Svojstva i utjecaj nikla na čelik
Rastvorljivost nikla u γ- gvožđu je neograničena, dok je u α- gvožđu do 10% i nalazi se u ravnoteži sa austenitom . Nikl povećava tvrdoću i čvrstoću čelika i pozitivno utiče na udarnu žilavost i duktilnost, posebno na niskim temperaturama. Poput hroma , povećava prokaljivost čelika. Nikl je element koji formira austenit, a njegov uticaj na strukturu čelika sličan je uticaju mangana.
Niskolegirani čelici sa sadržajem nikla od 3-5% imaju visoku čvrstoću, tvrdoću i otporni su na abraziju. Čelici sa sadržajem nikla od 7-20% (također u kombinaciji sa hromom ) otporni su na koroziju i visoke temperature, morsku vodu i kiseline. To je vrlo česta komponenta koja se koristi u nehrđajućem čeliku (inox) , čeliku otpornom na kiseline , te čelicima otpornim na toplinu i puzanje . Čelične legure sa sadržajem nikla od 20-30% pokazuju povećani električni otpor s porastom temperature. Legure nikla - 60% nikla, 15% železa i 14% hroma - koriste se kao električni otpornici i komponente otporne na kiseline.
Nikl – Fizički podaci i historija otkrića
Nikl – atomski broj 28, atomska masa 58.71, tačka topljenja 1452°C, tačka ključanja 2730°C, gustina 8,908 g/cm3 (Enciklopedija tehnologije, Wydawnictwo "Śląsk")
Historija otkrića nikla, (manje-više) je kako slijedi.
U srednjem vijeku, pa čak i kasnije, alhemičari su vjerovali u takozvanu teoriju potpisa. Ova teorija je tvrdila da sama priroda označava svoje kreacije potpisima kako bi ljudi mogli prepoznati čemu služi određena kreacija i u koju svrhu. Tako se, na primjer, govorilo da se djetelina koristi za liječenje srčanih bolesti jer su joj listovi u obliku srca i tako dalje.
Ova teorija se primjenjivala i na metalurgiju. Vjerovalo se da sva tijela, supstance i minerali zlatne boje sadrže zlato; sve što je bilo potrebno bilo je pronaći odgovarajuću metodu za njegovo izdvajanje. Prilikom traženja zlata u urinu otkriven je fosfor, a prilikom traženja bakra u mineralima boje bakra otkriven je novi sjajni metal: nikl.
Nikl u antici
U davna vremena, samo sedam metala bilo je poznato u čistom stanju ( bakar , srebro, kalaj, olovo, željezo , zlato i živa). Nikl, kao prirodni legirajući element, postojao je mnogo prije naše ere. U Kini se topio iz ruda bakra i nikla koje su se od davnina iskopavale u provincijama Yunnan i Sečuan , a legura taljena iz ovih ruda nazivala se pak-tong. Pak-tong (paktong ili pakfong) bio je svijetlo srebrne boje s besprijekornim sjajem. Bio je tvrđi i izdržljiviji od srebra. Korišten je za izradu raznih predmeta, uključujući nakit, ukrase i kovanice.
U drevnoj Baktriji (današnji sjeverni Afganistan) u 2. vijeku prije nove ere, kovani su novčići koji su, prema modernoj hemijskoj analizi, sadržavali približno 77,6% bakra, 20% nikla, 1% željeza i oko 1% drugih elemenata. Meteoriti s kojima se ljudi susreću od davnina također sadrže nikl.
"Kupfernikl" (lažni bakar)
U saksonskim rudnicima koji se nalaze u planinskom lancu Erzgebirge , pronađen je neobičan mineral boje bakra. Prema prethodno spomenutoj teoriji potpisivanja, trebao bi sadržavati bakar. Nažalost, uprkos svim naporima, nije mogao biti izoliran. Ovaj izuzetno rijedak mineral nazvan je " Kupfernickel" (lažni bakar ). Proučavao ga je i detaljno ispitao švedski hemičar i mineralog baron Axel Fredrik Cronstedt (1722–1765).
