Физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные, свойства металлов (перечислить)

Никелевые сплавы

В сплавах никель (вместе с кобальтом) соединяется с алюминием, кремнием, марганцем, железом и хромом. Согласно ГОСТ 492-73, в них допускается не более 1,4 % примесей. В составе примесей содержится незначительная доля магния, свинца, серы, углерода, висмута, мышьяка, сурьмы, кадмия, олова. Отдельной группой выступают медно-никелевые сплавы.

Все сплавы никеля разделяются на четыре большие группы:

Конструкционные. Особенность этих сплавов — высокие механические свойства и повышенная устойчивость к коррозии. К этой группе относятся прежде всего сплавы на медно-никелевой основе, такие как мельхиор, монель, нейзильбер. Они хорошо свариваются и поддаются обработке в холодном и горячем виде.
Жаростойкие. Основными элементами этих сплавов являются никель и железо. Они отличаются высокой жаростойкостью и жаропрочностью, применяются преимущественно для производства электронагревательных приборов. Их также используют для изготовления малогабаритных тензорезисторов и потенциометрических обмоток.
Термоэлектродные. Это сплавы с высоким удельным сопротивлением и большой электродвижущей силой. Их используют для производства компенсационных проводов, термопар, прецизионных приборов. К данной группе относятся некоторые никелевые (хромель, алюмель) и медно-никелевые (константан, копель, манганин) сплавы.
Сплавы с особыми свойствами. В эту группу входят сплавы, которые находят особое применение благодаря своим уникальным свойствам. Инвар — сплав никеля и железа, который отличается повышенной упругостью. Он применяется для изготовления эталонов длины, мерных геодезических проволок, несущих конструкций лазеров, деталей часовых механизмов и др. Пермаллой — также сплав никеля и железа, обладающий высокой проницаемостью в магнитных полях. Его используют для производства магнитопроводов, деталей реле, сердечников трансформаторов и др.

Сплав с кремнием

Кремнистый никель НК 0,2 содержит 99,4 % никеля (с кобальтом), 0,15 — 0,25 % кремния и до 0,45 % примесей. Из этого сплава изготавливаются ленты и полосы, которые находят применения в электротехнике: из них делают детали приборов и устройств.

Сплавы никеля и марганца

Марганцевый никель выпускается четырех марок — НМц1, НМц2, НМц2,5 и НМц5. Из сплава НМц1 производят сетки управления ртутных выпрямителей. НМц2 находит применение в электронных лампах повышенной прочности, используется для держателей сеток и др. Проволока из сплавов НМц2,5 и НМц5 используется в свечах двигателей — автомобильных, авиационных и тракторных. НМц5 также применяется для радиоламп.

Алюмель

Алюмель (НМцАК 2-2-1) — сплав никеля, алюминия, марганца и кремния. Он содержит 1,60−2,40 % алюминия, 1,80−2,70 % марганца, 0,85−1,50 кремния, до 0,7 % примесей, остальная часть — никель с кобальтом (кобальта — до 1,2 %). Алюмель применяется для изготовления термопар, которые используются для измерения температуры в различных областях промышленности, системах автоматики, а также в медицине и научных исследованиях.

Хромели

Хромель Т (НХ 9,5) — сплав никеля и 9-10 % хрома с содержанием примесей в количестве не более 1,4 %. Из этого сплава изготавливают проволоку для термопар.

Хромель К (НХ 9) содержит 8,5−10 % хрома и до 1,4 % примесей. Проволока из данного сплава используется для компенсационных проводов.

В состав хромеля ТМ (НХМ 9,5) входит 9−10 % хрома, 0,1−0,6 % кремния и до 0,15 % примесей. Сплав используется для изготовления термопар.

Хромель КМ (НХМ 9) — это сплав никеля, 8,5−10 % хрома, 0,1−0,6 % кремния с содержанием не более 0,15 % примесей. Применяется для изготовления проволоки компенсационных проводов.

Марки и химический состав сплава

Сплавы изготавливаются на основе меди, в которую добавляется никель и другие составляющие, согласно ГОСТ 492-73. Обладая высокой пластичностью, материалы относятся к обрабатываемым давлением. Дополнительно легируются другими элементами:

марганцем;
алюминием;
цинком;
железом.

