Никельдің қасиеттері және болатқа әсері
Никельдің γ- темірдегі ерігіштігі шексіз, ал α- темірде ол 10%-ға дейін жетеді және аустенитпен тепе-теңдікте болады . Никель болаттың қаттылығы мен беріктігін арттырады және әсіресе төмен температурада соққы беріктігі мен созылғыштығына оң әсер етеді. Хром сияқты, ол болаттың қатаюын арттырады. Никель - аустенит түзетін элемент, және оның болат құрылымына әсері марганецке ұқсас.
3-5% никель құрамы бар төмен легирленген болаттар жоғары беріктікке, қаттылыққа ие және тозуға төзімді. 7-20% никель құрамы бар болаттар (сонымен қатар хроммен бірге ) коррозияға және жоғары температураға, теңіз суына және қышқылдарға төзімді. Бұл тот баспайтын болатта (иноксидте) , қышқылға төзімді болатта , ыстыққа төзімді және сырғымаға төзімді болаттарда қолданылатын өте кең таралған компонент . 20-30% никель құрамы бар болат қорытпалары температура жоғарылаған сайын электр кедергісінің артуын көрсетеді. 60% никель, 15% фе және 14% хром никель қорытпалары электрлік резисторлар және қышқылға төзімді компоненттер ретінде қолданылады.
Никель – Физикалық деректер және ашылу тарихы
Никель – атомдық нөмірі 28, атомдық массасы 58.71, балқу температурасы 1452°C, қайнау температурасы 2730°C, тығыздығы 8,908 г/см3 (Технология энциклопедиясы, Wydawnictwo "Śląsk")
Никельдің ашылу тарихы, (аз немесе көп) келесідей.
Орта ғасырларда және одан кейінгі кезеңде алхимиктер «қолтаңба теориясына» сенді. Бұл теория табиғаттың өзі өз жаратылыстарын қолтаңбалармен белгілейді деп есептеді, осылайша адамдар берілген жаратылыстың не үшін және қандай мақсатта жасалғанын тани алады. Мысалы, беде жүрек ауруларын емдеу үшін қолданылады деп айтылды, себебі оның жапырақтары жүрек пішінді болды және т.б.
Бұл теория металлургияға да қатысты болды. Барлық алтын түсті денелерде, заттарда және минералдарда алтын бар деген пікір кең таралған; оны алудың қолайлы әдісін табу жеткілікті болды. Зәрден алтын іздеген кезде фосфор, ал мыс түсті минералдардан мысты іздеген кезде жылтыр жаңа металл - никель табылды.
Ежелгі дәуірдегі никель
Ежелгі заманда таза күйінде тек жеті металл белгілі болған ( мыс , күміс, қалайы, қорғасын, темір , алтын және сынап). Никель табиғи қорытпа элементі ретінде біздің дәуірімізден әлдеқайда бұрын болған. Қытайда ол ежелгі заманнан бері Юньнань және Сычуань провинцияларында өндірілген мыс-никель кендерінен балқытылған , ал осы кендерден балқытылған қорытпа пак-тонг деп аталған. Пак-тонг (пактонг немесе пакфонг) мінсіз жылтырлығы бар ашық күміс түсті болған. Ол күміске қарағанда қаттырақ және берік болған. Ол зергерлік бұйымдарды, әшекейлерді және тиындарды қоса алғанда, әртүрлі бұйымдарды жасау үшін қолданылған.
Біздің заманымызға дейінгі II ғасырда ежелгі Бактрияда (қазіргі Ауғанстанның солтүстігі) қазіргі химиялық талдау бойынша шамамен 77,6% мыс, 20% никель, 1% темір және шамамен 1% басқа элементтерден тұратын монеталар соғылған. Адамдар ежелгі заманнан бері кездестірген метеориттерде де никель бар.
«Купферникель» (жалған мыс)
Эрцгебирге тау жотасында орналасқан саксон кеніштерінде мыс түсті таңқаларлық минерал табылды. Жоғарыда аталған белгі теориясына сәйкес, оның құрамында мыс болуы керек еді. Өкінішке орай, барлық күш-жігерге қарамастан, оны бөліп алу мүмкін болмады. Бұл өте сирек кездесетін минерал « Купферникель» (жалған мыс ) деп аталды. Оны швед химигі және минералогы барон Аксель Фредрик Кронстедт (1722–1765) зерттеп, мұқият зерттеді.
