Зашто никл ретко рђа?

1. Увођење

Никл „ретко рђа” јер има тенденцију да формира танку, присталица, и споро растући површински слој оксида/хидроксида који штити у многим условима рада.

Тај пасивни филм - обично нанометарски НиО / У(Ох)₂-тип слој — драматично смањује даље растварање метала блокирањем директног контакта метал-вода и успоравањем јонског транспорта.

Легирање, веома стабилна термодинамика за формирање никл оксида, и релативно спора кинетика оксидације се комбинују како би никл и многе легуре богате никлом биле веома отпорне на корозију у широком спектру атмосфера и водених средина.

То је рекао, никл није имун: у неким агресивним срединама и на повишеним температурама може да кородира, а специјалне легуре или превлаке се бирају тамо где се јављају изузетна окружења.

2. Шта значи "рђа".

„Рђа“ је уобичајена реч која је обично резервисана за љуспице, порозни оксиди гвожђа (оксихидроксиди гвожђа) који настају када гвожђе или угљенични челик кородирају у присуству воде и кисеоника.

Рђа обично означава незаштитни, волуминозни производи корозије који дозвољавају наставак брзог напада метала испод.

Када инжењери питају „Да ли никл рђа?” они обично значе: да ли никл пролази кроз исти облик прогресивне, самоубрзавајућа корозија коју чини гвожђе?

Кратак технички одговор: не — никл не формира исте љуспице, незаштитну рђу коју чини гвожђе, јер никл формира компактан пасивни оксид који ограничава даљи напад. Али никл може кородирати под условима који уништавају или растварају тај заштитни слој.

3. Атомски и електронски разлози никл је отпоран на корозију

На атомском нивоу, отпорност на корозију зависи од колико се снажно атоми везују за кисеоник и колико су ти оксиди стабилни термодинамички и структурно.

• Електронска структура и везивање. Никл је прелазни метал са делимично попуњеним 3д орбиталама. Ови 3д електрони учествују у везивању за кисеоник да би формирали оксиде и хидроксиде никла.
  Термодинамика Ни→НиО (и сродни оксиди/хидроксиди) дају оксид који је релативно стабилан и није добро растворљив у неутралној води.
• Кохезија и компактност оксида. Кристална структура НиО и типични слојеви оксида/хидроксида су компактни и приањајући, са релативно малом порозношћу.
  Ово је у супротности са многим производима корозије гвожђа (Нпр., ФеО·ОХ) који су порозни и дозвољавају продирање електролита.
• Мала покретљивост јона. Да би заштитни оксид био ефикасан, транспорт јона (или метални катјони напоље или кисеоник/вода унутра) кроз филм мора бити спор.
  Оксиди никла имају довољно ниску јонску проводљивост на температури околине да је раст самоограничавајући и заштитни.

Укратко речено: хемија никла фаворизује формирање а танак, присталица, слабо растворљиви оксид а не обиман, порозни производи корозије.

4. Пасивација: хемија и структура заштитног филма

Доминантни разлог зашто никл „ретко рђа” у уобичајеним окружењима је пасивизација — спонтано формирање веома танке (нанометар–микрометар), густо, и лепљиви слој оксида/хидроксида на површини метала који драматично смањује даљу реакцију.

Кључне тачке о пасивизацији никла:

• Састав. Пасивни филм се обично састоји од никла(Ии) оксидне/хидроксидне врсте (Нио и Н.(Ох)₂) и може укључивати мешане валентне оксиде или хидроксиде у зависности од пХ и редокс потенцијала.
• Самоизлеђивање. Ако је филм механички оштећен или локално уклоњен, брза реформација се дешава у присуству кисеоника или оксидирајућих врста, поновно успостављање заштите.
• Адхезија и густина. За разлику од пахуљастих, незаштитни оксиди гвожђа (Фе₂О₃/ФеООХ) које расту и распадају се по челику, Слој оксида никла је компактан и чврсто везан за подлогу, што га чини ефикасном дифузионом баријером против даљег продора кисеоника и јона.
• Термодинамичка стабилност. Домени термодинамичке стабилности (као што је представљено у Поурбаик дијаграмима) показују да у широком опсегу пХ и потенцијалног никла подржава пасивни оксид уместо да се раствара као Ни²⁺.
  Тај прозор објашњава зашто је никл отпоран на корозију у многим воденим срединама.

