برای پرداختن به این سؤال "آیا نیکل زنگ زد?"به طور جامع, ما ابتدا یک تمایز انتقادی را روشن می کنیم: زنگ زدگی اصطلاح مشترک برای اکسید آهن است (fe₂o₃ یا fe₃o₄), یک محصول خوردگی قرمز قهوه ای منحصر به فرد آلیاژهای حاوی آهن و آهن.
نیکل, یک فلز انتقال بدون آهن به شکل خالص آن, نمی تواند زنگ بزند.
هر چند, نیکل می تواند خراب شود - توسعه نازک, لایه های اکسید محافظ یا, در محیط های خشن, ترکیبات آسیب زا بیشتر مانند هیدروکسیدهای نیکل یا سولفیدها.
1. زنگ زدگی در مقابل. خوردگی: چرا نیکل نمی تواند زنگ بزند
برای حل سوال اصلی, ما ابتدا باید اصطلاحات کلیدی را تعریف کنیم:
- زنگ زدن: یک اکسید آهن هیدراته (به عنوان مثال, فال(اوه)nh₂o) هنگامی که آهن با اکسیژن و رطوبت واکنش نشان می دهد تشکیل می شود.
متخلخل است, پوسته پوسته, و هیچ گونه محافظت در برابر خوردگی بیشتر ارائه نمی دهد - به همین دلیل است که زنگ های فولادی بدون پوشش در محیط های مرطوب به سرعت. - خوردگی: تخریب الکتروشیمیایی هر فلز به دلیل واکنش با محیط اطراف آن.
برای فلزات غیر آهنی مانند نیکل, خوردگی اکسیدها تولید می کند, هیدروکسیدها, یا نمک هایی که ممکن است محافظ باشند (منفعل) یا مخرب.
نیکل خالص (است 99.0%) فاقد آهن است, بنابراین نمی تواند اکسید آهن را تشکیل دهد (زنگ زدن). در عوض,
محصولات خوردگی نیکل در درجه اول است اکسید نیکل (بی نظیر), هیدروکسید نیکل (در(اوه)₂), یا کربنات نیکل (نیکو)- ترکیب هایی که بسیار متفاوت از زنگ زدگی رفتار می کنند.
2. مقاومت در برابر خوردگی نیکل: لایه اکسید منفعل
شهرت نیکل برای مقاومت در برابر خوردگی ناشی از توانایی آن در تشکیل a است نازک, لایه اکسید منفعل چسبنده بر روی سطح آن - سد الکتروشیمیایی که واکنش بیشتر با محیط را مسدود می کند.
در اینجا نحوه عملکرد این روند آورده شده است:
تشکیل لایه منفعل
وقتی در معرض اکسیژن قرار گرفت (هوا, اب, یا محیط های اکسید کننده), نیکل تحت یک واکنش سریع قرار می گیرد: 2در + O2 → 2Nio
این لایه nio فقط است 2-5 نانومتر (NM) غلیظ (1 NM = 10 متر متر)- قابل مشاهده با چشم غیر مسلح - اما متراکم بسته بندی شده و از نظر شیمیایی پایدار است.
برخلاف زنگ زدگی متخلخل, لایه Nio محکم به سطح نیکل چسبیده است, جلوگیری از رسیدن اکسیژن و رطوبت به فلز زیرین.
در محیط های آبی (به عنوان مثال, اب, آب دریا), لایه درج شده است هیدروکسید نیکل (در(اوه)₂) وت, در محیط های گازدار, کربنات نیکل (نیکو)- هر دو سد منفعل را تقویت می کنند.
ثبات لایه منفعل
لایه Nio در طیف گسترده ای از شرایط پایدار است:
- دامنه pH: موثر در خنثی (pH 6-8) و کمی قلیایی (pH 8–12) محیط.
در اسیدهای خفیف (به عنوان مثال, 5% اسید استیک), لایه به آرامی حل می شود, اما در اسیدهای قوی (به عنوان مثال, 37% اسید هیدروکلریک), کاملاً خراب می شود. - درجه حرارت: تا 600 درجه سانتیگراد در هوا پایدار است. بالاتر از این, nio ضخیم می شود و متخلخل می شود, کاهش توانایی محافظتی آن (به عنوان مثال, در دمای 800 درجه سانتیگراد, نیکل در هوا 0.1 میلی متر در سال در هوا است, در مقابل. <0.001 میلی متر در سال در دمای اتاق).
- در دسترس بودن اکسیژن: برای نگهداری حداقل اکسیژن به حداقل اکسیژن نیاز دارد, لایه همچنان ادامه دارد, ساخت نیکل مناسب برای برنامه های زیر آب (به عنوان مثال, اجزای دریایی).
