Никель и его сплавы

Свойства никеля

Никель – ферромагнетик, точка Кюри – 358°C, температура плавления – 1455°C, температура кипения – 2730-2915°C. Плотность – 8,9 г/см3 , коэффициент теплового расширения -13,5∙10−6 K−1. На воздухе компактный никель – стабилен, а высокодисперсный – пирофорен.

Никель обладает такими свойствами, как:

• пластичность и ковкость;
• прочность при высоких температурных режимах;
• устойчивость к окислению в воде и на воздухе;
• твердость и достаточная вязкость;
• высокая коррозионная стойкость;
• ферромагнетик;
• хороший катализатор;
• хорошо полируется.

Поверхность никеля покрыта тонким слоем оксида NiO, защищающим металл от окисления.

Виды медно-никелевых сплавов

Легированный сплав меди никелем образует большое количество твердых растворов, которые делятся на несколько групп:

• конструкционные;
• электротехнические;
• ювелирные.

Основные характеристики конструкционных медно-никелевых сплавов: высокая твердость, сопротивление стиранию, коррозионная стойкость. Вместе с никелем используют марганец, хром, алюминий, цинк и другие компоненты.

В электротехнических сплавах содержание марганца может превосходить никель. Сплавы обладают стабильным сопротивлением, высокой токопроводностью.

К декоративным относятся соединения меди и никеля, хорошо поддающиеся разным видам обработки: резанию, деформации. Они обладают высокой жидкотекучестью.

Константан

Сплав маркируется — МНМц 40-1,5. Такое обозначение говорит о том, что в нем около 40% никеля. Константан относится к электротехническим материалам. Имеет высокое омическое сопротивление и малое линейное расширение при нагреве.

Пластичный материал хорошо обрабатывается прокаткой. Из константана делают проволоку и лист для термоэлектродов, преобразователей.

Копель

Медно-никелевый сплав с высокой термической устойчивостью, маркируется МНМц 43-0,5. Дополнительный легирующий компонент — марганец. Выпускается в виде проволоки различных диаметров. Используется для изготовления компенсационных проводов и низкотемпературных преобразователей. Устойчив к воздействию кислой среды, работает в инертных газах.

Основное свойство — высокая стабильность сопротивления при изменении температур. Относится к жаростойким материалам. Устойчиво сохраняет свои характеристики при температуре до 600⁰.

Проволока

Нейзильбер

Ювелирный медный сплав с содержанием никеля 15% и цинка в пределах 20%. Никель придает сплаву белый цвет с зеленоватым или голубым отливом.

Немецкие химики изобрели сплав, как дешевый заменитель белого золота, не отличающийся от него внешне. Нейзильбер получился более твердым, устойчивым к влаге и пару. Не темнеет и не теряет своих декоративных свойств. В Европе использовался для изготовления наград и бижутерии. В настоящее время из него делаются медали, ордена, лады для гитар и хирургические инструменты.

Куниаль

Сплав выпускается в 2 вариантах и в конце маркировки имеет буквы А и Б. Оба вида сплава обладают коррозийной стойкостью. При повышенных температурах склонен к растрескиванию.

Куниаль-А легируется дополнительно алюминием, кобальтом и железом. Производится в виде прутков.

Куниали-Б — в меди растворяют только никель, содержание остальных веществ в сумме составляют не более 1%. Из материала изготавливают полосы для пружин и рессор.

Манганин

В этом сплаве кроме меди и никеля присутствует 13% марганца. Имеет красивый золотисто-красный цвет. Манганин может содержать железо. Он относится к изначально состаренным сплавам — приобретает свои механические свойства после термической обработки. Обладает электрической стабильностью при изменении температуры.

Манганин применяется в электроизмерительных приборах высокой точности, для создания эталонов.

Существует и другой состав сплава, в котором медь заменена серебром. Технические характеристики практически не отличаются. Белый Манганин значительно дороже.

Монель

Кроме меди и никеля в сплав добавляют марганец и железо. Монель назван в честь руководителя американской химической лаборатории, где разрабатывался сплав. Материал устойчив к коррозии, пластичен и прочен. Обладает высокой устойчивостью к воздействию кислот, щелочей. Маркируется — НМЖМц28-2,5-1,5.

