- Никелевые сплавы: определение, состав, типы, свойства и применение
- Что такое никелевый сплав?
- История никелевых сплавов
- Из чего состоят никелевые сплавы?
- Как изготавливаются никелевые сплавы?
- Характеристики никелевых сплавов
- Какого цвета никелевый сплав?
- Как выглядит никелевый сплав?
- Типы никелевых сплавов
- Свойства никелевых сплавов
- Физические свойства никелевых сплавов
- Химические свойства никелевых сплавов
- Применение никелевого сплава
- Преимущества никелевых сплавов
- Недостатки никелевых сплавов
- Являются ли никелевые сплавы устойчивыми к ржавчине?
- Являются ли никелевые сплавы гипоаллергенными?
- Являются ли сплавы никеля металлами?
- В чем разница между никелевым сплавом и металлом?
- В чем разница между никелевым сплавом и алюминием?
Никелевые сплавы: определение, состав, типы, свойства и применение
Никелевый сплав — это металл, который содержит определенный процент никеля в своем элементарном составе. Никель в основном легирован хромом, медью, железом, титаном и молибденом.
Каждая из этих комбинаций сплавов имеет определенные свойства, которые делают их наиболее подходящими для определенного диапазона применений. Например, Inconel® обладает отличной устойчивостью к коррозии, окислению и высоким температурам.
Большинство никелевых сплавов обладают хорошими коррозионными, окислительными и высокотемпературными свойствами, за некоторыми исключениями.
Никель-железные сплавы не обладают такими же уровнями коррозионной стойкости и стойкости к окислению.
Никелевые сплавы часто используются в экстремальных рабочих условиях, например, в аэрокосмической, химической и нефтяной промышленности, но также могут использоваться в электротехнике и электронике.
В этой статье будет описано, что такое никелевый сплав, где он используется, его характеристики и физические свойства, а также различные типы никелевых сплавов и их применение.
Что такое никелевый сплав?
Термин «никелевый сплав» относится к металлу, одним из основных элементов которого является никель.
Некоторые типы никелевых сплавов называются суперсплавами из-за их превосходной стойкости к окислению и ползучести, что позволяет использовать их при температурах, превышающих половину их температуры плавления.
Никелевые сплавы можно подвергать механической обработке и сварке, но, как правило, возникают некоторые трудности при обработке, так как некоторые сплавы упрочняются во время обработки, а их высокие температуры плавления могут затруднить их сварку.
История никелевых сплавов
Самая ранняя запись об использовании потенциального никелевого сплава была в Китае в 200 г. до н.э., в которой говорилось о материале, называемом «белая медь» (скорее всего, никель-серебряный сплав).
В 1751 году немецкий ученый Аксель Фредрик Кронштедт смог выделить никель из минерала под названием никколит. Первые никелевые сплавы содержали медь и цинк. Их называли «немецким серебром». Эти ранние сплавы в основном использовались в качестве декоративных материалов.
После работы Джеймса Райли в 1913 году, который произвел сплав железа и хрома, доктор У. Х. Хэтфилд обнаружил преимущества добавления никеля к этим сплавам железа и хрома для создания аустенитной нержавеющей стали, известной сегодня, с ее превосходной коррозионной стойкостью.
Подавляющее большинство металлов, называемых суперсплавами, основаны на никеле. Другой термин, часто используемый для описания никелевых сплавов, — сплавы с высокими эксплуатационными характеристиками. Однако важно отметить, что не все суперсплавы являются никелевыми сплавами.
Из чего состоят никелевые сплавы?
Никелевые сплавы обычно изготавливаются из смеси различных металлов и никеля. Хотя не все металлы можно эффективно сочетать с никелем.
Некоторыми из наиболее распространенных элементов, которые можно легировать никелем, являются железо (Fe), хром (Cr), алюминий (Al), молибден (Mo), медь (Cu), кобальт (Co) и титан (Ti).
