Vlastnosti a vplyv niklu na oceľ
Rozpustnosť niklu v γ- železe je neobmedzená, zatiaľ čo v α- železe je až 10 % a je v rovnováhe s austenitom . Nikel zvyšuje tvrdosť a pevnosť ocele a má pozitívny vplyv na rázovú húževnatosť a ťažnosť, najmä pri nízkych teplotách. Podobne ako chróm zvyšuje kaliteľnosť ocele. Nikel je austenit tvoriaci prvok a jeho vplyv na štruktúru ocele je podobný vplyvu mangánu.
Nízkolegované ocele s obsahom 3 – 5 % niklu majú vysokú pevnosť, tvrdosť a sú odolné voči oderu. Ocele s obsahom 7 – 20 % niklu (aj v kombinácii s chrómom ) sú odolné voči korózii a vysokým teplotám, morskej vode a kyselinám. Je to veľmi bežná zložka používaná v nehrdzavejúcej oceli (inox) , kyselinovzdornej oceli a žiaruvzdorných a odolných oceliach proti tečeniu . Oceľové zliatiny s obsahom 20 – 30 % niklu vykazujú zvýšený elektrický odpor so zvyšujúcou sa teplotou. Niklové zliatiny – 60 % niklu, 15 % železa a 14 % chrómu – sa používajú ako elektrické rezistory a kyselinovzdorné súčiastky.
Nikel – Fyzikálne údaje a história objavu
Nikel – atómové číslo 28, atómová hmotnosť 58.71, bod topenia 1452 °C, bod varu 2730 °C, hustota 8,908 g/cm3 (Encyklopédia technológie, Wydawnictwo "Śląsk")
História objavu niklu, (viac či menej) je nasledovné.
V stredoveku a aj neskôr alchymisti verili v takzvanú teóriu podpisov. Táto teória tvrdila, že samotná príroda označuje svoje výtvory podpismi, aby ľudia mohli rozpoznať, na čo daný výtvor slúži a na aký účel. Napríklad sa hovorilo, že ďatelina sa používa na liečbu srdcových chorôb, pretože jej listy mali tvar srdca atď.
Táto teória sa vzťahovala aj na metalurgiu. Všeobecne sa verilo, že všetky zlatisté telesá, látky a minerály obsahujú zlato; stačilo len nájsť vhodnú metódu na jeho extrakciu. Pri hľadaní zlata v moči bol objavený fosfor a pri hľadaní medi v medených mineráloch bol objavený nový lesklý kov: nikel.
Nikel v staroveku
V staroveku bolo známych iba sedem kovov v čistom stave ( meď , striebro, cín, olovo, železo , zlato a ortuť). Nikel ako prírodný legujúci prvok existoval dávno pred naším letopočtom. V Číne sa tavil z medeno-niklových rúd ťažených v provinciách Yunnan a Sečuán od pradávna a zliatina tavená z týchto rúd sa nazývala pak-tong. Pak-tong (paktong alebo pakfong) mal svetlostriebornú farbu s bezchybným leskom. Bol tvrdší a odolnejší ako striebro. Používal sa na výrobu rôznych predmetov vrátane šperkov, ozdôb a mincí.
V starovekej Baktrii (dnešný severný Afganistan) sa v 2. storočí pred Kristom razili mince, ktoré podľa modernej chemickej analýzy obsahovali približne 77,6 % medi, 20 % niklu, 1 % železa a asi 1 % ďalších prvkov. Nikel obsahujú aj meteority, s ktorými sa ľudia stretávajú od staroveku.
„Kupfernickel“ (falošná meď)
V saských baniach nachádzajúcich sa v pohorí Krušných hôr bol nájdený zvláštny minerál medenej farby. Podľa spomínanej teórie podpisov by mal obsahovať meď. Bohužiaľ, napriek všetkému úsiliu sa ho nepodarilo izolovať. Tento mimoriadne vzácny minerál bol pomenovaný „ Kupfernickel“ (falošná meď ). Bol študovaný a dôkladne preskúmaný švédskym chemikom a mineralógom barónom Axelom Fredrikom Cronstedtom (1722 – 1765).
