridangrep og pitting. Høye kloridkonsentrasjoner (F.eks., sjøvann eller saltlake) kan destabilisere passive filmer og forårsake lokalisert gropdannelse eller sprekkkorrosjon - spesielt ved høye temperaturer.
  Noen nikkellegeringer motstår gropdannelse mye bedre enn ren nikkel på grunn av krom og molybden.
• Sterkt reduserende syrer. Visse reduserende sure miljøer (F.eks., saltsyre, svovelsyre ved spesielle konsentrasjoner og temperaturer) kan fremme aktiv oppløsning av nikkel.
• Høy temperatur og oksiderende forhold. Høye temperaturer endrer oksidegenskaper og kan akselerere diffusjon gjennom filmer, muliggjør høyere korrosjonshastigheter i enkelte oksiderende atmosfærer eller smeltede salter.
• Alkaliske kloridmiljøer og mikrobiologisk påvirket korrosjon. Kombinerte kjemiske og biologiske faktorer kan skape mikromiljøer som angriper den passive filmen.
• Galvanisk kobling til svært edle materialer eller spesielle designgeometrier kan skape lokale anodiske/katodiske steder under begrensede forhold.

8. Feilmoduser og avbøtende strategier

Vanlige feilmoduser for nikkel og nikkellegeringer inkluderer gropdannelse, sprekk korrosjon, intergranulært angrep og spenningsassistert korrosjon. Avbøtende strategier er praktiske og brukes i design og vedlikehold:

• Materiell valg. Velg en passende nikkellegering (F.eks., nikkel-krom for oksiderende miljøer, nikkel-molybden for kloridtoleranse) samsvarer med tjenestebetingelsene.
• Overflatebehandlinger. Elektroløs nikkel, nikkelplating, passiveringsbehandlinger og polering reduserer initieringssteder og forbedrer filmens jevnhet.
• Designdetaljer. Unngå sprekker, tette ledd, og stagnasjonssoner; sørge for drenering og adkomst for inspeksjon.
• Katodisk beskyttelse og offeranoder. I noen systemer der nikkel er en del av en multimetallsammenstilling, imponerte strøm- eller offeranoder beskytter mer aktive metaller.
  Note: når nikkel er mer edelt, vil det ikke ha nytte av selve offeranoder.
• Miljøkontroll og inhibitorer. Kontroll av kloridnivåer, oksygeninnhold, og bruk av korrosjonshemmere kan bevare passiviteten.
• Regelmessig inspeksjon. Overvåk for tidlige tegn på lokalisert angrep og utbedring før forplantning.

9. Industriell bruk som utnytter nikkels korrosjonsadferd

Fordi nikkel danner beskyttende filmer og gir robuste legeringer, det brukes mye:

• Nikkelbelegg og galvanisering: nikkelforekomster danner attraktive, korrosjonsbestandige overflater på stål og andre underlag (brukes på dekorative og funksjonelle overflater).
• Nikkelbaserte legeringer (Inconel, Hastelloy, Monel): brukes i kjemiske anlegg, Gassturbiner, varmevekslere og marine miljøer hvor korrosjonsbestandighet og høytemperaturytelse er nødvendig.
• Mynt, rustfrie fester og elektronikk: nikkel og nikkellegeringer brukes for holdbarhet og korrosjonsbestandighet.
• Batterier og elektrokjemi: nikkelhydroksid og nikkeloksider er aktive batterielektrodematerialer (Ni–MH, Ni-Cd, ni-baserte katoder).
• Katalyse og spesialkjemisk prosessering: nikkeloverflater og legeringer er vanlige katalysatorer og katalysatorbærere.

Designere velger nikkel eller nikkelrike legeringer for applikasjoner hvor passiv oppførsel, stabilitet, og forutsigbare korrosjonshastigheter er prioriteringer.

10. Sammenligning med lignende materialer

11. Konklusjon

Nikkel "ruster sjelden" fordi det kombinerer iboende elektrokjemisk adel med evnen til å danne en tett, vedheftende passiv oksid/hydroksidfilm som er selvbegrensende og selvhelbredende.

Legering og overflatebehandling utvider det sikre servicevinduet ytterligere. Imidlertid, nikkels passivitet har definerte grenser - klorider, visse syrer, høye temperaturer og dårlig design kan overvinne korrosjonsbestandighet.

Forstå termodynamikken (stabilitetsdomener), kinetikk (filmdannelse og transport), metallurgi (mikrostruktur og legering) og miljø (kjemi, temperatur, Mekanikk) er avgjørende for å forutsi ytelse og for å designe robust, komponenter med lang levetid.

 

Vanlige spørsmål

Er nikkel helt immun mot korrosjon?

Ingen. Nikkel er motstandsdyktig mot mange miljøer på grunn av passivering, men aggressiv kjemi (sterke kompleksdannende syrer, varme klorider, visse sulfidatmosfærer) kan korrodere nikkel eller dets legeringer. Riktig valg av legering er viktig.

Hvordan beskytter nikkelbelegg stål?

Fornikling fungerer først og fremst som en barriere mot etsende midler og, avhengig av systemet, som adelsmann (katodisk) flate.

Nikkel er mer edelt enn jern; det vil ikke ofre stål - hvis belegget brytes, stål kan fortrinnsvis korrodere på det utsatte stedet.

Hva er forskjellen mellom nikkel og rustfritt stål korrosjonsbestandighet?

Rustfritt stål er sterkt avhengig av krominnhold for å danne Cr₂O₃ passive filmer; nikkel og nikkellegeringer er avhengige av NiO/Ni(Å)₂ filmer og inkluderer ofte Cr, Mo eller Cu for å forbedre beskyttelsen.

Legeringsdesign avgjør hvilket materiale som fungerer best i et gitt miljø.

Kan jeg bruke nikkel i sjøvann?

Noen nikkellegeringer (F.eks., Monel, visse Ni-Cu-legeringer) fungerer godt i sjøvann. Andre er mindre egnet.

Sjøvannsmiljøer er komplekse (klorider, oksygen, biologi); velg legeringer med demonstrert sjøvannsytelse.

Påvirker temperaturen nikkelpassivering?

Ja. Høy temperatur kan akselerere korrosjonsprosesser, endre oksidløseligheter, og i noen tilfeller destabilisere passive filmer. Se legeringsdata for servicegrenser for høye temperaturer.

Ruster nikkel?

Nei – ikke på den måten jern gjør. Nikkel danner ikke "rust" (det flassete jernoksidet som er typisk for stål). I stedet, nikkel utvikler raskt en tynn, tett, vedheftende oksid/hydroksidfilm (vanligvis NiO / I(Å)₂ og blandede oksider) som passiviserer overflaten og bremser ytterligere korrosjon betydelig.

Når det er sagt, nikkel kan korroderer under visse aggressive forhold (kloridrike medier, sterke reduserende syrer, høye temperaturer, etc.).