Sifat dan kesan nikel pada keluli
Keterlarutan nikel dalam γ- besi adalah tidak terhad, manakala dalam α- besi , ia sehingga 10% dan berada dalam keseimbangan dengan austenit . Nikel meningkatkan kekerasan dan kekuatan keluli, dan mempunyai kesan positif terhadap kekuatan hentaman dan kemuluran, terutamanya pada suhu rendah. Seperti kromium , ia meningkatkan kebolehkerasan keluli. Nikel ialah unsur pembentuk austenit, dan kesannya terhadap struktur keluli adalah serupa dengan mangan.
Keluli aloi rendah dengan kandungan nikel 3-5% mempunyai kekuatan, kekerasan yang tinggi dan tahan lelasan. Keluli dengan kandungan nikel 7-20% (juga digabungkan dengan kromium ) tahan kakisan dan suhu tinggi, air laut dan asid. Ia merupakan komponen yang sangat biasa digunakan dalam keluli tahan karat (inox) , keluli tahan asid dan keluli tahan haba dan tahan rayapan . Aloi keluli dengan kandungan nikel 20-30% mempamerkan peningkatan rintangan elektrik apabila suhu meningkat. Aloi nikel —60% nikel, 15% fe dan 14% kromium — digunakan sebagai perintang elektrik dan komponen tahan asid.
Nikel – Data fizikal dan sejarah penemuan
Nikel – nombor atom 28, jisim atom 58.71, takat lebur 1452°C, takat didih 2730°C, ketumpatan 8,908 g/cm3 (Ensiklopedia Teknologi, Wydawnictwo "Śląsk")
Sejarah penemuan nikel, (lebih kurang) adalah seperti berikut.
Pada Zaman Pertengahan dan kemudian, ahli alkimia mempercayai apa yang dipanggil teori tandatangan. Teori ini berpendapat bahawa alam semula jadi itu sendiri menandakan ciptaannya dengan tandatangan supaya manusia dapat mengenali untuk apa ciptaan tertentu dan untuk tujuan apa. Oleh itu, sebagai contoh, semanggi dikatakan digunakan untuk menyembuhkan penyakit jantung kerana daunnya berbentuk hati, dan sebagainya.
Teori ini juga terpakai kepada metalurgi. Dipercayai secara meluas bahawa semua jasad, bahan dan mineral berwarna keemasan mengandungi emas; apa yang diperlukan hanyalah mencari kaedah yang sesuai untuk mengekstraknya. Semasa mencari emas dalam air kencing, fosforus ditemui, dan semasa mencari kuprum dalam mineral berwarna kuprum, logam baharu yang berkilat ditemui: nikel.
Nikel pada zaman dahulu
Pada zaman dahulu, hanya tujuh logam yang diketahui dalam keadaan tulennya ( kuprum , perak, timah, plumbum, besi , emas, dan merkuri). Nikel, sebagai unsur pengaloi semula jadi, wujud lama sebelum zaman kita. Di China, ia dilebur daripada bijih tembaga-nikel yang dilombong di wilayah Yunnan dan Sichuan sejak zaman dahulu, dan aloi yang dilebur daripada bijih ini dipanggil pack-tong. Pack-tong (paktong atau pakfong) berwarna perak muda dengan kilauan yang sempurna. Ia lebih keras dan lebih tahan lama daripada perak. Ia digunakan untuk membuat pelbagai barangan, termasuk barang kemas, perhiasan, dan syiling.
Di Bactria purba (kini utara Afghanistan) pada abad ke-2 SM, syiling telah dicetak yang, menurut analisis kimia moden, mengandungi kira-kira 77,6% kuprum, 20% nikel, 1% besi, dan kira-kira 1% unsur lain. Meteorit yang ditemui oleh manusia sejak zaman purba juga mengandungi nikel.
"Kupfernickel" (tembaga palsu)
Di lombong Saxon yang terletak di banjaran gunung Erzgebirge , sejenis mineral berwarna tembaga yang aneh telah ditemui. Menurut teori tandatangan yang dinyatakan di atas, ia sepatutnya mengandungi tembaga. Malangnya, meskipun terdapat pelbagai usaha, ia tidak dapat diasingkan. Mineral yang sangat jarang ditemui ini dinamakan " Kupfernickel" ( kuprum palsu ). Ia telah dikaji dan diperiksa dengan teliti oleh ahli kimia dan ahli mineral Sweden, Baron Axel Fredrik Cronstedt (1722–1765).
