Никель и его сплавы

Основные сведения

Никель есть в мельхиоровых монетах, а также в перезаряжаемых аккумуляторах смартфонов. Металл не так высоко ценится, как золото, серебро или титан, но ему находится применение во многих областях, даже в аэрокосмической сфере.

Этот материал на протяжении тысячелетий добавлялся в сплавы, но официально его признал только в 1751 году. Металл проявляет щелочные, кислотные свойства, он пластичный, но имеет твердую структуру, легкий.

После выплавления в листы материал становится малоактивным веществом, а после измельчения в порошок он самовоспламеняется на воздухе. В основном вещества в этом состоянии покрываются оксидной пленкой, которая выступает прочным защитным слоем. По этой причине металл используют для никелирования разных предметов. То есть, на них наносится тонкий слой, защищающий другие материалы от коррозии.

Предметы из одного никеля используются только на ответственных участках. В промышленных производствах его добавляют в сплавы, чтобы материал получил такую же высокую стойкость к коррозии. Содержится в основе всех нержавеющих конструкций. Даже его низкая концентрация обеспечивает долговечность и прочность.

Никелевые сплавы считаются жаростойкими, устойчивыми к силовым нагрузкам, высокой температуре, износостойкими. Сырье используется лишь в 9% случаев. Около 6% из них тратится на никелирование, а все остальное уходит на сплавы. В сравнении с металлами этот материал легче и дешевле, помимо этого, обладает следующими особенностями:

• Его тяжело добывать, поскольку в природе он встречается связанным. Самородки встречаются в метеоритах, поэтому для получения элементов требуются дорогие технологии.
• Из никеля получаются тонкие листы, поскольку при высокой прочности он еще и вязкий.
• Металл устойчив к коррозии. Он передает это свойство сплаву, в состав которого сам входит.
• Никелирование используется в промышленности для посуды и столовых приборов, а также в сфере строительства. Покрытые этим элементом материалы долговечны, гигиеничны и безвредны для человека.
• Сплавы на основе никеля имеют уникальные качества, поэтому их используют для атомных реакторов, реактивных двигателей и прочей техники. Сплавов с использованием никеля существует более 3000.
• Металл самостоятельно намагничивается, в связи с этим его применяют для создания постоянных магнитов.
• На производстве никелем заменяют свинец и серебро, поскольку он дешевле и имеет более высокие характеристики электропроводности.

Цинк и его сплавы

Цинк — цветной металл серо-голубоватого оттенка. В системе Д. И. Менделеева обозначается символом Zn. Он обладает высокой вязкостью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Важные свойства металла:

• Небольшая температура плавления — 419 °С.
• Высокая плотность — 7,1 г/см3.
• Низкая прочность — 150 МПа.

В чистом виде цинк используется для оцинкования стали с целью защиты от коррозии. Применяется в полиграфии, типографии и гальванике. Его часто добавляют в сплавы, преимущественно в медные.

Существуют следующие марки цинка: ЦВ00, ЦВ0, ЦВ, Ц0А, Ц0, Ц1, Ц2 и Ц3. ЦВ00 — самая чистая марка с содержанием цинка в 99,997%. Самый низкий процент чистого вещества в марке Ц3 — 97,5%.

Деформируемые цинковые сплавы

Деформируемые сплавы цинка используются для производства деталей методами вытяжки, прессования и прокатки. Они обрабатываются в горячем состоянии при температуре от 200 до 300 ?С. В качестве легирующих элементов выступают медь (до 5%), алюминий (до 15%) и магний (до 0,05%).

Деформируемые цинковые сплавы характеризуются высокими механическими свойствами, благодаря которым часто используются в качестве заменителей латуней. Они обладают высокой прочностью при хорошей пластичности. Сплавы цинка, алюминия и меди наиболее распространены, так как они имеют самые высокие механические свойства.

Литейные цинковые сплавы

В литейных цинковых сплавах легирующими элементами также выступают медь, алюминий и магний. Сплавы делятся на 4 группы:

• Для литья под давлением.
• Антифрикционные.
• Для центробежного литья.
• Для литья в кокиль.