Эти элементы можно комбинировать для получения сплавов с различными свойствами. Например, сплавы никеля, железа, молибдена и хрома, такие как нержавеющая сталь типа 316, обладают превосходной коррозионной стойкостью.
Как изготавливаются никелевые сплавы?
Никелевые сплавы изготавливаются с использованием того же процесса, который используется для большинства других металлических сплавов.
Должны быть выбраны легирующие элементы и подтверждено их соотношение. Затем все элементы сплавляются, например, в дуговой печи.
При плавке сплавы также очищаются. Затем никелевый сплав отливают в слитки, после чего формуют с использованием методов холодной или горячей обработки.
Характеристики никелевых сплавов
Ниже перечислены некоторые общие характеристики никелевых сплавов:
- Коррозионная стойкость: никелевые сплавы обладают отличной стойкостью к коррозии и окислению, что делает их идеальными для использования в суровых условиях.
- Высокая прочность: никелевые сплавы могут иметь высокую прочность. По этой причине они особенно полезны там, где требуется высокая прочность и ударная вязкость при повышенных температурах.
- Теплостойкость: сплавы никеля обладают отличной термостойкостью и могут выдерживать температуры до 980 °C, в случае Inconel® 718.
- Пластичность: никелевые сплавы очень пластичны и, как таковые, являются очень прочными материалами, способными выдерживать удары без внезапного разрушения.
- Магнитные свойства. Никелевые сплавы, особенно сплавы с очень высоким содержанием никеля, обладают отличными магнитомягкими свойствами, что означает, что они могут легко намагничиваться и размагничиваться. Можно сказать, что никелевые сплавы имеют низкую коэрцитивную силу (показатель сложности размагничивания магнитного материала).
- Свариваемость: никелевые сплавы можно сваривать с использованием процессов MIG (металлический инертный газ) или TIG (вольфрамовый инертный газ). Их также можно соединить с помощью сварки ММА (ручная дуговая сварка). Никелевые сплавы трудно поддаются сварке, и часто возникают такие проблемы, как горячее или теплое растрескивание и пористость.
- Теплопроводность: сплавы никеля не обладают особенно хорошей теплопроводностью. Однако в высокотемпературных приложениях часто требуется низкая теплопроводность, чтобы ограничить передачу тепла другим компонентам. Однако можно использовать никель-медные сплавы, если требуется теплопроводность.
- Электропроводность: сплавы никеля имеют более низкую электропроводность, чем чистая медь или серебро. Однако медно-никелевые сплавы обладают улучшенной электропроводностью наряду с повышенной коррозионной стойкостью.
- Низкий коэффициент теплового расширения: никелевые сплавы обычно имеют низкие коэффициенты теплового расширения. Это делает их идеальными для прецизионных приложений, которые должны сохранять стабильность размеров в диапазоне температур.
Какого цвета никелевый сплав?
Цвет никелевого сплава полностью зависит от его конкретного состава.
Натуральный никель имеет серебристо-белый цвет, и никелевые сплавы будут иметь аналогичный цвет в зависимости от содержания в них никеля. Химические никелевые покрытия могут иметь золотисто-коричневый цвет из-за присутствия фосфора в покрытии.
Как выглядит никелевый сплав?
В общем, может быть трудно отличить сплавы никеля от других металлов, которые также имеют металлический вид. Никелевые сплавы могут иметь серебристо-белый цвет, но это сильно зависит от обработки поверхности и состава сплава.
Шероховатая поверхность будет выглядеть тускло, тогда как гладкая поверхность может казаться отражающей. На рисунке 1 ниже показан пример никель-хромового сплава:
Никель-хромовый сплав.
Типы никелевых сплавов
Существует широкий спектр никелевых сплавов. Некоторые из распространенных классов перечислены ниже:
1. Инконель®
Inconel® — это торговое название типа никелевого сплава, который содержит хром, молибден и железо в качестве основных легирующих элементов. Он известен своей стойкостью к окислению, отличными характеристиками в высокотемпературной среде и механической прочностью. Inconel® трудно поддается холодной штамповке из-за его быстрого упрочнения. Типичными сплавами являются Inconel 625, 718 и 600.
