Чому нікель рідко іржавіє?

1. Вступ

Нікель «рідко іржавіє», тому що має тенденцію утворювати тонкий шар, прихильник, і повільно зростаючий поверхневий шар оксиду/гідроксиду, який є захисним у багатьох умовах експлуатації.

Ця пасивна плівка — зазвичай нанометровий NiO / У(ой)₂-тип шару — значно зменшує подальше розчинення металу, блокуючи прямий контакт металу з водою та сповільнюючи іонний транспорт.

легування, дуже стабільна термодинаміка для утворення оксиду нікелю, і відносно повільна кінетика окислення роблять нікель і багато багатих нікелем сплавів високостійкими до корозії в широкому діапазоні атмосфер і водних середовищ.

Це сказано, нікель не застрахований: в деяких агресивних середовищах і при підвищених температурах може піддаватися корозії, і спеціальні сплави або покриття вибираються у виняткових умовах.

2. Що означає «іржа».

«Іржа» — це загальне слово, яке зазвичай використовують для позначення лускатого, пористі оксиди заліза (оксигідроксиди заліза) які утворюються, коли залізо або вуглецева сталь кородують у присутності води та кисню.

Іржа зазвичай означає незахисні, об'ємні продукти корозії, які дозволяють продовжувати швидку атаку основного металу.

Коли інженери запитують: «Чи іржавіє нікель??» вони зазвичай мають на увазі: чи зазнає нікель ту саму форму прогресування, самоприскорювальна корозія, яку робить залізо?

Коротка технічна відповідь: ні — нікель не утворює таких же пластівців, не захисна іржа, яку робить залізо, оскільки нікель утворює компактний пасивний оксид, який обмежує подальшу атаку. Але нікель може піддаватися корозії за умов, які руйнують або розчиняють цей захисний шар.

3. Атомні та електронні причини, нікель стійкий до корозії

На атомному рівні, стійкість до корозії залежить від наскільки міцно атоми зв’язуються з киснем і наскільки ці оксиди стабільні термодинамічно і структурно.

• Електронна структура та зв'язок. Нікель є перехідним металом із частково заповненими 3d-орбіталями. Ці 3d-електрони беруть участь у зв’язуванні з киснем з утворенням оксидів і гідроксидів нікелю.
  Термодинаміка Ni→NiO (і споріднені оксиди/гідроксиди) дають оксид, який є відносно стабільним і погано розчинним у нейтральній воді.
• Зчеплення та компактність оксиду. Кристалічна структура NiO і типові шари оксиду/гідроксиду є компактними та зчепленими, з відносно низькою пористістю.
  Це контрастує з багатьма продуктами корозії заліза (Напр., FeO·OH) є пористими та пропускають електроліт.
• Низька іонна рухливість. Щоб захисний оксид був ефективним, транспорт іонів (або катіони металу назовні, або кисень/вода всередину) через плівку треба повільно.
  Оксиди нікелю мають досить низьку іонну провідність при температурах навколишнього середовища, тому ріст є самообмежуючим і захисним.

Сформулюйте коротко: хімія нікелю сприяє утворенню a тонкий, прихильник, малорозчинний оксид а не об'ємний, пористі продукти корозії.

4. Пасивація: хімічний склад і структура захисної плівки

Основною причиною того, що нікель «рідко іржавіє» у звичайних середовищах, є пасивація — спонтанне утворення дуже тонкої (нанометр–мікрометр), щільний, і липкий шар оксиду/гідроксиду на поверхні металу, що значно зменшує подальшу реакцію.

Ключові моменти щодо пасивації нікелю:

• Склад. Пасивна плівка зазвичай складається з нікелю(II) види оксиду/гідроксиду (Ніо і Н.(ой)₂) і може включати оксиди або гідроксиди змішаної валентності залежно від pH і окисно-відновного потенціалу.
• Самолікування. Якщо плівка механічно пошкоджена або локально видалена, швидке реформування відбувається в присутності кисню або окислювачів, відновлення захисту.
• Адгезія і щільність. На відміну від пластівчастого, незахисні оксиди заліза (Fe₂O₃/FeOOH) що ростуть і розсипаються на сталь, шар оксиду нікелю компактний і щільно зв’язаний з підкладкою, що робить його ефективним дифузійним бар'єром проти подальшого проникнення кисню та іонів.
• Термодинамічна стабільність. Області термодинамічної стійкості (як представлено на діаграмах Пурбе) показують, що в широкому діапазоні pH і потенціалу нікель підтримує пасивний оксид, а не розчиняється у вигляді Ni²⁺.
  Це вікно пояснює, чому нікель протистоїть корозії в багатьох водних середовищах.