Слитки легко полируются и принимают гальванические покрытия. Литейные цинковые сплавы имеют высокую текучесть в жидком состоянии и образуют плотные отливки в застывшем виде.

Литейные сплавы получили широкое применение в автомобильной промышленности: из них делают корпуса насосов, карбюраторов, спидометров, радиаторных решеток. Сплавы также используются для производства некоторых видов бытовой техники, арматуры, деталей приборов.

В России цветная металлургия — одна из самых конкурентоспособных отраслей промышленности. Многие отечественные компании являются мировыми лидерами в никелевой, титановой, алюминиевой подотраслях. Эти достижения стали возможными благодаря крупным инвестициям в цветную металлургию и применению инновационных технологий.

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

Что делают из чёрного металла

Граница, разделяющая чёрные и цветные металлы, не всегда выглядит чёткой и однозначной. Поэтому на обыденном уровне к чёрным металлам относят углеродистые и низколегированные марки стали, а также нелегированный чугун. Мы можем назвать следующие примеры чёрных металлов, а точнее – продукции из них:

• строительную арматуру всех классов;
• листовой, сортовой и фасонный прокат из перечисленных марок стали, в том числе с оцинкованным покрытием;
• трубы;
• стальное и чугунное литьё общего назначения – например, корпуса трубопроводной арматуры.

Детализированный перечень продукции из чёрных металлов можно продолжать почти до бесконечности. Однако не забывайте: не всё, что ржавеет, является чёрным металлом.

Применение

Наиболее широкая область применения никеля — изготовление сплавов различных металлов. Его сплавляют:

• Со сталью. Это повышает химическую стойкость сплава: все нержавеющие стали содержат в своем составе никель.
• С железом. Этот сплав имеет низкий коэффициент термического расширения, благодаря чему он успешно используется для изготовления различных деталей для электроприборов.
• С кобальтом и магнием. Образуется жаростойкий сплав, который выдерживает высокие температуры до 500 ⁰С и отличается устойчивостью к коррозии.
• С золотом и серебром. Это так называемое «белое золото» — прочный ювелирный сплав.
• С хромом. В результате образуется нихром — жаропрочный, крипоустойчивый, пластичный сплав, который хорошо держит форму.
• С железом, медью и хромом. Этот сплав характеризуется высокой магнитной восприимчивостью.

Сплавы никеля отличаются высокой степенью вязкости, благодаря чему находят применение при изготовлении брони. Многие сплавы используются в газотурбинных установках, конструкциях атомных реакторов. Из них также делают нагревательные элементы и монеты. Сплавы получили широкое применение в производстве аккумуляторов.

Никель используется и в чистом виде: из него изготавливают трубы, листы и др., а в химических лабораториях он служит катализатором многих реакций. Из металла также производят специализированную химическую аппаратуру. Оксид никеля применяется в производстве стекла, керамики и глазурей. Для многих металлов используется никелирование — создание никелевого покрытия с целью защитить от коррозии.

Из никеля делают спирали электронных сигарет, им обматывают струны музыкальных инструментов. В медицине этот элемент используется для протезирования и изготовления брекет-систем.

Примечания

1. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.). Химическая энциклопедия: в 5 т. — Москва: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Т. 3. — С. 240. — 639 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-85270-039-8.
2. Под ред. Дрица М. Е. Свойства элементов. — Металлургия, 1985. — С. 484-489. — 672 с.
3. Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.: Мир, 1972. — Т. 2. — 871 с.
4. Третьяков Ю. Д. (ред.) «Неорганическая химия» в 3 т. — том 3, книга 2, стр. 40 — М.:”Академия”, 2007
5. Третьяков Ю. Д. (ред.) «Неорганическая химия» в 2 т. — т. 1, стр. 391 — М.: «Химия», 2001
6. Чугаев Л.А. О металлических соединениях α-диоксимов // Журнал Русского физико-химического общества. — 1905. — Т. 37, вып. 2. — С. 243.
7. Соловьев Ю. И. Исследования Л. А. Чугаева по химии комплексных соединений // История химии в России: Научные центры и основные направления исследований. — М.: Наука, 1985. — С. 275—279.
8. Никель: в 3-х томах. Т. 2. Окисленные никелевые руды. Характеристика руд. Пирометаллургия и гидрометаллургия окисленных никелевых руд/ И. Д. Резник, Г. П. Ермаков, Я. М. Шнеерсон. — М.: 000 «Наука и технологии». 2004—468 с.— ISBN 5-93952-004-9
9. С.С. Штейнберг. Металловедение / Под ред. И.Н. Богачева и В.Д. Садовского. — Свердловск: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии, 1961. — С. 580. — 14 350 экз.
10. ↑ Химия. Пер. с немецкого канд. хим. наук В. А. Молочко, С. В. Крынкиной. Изд. «Химия», М. 1989 (оригинал на немецком языке: Chemie. Von W. Schroter, K.-H. Lautenschläger, H. Bibrack und A. Schnabel. Veb Fachbuchverlag Leipzig)

