Химия никеля

нихромы уменьшением содержания в них Ni привели к созданию т. н.

ферронихромов, в которых значительная часть Ni замещена Fe. Наиболее

распространённой оказалась композиция из 60% Ni, 15% Cr и 25% Fe.

Эксплуатационная стойкость большинства нихромов выше, чем ферронихромов,

поэтому последние используются, как правило, при более низкой температуре.

Нихромы и ферронихромы обладают редким сочетанием высокой жаростойкости и

высокого электрического сопротивления (1,05-1,40 мкомЧм). Поэтому они

вместе с хромалями представляют собой два наиболее важных класса сплавов,

используемых в виде проволоки и ленты для изготовления высокотемпературных

электрических нагревателей. Для электронагревателей в большинстве случаев

производят нихромы, легированные кремнием (до 1,5%) в сочетании с

микродобавками редкоземельных, щёлочноземельных или др. металлов.

Предельная рабочая температура нихромов этого типа составляет, как правило,

1200 °С, у ряда марок 1250 °С.Н. с., содержащие 15-30% Cr, легированные Al

(до 4%), более жаростойки, чем сплавы, легированные Si. Однако из них

труднее получить однородную по составу проволоку или ленту, что необходимо

для надёжной работы электронагревателей. Поэтому такие Н. с. используются в

основном для изготовления жаростойких деталей, не подверженных большим

механическим нагрузкам при температурах до 1250 °С. Во время 2-й мировой

войны 1939-45 в Великобритании было начато производство жаропрочных сплавов

Ni - Cr - Ti - Al, называемых нимониками. Эти сплавы, возникшие как

результат легирования нихрома (типа X20H80) титаном (2,5%) и алюминием

(1,2%), имеют заметное преимущество по жаропрочности перед нихромами и

специальными легированными сталями. В отличие от ранее применявшихся

жаропрочных сталей, работоспособных до 750-800 °С, нимоники оказались

пригодными для эксплуатации при более высоких температурах. Появление их

послужило мощным толчком для развития авиационных газотурбинных двигателей.

За сравнительно короткий срок было создано большое число сложнолегированных

сплавов типа нимоник (с Ti, Al, Nb, Ta, Со, Mo, W, В, Zr, Ce, La, Hf) с

рабочей температурой 850-1000 °С. Усложнение легирования ухудшает

способность сплавов к горячей обработке давлением. Поэтому наряду с

деформируемыми сплавами широкое распространение получили литейные сплавы,

которые могут быть более легированными, а следовательно, и более

жаропрочными (до 1050 °С). Однако для литых сплавов характерны менее

однородная структура и, как следствие этого, несколько больший разброс

свойств. Опробованы способы создания жаропрочных композиционных материалов

введением в никель или Н. с. тугоплавких окислов тория, алюминия, циркония

и др. соединений. Наибольшее применение получил Н. с. с высокодисперсными

окислами тория (ТД-никель). Важную роль в технике играют легированные

сплавы Ni - Cr, Ni - Mo и Ni - Mn, обладающие ценным сочетанием

электрических свойств: высоким удельным электрическим сопротивлением (r =

1,3-2,0 мкомЧм), малым значением температурного коэффициента электрического

сопротивления (порядка 10-5 1/°С), малым значением термоэдс в паре с медью

(менее 5 мв/°С). По величине температурного коэффициента электрического

сопротивления эти сплавы уступают манганину в интервале комнатных

температур, однако, имеют в 3-4 раза большее удельное электрическое

сопротивление. Главная область применения таких сплавов - малогабаритные

резистивные элементы, от которых требуется постоянство электрических

свойств в процессе службы. Элементы изготавливаются, как правило, из

микропроволоки или тонкой ленты толщиной 5-20 мкм. Сплавы на основе Ni - Mo

и Ni - Cr применяют также для изготовления малогабаритных тензорезисторов,

характеризующихся почти линейной зависимостью изменения электрического

сопротивления от величины упругой деформации. Для химической аппаратуры,

работающей в высокоагрессивных средах, например в соляной, серной и

фосфорной кислотах различной концентрации при температурах, близких к

температуре кипения, широко используются сплавы Ni - Mo или Ni - Cr - Mo,

известные за рубежом под названием хастелой, реманит и др., а в СССР -

сплавы марок H70M28, Н70М28Ф, Х15Н55М16В, Х15Н65М16В. Эти сплавы

превосходят по коррозионной стойкости в подобных средах все известные

коррозионностойкие стали. В практике применяют ещё целый ряд Н. с. (с Cr,

Mo, Fe и др. элементами), обладающих благоприятным сочетанием механических

и физико-химических свойств, например коррозионностойкие сплавы для пружин,

твёрдые сплавы для штампов и др. Помимо собственно Н. с., никель входит как

один из компонентов в состав многих сплавов на основе др. металлов

(например, ални сплавы).

