آیا آلیاژهای نیکل زنگ زدند

در برنامه هایی مانند قاب های عینک ، تجهیزات شیمیایی و مهندسی دریایی ، آلیاژهای نیکل به دلیل ترکیب آنها از درخشش فلزی و مقاومت در برابر خوردگی به یک جایگزین محبوب برای مواد سنتی تبدیل شده اند. با این حال ، بحث و جدال در مورد اینکه آیا آلیاژهای نیکل زنگ می زنند ادامه می یابد: برخی معتقدند که آنها "اثبات-}" هستند ، در حالی که برخی دیگر عملکرد آنها را به دلیل مشکلات خوردگی تجهیزات زیر سوال می برند.

محافظت طبیعی فیلم Passivation Nickel Alloy

مقاومت در برابر خوردگی آلیاژ نیکل از فیلم منفعل متراکم که بر روی سطح آنها تشکیل شده است ، ناشی می شود. هنگامی که نیکل در معرض هوا یا آب قرار می گیرد ، یک فیلم نازک از اکسید نیکل (NIO) یا هیدروکسید نیکل (Ni (OH) ₂) فقط 2-5 نانومتر ضخامت به سرعت روی سطح شکل می گیرد. این فیلم ویژگی های زیر را به نمایش می گذارد:

ثبات شیمیایی: در محدوده pH 4- 10 ، فیلم منفعل برای مدت طولانی پایدار است و از نفوذ رسانه های خورنده مانند یونهای کلرید و سولفیدها جلوگیری می کند. به عنوان مثال ، در آب دریا عادی (8.2 ph) ، فیلم منفعل آلیاژهای نیکل می تواند سالها دست نخورده باقی بماند. توانایی بهبودی خود-: اگر یک لایه بومی شده از فیلم نیکل به صورت مکانیکی خراشیده شود ، بستر نیکل در معرض یک فیلم منفعل را در یک اکسیژن- حاوی محیط بازسازی می کند ، و به "خود ترمیم می شود". آزمایشات نشان داده است که در یک محلول NaCl 0.5 مول در لیتر ، فیلم منفعل در منطقه خراشیده شده می تواند در طی 24 ساعت به طور کامل احیا شود.

عدم تحرک الکتروشیمیایی: پتانسیل الکترود فیلم منفعل 0.2-0.3 ولت بالاتر از بستر نیکل است و ترجیحاً از بستر در برابر خوردگی در هنگام تشکیل سلول گالوانیک محافظت می کند. این خاصیت آلیاژهای نیکل را به یک ماده آند ایده آل برای صنعت الکترولیتیک تبدیل می کند.

 

چهار سناریوی عمده خوردگی آلیاژ نیکل

علیرغم مقاومت در برابر خوردگی عالی ، آلیاژهای نیکل هنوز هم می توانند تحت شرایط خاصی خراب شوند. مکانیسم های درگیر را می توان به چهار نوع زیر طبقه بندی کرد:

خوردگی اسید اکسید کننده

Nickel is stable in non-oxidizing acids (such as hydrochloric acid and dilute sulfuric acid). However, in concentrated nitric acid (>65 ٪) یا اسید سولفوریک گوزن ، فیلم منفعل از بین می رود و بستر را در محیط خورنده قرار می دهد. به عنوان مثال:

In nitric acid environments: When the concentration is >65 ٪ ، میزان خوردگی نیکل به طور چشمگیری از 0.001 میلی متر در سال به 0.1 میلی متر در سال افزایش می یابد. پس از سه ماه کار در 80 ٪ اسید نیتریک ، یک مبدل حرارتی آلیاژ نیکل در یک گیاه شیمیایی کاهش 30 ٪ ضخامت دیواره لوله را تجربه کرد و باعث شد گیاه برای نگهداری از آن خاموش شود.

In sulfuric acid environments: When the concentration is >80 ٪ ، میزان خوردگی آلیاژ نیکل 200 می تواند به 0.02 میلی متر در سال برسد. برای پرداختن به این مسئله ، مهندسان مس - حاوی نیکل-}}} را ایجاد کردند (مانند مونل 400) ، که بیش از پنج برابر مقاومت در برابر خوردگی اسید سولفوریک را بهبود می بخشند.

