Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Никель
Никель — пластичный и высокопрочный металл, обладает ферромагнитными свойствами, поддается прокатке, ковке и штамповке, хорошо сваривается. Этот металл стоек в щелочах и других химически активных средах, не окисляется в атмосферных условиях даже при нагревании до 700—800°.
Благодаря указанным свойствам никель в чистом виде и особенно в сплавах нашел широкое применение. Co многими элементами никель образует твердые растворы, которые обладают ценными свойствами.
В настоящее время никель выпускают пяти марок чистотой от 97,6 до 99.99% (табл. 29).
Обычно в никеле содержится большое количество газов (водород, окись углерода, кислород), а также небольшое количество серы в виде сульфида (в катодах), кобальта, железа, меди, марганца, кремния, свинца, висмута, цинка и других элементов.
Наиболее вредными примесями являются сера, висмут, свинец, сурьма и цинк, а в некоторых случаях — кислород и углерод. Остальные примеси в тех пределах, в каких они допускаются по стандарту, находятся в твердом растворе и только незначительно влияют на физические и механические свойства никеля.
Кислород обычно присутствует в малых количествах в никеле в виде закиси никеля NiO и не оказывает заметного влияния на механические свойства никеля. Однако при отжиге никеля в восстановительной атмосфере, особенно в водороде, его механические свойства понижаются.
Кислород при высоких температурах находится в твердом растворе. В присутствии кислорода слитки при заливке никеля в смазанные изложницы получаются пузыристыми. Кроме того, кислород в никеле и медноникелевых сплавах вызывает водородную болезнь.
Сера с никелем образует несколько химических соединений. Химическое соединение Ni3S2 с никелем дает хрупкую эвтектику, плавящуюся при 644°, которая выделяется по границам кристаллов, сообщает никелю краcноломкость и делает его не пригодным для обработки давлением. Вредное влияние серы удается частично парализовать, если вводить марганец или магний, образующие соединения MnS или MgS. При плавке никеля и его сплавов в качестве десульфуратора часто применяется магний.
Углерод, входящий в твердый раствор в количестве до 0,1 %, не оказывает вредного действия на свойства никеля. При большем содержании углерода он при отжиге выпадает из твердого раствора в виде графита и понижает пластичность никеля в холодном состоянии.
Свинец и висмут в никеле практически не растворимы в твердом состоянии. Уже незначительные содержания свинца и висмута (0,002—0,005%) делают невозможным горячую обработку никеля и его сплавов, так как слиток разрушается.
Механические свойства, а особенно электросопротивление, никеля в сильной мере зависят от степени деформации никеля и температуры отжига, что следует из кривых, приведенных на рис. 33, 34.
Алюминий с никелем образует облагораживаемые сплавы: он повышает электросопротивление и коррозионную стойкость никеля и значительно понижает температуру его магнитного превращения.
Добавки алюминия к никелевым сплавам повышают их жаропрочность.
Вольфрам образует с никелем твердые растворы в широком интервале концентраций. Добавки вольфрама сильно повышают электросопротивление и жаропрочность никеля, а также коррозионную стойкость его сплавов в некоторых агрессивных средах. Вольфрам повышает прочность никеля, но снижает его пластичность.
Железо образует с никелем непрерывный ряд твердых растворов и в небольших количествах не сказывает заметного влияния на механические свойства никеля.
В сплавах, идущих для изготовления компенсационных проводов, а также в сплавах типа алюмель присутствие железа нежелательно, так как оно изменяет термоэлектродвижущую силу.
На основе системы никель — железо созданы сплавы с нулевым температурным коэффициентом расширения.
Кремний ограниченно растворим в никеле, является энергичным раскислителем никеля и улучшает его литейные свойства. Небольшие добавки кремния положительно влияют на химическую стойкость никеля и повышают его прочность.
Кобальт образует с никелем непрерывный ряд твердых растворов, повышает твердость, жаростойкость и жаропрочность никеля. Сплавы кобальта с никелем обладают высокой коэрцитивной силой.
Марганец с никелем образует большую область твердого раствора, положительно влияет на технологические и механические свойства и повышает жаростойкость никеля. Он является также хорошим раскислителем и парализует вредное действие серы. Кроме того, добавка марганца уменьшает хрупкость мельхиоровых сплавов и повышает электросопротивление никеля.
