Реферат: Химия никеля

Министерство Образования РеспубликиБеларусь

Белорусский Национальный ТехническийУниверситет

Кафедра Химии

Реферат на тему:

Химия никеля.

Исполнитель: Адамчик Ю.В.гр. 104312

                        _______________________

 

Руководитель: Медведев Д.И.

                         _______________________

Минск-2003

 

Содержание.

стр.

Введение

3

1.   Распространение в природе

4

2.   Получение

7

3.   Физические и химические свойства

8

4.   Никелевые сплавы

11

5.   Применение никеля  в технике

15

5.1 Применение чистого никеля

16

5.2 Применение никелевых сплавов

21

Заключение

22

Литература

25

Введение.

Основой  современной  техники  являются  металлы  и металлические  сплавы. Разнообразные требования к металлическим   материалам  возрастают по мере развития новых отраслей техники.

  В наше время успешно и все более широко используется атомная энер­гия в мирныхцелях, предъявляя высокие требования к новым материа­лам с особыми свойствами;реактивная техника, теоретические основы которой были разработаны нашимиучеными многие десятки лет назад, могла стать на службу советского народатолько после того, как были созданы и внедрены специальные жаропрочныесплавы.    Прогрессивно развивающиеся отрасли промышленности — химиче­ская,нефтяная, машиностроение, транспорт и другие — основываются на широкомприменении высокопрочных железных, никелевых и других сплавов. Среди главнейшихв современной технике металлов никелю принад­лежит одно из первых мест. Хотя пораспространенности в природе ни­кель занимает среди металлов только тринадцатоеместо, однако по сте­пени его значения в технике он стоит наравне с железом,алюминием, хромом и другими важнейшими металлами.

Никель обладает ценными химическими и высокими механическимисвойствами. Благодаря хорошей пластичности из никеля можно получатьразнообразные изделия методом деформации в горячем и холодном со­стоянии.Основным объектом применения никеля являются металлические сплавы. В этихсплавах никель является или основой, или одним из важ­ных легирующих элементов,придающих сплавам те или иные необхо­димые свойства. Не случайно, что в течениемногих лет в общем потреб­лении никеля расход его качестве сплавов илилегирующего элемента составляет более 80%.  Остальная часть никеляприменяется в чистом виде (8%) и для никелевых защитных покрытий (около 10%).

 В качестве сплавов никель нашел широкое применение в виде жаро­прочных,кислотостойких, магнитных материалов, сплавов с особыми фи­зическимисвойствами. Особенно большое значение имеет применение никеля в качестве легирующегоэлемента в специальных сталях и спла­вах. О большом разнообразии составовникелевых сплавов свидетель­ствует то, что по сведениям, опубликованным впоследние годы, имеется более 3000 описанных в литературе составов никелевыхсплавов, содержащих различные  элементы в  разных пропорциях  и предназначенныхдля различных целей.

 

1. Распространениев природе.

Никель — элемент земныхглубин (в ультраосновных породах мантии его 0,2% по массе). Существуетгипотеза, что земное ядро состоит из никелистого железа; в соответствии с этимсреднее содержание Н. в земле в целом по оценке около 3%. В земной коре, гденикеля 5,8×10-3%, он также тяготеет к более глубокой, такназываемой базальтовой оболочке. Ni в земной коре — спутник Fe и Mg, чтообъясняется сходством их валентности (II) и ионных радиусов; в минералыдвухвалентных железа и магния никеля входит в виде изоморфной примеси.Собственных минералов никеля известно 53; большинство из них образовалось привысоких температурах и давлениях, при застывании магмы или из горячих водныхрастворов. Месторождения никеля связаны с процессами в магме и коревыветривания. Промышленные месторождения никеля (сульфидные руды) обычно сложеныминералами никеля и меди. На земной поверхности, в биосфере никеля — сравнительно слабый мигрант. Его относительно мало в поверхностных водах, вживом веществе. В районах, где преобладают ультраосновные породы, почва ирастения обогащены никелем.

