Характеристики и применение никеля и никелевых сплавов

Никель – это металл под №28 в таблице Менделеева, находится рядом с железом. В естественном состоянии имеет изотопы с атомной массой от 58 до 64. Никель широко распространен в природе. В недрах земли его находят только в связанном состоянии. А в метеоритах обнаруживается никель в чистом виде. Самые большие залежи руды находятся в России, Канаде, Греции, Албании, на Кубе и в других странах. В статье рассмотрим, чем интересен никель и никелевые сплавы, их характеристики и сферы применения. 

Свойства никеля

Металл имеет белый цвет с легким желтым оттенком, он быстро окисляется на воздухе, покрываясь прочной защитной пленкой. Характеристики никеля:
Удельная масса – 8,902 г/м3. Металл тяжелее стали, имеет такой же вес, как и медь.

• Температура плавления – 1726 К или 1445°C.
• Коэффициент теплового расширения – -13,5∙10−6 K−1.
• Пластичен и легко подвергается ковке, штамповке, резке, сварке, шлифовке и притирке. 
• Никель магнитится. В чистом виде металл используется для изготовления магнитов и электродов.  
• Химически малоактивен за счет появления оксидной пленки. Начинает окисляться на воздухе при температуре выше 800 градусов. С водой в виде жидкости и пара не реагирует. Имеет способность к поглощению газов, что негативно сказывается на его первоначальных механических свойствах. На открытом воздухе порошок никеля может воспламениться. 
• Слабо реагирует с соляной и серной кислотами. Слабый раствор азотной кислоты растворяет металл. Это позволяет применять изделия из никеля в агрессивных средах. 
• Никель активно участвует в обмене веществ всех биологических форм. Это обусловлено его заметными каталитическими свойствами. Это качество позволяет использовать никель как дешевую замену золоту, платине и палладию. 
• Металл является безопасным аналогом свинца. Поэтому он востребован для производства аккумуляторов. 

Область применения чистого никеля

Никелевый прокат представлен монолитными изделиями и мелкодисперсным порошком. 

Наиболее распространенные марки изделий из никеля:

• НПОэви. Выпускается в виде ленты. Имеет чистоту до 99,99%. Применяется для создания анодов и катодов в электронной промышленности.
• НП2. Присутствует на рынке в виде труб и лент. Изделия востребованы при создании химического оборудования и как материал для анодирования.
• НП2Э. Используется в оборудовании для нанесения никелевых покрытий. Поставляется в виде лент и труб. 
• НПА-1. Выпускается в виде анода. Из него делают сырье для никелирования.   
• ПНК-УТЗ. Мелкодисперсный порошок с чистотой 99,9% применяется как катализатор и сырье для создания сложных компонентных смесей, например, обмазки электродов. Материал включают в состав как основу для спекания пластин аккумуляторов.
• ПНЭ. Никелевый порошок имеет мелкозернистую структуру, разработан для технологических процессов в порошковой металлургии. Детали изготавливают методом высокотемпературного прессования, что позволяет на выходе получать готовое изделие за одну операцию.

Основное направление использования чистого никеля – это легирование сталей и цветных сплавов в металлургии и создание защитных поверхностей.

Характеристики и применения никелевых сплавов

Самые востребованные в промышленности – сплавы на основе никеля с медью, молибденом, хромом, титаном, бериллием или железом. 

Основные свойства никелевых сплавов аналогичны чистому никелю:

• Обладают высокой жаростойкостью.
• Выдерживают большие нагрузки при высоких температурах.
• Не чувствительны к кислотам и щелочам.
• Износостойкие и долговечные.
• Не подвержены коррозии в жидкой среде и газах. 

Монель

Металл характеризуется большим количеством алюминия и титана, что делает материал более прочным, твердым и износостойким. Многие марки монеля пригодны для эксплуатации в агрессивных средах, так как они не горят в чистом кислороде. Материал хорошо поддается обработке: сварке, закалке, резке и пластической деформации. 

Прокат монеля широко используется в судостроении, машиностроении, электронике и в нефтегазовой промышленности.

Инконель

Это жаропрочный сплав на основе никеля и хрома. Он легирован титаном и железом. Характеризуется хорошей прочностью, высокой вязкостью разрушения, устойчивостью к влиянию агрессивных кислот. Металл применяется в авиационной промышленности для создания лопаток турбин.