Что такое сплавы?

Сплавы представляют собой материалы из смеси нескольких металлов и других элементов. Они могут содержать случайные примеси природных компонентов. Одним из первых известных сплавов была бронза. Изделия из неё человек создавал ещё в IV тысячелетии до нашей эры.

Сплавы изготавливают для улучшения качества металлов. Например, чтобы золотые украшения дольше служили, были прочнее или имели определенный оттенок, к ним добавляют небольшую долю никеля, платины, цинка или серебра.

Смешав несколько компонентов, можно изменить свойства металла, повысить температуру плавления и ковкость, придать прочности и твердости, увеличить износоустойчивость. Наиболее распространенными сплавами являются бронза, латунь (сплав меди с цинком), чугун, сталь, баббит, победит, дюралюминий.

Их используют в машиностроении, строительстве, промышленности, авиастроении и т.д. Из смеси никеля, магния и кобальта делают магниты. Олово со свинцом раньше использовали для изготовления столовых приборов, а чугун широко применялся для изготовления бытовых предметов, например, сковородок или утюгов.

Как примеси изменяют свойства цинка

Производители ограничивают содержание кадмия, олова и свинца в литейных сплавах цинка, чтобы подавить межкристаллитную коррозию.

Олово — вредная примесь. Металл не растворяется и выделяется из расплава — способствует ломкости цинковых отливок. Кадмий напротив — растворяется в цинке и снижает его пластичность в горячем состоянии. Свинец увеличивает растворимость металла в кислотной среде.

Железо повышает твердость цинка, но снижает его прочность. Вместе с тем оно усложняет процесс заполнения форм при литье.

Медь увеличивает твердость цинка, но уменьшает его пластичность и стойкость при коррозии. Содержание меди также мешает рекристаллизации цинка.

Наиболее вредная примесь — мышьяк. Даже при небольшом ее количестве металл становится хрупким и менее пластичным.

Чтобы избежать растрескивания кромок при горячей прокатке цинка, содержание сурьмы не должна быть выше 0,01%. В горячем состоянии она увеличивает твердость цинка, лишая его хорошей пластичности.

Немного истории

Инвар – это сплав железа с никелем, в состав которого входит 36 % легирующей добавки. Впервые он был открыт во Франции в 1896 году физиком Шарлем Гийомом. В это время он вел работы по поиску недорогого металла для эталонов мер массы и длины, которые изготовляли из очень дорогостоящего платиноиридиевого сплава. Благодаря этому открытию ученый в 1920 году получил Нобелевскую премию в области физики.

Слово «инвар» в переводе с латинского означает неизменный. Это значит, что у сплава железа с никелем коэффициент теплового расширения остается постоянным при широком диапазоне изменения температур — от -80 до 100 градусов по Цельсию. Этот сплав имеет и несколько других названий: нилвар, вакодил, нило-аллой, радиометалл. Invar является торговой маркой компании Imphy Alloys Inc., которая принадлежит сталелитейному концерну Arcelor Mittal.

Нейзильбер

Этот медно-никелевый сплав с добавлением цинка, имеющий серебристый с зеленоватым оттенком цвет. В зависимости от марки может содержать до 35 % никеля и до 45 % цинка, остальное – медь. Такое солидное содержание цинка существенно удешевляет его производство. Нейзильбер обладает примерно такими же механическими свойствами, что и мельхиор. Он устойчив к коррозии, прочен, достаточно пластичен для обработки в горячем и холодном состоянии методом давления.

