Основные свойства никеля. Области применения никеля

 Никель – серебристо-белый металл. Плотность никеля 8,9г/см3, атомный радиус 1,24А, температура плавления 1453°С. Никель существует в виде b-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решетку (a=3,5236А).

 Никель - металл средней активности. Взаимодействие с кислородом начинается при 500°С, с азотом не реагирует даже при высоких температурах (до 1400°С). Но поглощает (особенно в порошковом состоянии) большие количества H₂, СО. Насыщение газами ухудшает его механические свойства. По отношению к воде никель устойчив. Органические кислоты действуют на никель лишь после длительного соприкосновения с ним. Серная и соляная кислоты медленно растворяют никель; разбавленная азотная – очень легко; концентрированная азотная пассивирует никель. В температурном интервале от 0 до 631К никель ферромагнитен.

 Никель - ковкий и пластичный металл. Предел прочности при растяжении 400-500МПа. Предел текучести 120МПа, удлинение 40%, модуль нормальной упругости 20,5×10⁴А, твердость по Бринеллю 600 – 800 МПа.

 Из чистого никеля и никелевых сплавов изготовлены внутренние детали электронных ламп. Значительное количество никеля расходуется для производства щелочных аккумуляторов. Ковкий никель в чистом виде применяется для изготовления тончайших листов и трубок. Он используется в химической промышленности для изготовления специальной химической аппаратуры и как катализатор многих химических процессов.

 Никель используют как защитное или декоративное покрытие (никелирование). Чаще всего никелевые покрытия наносят гальваническим методом. Около 20% мирового производства никеля идет на гальваническое никелирование изделий из других металлов.

 Никель – весьма дефицитный металл и по возможности должен заменяться другими, более дешевыми и распространенными материалами.

 Никель мог бы стать серьезным конкурентом железу, но, к сожалению, в природе он встречается гораздо реже. Мировое производство никеля около полумиллиона тонн в год, т. е. в тысячу раз меньше, чем производство стали. Половина этого количества никеля идет на легирование сталей – в сталеплавильном производстве он является одним из важнейших легирующих элементов. Никель повышает вязкость и прочность низколегированных сталей, коррозионную стойкость и жаропрочность высоколегированных сталей.

 

Никелевые сплавы

 

 Способность никеля растворять в себе значительное количество других металлов и сохранять при этом пластичность привела к созданию большого числа никелевых сплавов. Полезные свойства никелевых сплавов в определенной степени обусловлены свойствами самого никеля, среди которых наряду со способностью образовывать твердые растворы со многими металлами выделяются ферромагнетизм, высокая коррозионная стойкость в газовых и жидких средах, отсутствие аллотропических превращений.

 

4.2.1. Сплавы с заданными значениями коэффициента теплового расширения

 

 Сплавы этой группы в основном применяются в приборостроении. Часто для получения необходимой точности работы прибора требуются материалы, которые имели бы определенные и не изменяющиеся коэффициенты теплового расширения, модуля упругости и т. д. Основную группу сплавов, используемых для этих целей, составляют сплавы системы Fe – Ni. В зависимости от состава сплава коэффициент его теплового расширения может изменяться почти в 20 раз. Наибольшее применение имеет сплав Н36 ( 36% никеля) – инвар, практически не расширяющийся в интервале температур от –30 до 100°С(коэффициент теплового расширения a=1,5×10^-6мм/(мм×°С).

 Для впаев в стеклянные или керамические корпуса или детали вакуумных приборов применяют сплавы Fe - Ni, добавочно легированные кобальтом или медью, имеющие равный со стеклом коэффициент линейного расширения и близкую температурную зависимость. Сплав Н48 с 48% никеля имеет коэффициент a=9×10^-6мм/(мм×°С), т.е. одинаковый со стеклом и называется платинитом.

 

  4.2.2. Сплав с малым температурным коэффициентом упругости при изменении температуры до 120 - 200 ° С

  Сплав элинвар с малым температурным коэффициентом упругости при изменении температуры до 120 - 200°С имеет состав: 36%Ni, 8%Cr, Fe – остальное. Из элинвара изготовляют мембраны, сильфоны, волосовые пружины часов, а также другие высокоточные упругие элементы приборов и механизмов.

  4.2.3. Сплавы с высоким электросопротивлением

  Одна группа этих сплавов используется для изготовления электронагревательных элементов электрических печей и бытовых приборов, изделий, эксплуатируемых при высокой температуре и небольших механических нагрузках, другая – для реостатов.