Pada tahun 1751, beliau mengurangkannya kepada bentuk oksidanya dan kemudian mengurangkannya dengan arang kepada kuprum yang dijangkakan. "Malangnya," yang mengejutkannya, logam putih terbentuk, yang dianggapnya sebagai logam yang berasingan, memberikannya nama nikel. Penemuan ini disahkan empat tahun kemudian, pada tahun 1755, oleh seorang lagi ahli kimia dan ahli mineral Sweden yang terkenal, Torbern Olaf Bergman (1735-1784).
Aplikasi perindustrian dan pembangunan pengeluaran nikel
Nikel, dengan banyak kelebihan dan aplikasinya yang luar biasa, telah menjadi logam yang tidak dapat digantikan, tetapi sebelum ini berlaku, saintis terpaksa menyelesaikan tiga tugas:
– pelajari sifat-sifat yang tepat dan cari aplikasi untuk logam baharu
– memilih kaedah untuk mendapatkan dalam kuantiti yang sesuai dan pada harga yang rendah
– cari tempat di mana logam ini terdapat
Geitner, Henniger, Mond
Apabila kaedah pengekstrakan nikel perindustrian dikuasai di Jerman pada tahun 1825, adik-beradik Henniger, dan secara bebas daripada mereka, Ernst August Geitner (1783–1852) , menghasilkan aloi yang diperbuat daripada komponen tulen (20% nikel, 20–25% zink, 55–60% kuprum), yang dipanggil perak Jerman, perak baru, argent, alpacca, dan albata. Perak baru digunakan, seperti pakfong Cina, terutamanya untuk pengeluaran pelbagai barang kemas.
Pada tahun 1840, hanya kira-kira 100 tan nikel dihasilkan, dan mendapatkannya adalah sangat sukar kerana kandungan logam yang rendah dalam deposit yang dilombong. Pada tahun 1870-an, kaedah asal untuk mendapatkan nikel daripada matte nikel telah dicipta oleh ahli kimia Jerman Ludwig Mond (1839–1909) , yang menemui apa yang dipanggil karbonil nikel. Ini adalah sebatian Ni (CO4), yang membentuk nikel dengan karbon monoksida , yang mana nikel tulen boleh diasingkan dengan mudah.
Cronstedt, Bergman, James Cook, Garnier
Pada masa yang sama apabila Cronstedt dan Bergman dari Sweden mula-mula mendapatkan sampel nikel tulen, Kapten James Cook (1728-1779) menemui sebuah pulau baharu di Pasifik Selatan, dinamakan New Caledonia, pada tahun 1774. Pada tahun 1853, ia berada di bawah kawalan Perancis, dan 12 tahun kemudian, Garnier dari Perancis menemui bijih nikel gred tinggi yang dipanggil garnierit, yang mengandungi sehingga 30% nikel. Apabila Mond membangunkan kaedah karbonil untuk mendapatkan nikel, pengeluaran bijih di New Caledonia sudah mencecah 300 tan.
Pada tahun 1856, deposit bijih nikel baharu yang dianggarkan bernilai berjuta-juta tan telah ditemui di lombong tembaga di Ontario, Kanada. Menjelang tahun 1900, pengeluaran nikel di New Caledonia mula mengatasi pengeluaran di Kanada. Selain pengeluaran perhiasan dan barang kemas yang dinyatakan sebelum ini, nikel menemui aplikasi yang lebih luas, iaitu pengeluaran syiling.
Syiling nikel
Buat pertama kalinya pada zaman moden, syiling perak nikel telah dicetak di Switzerland (dengan penambahan perak) pada tahun 1850, dan di Belgium pada tahun 1855, aloi tersebut digunakan untuk mencetak syiling. tembaga dan nikel (75% dan 25%).
Amerika Syarikat memperkenalkan syiling baharu pada tahun 1857, Jerman pada tahun 1873, dan pada tahun 1881 Switzerland memperkenalkan syiling yang dicetak daripada nikel tulen.
