Właściwości i wpływ niklu na stal
Rozpuszczalność niklu w żelazie γ jest nieograniczona, natomiast w żelazie α rozpuszczalność wynosi do 10% i jest w równowadze z austenitem. Nikiel zwiększa twardość stali, wytrzymałość, oraz wpływa dobrze na udarność i ciągliwość przede wszystkim w niskich temperaturach, podobnie jak chrom, zwiększa hartowność stali. Nikiel jest austenitotwórczy, jego oddziaływanie na strukturę stali jest podobne do manganu.
Stale niskostopowe o zawartości 3-5 % Ni mają dużą wytrzymałość ,twardość i są odporne na ścieranie ,stale o zawartości 7-20% ( również w połączeniu z chromem ) są odporne na korozję i wysokie temperatury, są odporne na działanie wody morskiej, kwasów. Jest bardzo częstym składnikiem stosowanym w stali nierdzewnej (inox) stali kwasoodpornej, stalach żaroodpornych i żarowytrzymałych. Stopy stali o zawartości 20-30 % tego pierwiastka wykazują wzrost oporności elektrycznej w miarę podnoszenia się temperatury. Stopy niklu – 60% Ni ,15% Fe ,14% Cr są używane jako opory elektryczne i elementy odporne na działanie kwasów.
Nikiel – Dane fizyczne i historia odkrycia
Nikiel – liczba atomowa 28, masa atomowa 58.71, temperatura topnienia 1452°C, wrzenia 2730°C, gęstość 8,908 g/cm3 ( Encyklopedia Techniki, Wydawnictwo „Śląsk”)
Historia odkrycia niklu, ( mniej więcej ) przedstawia się w następujący sposób.
W średniowieczu i jeszcze w późniejszych czasach alchemicy wierzyli w tak zwaną teorię sygnatur. Teoria ta mówiła, że natura i przyroda same oznaczają sygnaturami swe dzieła tak, aby człowiek mógł rozpoznać, po co i w jakim celu jest dany twór. Tak, więc na przykład koniczyna miała być używana do leczenia chorób serca, ponieważ jej liście miały kształt serca itd.
Teoria ta miała zastosowanie również w metalurgii. Powszechnie uważano, że wszystkie ciała, substancje i minerały o złotym zabarwieniu zawierają złoto, wystarczyło tylko znaleźć odpowiedni sposób, aby to złoto wyodrębnić. Poszukując w moczu złota odkryto fosfor, a szukając miedzi w minerałach o barwie miedzianej, odkryto nowy błyszczący metal ……… nikiel.
Nikiel w starożytności
W starożytności znane było tylko siedem metali w stanie czystym (miedź, srebro, cynę, ołów, żelazo, złoto i rtęć). Nikiel, jako naturalny składnik stopowy występował już dużo wcześniej przed naszą erą. W Chinach wytapiano go z rud miedziano-niklowych wydobywanych w prowincjach Junnan i Syczuan od bardzo dalekich czasów, a wytopiony z tych rud stop nosił nazwę pack-tong. Pack-tong (paktong lub inaczej pakfong) był jasno srebrzystej barwy o nieskazitelnie mocnym połysku, był twardszy i trwalszy od srebra. Używany był do wyrabiania różnych przedmiotów m.in do wytwarzania biżuterii a także różnorodnych ozdób oraz monet.
W starożytnej Baktrii (tereny położone w dzisiejszym północnym Afganistanie) w II w. p.n.e, wybijano monety, które według współczesnej analizy chemicznej zawierały około 77,6 % miedzi, 20% niklu, żelazo w ilości 1 %, oraz około 1 % pozostałych pierwiastków. Również meteoryty, z którymi ludzie mieli do czynienia od najodleglejszych czasów zawierają nikiel.
„Kupfernickel’’ (fałszywa miedź)
W kopalniach w Saksonii położonych w paśmie górskim Erzgebirge, występował dziwny minerał o odcieniu miedzi. W myśl wspomnianej teorii sygnatur powinien zawierać on miedź. Niestety mimo wszelkich wysiłków nie można było go wyodrębnić. Ten niezwykle rzadki minerał nazwano „Kupfernickel’’ (fałszywa miedź). Zajął się nim i dokładnie przyjrzał szwedzki chemik i mineralog, Baron Axel Fredrik Cronstedt (1722 – 1765).
Sprowadził go w roku 1751 do postaci tlenku a następnie, doprowadził do zredukowania węglem drzewnym na oczekiwaną miedź. „Niestety” ku jego zdziwieniu, powstał biały metal, który uznał za samodzielny metal nadając mu nazwę nikiel. Odkrycie to potwierdził cztery lata później w roku 1755, inny znany chemik i mineralog szwedzki, Torbern Olaf Bergman (1735-1784).