2. Монель®
Monel® — это торговое название группы никелевых сплавов на основе меди. Монель обладает высокой прочностью и отличной стойкостью к соленой воде, а также способностью хорошо работать в условиях низких температур, т.е. пластичность не сильно снижается, а твердость и прочность увеличиваются.
Monel® имеет тенденцию затвердевать во время холодной штамповки, что затрудняет его обработку. Типичными сплавами являются Monel® 400, R-405 и K-500.
3. Хастеллой®
Hastelloy® — это торговое название сплава с высокой коррозионной стойкостью, состоящего из никель-хромового или никель-молибденового сплава.
Кроме того, Hastelloy® обладает хорошей термической стабильностью и используется в аэрокосмической и химической промышленности. Типичные сплавы включают C-22 и C-276.
4. Никель-медные сплавы
Никель-медные сплавы обладают превосходной устойчивостью к коррозии и загрязнению в морской воде. По этой причине они широко используются в морской промышленности.
Иногда добавляют железо, олово и марганец для дальнейшего повышения коррозионной стойкости. Содержание меди может составлять от 55 до 91,5%, а следующим по величине легирующим элементом является никель.
Другие легирующие элементы составляют небольшой процент от общего веса. Monel® считается сплавом никеля и меди.
5. Железоникелевые сплавы
Никель-железные сплавы обладают хорошей пластичностью, низким тепловым расширением и коррозионной стойкостью. Эти сплавы также обладают магнитомягкими свойствами.
Эти сплавы используются в приложениях, где желательно низкое тепловое расширение, например, в чувствительном научном оборудовании, или где выгодны магнитомягкие свойства, например, в трансформаторах. Распространенное торговое название сплава никеля и железа — Invar®.
6. Никель-хромовые сплавы
Никель-хромовые сплавы обладают отличной коррозионной стойкостью и стойкостью к окислению, сохраняя при этом свою прочность при повышенных температурах.
Они также имеют высокое электрическое сопротивление. Это делает никель-хромовые сплавы особенно подходящими для использования в качестве нагревательных элементов, например, в печах или тостерах.
Хромоникелевые сплавы могут иметь температуру плавления более 1300 °C. Эти сплавы обычно имеют высокое содержание никеля, 70%.
7. Никель-титановые сплавы
Никель-титановые сплавы обладают отличной коррозионной стойкостью и хорошей механической прочностью. Однако наиболее интересным свойством является то, что они представляют собой тип сплава с памятью формы (SMA).
Им можно придать определенную форму при температуре выше определенной высокой температуры, называемой температурой перехода.
При охлаждении деталь может быть деформирована до определенной степени, но если ее снова нагреть до температуры перехода, она вернет свою первоначальную форму.
Точную температуру, при которой происходит это изменение, можно регулировать, изменяя состав сплава. Эти сплавы особенно полезны в медицинских целях.
Например, стенты можно вводить в сжатом виде, но они расширяются до своей окончательной формы в организме. Никель-титановые сплавы также известны под названием Nitinol®.
8. Никель-молибденовые сплавы
Никель-молибденовые сплавы обладают отличной коррозионной стойкостью и стойкостью к окислению при высоких температурах.
Они также сохраняют свои механические свойства при повышенных температурах. Распространенный никель-молибденовый сплав также известен как Hastelloy®. Этот никелевый сплав часто используется для теплообменников, насосов и корпусов реакторов под давлением.
Свойства никелевых сплавов
Никелевые сплавы выдерживают высокие рабочие температуры и агрессивные среды, обладают хорошей механической прочностью.