Walau bagaimanapun, kerjaya terhebat nikel bermula dengan pengiktirafan kelebihannya dalam aplikasi teknikal. Nikel mempamerkan kekuatan tegangan yang sangat tinggi dan kemuluran yang luar biasa. Akibatnya, ia telah menemui penggunaan yang meluas dalam pelbagai bidang kehidupan dan teknologi, seperti kimia, seni bina, dan, yang paling penting, dalam metalurgi sebagai komponen pengaloi keluli.
Nikel dalam keluli
Pada tahun 1819, Michael Faraday (1791–1867) telah gagal dalam percubaan menggunakan nikel dalam keluli, dan percubaan pertama untuk mendapatkan keluli aloi nikel di Jerman pada tahun 1823 juga berakhir dengan kegagalan. Hanya pada tahun 1888, Marbeau dari kilang persenjataan Schneider di Le Creusot, Perancis, memperkenalkan keluli nikel yang mempunyai kekuatan, rintangan kakisan , dan kemuluran yang belum pernah terjadi sebelumnya, yang digunakan untuk menghasilkan plat perisai yang merupakan satu-satunya yang mampu menahan hentaman daripada projektil keluli krom.
Pada tahun 1889, secara berasingan daripada pengeluaran Schneider, orang Inggeris Riley dari Vickers juga memperkenalkan keluli nikel ke dalam pengeluaran. Pada tahun 1891, Amerika Syarikat membeli paten milik Vickers dan Schneider dan menggunakannya untuk menghasilkan plat perisai untuk tentera lautnya. Malah sebelum ciptaan Marbeau , seorang Samuel Ritchie dari lombong nikel di Ontario telah mencadangkan kepada Krupp agar mereka menghasilkan keluli nikel . Cadangan ini ditolak, dan hanya selepas Amerika Syarikat membeli paten untuk pengeluaran keluli nikel, Krupp mula berminat untuk menghasilkan keluli ini.
Aloi nikel dan kepentingannya
Aloi nikel merupakan kumpulan bahan yang berbeza dan sangat khusus yang direka untuk digunakan dalam keadaan di mana keluli—walaupun keluli aloi tinggi—tidak lagi mencukupi. Ia menggabungkan kandungan nikel yang tinggi dengan penambahan kromium, molibdenum, besi, titanium, aluminium, niobium dan tungsten, menghasilkan bahan yang tahan terhadap kakisan, rayapan, pengoksidaan dan suhu yang sangat tinggi.
Monel (lebih kurang 65–70% Ni, 25–30% Cu)
Monel ialah sekumpulan aloi nikel-kuprum dengan rintangan yang sangat tinggi terhadap air laut, keretakan kakisan tegasan, alkali dan asid. Ia dicirikan oleh kekuatan yang baik merentasi julat suhu yang luas dan rintangan retak. Aplikasi tipikal termasuk kelengkapan marin, pam, pendesak, kipas, industri kimia, peralatan larut lesap dan komponen yang lebih tahan daripada kupronikel pada suhu yang lebih tinggi.
Spesies yang paling terkenal: Monel 400, Monel K-500 (kerpasan mengeras).
Inconel / Incoloy – aloi super nikel dan aloi Ni-Cr-Fe
Ini adalah antara bahan yang paling penting untuk digunakan dalam suhu yang sangat tinggi (600–1100°C) dan persekitaran yang sangat menghakis. Ia biasanya mengandungi 50–75% Ni yang digabungkan dengan Cr, Fe, Mo, Nb, Ti dan Al.
Paling kerap digunakan:
Inconel 600, 601 – rintangan terhadap pengoksidaan dan suhu tinggi,
Inconel 625 – rintangan yang tinggi terhadap kakisan dan klorida,
Inconel 718 – superaloi kekuatan pengerasan pemendakan (Nb + Ti),
Incoloy 800/825 – bahan yang tahan terhadap rayapan dan media kimia yang agresif.
Aplikasi: tenaga, petrokimia, relau perindustrian, turbin, pembakaran dan pemasangan penjanaan semula gas ekzos.
Hastelloy – Aloi Ni-Mo dan Ni-Cr-Mo
Hastelloy dibezakan oleh ketahanan luar biasa mereka terhadap kakisan umum, kakisan lubang dan berlubang. Disebabkan penambahan molibdenum dan kromium yang banyak, ia sesuai untuk:
asid panas (sulfurik, hidroklorik), media pengoksidaan dan penurunan, proses kimia berisiko tinggi.