5. Кинетика и физичка својства која успоравају оксидацију

Изван термодинамичке повољности, кинетички фактори ограничавају корозију:

• Брзо формирање танке, заштитни филм. Почетни оксид се брзо формира, тада раст постаје самоограничавајући јер је дифузија јонских врста кроз оксид спора.
• Мала густина дефеката. Густи оксидни филм представља мање путева дифузије за кисеоник и металне јоне; спорији транспорт јона смањује струју корозије.
• Завршна обрада и металургија. Гладак, очвршћене или обложене никловане површине имају мање иницијских места за локализовани напад у поређењу са грубим, порозне површине.
  Механичко полирање, електролитска или електролитичка обрада може побољшати отпорност на корозију смањењем површинских дефеката.

6. Улога легирања, премази и микроструктура

Чисти никл већ пасивизира, али се у инжењерској пракси никл обично користи као легирајући елемент или као површински премаз; ове употребе додатно повећавају отпорност на корозију.

• Легуре никла. Материјали као што је Монел, Инцонел и Хастеллои (легуре на бази никла) комбинују никл са хромом, молибден, бакра и других елемената.
  Хром и молибден повећавају стабилност и могућност поправке пасивног филма и обезбеђују побољшану отпорност на питтинг, пукотина корозија и редукционе киселине.
• Безелектрични и галванизовани никл. Ови премази обезбеђују континуирано, густа баријера која изолује подлогу од околине и често има добру адхезију и уједначену дебљину.
• Микроструктура. Величина зрна, преципитати и честице друге фазе утичу на локалну електрохемију.
  Хомогени чврсти раствори без штетних других фаза смањују микрогалванске ћелије које би иначе промовисале локализовану корозију.

7. Границе животне средине - где никл кородира

Пасивност никла има границе. Разумевање услова који угрожавају пасивни филм објашњава када ће никл кородирати:

• Напад хлорида и рупица. Високе концентрације хлорида (Нпр., морске воде или слане воде са високим садржајем соли) може дестабилизовати пасивне филмове и изазвати локализовану корозију удубљења или пукотина - посебно на повишеним температурама.
  Неке легуре никла су отпорније на таложење много боље од чистог никла због хрома и молибдена.
• Јаке редукционе киселине. Одређене редукционе киселе средине (Нпр., хлороводонична киселина, сумпорна киселина при одређеним концентрацијама и температурама) може промовисати активно растварање никла.
• Висока температура и оксидациони услови. Повишене температуре мењају својства оксида и могу убрзати дифузију кроз филмове, омогућавајући веће стопе корозије у неким оксидационим атмосферама или растопљеним солима.
• Алкална хлоридна средина и микробиолошки утицај корозије. Комбиновани хемијски и биолошки фактори могу створити микроокружење које нападају пасивни филм.
• Галванска спрега за веома племените материјале или посебне геометрије дизајна може створити локална анодна/катодна места под ограниченим условима.

8. Начини кварова и стратегије ублажавања

Уобичајени начини квара за никл и легуре никла укључују питинг, Цревице Цорросион, интергрануларни напад и корозија потпомогнута стресом. Стратегије ублажавања су практичне и користе се у пројектовању и одржавању:

• Избор материјала. Изаберите одговарајућу легуру никла (Нпр., никл-хром за оксидирајуће средине, никл-молибден за толеранцију хлорида) усклађен са условима услуге.
• Површински третмани. Безелектрични никл, никловање, третмани пасивације и полирање смањују иницијациона места и побољшавају униформност филма.
• Детаљи дизајна. Избегавајте пукотине, чврсти спојеви, и зоне стагнације; обезбедити дренажу и приступ за преглед.
• Катодна заштита и жртвене аноде. У неким системима где је никл део вишеметалног склопа, утиснута струја или жртвоване аноде штите активније метале.
  Бележити: када је никл племенитији, неће имати користи од самих жртвених анода.
• Контрола животне средине и инхибитори. Контролисање нивоа хлорида, садржај кисеоника, а коришћењем инхибитора корозије може се сачувати пасивност.
• Редовни преглед. Пратите ране знаке локализованог напада и санирајте пре ширења.