Монель применяется при изготовлении приборов, оборудования химической, нефтяной промышленности. Используется в аппаратостроении, медицине и судостроительной промышленности для изготовления антикоррозионных деталей.

Сплав высокопластичный, легко обрабатывается в холодном и горячем состоянии. Механическая обработка возможна только на низких оборотах.

Мельхиор

Белый твердый сплав содержит меди в пределах 70–90%. Относится к ювелирным составам. Кроме никеля имеет легирующие вещества:

• 0,8% железа;
• 1% марганец.

Обладает высокой коррозионной устойчивостью в морской соде и среде газов. Температура плавления в пределах 1150–1230⁰, не зависит от соотношения составляющих.

Наиболее распространенные марки мельхиора — МНЖМц30-1-1 и МН16. Свои технические характеристики получает после отжига. Относится к группе изначально состаренных сплавов.

Из мельхиора делают ложки, вилки, столовую посуду, различные украшения. Он хорошо поддается обработке, резьбе, чеканке. Из него изготавливают хирургические инструменты, монеты, медали.

Изделия из мельхиора

Зубные коронки из соединений кобальта и хрома

Компоненты коронок из кобальта и хрома

Кобальтохромовые сплавы – это высоколегированные стали, внедренные в стоматологическую, ортопедическую и зуботехническую практику в 1933 году. Основными компонентами подобных материалов являются:

• хром,
• кобальт,
• никель.

Для улучшения свойств сплава и его структуры могут быть использованы такие элементы, как:

• марганец,
• вольфрам,
• железо,
• молибден.

Достоинства кобальтохромовых коронок

Широкое применение кобальтохромовых сплавов для изготовления твердосплавных коронок обуславливается:

• низкой плотностью материала,
• высокими показателями его упругости,
• отличной текучестью в расплавленном состоянии,
• а также повышенной стойкостью к коррозии и окислению.

Кобальтохромовые протезные приспособления легко:

• штампуются,
• паяются,
• не тускнеют на протяжении длительного времени и весят в 2,5 раза легче, чем коронки из сплава платины и золота.

Недостатки коронок из кобальта и хрома

Стоит отметить, что твердосплавные зубные коронки, изготовленные на основе соединений кобальта и хрома, имеют и ряд недостатков. В частности, подобные протезные приспособления:

• неэстетичны (отличаются по цвету от естественных зубов),
• способны провоцировать развитие реакций гиперчувствительности у лиц, страдающих аллергией.

Получение

Общие запасы никеля в рудах на начало 1998 года оцениваются в количестве 135 млн т., в том числе достоверные — 49 млн.т. Основные руды никеля — никелин (купферникель) NiAs, миллерит NiS, пентландит (FeNi)₉S₈ — содержат также мышьяк, железо и серу; в магматическом пирротине также встречаются включения пентландита. Другие руды, из которых тоже добывают Ni, содержат примеси Co, Cu, Fe и Mg. Иногда никель является основным продуктом процесса рафинирования, но чаще его получают как побочный продукт в технологиях других металлов. Из достоверных запасов, по разным данным, от 40 до 66 % никеля находится в «окисленных никелевых рудах» (ОНР), 33 % — в сульфидных, 0,7 % — в прочих. По состоянию на 1997 г. доля никеля, произведённого переработкой ОНР, составила порядка 40 % от общемирового объёма производства. В промышленных условиях ОНР делят на два типа: магнезиальные и железистые.

Тугоплавкие магнезиальные руды, как правило, подвергают электроплавке на ферроникель (5—50 % Ni+Co, в зависимости от состава сырья и технологических особенностей).

Наиболее железистые — латеритовые руды перерабатывают гидрометаллургическими методами с применением аммиачно-карбонатного выщелачивания или сернокислотного автоклавного выщелачивания. В зависимости от состава сырья и применяемых технологических схем конечными продуктами этих технологий являются: закись никеля (76-90 % Ni), синтер (89 % Ni), сульфидные концентраты различного состава, а также металлические никель электролитный, никелевые порошки и кобальт.