میزان خوردگی نیکل خالص
| محیط | میزان خوردگی | یادداشت ها |
| فضای شهری | <0.001 MM/سال | ناچیز, >50-طول عمر سال |
| آب دریا (35,000 ppm cl⁻) | 0.005-0.01 میلی متر در سال | بسیار پایین تر از فولاد کربن (0.5-1 میلی متر در سال) |
| آب شیرین | <0.005 MM/سال | مناسب برای تجهیزات تصفیه آب |
3. عواملی که مقاومت در برابر خوردگی نیکل را کاهش می دهند
اگرچه نیکل به دلیل لایه اکسید منفعل بسیار مقاوم در برابر خوردگی است, چندین عامل محیطی و مرتبط با مواد می توانند این محافظت را به خطر بیاندازند.
درک این عوامل برای پیش بینی عملکرد نیکل و جلوگیری از خوردگی موضعی یا شتاب بسیار مهم است.
یونهای کلرید و هالید: خوردگی و خوردگی شکاف
یون های کلرید (کلوچه)- در آب دریا, نمک جاده, و برین های صنعتی - بزرگترین دشمن نیکل هستند.
آنها در نقاط ضعف به لایه Nio منفعل نفوذ می کنند (به عنوان مثال, خراش, مرزهای غلات) و شروع کنید خوردگی: کوچک, سوراخ های موضعی که با گذشت زمان رشد می کنند.
- مکانیزم: کلریدها با نیکل واکنش نشان می دهند تا نیکل محلول را تشکیل دهند (نیکل), که لایه اکسید را به صورت محلی حل می کند.
نیکل در معرض سپس به سرعت خوردگی می کند, ایجاد چاله ها به اندازه کوچک 10 قطر μm. - عوامل خطر: غلظت کلرید بالا (>1,000 PPM), درجه حرارت بالا (>50درجه سانتیگراد), و شرایط راکد (به عنوان مثال, شکاف بین قطعات نیکل پیچ خورده).
- داده: در آب دریا (35,000 ppm cl⁻) در دمای 60 درجه سانتیگراد, میزان خوردگی نیکل خالص به 0.05-0.1 میلی متر در سال می رسد (5-10 × بالاتر از دمای اتاق) به دلیل گودال.
ناخالصی در نیکل: تضعیف لایه منفعل
نیکل تجاری (به عنوان مثال, ASTM B162 Grade 200, 99.0-99.5 ٪ در) حاوی ناخالصی های ردیابی مانند آهن است (با), گوگرد (حرف), کربن (جف)- همه اینها مقاومت در برابر خوردگی را کاهش می دهد:
- اتو کردن (با): یکبار 0.5% FE سلولهای میکروگالوانیک را ایجاد می کند (آهن به عنوان آند عمل می کند, نیکل به عنوان کاتد), تسریع در خوردگی در محیط های مرطوب.
به عنوان مثال, نیکل با 1% FE دارای میزان خوردگی آب دریا است 0.02 MM/سال (دو برابر آن از 99.99% نیکل خالص). - گوگرد (حرف): نیکل سولفید را تشکیل می دهد (نیش) در محیط های سولفیدی (به عنوان مثال, چاه های نفت و گاز با H₂s), که شکننده و مستعد ترک خوردگی است.
- کربن (جف): در >0.1% جف, نیکل کاربید را تشکیل می دهد (نوشابه), که لایه منفعل را مختل می کند و خطر گودال را افزایش می دهد.
نیکل فوق العاده بلند (99.99% در) از این مسائل جلوگیری می کند, ایده آل برای برنامه های مهم مانند تولید نیمه هادی.
اسیدهای قوی و کاهش محیط
لایه منفعل Nio در اسیدهای کاهش دهنده قوی حل می شود (به عنوان مثال, اسید هیدروکلریک, HCL) یا اسیدهای غیر اکسید کننده (به عنوان مثال, اسید سولفوریک, H₂so₄ > 20% غلظت). به عنوان مثال:
- در 37% HCL (دمای اتاق), نیکل خالص در 1-2 میلی متر در سال است (تخریب سریع, بدون لایه منفعل).
- در اسیدهای اکسید کننده (به عنوان مثال, اسید نیتریک, hno₃), لایه تقویت شده است (اسید نیتریک به عنوان اکسید کننده عمل می کند), بنابراین نیکل در برابر خوردگی مقاومت می کند (نرخ <0.01 MM/سال در 65% hno₃).