9. Индустријске употребе које користе корозивно понашање никла

Зато што никл формира заштитне филмове и даје робусне легуре, широко се користи:

• Никловање и галванизација: лежишта никла формирају атрактивне, површине отпорне на корозију на челичним и другим подлогама (користи се на декоративним и функционалним завршним обрадама).
• Легуре на бази никла (Уносилац, Хастеллои, Монел): користи се у хемијским постројењима, гасне турбине, измењивачи топлоте и морска окружења где се захтевају отпорност на корозију и перформансе на високим температурама.
• Ковање новца, нерђајући причвршћивачи и електроника: никл и легуре никла се користе за издржљивост и отпорност на корозију.
• Батерије и електрохемија: никл хидроксид и никл оксиди су активни материјали батеријских електрода (Ни–МХ, Ни–Цд, катоде на бази ни).
• Катализа и специјална хемијска обрада: површине и легуре никла су уобичајени катализатори и носачи катализатора.

Дизајнери бирају никл или легуре богате никлом за примену где пасивно понашање, стабилност, и предвидљиве стопе корозије су приоритети.

10. Поређење са сличним материјалима

11. Закључак

Никл „ретко рђа” јер комбинује интринзичну електрохемијску племенитост са способношћу да формира густу, лепљиви пасивни оксид/хидроксид филм који се самоограничава и самозалечи.

Легирање и површински третмани додатно проширују прозор безбедне услуге. Међутим, пасивност никла има дефинисане границе — хлориди, одређене киселине, високе температуре и лош дизајн могу превазићи отпорност на корозију.

Разумевање термодинамике (домени стабилности), кинетика (формирање и транспорт филма), металургија (микроструктура и легирање) и животне средине (хемија, температура, механика) је од суштинског значаја за предвиђање перформанси и за дизајнирање робусног, дуговечне компоненте.

 

Често постављана питања

Да ли је никл потпуно имун на корозију?

Не. Никл је отпоран на многе средине због пасивације, али агресивне хемије (јаке комплексирајуће киселине, врући хлориди, одређене сулфидне атмосфере) може кородирати никл или његове легуре. Правилан избор легуре је од суштинског значаја.

Како никловање штити челик?

Никловање делује првенствено као а баријера против корозивних агенаса и, зависно од система, као племић (катодне) површине.

Никл је племенитији од гвожђа; неће пожртвовано заштитити челик — ако је премаз нарушен, челик може првенствено кородирати на изложеном месту.

Која је разлика између отпорности на корозију никла и нерђајућег челика?

Нерђајући челици се у великој мери ослањају на садржај хрома да би формирали Цр₂О₃ пасивне филмове; никл и легуре никла се ослањају на НиО/Ни(Ох)₂ филмови и често укључују Цр, Мо или Цу за побољшање заштите.

Дизајн легуре одређује који материјал најбоље функционише у датом окружењу.

Могу ли користити никл у морској води?

Неке легуре никла (Нпр., Монел, одређене легуре Ни–Цу) добро се понашају у морској води. Други су мање погодни.

Окружење морске воде је сложено (хлориди, кисеоник, биологија); изаберите легуре са демонстрираним перформансама морске воде.

Да ли температура утиче на пасивизацију никла?

Да. Повишена температура може убрзати процесе корозије, мењају растворљивости оксида, а у неким случајевима и дестабилизују пасивне филмове. Консултујте податке о легури за границе рада при високим температурама.

Да ли никл рђа?

Не - не на начин на који то ради гвожђе. Никл не ствара "рђу" (љускави оксид гвожђа типичан за челик). Уместо тога, никл брзо развија танак, густо, лепљиви оксид/хидроксидни филм (обично НиО / У(Ох)₂ и мешани оксиди) који пасивизира површину и у великој мери успорава даљу корозију.

То је рекао, никл може кородирају под одређеним агресивним условима (медији богати хлоридима, јаке редукционе киселине, високе температуре, итд.).