Никель и его сплавы

Стандартный электродный потенциал никеля Ni²⁺ + 2е ↔ Ni равен
-0,25 В.

ПДК в воде — 0,01 мг/л. Никель обладает способно­стью к пассивации, что объясняет его повышенную коррозионную устойчивость (табл. 7.9).

Никель характеризуется прочностью, тугоплавкостью, пластич­ностью, способностью к механической обработке. Плотность рав­на 8,91, температура плавления 1455 °С.

В неокисляющих, разбавленных кислотах НС1 (до 15 %), H₂SO₄ (до 70 %), в ряде органических кислот никель достаточно устойчив. Коррозия никеля чаще всего протекает с кислородной деполяризацией.

Поэтому большое влияние на скорость коррозии никеля оказы­вает присутствие кислорода или воздуха, перемешивание, наличие окислителей. Коррозия никеля ускоряется в растворах в присутствии окислителей — FeCl₃, CuCl₂, HgCl₂, AgNO₃, NaClO.

Никель обладает высокой коррозионной стойкостью при повы­шенных температурах во многих органических средах, в том числе в жирных кислотах, спиртах. Поэтому из никеля изготавливают ап­паратуру для пищевой промышленности.

Особым свойством никеля является его устойчивость к щелочам всех концентраций и температур. Никель является лучшим материа­лом при изготовлении аппаратов для выпарки и плавления щелочей. Стойкость в этой среде он сообщает сплавам железо-никель.

Как конструкционный материал никель находит ограниченное применение вследствие своей дефицитности и возможности замены его нержавеющими сталями.

Никель находит широкое применение в качестве защитного галь­ванического покрытия и как компонент для изготовления различных сплавов.

Высокой коррозионной стойкостью обладают сплавы никеля с медью, молибденом и сплавы систем Ni-Mo-Cr и Ni-Cr-Fe.

Сплавы никеля с медью. Никель с медью дает непрерывный ряд твердых растворов. Сплавы, содержащие менее 50 атом.% никеля, по коррозионным характеристикам ближе к чистой меди, а при со­держании Ni более 50 атом.% ближе к никелю.

Наиболее известен сплав монель-металл, содержащий 70 % Ni, 28 % Сu и 1,5-2,5 % Fe. Он имеет повышенную коррозионную стой­кость по сравнению с чистыми компонентами, входящими в его со­став. Сплавы этого типа обладают также высокими механическими и технологическими свойствами, имеют большую прочность, хорошо прокатываются, отливаются, обрабатываются давлением и резанием.

Монель-металл стоек в неокислительных неорганических кислотах при невысоких концентрациях, в растворе Н3РО4 высокой концен­трации и в растворах плавиковой кислоты всех концентраций при всех температурах при ограниченном доступе воздуха.

Сплав монель-К (66 % Ni, 29 % Си, 0,9 % Fe, 2,75 % ΑΙ, 0,4 % Μη, 0,5 Si, 0,15% С) отличен тем, что увеличивает свои прочностные характеристики при старении.

Никель-медные сплавы применяют в аппаратах, работающих в среде H2SO4, HC1, Н3РО4 и т.д. Сплав монель-К применяют для изготовления деталей, несущих значительную силовую нагрузку.

Сплавы никеля с молибденом носят названия хастеллоев. Они представляют собой твердые растворы и обладают прочностью, пластичностью и химической стойко­стью. В промышленности они пред­ставлены марками Н65М-ВИ (ЭП982-ВИ), Н70МФВ-ВИ (ЭП814 А-ВИ), Хастеллой В-2, Nimofer S6928.

При содержании молибдена вы­ше 15 % никель-молибденовый сплав стоек в растворах минеральных кис­лот. При содержании молибдена вы­ше 20% коррозионная устойчивость сплавов особенно высока (рис. 7.13). Сплав «Хастеллой В» (марка Н70МФ), содержит 70% Ni и 25-29 % Мо. Он обладает устойчивостью в соляной и фосфорной кислотах всех концентраций при высокой температуре, в серной кислоте при тем­пературе кипения (при концентрации более 60% до 150°С), в раз­личных хлорпроизводных. Нестоек в окислительных средах.

