Dlaczego nikiel rzadko rdzewieje?

1. Wstęp

Nikiel „rzadko rdzewieje”, ponieważ ma tendencję do tworzenia cienkiej warstwy, przylegający, oraz wolno rosnącą warstwę powierzchniową tlenku/wodorotlenku, która zapewnia ochronę w wielu warunkach pracy.

Ta warstwa pasywna — zazwyczaj NiO w skali nanometrowej / W(OH)warstwa typu ₂ — radykalnie zmniejsza dalsze rozpuszczanie metalu, blokując bezpośredni kontakt metalu z wodą i spowalniając transport jonów.

Stopowanie, bardzo stabilna termodynamika tworzenia tlenku niklu, i stosunkowo powolna kinetyka utleniania sprawiają, że nikiel i wiele stopów bogatych w nikiel jest wysoce odpornych na korozję w szerokim zakresie atmosfer i środowisk wodnych.

To powiedziało, nikiel nie jest odporny: w niektórych agresywnych mediach i w podwyższonych temperaturach może korodować, a tam, gdzie występują wyjątkowe środowiska, wybiera się specjalne stopy lub powłoki.

2. Co oznacza „rdza”.

„Rdza” to popularne słowo zwykle zarezerwowane dla łuszczących się elementów, porowate tlenki żelaza (wodorotlenki żelaza) powstające, gdy żelazo lub stal węglowa koroduje w obecności wody i tlenu.

Rdza zazwyczaj oznacza nieochronne, obszerne produkty korozji, które umożliwiają ciągły i szybki atak na leżący pod spodem metal.

Kiedy inżynierowie pytają: „Czy nikiel rdzewieje?” zazwyczaj mają na myśli: czy nikiel ulega tej samej formie progresji, samoprzyspieszającą korozję, jaką ma żelazo?

Krótka odpowiedź techniczna: nie — nikiel nie tworzy takich samych łusek, rdza niechroniąca, jaką robi żelazo, ponieważ nikiel tworzy zwarty pasywny tlenek, który ogranicza dalszy atak. Ale nikiel może korodować w warunkach, które niszczą lub rozpuszczają tę warstwę ochronną.

3. Powody atomowe i elektroniczne nikiel jest odporny na korozję

Na poziomie atomowym, odporność na korozję zależy od jak silnie atomy wiążą się z tlenem i jak stabilne są te tlenki termodynamicznie i strukturalnie.

• Struktura elektronowa i wiązanie. Nikiel jest metalem przejściowym z częściowo wypełnionymi orbitalami 3D. Te trójwymiarowe elektrony uczestniczą w wiązaniu się z tlenem, tworząc tlenki i wodorotlenki niklu.
  Termodynamika Ni → NiO (i pokrewne tlenki/wodorotlenki) dają tlenek, który jest stosunkowo stabilny i słabo rozpuszczalny w obojętnej wodzie.
• Kohezja i zwartość tlenku. Struktura krystaliczna NiO i typowe warstwy tlenków/wodorotlenków są zwarte i przylegające, o stosunkowo niskiej porowatości.
  Kontrastuje to z wieloma produktami korozji żelaza (np., FeO·OH) które są porowate i umożliwiają penetrację elektrolitu.
• Niska ruchliwość jonowa. Aby tlenek ochronny był skuteczny, transport jonów (albo kationy metali na zewnątrz, albo tlen/woda do wewnątrz) przez film musi być powolny.
  Tlenki niklu mają wystarczająco niską przewodność jonową w temperaturze otoczenia, że ​​wzrost jest samoograniczający i ochronny.

Ujmując rzecz zwięźle: skład chemiczny niklu sprzyja tworzeniu się a cienki, przylegający, tlenek o niskiej rozpuszczalności a nie obszerny, porowate produkty korozji.

4. Pasywacja: chemia i struktura filmu ochronnego

Dominującym powodem, dla którego nikiel „rzadko rdzewieje” w typowych środowiskach, jest pasywacja — spontaniczne tworzenie się bardzo cienkiej warstwy (nanometr – mikrometr), gęsty, i przylegającą warstwę tlenku/wodorotlenku na powierzchni metalu, która radykalnie ogranicza dalszą reakcję.

Kluczowe punkty dotyczące pasywacji niklu:

• Kompozycja. Folia pasywna składa się zazwyczaj z niklu(II) formy tlenkowe/wodorotlenkowe (Nio i N.(OH)₂) i może zawierać mieszane tlenki lub wodorotlenki walencyjne, w zależności od pH i potencjału redoks.
• Samoleczenie. Jeżeli folia jest uszkodzona mechanicznie lub miejscowo usunięta, szybka reformacja zachodzi w obecności tlenu lub substancji utleniających, przywrócenia ochrony.
• Przyczepność i gęstość. W przeciwieństwie do łuszczącego się, nieochronne tlenki żelaza (Fe₂O₃/FeOOH) które rosną i odpryskują na stali, Warstwa tlenku niklu jest zwarta i ściśle związana z podłożem, co czyni go skuteczną barierą dyfuzyjną chroniącą przed dalszym wnikaniem tlenu i jonów.
• Stabilność termodynamiczna. Domeny stabilności termodynamicznej (jak pokazano na diagramach Pourbaix) pokazują, że w szerokim zakresie pH i potencjału nikiel obsługuje pasywny tlenek, zamiast rozpuszczać się w postaci Ni²⁺.
  To okno wyjaśnia, dlaczego nikiel jest odporny na korozję w wielu środowiskach wodnych.

5. Kinetyka i właściwości fizyczne spowalniające utlenianie

Poza korzystnością termodynamiczną, czynniki kinetyczne ograniczają korozję:

• Szybkie tworzenie cienkiej warstwy, folia ochronna. Początkowy tlenek tworzy się szybko, wówczas wzrost staje się samoograniczający, ponieważ dyfuzja związków jonowych przez tlenek jest powolna.
• Niska gęstość defektów. Gęsta warstwa tlenku zapewnia mniej dróg dyfuzji tlenu i jonów metali; wolniejszy transport jonów zmniejsza prąd korozji.
• Wykończenie powierzchni i metalurgia. Gładki, powierzchnie utwardzane przez zgniot lub platerowane niklem mają mniej miejsc inicjacji miejscowego ataku w porównaniu z powierzchniami szorstkimi, porowate powierzchnie.
  Polerowanie mechaniczne, Powlekanie bezprądowe lub elektrolityczne może poprawić odporność na korozję poprzez redukcję wad powierzchniowych.

6. Rola stopowania, powłoki i mikrostruktura

Czysty nikiel już pasywuje, jednak w praktyce inżynierskiej nikiel jest powszechnie stosowany jako pierwiastek stopowy lub jako powłoka powierzchniowa; zastosowania te dodatkowo zwiększają odporność na korozję.

• Stopy niklu. Materiały takie jak Monel, Inconel i Hastelloy (Stopy na bazie niklu) łączyć nikiel z chromem, molibden, miedź i inne pierwiastki.
  Chrom i molibden zwiększają stabilność i łatwość naprawy folii pasywnej oraz zapewniają lepszą odporność na wżery, korozję szczelinową i kwasy redukujące.
• Nikiel bezprądowy i galwaniczny. Powłoki te zapewniają ciągłość, gęstą barierę izolującą podłoże od otoczenia, często charakteryzującą się dobrą przyczepnością i jednolitą grubością.
• Mikrostruktura. Wielkość ziarna, wytrąca się, a cząstki drugiej fazy wpływają na lokalną elektrochemię.
  Jednorodne roztwory stałe bez szkodliwych drugich faz redukują liczbę ogniw mikrogalwanicznych, które w przeciwnym razie sprzyjałyby miejscowej korozji.

7. Granice środowiska — gdzie nikiel ulega korozji

Bierność Nickela ma swoje granice. Zrozumienie warunków zagrażających folii pasywnej wyjaśnia, kiedy nikiel ulegnie korozji:

• Atak chlorków i wżery. Wysokie stężenia chlorków (np., woda morska lub solanki wysokosolne) może destabilizować folie pasywne i powodować miejscową korozję wżerową lub szczelinową – szczególnie w podwyższonych temperaturach.
  Niektóre stopy niklu są odporne na wżery znacznie lepiej niż czysty nikiel ze względu na chrom i molibden.
• Silne kwasy redukujące. Pewne redukujące środowiska kwasowe (np., kwas chlorowodorowy, kwas siarkowy w określonych stężeniach i temperaturach) może sprzyjać aktywnemu rozpuszczaniu niklu.
• Wysoka temperatura i warunki utleniające. Podwyższone temperatury zmieniają właściwości tlenku i mogą przyspieszyć dyfuzję przez folie, umożliwiając wyższą szybkość korozji w niektórych atmosferach utleniających lub stopionych solach.
• Środowiska alkaliczne zawierające chlorki i korozja pod wpływem mikrobiologii. Połączone czynniki chemiczne i biologiczne mogą stworzyć mikrośrodowisko atakujące folię pasywną.
• Sprzężenie galwaniczne z bardzo szlachetnymi materiałami lub szczególną geometrią konstrukcyjną może tworzyć lokalne miejsca anodowe/katodowe w ograniczonych warunkach.

8. Tryby awarii i strategie łagodzenia

Typowe przyczyny awarii niklu i stopów niklu obejmują wżery, korozja szczelinowa, atak międzykrystaliczny i korozja wspomagana naprężeniami. Strategie łagodzące są praktyczne i stosowane w projektowaniu i konserwacji:

• Wybór materiału. Wybierz odpowiedni stop niklu (np., nikiel-chrom do środowisk utleniających, nikiel-molibden dla tolerancji chlorków) dopasowane do warunków świadczenia usług.
• Obróbka powierzchni. Netroziemienny nikiel, niklowanie, pasywacja i polerowanie redukują miejsca inicjacji i poprawiają jednorodność powłoki.
• Szczegóły projektu. Unikaj szczelin, ciasne stawy, i strefy stagnacji; zapewnić drenaż i dostęp w celu kontroli.
• Ochrona katodowa i anody protektorowe. W niektórych systemach, w których nikiel jest częścią zespołu wielometalowego, pod wrażeniem prądu lub anody protektorowe chronią bardziej aktywne metale.
  Notatka: gdy nikiel jest bardziej szlachetny, nie skorzysta z samych anod protektorowych.
• Kontrola środowiska i inhibitory. Kontrolowanie poziomu chlorków, zawartość tlenu, a stosowanie inhibitorów korozji może zachować pasywność.
• Regularna kontrola. Monitoruj pod kątem wczesnych oznak zlokalizowanego ataku i reaguj przed rozprzestrzenianiem się.

9. Zastosowania przemysłowe wykorzystujące właściwości korozyjne niklu

Ponieważ nikiel tworzy powłoki ochronne i daje wytrzymałe stopy, jest szeroko stosowany:

• Niklowanie i galwanizacja: Złoża niklu tworzą atrakcyjne, powierzchnie odporne na korozję na stali i innych podłożach (stosowany na wykończeniach dekoracyjnych i funkcjonalnych).
• Stopy na bazie niklu (Inconel, Hastelloy, Monel): stosowany w zakładach chemicznych, Turbiny gazowe, wymienniki ciepła i środowiska morskie, gdzie wymagana jest odporność na korozję i działanie w wysokich temperaturach.
• Waluta, elementy złączne i elektronika ze stali nierdzewnej: nikiel i stopy niklu są stosowane ze względu na trwałość i odporność na korozję.
• Baterie i elektrochemia: wodorotlenek niklu i tlenki niklu są aktywnymi materiałami na elektrody akumulatorów (Ni–MH, Ni-Cd, katody na bazie niklu).
• Kataliza i specjalistyczna obróbka chemiczna: powierzchnie i stopy niklu są powszechnymi katalizatorami i nośnikami katalizatorów.