Godine 1751. reducirao ga je do oksidnog oblika, a zatim ga ugljem reducirao do očekivanog bakra. "Nažalost", na njegovo iznenađenje, formirao se bijeli metal koji je smatrao zasebnim metalom, dajući mu ime nikl. Ovo otkriće potvrdio je četiri godine kasnije, 1755. godine, još jedan poznati švedski hemičar i mineralog, Torbern Olaf Bergman (1735-1784).
Industrijska primjena i razvoj proizvodnje nikla
Nikl, sa svojim brojnim prednostima i nevjerovatnim primjenama, postao je nezamjenjiv metal, ali prije nego što se to dogodilo, naučnici su morali izvršiti tri zadatka:
– naučite tačna svojstva i pronađite primjenu za novi metal
– odabrati metode nabavke u odgovarajućoj količini i po niskoj cijeni
– pronaći mjesta gdje se ovaj metal pojavljuje
Geitner, Henniger, Mond
Kada je 1825. godine u Njemačkoj ovladana industrijska metoda ekstrakcije nikla, braća Henniger, i nezavisno od njih, Ernst August Geitner (1783–1852) , proizveli su leguru napravljenu od čistih komponenti (20% nikla, 20–25% cinka, 55–60% bakra), nazvanu njemačko srebro, novo srebro, argent, alpaka i albata. Novo srebro se, poput kineskog pakfonga, prvenstveno koristilo za proizvodnju raznog nakita.
Godine 1840. proizvedeno je samo oko 100 tona nikla, a njegovo dobijanje je bilo vrlo teško zbog niskog sadržaja metala u nalazištima koja su se iskopavala. Sedamdesetih godina 19. vijeka, originalnu metodu za dobijanje nikla iz niklovog kamena izumio je njemački hemičar Ludwig Mond (1839–1909) , koji je otkrio takozvane nikl karbonile. To je spoj Ni (CO4), koji sa ugljičnim monoksidom formira nikl , iz kojeg se čisti nikl može lako izolovati.
Cronstedt, Bergman, Džejms Kuk, Garnier
U isto vrijeme kada su Šveđani Cronstedt i Bergman prvi dobijali uzorke čistog nikla, kapetan James Cook (1728-1779) je 1774. godine otkrio novo ostrvo u Južnom Pacifiku, nazvano Nova Kaledonija. Godine 1853. došlo je pod francusku kontrolu, a 12 godina kasnije, Francuz Garnier je otkrio visokokvalitetnu rudu nikla nazvanu garnierit, koja je sadržavala do 30% nikla. Kada je Mond razvio karbonilnu metodu za dobijanje nikla, proizvodnja rude u Novoj Kaledoniji već je dostizala 300 tona.
Godine 1856. u rudnicima bakra u Ontariju, u Kanadi, otkrivena su nova nalazišta rude nikla, procijenjena na milione tona. Do 1900. godine, proizvodnja nikla u Novoj Kaledoniji počela je premašivati onu u Kanadi. Pored ranije spomenute proizvodnje ukrasa i nakita, nikl je pronašao mnogo širu primjenu, naime u proizvodnji kovanica.
Niklani novčići
Po prvi put u moderno doba, kovanice od nikl srebra su kovane u Švicarskoj (uz dodatak srebra) 1850. godine, a u Belgiji 1855. godine legura je korištena za kovanje kovanica. bakar i nikl (75% i 25%).
Sjedinjene Američke Države su uvele nove kovanice 1857. godine, Njemačka 1873. godine, a Švicarska je 1881. godine uvela kovanicu kovanu od čistog nikla.