Иногда дополнительно легируется свинцом для более качественной механической обработки. В основном из него изготовляют детали приборов, часов, медицинских инструментов. Интересно, что благодаря дешевизне сейчас именно из него чаще, чем из мельхиора, производят ювелирные изделия, медали и ордена. Нейзильбер также используют при изготовлении финифти.

Плавка никеля

Никель плавят в электропечах в обычной атмосфере и в условиях вакуума. В качестве шихтовых материалов применяют катодный никель и отходы производства (прибыли, обрезь и др.) До 50% от массы шихты.

Перед загрузкой в печь (особенно в жидкую ванну) шихту необходимо хорошо очистить от посторонних примесей и подогреть для удаления адсорбированной влаги с поверхности. За грузку ведут либо в один прием, либо в несколько, в зависимости от вида шихты и массы садки. Если применяют отходы, то их загружают в первую очередь. Одновременно с шихтой загружают флюс (бой чистого стекла) с таким расчетом, чтобы на поверхности жидкого металла образовался плотный защитный покров расплавленного стекла толщиной 10—15 мм. Расход стекла при плавке составляет примерно 2% от массы шихты. Расплавление металла и перегрев ведут по возможности быстрее, чтобы уменьшить окисление никеля. После расплавления и перегрева до 1500— 1650°С никель перед разливкой раскисляют либо в печи, либо в ковше. Раскисление производят комплексными добавками: 0,07% Mg, 0,2% Al, 0,05% C, или 0,06% Mg, 0,3% Мn, 0,2% Si.

После ввода раскислителей расплав перемешивают и выстаивают в течение 5—10 мин, чтобы полнее удалились продукты раскисления, затем наклоном печи выливают никель в ковш. При этом во избежание попадания флюса в металл его сгущают присыпкой на поверхность 0,2% молотого магнезита. Флюс при разливке отводят вручную счищалкой от сливного желоба. При литье никеля в водоохлаждаемые изложницы температура заливки 1580—1590°С, а при полунепрерывном способе разливки 1600—1650°С.

При полунепрерывном способе литья скорость заливки или скорость вытягивания слитка выдерживается 10—13 м/ч. Никель повышенной чистоты получают методами вакуумной плавки в индукционных и дуговых печах с расходуемым электродом при разрежениях порядка 66,5—665 н/м2 (0,5—5 мм рт. ст.). После окончательного раскисления (обычно углеродом в виде лигатуры Ni—C) никель вакуумной плавки содержит небольшие количества примесей: 0,001—0,002% Si, 0,002—0,003% Fe, 0,001—0,008% Mg и 0,005% С и десятитысячные доли процента кислорода и водорода.

Химические свойства

Дихлорид никеля (NiCl₂)

Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).

Никель образует соединения со степенью окисления +1, +2, +3 и +4. При этом соединения никеля со степенью окисления +4 редкие и неустойчивые. Оксид никеля Ni₂O₃ является сильным окислителем.

Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью — устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию — образованию на его поверхности плотной оксидной плёнки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в разбавленной азотной кислоте:

3Ni + 8HNO₃(30%) → 3Ni(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

и в горячей концентрированной серной:

Ni + 2H₂SO₄ → NiSO₄ + SO₂ + 2H₂O

С соляной и с разбавленной серной кислотами реакция протекает медленно. Концентрированная азотная кислота пассивирует никель, однако при нагревании реакция всё же протекает (основной продукт восстановления азота — NO₂).

С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и очень ядовитый карбонил Ni(CO)₄.

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

Никель горит только в виде порошка. Образует два оксида NiO и Ni₂O₃ и соответственно два гидроксида Ni(OH)₂ и Ni(OH)₃. Важнейшие растворимые соли никеля — ацетат, хлорид, нитрат и сульфат. Водные растворы солей окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зелёные), три сульфида: NiS (черный), Ni₃S₂ (желтовато-бронзовый) и Ni₃S₄ (серебристо-белый). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(C₄H₆N₂O₂)₂, дающий чёткую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля.

