निकेल (निकॉलम) शोधाचा इतिहास, गुणधर्म आणि उपयोग

निकेलचे गुणधर्म आणि पोलादावरील परिणाम

γ- लोहामध्ये निकेलची विद्राव्यता अमर्याद असते, तर α- लोहामध्ये ती १०% पर्यंत असते आणि ऑस्टेनाइटसोबत समतोल अवस्थेत असते . निकेल पोलादाची कठीणता आणि मजबुती वाढवते, आणि विशेषतः कमी तापमानात आघात शक्ती व लवचिकतेवर सकारात्मक परिणाम करते. क्रोमियमप्रमाणेच , ते पोलादाची कठीणता वाढवते. निकेल हा ऑस्टेनाइट तयार करणारा घटक आहे, आणि पोलादाच्या संरचनेवरील त्याचा परिणाम मॅंगनीजसारखाच असतो.

३-५% निकेल असलेले कमी-मिश्रधातूचे पोलाद उच्च शक्ती, कडकपणा आणि घर्षण-प्रतिरोधक असते. ७-२०% निकेल असलेले पोलाद ( क्रोमियमच्या संयोगासह ) गंज, उच्च तापमान, समुद्राचे पाणी आणि आम्लांना प्रतिरोधक असते. स्टेनलेस स्टील (इनॉक्स) , आम्ल-प्रतिरोधक पोलाद , आणि उष्णता -प्रतिरोधक व क्रीप-प्रतिरोधक पोलादांमध्ये वापरला जाणारा हा एक अतिशय सामान्य घटक आहे . २०-३०% निकेल असलेल्या पोलादी मिश्रधातूंमध्ये तापमान वाढल्यावर विद्युत रोधकता वाढते. निकेल मिश्रधातू — ६०% निकेल, १५% लोह आणि १४% क्रोमियम — विद्युत रोधक आणि आम्ल-प्रतिरोधक घटक म्हणून वापरले जातात.

निकेल – भौतिक माहिती आणि शोधाचा इतिहास

निकेल – अणुक्रमांक २८, अणुवस्तुमान ५८.७१, वितळणबिंदू १४५२°से, उत्कलणबिंदू २७३०°से, घनता ८.९०८ ग्रॅम/सेमी³ (तंत्रज्ञान विश्वकोश, Wydawnictwo "Śląsk")

निकेलच्या शोधाचा इतिहास, (कमी-अधिक प्रमाणात) खालीलप्रमाणे आहे.

मध्ययुगात आणि त्यानंतरही, किमयागार तथाकथित 'स्वाक्षरी सिद्धांता'वर विश्वास ठेवत असत. या सिद्धांतानुसार, निसर्ग स्वतःच आपल्या निर्मितीवर काही स्वाक्षरी करतो, जेणेकरून मानवाला एखादी विशिष्ट निर्मिती कशासाठी आणि कोणत्या उद्देशाने केली आहे हे ओळखता यावे. उदाहरणार्थ, तिळाच्या पानांचा आकार हृदयासारखा असल्यामुळे त्याचा उपयोग हृदयरोग बरा करण्यासाठी केला जातो, असे म्हटले जात असे.

हा सिद्धांत धातुशास्त्रालाही लागू होता. असा व्यापक विश्वास होता की सर्व सोनेरी रंगाच्या वस्तू, पदार्थ आणि खनिजांमध्ये सोने असते; फक्त ते काढण्यासाठी एक योग्य पद्धत शोधण्याची गरज होती. मूत्रात सोन्याचा शोध घेत असताना फॉस्फरसचा शोध लागला, आणि तांबूस रंगाच्या खनिजांमध्ये तांब्याचा शोध घेत असताना निकेल या एका चमकदार नवीन धातूचा शोध लागला.