1751 жылы ол оны оксид түріне дейін төмендетіп, содан кейін көмірмен күтілген мысқа дейін қалпына келтірді. «Өкінішке орай», оның таңқаларлығы, ақ металл пайда болды, ол оны бөлек металл деп санап, оған никель атауын берді. Бұл жаңалықты төрт жылдан кейін, 1755 жылы, тағы бір атақты швед химигі және минералогы Торберн Олаф Бергман (1735-1784) растады.
Никель өндірісінің өнеркәсіптік қолданылуы және дамуы
Никель өзінің көптеген артықшылықтары мен керемет қолданылуымен алмастырылмайтын металлға айналды, бірақ бұл орын алмас бұрын ғалымдар үш міндетті орындауы керек болды:
– жаңа металдың нақты қасиеттерін біліп, қолданылуын табыңыз
– тиісті мөлшерде және төмен бағамен алу әдістерін таңдаңыз
- бұл металл кездесетін жерлерді табыңыз
Гейтнер, Хеннигер, Монд
1825 жылы Германияда никель алудың өнеркәсіптік әдісі игерілген кезде, Хеннигер ағайындылары және олардан тәуелсіз Эрнст Август Гейтнер (1783–1852) таза компоненттерден (20% никель, 20–25% мырыш, 55–60% мыс) жасалған қорытпаны неміс күмісі, жаңа күміс, аргент, альпакка және альбата деп атады. Жаңа күміс, қытай пакфонгы сияқты, негізінен әртүрлі зергерлік бұйымдарды өндіру үшін пайдаланылды.
1840 жылы тек 100 тоннаға жуық никель өндірілді, және оны алу өте қиын болды, себебі өндірілетін кен орындарындағы металл мөлшері аз болды. 1870 жылдары никель штейнінен никель алудың бастапқы әдісін неміс химигі Людвиг Монд (1839–1909) ойлап тапты , ол никель карбонилдерін ашты. Бұл Ni (CO4) қосылысы, ол көміртегі тотығымен никель түзеді , одан таза никельді оңай бөліп алуға болады.
Кронстедт, Бергман, Джеймс Кук, Гарнье
Шведтер Кронстедт пен Бергман алғаш рет таза никель үлгілерін алып жатқан кезде , капитан Джеймс Кук (1728-1779) 1774 жылы Оңтүстік Тынық мұхитында Жаңа Каледония деп аталатын жаңа арал ашты. 1853 жылы ол француздардың бақылауына өтті, ал 12 жылдан кейін француз Гарнье құрамында 30%-ға дейін никель бар гарньерит деп аталатын жоғары сапалы никель кенін тапты. Монд никель алудың карбонил әдісін жасаған кезде, Жаңа Каледониядағы кен өндірісі қазірдің өзінде 300 тоннаға жетті.
1856 жылы Канаданың Онтарио қаласындағы мыс кеніштерінде миллиондаған тоннаға бағаланған жаңа никель кен орындары табылды. 1900 жылға қарай Жаңа Каледонияда никель өндірісі Канададағыдан асып түсті. Жоғарыда аталған әшекейлер мен зергерлік бұйымдарды өндіруден басқа, никель әлдеқайда кең қолданыс тапты, атап айтқанда, монеталар өндірісі.
Никель монеталары
Қазіргі заманда алғаш рет никель күміс монеталар 1850 жылы Швейцарияда (күміс қосылып) соғылды, ал 1855 жылы Бельгияда қорытпа монеталарды соғу үшін пайдаланылды. мыс және никель (75% және 25%).
Америка Құрама Штаттары 1857 жылы, Германия 1873 жылы, ал Швейцария 1881 жылы таза никельден соғылған монетаны шығарды.
Дегенмен, никельдің ең үлкен мансабы оның техникалық қолданыстардағы артықшылықтарын танудан басталды. Никель өте жоғары созылу беріктігі мен ерекше икемділігін көрсетеді. Нәтижесінде, ол химия, сәулет өнері және ең бастысы металлургияда болаттың қоспалаушы компоненті ретінде кеңінен қолданылды.
