Никель

Этот металл сегодня определяет температурный потолок работы энергетических установок. Другими словами, он определяет коэффициент использования энергетических ресурсов, так как является основным легирующим элементом жаропрочных сплавов и сталей.

Никель. Этот металл сегодня определяет температурный потолок работы энергетических установок. Другими словами, он определяет коэффициент использования энергетических ресурсов, так как является основным легирующим элементом жаропрочных сплавов и сталей. В 1751 г. шведский химик А. Ф. Кронштедт (1722—1765), исследуя минерал «купферникель» (дословный перевод «злой дух меди»), установил, что он содержит новый металл, и дал ему название — никель.

Археологи утверждают, что человек использовал медно-никелевые сплавы еще во II в. до нашей эры. Например, из сплава пактонг, содержащего 32 % никеля (остальное — медь, цинк и железо), чеканились древнекитайские монеты во II в. до нашей эры. Задолго до открытия никеля были известны мечи и шпаги, изготовленные из железоникелевого сплава. Они не корродировали, в них прекрасно сочетались твердость и вязкость.

Для этих изделий использовали метеоритное железо, представляющее собой природный ферроникель. Так называемые железные метеориты содержат в среднем 90 % железа и 8,5 % никеля, железокаменные — 55 % железа и 5,5 % никеля, каменные— 15,5 % железа и 1,1 % никеля (остальное — кобальт, медь, кальций и другие элементы) . Итак, оказывается, никель служил человеку еще до своего открытия.

Однако вернемся в XVIII в.—век, когда был открыт никель как химический элемент. Более 100 лет никель применялся исключительно в ювелирном деле. Почему? Этот серебристо-белый металл по химической стойкости имеет сходство с драгоценными металлами.

Промышленным применением никель обязан военно-морскому флоту, которому потребовалось улучшение броневых и орудийных сталей. До 90-х годов прошлого столетия броня боевых единиц флота была двухслойной (твердая закаленная сталь и мягкая малоуглеродистая; общая толщина 25—30 см). Такая броня не удовлетворяла требованиям военно-морского флота. Итогом напряженного труда ученых и инженеров разных стран было освоено производство броневых плит из никелевой стали (до 7 % никеля). Повышение прочностных свойств броневой стали позволило уменьшить массу броневой защиты на 20—30 %, не ухудшив, безусловно, защитных свойств.

В России производством броневой стали занимался талантливый инженер А. А. Ржешотарский (1847—1904), который с 1876 г. работал на Обуховском сталелитейном заводе в должности помощника начальника бессемеровского цеха. А цехом руководил Д. К. Чернов (1839—1921). Совместная производственная и научная деятельность двух талантов превратила Обуховский завод, по образному выражению акад. А. А. Байкова (1870—1946), в «академию металлургических знаний».

Конец XIX - начало XX вв. характеризуется зарождением совершенно новых отраслей техники, достигших своего высшего развития в наши дни. Производство автомобилей, локомотивов, судов, самолетов потребовало от металлургической промышленности создания более прочных, более легких, работающих при повышенных температурах новых сплавов. Проблема была решена созданием никелевых сталей.

Никель сегодня - это прежде всего камеры сгорания, диски и лопатки газовых турбин, реактивные сопла, выхлопные патрубки. Надежная работа даже при 1000 °С. При такой температуре железо по прочности и пластичности соизмеримо со свинцом, с его показателями прочности и пластичности при комнатной температуре.

Жаростойкие материалы позволили создать турбину с начальной температурой пара в 1400 °С и тем самым повысить КПД турбины на 8—10%.

Никель является широко распространенным легирующим элементом и в конструкционных сталях. Отечественная промышленность выпускает больше 300 марок сложнолегированных сталей, в которых присутствует никель как легирующий элемент. Никель повышает твердость, прочность и пластичность (одновременно!) и увеличивает прокаливаемость сталей. Эти стали применяются для высоконагру-женных деталей (коленчатые валы, зубчатые колеса, шатуны, детали шасси самолетов, детали гидродомкратов).

Сплавы на основе железа и никеля (их называют «пермаллои») являются основными металлическими материалами магнитных экранов, головок аппаратуры магнитной записи, сердечников, дросселей, реле и многих других деталей магнитных систем, работающих в полях звуковой частоты.

Никель — это основа в сплавах высокого сопротивления, которые используют в производстве электронагревательных элементов (от бытовых электрических плиток и кипятильников до массивных печей термических цехов). Чем больше никеля в сплаве (они называются нихромами — никель и хром основные компоненты), тем выше максимальная рабочая температура. Так, при содержании в сплаве никеля 30 % можно нагревать прибор до 250 °С; при содержании 40 % — до 500 °С; при содержании никеля 80% допускается максимальная рабочая температура в незащищенных конструкциях до 1300 °С.

И еще одна функция никеля — защита от коррозионных разрушений других металлов, менее стойких к окислению. При этом никелирование (покрытие тончайшим слоем никеля) придает изделиям (самоварам, кофейникам) красивый внешний вид. Этот способ (электрохимический) был изобретен русским ученым Б. С. Якоби (1801— 1874). Первые его опыты в Петербурге были продемонстрированы в 1838 г. и отмечены Демидовской премией Петербургской Академии наук и большой золотой медалю Французской Академии наук.
Сегодня никелевые покрытия применяются для стали, медных сплавов и алюминия как декоративные и антикоррозионные. Со временем данная функция никеля будет расширяться — необходимо освоить покрытие других металлов и неметаллов.

Приведем несколько примеров оригинального применения никеля и сплавов на его основе:

  • сплав 36Ni + 64Fe (инвар, что означает неизменяемый), имеющий тепловое расширение в интервале температур от —50 °С до +100°С, близкое к нулю (сплав близок к идеальному),— для изготовления эталонов линейных мер;
  • сплав 46Ni + 54Fe (платинит, имеющий температурный коэффициент линейного расширения такой же, как у стекла) — незаменим в производстве сборочных единиц, сочетающих стекло и металл;
  • сплав 31Ni+ lCe+68Fe, обладающий теплопроводностью, равной теплопроводности дерева,— для вспомогательных деталей нагревательных устройств;
  • никель — в пищевой промышленности. Растительные жиры (подсолнечные, льняные, конопляные и др.) уступают по калорийности и питательности животным жирам. Над повышением калорийности и питательности растительных жиров долго работали ученые-химики. На помощь пришли давление, температура, водород и катализатор — никель. И человечество получило маргарин (от латинского «марго-рос» — перламутр);
  • никель — для художественной промышленности. Для данной цели выпускают два сплава: мельхиор НМ81 (8lCu+19Ni); нейзильбер НМц65-20 (65Cu + 20Zn+ 15Ni). Сплавы, имитирующие серебро, широко применяются в ювелирном, галантерейном и посудном производстве;
  • монель-металл, представляющий собой сплав никеля (68 %), меди (29 %), остальное — марганец и железо — для производства разменной монеты («серебра»).

Необходимо отметить, что никель в нашем веке на основной службе человечеству — в области жаропрочных сплавов — раскрыл максимум своих возможностей. Можно ожидать повышения жаропрочных свойств сплавов на основе никеля за счет легирования редкоземельными металлами, микролегирования тугоплавкими металлами и за счет других методов, однако борьба за повышение жаропрочности никелевых сплавов ведется вблизи теоретического предела для данной группы сплавов. Век XXI определит «богатырем» другой металл. Возможно, это будет группа металлов,— сообща легче решать проблемы.

Мировое производство никеля составило в 1980 г. 600 тыс. т, цена 1 т — 5500 р.

Металлы: