Почему никель редко ржавеет?

1. Введение

Никель «редко ржавеет», потому что имеет тенденцию образовывать тонкую, приверженец, и медленнорастущий поверхностный слой оксидов/гидроксидов, обеспечивающий защиту во многих условиях эксплуатации..

Эта пассивная пленка — обычно NiO нанометрового размера. / В(ОЙ)Слой ₂-типа — значительно снижает дальнейшее растворение металла, блокируя прямой контакт металл-вода и замедляя ионный транспорт..

Легирование, очень стабильная термодинамика для образования оксида никеля, и относительно медленная кинетика окисления в совокупности делают никель и многие богатые никелем сплавы очень устойчивыми к коррозии в широком диапазоне атмосфер и водных сред..

Тем не менее, никель не застрахован: в некоторых агрессивных средах и при повышенных температурах может подвергаться коррозии, и специальные сплавы или покрытия выбираются в исключительных условиях..

2. Что означает слово «ржавчина»

«Ржавчина» — это обычное слово, обычно обозначающее шелушащуюся, пористые оксиды железа (оксигидроксиды железа) которые образуются при коррозии железа или углеродистой стали в присутствии воды и кислорода..

Ржавчина обычно означает незащитный, объемные продукты коррозии, которые позволяют продолжать быстрое воздействие на основной металл.

Когда инженеры спрашивают: «Ржавеет ли никель?»?они обычно означают: подвергается ли никель такой же форме прогрессивного изменения?, самоускоряющаяся коррозия, которую вызывает железо?

Краткий технический ответ: нет — никель не образует такого же чешуйчатого вещества, незащитная ржавчина, которую наносит железо, потому что никель образует компактный пассивный оксид, который ограничивает дальнейшее воздействие. Но никель может корродировать в условиях, которые разрушают или растворяют этот защитный слой..

3. Атомные и электронные причины устойчивости никеля к коррозии

На атомном уровне, коррозионная стойкость зависит от насколько прочно атомы связаны с кислородом и насколько стабильны эти оксиды термодинамически и структурно.

• Электронная структура и связь. Никель — переходный металл с частично заполненными 3d-орбиталями.. Эти 3d-электроны участвуют в связывании с кислородом с образованием оксидов и гидроксидов никеля..
  Термодинамика Ni→NiO (и родственные оксиды/гидроксиды) дают оксид, который относительно стабилен и плохо растворяется в нейтральной воде..
• Оксидная когезия и компактность. Кристаллическая структура NiO и типичные оксидно-гидроксидные слои компактны и прочны., с относительно низкой пористостью.
  Это контрастирует со многими продуктами коррозии железа. (например, FeO·OH) которые являются пористыми и допускают проникновение электролита..
• Низкая ионная подвижность. Чтобы защитный оксид был эффективным, транспорт ионов (либо катионы металлов наружу, либо кислород/вода внутрь) фильм должен быть медленным.
  Оксиды никеля имеют достаточно низкую ионную проводимость при температуре окружающей среды, поэтому рост является самоограничивающимся и защитным..

Короче говоря: химический состав никеля способствует образованию тонкий, приверженец, малорастворимый оксид а не объемный, пористые продукты коррозии.

4. Пассивация: химия и структура защитной пленки

Основная причина, по которой никель «редко ржавеет» в обычных средах, — это пассивация — самопроизвольное образование очень тонкой пластинки. (нанометр-микрометр), плотный, и прочный оксидно-гидроксидный слой на поверхности металла, который значительно снижает дальнейшую реакцию..

Ключевые моменты о пассивации никеля:

• Состав. Пассивная пленка обычно состоит из никеля.(II) виды оксидов/гидроксидов (Нио и Н.(ОЙ)₂) и может включать оксиды или гидроксиды смешанной валентности в зависимости от pH и окислительно-восстановительного потенциала..
• Самовосстановление. Если пленка механически повреждена или локально удалена, быстрое реформирование происходит в присутствии кислорода или окислителей., восстановление защиты.
• Адгезия и плотность. В отличие от слоеного, незащитные оксиды железа (Fe₂O₃/FeOOH) которые растут и раскалываются на стали, слой оксида никеля компактен и прочно связан с подложкой., что делает его эффективным диффузионным барьером против дальнейшего проникновения кислорода и ионов..
• Термодинамическая стабильность. Области термодинамической устойчивости (как показано на диаграммах Пурбе) показывают, что в широком диапазоне pH и потенциала никель поддерживает пассивный оксид, а не растворяется в виде Ni²⁺..
  Это окно объясняет, почему никель устойчив к коррозии во многих водных средах..

5. Кинетика и физические свойства, замедляющие окисление

За пределами термодинамической благоприятности, кинетические факторы ограничивают коррозию:

• Быстрое образование тонкой, защитная пленка. Исходный оксид образуется быстро, затем рост становится самоограничивающимся, поскольку диффузия ионных частиц через оксид происходит медленно..
• Низкая плотность дефектов. Плотная оксидная пленка обеспечивает меньше путей диффузии для ионов кислорода и металлов.; более медленный транспорт ионов уменьшает ток коррозии.
• Поверхностная обработка и металлургия. Гладкий, упрочненные или покрытые никелем поверхности имеют меньше мест возникновения локализованного воздействия по сравнению с шероховатыми, пористые поверхности.
  Механическая полировка, Химическое или электролитическое покрытие может улучшить коррозионную стойкость за счет уменьшения поверхностных дефектов..

6. Роль легирования, покрытия и микроструктура

Чистый никель уже пассивируется, но в инженерной практике никель обычно используется в качестве легирующего элемента или поверхностного покрытия.; эти применения еще больше повышают устойчивость к коррозии..

• Никелевые сплавы. Такие материалы, как монель, Инконель и Хастеллой (На основе никеля сплавы) соединить никель с хромом, молибден, медь и другие элементы.
  Хром и молибден повышают стабильность и ремонтопригодность пассивной пленки и обеспечивают повышенную устойчивость к точечной коррозии., щелевая коррозия и восстановительные кислоты.
• Химический и гальванический никель. Эти покрытия обеспечивают непрерывную, плотный барьер, который изолирует подложку от окружающей среды и часто имеет хорошую адгезию и одинаковую толщину..
• Микроструктура. Размер зерна, осадки и частицы второй фазы влияют на локальную электрохимию.
  Гомогенные твердые растворы без вредных вторых фаз уменьшают количество микрогальванических элементов, которые в противном случае способствовали бы локализованной коррозии..

7. Границы окружающей среды: где никель подвергается коррозии

Пассивность никеля имеет пределы. Понимание условий, которые ставят под угрозу пассивную пленку, объясняет, когда никель будет корродировать.:

• Хлоридная атака и питтинг. Высокие концентрации хлоридов (например, морская вода или рассолы с высоким содержанием соли) может дестабилизировать пассивные пленки и вызвать локальную точечную или щелевую коррозию, особенно при повышенных температурах..
  Некоторые никелевые сплавы противостоят точечной коррозии гораздо лучше, чем чистый никель, из-за содержания хрома и молибдена..
• Сильные восстановительные кислоты. Определенные восстановительные кислотные среды (например, соляная кислота, серная кислота при определенных концентрациях и температурах) может способствовать активному растворению никеля.
• Высокая температура и окислительные условия. Повышенные температуры изменяют свойства оксидов и могут ускорить диффузию через пленки., обеспечение более высоких скоростей коррозии в некоторых окислительных атмосферах или расплавленных солях.
• Щелочная хлоридная среда и микробиологическая коррозия. Комбинированные химические и биологические факторы могут создавать микросреду, разрушающую пассивную пленку..
• Гальваническая связь с очень благородными материалами или особой геометрией конструкции. может создавать локальные анодные/катодные центры в ограниченных условиях.

8. Виды отказов и стратегии смягчения последствий

Распространенные виды отказов никеля и никелевых сплавов включают питтинг., щелевая коррозия, межкристаллитная атака и коррозия под напряжением. Стратегии смягчения последствий практичны и используются при проектировании и обслуживании.:

• Выбор материала. Выберите подходящий никелевый сплав (например, никель-хром для окислительных сред, никель-молибден для устойчивости к хлоридам) соответствует условиям эксплуатации.
• Обработка поверхности. Электролетический никель, никелирование, Пассивная обработка и полировка уменьшают количество мест инициирования и улучшают однородность пленки..
• Детали дизайна. Избегайте щелей, плотные суставы, и зоны застоя; обеспечить дренаж и доступ для осмотра.
• Катодная защита и жертвенные аноды. В некоторых системах, где никель является частью многометаллического узла., наложенный ток или жертвенные аноды защищают более активные металлы.
  Примечание: когда никель более благороден, жертвенные аноды сами по себе не принесут пользы..
• Экологический контроль и ингибиторы. Контроль уровня хлоридов, содержание кислорода, а использование ингибиторов коррозии позволяет сохранить пассивность.
• Регулярный осмотр. Отслеживайте ранние признаки локализованных атак и устраняйте их до распространения..