Болаттағы никель
1819 жылы Майкл Фарадей (1791–1867) болатқа никельді қолдануға сәтсіз әрекет жасады, ал 1823 жылы Германияда никель қорытпасынан жасалған болаттарды алуға жасалған алғашқы әрекеттер де сәтсіз аяқталды. Ле-Креузодағы Шнайдер қару-жарақ зауытының французы Марбо 1888 жылға дейін бұрын-соңды болмаған беріктікке, коррозияға төзімділікке және иілгіштікке ие никель болатын енгізді , ол хром болаттан жасалған оқтардың соққыларына төтеп бере алатын жалғыз сауыт тақталарын жасау үшін пайдаланылды.
1889 жылы, Шнайдер өндірісінен тәуелсіз, Викерстік ағылшын Райли де никель болатын өндіріске енгізді. 1891 жылы Америка Құрама Штаттары Викерс пен Шнайдерге тиесілі патенттерді сатып алып, оларды әскери-теңіз күштеріне арналған сауыт тақталарын өндіру үшін пайдаланды. Марбоның өнертабысынан бұрын да, Онтариодағы никель кенішінен шыққан Сэмюэл Ричи есімді азамат Круппқа никель болатын өндіруді ұсынған болатын . Бұл ұсыныс қабылданбады, және тек Америка Құрама Штаттары никель болатын өндіруге арналған патенттерді сатып алғаннан кейін ғана Крупп бұл болатты өндіруге қызығушылық танытты.
Никель қорытпалары және олардың маңызы
Никель қорытпалары болаттың, тіпті жоғары қорытпалы болаттың да жеткіліксіз болған жағдайларда қолдануға арналған ерекше, жоғары мамандандырылған материалдар тобын құрайды. Олар никельдің жоғары мөлшерін хром, молибден, темір, титан, алюминий, ниобий және вольфрам қоспаларымен біріктіріп, коррозияға, сырғуға, тотығуға және өте жоғары температураға төзімді материалдар жасайды.
Монель (шамамен 65–70% Ni, 25–30% Cu)
Монель - теңіз суына, кернеулі коррозияға, сілтілерге және қышқылдарға өте жоғары төзімділігі бар никель-мыс қорытпаларының тобы. Ол кең температура диапазонында жақсы беріктікпен және жарықшақтарға төзімділікпен сипатталады. Әдеттегі қолданыстарға теңіз арматуралары, сорғылар, импеллерлер, пропеллерлер, химия өнеркәсібі, шаймалау жабдықтары және жоғары температурада медузникельге қарағанда төзімдірек компоненттер жатады.
Ең танымал түрлері: Монел 400, Monel K-500 (жауын-шашынмен қатайтылған).
Инконел / Incoloy – никель суперқорытпалары және Ni-Cr-Fe қорытпалары
Бұлар өте жоғары температурада (600–1100°C) және жоғары коррозиялық ортада қолдануға арналған ең маңызды материалдардың бірі. Әдетте олардың құрамында Cr, Fe, Mo, Nb, Ti және Al қосылған 50–75% Ni бар.
Ең жиі қолданылатындар:
Inconel 600, 601 – тотығуға және жоғары температураға төзімділік,
Inconel 625 – коррозияға және хлоридтерге жоғары төзімділік,
Inconel 718 – жауын-шашынға төзімділікпен шыңдалған суперқорытпа (Nb + Ti),
Инколой 800/825 – сырғымалы және агрессивті химиялық орталарға төзімді материалдар.
Қолданылуы: энергетика, мұнай химиясы, өнеркәсіптік пештер, турбиналар, жану және пайдаланылған газдарды қалпына келтіру қондырғылары.
Хастеллой – Ni-Mo және Ni-Cr-Mo қорытпалары
Гастеллойлар жалпы коррозияға ерекше төзімділігімен ерекшеленеді, шұңқыр коррозиясы және ойықтары бар. Молибден мен хромның көп мөлшерде қосылуының арқасында олар келесі мақсаттарға жарамды:
ыстық қышқылдар (күкіртті, тұзды), тотықтырғыш және тотықсыздандырғыш орталар, жоғары қауіпті химиялық процестер.
Ең танымал сорттары: Hastelloy C-276 , Hastelloy C-22, Hastelloy B-2.