4. آلیاژهای نیکل: تقویت مقاومت در برابر خوردگی
| الیاژ | ترکیب (عناصر اصلی) | مزیت مقاومت در برابر خوردگی | میزان خوردگی در آب دریا (MM/سال) | برنامه های معمولی |
| نیکل خالص (99.99%) | است 99.99% | مقاومت عالی در برابر جو عمومی و آب شیرین | 0.005–0.01 | الکترونیک, دما, کشتی های شیمیایی |
| سرود 400 | 65% در, 34% مس, 1% با | مقاومت برتر در برابر آب دریا و کاهش اسیدها (H₂so₄ <30%) | 0.002–0.005 | دریچه های دریایی, شفت های پروانه, مبدلهای حرارتی |
| ناله 625 | 59% در, 21.5% کلوچه, 9% مس | مقاومت استثنایی در برابر کلرید, CREVICE و CORROSION, پایدار تا 650 درجه سانتیگراد | <0.001 | دکل های نفتی دریایی, راکتورهای شیمیایی, خط لوله های زیرزمینی |
| 304 فولاد ضد زنگ | 18% کلوچه, 8% در, 74% با | مقاومت در برابر خوردگی خوب در محیط های خفیف; مستعد ابتلا به گودال در محیط های غنی از کلرید | 0.01–0.02 | وسایل آشپزخانه, تریم معماری |
| 316 فولاد ضد زنگ | 16-18 ٪ Cr, 10-14 ٪ داشته باشند, 2-3 ٪ ماه, توازن | مقاومت کلرید بهبود یافته در مقابل. 304 به خاطر مو; مناسب برای محیط های دریایی و شیمیایی | 0.005–0.01 | تجهیزات دریایی, مخازن شیمیایی, معماری ساحلی |
5. تصورات غلط رایج: "زنگ زدگی" روی موارد نیکل یا نیکل
مردم اغلب خوردگی نیکل را برای زنگ زدند - در اینجا اتفاق می افتد:
تصور غلط 1: "فولاد روکش نیکل من زنگ زده است."
واقعیت: زنگ زدگی از فلز پایه فلزی, نه آبکاری نیکل.
آبکاری (5ضخامت 50 میکرومتر) با عمل به عنوان سدی از فولاد محافظت می کند, اما اگر آبکاری خراشیده یا پوشیده شده باشد, فولاد در معرض اکسیژن و رطوبت قرار می گیرد, زنگ زدگی.
برای جلوگیری از این, فولاد روکش نیکل اغلب با یک لاک شفاف پوشانده می شود یا در محیط های کم رطوبت استفاده می شود.
تصور غلط 2: "نیکل قهوه ای می شود - این زنگ زدگی نیست?”
واقعیت: تغییر رنگ قهوه ای روی نیکل است لکه دار کردن, زنگ زدگی. هنگامی که نیکل با ترکیبات گوگرد در هوا واکنش نشان می دهد شکل می گیرد (به عنوان مثال, از آلودگی یا گاز طبیعی) برای ایجاد نیکل سولفید (نیش) یا کربنات نیکل (نیکو).
لکه دار نازک است و می توان با ساینده خفیف برداشته شد (به عنوان مثال, جوش شیرین), برخلاف زنگ زدگی, که مخرب است.
"نیکل در دوش من زنگ زد."
واقعیت: آب دوش حاوی کلریدها است (از تصفیه آب شیر) و رطوبت, علت خوردگی روی نیکل (زنگ زدگی).
سوراخ های کوچک یا لکه های سفید که می بینید نیکل هیدروکسید هستند (در(اوه)₂), اکسید آهن نیست. با استفاده از آلیاژهای نیکل کروم (به عنوان مثال, ناله) در دوش از این امر جلوگیری می کند.
6. آزمایش مقاومت در برابر خوردگی نیکل: استانداردهای صنعت
برای اطمینان از نیکل و آلیاژهای آن ، شرایط خوردگی را برآورده می کنند, تولید کنندگان به تست های استاندارد متکی هستند:
تست اسپری نمکی (ASTM B117)
مقاومت در برابر محیط های غنی از کلرید را ارزیابی می کند. نمونه ها در معرض a قرار دارند 5% غبار NaCl در دمای 35 درجه سانتیگراد به مدت 100-1000 ساعت. معیارهای نیکل خالص: بدون گودال یا خوردگی پس از آن 500 ساعت.
طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (ایس)
یکپارچگی لایه منفعل را با استفاده از ولتاژ کوچک AC به سطح نیکل اندازه گیری می کند.
امپدانس بالا (مقاومت در برابر جریان جریان) یک لایه پایدار را نشان می دهد - نیکل Pure به طور معمول امپدانس دارد >10⁶ اهم · سانتی متر مربع در آب خنثی.
تست کاهش وزن (ASTM G1)
قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض یک محیط خورنده ، میزان خوردگی را با وزن یک نمونه نیکل اندازه گیری می کند. برای نیکل خالص در آب دریا, کاهش وزن باید باشد <0.01 g/m²/day.