Наибольшее количество выпускаемых сплавов приходится на двухкомпонентные составы, которые отличаются лишь содержанием основных веществ. Это марки МН25, МН19 и МН95-5. с увеличением доли никеля повышается электросопротивление и прочность. Снижаются теплопроводность, пластичность и линейное расширение. Например, МН95-5 характеризуется хорошими механическими свойствами, легко обрабатывается давлением, не образует коррозионных трещин.

Мельхиор марки МН19 значительно превосходит МН95-5 по прочности, твердости, коррозионной устойчивости. Он не образует микротрещин при низких температурах, подвергается холодной и горячей штамповке. Температура плавления и рекристаллизации (переход в твердое состояние) у него гораздо выше.

Конструкционные составы обладают высокой коррозионной прочностью и твердостью. В качестве дополнительных легирующих веществ в них входят хром, магний, литий, кобальт. К таким сплавам относятся:

куниали;
нейзильбер;
мельхиоры;
МН95-5;
МНЖ5-1.

Сплавы представляют собой твердые растворы никеля и других компонентов. Имеют высокую прочность, коррозионную устойчивость. Свои свойства приобретают после термической обработки.

Куниали — трехкомпонентные составы с добавлением алюминия. Обрабатываются давлением в горячем состоянии. Нейзильберы и мельхиоры устойчивы в кислой и щелочной среде, морской воде. Обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Обработка резанием допускается только на малых режимах, чтобы исключить сильный нагрев и подкаливание в зоне реза.

Электротехнические составы отличаются высокой электропроводностью, пластичностью, стабильной ЭДС. К ним можно отнести:

МН0,6 — ТП;
МНЖКТ5-1-0.2-0.2;
МНМц40-1,5 — Константан;
МНМц3-12;
МНМц43-0,5 — Копель.

Из них изготавливают проволоку, прутки и полосу методом проката. Применяют в различных электрических приборах, сетях, термопарах и другом электрическом оборудовании.

Добавление марганца делает медно-никелевые составы пластичными, устойчивыми к низким температурам.

Производство сплава

Параметры никеля

Никель – это металл со свойственным ему серебристо-белым цветом. При температуре 1453 °C переходит в жидкое состояние, а кипит при 2732 °C. Никель пластичен, легко поддается обработке под воздействием давления.

Химическое свойство никеля характеризуется способностью образовывать соединения с разной степенью окисления. В естественных условиях на поверхности металла возникает тонкая пленка из оксида.

Металл обладает высоким показателем устойчивости к коррозии. Никель не реагирует с рядом концентрированных кислот и щелочей, но активно растворяется в разбавленной азотной кислоте.

Вступая в химические реакции, никель образует летучие металлы и растворимые/нерастворимые соли

С никелем не вступают в реакцию:

инертные газы;
литий;
калий;
натрий;
цезий;
рубидий;
стронций;
барий;
иридий;
цезий.

С углеродным соединением никель образует карбонил — летучий переходный металл, используемый в процессе получения материалов высокого класса чистоты. Порошок никеля способен самовоспламеняться при соприкосновении с воздухом с образованием оксидов.

Никель продуцирует ряд растворимых и нерастворимых солей. Например, раствор сульфата металла придает жидкости зеленую окраску. Нерастворимые соли обычно имеют насыщенный желтый цвет.

Гидрофизические свойства

Последствия воздействия на материал воды или морозов во многом зависят от степени его плотности и пористости, которые влияют на уровень водопоглощения, водопроницаемости, морозостойкости, теплопроводности и др.

Водопоглощением называется способность вещества впитывать и удерживать в себе влагу. Высокий уровень пористости при этом играет важную роль.

Влагоотдача является свойством, противоположным водопоглощению, то есть характеризует материал со стороны отдачи влаги в окружающую его среду. Эта величина играет важную роль в обработке некоторых веществ, например, строительных, которые в процессе возведения имеют высокую влажность. Благодаря влагоотдаче они высыхают до тех пор, пока их влажность не сравняется с окружающей средой.

Гигроскопичность – это свойство предусматривающее поглощение объектом водяных паров извне. Например, древесина способна поглощать много влаги, в результате чего растет ее масса, снижается уровень прочности и меняется размер.

Усушка или усадка – это гидрофизическое свойство материалов, которое предусматривает уменьшение его объемов и размера в процессе высыхания.

Водостойкостью называется способность вещества сохранять свою прочность в результате увлажнения.