प्राचीन काळातील निकेल

प्राचीन काळी, केवळ सात धातू त्यांच्या शुद्ध स्वरूपात ज्ञात होते ( तांबे , चांदी, कथील, शिसे, लोखंड , सोने आणि पारा). निकेल, एक नैसर्गिक संमिश्रण घटक म्हणून, आपल्या युगाच्या खूप आधीपासून अस्तित्वात होते. चीनमध्ये, प्राचीन काळापासून युनान आणि सिचुआन प्रांतांमध्ये उत्खनन केलेल्या तांबे-निकेलच्या खनिजांपासून ते प्रगलन करून बनवले जात असे , आणि या खनिजांपासून प्रगलन केलेल्या संमिश्राला 'पॅक-टोंग' म्हटले जात असे. पॅक-टोंग (पाकटोंग किंवा पाकफोंग) हलक्या चांदीच्या रंगाचे आणि निर्दोष चकाकी असलेले होते. ते चांदीपेक्षा अधिक कठीण आणि टिकाऊ होते. त्याचा उपयोग दागिने, अलंकार आणि नाणी यांसारख्या विविध वस्तू बनवण्यासाठी केला जात असे.

इसवी सन पूर्व दुसऱ्या शतकात प्राचीन बॅक्ट्रियामध्ये (सध्याचा उत्तर अफगाणिस्तान) अशी नाणी पाडण्यात आली होती, ज्यात आधुनिक रासायनिक विश्लेषणानुसार, अंदाजे ७७.६% तांबे, २०% निकेल, १% लोह आणि सुमारे १% इतर मूलद्रव्ये होती. प्राचीन काळापासून मानवाला आढळलेल्या उल्कांमध्येही निकेल आढळते.

"कुपफरनिकेल" (बनावट तांबे)

एर्झगेबिर्गे पर्वतरांगेतील सॅक्सन खाणींमध्ये एक विचित्र तांबूस रंगाचे खनिज सापडले. वर उल्लेखलेल्या सिग्नेचर सिद्धांतानुसार, त्यात तांबे असायला हवे होते. दुर्दैवाने, सर्व प्रयत्न करूनही ते वेगळे काढता आले नाही. या अत्यंत दुर्मिळ खनिजाला " कुपफरनिकेल" (खोटे तांबे ) असे नाव देण्यात आले. स्वीडिश रसायनशास्त्रज्ञ आणि खनिजशास्त्रज्ञ बॅरन ॲक्सेल फ्रेडरिक क्रोनस्टेड (१७२२-१७६५) यांनी याचा अभ्यास करून बारकाईने तपासणी केली.

१७५१ मध्ये, त्याने त्याचे ऑक्साइड स्वरूपात रूपांतर केले आणि नंतर कोळशाच्या साहाय्याने त्याचे अपेक्षित तांब्यात रूपांतर केले. "दुर्दैवाने," त्याला आश्चर्य वाटेल अशाप्रकारे, एक पांढरा धातू तयार झाला, ज्याला त्याने एक वेगळा धातू मानून निकेल हे नाव दिले. या शोधाची पुष्टी चार वर्षांनंतर, १७५५ मध्ये, टॉर्बर्न ओलाफ बर्गमन (१७३५-१७८४) या दुसऱ्या एका प्रसिद्ध स्वीडिश रसायनशास्त्रज्ञ आणि खनिजशास्त्रज्ञाने केली.

निकेल उत्पादनाचे औद्योगिक अनुप्रयोग आणि विकास

निकेल, त्याच्या अनेक फायद्यांमुळे आणि अविश्वसनीय उपयोगांमुळे, एक अपरिहार्य धातू बनला आहे, परंतु हे घडण्यापूर्वी, शास्त्रज्ञांना तीन कार्ये पूर्ण करावी लागली:
नवीन धातूचे अचूक गुणधर्म जाणून घ्या आणि त्याचे उपयोग शोधा.
योग्य प्रमाणात आणि कमी किमतीत मिळवण्याच्या पद्धती निवडा
– हा धातू जिथे आढळतो ती ठिकाणे शोधा

Geitner, Henniger, Mond

१८२५ मध्ये जर्मनीमध्ये निकेल काढण्याच्या औद्योगिक पद्धतीवर प्रभुत्व मिळवल्यानंतर, हेनिगर बंधूंनी आणि त्यांच्यापासून स्वतंत्रपणे अर्न्स्ट ऑगस्ट गाइटनर (१७८३-१८५२) यांनी शुद्ध घटकांपासून (२०% निकेल, २०-२५% जस्त, ५५-६०% तांबे) एक मिश्रधातू तयार केला, ज्याला जर्मन सिल्व्हर, न्यू सिल्व्हर, अर्जेंट, अल्पाका आणि अल्बाटा या नावांनी ओळखले जात असे. चिनी पाकफोंगप्रमाणेच, न्यू सिल्व्हरचा वापर प्रामुख्याने विविध प्रकारचे दागिने बनवण्यासाठी केला जात असे.