Međutim, najveća karijera nikla započela je prepoznavanjem njegovih prednosti u tehničkim primjenama. Nikl pokazuje nevjerovatno visoku zateznu čvrstoću i izuzetnu duktilnost. Posljedično, pronašao je široku upotrebu u mnogim oblastima života i tehnologije, kao što su hemija, arhitektura i, prije svega, u metalurgiji kao legirajuća komponenta čelika.
Nikl u čeliku
Godine 1819, Michael Faraday (1791–1867) je bezuspješno pokušao koristiti nikl u čeliku, a prvi pokušaji dobijanja čelika legiranih niklom u Njemačkoj 1823. godine također su završili neuspjehom. Tek 1888. godine Francuz Marbeau iz fabrike naoružanja Schneider u Le Creusotu predstavio je nikl čelik neviđene čvrstoće, otpornosti na koroziju i duktilnosti, koji je korišten za proizvodnju oklopnih ploča koje su jedine mogle izdržati udare metaka od hromiranog čelika.
Godine 1889, nezavisno od Schneiderove proizvodnje, Englez Riley iz Vickersa također je uveo u proizvodnju nikl-čelik. Godine 1891. Sjedinjene Američke Države su kupile patente koji su pripadali Vickersu i Schneideru i koristile ih za proizvodnju oklopnih ploča za svoju mornaricu. Čak i prije Marbeauovog izuma , izvjesni Samuel Ritchie iz rudnika nikla u Ontariju predložio je Kruppu da proizvode nikl-čelik . Ovaj prijedlog je odbijen i tek nakon što su Sjedinjene Američke Države kupile patente za proizvodnju nikl-čelika, Krupp se zainteresovao za proizvodnju ovog čelika.
Niklove legure i njihov značaj
Niklove legure predstavljaju zasebnu, visoko specijaliziranu grupu materijala dizajniranih za upotrebu u uvjetima gdje čelik - čak i visokolegirani čelik - više nije dovoljan. One kombiniraju visok sadržaj nikla s dodacima kroma, molibdena, željeza, titana, aluminija, niobija i volframa, stvarajući materijale otporne na koroziju, puzanje, oksidaciju i ekstremno visoke temperature.
Monel (približno 65–70% Ni, 25–30% Cu)
Monel je grupa legura nikla i bakra s vrlo visokom otpornošću na morsku vodu, korozijsko pucanje pod naponom, alkalije i kiseline. Karakterizira ga dobra čvrstoća u širokom temperaturnom rasponu i otpornost na pucanje. Tipične primjene uključuju brodske armature, pumpe, impelere, propelere, hemijsku industriju, opremu za luženje i komponente otpornije od bakronikla na višim temperaturama.
Najpoznatije vrste: Monel 400, Monel K-500 (otvrdnut taloženjem).
Inconel / Incoloy – superlegure nikla i legure Ni-Cr-Fe
Ovo su među najvažnijim materijalima za upotrebu na vrlo visokim temperaturama (600–1100°C) i u visoko korozivnim okruženjima. Obično sadrže 50–75% Ni u kombinaciji sa Cr, Fe, Mo, Nb, Ti i Al.
Najčešće korišteno:
Inconel 600, 601 – otpornost na oksidaciju i visoke temperature,
Inconel 625 – visoka otpornost na koroziju i hloride,
Inconel 718 – superlegura očvrsnuta taloženjem (Nb + Ti),
Incoloy 800/825 – materijali otporni na puzanje i agresivne hemijske medije.
Primjene: energetika, petrohemija, industrijske peći, turbine, instalacije za sagorijevanje i regeneraciju ispušnih plinova.
Hastelloy – Ni-Mo i Ni-Cr-Mo legure
Hastelloy čelici se odlikuju izuzetnom otpornošću na opštu koroziju, rupičasta korozija i prorezane. Zahvaljujući velikom dodatku molibdena i kroma, pogodne su za:
vruće kiseline (sumporna, hlorovodonična), oksidirajuće i redukcijske sredine, hemijski procesi visokog rizika.