V roku 1751 ho redukoval na oxidickú formu a potom ho aktívnym uhlím redukoval na očakávanú meď. „Bohužiaľ“, na jeho prekvapenie, vznikol biely kov, ktorý považoval za samostatný kov a dal mu názov nikel. Tento objav potvrdil o štyri roky neskôr, v roku 1755, ďalší renomovaný švédsky chemik a mineralóg Torbern Olaf Bergman (1735 – 1784).
Priemyselné aplikácie a rozvoj výroby niklu
Nikel sa s mnohými výhodami a neuveriteľným využitím stal nenahraditeľným kovom, ale predtým museli vedci splniť tri úlohy:
– naučiť sa presné vlastnosti a nájsť využitie nového kovu
– vybrať si metódy získania v primeranom množstve a za nízku cenu
– nájsť miesta, kde sa tento kov vyskytuje
Geitner, Henniger, Mond
Keď bola v roku 1825 v Nemecku zvládnutá priemyselná metóda ťažby niklu, bratia Hennigerovci a nezávisle od nich Ernst August Geitner (1783 – 1852) vyrobili zliatinu vyrobenú z čistých zložiek (20 % niklu, 20 – 25 % zinku, 55 – 60 % medi), nazývanú nemecké striebro, nové striebro, argent, alpaka a albata. Nové striebro sa používalo, podobne ako čínsky pakfong, predovšetkým na výrobu rôznych šperkov.
V roku 1840 sa vyprodukovalo iba asi 100 ton niklu a jeho získavanie bolo veľmi ťažké kvôli nízkemu obsahu kovu v ťažených ložiskách. V 70. rokoch 19. storočia nemecký chemik Ludwig Mond (1839 – 1909) vynašiel pôvodnú metódu na získavanie niklu z niklového kamienka , ktorý objavil takzvané karbonyly niklu. Ide o zlúčeninu Ni (CO4), ktorá s oxidom uhoľnatým tvorí nikel , z ktorého sa dá ľahko izolovať čistý nikel.
Cronstedt, Bergman, James Cook, Garnier
V rovnakom čase, keď Švédi Cronstedt a Bergman prvýkrát získavali vzorky čistého niklu, kapitán James Cook (1728-1779) objavil v roku 1774 nový ostrov v južnom Pacifiku s názvom Nová Kaledónia. V roku 1853 sa dostal pod francúzsku kontrolu a o 12 rokov neskôr Francúz Garnier objavil vysokokvalitnú niklovú rudu nazývanú garnierit, ktorá obsahovala až 30 % niklu. Keď Mond vyvinul karbonylovú metódu na získavanie niklu, produkcia rudy v Novej Kaledónii už dosahovala 300 ton.
V roku 1856 boli v medených baniach v kanadskom Ontáriu objavené nové ložiská niklovej rudy, odhadované na milióny ton. Do roku 1900 začala produkcia niklu v Novej Kaledónii prekonávať produkciu v Kanade. Okrem výroby ozdôb a šperkov, ktoré boli spomenuté vyššie, našiel nikel oveľa širšie uplatnenie, a to pri výrobe mincí.
Niklové mince
Po prvýkrát v modernej dobe boli mince z niklového striebra razené vo Švajčiarsku (s pridaním striebra) v roku 1850 a v Belgicku v roku 1855 bola zliatina použitá na razenie mincí. meď a nikel (75 % a 25 %).
Spojené štáty zaviedli nové mince v roku 1857, Nemecko v roku 1873 a v roku 1881 Švajčiarsko zaviedlo mincu razenú z čistého niklu.
Najväčšia kariéra niklu sa však začala uznaním jeho výhod v technických aplikáciách. Nikel vykazuje neuveriteľne vysokú pevnosť v ťahu a výnimočnú ťažnosť. V dôsledku toho našiel široké uplatnenie v mnohých oblastiach života a techniky, ako je chémia, architektúra a predovšetkým v metalurgii ako legujúca zložka ocele.