Gred yang paling terkenal: Hastelloy C-276 , Hastelloy C-22, Hastelloy B-2.
Nimonic – aloi nikel dengan penambahan titanium dan aluminium
Nimonik ialah sekumpulan aloi yang direka terutamanya untuk digunakan dalam turbin gas. Ia mengandungi kira-kira 70–80% Ni, dengan penambahan Ti dan Al, yang membolehkan pengerasan pemendakan (γ'). Ciri-ciri:
kekuatan yang sangat tinggi pada suhu 700–900°C,
rintangan terhadap rayapan dan keletihan haba.
Digunakan dalam penerbangan dan tenaga, antara lain.
Aloi – sekumpulan bahan nikel aloi tinggi
Terdapat pelbagai jenis aloi nikel komersial di bawah nama "Aloi", contohnya:
Aloi 20 – sangat tahan terhadap asid dan klorida (Ni-Cr-Mo-Cu),
Aloi 59 – Aloi Ni-Cr-Mo dengan rintangan kimia yang luas,
Aloi 36 (Invar) – aloi nikel dengan pekali pengembangan haba yang sangat rendah,
Aloi 75/188/230 – superaloi yang tahan terhadap suhu tinggi dan pengoksidaan.
Udimet dan Waspaloy – superaloi nikel
Superaloi nikel seperti Udimet dan Waspaloy adalah antara bahan struktur paling canggih yang digunakan dalam beban terma dan mekanikal yang ekstrem. Kekuatannya berdasarkan kandungan nikel yang tinggi dan pengukuhan pemendakan fasa γ' (Ni₃(Al,Ti)), yang membolehkannya mengekalkan kestabilan mekanikal pada suhu di mana keluli dan aloi nikel konvensional berhenti berfungsi.
Udimet ialah sekumpulan superaloi yang mengandungi kadar nikel yang tinggi (kira-kira 60–70%) dan penambahan kromium, kobalt, molibdenum dan tungsten. Kehadiran titanium dan aluminium membolehkan pengerasan pemendakan yang kuat.
Ciri-ciri: kekuatan yang sangat tinggi pada suhu 700–750°C, rintangan rayapan dan beban jangka panjang, kestabilan struktur yang baik dalam perubahan suhu kitaran.
Aplikasi: komponen turbin gas, muncung, bilah dan cincin, komponen pesawat yang beroperasi di zon panas enjin.
Waspaloy ialah aloi super berasaskan nikel dengan rintangan rayapan yang luar biasa dan kestabilan jangka panjang yang tinggi. Ia mengandungi kira-kira 58–62% nikel, kromium yang tinggi dan penambahan kobalt, molibdenum, titanium dan aluminium.
Ciri-ciri utama: rintangan rayapan dan kekuatan yang sangat baik dalam julat 650–800°C, rintangan terhadap ubah bentuk di bawah beban jangka panjang, kestabilan dimensi dalam kejutan haba dan persekitaran yang agresif.
Aplikasi: komponen aeroangkasa dan tenaga yang sangat bermuatan, cakera dan cincin turbin, komponen pemasangan yang beroperasi dalam keadaan terma dan kimia yang mencabar.
Setiap daripada mereka direka untuk masalah tertentu: kakisan, rayapan, kestabilan dimensi atau suhu tinggi.
Kepentingan perindustrian aloi nikel
Disebabkan sifat-sifat nikel dan keupayaannya untuk membentuk struktur kristal yang stabil walaupun pada suhu yang melampau, aloi nikel digunakan dalam sektor tenaga (kebuk pembakaran, turbin, pemanas lampau), industri kimia dan penapisan, industri marin, kriogenik, penerbangan dan roket, dan peranti yang terdedah kepada kakisan klorida , asid , dan agen pengoksidaan. Ia mewakili kemuncak metalurgi suhu tinggi—di mana keluli berhenti, aloi nikel hanya bermula.
besi Węgiel chrom Nikel Vanadium mangan Silikon molibdenum Wolfram Tembaga Tytan Aluminium Kobalt Niob fosforus Sulfur Oksigen nitrogen Magnesium Zink Nyawa