Никель и его сплавы: характеристика, свойства, применение. Сплав на основе никеля.

Содержание

Cunial A выпускается в виде прутков и используется в машиностроении для изготовления высокопрочных изделий. Cunial B используется для изготовления полос, применяемых в электротехнической промышленности для пружин и других изделий.

Какие сплавы никеля используют в химическом машиностроении

Быстро развивающиеся нефтегазовая, химическая, строительная, станкостроительная и авиационная отрасли требуют высокопрочных металлов и сплавов. Никель — один из самых популярных металлов благодаря своему химическому составу и уникальным механическим свойствам: химическая инертность, самый активный катализатор среди металлов, ферромагнетизм, отсутствие аллотропных превращений и т.д.

В то время как продукты и применения чистого никеля встречаются редко, никелевые сплавы имеют особое значение во многих отраслях промышленности. Из общего объема производства никеля 7% используется для никелирования и почти 9% для производства чистого никеля (никель 200, никель 201), остальное используется в сплавах.

Сплав	UNS	W.No.	DIN/EN	ГОСТ
Сплав 200/никель 200	N02200	2.4060, 2.4066	Никель 99,2	NP3
Сплав 201/никель 201	N02201	2.4061, 2.4068	LC Никель 99,2	NP4

Параметры никеля

Цвет материала — серебристо-белый, температура плавления — 1453 градуса. Никелевые сплавы пластичны и хорошо работают под давлением. Материал испаряется при температуре 2732 градуса. Благодаря своим химическим свойствам, он может образовывать соединения с различной степенью окисления. При нормальных условиях на материале образуется тонкий оксидный слой. Никель и сплавы из него устойчивы к ржавчине, легко поддаются воздействию азотной кислоты и не реагируют с другими густыми жидкостями.

С такими веществами возможны химические реакции:

Инертные газы.
Калий.
Цезий.
Стронций.
Иридий.

Углеродные добавки производят карбонилы, которые используются для получения максимально чистых материалов. Никелевый порох взрывается при реакции с кислородом.

Читайте также: Как заделать дырку в алюминиевой кастрюле

Что такое никелевые сплавы

Никель обладает уникальной способностью растворять металлы, сохраняя их пластичность и передавая их свойства полученным соединениям без особых потерь. Никель чаще всего сплавляется с железом, медью, цинком, хромом, алюминием, титаном и т.д.

Свойства никелевых сплавов аналогичны свойствам чистого никеля:

жаропрочность и жаростойкость;
высокая коррозионная стойкость в жидкой среде и газах;
способность выдерживать высокие силовые нагрузки в условиях повышенных температур;
износостойкость и долговечность;
отсутствие чувствительности к агрессивным химвеществам и пр.

В большинстве нержавеющих и конструкционных сталей никель выступает в качестве легирующего элемента (не менее 50%), который придает определенные свойства никелевому сплаву.

Марки и химический состав никеля

Согласно ГОСТ 849-2008, существует 7 марок никеля: H0, H1Au, H1u, H2, H3 и H4. Они содержат от 97,6 до 99,99 % никеля и небольшое количество кобальта (Co) — от 0,005 до 0,7 %. Оставшаяся масса состоит из примесей:

Углерод (C) — есть во всех марках никеля.
Магний (Mg).
Алюминий (Al).
Кремний (Si).
Фосфор (P).
Сера (S) — есть во всех марках.
Марганец (Mn).
Железо (Fe).
Медь (Cu) — есть во всех марках.
Цинк (Zn).
Мышьяк (As)
Кадмий Cd).
Олово (Sn).
Сурьма (Sb).
Свинец (Pb).
Висмут (Bi).

Точный химический состав различных типов никеля приведен в таблице ниже.