  Сплавами с высоким электросопротивлением для нагревательных элементов являются жаростойкие сплавы на основе никеля и хрома – нихромы. Нихромы, имея структуру гомогенных твердых растворов, отличаются сочетанием высокой жаростойкости и значительным электрическим сопротивлением. Электрическое сопротивление нихромов в 10 раз больше, чем технического железа. Температура плавления нихромов составляет 1370-1420 °С, предел проч­ности при растяжении - 700-1000 МПа, относительное удлинение - 20-40 %. Они имеют хорошие технологические свойства, что позволяет их сваривать, изготавливать из них ленты, проволоку, листы (По составу различают две основные разновидности сплавов: 60 % N1, 15 % Сг, 25 % Fе (X20Н80) и 80 % Ni, 20 % Сг (Х15Н60). Их предельная рабочая температура находится в пределах, соответственно 900 и 1100°С. Защитой от окисления является плотно прилегающая к металлу пленка Сr₂0₃.

  В качестве реостатных сплавов в основном применяются сплавы системы Cu-Ni-Mn (~40 – 45%Ni, 1 – 2%Mn, Cu – остальное), а также сплавы МНМц40-1,5 (константан) и МНМц43-0,5 (копель). Они имеют электросопротивление порядка 0,5 Ом×мм²/м, которое практически не зависит от температуры. Предельная рабочая температура этих сплавов 500°С.

 

Магнитные никелевые сплавы

  Здесь будут рассмотрены ферромагнитные материалы, которые характеризуются способностью очень интенсивно намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля. В магнитном поле домены (области спонтанного намагничивания) ферромагнитного материала ориентируются вдоль направления внешнего силового поля в тем большей степени, чем больше напряженность намагничивающего поля Н. После удаления поля в ферромагнитном материале сохраняется остаточная индукция Вr. Для устранения остаточной индукции нужно приложить к ферромагнитному материалу магнитное поле обратного знака, равное величине Н_С. Значение напряженности размагничивающего поля Н_С называется коорцетивной силой. Произведение Вr× Н_С характеризует энергию перемагничивания, и эту величину называют магнитной энергией ферромагнитного материала. Магнитные материалы подразделяются на магнитотвердые и магнитомягкие.

  Магнитотвердые материалы (рис. 4.1, а) характеризуются широкой петлей гистерезиса,

 

 

Рис. 4.1. Зависимость магнитной индукции В от напряхенности магнитного поля Н: а – магнитотвердые материалы; б - магнитомягкие материалы; 1 – первичная кривая намагничивания; 2 – гистерезисная кривая намагничивания

 

высоким значением коорцетивной силы и применяются для изготовления постоянных магнитов. Коорцетивная сила повышается с увеличением внутренних напряжений и дисперсности структуры металла. Эту группу представляют литейные никелевые сплавы типа ални АН, алнико АНК, магнико МНК. Сплавы содержат 13 - 33% Ni, 9 – 15% Al, 12 – 24% Co (в зависимости от марки). Коорцетивная сила в этих сплавах в дисперсионно-состаренном состоянии значительно выше, чем у магнитных сталей, поэтому магниты из таких сплавов имеют более высокую магнитную энергию и их используют для изготовления малогабаритных мощных магнитов.

  Магнитомягкие сплавы работают в условиях циклически изменяющихся магнитных полей и непрерывного перемагничивания. Они, наоборот, имеют узкую петлю гистерезиса, малые значения коорцетивной силы и характеризуются небольшими потерями на гистерезис (рис. 4.1,1б). Из них изготавливают сердечники трансформаторов, электродвигателей и генераторов, детали слаботочной техники, т. е. такие детали, которые подвергаются многократному переменному намагничиванию. Для удовлетворения этих требований металл должен обладать гомогенной структурой, быть чистым от примесей и включений и иметь крупнозернистое строение, свободное от внутренних напряжений, вызываемых наклепом.

 Для работы в слабых полях, например в телекоммуникационных системах, применяют пермаллои - железоникелевые сплавы с определенными узкими пределами содержания никеля (около 79%), которые имеют высокую магнитную проницаемость m до 10⁵ Гн/Э. Иногда их дополнительно легируют Mo и Cr, улучшающими способность сплавов к пластической деформации и их магнитную проницаемость.

 Высоконикелевые пермаллои 79НМ, 81НМА характеризуются очень высокой магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях.

 Пермаллои получают вакуумным переплавом, прокатывают на ленты и листы магнитопроводов, с последующим отжигом при 1100-1300°С в вакууме или водороде.