Никель в нечистом видевпервые получил в 1751 шведский химик А. Кронстедт, предложивший и названиеэлемента. Значительно более чистый металл получил в 1804 немецкий химик И.Рихтер. Название никель происходит от минерала купферникеля (NiAs), известногоуже в 17 в. и часто вводившего в заблуждение горняков внешним сходством смедными рудами (нем. Kupfer — медь, Nickel — горный дух, якобы подсовывавшийгорнякам вместо руды пустую породу). С середины 18 в. никель применялся лишькак составная часть сплавов, по внешности похожих на серебро. Широкое развитиеникелевой промышленности в конце 19 в. связано с нахождением крупныхместорождений никелевых руд в Новой Каледонии и в Канаде и открытием «облагораживающего»его влияния на свойства сталей. История происхождения никеля и нахождения его вприроде имеет большое познавательное значение. Никелъ и его аналоги — железо 'икобальт — не только встречаются в недрах Земли, но и являются основными составляющимикосмических тел, попадающих на нашу планету в виде отдельных осколков — метео­ритовили аэролитов. Эти тела, издавна известные как метеоритное желе­зо, являются восновном сплавами железа с разным содержанием никеля и кобальта. Поэтомуисторию никеля можно рассматривать не только как историю происхождения ираспределения его в геосферах Земли, но и как историю космоса и историюпроисхождения метеоритов. Она может быть прослежена начиная от недр Земли, ееразличных глубинных гео­сфер и кончая метеоритами. Результаты исследованииметеоритов могут быть сопоставлены с новейшими исследованиями синтетическихникеле­вых сплавов, в какой-то степени повторяющих природные химические составыжелезо-никелевых сплавов, входящих в основу метеоритных железных сплавов. Такимобразом, никель является одним из древнейших металлов, об­наруженныхсовместно" с железом в самородном состоянии, а также в виде различныхминеральных образований. В своем знаменитом труде «Опыт описательнойминералогии» В, И. Вер­надский уделил много внимания описанию самородныхэлементов. Он впервые подробно осветил вопрос о самородном железе и самородныхсплавах железа с никелем.

Залежи полезныхископаемых, содержащие никель в количествах, при которых экономическицелесообразно его извлечение. Используемые в промышленном производстве Н. р.подразделяются на сульфидные медно-никелевые и силикатные. В сульфидныхмедно-никелевых рудах главными минералами являются пентландит, миллерит,халькопирит, кубанит, пирротин, магнетит, нередко сперрилит. Месторождения этихруд принадлежат к магматическим образованиям, приуроченным к кристаллическимщитам и древним платформам. Они располагаются в нижних и краевых частяхинтрузий норитов, перидотитов, габбродиабазов и др. пород основной магмы.Образуют залежи, линзы и жилы сплошных богатых и зоны менее богатых вкраплённыхруд, характеризуемые различным соотношением пентландита к сульфидам меди ипирротину. Широким распространением пользуются вкрапленные, брекчиевидные имассивные руды. Содержание никеля в сульфидных рудах колеблется в пределах от0,3 до 4% и более; соотношение Cu: Ni варьирует от 0,5 до 0,8 в слабомедистых иот 2 до 4 в высокомедистых сортах руд. Кроме Ni и Cu, из руд извлекаетсязначительное количество Со, а также Au, Pt, Pd, Rh, Se, Te, S. Месторождениямедно-никелевых руд известны в СССР в районе Норильска и в Мурманской области(район Печенги), за рубежом — в Канаде и Южной Африке. Силикатные Н. р.представляют собой рыхлые и глиноподобные породы коры выветривания ультрабазитов,содержащие никель (обычно не менее 1%). С корами выветривания серпентинитовплощадного типа связаны руды, в которых никельсодержащими минералами являются:нотронит, керолит, серпентин, гётит, асболаны. Эти Н. р. характеризуются обычноневысоким содержанием Ni, но значительными запасами. С корами выветриваниятрещинного, контактово-карстового и линейно-площадного типов, формирующимися всложных геологотектонических и гидрогеологических условиях, связаны болеебогатые руды. Главными минералами в них являются гарниерит, непуит, никелевыйкеролит, ферригаллуазит. Среди силикатных руд выделяются железистые, магнезиальные,кремнистые, глинозёмистые разности, обычно смешивающиеся для металлургическойпереработки в определённых соотношениях. Механическому обогащению Н. р. неподдаются. В силикатных Н. р. содержится кобальт при соотношении Со: Ni порядка1: 20 — 1: 30. В некоторых месторождениях совместно с силикатными Н. р.залегают железо-никелевые руды с высоким содержанием Fe (50-60%) и Ni (1-1,5%).Никелевые месторождения выветривания известны в СССР на Среднем и Южном Урале,на Украине, Среди стран капиталистического мира по размерам добычи Н. р.выделяются Канада и Новая Каледония (в 1972 произведено соответственно 232,6тыс. т и 115,3 тыс. т Ni).

 

2. Получение.