१८४० मध्ये, केवळ सुमारे १०० टन निकेलचे उत्पादन होत असे आणि खाणकाम केलेल्या साठ्यांमधील धातूचे प्रमाण कमी असल्यामुळे ते मिळवणे खूप कठीण होते. १८७० च्या दशकात, निकेल मॅटमधून निकेल मिळवण्याची मूळ पद्धत जर्मन रसायनशास्त्रज्ञ लुडविग मॉन्ड (१८३९-१९०९) यांनी शोधून काढली , ज्यांनी तथाकथित निकेल कार्बोनिल्सचा शोध लावला. हे Ni(CO4) चे एक संयुग आहे, जे कार्बन मोनोऑक्साइडसोबत निकेल तयार करते , ज्यामधून शुद्ध निकेल सहजपणे वेगळे केले जाऊ शकते.

क्रोनस्टेड, बर्गमन, जेम्स कुक, गर्नियर

ज्या वेळी स्वीडिश शास्त्रज्ञ क्रोनस्टेड आणि बर्गमन शुद्ध निकेलचे नमुने मिळवत होते, त्याच वेळी कॅप्टन जेम्स कुक (१७२८-१७७९) यांनी १७७४ मध्ये दक्षिण पॅसिफिकमध्ये न्यू कॅलेडोनिया नावाच्या एका नवीन बेटाचा शोध लावला. १८५३ मध्ये ते फ्रेंच नियंत्रणाखाली आले आणि १२ वर्षांनंतर, फ्रेंच शास्त्रज्ञ गार्नियरने गार्नियराइट नावाच्या उच्च-दर्जाच्या निकेल धातूचा शोध लावला, ज्यामध्ये ३०% पर्यंत निकेल होते. जेव्हा मॉन्डने निकेल मिळवण्यासाठी कार्बोनिल पद्धत विकसित केली, तेव्हा न्यू कॅलेडोनियामधील धातूचे उत्पादन आधीच ३०० टनांपर्यंत पोहोचले होते.

१८५६ मध्ये, कॅनडातील ओंटारियोमधील तांब्याच्या खाणींमध्ये लाखो टन निकेल धातूचे नवीन साठे सापडले. १९०० पर्यंत, न्यू कॅलेडोनियामधील निकेलचे उत्पादन कॅनडातील उत्पादनाला मागे टाकू लागले. पूर्वी उल्लेख केलेल्या अलंकार आणि दागिन्यांच्या उत्पादनाव्यतिरिक्त, निकेलचा अधिक व्यापक उपयोग नाण्यांच्या उत्पादनासाठी झाला.

निकेलची नाणी

आधुनिक काळात प्रथमच, स्वित्झर्लंडमध्ये १८५० मध्ये (चांदीच्या मिश्रणासह) आणि बेल्जियममध्ये १८५५ मध्ये नाणी पाडण्यासाठी या मिश्रधातूचा वापर करण्यात आला. तांबे आणि निकेल (७५% आणि २५%).
अमेरिकेने १८५७ मध्ये, जर्मनीने १८७३ मध्ये आणि १८८१ मध्ये स्वित्झर्लंडने शुद्ध निकेलपासून बनवलेले नाणे चलनात आणले.

तथापि, निकेलच्या खऱ्या कारकिर्दीची सुरुवात तांत्रिक उपयोगांमधील त्याचे फायदे ओळखल्यानंतर झाली. निकेलमध्ये अविश्वसनीयपणे उच्च तन्य शक्ती आणि अपवादात्मक लवचिकता असते. परिणामी, रसायनशास्त्र, वास्तुकला यांसारख्या जीवन आणि तंत्रज्ञानाच्या अनेक क्षेत्रांमध्ये, आणि सर्वात महत्त्वाचे म्हणजे, धातूशास्त्रामध्ये पोलादाचा एक मिश्रधातू घटक म्हणून त्याचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जातो.