Дополнительное введение хрома привело к созданию сплава «Ха­стеллой С» (марка ХН65МВ). Его состав: 65 % Ni, 16 % Мо, 15 % Сг, 4 % Fe. Этот сплав стоек в окислительных средах, в холодной азотной кислоте всех концентраций, в кипящей азотной кислоте концентра­ции до 70%, в растворах, содержащих СЬ, С1О~, Fe³⁺, Cu²⁺ и в растворах HF.

Сплавы Ni-Mo хорошо обрабатываются, свариваются и ошли­фовываются и являются ценным конструкционным материалом для химических производств.

Сплавы никеля с хромом — нихромы — могут содержать до 35% хрома при условии сохранения пластичности. Сплавы этого состава представляют собой твердые растворы Ni-Cr на основе 7-структурной решетки никеля.

Они представлены марками ХН58В (ЭП795), Nicrofer 6030 и име­ют высокую стойкость в растворах азотной кислоты в присутствии фтор-иона при высокой температуре. Сплавы, содержащие 25-30% хрома, применяются для изготовления толстой проволоки и лент. Для получения очень пластичных нихромов, например, для протяж­ки проволоки диаметром 0,01-0,30 мм, содержание хрома в сплаве не должно превышать 20 %.

Никель-хромовые сплавы известны как жаростойкие материалы. Одновременно они обладают коррозионной стойкостью и в агрессив­ных средах. Эти сплавы так же как и нержавеющие стали устойчивы в окислительных средах, например, в азотной кислоте. Нихромы нашли широкое применение как жаростойкий и очень жаропрочный материал. Эти сплавы имеют аустенитную структуру и обладают высоким омическим сопротивлением.

Разновидностью нихромов являются сплавы типа нимоник. Они применяются для конструкций, работающих при высоких нагрузках и температурах.

Применяется также хромистый сплав на никелевой основе под названием инконелъ. Отличительной способностью инконеля явля­ется сохранение высокой прочности и сопротивления ползучести при повышенных температурах. Этот сплав применяется для изго­товления химических аппаратов, работающих под давлением при высоких температурах.

Никель-хромомолибденовые сплавы (марки ХН65МВ, ХН65МВУ, Хастеллой С-276, Хастеллой С-22, Nicrofer S5923hMo) обладают вы­сокой стойкостью в широкой гамме высоко агрессивных сред: в рас­творах хлоридов меди (до 20%) и железа (до 35%); в растворах серной, фосфорной, уксусной и муравьиной кислот, загрязненных хлор- и фтор-ионами; в сухом хлоре, влажном хлористом водороде.

Никелевые сплавы характеризуются высокой стойкостью против общей и локальной коррозии, хорошо свариваются, технологичны при изготовлении различных видов аппаратов. Применение матери­алов этой группы для сред с высокими параметрами агрессивности позволяет увеличить срок службы и надежность оборудования.

Олово

Стандартный равновесный потенциал олова равен -0.136 В. Ста­ционарный потенциал в растворе 0,5N NaCl равен -0,25 В. ПДК в воде — 0,112мг/л.

Олово — серебристо-белый металл, медленно тускнеющий на воздухе. Оно может существовать в двух модифика­циях. Обычная металлическая модификация с плотностью 7,31 (β-фаза) носит название «белое олово». Более легкая металлоидная фор­ма (α-фаза) с плотностью 5,75 носит название «серое олово». Белое олово устойчиво при температуре выше +13 ° С, серое олово — при температуре ниже +13 °С. Максимальная скорость перехода белого олова в серое олово устанавливается при -48 °С. Аллотропическое превращение белого олова в серое олово аналогично по внешнему проявлению коррозионному разрушению. Начавшееся превращение ускоряет процесс перехода. Это явление получило название оловян­ной чумы. Введение в олово 0,5 % Bi или Sb исключает подобное явление.