 Около 80% Н. от общегоего производства (без СССР) получают из сульфидных медно-никелевых руд. Послеселективного обогащения методом флотации из руды выделяют медный, никелевый ипирротиновый концентраты. Никелевый рудный концентрат в смеси с флюсами плавятв электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породыи извлечения Н. в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10-15% Ni. Обычноэлектроплавке (основной метод плавки в СССР) предшествуют частичныйокислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходятчасть Fe, Со и практически полностью Сu и благородные металлы. После отделенияFe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах) получают сплав сульфидовCu и Ni — файнштейн, который медленно охлаждают, тонко измельчают и направляютна флотацию для разделения Cu, и Ni. Никелевый концентрат обжигают в кипящемслое до NiO. Металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах.Из чернового никеля отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержаниепримесей в электролитном Н. (марка 110) 0,01%. ля разделения Cu и Ni используюттакже т. н. карбонильный процесс, основанный на обратимости реакции:

Ni+4CO=Ni (CO)

 

Получение карбонилапроводят при 100-200 атм. и при 200-250 °С, а его разложение — бездоступа воздуха при атмосферном давлении и около 200 °С. Разложение Ni (CO)4используют также для получения никелевых покрытий и изготовления различныхизделий (разложение на нагретой матрице). В современных «автогенных»процессах плавка осуществляется за счёт тепла, выделяющегося при окислениисульфидов воздухом, обогащенным кислородом. Это позволяет отказаться отуглеродистого топлива, получить газы, богатые SO2, пригодные дляпроизводства серной кислоты или элементарной серы, а также резко повыситьэкономичность процесса. Наиболее совершенно и перспективно окисление жидкихсульфидов. Всё более распространяются процессы, основанные на обработкеникелевых концентратов растворами кислот или аммиака в присутствии кислородапри повышенных температурах и давлении (автоклавные процессы). Обычно Н.переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидногоконцентрата или металлического порошка (восстановлением водородом поддавлением). Из силикатных (окисленных) руд Н. также может быть сконцентрированв штейне при введении в шихту плавки флюсов — гипса или пирита.Восстановительно-сульфидирующую плавку проводят обычно в шахтных печах;образующийся штейн содержит 16-20% Ni, 16-18% S, остальное — Fe. Технологияизвлечения Н. из штейна аналогична описанной выше, за исключением того, чтооперация отделения Cu часто выпадает. При малом содержании в окисленных рудахСо их целесообразно подвергать восстановительной плавке с получениемферроникеля, направляемого на производство стали. Для извлечения Н. изокисленных руд применяют также гидрометаллургические методы — аммиачноевыщелачивание предварительно восстановленной руды, сернокислотное автоклавноевыщелачивание и др.

3. Физическиеи химические свойства.