स्टीलमधील निकेल

१८१९ मध्ये, मायकेल फॅराडे (१७९१-१८६७) यांनी पोलादामध्ये निकेल वापरण्याचा अयशस्वी प्रयत्न केला, आणि १८२३ मध्ये जर्मनीमध्ये निकेल-मिश्रित पोलाद मिळवण्याचे पहिले प्रयत्नही अयशस्वी ठरले. १८८८ पर्यंत असे घडले नाही, जेव्हा ले क्रुसो येथील श्नाइडर शस्त्रास्त्र कारखान्यातील फ्रेंच शास्त्रज्ञ मार्बो यांनी अभूतपूर्व ताकद, क्षरण-प्रतिरोधकता आणि लवचिकता असलेले निकेल पोलाद सादर केले , ज्याचा उपयोग अशा चिलखती पट्ट्या तयार करण्यासाठी केला गेला, ज्या क्रोम स्टीलच्या गोळ्यांचा मारा सहन करण्यास सक्षम असलेल्या एकमेव पट्ट्या होत्या.

१८८९ मध्ये, श्नायडरच्या उत्पादनापासून स्वतंत्रपणे, विकर्सच्या इंग्रज रायलीने देखील निकेल स्टीलचे उत्पादन सुरू केले. १८९१ मध्ये, अमेरिकेने विकर्स आणि श्नायडर यांच्या मालकीची पेटंट्स विकत घेतली आणि त्यांचा उपयोग आपल्या नौदलासाठी चिलखती पट्ट्या तयार करण्यासाठी केला. मार्बोच्या शोधाच्याही आधी, ओंटारियोमधील एका निकेल खाणीतील सॅम्युअल रिची नावाच्या व्यक्तीने क्रुपला निकेल स्टीलचे उत्पादन करण्याचा प्रस्ताव दिला होता . हा प्रस्ताव नाकारण्यात आला, आणि अमेरिकेने निकेल स्टील उत्पादनाची पेटंट्स विकत घेतल्यानंतरच क्रुपला या स्टीलच्या उत्पादनात रस निर्माण झाला.

निकेल मिश्रधातू आणि त्यांचे महत्त्व

निकेल मिश्रधातू हा पदार्थांचा एक वेगळा, अत्यंत विशेष गट आहे, जो अशा परिस्थितीत वापरण्यासाठी तयार केला आहे जिथे पोलाद—अगदी उच्च-मिश्रधातू पोलादसुद्धा—पुरेसे ठरत नाही. यामध्ये उच्च निकेल प्रमाणासोबत क्रोमियम, मॉलिब्डेनम, लोह, टायटॅनियम, ॲल्युमिनियम, नायोबियम आणि टंगस्टन यांची भर घातली जाते, ज्यामुळे गंज, विसर्पण, ऑक्सिडीकरण आणि अत्यंत उच्च तापमानाला प्रतिरोधक असलेले पदार्थ तयार होतात.

मोनेल (अंदाजे 65-70% Ni, 25-30% Cu)

मोनल हा निकेल-तांबे मिश्रधातूंचा एक गट आहे, जो समुद्राचे पाणी, ताण-गंज तडे, अल्कली आणि आम्ल यांना अत्यंत प्रतिरोधक असतो. विस्तृत तापमान श्रेणीमध्ये चांगली मजबुती आणि तडे-प्रतिरोधकता ही त्याची वैशिष्ट्ये आहेत. सागरी फिटिंग्ज, पंप, इम्पेलर, प्रोपेलर, रासायनिक उद्योग, लीचिंग उपकरणे आणि उच्च तापमानात क्युप्रोनिकेलपेक्षा अधिक प्रतिरोधक असलेले घटक हे त्याच्या सामान्य उपयोगांपैकी आहेत.
सर्वात प्रसिद्ध प्रजाती: मोनेल 400, मोनल के-५०० (अवक्षेपण दृढीकरण केलेले).