Одна из причин гибели экспедиции Скотта к Южному полюсу в 1912 г. Она осталась без горючего из-за того, что оно просочилось через запаянные оловом баки, поражённые «оловянной чумой», названной так в 1911 г. Г. Коэном

.
Некоторые историки указывают на «оловянную чуму» как на одно из обстоятельств поражения армии Наполеона в России в 1812 г. — сильные морозы привели к превращению оловянных пуговиц на мундирах солдат в порошок.

Олово обладает недостаточно высокими механическими свойствами, способность к пассивации выражена слабо. Оно устойчиво в природных водах, в растворах нейтральных солей, в пищевых сре­дах. Олово широко применяется для защитных покрытий при изго­товлении консервной жести.

В органических пищевых средах при отсутствии или недостатке кислорода олово имеет более отрицательный потенциал, чем же­лезо. Поэтому в закрытых консервных банках не образуется ржав­чины. В атмосферных условиях, напротив, железо обладает более отрицательным потенциалом, поэтому открытые банки во влажной атмосфере быстро ржавеют.

Олово устойчиво в разбавленных растворах серной и соляной кислот, в органических кислотах. При повышении концентрации минеральных кислот ускоряется коррозия олова. В азотной кислоте олово сильно разрушается. Неустойчиво оно также в щелочах. Олово устойчиво в атмосферных условиях.

Олово как конструкционный материал практического примене­ния не имеет вследствие высокой себестоимости и невысокой меха­нической прочности. Олово применяется для получения бронзы и сплавов, обладающих антифрикционными свойствами. Наибольшее применение из последних получили оловянные баббиты. В их состав входит до 90 % олова. Мягкие легкоплавкие сплавы олова и свинца используются в качестве припоев.

Сплавы на основе олова широко применяются в электротехнике. Станиоль — материал, применяемый для электроконденсаторов. Он состоит на 95 % из олова.

Свинец

Стандартный электродный потенциал свинца для процесса РЬ²⁺ + 2е ↔ Рb равен -0,126 В. ПДК в воде — 0,006 мг/л. Коррозионная стойкость свинца определяется во многом устойчивостью продуктов его коррозии.

Свинец — мягкий металл, имеющий невысокую температуру плавления (327,4 °С), низкую теплопроводность, высокую плотность (11,3) и плохие литейные свойства.

В качестве коррозионного материала применяется свинец чистоты не менее 99,2 %. Примеси Си, Sn, As, Fe, Bi увеличивают прочност­ные показатели, но уменьшают пластичность. Примеси мышьяка придают свинцу хрупкость. Коррозионная стойкость свинца опре­деляется растворимостью продуктов его коррозии. Растворимость солей свинца отличается на несколько порядков в зависимости от природы аниона (табл. 7.10).

Из приведенных данных видно, что в азотной и уксусной кисло­тах свинец неустойчив, так как нитраты и ацетаты свинца раствори­мы. Свинец неустойчив так же в щелочах, так как гидроксиды свинца легко растворяются в избытке щелочи с образованием плюмбитов —РЬО₂^2-, и плюмбатов — РЬО₃^2-

Напротив, в серной и фосфорной кислотах свинец отличается высокой коррозионной стойкостью. Это относится и к растворам их солей. Нерастворимые продукты коррозии свинца осаждаются на поверхности и образуют беспористую, прочно связанную с металлом пленку, толщиной от тысячи до нескольких тысяч молекулярных слоев.

Так, в горячей серной кислоте при концентрации до 80 % и в хо­лодной H2SO4 при концентрации до 96 %, образуется нерастворимая соль PbSO₄.

При более высоких концентрациях серной кислоты и в олеуме свинец неустойчив. В этих условиях протекает реакция:

PbSO₄ + H₂SO₄ ↔ Pb(HSO₄)₂

Бисульфат свинца обладает хорошей растворимостью и скорость коррозии свинца резко возрастает.

