Физические и химические свойства

Физические и химические свойства. При обычных условиях никель существует в виде b-модификации, имеющей гранецентрированную кубическую рештку a 3,5236 HYPER13 INCLUDEPICTURE httpencycl.yandex.ruillustrations04201.g if MERGEFORMATINET HYPER14HYPER15. Но Н подвергнутый катодному распылению в атмосфере H2, образует a-модификацию, имеющую гексагональную рештку плотнейшей упаковки а 2,65 HYPER13 INCLUDEPICTURE httpencycl.yandex.ruillustrations04202.g if MERGEFORMATINET HYPER14HYPER15, с 4,32 HYPER13 INCLUDEPICTURE httpencycl.yandex.ruillustrations04203.g if MERGEFORMATINET HYPER14HYPER15, которая при нагревании выше 200 С переходит в кубическую.

Компактный кубический Н. имеет плотность 8,9 гсм3 20 С, атомный радиус 1,24 HYPER13 INCLUDEPICTURE httpencycl.yandex.ruillustrations04204.g if MERGEFORMATINET HYPER14HYPER15, ионные радиусы Ni2 0,79 HYPER13 INCLUDEPICTURE httpencycl.yandex.ruillustrations04205.g if MERGEFORMATINET HYPER14HYPER15, Ni3 0,72 HYPER13 INCLUDEPICTURE httpencycl.yandex.ruillustrations04206.g if MERGEFORMATINET HYPER14HYPER15 tпл 1453 С tkип около 3000 С удельная тепломкость при 20 С 0,440 кджкг-К 0,105 калгС температурный коэффициент линейного расширения 13,310-6 0-100 С теплопроводность при 25 С 90,1 вмl м-K0,215 калсм-сек-оС то же при 500 С 60,01 вмм-К 0,148 калсм сек-оС. Удельное электросопротивление при 20 С 68,4 ном-м, т. е. 6,84 мкОм-См температурный коэффициент электросопротивления 6,8Ч10-3 0-100 С. Никель - ковкий и тягучий металл, из него можно изготовлять тончайшие листы и трубки.

Предел прочности при растяжении 400-500 Мнм2 т. е. 40-50 кгсмм2, предел упругости 80 Мнм2, предел текучести 120 Мнм2 относительное удлинение 40 модуль нормальной упругости 205 Гнм2 тврдость по Бринеллю 600-800 Мнм2. В температурном интервале от 0 до 631 К верхняя граница соответствует HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D0C2E751A-E8FB-429B-B743-33B6AB 8454BA HYPER14Кюри точкеHYPER15 никель ферромагнитен. HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DCF26EE5C-8943-486A-989C-946E43 40A517 HYPER14ФерромагнетизмHYPER15 никеля 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-электронной оболочкой к переходным 3d-металлам.

Электроны недостроенной оболочки создают нескомпенсированный спиновый магнитный момент, эффективное значение которого для атомов никеля составляет 6 mБ, где mБ - HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D11E71265-53AC-4448-9B1A-CBDB5C 2493C3 HYPER14Бора магнетонHYPER15. Положительное значение HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D4A1FA692-19DD-4EAD-9EBA-5F1E0C 732720 HYPER14обменного взаимодействияHYPER15 в кристаллах никеля приводит к параллельной ориентации атомных магнитных моментов, т. е. к ферромагнетизму.

По той же причине сплавы и ряд соединений никель окислы, галогениды и др. магнитоупорядочены обладают ферро реже ферримагнитной структурой, см. HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D56E5D268-CE0B-430D-800E-0582DA 990995 HYPER14Магнитная структураHYPER15. Н. входит в состав важнейших HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D9AC06EB0-9A52-4C12-8AB0-1C870D AC5A6A HYPER14магнитных материаловHYPER15 и сплавов с минимальным значением коэффициента теплового расширения HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D63C3743C-A8E3-4276-AA66-A2D125 4DAE60 HYPER14пермаллойHYPER15, HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D551473D3-C4F1-4A3E-9F09-278809 4E84CC HYPER14монель-металлHYPER15, HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D661409FA-F2F3-4191-AA16-3DA177 6B625E HYPER14инварHYPER15 и др В химическом отношении Ni сходен с Fe и Со, но также и с Cu и благородными металлами.

В соединениях проявляет переменную валентность чаще всего 2-валентен.