Zastosowanie przemysłowe i rozwój produkcji niklu
Nikiel wykazując tyle zalet i niesamowitych zastosowań stał się niezastąpionym metalem, zanim to jednak nastąpiło naukowcy musieli dokonać trzech prac:
– poznać dokładne własności i znaleźć zastosowanie dla nowego metalu
– obrać metody pozyskiwania w odpowiedniej ilości i niskiej cenie
– znaleźć miejsca gdzie ów metal występuje
Geitner, Henniger, Mond
Kiedy na początku XIX wieku opanowana została przemysłowa metoda pozyskiwana niklu, w roku 1825 w Niemczech, niejacy bracia Henniger, oraz niezależnie od nich, Ernst August Geitner (1783–1852) wytworzyli stop otrzymywany z czystych składników (20% nikiel, 20-25% cynk, 55-60 % miedź), nazwany niemieckim srebrem, nowe srebro, argent, alpacca, albata. Nowe srebro zostało wykorzystane tak jak chiński pakfong, przede wszystkim do wyrobu najróżniejszych ozdób
W 1840 roku produkowano niewiele, bo zaledwie około 100 ton niklu, a otrzymywanie go było bardzo trudne ze względu na małe zawartości metalu w eksploatowanych złożach. W latach siedemdziesiątych XIX wieku, oryginalna metodę otrzymywania niklu z kamienia niklowego wynalazł niemiecki chemik Ludwig Mond (1839 – 1909), który odkrył tak zwane karbonylki niklu. Jest to związek Ni (CO4), jaki tworzy nikiel z tlenkiem węgla, z którego dość łatwo można wyodrębnić czysty nikiel.
Cronstedt, Bergman, James Cook, Garnier
W tym samym czasie, gdy Szwedzi Cronstedt i Bergman po raz pierwszy otrzymywali próbki czystego niklu, kapitan James Cook (1728-1779) odkrył w roku 1774, nowa wyspę na południowej części Pacyfiku, nazwaną Nowa Kaledonia. W roku 1853, przeszła ona pod władanie Francji, a w 12 lat później francuz Garnier odkrył na niej wysokoprocentową rudę niklu nazwaną garnieryt, która zawierała do 30% niklu. Kiedy Mond opracowywał otrzymywanie niklu metodą karbonylkową, wydobycie rudy na nowej Kaledonii wynosiło już 300 ton.
W roku w 1856 r. w kopalniach miedzi w Ontario w Kanadzie odkryto nowe złoża rudy niklowej o zasobach obliczanych na miliony ton. Od 1900 roku produkcję niklu w Nowej Kaledonii zaczęła przewyższać produkcja w Kanadzie. Poza produkcją wspomnianych wcześniej ozdób i biżuterii nikiel znalazł dużo szersze zastosowania, a mianowicie wytwarzanie monet.
Monety niklowe
Po raz pierwszy w czasach nowożytnych, monety z nowego srebra zaczęto wybijać w Szwajcarii (z dodatkiem srebra) w roku 1850 a w roku 1855 w Belgii do bicia monet zastosowano stop miedzi i niklu ( 75% i 25%).
Stany Zjednoczone w prowadziły nowe bilony w roku 1857, Niemcy w 1873, a w roku 1881 w Szwajcarii wprowadzono monetę wybitą z czystego niklu.
Największa jednak kariera niklu, rozpoczęła się wraz z poznaniem jego zalet w zastosowaniach technicznych. Nikiel wykazuję niesamowicie dużą wytrzymałość np. na rozciąganie i wyjątkową plastyczność. Znalazł on, więc szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach z życia i techniki jak chemia, architektura, ale przede wszystkim w metalurgii, jako składnik stopowy stali.
Nikiel w stali
W roku 1819 Michael Faraday, (1791 –1867), bez powodzenia próbował zastosować nikiel w stali, pierwsze próby otrzymania stali stopowych z dodatkiem niklu w Niemczech w roku 1823 r. zakończyły się również niepowodzeniem. Dopiero w 1888 Francuz Marbeau z zakładów zbrojeniowych Schneidera w Le Creusot wprowadził do produkcji stal niklową o niespotykanej dotąd wytrzymałości, odporności na korozję i plastyczności, z której wytwarzano płyty pancerne, które jako jedyne wytrzymywały uderzenia pocisków ze stali chromowej.
W roku 1889, niezależnie od produkcji w zakładach Schneidera, Anglik Riley z zakładów Vickersa, również wprowadził do produkcji stal niklową. W roku 1891 patenty należące do Vickersa i Schneidera zakupiły Stany Zjednoczone i wykorzystały przy produkcji płyt pancernych w swojej flocie. Jeszcze przed wynalazkiem Marbeau, niejaki Samuel Ritchie z kopalni niklu w Ontario złożył propozycję zakładom Kruppa, aby wytwarzały stal niklową, propozycja została odrzucona i dopiero po zakupie patentów na produkcję stali niklowej przez Stany Zjednoczone, zakłady Kruppa zainteresowały się produkcją tej stali.
Żelazo Węgiel Chrom Nikiel Wanad Mangan Krzem Molibden Wolfram Miedź Tytan Glin Kobalt Niob Fosfor Siarka Tlen Azot