Inconel / Incoloy – निकेल सुपरअलॉय आणि Ni-Cr-Fe अलॉय

अति उच्च तापमानात (६००–११००°C) आणि अत्यंत क्षरणकारी वातावरणात वापरण्यासाठी हे सर्वात महत्त्वाच्या सामग्रींपैकी आहेत. त्यांमध्ये सामान्यतः ५०–७५% निकेल (Ni) सोबत क्रोमियम (Cr), लोह (Fe), मॉलिब्डेनम (Mo), नायोबियम (Nb), टायटॅनियम (Ti) आणि ॲल्युमिनियम (Al) यांचा समावेश असतो.

सर्वाधिक वापरले जाणारे:
Inconel 600, ६०१ – ऑक्सिडेशन आणि उच्च तापमानाला प्रतिकार,
Inconel 625 – गंज आणि क्लोराइड्सना उच्च प्रतिकारशक्ती,
Inconel 718 – अवक्षेपण-कठिनीकृत सामर्थ्यशाली सुपरअलॉय (Nb + Ti),
इन्कॉलॉय ८००/८२५ – सरकण्यास आणि तीव्र रासायनिक माध्यमांना प्रतिरोधक असलेले साहित्य.

उपयोग: ऊर्जा, पेट्रोकेमिकल्स, औद्योगिक भट्ट्या, टर्बाइन, ज्वलन आणि उत्सर्जित वायू पुनर्निर्मिती संयंत्रे.

हॅस्टेलॉय – Ni-Mo आणि Ni-Cr-Mo मिश्रधातू

हॅस्टेलॉय हे सर्वसाधारण गंजरोधकतेसाठी त्यांच्या अपवादात्मक प्रतिकारशक्तीमुळे ओळखले जातात. खड्डेयुक्त गंज आणि खाच असलेले. मॉलिब्डेनम आणि क्रोमियमच्या मोठ्या प्रमाणातील वापरामुळे, ते यासाठी योग्य आहेत:
उष्ण आम्ल (सल्फ्यूरिक, हायड्रोक्लोरिक), ऑक्सिडायझिंग आणि रिड्यूसिंग माध्यमे, उच्च जोखमीच्या रासायनिक प्रक्रिया.

सर्वात प्रसिद्ध ग्रेड: हॅस्टेलॉय सी-२७६ , हॅस्टेलॉय सी-२२, हॅस्टेलॉय बी-२.

निमोनिक टायटॅनियम आणि ॲल्युमिनियमच्या मिश्रणासह असलेले निकेल मिश्रधातू

निमोनिक हा प्रामुख्याने गॅस टर्बाइनमध्ये वापरण्यासाठी तयार केलेल्या मिश्रधातूंचा एक गट आहे. त्यामध्ये अंदाजे ७०-८०% निकेल (Ni) असून, टायटॅनियम (Ti) आणि ॲल्युमिनियम (Al) यांची अतिरिक्त भर असते, ज्यामुळे अवक्षेपण कठिनीकरण (γ') शक्य होते. वैशिष्ट्ये:

७००–९००°C तापमानावर अत्यंत उच्च शक्ती.
क्रिप आणि थर्मल फटीगला प्रतिकार.
इतर क्षेत्रांबरोबरच विमान वाहतूक आणि ऊर्जा क्षेत्रात वापरले जाते.

मिश्रधातू – उच्च-मिश्र निकेल पदार्थांचा समूह

'अलॉय' या नावाने निकेल अलॉयचे अनेक व्यावसायिक प्रकार आहेत, उदा.:
अलॉय २० – आम्ल आणि क्लोराइड्सना अत्यंत प्रतिरोधक (Ni-Cr-Mo-Cu),
मिश्रधातू ५९ – विस्तृत रासायनिक प्रतिकारशक्ती असलेला Ni-Cr-Mo मिश्रधातू.
मिश्रधातू ३६ (इन्व्हार) – अत्यंत कमी औष्णिक प्रसरण गुणांक असलेली निकेलची मिश्रधातू.
अलॉय ७५ / १८८ / २३० – उच्च तापमान आणि ऑक्सिडेशनला प्रतिरोधक असलेले सुपरअलॉय.