Н металл средней активности, Поглощает особенно в мелкораздробленном состоянии большие количества газов H2, CO и др. насыщение Н. газами ухудшает его механические свойства. Взаимодействие с кислородом начинается при 500 С в мелкодисперсном состоянии Н. пирофорен - на воздухе самовоспламеняется.

Из окислов наиболее важна закись NiO - зеленоватые кристаллы, практически нерастворимые в воде минерал бунзенит.

Гидроокись выпадает из растворов никелевых солей при прибавлении щелочей в виде объмистого осадка яблочно-зелного цвета.

При нагревании Н. соединяется с галогенами, образуя NiX2. Сгорая в парах серы, дат сульфид, близкий по составу к Ni3S2. Моносульфид NiS может быть получен нагреванием NiO с серой. С азотом Н. не реагирует даже при высоких температурах до 1400 С. Растворимость азота в тврдом Н. приблизительно 0,07 по массе при 445 С. Нитрид Ni3N может быть получен пропусканием NH3 над NiF2, NiBr2 или порошком металла при 445 С. Под действием паров фосфора при высокой температуре образуется фосфид Ni3P2 в виде серой массы.

В системе Ni - As установлено существование трх арсенидов Ni5As2, Ni3As минерал маухерит и NiAs. Структурой никель-арсенидного типа в которой атомы As образуют плотнейшую гексагональную упаковку, все октаэдрические пустоты которой заняты атомами Ni обладают многие HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D75C906B7-5953-4844-BBFC-506F38 4E31C4 HYPER14металлидыHYPER15. Неустойчивый карбид Ni3C может быть получен медленным сотни часов науглероживанием цементацией порошка Н. в атмосфере CO при 300 С. В жидком состоянии Н. растворяет заметное количество С, выпадающего при охлаждении в виде графита.

При выделении графита Н. теряет ковкость и способность обрабатываться давлением.

В ряду напряжений Ni стоит правее Fe их нормальные потенциалы соответственно -0,44 в и -0,24 в и поэтому медленнее, чем Fe, растворяется в разбавленных кислотах. По отношению к воде никель устойчив. Органические кислоты действуют на Н. лишь после длительного соприкосновения с ним. Серная и соляная кислоты медленно растворяют Н. разбавленная азотная - очень легко концентрированная HNO3 пассивирует Н однако в меньшей степени, чем железо. При взаимодействии с кислотами образуются соли 2-валентного Ni. Почти все соли Ni II и сильных кислот хорошо растворимы в воде, растворы их вследствие гидролиза имеют кислую реакцию.

Труднорастворимы соли таких сравнительно слабых кислот, как угольная и фосфорная. Большинство солей Н. разлагается при прокаливании 600-800 С. Одна из наиболее употребительных солей - сульфат NiSO4 кристаллизуется из растворов в виде изумруднозелных кристаллов NiSO4Ч7H2O - никелевого купороса. Сильные щлочи на Н. не действуют, но он растворяется в аммиачных растворах в присутствии NH42CO3 с образованием растворимых HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DCDA20606-D9BF-4748-85E1-B90795 C680C3 HYPER14аммиакатовHYPER15, окрашенных в интенсивно-синий цвет для большинства из них характерно наличие комплексов Ni NH362 и Ni OH2NH34. На избирательном образовании аммиакатов основываются гидрометаллургические методы извлечения Н. из руд. NaOCI и NaOBr осаждают из растворов солей Ni II, гидроокись Ni OH3 чрного цвета.

В HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DF7721B8C- D076-461C-9A9D-5AA696 AE146D HYPER14комплексных соединенияхHYPER15 Ni, в отличие от Со, обычно 2-валентен.

Комплексное соединение Ni с HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D328B1C4F-FF76-492F-BAF1-FFA5B2 D3E4B8 HYPER14диметилглиоксимомHYPER15 C4H7O2N2Ni служит для аналитического определения Ni. При повышенных температурах Н. взаимодействует с окислами азота, SO2 и NH3. При действии CO на его тонкоизмельчнный порошок при нагревании образуется карбонил Ni CO4 см. HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DBA7E755D-2829-4479-A89D-632013 E5C622 HYPER14Карбонилы металловHYPER15. Термической диссоциацией карбонила получают наиболее чистый Н 4. Никелевые сплавы.

HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D089DE777-FA8D-41B8-AE2E-5AC7FF 3C77A0 HYPER14HYPER15Способность никеля растворять в себе значительное количество др. металлов и сохранять при этом пластичность привела к созданию большого числа Н. с. Полезные свойства Н. с. в определенной степени обусловлены свойствами самого никеля, среди которых наряду со способностью образовывать тврдые растворы со многими металлами выделяются ферромагнетизм, высокая коррозионная стойкость в газовых и жидких средах, отсутствие аллотропических превращений. С конца 19 в. сравнительно широко используются HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D5F8EFCB5-BF4C-46CC-B9A8-D82FF2 3452CB HYPER14медно-никелевые сплавыHYPER15, обладающие высокой пластичностью в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, ценными электрическими и др. свойствами.

Практическое применение находят сплавы типа HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D551473D3-C4F1-4A3E-9F09-278809 4E84CC HYPER14модель - металлаHYPER15, которые наряду с HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D279D970C-AC17-467E-97B1-2B04EC 753BFF HYPER14куниалямиHYPER15 выделяются среди конструкционных материалов высокой химической стойкостью в воде, кислотах, крепких щлочах, на воздухе, Важную роль в технике играют ферромагнитные сплавы Ni 40-85 с Fe, относящиеся к классу HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DC4787CC7-4646-40A4-9226-3A1C09 883D34 HYPER14магнитно-мягких материаловHYPER15. Среди этих материалов имеются сплавы, характеризующиеся наивысшим значением магнитной проницаемости, е постоянством, сочетанием высокой намагниченности насыщения и магнитной проницаемости.

Такие сплавы применяют во многих областях техники, где требуется высокая чувствительность рабочих элементов к изменению магнитного поля. Сплавы с 45-55 Ni, легированные в небольших количествах Cu или Со, обладают коэффициентом линейного термического расширения, близким к коэффициенту линейного термического расширения стекла, что используется в тех случаях, когда необходимо иметь герметичный контакт между стеклом и металлом. Сплавы Ni с Со 4 или 18 относятся к группе HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D7778B770-5647-49C5-BB4A-A984D5 666745 HYPER14магнитострикционных материаловHYPER15. Благодаря хорошей коррозионной стойкости в речной и морской воде такие сплавы являются ценным материалом для гидроакустической аппаратуры.

В начале 20 в. стало известно, что жаростойкость Ni на воздухе, достаточно высокая сама по себе, может быть улучшена путм введения Al, Si или Cr. Из сплавов такого типа важное практическое значение благодаря хорошему сочетанию термоэлектрических свойств и жаростойкости сохраняют сплав никеля с Al, Si и Mn HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DC74609FD-3BAE-4083-ADCD-945AD6 105BBA HYPER14алюмельHYPER15 и сплав Ni с 10 Cr HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D64965B9A-C075-4139-B883-8922FB 2FFD9F HYPER14хромельHYPER15. Хромель-алюмелевые термопары относятся к числу наиболее распространенных термопар, применяемых в промышленности и лабораторной технике.

Находят практическое использование также термопары из хромеля и HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D82AE286D- D0C3-4B9B-A36A-329E02 56999B HYPER14копеляHYPER15. Важное применение в технике получили жаростойкие сплавы Ni c Cr - HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D2723E10A-394F-4482-A837-1F47DF 981A44 HYPER14нихромыHYPER15. Наибольшее распространение получили нихромы с 80 Ni, которые до появления HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe. asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DB387D515-179C-455E-82D9-6135E1 E32DA1 HYPER14хромалейHYPER15 были самыми жаростойкими промышленными материалами.

Попытки удешевить нихромы уменьшением содержания в них Ni привели к созданию т. н. ферронихромов, в которых значительная часть Ni замещена Fe. Наиболее распространнной оказалась композиция из 60 Ni, 15 Cr и 25 Fe. Эксплуатационная стойкость большинства нихромов выше, чем ферронихромов, поэтому последние используются, как правило, при более низкой температуре.

Нихромы и ферронихромы обладают редким сочетанием высокой жаростойкости и высокого электрического сопротивления 1,05-1,40 мкомЧм. Поэтому они вместе с хромалями представляют собой два наиболее важных класса сплавов, используемых в виде проволоки и ленты для изготовления высокотемпературных электрических нагревателей. Для электронагревателей в большинстве случаев производят нихромы, легированные кремнием до 1,5 в сочетании с микродобавками редкоземельных, щлочноземельных 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 до 4, более жаростойки, чем сплавы, легированные Si. Однако из них труднее получить однородную по составу проволоку или ленту, что необходимо для наджной работы электронагревателей.