Точный химический состав различных типов никеля приведен в таблице ниже.	Химический состав, %.
	Ni и Co, не менее	Включая Ко, не более	Примеси, не более
	Ni и Co, не менее	Включая Ко, не более	C	Mg	Al	Si	P	S	Mn	Fe	Cu	Zn	As	Cd	Sn	Sb	Pb	Bi
H0	99,99	0,005	0,005	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,001	0,002	0,001	0,0005	0,0005	0,0003	0,0003	0,0003	0,0003	0,0001
H1Ay	99,95	0,1	0,001	0,001	—	0,002	0,001	0,001	—	0,01	0,1	0,001	0,001	0,0006	0,0005	0,0005	0,0005	0,0001
H1y	99,95	0,1	0,01	0,001	—	0,002	0,001	0,001	—	0,01	0,015	0,001	0,001	0,0005	0,0005	0,0005	0,0005	0,0003
H1	99,93	0,1	0,01	0,001	—	0,002	0,001	0,001	—	0,02	0,02	0,001	0,001	0,001	0,001	0,0001	0,001	0,0006
H2	99,8	0,15	0,02	—	—	0,002	—	0,003	—	0,04	0,04	0,005	—	—	—	0,1	—
H3	98,6	0,7	0,1	—	—	—	—	0,03	—	—	0,6	—	—	—	—	—	—
H4	97,6	0,7	0,15	—	—	—	—	0,04	—	—	1,0	—	—	—	—	—	—

Влияние примесей на свойства металла

Сера — одна из самых вредных примесей. Он придает никелю красновато-хрупкий вид, что может повлиять на свойства металла при формовании. Марганец и/или магний добавляют, чтобы компенсировать действие серы.

Углерод до 0,1 % не влияет на свойства металла, но при более высоком содержании он осаждается из твердого раствора при отжиге и снижает пластичность холодного никеля.

Если висмут и свинец присутствуют в пропорции 0,002% и более, термообработка уже невозможна: металл практически нерастворим в твердом состоянии, и слитки разрушаются под воздействием этих элементов. По этой причине содержание свинца и висмута во всех сортах никеля ограничено 0,001 и 0,0006 % соответственно.

Алюминий увеличивает электрическое сопротивление никеля. Этот элемент встречается в чистом виде, H0. Также широко используются никель-алюминиевые сплавы, которые характеризуются высокой жаростойкостью и коррозионной стойкостью.

Железо не оказывает существенного влияния на свойства никеля. Кремний раскисляет основной металл и тем самым улучшает его литейные свойства, химическую стойкость и вязкость.

Кобальт повышает жаропрочность, жаростойкость и долговечность никеля, а марганец положительно влияет на технологические и механические свойства металла и улучшает его электрическое сопротивление.

Применение никеля в чистом виде

Для защиты металлов от коррозии

Для этого используются электролитические или гальванические покрытия. Первый используется для алюминия, чугуна, магния и цинка, второй — для нелегированной стали и железа.

Для производства металлических изделий, имеющих постоянную форму и высокую устойчивость к коррозии.

Поскольку никель в чистом виде дороже железа и стали, он используется там, где нельзя применить другой никелированный металл. Никель используется в тиглях и чайниках, в емкостях для транспортировки и плавления щелочей, в хранении реактивов, в пищевых продуктах и т.д. Никелевые трубы используются для производства концентратов. Приборы из этого металла устойчивы к воздействию коррозионных элементов, поэтому они практически незаменимы в химических лабораториях и медицинских центрах. Различные никелевые устройства используются в телевидении, радарах и ядерных технологиях.

В качестве катализаторов и фильтров в химической промышленности

Никель обладает теми же каталитическими свойствами, что и палладий, но гораздо дешевле, поэтому он широко используется в виде порошка в реакциях гидрирования спиртов, ненасыщенных и ароматических углеводородов и циклических альдегидов.

Чистый никелевый порошок также подходит для изготовления пористых фильтров, используемых для фильтрации различных продуктов: Топливо, газы и т.д.

Для механических переключателей пучка нейтронов.

Свойства никеля позволяют генерировать высокоэнергетические нейтронные импульсы, что дает возможность использовать пластины из этого металла в ядерной физике.