СТРУКТУРА

Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 å нм, пространственная группа Fm3m. Эта кристаллическая структура устойчива к давлению, по меньшей мере 70 ГПа. При обычных условиях никель существует в виде b-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решётку ( a = 3,5236 å). Но никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере h 2 , образует a-модификацию, имеющую гексагональную решётку плотнейшей упаковки ( а = 2,65 å, с = 4,32 å), которая при нагревании выше 200 °С переходит в кубическую. Компактный кубический никель имеет плотность 8,9 г/см3 (20 °С), атомный радиус 1,24 å

Материалы высокой проводимости

К наиболее широкораспрстраненным материалам высокой проводимости следует отнести медь и алюминий (Сверхпроводящие материалы, имеющие типичное сопротивление в 10 -20 раз ниже обычных проводящих материалов (металлов) рассматриваются в разделе Сверхпроводимость).

Преимущества меди, обеспечивающие ей широкое применение в качестве проводникового материала, следующие:

1. малое удельное сопротивление;
2. достаточно высокая механическая прочность;
3. удовлетворительная в большинстве случаев применения стойкость по отношению к коррозии;
4. хорошая обрабатываемость: медь прокатывается в листы, ленты и протягивается в проволоку, толщина которой может быть доведена до тысячных долей миллиметра;
5. относительная легкость пайки и сварки.

Медь получают чаще всего путем переработки сульфидных руд. После ряда плавок руды и обжигов с интенсивным дутьем медь, предназначенная для электротехнических целей, обязательно проходит процесс электролитической очистки.

В качестве проводникового материала чаще всего используется медь марок М1 и М0. Медь марки М1 содержит 99.9% Cu, а в общем количестве примесей (0.1%) кислорода должно быть не более 0,08%. Присутствие в меди кислорода ухудшает ее механические свойства. Лучшими механическими свойствами обладает медь марки М0, в которой содержится не более 0.05% примесей, в том числе не свыше 0.02% кислорода.

Медь является сравнительно дорогим и дефицитным материалом, поэтому она все шире заменяется другими металлами, особенно алюминием.

В отдельных случаях применяются сплавы меди с оловом, кремнием, фосфором, бериллием, хромом, магнием, кадмием. Такие сплавы, носящие название бронз, при правильно подобранном составе имеют значительно более высокие механические свойства, чем чистая медь.

Алюминий

Алюминий является вторым по значению после меди проводниковым материалом. Это важнейший представитель так называемых легких металлов: плотность литого алюминия около 2.6, а прокатанного — 2.7 Мг/м 3 . Т.о., алюминий примерно в 3.5 раза легче меди. Температурный коэффициент расширения, удельная теплоемкость и теплота плавления алюминия больше, чем меди. Вследствие высоких значений удельной теплоемкости и теплоты плавления для нагрева алюминия до температуры плавления и перевода в расплавленное состояние требуется большая затрата тепла, чем для нагрева и расплавления такого же количества меди, хотя температура плавления алюминия ниже, чем меди.

Алюминий обладает пониженными по сравнению с медью свойствами — как механическими, так и электрическими. При одинаковом сечении и длине электрическое сопротивление алюминиевого провода в 1.63 раза больше, чем медного

Весьма важно, что алюминий менее дефицитен, чем медь

Свойства и характеристики

Характеристики β-фазы, как основной, представляют больший интерес, поскольку само существование α-фазы ограничено. Свойства металла таковы:

• плотность при нормальной температуре – 8,9 г/куб. см;
• температура плавления – 1453 С;
• температура кипения – 3000 С;
• очень низкий коэффициент теплового расширения – 13,5∙10−6 K−1
• модуль упругости – 196–210 ГПа;
• предел упругости составляет 80 Мн/кв. м;
• предел текучести – 120 Мн/кв. м:
• предел растяжения 40–50 кгс/ кв. мм;
• удельная теплоемкость вещества – 0,440 кдж/(кг·К);
• теплопроводность – 90,1 вт/(м·К);
• удельное электрическое сопротивление – 0,0684 мкОм∙м.

Никель является ферромагнетиком, его точка Кюри – 358 С.

Об изготовлении и производителя никелевых сплавов поговорим ниже.