Морозостойкостью является способность материала, насыщенного водой, многократно выдерживать заморозку и оттаивание без снижения уровня прочности и разрушения.

Физические, химические и технологические свойства стали

3. Физические, химические и технологические свойства стали

из которой выполнены детали данного узла.

СТ 3 – это сталь углеродистая обыкновенного качества. Основным металлом в этой стали, является железо

Таблица № 1

Основной плотность t°C коэффиц. удельная теплопро- удельное

металл г/см³ плавления линейного теплоемк. С водность электрич.

стали расширения кал/г-град λкал 1см соедине-

7,86 1539 11,9 0,11 0,14 0,10

а) Физические свойства

К физическим свойствам стали относятся: удельный вес, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, удельная теплоемкость, электропроводность и способность намагничиваться.

Плотностью называется количество вещества содержащегося в единице объема V.

Температура плавления – это температура, при которой металл полностью переходит из твердого состояния в жидкое.

Теплопроводность – это свойство тел проводить с той или иной скоростью тепло при нагреве.

Тепловое расширение- свойство металлов расширяться при нагревании.

б) Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность металлов и

сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др.

Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. К химическому воздействию активных сред относятся: окисляемость, растворимость, коррозийная стойкость. Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалиностойкими.

Сопротивление коррозии, окалинообразованию и растворению, определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.

марка Содержание элементов в стали %

стали

углерод кремений марганец фосфор сера сваряемость

СТ-3 до 0,22 0,050 0,055 хорошая

в) Технологические свойства.

Из технологических свойств наибольшее значение имеют обрабатываемость, свариваемость, ковкость, прокаливаемость.

комплексное свойство материала, в частности металла, характеризующее способность его подвергаться обработке резанием. Обычно обрабатываемость определяется по скорости резания и по чистоте обработки.

свойство металла, давать доброкачественное соединение при сварке, характеризующееся отсутствием трещин и других пороков металла в швах и к прилегающим к шву зонах.

способность металлов и сплавов без разрушения изменять свою форму при обработке давлением.

способность стали воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности.

-способность расплавленного металла хорошо заполнять полость литейной формы.

4. Организация рабочего места при сварке узла.

Рабочим местом при сварке является сварочный пост. Посты подразделяются на стационарные и передвижные. Стационарные это посты, находящиеся в цехах, преимущественно в сварочных кабинах, в которых свариваются изделия небольших размеров.

В кабине должен стоять источник питания (трансформатор) присоединенный проводом к нему электродержатель, предназначенный для зажима электрода.

Ток к электродержателю и изделию проводится по проводам. К вспомогательным инструментам относятся проволочные щетки для зачистки кромок перед сваркой, молоток для удаления шлаковой корки, зубило для вырубания некачественных швов, набор шаблонов для проверки размеров швов, метр, стальная линейка, отвес, угольник, чертилка, мел, а так же ящик для хранения и переноски инструмента.

Применение

В 2015 году 67 % потребления никеля пришлось на производство нержавеющей стали, 17 % на сплавы без железа, 7 % на никелирование и 9 % на прочие применения, такие как аккумуляторы, порошковая металлургия и химические реактивы.

Сплавы

Никель является основой большинства суперсплавов — жаропрочных материалов, применяемых в аэрокосмической промышленности для деталей силовых установок.

монель-металл (65—67 % Ni + 30—32 % Cu + 1 % Mn), жаростойкий до 500 °C, очень коррозионно-устойчив;
белое золото (например, 585 пробы содержит 58,5 % золота и сплав (лигатуру) из серебра и никеля (или палладия));
нихром, сплав никеля и хрома (60 % Ni + 40 % Cr);
пермаллой (76 % Ni + 17 %Fe + 5 % Cu + 2 % Cr), обладает высокой магнитной восприимчивостью при очень малых потерях на гистерезис;
инвар (65 % Fe + 35 % Ni), почти не удлиняется при нагревании;
Кроме того, к сплавам никеля относятся никелевые и хромоникелевые стали, нейзильбер и различные сплавы сопротивления типа константана, никелина и манганина.
Никель присутствует в качестве компонента ряда нержавеющих сталей.