Менее железистые — нонтронитовые руды плавят на штейн. На предприятиях, работающих по полному циклу, дальнейшая схема переработки включает конвертирование, обжиг файнштейна, электроплавку закиси никеля с получением металлического никеля. Попутно извлекаемый кобальт выпускают в виде металла и/или солей. Ещё один источник никеля: в золе углей Южного Уэльса в Англии — до 78 кг никеля на тонну. Повышенное содержание никеля в некоторых каменных углях, пефтях, сланцах говорит о возможности концентрации никеля ископаемым органическим веществом. Причины этого явления пока не выяснены.

«Никель долгое время не могли получить в пластичном виде вследствие того, что он всегда имеет небольшую примесь серы в форме сульфида никеля, расположенного тонкими, хрупкими прослойками на границах металла. Добавление к расплавленному никелю небольшого количества магния переводит серу в форму соединения с магнием, которое выделяется в виде зерен, не нарушая пластичности металла.»

Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.

1. Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железо-никелевых окатышей (5—8 % Ni), которые затем очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл.
2. Карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СО под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель , термическим разложением которого выделяют особо чистый металл.
3. Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды: 3NiO + 2Al = 3Ni +Al₂O₃

Основные объекты коррозии

Неоднородные металлические участки хаотично расположены на поверхности изделия и зависят от технологии и качества их изготовления, поэтому коррозионные разрушения чаще носят локальный характер. Кроме этого, локальность корродирования зависит от неоднородности:

• защитных оксидных пленок;
• электролита;
• влияния внешних факторов (нагрева, облучения);
• внутренних напряжений, вызывающих неравномерную деформацию.

Сварные и заклепочные соединения являются яркими представителями контакта инородных металлов, подвергающихся активной электрохимической коррозии. Сварка и заклепка — самые распространенные технологии в конструкции неразъемных соединений во всех ведущих отраслях промышленности и крупных трубопроводных системах:

• машиностроение;
• судостроение;
• нефтепроводы;
• газопроводы;
• водопроводы.

Наиболее значительные разрушения сварных швов и заклепочных соединений возникают в морской воде, присутствие соли в которой, значительно ускоряет процесс коррозии.

Катастрофическая ситуация сложилась в 1967 году с рудовозом «Анатина», когда морская вода от высоких штормовых волн попала в трюмы корабля. Медные конструкции во внутренней отделке трюмов и стальной корпус способствовали созданию коррозионного элемента в электролите из морской воды. Скоротечная электрохимическая коррозия вызвала размягчение корпуса судна и создание аварийной ситуации, вплоть до эвакуации команды.

Положительный эффект от электрохимической коррозии встречается очень редко. Например, при монтаже новых труб в системах горячего отопления жилых домов. Резьбовые соединения муфт начинают течь при первичном пуске до тех пор, пока продукты коррозии, состоящие из гидратированного железа, не заполнят микропоры в резьбе.

Вне зависимости от вида коррозии, химической или электрохимической, ее последствия одинаковые — разрушение изделий огромной стоимости. Причем помимо прямых потерь от пришедших в негодность материалов, существуют косвенные потери, связанные с утечками продуктов, простоями при замене негодных материалов и деталей, нарушении регламентов технологических процессов.

Сплавы и их магнитные свойства

Медь не магнитится. Если все-таки встречается монета, которая похожа на медь, но магнитными свойствами обладает, то скорее всего, это сплав. В таком сплаве меди будет не более 50%. Это может быть сделано специально, но бывали случаи, когда магнитные свойства проявляла медь, которая не была очищена от примесей в процессе изготовления монеты.

Любому человеку необходимы хотя бы минимальные знания о магнитных свойствах металлов. В большинстве случаев для определения меди этого достаточно — медное изделие к магниту не прилипнет.

https://youtube.com/watch?v=zviw-GLYAlU

Любой ребенок знает, что металлы притягиваются к магнитам. Ведь они не раз вешали магнитики на металлическую дверцу холодильника или буквы с магнитиками на специальную доску. Однако, если приложить ложку к магниту, притяжения не будет. Но ведь ложка тоже металлическая, почему тогда так происходит? Итак, давайте выясним, какие металлы не магнитятся.

1 Что собой представляет сплав цинка и меди, как он называется?