  При обычных условияхникель существует в виде b-модификации, имеющей гранецентрированную кубическуюрешётку (a = 3,5236 />). Но Н., подвергнутыйкатодному распылению в атмосфере H2, образует a-модификацию, имеющуюгексагональную решётку плотнейшей упаковки (а = 2,65 />, с = 4,32 />), котораяпри нагревании выше 200 °С переходит в кубическую. Компактный кубический Н.имеет плотность 8,9 г/см3 (20 °С), атомный радиус 1,24 />, ионныерадиусы: Ni2+ 0,79 />, Ni3+ 0,72 />; tпл1453 °С; tkип около 3000 °С; удельная теплоёмкость при 20 °С0,440 кдж/(кг-К) [0,105 кал/(г°С)]; температурныйкоэффициент линейного расширения 13,310-6 (0-100 °С);теплопроводность при 25 °С 90,1 вмl (м-K)[0,215 кал/(см-сек-оС)];то же при 500 °С 60,01 вм/(м-К) [0,148 кал/см (сек-оС)].Удельное электросопротивление при 20 °С 68,4 ном-м, т. е. 6,84 мкОм-См;температурный коэффициент электросопротивления 6,8×10-3(0-100 °С). Никель — ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлятьтончайшие листы и трубки. Предел прочности при растяжении 400-500 Мн/м2(т. е. 40-50 кгс/мм2), предел упругости 80 Мн/м2,предел текучести 120 Мн/м2; относительное удлинение 40%;модуль нормальной упругости 205 Гн/м2; твёрдость по Бринеллю600-800 Мн/м2. В температурном интервале от 0 до 631 К(верхняя граница соответствует Кюри точке) никель ферромагнитен. Ферромагнетизмникеля обусловлен особенностями строения внешних электронных оболочек (3d84s2)его атомов. Никель вместе с Fe (3d64s2) и Со (3d74s2),также ферромагнетиками, относится к элементам с недостроенной 3d-электроннойоболочкой (к переходным 3d-металлам). Электроны недостроенной оболочки создаютнескомпенсированный спиновый магнитный момент, эффективное значение которогодля атомов никеля составляет 6 mБ, где mБ — Бора магнетон.Положительное значение обменного взаимодействия в кристаллах никеля приводит кпараллельной ориентации атомных магнитных моментов, т. е. к ферромагнетизму. Потой же причине сплавы и ряд соединений никель (окислы, галогениды и др.)магнитоупорядочены (обладают ферро-, реже ферримагнитной структурой, см. Магнитнаяструктура). Н. входит в состав важнейших магнитных материалов и сплавовс минимальным значением коэффициента теплового расширения (пермаллой, монель-металл,инвар и др.). В химическом отношении Ni сходен с Fe и Со, но также и с Cu иблагородными металлами. В соединениях проявляет переменную валентность (чащевсего 2-валентен). Н. — металл средней активности, Поглощает (особенно вмелкораздробленном состоянии) большие количества газов (H2, CO идр.); насыщение Н. газами ухудшает его механические свойства. Взаимодействие скислородом начинается при 500 °С; в мелкодисперсном состоянии Н. пирофорен — навоздухе самовоспламеняется. Из окислов наиболее важна закись NiO — зеленоватыекристаллы, практически нерастворимые в воде (минерал бунзенит). Гидроокисьвыпадает из растворов никелевых солей при прибавлении щелочей в видеобъёмистого осадка яблочно-зелёного цвета. При нагревании Н. соединяется сгалогенами, образуя NiX2. Сгорая в парах серы, даёт сульфид, близкийпо составу к Ni3S2. Моносульфид NiS может быть полученнагреванием NiO с серой. С азотом Н. не реагирует даже при высоких температурах(до 1400 °С). Растворимость азота в твёрдом Н. приблизительно 0,07% по массе(при 445 °С). Нитрид Ni3N может быть получен пропусканием NH3над NiF2, NiBr2 или порошком металла при 445 °С. Поддействием паров фосфора при высокой температуре образуется фосфид Ni3P2в виде серой массы. В системе Ni — As установлено существование трёх арсенидов:Ni5As2, Ni3As (минерал маухерит) и NiAs.Структурой никель-арсенидного типа (в которой атомы As образуют плотнейшуюгексагональную упаковку, все октаэдрические пустоты которой заняты атомами Ni)обладают многие металлиды. Неустойчивый карбид Ni3C может бытьполучен медленным (сотни часов) науглероживанием (цементацией) порошка Н. ватмосфере CO при 300 °С. В жидком состоянии Н. растворяет заметное количествоС, выпадающего при охлаждении в виде графита. При выделении графита Н. теряетковкость и способность обрабатываться давлением. В ряду напряжений Ni стоитправее Fe (их нормальные потенциалы соответственно -0,44 в и -0,24 в) и поэтомумедленнее, чем Fe, растворяется в разбавленных кислотах. По отношению к воде никельустойчив. Органические кислоты действуют на Н. лишь после длительногосоприкосновения с ним. Серная и соляная кислоты медленно растворяют Н.;разбавленная азотная — очень легко; концентрированная HNO3  пассивируетН., однако в меньшей степени, чем железо. При взаимодействии с кислотамиобразуются соли 2-валентного Ni. Почти все соли Ni (II) и сильных кислот хорошорастворимы в воде, растворы их вследствие гидролиза имеют кислую реакцию.Труднорастворимы соли таких сравнительно слабых кислот, как угольная ифосфорная. Большинство солей Н. разлагается при прокаливании (600-800 °С). Однаиз наиболее употребительных солей — сульфат NiSO4 кристаллизуется израстворов в виде изумруднозелёных кристаллов NiSO4×7H2O- никелевого купороса. Сильные щёлочи на Н. не действуют, но он растворяется ваммиачных растворах в присутствии (NH4)2CO3 собразованием растворимых аммиакатов, окрашенных в интенсивно-синий цвет; длябольшинства из них характерно наличие комплексов [Ni (NH3)6]2+и [Ni (OH)2(NH3)4]. На избирательномобразовании аммиакатов основываются гидрометаллургические методы извлечения Н.из руд. NaOCI и NaOBr осаждают из растворов солей Ni (II), гидроокись Ni (OH)3чёрного цвета. В комплексных соединениях Ni, в отличие от Со, обычно2-валентен. Комплексное соединение Ni с диметилглиоксимом (C4H7O2N)2Niслужит для аналитического определения Ni. При повышенных температурах Н.взаимодействует с окислами азота, SO2 и NH3. При действииCO на его тонкоизмельчённый порошок при нагревании образуется карбонил Ni (CO)4(см. Карбонилы металлов). Термической диссоциацией карбонила получаютнаиболее чистый Н.

.

4. Никелевые сплавы.