Nimonic – титан мен алюминий қосылған никель қорытпалары
Nimonic - негізінен газ турбиналарында қолдануға арналған қорытпалар тобы. Олардың құрамында шамамен 70-80% Ni бар, Ti және Al қосылады, бұл жауын-шашынның қатаюына (γ') мүмкіндік береді. Ерекшеліктері:
700-900°C температурада өте жоғары беріктікке ие,
сырғымаға және термиялық шаршауға төзімділік.
Авиация, энергетика және басқа салаларда қолданылады.
Қорытпа – жоғары қорытпалы никель материалдарының тобы
«Қорытпа» атауымен никель қорытпаларының көптеген коммерциялық түрлері бар, мысалы:
20 қорытпасы – қышқылдар мен хлоридтерге (Ni-Cr-Mo-Cu) өте төзімді,
59 қорытпасы – кең химиялық төзімділікке ие Ni-Cr-Mo қорытпасы,
36 қорытпасы (Инвар) – термиялық кеңею коэффициенті өте төмен никель қорытпасы,
75/188/230 қорытпасы – жоғары температура мен тотығуға төзімді суперқорытпалар.
Удимет және Васпалой – никель суперқорытпалары
Udimet және Waspaloy сияқты никель суперқорытпалары экстремалды термиялық және механикалық жүктемелерде қолданылатын ең озық құрылымдық материалдардың қатарына жатады. Олардың беріктігі никельдің жоғары құрамына және γ'-фазалық жауын-шашынның күшеюіне (Ni₃(Al,Ti)) негізделген, бұл оларға болат пен дәстүрлі никель қорытпалары жұмысын тоқтататын температурада механикалық тұрақтылықты сақтауға мүмкіндік береді.
Udimet - құрамында никельдің жоғары үлесі (шамамен 60-70%) және хром, кобальт, молибден және вольфрам қоспалары бар суперқорытпалар тобы. Титан мен алюминийдің болуы жауын-шашынның күшті қатаюына мүмкіндік береді.
Сипаттамалық ерекшеліктері: 700–750°C температурада өте жоғары беріктік, сырғымаға төзімділік және ұзақ мерзімді жүктемелер, циклдік температура өзгерістерінде жақсы құрылымдық тұрақтылық.
Қолданылуы: газ турбиналық компоненттер, форсункалар, қалақтар және сақиналар, қозғалтқыштардың ыстық аймағында жұмыс істейтін ұшақ компоненттері.
Васпалой - ерекше сырғуға төзімділігі және ұзақ мерзімді тұрақтылығы жоғары никель негізіндегі суперқорытпа. Оның құрамында шамамен 58–62% никель, жоғары хром және кобальт, молибден, титан және алюминий қоспалары бар.
Негізгі қасиеттері: 650–800°C диапазонындағы тамаша сырғуға төзімділік және беріктік, ұзақ мерзімді жүктеме кезінде деформацияға төзімділік, жылу соққылары мен агрессивті ортадағы өлшемдік тұрақтылық.
Қолданылуы: жоғары жүктемелі аэроғарыштық және энергетикалық компоненттер, турбина дискілері мен сақиналары, күрделі жылу және химиялық жағдайларда жұмыс істейтін қондырғылардың компоненттері.
Олардың әрқайсысы белгілі бір мәселеге арналған: коррозия, сырғыма, өлшемдік тұрақтылық немесе жоғары температура.
Өнеркәсіптік маңызы никель қорытпалары
Никельдің қасиеттері мен тіпті экстремалды температурада да тұрақты кристалды құрылымдар түзу қабілетінің арқасында никель қорытпалары энергетика саласында (жану камераларында, турбиналар, қыздырғыштарда), химия және мұнай өңдеу өнеркәсібінде, теңіз өнеркәсібінде, криогеникада, авиация мен зымыран жасауда, сондай-ақ хлоридті коррозияға , қышқылдарға және тотықтырғыш заттарға ұшырайтын құрылғыларда қолданылады. Олар жоғары температуралы металлургияның шыңын білдіреді - болат тоқтаған жерде никель қорытпалары енді ғана басталады.
Темір Wegiel Chrom Никиел Ванадий Манган Кремний молибден Вольфрам Миедз Титан Алюминий кобальт Ниоб фосфор Күкірт Оттегі азот магний Цинк бұрғылау