Никель также используется для изготовления электродов в щелочных батареях.

Формы нахождения металла

Никелевые сплавы производятся для замены железа или магния. В виде самородков металл встречается в метеоритах и добывается естественным путем из руд. На концентрацию этого вещества в живых организмах влияет окружающая среда.

Наиболее важные месторождения находятся в этих странах:

Тип руды определяет технологию, используемую для извлечения никеля. Гидрометаллургический процесс используется для переработки латерита. Если руда содержит меньше целевого материала, она подвергается электрической плавке или обжигу. Этот процесс позволяет одновременно извлекать соли кобальта. Большая часть никеля содержится в продуктах сгорания угля, добываемого в Англии. Это связано с присутствием микроорганизмов, которые содержат минерал. Чистота добытого вещества определяет его физические свойства.

Легирование магнием помогает получить чистый металл.

Кислотостойкие

В эту группу никелевых сплавов входят сплавы с медью, хромом, вольфрамом и молибденом. Эти сплавы устойчивы к агрессивным окисленным и неокисленным средам.

Никель с медью

Медно-никелевый сплав (Monel) очень устойчив к коррозии, обладает высоким сопротивлением времени и отличной пластичностью при различных температурах. По этой причине он часто используется в электротехнике, химической промышленности и морском оборудовании. Эти сплавы также используются в производстве ядерных реакторов. Одним из наиболее часто используемых сплавов является Monel 400.

Никель с хромом и железом

Инконель — это сплав, в котором легирующими элементами являются хром и железо. Полученный металл используется для изготовления компонентов, работающих при высоких температурах. Однако его не рекомендуется использовать в деталях, подвергающихся воздействию температур выше 850°C.

Никель с молибденом

Сплав состоит из никеля, железа и молибдена и используется для отливок, подвергающихся воздействию соляной кислоты и температур не выше 70°C. Металл устойчив к коррозии. К ним относятся марка CrN65MV и ее эквивалент Hastelloy C276.

Никель с разными металлами

Никель — это сплав, основными компонентами которого являются никель, хром, железо, молибден, медь и титан. Из него можно изготовить емкости, в которых хранится каустическая сода, серная и фосфорная кислоты.

Отрасли применения никеля

Давайте рассмотрим области, в которых используется этот материал:

Читайте также: Выбор и установка химического анкера — пошаговые инструкции по креплению и установке крепежа.

Производство нержавеющей стали.
Создание защитных покрытий методом гальванизации.
Применение в порошковой металлургии.
Создание сплавов, в которых нет железа.
Изготовление химических реагентов.

Никель выступает в качестве катализатора в промышленности. Титановый сплав позволяет изготавливать высококачественные зубные имплантаты.

Никелевые сплавы с содержанием железа 20-60% используются для изготовления сердечников электромагнитов.

Никель используется для производства:

Никелевые валки используются в химической промышленности при взаимодействии со щелочами. Металл используется для производства медицинского оборудования.

Термопары на основе хрома и меди также используются в промышленности. Никромиум считается важным металлом для производства технически сложных устройств. Добавление кремния позволяет производить компоненты для электронагревателей. Сочетание никеля, титана и алюминия называется нимоник. Благодаря своей термостойкости эти материалы подходят для изготовления авиационных двигателей. Литые сплавы могут быть дополнительно легированы для повышения жаропрочности. Структура этих металлов неоднородна, поэтому свойства материала не совпадают в определенных областях.

Были опробованы методы получения жаропрочных композитных металлов, и такие элементы добавляются в никель:

Широко используется сплав с добавлением оксидов тория. Повышение электрического сопротивления может быть достигнуто путем легирования такими элементами.

Использование никеля в чистом виде:

Элемент применяется для защиты других соединений от ржавчины. С помощью гальванопластики одно вещество наносится на другое.
Изготовление устойчивых к коррозии изделий, долго сохраняющих первоначальную форму.
Производство фильтров и катализаторов, используемых в промышленности.
Создание механических прерывателей нейтронного пучка.