В дополнение к этому они могут иметь магнитомягкие свойства, низкую теплопроводность и хорошую электропроводность. В таблице 1 ниже перечислены свойства никелевых сплавов:
| Свойство | Описание | Пример никелевого сплава | Дополнительные преимущества | Приложения |
|---|---|---|---|---|
|
Предел прочности на растяжение [МПа]
|
Напряжение, которое может привести к окончательному отказу при нагрузке чистым растяжением
|
Инконель 625
|
Отличная стойкость к коррозии и окислению, высокая прочность на ползучести
|
Аэрокосмические компоненты, такие как лопасти турбины
|
|
Температура Кюри [°C]
|
Температура, при которой материал теряет свой магнетизм
|
Инвар 36
|
Низкая теплопроводность
|
Оснастка, штампы, криогенные компоненты
|
|
Коэффициент линейного теплового расширения при 93 °C (отожженный) (мкм/мкм·°C)
|
Степень линейного расширения образца при 93С
|
Инвар 36
|
Высокая температура плавления
|
Оснастка, штампы, криогенные компоненты
|
|
Теплопроводность при 93 °C (отожженный) (Вт/м·K)
|
Способность материала поглощать и передавать тепло
|
Монель 400
|
Отличная стойкость к соленой воде и низкотемпературная прочность
|
Технологические сосуды, технологические трубопроводы, насосы
|
Физические свойства никелевых сплавов
Ниже в Таблице 2 перечислены физические свойства некоторых распространенных никелевых сплавов:
| Свойство | Описание | Инконель® 625 | Хастеллой® 276 | Инвар® 36 | Монель® 400 | Нихром 35-20 |
|---|---|---|---|---|---|---|
|
Плотность [г/см3]
|
Определяет компактность атомов
|
8,44
|
8,89
|
8.05
|
8,8
|
7,9
|
|
Предел прочности на растяжение [МПа]
|
Напряжение, которое может привести к окончательному отказу при нагрузке чистым растяжением
|
689 — 1103
|
601,2 — 826,7
|
621
|
450 — 550
|
750
|
|
Температура Кюри [°C]
|
Температура, при которой материал теряет свой магнетизм
|
-196
|
-269 > 26,85
|
279
|
20-50
|
нет данных
|
|
Температура плавления [°C]
|
Температура, при которой материал начинает переходить в жидкую форму
|
1290 — 1350
|
1323 — 1271 гг.
|
1427
|
1300-1350
|
1390
|
|
Удельное электрическое сопротивление при 93 °C (отожженный) [мкОм·см]
|
Насколько сильно материал сопротивляется потоку электричества
|
132
|
130
|
82
|
54,7
|
104
|
|
Коэффициент линейного теплового расширения при 93 °C (отожженный) (мкм/мкм·°C)
|
Степень линейного расширения образца при 93С
|
12,8
|
11.2
|
1,3
|
13,9
|
19
|
|
Теплопроводность при 93 °C (отожженный) (Вт/м·K)
|
Способность материала поглощать и передавать тепло
|
10,8
|
11.1
|
10.15
|
21,8
|
13
|
|
Удельная теплоемкость при 93°C (отожженная) (Дж/кг·°C)
|
Количество энергии, необходимое для повышения температуры килограмма материала на 1°С.
|
427
|
427
|
515
|
427
|
500
|
Химические свойства никелевых сплавов
В таблице 3 перечислены некоторые химические свойства различных никелевых сплавов:
| Тип никелевого сплава | Устойчивость к коррозии | Стойкость к окислению | Основные легирующие элементы | Магнитный | Теплостойкость [солидус] °C |
|---|---|---|---|---|---|
|
Инконель® 625
|
Очень устойчив к точечной коррозии, растрескиванию под действием ионов хлорида и щелевой коррозии.
|
Высокая устойчивость к окислению при повышенных температурах
|
Ni — 58% / Cr — от 20 до 23% / Fe — 5% / Nb,Ta — от 3,15 до 4,15%
|
Нет
|
1290
|
|
Хастеллой® 276
|
Очень устойчив к точечной коррозии, растрескиванию под действием ионов хлорида и щелевой коррозии.