Константан

Сплав на основе меди (59%), никеля (41%), марганца (1-2%) имеет высокое электрическое сопротивление, которое мало меняется при нагреве. Его применяют в паре с железом и медью, что позволяет изготавливать термопары, изменяющие форму под действием температуры. 

Константановая проволока и лента применяются в приборостроении, в создании нагревательных элементов, реостатов, измерительных приборов.

Мельхиор

В материале кроме никеля и меди присутствует малое количество железа и марганца. Сплав получил широкое распространение благодаря внешней схожести с серебром и хорошей устойчивости к окислению. Способен без последствий долго подвергаться воздействию морской воды. Имеет высокую пластичность, хорошо паяется и шлифуется. 

Мельхиоровый пруток используют как исходное сырье для изготовления декора, посуды, монет, деталей аппаратуры и узлов в судостроении.

Нейзильбер

Сплав делают из меди, никеля и цинка в приблизительно равных пропорциях. Содержание цинка – до 45%. Этот элемент значительно удешевляет сплав относительно мельхиора. Материал серебристого цвета обладает коррозийной устойчивостью, высокой прочностью и упругостью, средней пластичностью. 

Нейзильбер применяют в ювелирной промышленности, при изготовлении значков, орденов, монет и медалей, приборов, медицинских инструментов, декоративных элементов. 

Нихром

Сплав состоит из никеля и хрома с добавлением железа, кремния и марганца. Металл отличается высоким удельным сопротивлением, хорошей пластичностью и устойчивостью к окислению. Из него делают нагревательные высокотемпературные элементы для разных отраслей промышленности. 

Хастеллой 

Это сплав на основе никеля с молибденом и хромом. Легирующими добавками могут быть вольфрам, титан, ниобий, алюминий и проч. Устойчив к воздействию кислот при высоких температурах. При этом прочностные характеристики не меняются. Материал используют для изготовления емкостей, теплообменников, клапанов, трубопроводов и фитингов для атомной и химической промышленности. Из него делают элементы, которые задействуют в ракетостроении. 

Инвар

В состав сплава входят 36% никеля, а остальное железо. Материал имеет серебристо-белый цвет, устойчив к коррозии. Главная особенность – фактическое отсутствие температурного расширения, то есть он не меняет свои размеры в рабочем диапазоне от -100 до +90 градусов. Аналогом сплава является кавар и элинвар. Материал применяется при создании прецизионных измерительных приборов, термостатов. Элементы из инвара используются в электрических бытовых приборах , например, утюге, тостере, газовой плите. 

Кавар

Сплав создан специально для применения в стеклянных электрических приборах. Имеет коэффициент теплового расширения одинаковый с боросиликатным стеклом. Материал отличается высокой адгезией к стеклу, поэтому его используют для создания ламп накаливания, люминесцентных ламп, металлостеклянных и металлокерамических изоляторов. Российский аналог кавара – НК 29. Сплав легко деформируется в холодном состоянии, поддается сварке и пайке. 

Пермаллой 

Материал относится к группе прецизионных сплавов. В состав входит железо и большой процент никеля – до 82%. Сплав отличается высокой магнитной проницаемостью, которая не меняется под воздействием магнитного поля. При этом меняется электрическое сопротивление. Эти свойства позволяют создавать на основе пермаллоя измерительные приборы, экранирующие оплетки в телекоммуникационных кабелях, датчики магнитного поля, защиту от электромагнитного излучения для помещений с чувствительным электронным оборудованием: МРТ, микроскопы. 

Нержавеющая сталь

Никель применяют для придания кислотостойкости нержавеющим сталям. Процент никеля в нержавейке – от 7 до 30%. 

Кислотостойкие нержавеющие стали используют в химической и пищевой промышленности, авиа-, машино- и кораблестроении, медицине и при создании архитектурных форм – перил, лестниц, пандусов, каркасов под остекление.  

Никель придает сплаву повышенную жаростойкость, препятствуя межкристаллическому вымыванию хрома при нагреве. Это дает возможность применять жаропрочную нержавейку для создания теплообменников, химических реакторов и печей. 

Наиболее распространенные сплавы этой группы – AISI 304, 
AISI 316, AISI 321, AISI 904l и их модификации. 

На основе никеля создано и создается огромное количество составов с уникальными свойствами. Никель способен создавать химические соединения совместно с некоторыми металлами, что позволяет делать монокристаллические детали. Многие металлурги называют никель металлом будущего.