7. کاربردهای صنعتی آلیاژ نیکل
ناتوانی نیکل در زنگ زدگی و مقاومت شدید خوردگی آن باعث می شود که در بخش های کلیدی آن را غیر قابل تعویض کند:
مهندسی دریایی
سرود 400 و 625 برای پروانه های کشتی استفاده می شود, اجزای سکوی دریایی, و پمپ های آب دریا - جایی که مقاومت آنها در برابر گودال کلرید و خوردگی آب دریا 20-30 سال خدمت را تضمین می کند (در مقابل. 5-10 سال برای فولاد).
پردازش شیمیایی
آلیاژهای نیکل مواد شیمیایی تهاجمی مانند اسید سولفوریک را کنترل می کنند (سرود 400) و اسید هیدروکلریک (Hastelloy C-276, آلیاژ نیکل مولیبدن).
به عنوان مثال, Hastelloy C-276 میزان خوردگی دارد <0.01 MM/سال در 20% HCl در دمای 60 درجه سانتیگراد - بهتر از نیکل خالص است.
الکترونیک
نیکل (99.99%) در ویفرهای نیمه هادی و پایانه های باتری استفاده می شود, جایی که سطوح بدون لکه دار و مقاومت در برابر اسیدهای خفیف (به عنوان مثال, راه حل های تمیز کردن) بسیار مهم هستند.
معماری
آلیاژهای نیکل کروم (به عنوان مثال, ناله 600) برای ساختن نمای و بناهای تاریخی استفاده می شود - آنها برای چندین دهه ظاهر نقره خود را حفظ می کنند (بدون زنگ زدگی, حداقل تارنیش) و در برابر آلودگی شهری مقاومت کنید.
8. پایان: نیکل زنگ نمی زند, اما می تواند خوردگی کند
نیکل هرگز زنگ نمی زند, از آنجا که زنگ زدگی اکسید آهن است و نیکل آهن ندارد. طبیعی است لایه اکسید آن را از بیشتر خوردگی محافظت می کند, در شرایط عادی آن را بسیار دوام تر از فولاد نگه دارید.
اما نیکل می تواند خوردگی کند در شرایط خاص: آب غنی از کلرید, ناخالصی در فلز, یا اسیدهای قوی می توانند به لایه محافظ آن آسیب برساند.
با آلیاژی نیکل با فلزات مانند کروم, مولیبدن, یا مس, مهندسان آلیاژهایی مانند ایجاد می کنند ناله وت سرود, که در برابر مواد شیمیایی خشن مقاومت می کنند, درجه حرارت بالا, و آب دریا.
متداول
آیا موارد روکش نیکل همیشه ضد زنگ هستند?
نه - آبکاری نیکل یک مانع است, اما اگر آسیب دیده باشد, فلز زیرین (اغلب فولاد) زنگ زدگی.
برای موارد "ضد زنگ زدگی" نیکل, از یک پوشش دوبلکس استفاده کنید (نیکل + کروم) یا یک ماده پایه آلیاژ نیکل را انتخاب کنید (به عنوان مثال, سرود) به جای فولاد.
آیا نیکل بیشتر از استیل ضد زنگ مقاوم در برابر خوردگی است?
بستگی به درجه فولاد ضد زنگ دارد. نیکل خالص نسبت به آب دریا مقاوم تر از آن است 304 فولاد ضد زنگ (مستعد گودال),
اما 316 فولاد ضد زنگ (با مولیبدن) با هزینه کمتری از مقاومت کلرید نیکل خالص مطابقت دارد یا از آن فراتر می رود.
آیا نیکل در استخرهای آب نمک خوردگی می کند?
بله - استخرهای Saltwater 3000-5000 ppm Cl⁻ دارند, که می تواند باعث گودال در نیکل خالص شود.
از inconel استفاده کنید 625 یا 316 فولاد ضد زنگ برای اجزای استخر (به عنوان مثال, نردبان, اتصالات) برای جلوگیری از خوردگی.
چگونه می توانم نیکل لکه دار را بدون آسیب رساندن به آن تمیز کنم?
از یک محلول خفیف آب گرم و صابون ظرف استفاده کنید, یا خمیر جوش شیرین و آب (به اندازه کافی ساینده برای از بین بردن لکه دار, به اندازه کافی ملایم که لایه منفعل را خراشیده نشود).
از مواد شیمیایی خشن مانند سفید کننده خودداری کنید, که nio را حل می کند.
نیکل است که در پوشش های پیشانی زنگ برای فولاد استفاده می شود?
بله - آبکاری نیکل الکتریس (یکنواخت, روکش ضخیم) روی قطعات فولادی اعمال می شود (به عنوان مثال, پیچ های خودرو, سیلندرهای هیدرولیکی) برای جلوگیری از زنگ زدگی.
لایه نیکل به عنوان یک مانع عمل می کند, و لایه اکسید منفعل آن در برابر رطوبت مقاومت می کند.