-} خوردگی کلرید

In environments such as seawater desalination and offshore platforms, the synergistic effect of high temperatures (>60°C) and high salt concentrations (Cl⁻ concentrations >3 ٪) می تواند باعث خوردگی گودال شود. به عنوان مثال:

مکانیسم خوردگی گودال: پس از نفوذ CL⁻ به فیلم منفعل ، میکروسل های موضعی را تشکیل می دهد و منجر به خوردگی گودبرداری می شود (تا 10 ٪ -20 ٪ از ضخامت بستر). پس از دو سال کار در یک محلول 50 درجه ، 3.5 ٪ NaCl ، یک خط لوله آلیاژ نیکل بر روی یک سکوی دریایی باعث ایجاد خوردگی گودال شد که به عمق 0.5 میلی متر رسید و نیاز به جایگزینی خط لوله دارد.

مشکل در پیشگیری: تشخیص خوردگی در مراحل اولیه آن دشوار است ، اما پس از تأسیس ، میزان خوردگی به صورت نمایی افزایش می یابد. بنابراین ، آلیاژهای مبتنی بر نیکل- حاوی مولیبدن (MO) ، مانند Hastelloy C-276 ، اغلب در مهندسی دریایی استفاده می شوند ، زیرا مقاومت گودال آنها سه برابر آلیاژهای نیکل معمولی است.

ترک خوردگی استرس

تحت اثرات ترکیبی از تنش های کششی (مانند جوشکاری باقیمانده و بارهای مکانیکی) و رسانه های خورنده (مانند H₂S مرطوب و NaOH) ، آلیاژهای نیکل می توانند شکستگی شکننده را تجربه کنند. به عنوان مثال:

محیط های H₂S: در H₂s - حاوی میدان های نفتی و گازی ، ضریب شدت استرس (KISCC) برای خوردگی استرس نیکل-}}}} می تواند به اندازه 10 مگاپاسکال · M¹/act باشد ، فقط 1/10 از آن در صورت عدم استرس. یک شیر آلیاژ نیکل که در یک میدان نفتی مورد استفاده قرار می گیرد ، پس از یک سال کار ، باعث ترک خوردگی استرس است که منجر به نشت نفت و گاز می شود.

اقدامات محافظتی: استرس باقیمانده را از طریق عملیات حرارتی از بین ببرید ، یا از مولیبدن (MO) - حاوی نیکل-} استفاده کنید (مانند Hastelloy C-276) برای تقویت مقاومت به خوردگی استرس استفاده کنید. نتایج تجربی نشان می دهد که دومی بیش از پنج برابر آلیاژهای نیکل معمولی در محیط های مرطوب H₂S طول عمر دارد.

خرابی آبکاری

برای کاهش هزینه ها ، برخی از محصولات از آبکاری نیکل روی فولاد کربن استفاده می کنند. اگر آبکاری حاوی منافذ (تخلخل> 1 سلول/سانتی متر مربع) باشد یا به اندازه کافی ضخیم باشد (<0.05μm), corrosive media can penetrate the plating and cause corrosion of the substrate. For example:

نقص "پد سیاه": هنگامی که عمق خوردگی آبکاری نیکل از 1μm فراتر می رود ، مقاومت در برابر تماس مشترک لحیم کاری در نوسان و پلاگین- در زندگی بیش از 50 ٪ کاهش می یابد.

راه حل: از یک فرآیند آبکاری نیکل چند لایه multi- استفاده کنید (مانند پایه مس + نیمه - نیکل روشن + بالا- نیکل گوگرد + نیکل روشن) ، یا به سمت پردازش مستقیم بستر آلیاژ نیکل بروید. نتایج تجربی نشان می دهد که آبکاری نیکل چند لایه چند- می تواند تخلخل را به زیر 0.1 سلول در سانتی متر مربع کاهش دهد و مقاومت در برابر خوردگی را 10 بار بهبود بخشد.

 

راهبردهای پیشگیری از زنگ زدگی آلیاژ نیکل

برای رسیدگی به خطرات خوردگی آلیاژهای نیکل ، می توان از استراتژی های زیر برای دستیابی به محافظت کامل در چرخه عمر استفاده کرد:

انتخاب مواد: نوع آلیاژ را با محیط مطابقت دهید

برای محیط های قوی اسید (اسید سولفوریک غلیظ): از Hastelloy C-276 (حاوی 16 ٪ MO) استفاده کنید ، که بیش از پنج برابر مقاومت خوردگی نیکل 200 را ارائه می دهد. در 98 ٪ اسید سولفوریک ، میزان خوردگی C-276 تنها 0.0005 میلی متر در سال است ، در حالی که میزان صیقلی نیکل 200 0.025 میلی متر در سال است.