5. Применение никеля в современной технике.

Широкое и разнообразное применение никеля связало с замечательными

свойствами этого металла. Никель — один из элементов VIII группы

периодической системы, и аналогами его являются не только кобальт и железо,

по и металлы группы палладия и платины.

В периодической системе никель по вертикали занимает ряд: Ni - Pd - Pt,

что и определяет сходство этих металлов. Вот почему никель во многих

отношениях сохраняет высокую химическую стойкость, присущую платине и

палладию.

Степень химической стойкости этих элементов уменьшается от платины к

никелю, но последний еще сохраняет ее в достаточной степени для

практического применения. Никель не окисляется в атмосферных условиях при

комнатной 'температуре, он стоек в различных химически активных средах — в

щелочах и др. и не окисляется при нагревании до 700—800°. Никель является

ферромагнитным металлом; в чистом виде он пластичен и имеет достаточную

прочность. Он подвергается всем видам механической обработки — ковке,

прокатке, штамповке и хорошо сваривается.

Благодаря комплексу этих свойств никель в чистом виде находит

разнообразное применение, особенно широкое в виде различных сплавов.

Нет необходимости подробно останавливаться на известных уже по

литературным данным областях применения никеля. Они приведены в указанных

монографиях по металлургии никеля. С точки зрения современного применения

никеля в чистом виде и в различных сплавах представляют интерес две

обзорные статьи за 1953 и 1955 гг., посвященные специально никелю и его

сплавам, В них приведено краткое описание научных работ но никелю и его

сплавам (содержащим выше 40% никеля), выполненных за последние годы,

отмечены новые области применения никеля и приводится большой список

литературы.

Ряд справочников и статей посвящен применению никеля в качестве

легирующего элемента в сталях и сплавах с особыми физическими, химическими

и механическими свойствами; много работ посвящено разработке новых

никелевых жаропрочных сплавов и их применению в реактивной, газотурбинной

технике .

Это свидетельствует о все возрастающем интересе к металлическому никелю и

его сплавам, обусловливающем непрерывный рост потребления этого металла в

новых областях техники.

Остановимся кратко на некоторых примерах современного применения никеля и

его сплавов и на этом фоне покажем перспективы дальнейшего его развития.

5.1. Применение чистого никеля

Никель в чистом виде находит основное применение в качестве защитных

покрытий от коррозии в различных химических средах. Защитные покрытия на

железе и других металлах получаются двумя известными способами: плакировкой

и гальванопластикой. Первым методом плакированный слой создается путем

совместной прокатки в горячем состоянии тонкой никелевой пластинки с

толстым железным листом. Соотношение толщин никеля и покрываемого металла

при этом равно примерно 1:10. В процессе совместной прокатки, за счет

взаимной диффузии, эти листы свариваются, и получается монолитный

двухслойный или даже трехслойный металл, никелевая поверхность которого

предохраняет этот материал от коррозии.

Такого рода горячий метод создания защитных никелевых покрытий широко

применяется для предохранения железа и нелегированных сталей от коррозии.

Это значительно удешевляет стоимость многих изделий и аппаратов,

изготовленных не из чистого никеля, а из сравнительно дешевого железа или

стали, но покрытых тонким защитным слоем из никеля. Из никелированных

листов железа изготовляются большие резервуары для транспортировки и

хранения, например, едких щелочей, применяемые также в различных

производствах химической промышленности.

Гальванический способ создания защитных покрытий никелем является одним

из самых старых методов электрохимических процессов. Эта операция, широко

известная в технике под названием никелирование, в принципе представляет

сравнительно простой технологический процесс. Он включает в себя некоторую

подготовительную работу по весьма тщательной очистке поверхности

покрываемого металла и подготовке электролитической ванны, состоящей из

подкисленного раствора никелевой соли, обычно сульфата никеля. При

электролитическом покрытии катодом служит покрываемый материал, а анодом —

никелевая пластинка. В гальванической цепи никель осаждается на катоде с

эквивалентным переходом его из анода в раствор. Метод никелирования имеет

широкое применение в технике, и для этой цели потребляется большое

количество никеля.

За последнее время метод электролитического покрытия никелем применяется

для создания защитных покрытий на алюминии, магнии, цинке и чугунах. В

работе описывается применение метода никелирования алюминиевых и магниевых

сплавов, в частности для защиты дюралюминиевых лопастей винтовых самолетов.

В другой работе описано применение никелированных чугунных барабанов для

сушки в бумажном производстве; установлено значительное повышение

коррозионной стойкости барабанов и повышение качества бумаги на

никелированных барабанах по сравнению с обычными чугунными без никелировки.