Способность никеля растворять в себезначительное количество др. металлов и сохранять при этом пластичность привелак созданию большого числа Н. с. Полезные свойства Н. с. в определенной степениобусловлены свойствами самого никеля, среди которых наряду со способностьюобразовывать твёрдые растворы со многими металлами выделяются ферромагнетизм,высокая коррозионная стойкость в газовых и жидких средах, отсутствиеаллотропических превращений. С конца 19 в. сравнительно широко используются медно-никелевыесплавы, обладающие высокой пластичностью в сочетании с высокой коррозионнойстойкостью, ценными электрическими и др. свойствами. Практическое применениенаходят сплавы типа модель — металла, которые наряду с куниалями выделяютсясреди конструкционных материалов высокой химической стойкостью в воде,кислотах, крепких щёлочах, на воздухе, Важную роль в технике играютферромагнитные сплавы Ni (40-85%) с Fe, относящиеся к классу магнитно-мягкихматериалов. Среди этих материалов имеются сплавы, характеризующиеся наивысшимзначением магнитной проницаемости , её постоянством, сочетанием высокойнамагниченности насыщения и магнитной проницаемости). Такие сплавыприменяют во многих областях техники, где требуется высокая чувствительностьрабочих элементов к изменению магнитного поля. Сплавы с 45-55% Ni, легированныев небольших количествах Cu или Со, обладают коэффициентом линейноготермического расширения, близким к коэффициенту линейного термическогорасширения стекла, что используется в тех случаях, когда необходимо иметьгерметичный контакт между стеклом и металлом. Сплавы Ni с Со (4 или 18%)относятся к группе магнитострикционных материалов. Благодаря хорошейкоррозионной стойкости в речной и морской воде такие сплавы являются ценнымматериалом для гидроакустической аппаратуры. В начале 20 в. стало известно, чтожаростойкость Ni на воздухе, достаточно высокая сама по себе, может бытьулучшена путём введения Al, Si или Cr. Из сплавов такого типа важноепрактическое значение благодаря хорошему сочетанию термоэлектрических свойств ижаростойкости сохраняют сплав никеля с Al, Si и Mn (алюмель) и сплав Ni с 10%Cr (хромель). Хромель-алюмелевые термопары относятся к числу наиболеераспространенных термопар, применяемых в промышленности и лабораторной технике.Находят практическое использование также термопары из хромеля и копеля. Важноеприменение в технике получили жаростойкие сплавы Ni c Cr — нихромы. Наибольшеераспространение получили нихромы с 80% Ni, которые до появления хромалей былисамыми жаростойкими промышленными материалами. Попытки удешевить нихромыуменьшением содержания в них Ni привели к созданию т. н. ферронихромов, вкоторых значительная часть Ni замещена Fe. Наиболее распространённой оказаласькомпозиция из 60% Ni, 15% Cr и 25% Fe. Эксплуатационная стойкость большинстванихромов выше, чем ферронихромов, поэтому последние используются, как правило,при более низкой температуре. Нихромы и ферронихромы обладают редким сочетаниемвысокой жаростойкости и высокого электрического сопротивления (1,05-1,40 мком×м).Поэтому они вместе с хромалями представляют собой два наиболее важных классасплавов, используемых в виде проволоки и ленты для изготовлениявысокотемпературных электрических нагревателей. Для электронагревателей вбольшинстве случаев производят нихромы, легированные кремнием (до 1,5%) всочетании 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 (до4%), более жаростойки, чем сплавы, легированные Si. Однако из них труднееполучить однородную по составу проволоку или ленту, что необходимо для надёжнойработы электронагревателей. Поэтому такие Н. с. используются в основном дляизготовления жаростойких деталей, не подверженных большим механическимнагрузкам при температурах до 1250 °С. Во время 2-й мировой войны 1939-45 вВеликобритании 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 пожаропрочности перед нихромами и специальными легированными сталями. В отличиеот 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 газотурбинныхдвигателей. За сравнительно короткий срок было создано большое числосложнолегированных сплавов типа нимоник (с Ti, Al, Nb, Ta, Со, Mo, W, В, Zr,Ce, La, Hf) с рабочей температурой 850-1000 °С. Усложнение легирования ухудшаетспособность сплавов к горячей обработке давлением. Поэтому наряду сдеформируемыми 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 способысоздания жаропрочных композиционных материалов введением в никель или Н. с.тугоплавких окислов тория, алюминия, циркония и др. соединений. Наибольшееприменение получил Н. с. с высокодисперсными окислами тория (ТД-никель). Важнуюроль в технике играют легированные сплавы Ni — Cr, Ni — Mo и Ni — Mn,обладающие ценным сочетанием электрических свойств: высоким удельнымэлектрическим сопротивлением (r = 1,3-2,0 мком×м),малым значением температурного коэффициента электрического сопротивления(порядка 10-5 1/°С), малым значением термоэдс в паре с медью (менее5 мв/°С). По величине температурного коэффициента электрическогосопротивления эти сплавы уступают манганину в интервале комнатных температур,однако, имеют в 3-4 раза большее удельное электрическое сопротивление. Главнаяобласть применения таких сплавов — малогабаритные резистивные элементы, откоторых требуется постоянство электрических свойств в процессе службы. Элементыизготавливаются, как правило, из микропроволоки или тонкой ленты толщиной 5-20 мкм.Сплавы на основе Ni — Mo и Ni — Cr применяют также для изготовлениямалогабаритных тензорезисторов, характеризующихся почти линейной зависимостьюизменения электрического сопротивления от величины упругой деформации. Дляхимической аппаратуры, работающей в высокоагрессивных средах, например всоляной, 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 покоррозионной стойкости в подобных средах все известные коррозионностойкиестали. В практике применяют ещё целый ряд Н. с. (с Cr, Mo, Fe и др.элементами), обладающих благоприятным сочетанием механических ифизико-химических свойств, например коррозионностойкие сплавы для пружин,твёрдые сплавы для штампов и др. Помимо собственно Н. с., никель входит какодин из компонентов в состав многих сплавов на основе др. металлов (например, алнисплавы).