Projektanci wybierają nikiel lub stopy bogate w nikiel do zastosowań, w których zachowanie pasywne, stabilność, i przewidywalną szybkość korozji są priorytetami.

10. Porównanie z podobnymi materiałami

11. Wniosek

Nikiel „rzadko rdzewieje”, ponieważ łączy w sobie wewnętrzną szlachetność elektrochemiczną ze zdolnością do tworzenia gęstej masy, przylegająca, pasywna warstwa tlenku/wodorotlenku, która jest samoograniczająca i samoregenerująca.

Dodawanie stopów i obróbka powierzchni dodatkowo poszerzają okno bezpiecznej obsługi. Jednakże, Pasywność niklu ma określone granice — chlorki, niektóre kwasy, wysokie temperatury i zła konstrukcja mogą pokonać odporność na korozję.

Zrozumienie termodynamiki (domeny stabilności), kinetyka (tworzenie i transport filmu), metalurgia (mikrostruktura i stopowanie) i środowisko (chemia, temperatura, mechanika) jest niezbędne do przewidywania wydajności i projektowania solidnych, elementy o długiej żywotności.

 

Często zadawane pytania

Czy nikiel jest całkowicie odporny na korozję?

NIE. Nikiel jest odporny na wiele środowisk ze względu na pasywację, ale agresywna chemia (silne kwasy kompleksujące, gorące chlorki, niektóre atmosfery siarczkowe) może powodować korozję niklu i jego stopów. Niezbędny jest odpowiedni dobór stopu.

W jaki sposób niklowanie chroni stal??

Niklowanie działa przede wszystkim jako bariera przed czynnikami korozyjnymi i, w zależności od systemu, jako szlachcic (katodowy) powierzchnia.

Nikiel jest bardziej szlachetny niż żelazo; nie ochroni stali w sposób ofiarny – jeśli powłoka zostanie naruszona, stal może korodować przede wszystkim w odsłoniętym miejscu.

Jaka jest różnica między odpornością na korozję niklu i stali nierdzewnej?

Stale nierdzewne w dużej mierze opierają się na zawartości chromu, tworząc pasywne powłoki Cr₂O₃; nikiel i stopy niklu opierają się na NiO/Ni(OH)₂ filmy i często zawierają Cr, Mo lub Cu w celu zwiększenia ochrony.

Konstrukcja stopu określa, który materiał sprawdza się najlepiej w danym środowisku.

Czy mogę używać niklu w wodzie morskiej??

Niektóre stopy niklu (np., Monel, niektóre stopy Ni–Cu) dobrze radzą sobie w wodzie morskiej. Inne są mniej odpowiednie.

Środowisko wody morskiej jest złożone (chlorki, tlen, biologia); wybierz stopy o udowodnionej wydajności w wodzie morskiej.

Czy temperatura wpływa na pasywację niklu??

Tak. Podwyższona temperatura może przyspieszyć procesy korozyjne, zmienić rozpuszczalność tlenków, a w niektórych przypadkach destabilizują folie pasywne. Sprawdź dane dotyczące stopów, aby poznać limity pracy w wysokich temperaturach.

Czy nikiel rdzewieje?

Nie – nie w taki sposób, w jaki robi to żelazo. Nikiel nie tworzy „rdzy” (łuszczący się tlenek żelaza typowy dla stali). Zamiast, nikiel szybko staje się cienki, gęsty, przylegającą warstwę tlenku/wodorotlenku (powszechnie NiO / W(OH)₂ i tlenki mieszane) który pasywuje powierzchnię i znacznie spowalnia dalszą korozję.

To powiedziało, nikiel Móc korodować w pewnych agresywnych warunkach (podłoża bogate w chlorki, silne kwasy redukujące, wysokie temperatury, itp.).