Добавки к свинцу 0,03-0,10 % Те улучшают коррозионную стой­кость свинца как при более высоких концентрациях H₂SO₄, так и при более высоких температурах. Например, в 78 % H₂SO₄ легиро­ванный свинец стоек при 100-115 °С (табл. 7.11).

Добавка теллура повышает сопротивление свинца усталости и коррозии, когда сплав эксплуатируется в качестве обкладочного ма­териала и труб. Отмечается также способность теллуристого свинца нагартовываться при холодной обработке и повышенное сопротив­ление его вибрационным и механическим нагрузкам.

В соляной кислоте свинец стоек до концентрации 10 %. В жестких водах, содержащих CaSO₄ и кремниевую кислоту, свинец устойчив.

Но он корродирует в подземных водах, содержащих органические кислоты или большой процент углекислоты. В этих условиях обра­зуются бикарбонаты свинца РЬ(НСО₃)₂ обладающие существенной растворимостью.

Свинец показывает высокую стойкость в атмосфе­ре, особенно в индустриальных атмосферах, содержащих H₂S, SO₂, H₂SO₄.

Следует отметить высокую токсичность свинца.

Свинец находит применение в химической промышленности в виде листового материала для футеровки химических аппаратов, гальванических ванн, кристаллизаторов, для изготовления трубо­проводов и газоходов. Он применяется также для оболочек кабелей связи, для защиты от рентгеновского облучения, для изготовления аккумуляторов.

Свинец применяется в сернокислотной промышленности как об-кладочный материал для небольших емкостей (вакуум-сборники, мерники) и в сопряженных узлах аппаратов (рис. 7.14); для гомоген­ного свинцевания крышек аппаратов, как конструкционный матери­ал для труб холодильников. Низкий коэффициент теплопроводности не позволяет эффективно использовать свинец в теплообменной ап­паратуре, а высокая плотность приводит к утяжелению конструкций. Верхний температурный предел применения свинца 120 °С. Для за­щиты от коррозии оборудования применяется рольный свинец марки С2 (ГОСТ 3778-56).

Сплав свинца, легированный 6-12% Sb, обладает повышенны­ми механическими и литейными свойствами. Он известен под на­званием «твердый свинец» или гартблей (ГОСТ 1292-57). Из него изготавливают детали насосов промывных кислот и узлы аппаратов, испытывающие нагрузки (рис. 7.15).

Рассмотрим примеры. При произ­водстве серной кислоты первой ста­дией процесса является обжиг пи­рита Fe₂S. Полученный обжиговый газ проходит стадию очистки. Из 2-й промывной башни газ выходит при температуре 30-40° С. Мокрый элек­трофильтр устанавливается после 2-й промывной башни. В аппарат по­ступает газ, содержащий 7-8% SO₂ при температуре 45-50 ° С. В электро­фильтре газ очищается от наиболее крупных капель тумана, основной массы селена и мышьяка. Рассмот­рим пример антикоррозийной защи­ты этого аппарата (рис. 7.14).

Корпус аппарата выполнен из стали СтЗ и защищен кислотоупор­ным кирпичом по подслою из изобутилена марки ПГС толщиной 5 мм на клее 88-Н. Между полиизобутиленом и кирпичом находится слой силикатной кислотоупорной замазки толщиной 5 мм. Крышка стальная выполняется гомогенно освинцован­ной, распределительная решетка — из отвержденного листового фаолита. Коронирующие электроды изготов­ляются из освинцованной стальной проволоки диаметра 1,8 мм. Осадительные электроды выполняются в виде шестигранных свинцовых труб, собранных в пакеты по 168 труб.

На рис. 7.15 приведена схема ан­тикоррозионной защиты сборника промывной кислоты. Стальной кор­пус оклеивается полиизобутиленом и футеруется кислотоупорным кирпи­чом на силикатной кислотоупорной замазке. Шаровой клапан и вкладыш сборника выполнены из сурьмяни­ стого свинца — гартблея. Сифон изготовлен из стальной освин­цованной трубы. Крышку аппарата защищают свинцом или ре­зиной.