 

5.Применение никеля в современной технике.       

Широкое и разнообразноеприменение никеля связало с замечатель­ными свойствами этого металла. Никель —один из элементов VIII группы периодической системы, ианалогами его являются не только кобальт и железо, по и металлы группы палладияи платины.

В периодической системе никель по вертикали занимает ряд: Ni — Pd — Pt, что и определяет сходство этихметаллов. Вот почему никель во мно­гих отношениях сохраняет высокую химическуюстойкость, присущую платине и палладию.

Степень химической стойкости этих элементов уменьшается отпла­тины к никелю, но последний еще сохраняет ее в достаточной сте­пени для практическогоприменения. 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 ферромагнитнымметаллом; в чистом виде он пластичен и имеет достаточную прочность. Он подвер­гаетсявсем видам механической обработки — ковке, прокатке, штам­повке и хорошосваривается.

Благодаря комплексу этих свойств никель в чистом виде находитразнообразное применение, особенно широкое  в виде различ­ных сплавов.

Нет необходимости подробно останавливаться на известных ужепо литературным данным областях применения никеля. Они приведены в указанныхмонографиях по металлургии никеля. С точки зрения современного примененияникеля в чистом виде и в различных сплавах представляют интерес две обзорныестатьи за 1953 и 1955 гг., посвященные специально никелю и его сплавам, В нихприведено краткое описание научных работ но никелю и его сплавам (содержащимвыше 40% никеля), выполненных за последние годы, отмечены новые областиприменения никеля и приводится боль­шой список литературы.

Ряд справочников и статей посвящен применению никеля вкачестве легирующего элемента в сталях и сплавах с особыми физическими, хими­ческимии механическими свойствами; много работ посвя­щено разработке новых никелевыхжаропрочных сплавов и их приме­нению в реактивной, газотурбинной технике .

Это свидетельствует о все возрастающем интересе кметаллическому никелю и его сплавам, обусловливающем непрерывный рост потребле­нияэтого металла в новых областях техники.

Остановимся кратко на некоторых примерах современного примене­нияникеля и его сплавов и на этом фоне покажем перспективы дальней­шего егоразвития.

5.1. Применение чистого никеля

Никель в чистом виде находит основное применение в качествезащит­ных покрытий от коррозии в различных химических средах. Защитные покрытияна железе и других металлах получаются двумя известными способами: плакировкойи гальванопластикой. Первым методом плаки­рованный слой создается путемсовместной прокатки в горячем состоя­нии тонкой никелевой пластинки с толстымжелезным листом. Соотноше­ние толщин никеля и покрываемого металла при этомравно примерно 1:10. В процессе совместной прокатки, за счет взаимной диффузии,эти листы свариваются, и получается монолитный двухслойный или даже трехслойныйметалл, никелевая поверхность которого предохраняет этот материал от коррозии.

Такого рода горячий метод создания защитных никелевыхпокрытий широко применяется для предохранения железа и нелегированных ста­лейот коррозии. Это значительно удешевляет стоимость многих изделий и аппаратов,изготовленных не из чистого никеля, а из сравнительно де­шевого железа илистали, но покрытых тонким защитным слоем из нике­ля. Из никелированных листовжелеза изготовляются большие резер­вуары для транспортировки и хранения,например, едких щелочей, при­меняемые также в различных производстваххимической промышленности.

Гальванический способ создания защитных покрытий никелем явля­етсяодним из самых старых методов электрохимических процессов. Эта операция, широкоизвестная в технике под названием никелирование, в принципе представляетсравнительно простой технологический процесс. Он включает в себя некоторуюподготовительную работу по весьма тща­тельной очистке поверхности покрываемогометалла и подготовке элек­тролитической ванны, состоящей из подкисленногораствора никелевой соли, обычно сульфата никеля. При электролитическом покрытиикато­дом служит покрываемый материал, а анодом — никелевая пластинка. Вгальванической цепи никель осаждается на катоде с эквивалентным переходом егоиз анода в раствор. Метод никелирования имеет широкое применение в технике, идля этой цели потребляется большое количество никеля.