Никелирование

Никелирование — создание никелевого покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии. Проводится гальваническим способом с использованием электролитов, содержащих сульфат никеля(II), хлорид натрия, гидроксид бора, поверхностно-активные и глянцующие вещества, и растворимых никелевых анодов. Толщина получаемого никелевого слоя составляет 12—36 мкм. Устойчивость блеска поверхности может быть обеспечена последующим хромированием (толщина слоя хрома — 0,3 мкм).

Бестоковое никелирование проводится в растворе смеси хлорида никеля(II) и гипофосфита натрия в присутствии цитрата натрия:

NiCl₂ + NaH₂PO₂ + H₂O → Ni + NaH₂PO₃ + 2HCl

Процесс проводят при рН 4—6 и 95 °C.

Радиационные технологии

Нуклид 63Ni, излучающий β—частицы, имеет период полураспада 100,1 года и применяется в крайтронах, а также детекторах электронного захвата (ЭЗД) в газовой хроматографии.

Монетное дело

Никель широко применяется при производстве монет во многих странах. В США монета достоинством в 5 центов носит разговорное название «никель».

Определение характеристик

Основные характеристики механических свойств материалов следующие.

1. Временное сопротивление или предел прочности — та сила напряжения, которая зафиксирована при наибольшей нагрузке перед разрушением образца. Механические характеристики прочности и пластичности материалов описывают свойства твёрдых тел сопротивляться необратимым изменениям формы и разрушению под влиянием внешних нагрузок.

2. Условным пределом текучести называется напряжение, когда остаточная деформация достигнет 0,2% длины образца. Это наименьшее напряжение в то время, как образец продолжает деформироваться без заметного увеличения нагрузок.

3. Пределом длительной прочности называют наибольшее напряжение, при данной температуре вызывающее в течение определённого времени разрушение образца. Определение механических характеристик материалов ориентируется на предельные единицы длительной прочности — разрушение происходит при 7 000 градусах по Цельсию за 100 часов.

4. Условным пределом ползучести называется напряжение, вызывающее при данной температуре за определённое время в образце заданное удлинение, а также скорость ползучести. Пределом считается деформация металла за 100 часов при 7 000 градусах по Цельсию на 0,2%. Ползучестью называется определённая скорость деформации металлов при постоянном нагружении и высокой температуре в течение длительного времени. Жаропрочность — это сопротивление материала разрушению и ползучести.

5. Пределом выносливости называют наибольшее значение напряжения цикла, когда усталостного разрушения не происходит. Число циклов нагружения может быть заданное или произвольное, в зависимости от того, как запланированы механические испытания материалов. Механические характеристики включают в себя усталость и выносливость материала. Под действием нагрузок в цикле накапливаются повреждения, образуются трещины, приводящие к разрушению. Это усталость. А свойство сопротивления усталости — выносливость.

Физические и химические качества

Каждый так или иначе в жизни сталкивался с химией в быту и химическими реакциями. Это взаимодействие определённого вещества с другим, в результате которого появляется третье. Простейший пример — растворение поваренной соли в воде. Способность металлов реагировать с другими веществами и отношение к воздействиям активных сред — это и есть химические свойства. К ним относятся окисляемость и коррозионная стойкость. Металлы реагируют с кислородом, образуя плёнку, это свойство называется окисляемость. Кристаллическая решётка металлов выглядит таким образом, что они имеют на внешнем уровне один, два или три электрона, которые отдают, проявляя восстановительные свойства.

При перемещении в таблице Менделеева слева направо увеличивается число электронов на внешнем уровне, при этом происходит усиление окислительных свойств. Также все металлы подвержены коррозии. Способность противостоять коррозии — это и есть коррозионная стойкость. К физическим свойствам относятся:

Плавление.
Плотность.
Теплопроводность.
Тепловое расширение.
Электропроводность.

Количество вещества, содержащееся в единице объёма материала, называется плотностью или удельным весом.

Лёгкими считаются алюминий, олово, магний, титан. Тяжёлыми являются более 40 существующих в природе элементов. Это хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут.

Способность металла переходить из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением. Все материалы имеют разные температуры плавления. Некоторые сплавы — тугоплавкие, другие тягучие и легко превращаются в жидкую массу под действием высоких температур. Теплопроводность характеризует скорость проведения тепла при нагревании. Проводя сравнение с другими материалами, можно заметить, что металлы имеют хорошую теплопроводность. В отличие от диэлектриков металлические сплавы проводят электрический ток, но некоторые из них делают это лучше, некоторые почему-то хуже. Такая способность называется электропроводностью или токопроводимостью и зависит от строения кристаллической решётки. Хорошо проводят ток серебро, медь, золото, алюминий и железо. Эти металлы довольно широко распространены в приборостроении и электротехнической промышленности.