उडिमेट आणि वास्पालॉय – निकेल सुपरअलॉय

युडिमेट आणि वास्पलॉय सारखे निकेल सुपरअलॉय हे अत्यंत तीव्र औष्णिक आणि यांत्रिक भारांमध्ये वापरल्या जाणाऱ्या सर्वात प्रगत संरचनात्मक सामग्रींपैकी आहेत. त्यांची मजबुती उच्च निकेल सामग्री आणि γ'-फेज अवक्षेपण मजबुतीकरण (Ni₃(Al,Ti)) यावर आधारित आहे, ज्यामुळे ते अशा तापमानावर यांत्रिक स्थिरता टिकवून ठेवू शकतात, ज्या तापमानावर स्टील आणि पारंपरिक निकेल अलॉय काम करणे थांबवतात.

युडिमेट हा सुपरअलॉयचा एक गट आहे, ज्यामध्ये निकेलचे प्रमाण जास्त (सुमारे ६०-७०%) असून क्रोमियम, कोबाल्ट, मॉलिब्डेनम आणि टंगस्टन यांचीही भर असते. टायटॅनियम आणि ॲल्युमिनियमच्या उपस्थितीमुळे तीव्र अवक्षेपण दृढीकरण शक्य होते.
वैशिष्ट्यपूर्ण गुणधर्म: ७००–७५०°C तापमानात अत्यंत उच्च मजबुती, क्रिप प्रतिरोध आणि दीर्घकालीन भार, चक्रीय तापमान बदलांमध्ये चांगली संरचनात्मक स्थिरता.
उपयोग: गॅस टर्बाइनचे घटक, नोझल, ब्लेड आणि रिंग, इंजिनच्या उष्ण भागात कार्यरत असलेले विमानाचे घटक.

वास्पलॉय हा एक निकेल-आधारित सुपरअलॉय आहे, ज्यात अपवादात्मक क्रीप प्रतिरोध आणि उच्च दीर्घकालीन स्थिरता आहे. यात अंदाजे ५८-६२% निकेल, उच्च क्रोमियम आणि कोबाल्ट, मॉलिब्डेनम, टायटॅनियम व ॲल्युमिनियमची अतिरिक्त भर असते.
प्रमुख गुणधर्म: ६५०–८००°C तापमानाच्या श्रेणीत उत्कृष्ट क्रीप प्रतिरोध आणि मजबुती, दीर्घकालीन भाराखाली विरूपणास प्रतिकार, औष्णिक धक्के आणि आक्रमक वातावरणात आकारमान स्थिरता.
उपयोग: उच्च भार असलेले एरोस्पेस आणि ऊर्जा घटक, टर्बाइन डिस्क आणि रिंग, आव्हानात्मक औष्णिक आणि रासायनिक परिस्थितीत कार्यरत असलेल्या संयंत्रांचे घटक.

त्यांपैकी प्रत्येकाची रचना एका विशिष्ट समस्येसाठी केलेली आहे: गंजणे, क्रिप, आकारमान स्थिरता किंवा उच्च तापमान.
औद्योगिक महत्त्व निकेल मिश्रधातू

निकेलच्या गुणधर्मांमुळे आणि अत्यंत तापमानातही स्थिर स्फटिक रचना तयार करण्याच्या क्षमतेमुळे, निकेल मिश्रधातूंचा वापर ऊर्जा क्षेत्रात (दहन कक्ष, टर्बाइन, सुपरहीटर), रासायनिक आणि शुद्धीकरण उद्योगांमध्ये, सागरी उद्योगात, क्रायोजेनिक्स, विमानचालन आणि रॉकेट तंत्रज्ञानात, तसेच क्लोराईड क्षरण , आम्ल आणि ऑक्सिडायझिंग घटकांच्या संपर्कात येणाऱ्या उपकरणांमध्ये केला जातो. ते उच्च-तापमान धातुशास्त्राचे शिखर दर्शवतात—जिथे पोलाद संपते, तिथे निकेल मिश्रधातूंची सुरुवात होते.

लोखंड कोळसा क्रोम निकेल व्हॅनेडियम मॅंगनीज सिलिकॉन मॉलिब्डेनम वुल्फ्राम तांबे टायटॅनियम ॲल्युमिनियम कोबाल्ट निओबियम फॉस्फरस सल्फर ऑक्सिजन नायट्रोजन मॅग्नेझ जस्त बोर