Из-за своей высокой стоимости никель используется только в тех случаях, когда железные или стальные компоненты не подходят. Материал используется для строительства котлов, резервуаров для транспортировки и обработки щелочей, хранения химикатов, пищевых продуктов и т.д. В никелевых трубах образуется конденсат. Из этого материала изготавливаются инструменты для работы с агрессивными веществами. Именно поэтому они часто используются в медицине и при взаимодействии с химическими реагентами.

Материал используется в ядерной физике. Его свойства позволяют генерировать сильные нервные импульсы.

Сплавы на основе никеля

Никель — элемент десятой группы, четвертого периода периодической таблицы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni (лат. Niccolum ). Простое вещество никель представляет собой ковкий, пластичный переходный металл серебристо-белого цвета, покрытый тонким оксидным слоем при нормальной температуре на воздухе. Он химически неактивен.

В современных турбинах и реактивных двигателях наиболее важной частью является лопатка турбины (рис. 43). Производительность реактивного двигателя в основном зависит от максимальной температуры рабочей среды (газа), при которой лопатки могут работать в течение длительного периода времени. В современных реактивных двигателях лопатки турбины нагреваются до 700 — 900o C, и эта температура имеет тенденцию к повышению.

Для изготовления лопаток турбин используются аустенитные стали и сплавы на основе никеля и кобальта.

В основном используются никелевые сплавы, которые обычно содержат хром (около 15-20 %) и многие другие добавки, хотя и в гораздо меньших количествах (алюминий, титан, вольфрам, молибден, ванадий и т.д.).

Рис. 43 Продукция из никелевых сплавов

Как и аустенитные стали, сплавы на основе никеля можно разделить на однородные (так называемые нихром и инконель) и сплавы старения (так называемые нимоник).

Никель — это общее название класса сплавов на основе никеля, предназначенных для изготовления резисторов и нагревательных элементов. Наиболее распространенная марка — X 20H80.

Никель — это сплав никеля и хрома, содержащий 55-78% никеля (Ni), 15-23% хрома (Cr), 1,5% марганца (Mn) и остальное железо, алюминий и т.д. в зависимости от марки сплава. Из-за более высокого содержания никеля Cr20H80 стоит дороже. Типичными изделиями из никеля являются никелевая проволока и никелевые полосы (Рисунок 44). Никелевая проволока выпускается диаметром от 0,3 до 10 мм. Размеры никелевой ленты варьируются от 0,1 до 3,2 мм толщиной и от 6 до 250 мм шириной.

Рисунок 44 Нихромовые изделия

Никелевые сплавы с легирующими элементами — Ti, Al, Cr, применяемые для изготовления наиболее нагруженных деталей газотурбинных двигателей и других энергетических установок, работающих при высоких температурах. Долговечность никеля составляет 100 часов при температуре 800°. При температуре около 4 кг/мм 2 добавление 20% Cr относительно мало упрочняет твердый раствор, но увеличивает прочность сплава в окалине, повышая предел длительной прочности не более чем на 25-30%. Введение 2,5-3 % Ti в никелевые сплавы с небольшой добавкой алюминия (0,7 %) приводит к значительному повышению термостойкости, так как при умеренных температурах образуется высокодисперсная межзвездная γʹ-фаза; в результате процессов дисперсионного упрочнения повышается сопротивление сплавов пластической деформации как при комнатной температуре, так и при высоких температурах. Некоторое увеличение содержания алюминия (с добавлением титана) еще больше улучшает огнеупорные свойства сплавов на основе никеля за счет увеличения количества дисперсных фаз, образующихся при термообработке.