Nikel v oceli
V roku 1819 sa Michael Faraday (1791 – 1867) neúspešne pokúsil použiť nikel v oceli a prvé pokusy o získanie ocelí legovaných niklom v Nemecku v roku 1823 tiež skončili neúspechom. Až v roku 1888 predstavil Francúz Marbeau zo zbrojárskej továrne Schneider v Le Creusot niklovú oceľ s nebývalou pevnosťou, odolnosťou proti korózii a ťažnosťou, ktorá sa používala na výrobu pancierových plátov, ktoré ako jediné dokázali odolať nárazom chrómových oceľových striel.
V roku 1889, nezávisle od Schneiderovej výroby, Angličan Riley z Vickers tiež zaviedol do výroby niklovú oceľ. V roku 1891 Spojené štáty odkúpili patenty patriace Vickersovi a Schneiderovi a použili ich na výrobu pancierových plátov pre svoje námorníctvo. Ešte pred Marbeauovým vynálezom navrhol istý Samuel Ritchie z niklovej bane v Ontáriu spoločnosti Krupp, aby spolu vyrábali niklovú oceľ . Tento návrh bol zamietnutý a až po tom, čo Spojené štáty odkúpili patenty na výrobu niklovej ocele, sa Krupp začal zaujímať o výrobu tejto ocele.
Niklové zliatiny a ich význam
Niklové zliatiny predstavujú samostatnú, vysoko špecializovanú skupinu materiálov určených na použitie v podmienkach, kde oceľ – dokonca aj vysoko legovaná oceľ – už nestačí. Kombinujú vysoký obsah niklu s prídavkom chrómu, molybdénu, železa, titánu, hliníka, nióbu a volfrámu, čím vytvárajú materiály odolné voči korózii, tečeniu, oxidácii a extrémne vysokým teplotám.
Monel (približne 65 – 70 % Ni, 25 – 30 % Cu)
Monel je skupina zliatin niklu a medi s veľmi vysokou odolnosťou voči morskej vode, koróznemu praskaniu pod napätím, zásadám a kyselinám. Vyznačuje sa dobrou pevnosťou v širokom teplotnom rozsahu a odolnosťou voči praskaniu. Medzi typické aplikácie patria lodné armatúry, čerpadlá, obežné kolesá, vrtule, chemický priemysel, lúhovacie zariadenia a komponenty, ktoré sú odolnejšie ako kupronikel pri vyšších teplotách.
Najznámejšie druhy: Monel 400, Monel K-500 (kalený zrážkami).
Inconel / Incoloy – niklové superzliatiny a zliatiny Ni-Cr-Fe
Patria medzi najdôležitejšie materiály na použitie pri veľmi vysokých teplotách (600 – 1100 °C) a vo vysoko korozívnom prostredí. Zvyčajne obsahujú 50 – 75 % Ni v kombinácii s Cr, Fe, Mo, Nb, Ti a Al.
Najčastejšie používané:
Inconel 600, 601 – odolnosť voči oxidácii a vysokým teplotám,
Inconel 625 – vysoká odolnosť voči korózii a chloridom,
Inconel 718 – superzliatina spevnená precipitáciou (Nb + Ti),
Incoloy 800/825 – materiály odolné voči tečeniu a agresívnym chemickým médiám.
Použitie: energetika, petrochemický priemysel, priemyselné pece, turbíny, spaľovacie a regeneračné zariadenia výfukových plynov.
Hastelloy – Zliatiny Ni-Mo a Ni-Cr-Mo
Hastelloy sa vyznačujú výnimočnou odolnosťou voči všeobecnej korózii, jamková korózia a drážkované. Vďaka veľkému prídavku molybdénu a chrómu sú vhodné pre:
horúce kyseliny (sírová, chlorovodíková), oxidačné a redukčné médiá, vysoko rizikové chemické procesy.