К механическим свойствам металлов относятся твёрдость, прочность, упругость, вязкость и пластичность.

СТРУКТУРА

Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 å нм, пространственная группа Fm3m. Эта кристаллическая структура устойчива к давлению, по меньшей мере 70 ГПа. При обычных условиях никель существует в виде b-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую решётку ( a = 3,5236 å). Но никель, подвергнутый катодному распылению в атмосфере h 2 , образует a-модификацию, имеющую гексагональную решётку плотнейшей упаковки ( а = 2,65 å, с = 4,32 å), которая при нагревании выше 200 °С переходит в кубическую. Компактный кубический никель имеет плотность 8,9 г/см3 (20 °С), атомный радиус 1,24 å

Отрасли применения никеля

Разберемся, в каких отраслях используется материал:

Производство нержавеющей стали.
Создание защитных покрытий методом гальванизации.
Применение в порошковой металлургии.
Создание сплавов, в которых нет железа.
Изготовление химических реагентов.

Такое вещество применяется при производстве аккумуляторов. Никель выполняет функцию катализатора в промышленности. Легирование титаном позволяет создавать зубные импланты хорошего качества.

Сплав никеля, содержащий от 20 до 60% железа, применяется в производстве сердечников для электромагнитов.

Из никеля создаются:

Фольга.
Проволока.
Трубы.

Никелевый прокат применяется для взаимодействия со щелочами в химической промышленности. Из такого металла изготавливают медицинские приспособления.

Термопары на основе хромеля-копеля тоже используются в промышленности. Нихромы считаются важными металлами для изготовления технически сложных устройств. Добавление кремния позволяет создавать детали для электронагревателей. Соединение нихрома, титана и алюминия называют нимониками. Термостойкость материалов позволяет использовать их в проектировании авиационных двигателей. Литейные сплавы можно дополнительно легировать для повышения термостойкости. Структура таких металлов неоднородная, поэтому свойства вещества не совпадают на определенных участках.

Опробованы методы изготовления жаропрочных композиционных металлов, в никель добавляются такие элементы:

Торий.
Алюминий.
Цирконий.

Широко используется сплав с добавлением окислов тория. Повышение электрического сопротивления удается получить после легирования такими элементами.

Употребление никеля в чистом виде:

Элемент применяется для защиты других соединений от ржавчины. С помощью гальванопластики одно вещество наносится на другое.
Изготовление устойчивых к коррозии изделий, долго сохраняющих первоначальную форму.
Производство фильтров и катализаторов, используемых в промышленности.
Создание механических прерывателей нейтронного пучка.

По причине высокой стоимости никель применяется только в ситуациях, когда железные или стальные детали не подходят. Вещество используется для изготовления котлов, цистерн для транспортировки и переработки щелочей, хранения химических реагентов, продуктов питания и т. д. В никелевых трубах создаются конденсаты. Из этого материала изготавливаются инструменты для работы с агрессивными веществами. Поэтому их часто применяют в медицине и при взаимодействии с химическими реагентами.

Характеристики и свойства сплава

Кроме железа и никеля в сплавах применяют такие металлы, как хром, алюминий, вольфрам, титан, молибден и алюминий. В результате добавления данных элементов добиваются следующих физико-механических свойств:

механическая прочность, в зависимости от температуры среды применения — от 150 до 860 Мпа;
коэффициент проводимости тепла при нормальной температуре имеет значение от 17,5 Вт/м2*К до 24,5 Вт/м2*К;
стойкость к действию температуры до 1350°С;
выносливость при постоянной нагрузке до 190 Мпа;
модуль Юнга при нормальной температуре — от 2 Гпа до 19 Гпа;
окислительная интенсивность — 170 г/м2*ч;
средняя плотность — 8130 кг/м3.

Сплав железа с никелем обладает высокой жаропрочностью и поддается обработке после плавления, в результате чего поверхность защищают от действий коррозии. Их можно обрабатывать различными видами сварки, материал обладает пластичностью и стойкостью к окислениям агрессивных сред.

Температура плавления сплава