9. Промышленное использование, использующее коррозионное поведение никеля.

Потому что никель образует защитные пленки и дает прочные сплавы., он широко используется:

• Никелирование и гальваника: Месторождения никеля формируют привлекательные, коррозионностойкие поверхности на стали и других основаниях (используется для декоративной и функциональной отделки.).
• Сплавы на основе никеля (Инконель, Хастеллой, Монель): используется на химических заводах, газовые турбины, теплообменники и морская среда, где требуются коррозионная стойкость и высокотемпературные характеристики.
• Чеканка монет, крепеж и электроника из нержавеющей стали: никель и никелевые сплавы используются для долговечности и коррозионной стойкости..
• Батареи и электрохимия: гидроксид никеля и оксиды никеля являются активными материалами электродов аккумуляторной батареи. (Ni–MH, Ni–Cd, катоды на основе никеля).
• Катализ и специальная химическая обработка: Поверхности и сплавы никеля являются обычными катализаторами и носителями катализаторов..

Конструкторы выбирают никель или сплавы с высоким содержанием никеля для применений, где пассивное поведение, стабильность, и предсказуемая скорость коррозии являются приоритетами.

10. Сравнение с аналогичными материалами

11. Заключение

Никель «редко ржавеет», поскольку сочетает в себе электрохимическое благородство со способностью образовывать плотную, адгезионная пассивная оксидно-гидроксидная пленка, которая является самоограничивающейся и самовосстанавливающейся.

Легирование и обработка поверхности еще больше расширяют окно безопасного обслуживания.. Однако, пассивность никеля имеет определенные пределы — хлориды, определенные кислоты, высокие температуры и плохая конструкция могут преодолеть коррозионную стойкость.

Понимание термодинамики (области стабильности), кинетика (формирование и транспортировка пленки), металлургия (микроструктура и легирование) и окружающая среда (химия, температура, механика) имеет важное значение для прогнозирования производительности и проектирования надежных, долгоживущие компоненты.

 

Часто задаваемые вопросы

Является ли никель полностью невосприимчивым к коррозии??

Нет. Никель устойчив ко многим средам благодаря пассивации., но агрессивная химия (сильные комплексообразующие кислоты, горячие хлориды, определенные сульфидные атмосферы) может разъедать никель или его сплавы. Правильный выбор сплава имеет важное значение.

Как никелирование защищает сталь?

Никелирование действует, прежде всего, как барьер против коррозионно-активных веществ и, в зависимости от системы, как дворянин (катодный) поверхность.

Никель более благороден, чем железо.; он не защитит сталь жертвенно — если покрытие будет повреждено, сталь может корродировать преимущественно на открытом месте.

В чем разница между коррозионной стойкостью никеля и нержавеющей стали?

Нержавеющие стали в значительной степени зависят от содержания хрома, образующего пассивные пленки Cr₂O₃.; никель и никелевые сплавы основаны на NiO/Ni.(ОЙ)₂ пленки и часто включают Cr, Mo или Cu для усиления защиты.

Конструкция сплава определяет, какой материал лучше всего работает в данной среде..

Могу ли я использовать никель в морской воде??

Некоторые никелевые сплавы (например, Монель, некоторые сплавы Ni-Cu) хорошо работать в морской воде. Другие менее подходят.

Среда морской воды сложна (хлориды, кислород, биология); выбирать сплавы с доказанными характеристиками морской воды.

Влияет ли температура на пассивацию никеля?

Да. Повышенная температура может ускорить процессы коррозии., изменить растворимость оксидов, и в некоторых случаях дестабилизировать пассивные пленки. Обратитесь к данным по сплавам, чтобы узнать пределы эксплуатации при высоких температурах..

Ржавеет ли никель?

Нет, не так, как это делает железо.. Никель не образует «ржавчину» (чешуйчатый оксид железа, типичный для стали). Вместо, никель быстро становится тонким, плотный, клейкая оксидно-гидроксидная пленка (обычно NiO / В(ОЙ)₂ и смешанные оксиды) пассивирует поверхность и значительно замедляет дальнейшую коррозию.

Тем не менее, никель может корродировать в определенных агрессивных условиях (среда, богатая хлоридами, сильные восстановительные кислоты, высокие температуры, и т. д.).