Сварка никелевых сплавов

Сварка никеля и никелевых сплавов осложняется, главным образом, склонностью к росту зерна при высоких температурах. По границам зерен имеются легкоплавкие, хрупкие эвтектики: Ni₃S-Ni с температурой плавления 645 °C и Ni₃P-Ni с температурой плавления 880 °C. Возникновение этих эвтектик снижает прочность границ зерен, и во время кристаллизации под действием растягивающих напряжений в полукристаллическом состоянии металла образуются горячие трещины.

Второй серьезной проблемой является образование газовых пор. Водород и, в меньшей степени, азот хорошо растворяются в никеле. Кроме того, водород может реагировать с оксидом никеля NiO с образованием воды. Азот реагирует с оксидом никеля NiO с образованием летучих нитридов NiO.₃N. Углерод также реагирует с NiO с образованием CO. Эти процессы приводят к образованию пор.

Третьей проблемой при сварке никеля и его сплавов является высокое поверхностное натяжение расплавленного никеля, которое уменьшает глубину проплавления металла. Это требует большего краевого угла или использования активационных флюсов.

Для порошковой сварки используются проволоки NMC2.5, NP-0, NP-1, NP-2 и бескислородные солевые сварочные флюсы 48-OF-6 и ANF-573 (рис. 45).

Рис. 45 Проточная сварка сплавов на основе никеля

Особенности никеля и его сплавов

Никель обладает особыми свойствами, которые высоко ценятся в промышленном производстве. Благодаря хорошей пластичности из него легко изготавливать различные фасонные детали методами холодной и горячей штамповки. В то же время свариваемость сплавов на основе никеля находится на высоком уровне.

Стоит отметить, что никель очень устойчив к агрессивной среде щелочей и других химических веществ. Благодаря своей термостойкости он не реагирует с кислородом в нормальных условиях, даже при нагревании до 800 градусов Цельсия. Его плотность может меняться в зависимости от присутствия таких газов, как кислород, угарный газ и водород, а также серы, железа, кремния, свинца, марганца, цинка и других элементов.

Благодаря своему активному каталитическому свойству никель хорошо реагирует в сплавах с большинством металлов. С его помощью можно значительно улучшить или изменить свойства различных материалов, в результате чего получаются ценные продукты. На сегодняшний день известно более 3000 сплавов с этим элементом.

Жаропрочные никелевые сплавы содержат марганец, кобальт, палладий, медь, платину и железо.

Помимо сплавов на основе никеля, никель можно использовать и в чистом виде. Он часто используется для получения антикоррозийного покрытия. Обычно его наносят методом гальваники или гальванического покрытия, которое используется для защиты железа и стали. Этот метод позволяет получить материал, который почти не уступает чистому металлу, и при этом стоит немалых денег. Гальваническое покрытие защищает алюминий, чугун, магний и цинк.

Несмотря на высокую стоимость, чистый металл очень часто используется для изготовления различных приборов и инструментов, а также тиглей для металлургии. Химическая промышленность использует резервуары, контейнеры и трубы из этого металла для хранения и транспортировки пищевых продуктов, щелочей и других веществ.

При производстве водорода он используется в качестве конденсатора. Также стоит упомянуть о медицинской сфере, где очень часто используются инструменты и приборы, изготовленные из никеля.

Он также особенно популярен в производстве радио- и телевизионных аппаратов. Он также незаменим в ядерном секторе, поскольку без него невозможно производство высокоточных устройств дистанционного управления.

Никелевые зерна используются в качестве катализаторов во многих химических реакциях с участием углеводородов, спиртов и альдегидов. Его часто используют в качестве заменителя платины и палладия, поскольку свойства этого гранулированного металла не уступают вышеупомянутым, а также он дешевле.

Гранулированный никельНикелевый порошок

Никелевый порошок также используется в фильтрующих системах для очистки газов, топлива и других веществ в химической промышленности.

Он также является отличным легирующим агентом, поэтому в металлургии он часто является предпочтительным состоянием металла.

Благодаря своей щелочестойкости он может использоваться в качестве электрода в щелочных батареях.

Сплавы с медью

Сочетание никеля и меди часто используется для получения материалов, свойства которых отличаются от свойств чистых металлов.

Наиболее часто используемыми сплавами с медью являются следующие:

монель;

мельхиор;

нейзильбер.

При производстве монеля основным компонентом является никель, доля которого в сплаве должна составлять около 67%. Монель характеризуется высокой прочностью, превышающей свойства большинства сталей, поэтому этот сплав стал очень популярным в самолетостроении, в производстве электроинструментов, в судостроении и в производстве музыкальных инструментов.

Мельхиор — это никель-медный сплав на основе меди с содержанием никеля от 5 до 30 %. Этот сплав используется для изготовления различных видов посуды, дешевых ювелирных изделий, статуэток и других произведений искусства.

Он также встречается в повседневной жизни, так как большинство современных монет изготовлены из мельхиора. Он особенно подходит для этой цели, так как очень податлив и легко поддается прессованию. В то же время он очень прочен и устойчив к износу. Мельхиор характеризуется устойчивостью к соленой воде и поэтому используется для изготовления многих строительных и лодочных деталей.

Серебряная чайная ложка из никеля

Никелевое серебро характеризуется содержанием цинка. Он достаточно податлив, но в то же время очень прочен и устойчив к коррозии. Он используется в производстве электроприборов, столовых приборов, ювелирных изделий, монет и наград.

Сплавы с хромом

Сплав никеля и хрома широко известен и обычно называется никелем. Первый сплав этих металлов был изготовлен более ста лет назад. Эти сплавы характеризуются высоким электрическим сопротивлением, высокой температурой плавления, высокой плотностью и теплоемкостью. Они также хорошо работают при высоких температурах.

Стоимость этого сплава довольно высока, но, учитывая его многочисленные преимущества, она вполне оправдана.

Нихром наиболее часто используется в:

производстве электропечей, предназначенных для отжига и сушки;

производстве электроприборов высокотемпературного воздействия, например, электровыжигателях;

необходимости использования производимых приборов или деталей в агрессивной химической среде;

необходимости сопротивления изделий высоким температурам;

нанесении покрытия при газотерсическом напылении;

производстве электронных сигарет, в качестве нити испарения.

Нихромы с добавлением кремния более устойчивы к воздействию азотных смесей, что важно в химической промышленности.

Основная информация по никелю

Имея атомный номер 28, он занимает такое же положение в периодической таблице. Аббревиатура пишется как Ni, производное от Niccolum. Он легко обрабатывается и достаточно податлив. Он имеет характерный бело-серый цвет с легким золотистым оттенком, полируется и реагирует с магнитами. Наиболее важными свойствами никеля являются. На поверхности металла имеется оксидный слой. Его наличие гарантирует отсутствие ржавчины. По данным ученых, около 8×103 % металла сохранилось внутри земли. Согласно тому же исследованию, возможно, что в ядре планеты есть большие залежи никеля. Часть этого металла содержится в водах Мирового океана.

Первое упоминание о никеле встречается в исторических записях 1751 г. A. F. Кронштедт, шведский металлург, обнаружил его присутствие в некоторых химических веществах. Его исследования были основаны на анализе соединений с мышьяком. После его открытия он был классифицирован как вещество, лишь частично обладающее типичными свойствами металлов. Долгое время велись дебаты по поводу этого определения. В 1775 году соотечественник Кронштедта Т. Брегман окончательно доказал, что они являются простыми веществами. Немецкий химик Й. Рихтер, которому в 1804 году удалось выделить металл, обработав его купоросом, положил конец спорам.

Наиболее важные свойства никеля

Физические свойства никеля включают определенные характеристики. К ним относятся. Никель относится к категории цветных металлов. Он обладает определенными химическими свойствами. Среди них: — ковалентный радиус — 115; — степень окисления — 3, 2, 0; — ионный радиус — +2e — 69; — электродный потенциал — 0; — электроотрицательность — 1,91. Согласно общей характеристике, никель считается восстановителем.