В земной коре содержится 0,008% никеля. Это достаточно прочный и вязкий металл. Он не испытывает полиморфных превращений и вплоть до температуры плавления имеет ГЦК решетку. Никель ферромагнитен, точка Кюри 358° С. Одним из важных магнитных свойств этого металла является магнитострикция, то есть относительное изменение длины магнитного тела при намагничивании. В зависимости от напряженности магнитного поля никель соответственно укорачивается. Никель сохраняет пластические свойства, как при высокой, так и при очень низкой температуре (см. таблицу). Никель хорошо обрабатывается в горячем и холодном состояниях. После холодной деформации он наклепывается и сильно упрочняется. Наклеп может быть снят путем отжига при температуре выше температуры рекристаллизации (в зависимости от степени чистоты 200 – 600°С). Отжиг снижает прочность никеля и повышает его пластичность.
Т, °С | σв, МПа | δ, % | ψ, % |
+17 | 442 | 35 | 77 |
-196 | 620 | 46 | 89 |
-253 | 775 | 48 | 69 |
В атмосферных условиях никель один из наиболее коррозионностойких металлов. Это связано с тем, что в начальной стадии окисления на его поверхности образуется тонкая и прочная защитная пленка, которая препятствует дальнейшему окислению и коррозии. Никель сохраняет высокую коррозионную стойкость и при нагревании. Он устойчив в расплавах щелочей, в нейтральных и щелочных растворах солей, соляной, серной, азотной, уксусной и угольной кислот. В то же время на никель сильно действуют азотная (за исключением концентрированной) и азотистая кислоты. В разбавленных органических кислотах и других органических соединениях никель достаточно стоек. Он пригоден для изготовления аппаратуры, работающей при нормальной температуре в контакте с серной и разбавленной соляной кислотами.
Маркировка технического никеля Н-0 (99,99% Ni), Н-1, Н-2, Н-3, Н-4 (97,6% Ni). Большая часть никеля применяется в качестве легирующих добавок для производства различных сплавов с железом, цинком, кобальтом, медью и другими металлами.
В качестве конструкционного материала технический никель применяют для изготовления химического оборудования, в частности резервуаров и цистерн химических реагентов, для транспортировки щелочей и других химических и пищевых продуктов. Никелевые сплавы – кислотостойкие, жаростойкие и жаропрочные материалы. Наибольшее распространение получили сплавы на никелевой основе в сочетании с медью, хромом, молибденом, железом, титаном, бериллием. Важнейшие легирующие элементы растворимы в никеле, поэтому основные конструкционные сплавы на его основе, обладая хорошей прочностью и удовлетворительной пластичностью, подвергаются всем видам обработки в горячем и холодном состояниях: ковке, прокатке, штамповке. Никелевые сплавы можно условно разделить на 4 группы: конструкционные (кислотостойкие), электротехнические, сплавы с особыми свойствами и жаропрочные.
Из никелевых сплавов первой группы наиболее распространен сплав монель (монель-металл) – кислотостойкий сплав, содержащий в качестве основного легирующего элемента медь. Он относится к сплавам типа твердых растворов и обладает высокой прочностью, хорошей пластичностью в холодном и горячем состояниях, удовлетворительно обрабатывается и сваривается. Монель широко применяется в химическом машиностроении, судостроительной промышленности и других отраслях машино- и аппаратостроения. Сплавы типа хастеллой и инконель обладают высокой коррозионной стойкостью и применяются для сварной химической аппаратуры.
К сплавам второй группы относятся кремнистый никель (НК02), марганцовистый никель (НМц 2,5), константан, нихром и др.
Третья группа сплавов включает такие сплавы, как пермаллой, суперпермаллой, инвар, элливар, и др. Они обладают особыми физическими свойствами и применяются для изготовления постоянных магнитов, деталей, не подвергающихся намагничиванию, деталей приборов с постоянными линейными размерами и т.д.
Жаропрочные и жаростойкие никелевые сплавы содержат в качестве основного легирующего элемента хром, а также добавки титана, алюминия, молибдена, вольфрама, ванадия. Никелевые деформируемые жаропрочные сплавы предназначаются для изготовления напряженных деталей (рабочие лопатки, диски газовых турбин), работающих при нагреве до 800 – 850°С.
Сварка сплавов никеля связана с серьезными затруднениями, вызванными их особыми физико-химическими свойствами:
1. Большая склонность к образованию пор связана с резким изменением растворимости кислорода, азота и водорода при переходе металла из твердого в жидкое состояние По указанной причине технология сварки должна обеспечивать надежную защиту зоны сварки от атмосферного воздуха, хорошее раскисление и дегазацию сварочной ванны. Эффективная мера предотвращения пористости – сварка короткой дугой (до 1,5 мм), что резко уменьшает подсос газов из атмосферы.
2. Высокая склонность металла к образованию кристаллизационных трещин связана с образованием по границам крупных зерен, имеющих транскристаллитное строение, легкоплавких эвтектик типа Ni3S + Ni (Тпл = 645°С), Ni3Р + Ni (Тпл – 880°С). Для предотвращения возникновения таких трещин в основном металле и сварочных материалах ограничивают содержание вредных примесей и вводят элементы, связывающие серу в более тугоплавкие соединения: до 5% Mn и до 0,1% Mg. Для ограничения роста зерна сварку ведут на ограниченной погонной энергии и вводят в небольшом количестве в металл шва модификаторы (титан, алюминий, молибден), измельчающие его структуру. При многопроходной сварке последующие швы необходимо накладывать после полного охлаждения предыдущих.
3. При сварке никеля и его сплавов металл сварочной ванны менее жидкотекуч, чем при сварке стали, и проплавляется на меньшую глубину, поэтому необходимо несколько увеличивать угол разделки кромок.