Латунь, речь о которой пойдет в данной статье, характеризуется превосходной стойкостью против коррозии и высоким показателем прочности. Это отличает ее от многих других металлов, а также непосредственно от меди. В атмосферных условиях латуни имеют величину коррозионной стойкости среднюю между медью и цинком.

Описываемые сплавы славятся своими уникальными технологическими характеристиками, что позволяет применять их для изготовления всевозможных легко формуемых и обрабатываемых изделий со сравнительно небольшими геометрическими размерами.

Любая латунь идеально подходит для производства отливок (это обусловлено незначительной склонностью сплава к ликвации и прекрасной его текучестью). Также из латуни разных марок получаются замечательные полуфабрикаты катаного типа – проволока, полосы, листы, разнообразные профильные изделия, ленты. Процесс производства подобных полуфабрикатов очень прост, так как сплавы на основе цинка и меди без проблем поддаются деформации, которая называется пластической.

Латунь может содержать цинка от 5 до 45 процентов (существуют сплавы и с большим содержанием этого химического элемента, но они применяются крайне редко в практической деятельности человека). В тех случаях, когда концентрация цинка в сплаве составляет от 20 до 36 процентов, латуни называют желтыми, 5–20 процентов – красными (иначе – томпак).

Теплопроводность меди по своей величине выше, чем у латуни (аналогично обстоит ситуация и с показателем электропроводности). Кроме того, медь дороже латуни. Понятно, что экономически целесообразнее использовать сплавы, а не чистые медные материалы, так как между собой по ряду технологических, механических и антифрикционных характеристик они практически ничем не отличаются.

Новости

Никель — довольно распространённый элемент на Земле, его среднее содержание в земной коре составляет около 140 г/т, где он встречается только в виде соединений. Но в железных метеоритах присутствует в виде самородного металла с содержанием от 5 до 50 %. В таблице Менделеева занимает клетку №28. Как простое вещество — это ковкий, малоактивный металл серебристо-белого цвета, обозначается символом Ni

(лат. Niccolum ).

Простое вещество Никель (Ni) – пластичный, ковкий металл серебристо-белого цвета. Никелевая руда в 17 веке получила своё название от имени духа гор немецкой мифологии, который «подбрасывал» искателям медных руд минерал красного цвета, очень похожий на медь и ныне известный как минерал никелин (арсенид никеля с формулой NiAs). В то время он получил название купферникель (kupfernickel), что переводится как «медный озорник». Эту руду в 1751 г. исследовал шведский минералог Аксель Кронстедт. Ему удалось выделить новый металл в чистом виде, который он назвал nickel (никель).

Никелин ( NiAs), кристалл 2х2 см. Месторождение Cobalt, Канада

Никель является важной составляющей вещества железных метеоритов, представляющих собой сплавы железа, никеля и кобальта. Но присутствие никеля в их составе в значительной степени определяет свойства этой группы метеоритов. Железо и никель в железных метеоритах образуют две минеральные фазы: камасит и тэнит

Камасит содержит 5-7% никеля, формируя широкие полосы т.н. видманштеттеновых фигур (лучеподобных структур), которые отчётливо видны на спилах образцов, протравленных 5% раствором азотной кислоты и спирта

Железо и никель в железных метеоритах образуют две минеральные фазы: камасит и тэнит. Камасит содержит 5-7% никеля, формируя широкие полосы т.н. видманштеттеновых фигур (лучеподобных структур), которые отчётливо видны на спилах образцов, протравленных 5% раствором азотной кислоты и спирта.

Спил железного метеорита Nantan (Китай, 1958 г.) с характерными видманштеттеновыми структурами, размер 24х10 см. Метеоритная коллекция Московского Планетария, № 34.

Тэнит содержит 7-50% никеля, и ширина полос тем меньше, чем больше содержание тэнита или никеля. Поэтому по содержанию никеля железные метеориты делят на три основных класса: гексаэдриты 5- 7% Ni; октаэдриты 7-15% Ni; атакситы более 15 % Ni . Если содержание никеля в метеорите более 15%, видманштеттеновы структуры отсутствуют. Поэтому спилы атакситов имеют гладкую зеркальную поверхность без узоров. Попытки создать видманштеттеновы фигуры в лабораторных условиях успеха не имели.