Сплав свинца с 1 % Ag и 1 % As используется в качестве матери­ала для нерастворимых анодов, применяемых в электрохимических производствах для получения диоксида марганца и пероксида водо­рода.

Цинк

Цинк нашел широкое применение в качестве защитного покрытия железных и стальных изделий. Цинк—легкоплавкий (t_пл = 419° С), мягкий и малопрочный металл. ПДК в воде — 0,01 мг/л. Стандарт­ный электродный потенциал цинка Zn²⁺ + 2е → Zn равен -0,76 В. В 3 %-м растворе NaCl электродный потенциал цинка равен -0,83 В.

Цинк может корродировать как с водородной, так и с кислородной деполяризацией. В кислых средах цинк корродирует с водородной деполяризацией. На скорость коррозии цинка существенно влияют даже незначитель­ные примеси других металлов. Примеси кадмия, свинца, алюминия не влияют на скорость коррозии. Примеси с низким перенапряжени­ем водорода, например, железо, медь в концентрации 0,002-0,005 % увеличивают скорость коррозии цинка в 10 и более раз.

В щелочах цинк не стоек и переходит в раствор в виде цинкатов, например, Na₂ZnO₂.

Цинк обладает максимальной устойчивостью в интервале рН между 9 и 11 (рис. 7.16). Применение цинковых покрытий нера­ционально, если рН среды заметно меньше 7 или более 12 из-за усиления коррозии цинка.

В воде цинк устойчив до 55 ° С (рис. 7.17). Скорость коррозии рез­ко повышается с увеличением температуры и достигает максимума при 70 °С, а затем снижается. Наблюдаемые закономерности связы­вают с тем, что при температурах до 50 °С и выше 95 °С, на цинке образуется плотная пленка с высокими защитными свойствами. В интервале температур (55-65) °С наблюдается образование рыхлых продуктов коррозии с низкими защитными свойствами. При 100° С продукты коррозии уплотняются, а также происходит уменьшение растворимости кислорода в коррозионной среде.

В чистой и морской атмосферах цинк стоек, так как покрывается слоем продуктов коррозии из гидроксидов и основных углекислыхсолей цинка. В загрязненных SO2, SO3, HC1 средах индустриальных рай­онов устойчивость цинка и цинковых покрытий заметно снижается. Цинк используется для защиты стали от атмосферной коррозии. Применяется для получения медных, никелевых, магниевых спла­вов, в производстве аккумуляторов и как протектор при электрохи­мической защите железных сплавов.

Кадмий

Кадмий — серебристо-белый, мягкий металл. Плотность равна 8,65. Стандартный электродный потенциал кадмия Cd²⁺ + 2е ↔ Cd равен -0,40 В, а стационарный потенциал в 0,5н. растворе NaCl — -0,52 В. ПДК в воде составляет 0,005 мг/л.

В настоящее время использование кадмия запрещено.

Кадмий — тягучий и ковкий металл, который легко прокатывает­ся в листы и вытягивается в проволоку.

Способность к пассивации у кадмия невелика. Поэтому в кон­такте с железом, обладающим склонностью к пассивации, в боль­шинстве случаев кадмий оказывается анодом. Кадмий употребляют в основном для нанесения анодных покрытий на сталь и на алюми­ниевые сплавы.

Кадмий сходен по коррозионному поведению с цинком. В ней­тральных растворах кадмий корродирует с кислородной деполяри­зацией. В отличие от цинка скорость коррозии кадмия с увеличением рН понижается.

Вследствие менее отрицательного электродного потенциала кад­мий имеет большую устойчивость в кислых и нейтральных раство­рах по сравнению с цинком. В щелочах он вполне устойчив.

Кадмий устойчив к морской воде и морской атмосфере. Присут­ствие в газах SO₂ и SO₃ приводит к быстрому разрушению кадмия.

Кадмий используется для получения сплавов с медью. Высокая токсичность кадмия ограничивает его применение в качестве защит­ного покрытия.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 725; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!