Теоретическим и практическим вопросам электролитического никелирования

посвящены многие доклады на 4-й международной конференции по

электроосаждению: получение светлых покрытий, меры предохранения от

растрескивания покрытий, применение различных электролитов, влияние

органических соединений на поверхность осаждаемого никеля и др.

Описанию оригинального метода никелирования через каталитическую реакцию

посвящена работа. Этим методом, отличным от электролитического, удается, по

мнению автора, достигать равномерного по - 40 кровного слоя независимо от

формы, конфигурации и размеров никелируемых деталей.

В работе советских авторов изучено электроосаждение золота "при добавке

никеля в виде Ni(CN)2 для получения осадков с большей твердостью и

сопротивлением истиранию. Работа дала положительные результаты. Получению

светлых осадков при никелировании посвящена также.

Плавленый, ковкий никель в чистом виде также находит широкое применение в

виде листов, труб, прутков и проволоки, легко получаемых из никеля

существующими технологическими операциями.

Основные потребители никеля — химическая, текстильная, пищевая и другие

отрасли промышленности. Из чистого никеля изготовляются различные аппараты,

приборы, котлы и тигли с высокой коррозионной стойкостью и постоянством

физических свойств. Особое значение имеют никелевые материалы в

изготовлении резервуаров и цистерн для хранения в них пищевых продуктов,

химических реагентов .

Никелевые тигли широко распространены в практике аналитической химии.

Никелевые трубы различных размеров служат для изготовления конденсаторов, в

производстве водорода, для перекачки различных химически активных веществ

(щелочей) в химическом производстве. Никелевые, химически стойкие

инструменты широко используются в медицине, в научно-исследовательской

работе.

Сравнительно новой областью применения никеля являются новые виды

техники: приборы для радиолокации, телевидения, дистанционного управления

процессами (в атомной технике), в последнее время стали изготовляться из

чистого никеля.

По сообщению авторов работы, никелевые пластинки в последнее время

применяют взамен кадмиевых в механических прерывателях нейтронного пучка с

целью получения нейтронных импульсов с большим значением энергии.

Имеются интересные указания о применении никелевых пластинок в

ультразвуковых установках, как электрических, так и механических, а также в

современных конструкциях телефонных аппаратов.

Есть некоторые области техники, где чистый никель применяется или

непосредственно в порошкообразном виде или в виде различных изделий,

получаемых из порошков чистого никеля.

Одной из областей применения порошкообразного никеля являются

каталитические процессы в реакциях гидрогенизации непредельных

углеводородов, циклических альдегидов, спиртов, ароматических

углеводородов.

Каталитические свойства никеля аналогичны тем же свойствам платины и

палладия. Таким образом, химическая аналогия элементов одной и той же

группы периодической системы находит отражение и здесь. Никель, как металл

более дешевый, чем палладий и платина, широко применяется в качестве

катализатора при гидрогенизационных процессах.

Для этих целей целесообразно применять никель в виде тончайшего

порошка. Он получается специальным режимом восстановления водородом закиси

никеля в интервале температур 300—350°.

В последнее время разработан оригинальный метод получения чистейшего

порошка никеля (до 99,8—99,9% Ni) для различных целей, в том числе и для

каталитических процессов.

Вопросу получения порошкообразного никеля стандартного состава посвящена

одна из советских работ. В сообщении дается описание металлокерамического

метода получения порошкообразного никеля высокой чистоты и применения его

для электротехнических целей. Там же приводятся данные по изготовлению этим

методом сплавов никеля с железом. На основе применения порошков чистого

никеля было освоено производство пористых фильтров для фильтрования газов,

топлива и др. в различных областях химической промышленности. Значительное

количество никеля в порошкообразном виде потребляется в производстве

различных никелевых сплавов и в качестве связки при получении

металлокерамическим способом твердых и сверхтвердых сплавов.

Никель широко применяется в качестве аккумуляторных электродов в щелочных

аккумуляторах. В Германии еще в годы войны был разработан метод

изготовления этих электродов из прессованных и спеченных при определенных

условиях порошков чистого никеля. Этот способ стал широко применяться в

Германии и других странах.

Имеются сообщения о том, что пластинки для щелочных аккумуляторов,

изготовленные из тонкого порошка чистейшего никеля, полученного через

карбонил никеля, имеющие 80% пористости и большую поверхность, показывают

высокую производительность. Подобные аккумуляторы сохраняются без разрядки

при длительном хранении (примерно до одного года).

Некоторое применение никель находит в виде неорганических соединений в

керамической промышленности для различных покрытий, эмалирования и других

целей.

5.2. Применение никелевых сплавов .

При всем разнообразии применения никеля в чистом виде надо все же

заметить, что расход его на эти цели составляет по тоннажу небольшую долю

от общего потребления никеля — примерно 8%.