Спил железного метеорита Чинге (Тува, Россия, 1913 г.) Атаксит, размер 8,5х2,5 см. Метеоритная коллекция Московского Планетария, № 37.

Основные месторождения никеля находятся в Канаде, России, Кубе, ЮАР, Албании, Греции, Украине. В 2020 году 67 % потребления никеля пришлось на производство нержавеющей стали, 17 % на сплавы без железа, 7 % на никелирование и 9 % на другие применения (аккумуляторы, порошковая металлургия, химические реактивы), а цены на этот металл варьировали в пределах от $15 000 до $17 000 за тонну.

Основные марки, структура и механические свойства

Никелевые сплавы, содержащие 55 % и более Ni, являются важнейшими конструкционными материалами благодаря их высокой коррозионной стойкости, жаростойкости и жаропрочности, достаточной пластичности. Наиболее распространены сплавы Ni с Сu, Cr, Mo, Al, Fe, Ti, Be. Никелевые сплавы условно можно разделить на четыре группы: конструкционные, термоэлектродные, жаростойкие и сплавы с особыми свойствами. К первой группе относятся сплавы на медноникелевой основе (монель, мельхиор, нейзильбер и др.). Их химический состав определяется ГОСТ 492—73. Конструкционные сплавы отличаются повышенными механическими свойствами и высокой коррозионной стойкостью. Один из наиболее распространенных сплавов этой группы сплав монель НМЖМц-28-2,5-1,5 имеет структуру типа твердого раствора. Предел прочности этого сплава выше 440 МПа, относительное удлинение больше 25%, он хорошо обрабатывается в холодном и горячем состоянии, удовлетворительно сваривается.

Ко второй группе относятся сплавы типа хромель, алюмель, копель, манганин, константан. Эти сплавы отличаются большой электродвижущей силой и высоким удельным сопротивлением при малом температурном коэффициенте электросопротивления. Применяются они для изготовления прецизионных приборов, термопар и компенсационных проводов.

К третьей группе относятся нихромы, отличающиеся высокой жаропрочностью и жаростойкостью и применяющиеся главным образом для изготовления электронагревательных приборов, потенциометрических обмоток, малогабаритных сопротивлений. Химический состав сплавов этой группы определяется ГОСТ 5632—72, ГОСТ 12766—67. Основными компонентами этой группы никелевых сплавов являются хром и железо.

К четвертой группе можно отнести сплавы, обладающие высокой проницаемостью в магнитных полях, например пермаллой, сплавы с особыми упругими свойствами (инвар) и другие (ГОСТ 10160—75). Пермаллой применяют для изготовления сердечников трансформаторов, деталей реле, магнитопроводов и других устройств.

Сплавы с особыми упругими свойствами (инвар 36Н, ковар 29НК) (ГОСТ 10994—76) имеют заданную величину коэффициента теплового расширения и применяются для изготовления деталей, практически не изменяющих свои линейные размеры в интервале температур —60÷ +100°C, или, наоборот, для создания термобиметаллов, состоящих из нескольких слоев металла или сплава с различными коэффициентами теплового расширения. Слои термобиметалла прочно соединяются между собой по всей поверхности сопротивления сваркой При изготовлении термобиметаллических элементов к материалу предъявляются повышенные требования по свариваемости.