За последнее время метод электролитического покрытия никелемпри­меняется для создания защитных покрытий на алюминии, магнии, цинке ичугунах. В работе  описывается применение метода никелирования алюминиевых имагниевых сплавов, в частности для защиты дюралюми­ниевых лопастей винтовыхсамолетов. В другой работе  описано применение никелированных чугунныхбарабанов для сушки в бумажном производстве; установлено значительное повышениекоррозионной стой­кости барабанов и повышение качества бумаги на никелированныхбарабанах по сравнению с обычными чугунными без никелировки.

Теоретическим и практическим вопросам электролитическогоникели­рования посвящены многие доклады на 4-й международной конференции поэлектроосаждению: получение светлых покрытий, меры предохра­нения отрастрескивания покрытий, применение различных электроли­тов, влияниеорганических соединений на поверхность осаждаемого ни­келя и др.

Описанию оригинального метода никелирования через каталитиче­скуюреакцию посвящена работа. Этим методом, отличным от элек­тролитического,удается, по мнению автора, достигать равномерного по — 40 кровного слоя независимо от формы, конфигурации иразмеров никелируе­мых деталей.

В работе советских авторов изучено электроосаждение золота«при добавке никеля в виде Ni(CN)2 для получения осадков с большейтвер­достью и сопротивлением истиранию. Работа дала положительные резуль­таты.Получению светлых осадков при никелировании посвящена так­же.

Плавленый, ковкий никель в чистом виде также находит широкоеприменение в виде листов, труб, прутков и проволоки, легко получаемых из никелясуществующими технологическими операциями.

Основные потребители никеля — химическая, текстильная,пищевая и другие отрасли промышленности. Из чистого никеля изготовляются различ­ныеаппараты, приборы, котлы и тиг­ли с высокой коррозионной стойкостью ипостоянством физических свойств. Осо­бое значение имеют никелевые материалы визготовлении резервуаров и цис­терн для хранения в них пищевых продуктов,   химических   реагентов .

Никелевые тигли широко распространены в практикеаналитической хи­мии. Никелевые трубы различных размеров служат дляизготовления конденсаторов, в производстве водорода, для перекачки различных хи­мическиактивных веществ (щелочей) в химическом производстве. Нике­левые, химическистойкие инструменты широко используются в медицине, в научно-исследовательскойработе.

Сравнительно новой областью применения никеля являются новыевиды техники: приборы для радиолокации, телевидения, дистанционного управленияпроцессами (в атомной технике), в последнее время стали из­готовляться изчистого никеля.

По сообщению авторов работы, никелевые пластинки в последнеевремя применяют взамен кадмиевых в механических прерывателях ней­тронного пучкас целью получения нейтронных импульсов с большим значением энергии.

  Имеются интересные указания о применении никелевыхпластинок в ультразвуковых установках, как электрических, так и механических, атакже в современных конструкциях телефонных аппаратов.

Есть некоторые области техники, где чистый никель применяетсяили непосредственно в порошкообразном виде или в виде различных из­делий,получаемых из порошков чистого никеля.

Одной из областей применения порошкообразного никеля являютсякаталитические процессы в реакциях гидрогенизации непредельных уг­леводородов,циклических альдегидов, спиртов, ароматических углеводо­родов.

Каталитические свойстваникеля аналогичны тем же свойствам пла­тины и палладия. Таким образом,химическая аналогия элементов од­ной и той же группы периодической системынаходит отражение и здесь. Никель, как металл более дешевый, чем палладий иплатина, широко применяется в качестве катализатора при гидрогенизационных про­цессах.

  Для этих целей целесообразно применять никель в видетончайшего порошка. Он получается специальным режимом восстановления водо­родомзакиси никеля в интервале температур 300—350°.

В последнее время разработан оригинальный метод получения чис­тейшегопорошка никеля (до 99,8—99,9% Ni)для различных целей, в том числе и для каталитических процессов.

Вопросу получения порошкообразного никеля стандартногосостава посвящена одна из советских работ. В сообщении  дается описа­ниеметаллокерамического метода получения порошкообразного никеля высокой чистоты иприменения его для электротехнических целей. Там же приводятся данные поизготовлению этим методом сплавов никеля с железом. На основе примененияпорошков чистого никеля было освоено производство пористых фильтров дляфильтрования газов, топлива и др. в различных областях химическойпромышленности. Значительное коли­чество никеля в порошкообразном видепотребляется в производстве раз­личных никелевых сплавов и в качестве связкипри получении металлокерамическим способом твердых и сверхтвердых сплавов.

Никель широко применяется в качестве аккумуляторных электро­довв щелочных аккумуляторах. В Германии еще в годы войны был раз­работан методизготовления этих электродов из прессованных и спечен­ных при определенныхусловиях порошков чистого никеля. Этот способ стал широко применяться вГермании и других странах.