Najpoznatije vrste: Hastelloy C-276 , Hastelloy C-22, Hastelloy B-2.
Nimonic – legure nikla s dodatkom titana i aluminija
Nimonic je grupa legura dizajniranih prvenstveno za upotrebu u plinskim turbinama. Sadrže približno 70-80% Ni, s dodacima Ti i Al, koji omogućavaju očvršćavanje precipitacijom (γ'). Karakteristike:
vrlo visoka čvrstoća na 700–900°C,
otpornost na puzanje i termički umor.
Koristi se, između ostalog, u avijaciji i energetici.
Legura – grupa visokolegiranih niklovih materijala
Postoje brojne komercijalne varijante legura nikla pod nazivom "Legura", npr.:
Legura 20 – visoko otporna na kiseline i hloride (Ni-Cr-Mo-Cu),
Legura 59 – Ni-Cr-Mo legura sa širokom hemijskom otpornošću,
Legura 36 (Invar) – legura nikla s vrlo niskim koeficijentom toplinskog širenja,
Legura 75 / 188 / 230 – superlegure otporne na visoke temperature i oksidaciju.
Udimet i Waspaloy – superlegure nikla
Niklove superlegure poput Udimeta i Waspaloya spadaju među najnaprednije strukturne materijale koji se koriste u ekstremnim termičkim i mehaničkim opterećenjima. Njihova čvrstoća se zasniva na visokom sadržaju nikla i γ'-faznom taložnom ojačanju (Ni₃(Al,Ti)), što im omogućava održavanje mehaničke stabilnosti na temperaturama na kojima čelik i konvencionalne niklove legure prestaju funkcionirati.
Udimet je grupa superlegura koje sadrže visok udio nikla (približno 60-70%) i dodatke kroma, kobalta, molibdena i volframa. Prisustvo titana i aluminija omogućava snažno očvršćavanje precipitacijom.
Karakteristične osobine: vrlo visoka čvrstoća na temperaturama od 700–750°C, otpornost na puzanje i dugotrajna opterećenja, dobra strukturna stabilnost pri cikličnim promjenama temperature.
Primjena: komponente plinskih turbina, mlaznice, lopatice i prstenovi, komponente aviona koje rade u vrućoj zoni motora.
Waspaloy je superlegura na bazi nikla s izuzetnom otpornošću na puzanje i visokom dugoročnom stabilnošću. Sadrži približno 58-62% nikla, visok sadržaj hroma i dodatke kobalta, molibdena, titana i aluminija.
Ključna svojstva: odlična otpornost na puzanje i čvrstoća u rasponu od 650–800°C, otpornost na deformacije pri dugotrajnom opterećenju, dimenzijska stabilnost u termičkim šokovima i agresivnim okruženjima.
Primjene: visoko opterećene komponente za vazduhoplovstvo i energetiku, diskovi i prstenovi turbina, komponente instalacija koje rade u zahtjevnim termičkim i hemijskim uslovima.
Svaki od njih je dizajniran za određeni problem: korozija, puzanje, dimenzionalna stabilnost ili visoka temperatura.
Industrijski značaj legure nikla
Zahvaljujući svojstvima nikla i njegovoj sposobnosti formiranja stabilnih kristalnih struktura čak i na ekstremnim temperaturama, legure nikla se koriste u energetskom sektoru (komore za sagorijevanje, turbine, pregrijači), hemijskoj i rafinerijskoj industriji, pomorskoj industriji, kriogenici, avijaciji i raketnoj tehnici, te uređajima izloženim koroziji hlorida , kiselinama i oksidacionim sredstvima. One predstavljaju vrhunac metalurgije visokih temperatura - tamo gdje čelik prestaje, legure nikla tek počinju.
Iron Vengiel hrom Nikl Vanadijum mangan Krzem molibden volfram Bakar Tytan Glin kobalt niobij fosfor Siarka Kiseonik azot Magnezijum Cink bušilica