برای محیط های آب دریا/اسپری نمکی بالا: از Monel 400 (Ni- 30CU) استفاده کنید ، که مقاومت در برابر خوردگی گودال برتر در برابر نیکل خالص را ارائه می دهد. در یک محلول NaCl 3.5 ٪ ، پتانسیل گودبرداری مونل 400 0.3 ولت بالاتر از نیکل 200 است که منجر به بهبود سه برابر در مقاومت در برابر خوردگی می شود. برای محیط های با درجه حرارت بالا ، بسیار قلیایی: نیکل 200 (نیکل خالص) ترجیح داده می شود. میزان خوردگی آن در 40 ٪ NaOH کمتر از 0.001 میلی متر در سال ، 1/500th از فولاد کربن است.

درمان سطحی

انفعال شیمیایی: درمان با اسید نیتریک یا محلول اسید کرومیک ضخامت فیلم غیرفعال را به 10-20 نانومتر افزایش می دهد. آزمایشات نشان داده اند که چگالی جریان خوردگی آلیاژهای نیکل شیمیایی در محلول 0.5 مول در لیتر NaCl 80 ٪ کاهش می یابد.

محافظت از آبکاری: آبکاری روتنیم (RU) یا ایریدیم (IR) روی سطح آلیاژهای نیکل مقاومت خوردگی را 3-5 برابر بهبود می بخشد. آبکاری روتنیم عمر تجهیزات شیمیایی در اسید نیتریک غلیظ را از 2 سال به 10 سال گسترش داده است.

محافظت از پوشش: از پوشش Polytetrafluoroethylene (PTFE) برای جداسازی سطح از محیط خورنده استفاده می شود. پوشش PTFE می تواند میزان خوردگی آلیاژهای نیکل در آب دریا را به 0.0001 میلی متر در سال کاهش دهد و تقریباً خوردگی را از بین می برد.

کنترل محیطی

مدیریت دما: دمای عملیاتی تجهیزات را زیر دمای بحرانی محیط خورنده نگه دارید (به عنوان مثال ، 60 درجه در آب شیرین کن آب دریا). آزمایشات نشان می دهد که برای هر 10 درجه افزایش دما ، میزان خوردگی آلیاژهای نیکل 2-3 بار افزایش می یابد.

کنترل رطوبت: برای جلوگیری از تراکم ، رطوبت ذخیره زیر 60 ٪ و دمای زیر 30 درجه را حفظ کنید. یک سازنده لوازم الکترونیکی با کنترل دمای انبار و رطوبت ، عمر تست اسپری نمک نیکل- را از 200 ساعت تا 1000 ساعت تمدید کرد.

تصفیه رسانه: ناخالصی های خورنده (مانند H₂S و CL⁻) را برای کاهش خطر خوردگی حذف کنید. در مزارع نفت و گاز ، کاهش غلظت HSS از 1000 ppm به 10 ppm از طریق Desulfurization می تواند عمر دریچه های آلیاژ نیکل را از یک سال به 10 سال افزایش دهد.

 

مقاومت در برابر خوردگی آلیاژهای نیکل مطلق نیست. عملکرد آن به تأثیر هم افزایی ترکیب مواد ، شرایط محیطی و استراتژی های حفاظت بستگی دارد. برای برنامه های پایان- بالا (مانند هوافضا و انرژی هسته ای) ، آلیاژهای نیکل خلوص بالا- بالا (مانند نیکل 200) همراه با محافظت از لایه چند- ضروری است. برای هزینه - برنامه های حساس (مانند قاب های عینک و قطعات تزئینی) ، فرآیندهای آبکاری بهینه شده (مانند Medium-} Phosphorus الکترولیت نیکل آبکاری) می توانند به یک نسبت عملکرد-} دست پیدا کنند. در آینده ، با توسعه فن آوری هایی مانند پوشش Nano- پوشش و نظارت هوشمند ، مقاومت زنگ زدگی آلیاژهای نیکل بیشتر افزایش می یابد و محافظت قابل اطمینان تری برای مدت طولانی {11} تجهیزات پایدار تجهیزات صنعتی فراهم می کند.