|
Высокая устойчивость к окислению при повышенных температурах
|
Ni — 57 % / Mo — от 15 до 17 % / Cr — от 14,5 до 16,5 % / Fe — от 4 до 7 % / Co — 2,5 % / Mn — 1 %
|
Нет
|
1323
|
|
Инвар® 36
|
Не подвержен коррозии из-за высокого содержания железа; должны быть никелированы для повышения коррозионной стойкости
|
Не особенно устойчив к окислению из-за содержания железа по сравнению с другими никелевыми сплавами.
|
Fe — 63% / Ni — 36%
|
Да
|
1427
|
|
Монель® 400
|
Высокая устойчивость к соленой воде
|
Некоторые марки монеля могут иметь хорошую стойкость к высокотемпературному окислению.
|
Ni — 63 % / Cu — от 28 до 34 % / Fe — 2,5 % / Mn — 2 %
|
Нет
|
1300
|
|
Нихром 35-20
|
Не очень устойчив к коррозии
|
Не очень устойчив к окислению
|
Fe — 42% / Ni — 35% / Cr — 20% / Si — 2% / Mn — 1%
|
Нет
|
1390
|
Применение никелевого сплава
Никелевые сплавы широко используются в ряде отраслей промышленности. Ниже перечислены некоторые типичные области применения различных сплавов:
1. Аэрокосмическая промышленность
Аэрокосмическая промышленность является одним из крупнейших пользователей сплавов на основе никеля из-за высоких рабочих температур, характерных для высокопроизводительного аэрокосмического оборудования. Лопасти турбин и компоненты ракетных двигателей часто изготавливаются из таких сплавов, как Inconel®.
2. Химическая обработка
В химической промышленности часто требуются материалы, обладающие высокой устойчивостью к агрессивным средам.
Никелевые сплавы обладают исключительной коррозионной стойкостью, особенно в сплавах с такими элементами, как хром и никель.
Сплавы с высоким содержанием железа могут иметь пониженную коррозионную стойкость. Типичные области применения могут включать резервуары, трубопроводы и смесительные устройства.
3. Нефть и газ
Нефтегазовая промышленность сложна и включает в себя все: от добычи нефти до переработки топлива, пластмасс и других сложных материалов.
Из-за этого материалы часто должны выдерживать высокие температуры и давления, а также агрессивные среды. Никелевые сплавы хорошо подходят для таких ситуаций.
Типичные области применения могут включать насосы, трубы, сосуды под давлением и теплообменники.
4. Медицинское оборудование
Медицинское оборудование, такое как хирургические инструменты, часто необходимо стерилизовать сильными растворителями или высокими температурами.
Никелевые сплавы идеально подходят для таких условий эксплуатации.
Сплавы с памятью формы, такие как Nitinol®, также популярны для изготовления стентов, поскольку их можно имплантировать в сжатом состоянии и расширять после установки на место. Никелевые сплавы также используются для ортопедических имплантатов.
5. Электрические и электронные приложения
Никелевые сплавы, такие как Monel®, в сплаве с медью, обеспечивают хорошую электропроводность с дополнительным преимуществом коррозионной стойкости.
По этим причинам эти сплавы идеально подходят для электрических контактов в агрессивных средах.
Некоторые никелевые сплавы, такие как сплавы Ni-Fe, обладают низкой коэрцитивной силой, что делает их идеальными для применения в магнитомягких устройствах, таких как трансформаторы или запоминающие устройства.
6. Кораблестроение
Морская среда может быть чрезвычайно агрессивной. Не многие сплавы могут выдерживать длительное воздействие соленой воды и солевых брызг.
Никелевые сплавы, особенно сплавы с медью, обладают высокой устойчивостью к морской среде. Типичные области применения могут включать гребные винты, трюмные насосы и клапаны.
7. Прецизионные инструменты
Некоторые прецизионные приборы должны иметь очень низкий коэффициент теплового расширения, чтобы ограничить влияние температуры на чувствительные приложения.
Примером такого применения являются герметичные уплотнения в рентгеновских трубках.