Марки никеля и методика их обозначения

• Н0, Н1 — Никель первичный в чистом виде (не менее 99.99%), выпускаемый в виде пластин, полос и катодных листов и предназначенный только для никелирования других металлических деталей и изделий. Метод изготовления — электролиз.
• Н2, Н3, Н4 — Никель первичный с меньшей степенью чистоты, выпускаемый в виде пластин, полос катодных листов, гранул, обрезов и слитков. С ростом порядкового номера после буквы «Н» степень чистоты снижается до 99 % (у никеля марки Н4). Метод изготовления — переплавка и огневое рафинирование.
• НП1, НП2, НП3, НП4 — Никель полуфабрикатный, чистотой от 99.9 до 99.0 % соответсвенно маркам, производится в виде никелевых проволок, прутков, листов, лент и полос. Является промежуточным изделиям во многих технологических циклах цветной металлургии.
• НПА1 и НПА2 — Никель полуфабрикатный анодный, чистотой 99.7 и 99.0 % соответственно маркам. Марки характеризуются меньшим количеством примесей по сравнению с марками Н и НП. Выпускаются в виде полос и стержней овального сечения.
• НПАН — никель полуфабрикатный анодный непассивирующийся (на поверхности листа из никеля данной марки не образуется тонкая пленка с высоким сопротивлением). Допускает небольшое содержание меди, кислорода и серы (в марках Н, НП, и НПА этих элементов быть не должно), содержание чистого никеля — не менее 99.4 %, выпускается в виде овальных стержней и полос прямоугольного сечения.
• НК — никель кремниевый, с допустимым содержанием Si до 0.4 %, что обозначается как НК 0.2, НК 0.07 и т.д.
• НМц — готовый к промышленному применению никелевый сплав, легированный марганцем (массовая доля Mn до 5 %).
• ПНК — Порошок никелевый карбонильный (изготовлен карбонильным способом). Обширная линейка никелевых порошков с содержанием основного металла не менее 99.7 %.
• ПНЭ — Порошок никелевый электролитический. Представляет собой мелкодисперсную никелево-кобальтовую смесь с нормированными значениями размеров частиц и содержанием основного металла не менее 99.5 % (ПНЭ-1) и 99.3 % (ПНЭ-2).

Металл никель высокой чистоты марок Н0, Н1 и НП1 предназначен для специальных промышленных задач. Марки Н2, Н3, Н4, НП2, НП3 и НП4 используются в машиностроении и точном приборостроении. Никель НПА и НПАН предназначен для создания электролитических покрытий. Марки НМц широко применяются в производстве автомобильных свечей и других деталей для двигателей внутреннего сгорания. Порошковый никель ПНЭ и ПНК используется в технологических цепочках производства магнитов, различных фильтров, аккумуляторов, электродов, композитных клеев и в порошковой металлургии.

Сплав железа с никелем

Для улучшения свойств железа, используя различные добавки, получают сплавы. Ученые считали, что получить железоникелевый сплав, учитывая термодинамические свойства металлов, не составит никакого труда. Но на практике они столкнулись с проблемами. При взаимодействии металлов, во время получения сплава железа с никелем, в результате побочного окислительного процесса железо из двухвалентного состояния переходит в трехвалентное.

В результате снижается выход сплава и ухудшаются определенные физические свойства. Для решения этой проблемы в электролит добавляют амины и органические кислоты, которые образуют с трехвалентным железом соединения, обладающие малой растворимостью. В связи с этим эластичность осадка становится лучше, а для его равномерного распределения электролиты перемешивают. Полученный сплав железа с никелем называется инвар.

Кислотостойкие

В эту группу никелевых сплавов относят сплавы с медью, хромом, вольфрамом и молибденом. Такие сплавы стойкие к агрессивным окисленным и неокисленным средам.

Никель с медью

Медноникелевый сплав (монель) имеет повышенную стойкость к коррозии, высокие параметры временного сопротивления и отличную пластичность в разных температурных состояниях. Из-за этого часто используется в сфере электрической техники, химпромышленности и при создании оборудования для морских кораблей. Также такие сплавы применяют при конструировании атомных реакторов. Одним из самых распространенных сплавов является Monel 400.

Никель с хромом и железом

Инконель сплав, где легирующими веществами участвуют хром и железо. Получившийся металл используют для создании элементов, что работают при высоких температурах. Однако, его не рекомендуют использовать в деталях, что подвергаются температуре свыше 850°C.

Никель с молибденом

Сплав делается из никеля, железа и молибдена, а применяется в литье элементов механизмов, что подвергаются соляной кислоте и температуре не выше 70°C. Металл стойкий к коррозии. К таким относят марку ХН65МВ и его аналог — Hastelloy C276.

Никель с разными металлами

Нионель сплав, главным компонентами которого являются: никель, хром, железо, молибден, медь и титан. Его могут применять при создании емкостей, в которых хранят раствор каустической соды, а также серную и фосфорную кислоту.