5. Кінетика та фізичні властивості, які сповільнюють окислення

Крім термодинамічної сприятливості, кінетичні фактори обмежують корозію:

• Швидке утворення худ, захисна плівка. Початковий оксид утворюється швидко, тоді ріст стає самообмеженим, оскільки дифузія іонних форм через оксид є повільною.
• Низька щільність дефектів. Щільна оксидна плівка забезпечує менше шляхів дифузії для кисню та іонів металу; повільніший транспорт іонів зменшує струм корозії.
• Оздоблення поверхні та металургія. Гладкий, загартовані або покриті нікелем поверхні мають менше місць ініціації для локалізованої атаки порівняно з грубими, пористі поверхні.
  Механічне полірування, безелектричне або електролітичне покриття може підвищити стійкість до корозії шляхом зменшення дефектів поверхні.

6. Роль легування, покриття та мікроструктура

Чистий нікель вже пасивує, але в інженерній практиці нікель зазвичай використовується як легуючий елемент або як поверхневе покриття; ці способи додатково підвищують стійкість до корозії.

• Нікелеві сплави. Такі матеріали, як монель, Інконель і хастеллой (сплави на основі нікелю) з'єднайте нікель з хромом, молібден, мідь та інші елементи.
  Хром і молібден підвищують стабільність і ремонтопридатність пасивної плівки, а також забезпечують підвищену стійкість до точкової корекції., щілинної корозії та відновних кислот.
• Нікель без гальванічного та гальванічного покриття. Ці покриття забезпечують безперервність, щільний бар'єр, який ізолює основу від навколишнього середовища і часто має хорошу адгезію і рівномірну товщину.
• Мікроструктура. Розмір зерен, осади та частинки другої фази впливають на місцеву електрохімію.
  Гомогенні тверді розчини без шкідливих других фаз зменшують кількість мікрогальванічних елементів, які в іншому випадку сприяли б локальній корозії.

7. Межі навколишнього середовища — де нікель піддається корозії

Пасивність Нікеля має межі. Розуміння умов, які шкодять пасивній плівці, пояснює, коли нікель піддається корозії:

• Хлоридна атака та пітінг. Високі концентрації хлоридів (Напр., морська вода або розсоли з високим вмістом солі) може дестабілізувати пасивні плівки та викликати локалізовану точкову або щілинну корозію, особливо при підвищених температурах.
  Деякі нікелеві сплави протистоять пітингу набагато краще, ніж чистий нікель, завдяки хрому та молібдену.
• Сильні відновні кислоти. Певні відновні кислотні середовища (Напр., соляна кислота, сірчаної кислоти при певних концентраціях і температурах) може сприяти активному розчиненню нікелю.
• Висока температура і окислювальні умови. Підвищені температури змінюють властивості оксидів і можуть прискорити дифузію через плівки, сприяючи вищій швидкості корозії в деяких окисних атмосферах або розплавлених солях.
• Лужне хлоридне середовище та мікробіологічна корозія. Поєднання хімічних і біологічних факторів може створити мікросередовище, яке атакує пасивну плівку.
• Гальванічний зв'язок з дуже благородними матеріалами або певною геометрією конструкції може створювати локальні анодні/катодні ділянки за обмежених умов.

8. Види відмов і стратегії пом'якшення

Звичайні види руйнування нікелю та нікелевих сплавів включають точкову точку, Корозія щілини, міжкристалічна атака та корозія під впливом напруги. Стратегії пом'якшення є практичними та використовуються при проектуванні та обслуговуванні:

• Вибір матеріалу. Виберіть відповідний нікелевий сплав (Напр., нікель-хром для окисних середовищ, нікель-молібден для стійкості до хлоридів) відповідає умовам обслуговування.
• Поверхневі обробки. Безелектричний нікель, Нікельне покриття, пасивація та полірування зменшують місця ініціації та покращують однорідність плівки.
• Деталі дизайну. Уникайте щілин, щільні з’єднання, і зони застою; забезпечити дренаж і доступ для огляду.
• Катодний захист і жертвуючі аноди. У деяких системах, де нікель є частиною багатометалевої збірки, застосовуваний струм або тимчасові аноди захищають більш активні метали.
  Примітка: коли нікель більш благородний, він не матиме користі від самих витратних анодів.
• Контроль навколишнього середовища та інгібітори. Контроль рівня хлоридів, вміст кисню, і використання інгібіторів корозії може зберегти пасивність.
• Регулярний огляд. Слідкуйте за ранніми ознаками локалізованої атаки та виправляйте перед розповсюдженням.