Имеются сообщения  о том, что пластинки для щелочных аккуму­ляторов,изготовленные из тонкого порошка чистейшего никеля, получен­ного через карбонилникеля, имеющие 80% пористости и большую по­верхность, показывают высокуюпроизводительность. Подобные аккуму­ляторы сохраняются без разрядки придлительном хранении (примерно до одного года).

Некоторое применение никель находит в виде неорганическихсоеди­нений в керамической промышленности для различных покрытий, эма­лированияи других целей.

     

                              5.2. Применение никелевых сплавов .

При всем разнообразии применения никеля в чистом виде надовсе же заметить, что расход его на эти цели составляет по тоннажу небольшуюдолю от общего потребления никеля — примерно 8%.

Главной и основной областью применения никеля почти современи зарождения никелевой промышленности являются металлические спла­вы, вкоторых никель является либо легирующим элементом, либо ос­новой никелевогосплава, легированного другими элементами.

Выше было приведено соотношение доли расхода никеля наметалли­ческие сплавы и в чистом виде для США за 1935 г.: примерно 82% длясплавов, 8% в чистом виде и 10% для никелирования.

За последние годы враспределении никеля по объектам его потребле­ния существенных изменений непроизошло. Так, в 1953 г. потребление никеля в США по различным объектамсоставило.

Заключение.

Никель является одним из чрезвычайно важных металлов; онимеет свою замечательную историю и заманчивые перспективы дальнейшегоприменения.

Как химический элемент никель известен немногим более 200лет, но практическое применение его в виде различных сплавов уходит в глубокуюдревность. В развитии человеческой культуры, в особенности народов За­кавказья,Средней Азии, Китая, Индии и Египта, известны примеры при­мененияникельсодержащих сплавов более чем за 3000 лет до нашей эры.

В истории первобытной культуры, в так называемом железномвеке никелю, наряду с его аналогом — железом, принадлежит особое место, так какэти два металла сопутствовали друг другу в самородном железе и особенно вметеоритном 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, беззнания его как металла, без знания его свойств и методов его получения в чистомвиде.

С конца XVIIIстолетия, с развитием естественных наук и в особен­ности химии, в орбитухозяйственной деятельности человека стало вовле­каться все большее и большеечисло металлов. В середине XVIIIвека был открыт никель как элемент.

В успешном развитии химической науки XIX века, в подготовке и открытии величайшего законаприроды — 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 вобосновании периодической системы элементов—   в изучении периодическогохарактера изменения свойств элементов, так как они были связующим звеном междуэлементами основной подгруппы и побочных групп (подгруппы В) периодическойсистемы, объясняя скач­кообразный характер изменения свойств элементов попериодам.

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 выявляетсяпериодичность  изменения  свойств  элементов.

С середины XIXвека никель стал находить практическое применение. Как легирующий элемент,придающий высокую вязкость и прочность сталям, как химически стойкий металл и какоснова многих металлических сплавов с особыми физическими свойствами — электрическими,магнит­ными и др. — никель становится важнейшим техническим металлом.

Быстрое развитие мирового производства никеля объясняетсяширо­кими и разносторонними потребностями быстро развивающейся техники

XIX и XX веков. Особенно большие масштабы производства никеля на­метилисьс первых лет настоящего столетия, когда начали легировать ни­келем стали, вособенности конструкционные, машиностроительные и бро­невые. Большое значениеполучили различного назначения чугуны, со­держащие никель.

С развитием многих отраслей техники появилась потребность ввысоко­легированных сталях и сплавах с особыми физическими, химическими имеханическими свойствами. В этом отношении первостепенная роль при­надлежала ипринадлежит никелю, никелевым сталям и никелевым спла­вам. К настоящему временинасчитывается более 3000 составов различных сталей и сплавов, где никельявляется основой или присутствует как ле­гирующий. элемент.

Применение никеля в современной технике весьма разнообразно.Он применяется в чистом виде как химически стойкий, ферромагнитный ма­териал ваппаратостроении, как катализатор и как материал для аккуму­ляторов. Чистыйникель применяется в значительных масштабах для за­щитных поверхностныхпокрытий: так называемое никелирование имеет большое значение для приданияповерхности металлических материалов высокой химической стойкости.

Большое развитие получило применение никеля в виде различныхсплавов на его основе. Следует особо отметить широкое применение сплавов никеля с хромом и железом (нихромы иферронихромы), коррозионно- и кислотостойких никелевых сплавов, жаропрочныхсплавов, сплавов никеля с медью, бериллием, кобальтом, твердых сплавов, гденикель 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 цветныхтяжелых металлов. Изд-во АН СССР,1948.

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