Najznámejšie druhy: Hastelloy C-276 , Hastelloy C-22, Hastelloy B-2.
Nimonic – zliatiny niklu s prídavkom titánu a hliníka
Nimonic je skupina zliatin určených predovšetkým na použitie v plynových turbínach. Obsahujú približne 70 – 80 % Ni s prísadami Ti a Al, ktoré umožňujú precipitačné kalenie (γ'). Vlastnosti:
veľmi vysoká pevnosť pri 700 – 900 °C,
odolnosť voči tečeniu a tepelnej únave.
Používa sa okrem iného v letectve a energetike.
Zliatina – skupina vysoko legovaných niklových materiálov
Existuje množstvo komerčných druhov niklových zliatin pod názvom „zliatina“, napr.:
Zliatina 20 – vysoko odolná voči kyselinám a chloridom (Ni-Cr-Mo-Cu),
Zliatina 59 – zliatina Ni-Cr-Mo so širokou chemickou odolnosťou,
Zliatina 36 (Invar) – niklová zliatina s veľmi nízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti,
Zliatina 75 / 188 / 230 – superzliatiny odolné voči vysokým teplotám a oxidácii.
Udimet a Waspaloy – niklové superzliatiny
Niklové superzliatiny ako Udimet a Waspaloy patria medzi najmodernejšie konštrukčné materiály používané pri extrémnom tepelnom a mechanickom zaťažení. Ich pevnosť je založená na vysokom obsahu niklu a spevnení precipitáciou fázou γ' (Ni₃(Al,Ti)), čo im umožňuje udržiavať mechanickú stabilitu pri teplotách, pri ktorých oceľ a konvenčné niklové zliatiny prestávajú fungovať.
Udimet je skupina superzliatin obsahujúcich vysoký podiel niklu (približne 60 – 70 %) a prísady chrómu, kobaltu, molybdénu a volfrámu. Prítomnosť titánu a hliníka umožňuje silné precipitačné kalenie.
Charakteristické vlastnosti: veľmi vysoká pevnosť pri teplotách 700–750 °C, odolnosť voči tečeniu a dlhodobé zaťaženie, dobrá štrukturálna stabilita pri cyklických teplotných zmenách.
Použitie: komponenty plynových turbín, trysky, lopatky a krúžky, komponenty lietadiel pracujúce v horúcej zóne motorov.
Waspaloy je superzliatina na báze niklu s výnimočnou odolnosťou proti tečeniu a vysokou dlhodobou stabilitou. Obsahuje približne 58 – 62 % niklu, vysoký obsah chrómu a prísady kobaltu, molybdénu, titánu a hliníka.
Kľúčové vlastnosti: vynikajúca odolnosť voči tečeniu a pevnosť v rozsahu 650–800 °C, odolnosť voči deformácii pri dlhodobom zaťažení, rozmerová stabilita pri tepelných šokoch a agresívnom prostredí.
Použitie: vysoko zaťažené komponenty pre letecký a energetický priemysel, kotúče a krúžky turbín, komponenty inštalácií pracujúcich v náročných tepelných a chemických podmienkach.
Každý z nich je určený na riešenie špecifického problému: korózia, tečenie, rozmerová stabilita alebo vysoká teplota.
Priemyselný význam niklové zliatiny
Vďaka vlastnostiam niklu a jeho schopnosti vytvárať stabilné kryštalické štruktúry aj pri extrémnych teplotách sa niklové zliatiny používajú v energetickom sektore (spaľovacie komory, turbíny, prehrievače), chemickom a rafinérskom priemysle, námornom priemysle, kryogenike, letectve a raketovej technike a v zariadeniach vystavených chloridovej korózii , kyselinám a oxidačným činidlám. Predstavujú vrchol vysokoteplotnej metalurgie – tam, kde oceľ končí, niklové zliatiny len začínajú.
železo Uhlie chróm Nikel Vanád Mangán Kremík molybdén volfrám Meď titán Hliník kobalt niób fosfor Síra Kyslík dusík magnézium Zinok Životy