9. Промислове використання, яке використовує корозійну поведінку нікелю

Тому що нікель утворює захисні плівки і дає міцні сплави, він широко використовується:

• Нікелювання та гальванічне покриття: родовища нікелю утворюють привабливі, стійкі до корозії поверхні на сталевих та інших підкладках (використовується для декоративної та функціональної обробки).
• Сплави на основі нікелю (Юнель, Хастеллой, Монель): використовується на хімічних підприємствах, газові турбіни, теплообмінники та морське середовище, де потрібна стійкість до корозії та висока температура.
• Монети, нержавіючі кріплення та електроніка: нікель і нікелеві сплави використовуються для довговічності та стійкості до корозії.
• Акумулятори та електрохімія: гідроксид нікелю та оксиди нікелю є активними матеріалами для електродів акумуляторів (Ni–MH, Ni–Cd, катоди на основі ні).
• Каталіз та спеціальна хімічна обробка: нікелеві поверхні та сплави є звичайними каталізаторами та носіями каталізатора.

Дизайнери обирають нікель або багаті нікелем сплави для застосувань, де пасивна поведінка, стабільність, і передбачувані швидкості корозії є пріоритетами.

10. Порівняння з аналогічними матеріалами

11. Висновок

Нікель «рідко іржавіє», тому що він поєднує в собі властиву електрохімічну властивість зі здатністю утворювати щільний, адгезивна пасивна оксидна/гідроксидна плівка, яка самообмежується та самовідновлюється.

Легування та обробка поверхні додатково розширюють вікно безпечного обслуговування. Однак, пасивність нікелю має певні межі — хлориди, певні кислоти, високі температури та погана конструкція можуть подолати стійкість до корозії.

Розуміння термодинаміки (області стабільності), кінетика (формування та транспортування плівки), металургія (мікроструктура і легування) і навколишнє середовище (хімія, температура, механіка) має важливе значення для прогнозування продуктивності та надійного проектування, довговічні компоненти.

 

Поширені запитання

Нікель повністю стійкий до корозії?

Ні. Нікель стійкий до багатьох середовищ завдяки пасивації, але агресивна хімія (сильні комплексоутворюючі кислоти, гарячі хлориди, певні сульфідні атмосфери) може викликати корозію нікелю або його сплавів. Важливий правильний вибір сплаву.

Як нікелювання захищає сталь?

Нікельування виступає в основному як a бар'єр проти корозійних речовин і, в залежності від системи, як дворянин (катодний) поверхні.

Нікель благородніше заліза; це не буде жертовним захистом сталі — якщо покриття буде порушено, сталь може кородувати переважно на відкритій ділянці.

Яка різниця між стійкістю до корозії нікелю та нержавіючої сталі?

Для утворення пасивних плівок Cr₂O₃ нержавіюча сталь значною мірою залежить від вмісту хрому; нікель і нікелеві сплави покладаються на NiO/Ni(ой)₂ і часто містять Cr, Mo або Cu для посилення захисту.

Конструкція сплаву визначає, який матеріал найкраще працює в певному середовищі.

Чи можна використовувати нікель у морській воді?

Деякі нікелеві сплави (Напр., Монель, деякі сплави Ni–Cu) добре працюють у морській воді. Інші менш придатні.

Середовища морської води складні (хлориди, кисень, біологія); вибирайте сплави з продемонстрованою ефективністю у морській воді.

Чи впливає температура на пасивацію нікелю?

Так. Підвищена температура може прискорити процеси корозії, зміна розчинності оксиду, і в деяких випадках дестабілізують пасивні плівки. Ознайомтеся з даними сплаву щодо обмежень експлуатації при високих температурах.

Чи не іржавіє нікель?

Ні — не так, як залізо. Нікель не утворює «іржі» (пластівчастий оксид заліза, типовий для сталі). Натомість, нікель швидко розріджується, щільний, клейка оксидна/гідроксидна плівка (зазвичай NiO / У(ой)₂ і змішані оксиди) що пасивує поверхню та значно сповільнює подальшу корозію.

Це сказано, нікель може піддаються корозії за певних агресивних умов (середовища, багаті хлоридами, сильні відновні кислоти, високі температури, тощо).