Главной и основной областью применения никеля почти со времени зарождения

никелевой промышленности являются металлические сплавы, в которых никель

является либо легирующим элементом, либо основой никелевого сплава,

легированного другими элементами.

Выше было приведено соотношение доли расхода никеля на металлические

сплавы и в чистом виде для США за 1935 г.: примерно 82% для сплавов, 8% в

чистом виде и 10% для никелирования.

За последние годы в распределении никеля по объектам его потребления

существенных изменений не произошло. Так, в 1953 г. потребление никеля в

США по различным объектам составило.

Заключение.

Никель является одним из чрезвычайно важных металлов; он имеет свою

замечательную историю и заманчивые перспективы дальнейшего применения.

Как химический элемент никель известен немногим более 200 лет, но

практическое применение его в виде различных сплавов уходит в глубокую

древность. В развитии человеческой культуры, в особенности народов

Закавказья, Средней Азии, Китая, Индии и Египта, известны примеры

применения никельсодержащих сплавов более чем за 3000 лет до нашей эры.

В истории первобытной культуры, в так называемом железном веке никелю,

наряду с его аналогом — железом, принадлежит особое место, так как эти два

металла сопутствовали друг другу в самородном железе и особенно в

метеоритном железе. Многие металлические изделия, найденные в Египте,

оказались изготовленными за ЗЭОО—4000лет до н.э. из метеоритного железа,

содержащего от 6 до 50—60% никеля.

Но, разумеется, это было случайным применением никеля, без знания его как

металла, без знания его свойств и методов его получения в чистом виде.

С конца XVIII столетия, с развитием естественных наук и в особенности

химии, в орбиту хозяйственной деятельности человека стало вовлекаться все

большее и большее число металлов. В середине XVIII века был открыт никель

как элемент.

В успешном развитии химической науки XIX века, в подготовке и открытии

величайшего закона природы — периодического закона химических элементов,

сформулированного Д. И. Менделеевым в 1869 г., никель и его аналоги играли

исключительно важную роль. Элементы VIII группы имели большое значение в

обосновании периодической системы элементов— в изучении периодического

характера изменения свойств элементов, так как они были связующим звеном

между элементами основной подгруппы и побочных групп (подгруппы В)

периодической системы, объясняя скачкообразный характер изменения свойств

элементов по периодам.

Как теперь ясно, именно через эти крайние элементы VIII группы - никель,

палладий и платину — и далее через элементы нулевой группы происходит

переход к элементам I группы (подгруппы В) и выявляется периодичность

изменения свойств элементов.

С середины XIX века никель стал находить практическое применение. Как

легирующий элемент, придающий высокую вязкость и прочность сталям, как

химически стойкий металл и как основа многих металлических сплавов с

особыми физическими свойствами — электрическими, магнитными и др. — никель

становится важнейшим техническим металлом.

Быстрое развитие мирового производства никеля объясняется широкими и

разносторонними потребностями быстро развивающейся техники

XIX и XX веков. Особенно большие масштабы производства никеля наметились

с первых лет настоящего столетия, когда начали легировать никелем стали, в

особенности конструкционные, машиностроительные и броневые. Большое

значение получили различного назначения чугуны, содержащие никель.

С развитием многих отраслей техники появилась потребность в

высоколегированных сталях и сплавах с особыми физическими, химическими и

механическими свойствами. В этом отношении первостепенная роль принадлежала

и принадлежит никелю, никелевым сталям и никелевым сплавам. К настоящему

времени насчитывается более 3000 составов различных сталей и сплавов, где

никель является основой или присутствует как легирующий . элемент.

Применение никеля в современной технике весьма разнообразно. Он

применяется в чистом виде как химически стойкий, ферромагнитный материал в

аппаратостроении, как катализатор и как материал для аккумуляторов. Чистый

никель применяется в значительных масштабах для защитных поверхностных

покрытий: так называемое никелирование имеет большое значение для придания

поверхности металлических материалов высокой химической стойкости.

Большое развитие получило применение никеля в виде различных сплавов на

его основе. Следует особо отметить широкое применение сплавов никеля с

хромом и железом (нихромы и ферронихромы), коррозионно- и кислотостойких

никелевых сплавов, жаропрочных сплавов, сплавов никеля с медью, бериллием,

кобальтом, твердых сплавов, где никель необходим как связующий материал.

Литература

1. Г.Г. Уразов. Металлургия никеля .ОНТИ, 1935.

2. В.И. Смирнов. Металлурги никеля. Металлургиздат, 1947

3. Д.И. Чижиков. Металлургия цветных тяжелых металлов. Изд-во АН

СССР,1948.

4. С.М. Ясюкович. Оборудование руд . Металлургиздат,1953

Страницы: 1, 2