В других случаях никелевый сплав с низким тепловым расширением используется в сочетании с металлом с высоким тепловым расширением, соединенным в биметаллическую полосу, для использования в качестве температурного переключателя.
Преимущества никелевых сплавов
Вот некоторые из ключевых преимуществ использования никелевых сплавов:
- Коррозионная стойкость: никелевые сплавы обладают отличной стойкостью к коррозии и окислению, что делает их очень востребованными в средах, где другие материалы быстро разрушаются.
- Высокая прочность: никелевые сплавы обладают высокой прочностью на растяжение и могут выдерживать высокие температуры и экстремальные условия, что делает их пригодными для использования в критически важных компонентах и приложениях.
- Магнитомягкие свойства: некоторые никелевые сплавы обладают превосходными магнитомягкими свойствами с низкой коэрцитивной силой. Это означает, что они могут быть легко намагничены и размагничены.
- Теплостойкость: сплавы никеля обладают очень высокой термостойкостью. Они могут сохранять свои свойства при более высоких температурах, а также препятствовать передаче тепла другим компонентам из-за низкой теплопроводности некоторых никелевых сплавов.
- Низкое тепловое расширение: некоторые никелевые сплавы имеют очень низкую степень теплового расширения. Эта характеристика особенно полезна в прецизионных приложениях, где тепловые эффекты могут негативно повлиять на производительность.
Недостатки никелевых сплавов
Вот некоторые из ограничений никелевых сплавов:
- Стоимость: никелевые сплавы могут быть дороже других металлов из-за высокой стоимости никеля и других легирующих элементов. По этой причине они часто применимы только к высокопроизводительным приложениям, например, в аэрокосмической промышленности.
- Обрабатываемость: некоторые никелевые сплавы трудно поддаются механической обработке из-за их высокой прочности и ударной вязкости. Кроме того, никелевые сплавы имеют тенденцию упрочняться при механической обработке. Для их обработки часто требуются специальные инструменты и методы.
- Свариваемость: некоторые никелевые сплавы плохо поддаются сварке из-за их высокой температуры плавления. Высокая температура плавления означает, что к заготовке необходимо добавить больше тепла, чтобы получить достаточное количество сварочного металла для получения хорошего соединения. Эта дополнительная энергия может вызвать остаточные напряжения, вызывающие деформацию свариваемого компонента.
- Дерматит: некоторые никелевые сплавы могут вызывать аллергическую реакцию при длительном контакте с кожей. Это ограничивает их потенциальное применение с точки зрения носимых или медицинских устройств.
- Потускнение: некоторые никелевые сплавы со временем тускнеют при воздействии элементов. Никелевые сплавы на основе меди обычно склонны к потускнению.
Являются ли никелевые сплавы устойчивыми к ржавчине?
Да, большинство никелевых сплавов, таких как нержавеющая сталь, обладают отличной коррозионной стойкостью и могут длительное время подвергаться воздействию экстремальных условий без окисления. Это связано с тем, что они образуют оксидный слой с высокой коррозионной стойкостью.
Являются ли никелевые сплавы гипоаллергенными?
Нет, известно, что никель вызывает аллергические кожные реакции.
Являются ли сплавы никеля металлами?
Да, все никелевые сплавы можно отнести к металлам. Никелевые сплавы представляют собой смесь двух или более элементов, одним из которых является никель, для создания уникальных свойств материала, отсутствующих у отдельных материалов.
В чем разница между никелевым сплавом и металлом?
Нет никакой разницы между «никелевым сплавом» и «металлом». Никелевый сплав — это металл.
В чем разница между никелевым сплавом и алюминием?
Никелевые сплавы обычно содержат элемент Ni (никель) наряду с другими элементами, такими как медь (Cu), хром (Cr), молибден (Mo) и железо (Fe).
Алюминий — это совершенно другой металл, который также может быть легирован с другими металлами и иногда используется в никелевых сплавах в качестве легирующего элемента.
В этой статье представлены никелевые сплавы, объяснено, что они из себя представляют, и обсуждены их различные применения.