Медь образует с никелем непрерывный ряд твердых растворов и в очень многих сплавах является основной легирующей добавкой. Она повышает коррозионную стойкость, прочность, твердость и электросопротивление никеля (рис. 35).
Хром и молибден образуют с никелем широкие области твердых растворов. Добавки этих элементов повышают химическую стойкость и жаропрочность никеля.
Сплавы никеля
Основная область применения никеля — производство сплавов, в которых никель применяется как легирующий элемент или как основа сплава, легированного другими элементами.
В промышленности используется очень много сплавов, содержащих никель. Наиболее распространенные никельсодержащие сплавы — группа жаропрочных и нержавеющих сталей, применяемых в России и США, — приведены в табл. 30.
В этих сталях, наряду с легированием основными легирующими элементами — никелем и хромом, также производится легирование титаном, молибденом, вольфрамом, ниобием и другими элементами. Легирующие добавки вызывают значительное повышение жаропрочности, коррозионной стойкости и механических свойств стали.
В связи с созданием реактивной техники и газотурбинных установок возникла потребность в высокожаропрочных сплавах, обладающих, кроме того, химической стойкостью. За последние годы разработано очень много жаропрочных химически стойких сплавов.
Широко применяется никель как легирующая добавка к чугунам; чугун с 4% никеля и 2% хрома обладает высокой твердостью, а с 1,5% никеля, 0.57о хрома и 0,5% молибдена — высокой прочностью (42— 47 кг/мм2). Добавка в белый чугун 4% никеля делает его очень твердым; такой чугун используется для отливки валков мощных прокатных станов.
В электронной технике используются железоникелевые сплавы магнитные — с заданным коэффициентом расширения и высоким модулем упругости. Сплавы, содержащие 14% никеля, 24% кобальта, 51% меди, 3% алюминия, остальное железо, применяются для изготовления постоянных магнитов, а сплав, содержащий 70% никеля, 15% железа, 10% хрома и 5% молибдена, обеспечивает начальную магнитную проницаемость 120 тыс. гс/эрсг.
Никельмарганцевые сплавы содержат различные количества марганца (от 2,5 до 5%), отличаются повышенной жаростойкостью, хорошими механическими, коррозионными и технологическими свойствами и применяются для изготовления деталей радиоламп, запальных свечей двигателей внутреннего сгорания и для других целей.
Медноникелевые сплавы с добавками железа и марганца очень хорошо противостоят коррозии, обладают высокими механическими свойствами и применяются для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах.
Мельхиор и нейзильбер — группа медноникелевых и медноникелевоцинковых сплавов, содержащих 5—35% никеля и 13—45% цинка, относятся к типичным твердым растворам. Мельхиор и нейзильбер характеризуются высокой коррозионной стойкостью, хорошими механическими и технологическими свойствами и применяются в виде лент, листов и проволоки для изготовления медицинского инструмента, деталей в приборах и аппаратах точной механики, для электротехнических целей, а также для художественных изделий и изделий широкого потребления.
Термоэлектродные сплавы — группа никелевых сплавов с добавками меди, марганца, хрома, железа, алюминия и некоторых других элементов. Они применяются в качестве компенсационных проводов и в пирометрии как отрицательные и положительные электроды термопар.
Химический состав и некоторые физические свойства таких сплавов приведены в табл. 31.
Сплавы сопротивления — группа сплавов никеля с хромом с добавками железа, марганца, кремния, вольфрама и других элементов. Эти сплавы обладают высоким удельным сопротивлением, высокими механическими свойствами, жаропрочностью и высокой коррозионной стойкостью.
Добавки сильно влияют на долговечность и физические свойства сплавов сопротивления. Влияние добавок на долговечность одного из наиболее распространенного сплава сопротивления — нихрома — приведена на рис. 36.
Химический состав, некоторые свойства и примерное назначение сплавов сопротивления приведены в табл. 32.
Магнитные сплавы — сплавы никеля с железом, никеля с медью, никеля с молибденом и медью и некоторые другие, обладающие высокой магнитной проницаемостью, большой коэрцитивной силой и другими свойствами, применяются для изготовления постоянных магнитов и других деталей в электротехнике.