Поэтому такие Н. с. используются в основном для изготовления жаростойких деталей, не подверженных большим механическим нагрузкам при температурах до 1250 С. Во время 2-й мировой войны 1939-45 в Великобритании было начато производство жаропрочных сплавов Ni - Cr - Ti - Al, называемых HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon. ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DA8F23C0D-8375-4F80-B73A-C4E794 8DFD63 HYPER14нимоникамиHYPER15. Эти сплавы, возникшие как результат легирования нихрома типа X20H80 титаном 2,5 и алюминием 1,2, имеют заметное преимущество по жаропрочности перед нихромами и специальными легированными сталями.

В отличие от 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 газотурбинных двигателей.

За сравнительно короткий срок было создано большое число сложнолегированных сплавов типа нимоник с Ti, Al, Nb, Ta, Со, Mo, W, В, Zr, Ce, La, Hf с рабочей температурой 850-1000 С. Усложнение легирования ухудшает способность сплавов к горячей обработке давлением.

Поэтому наряду с деформируемыми 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 способы создания жаропрочных HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DBFC7C60E-EECE-4215-8AC5-75F007 197AA5 HYPER14композиционных материаловHYPER15 введением в никель или Н. с. тугоплавких окислов тория, алюминия, циркония и др. соединений.

Наибольшее применение получил Н. с. с высокодисперсными окислами тория ТД-никель.

Важную роль в технике играют легированные сплавы Ni - Cr, Ni - Mo и Ni - Mn, обладающие ценным сочетанием электрических свойств высоким удельным электрическим сопротивлением r 1,3-2,0 мкомЧм, малым значением температурного коэффициента электрического сопротивления порядка 10-5 1С, малым значением термоэдс в паре с медью менее 5 мвС. По величине температурного коэффициента электрического сопротивления эти сплавы уступают HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3D77B851A9-B550-4016-8A3D-BA663D A78402 HYPER14манганинуHYPER15 в интервале комнатных температур, однако, имеют в 3-4 раза большее удельное электрическое сопротивление.

Главная область применения таких сплавов - малогабаритные резистивные элементы, от которых требуется постоянство электрических свойств в процессе службы.

Элементы изготавливаются, как правило, из микропроволоки или тонкой ленты толщиной 5-20 мкм. Сплавы на основе Ni - Mo и Ni - Cr применяют также для изготовления малогабаритных тензорезисторов, характеризующихся почти линейной зависимостью изменения электрического сопротивления от величины упругой деформации.

Для химической аппаратуры, работающей в высокоагрессивных средах, например в соляной, 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 HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DE3538147-3D45-4D63-B219-C25DB3 31C11E HYPER14хастелойHYPER15, реманит и др а в СССР - сплавы марок H70M28, Н70М28Ф, Х15Н55М16В, Х15Н65М16В. Эти сплавы превосходят по коррозионной стойкости в подобных средах все известные коррозионностойкие стали.

В практике применяют ещ целый ряд Н. с. с Cr, Mo, Fe и др. элементами, обладающих благоприятным сочетанием механических и физико-химических свойств, например коррозионностойкие сплавы для пружин, тврдые сплавы для штампов и др. Помимо собственно Н. с никель входит как один из компонентов в состав многих сплавов на основе др. металлов например, HYPER13 HYPERLINK httpencycl.yandex.ruredirdtypeencycurlww w.rubricon.ruqe.asp3Fqtype3D426rq3D426id 3D126aid3DC50BF377-8C34-4D8D- A8CF-3FD446 D741C2 HYPER14ални сплавыHYPER15. 5. Применение никеля в современной технике.

Широкое и разнообразное применение никеля связало с замечательными свойствами этого металла.

Никель один из элементов VIII группы периодической системы, и аналогами его являются не только кобальт и железо, по и металлы группы палладия и платины.

В периодической системе никель по вертикали занимает ряд Ni - Pd - Pt, что и определяет сходство этих металлов. Вот почему никель во многих отношениях сохраняет высокую химическую стойкость, присущую платине и палладию. Степень химической стойкости этих элементов уменьшается от платины к никелю, но последний еще сохраняет ее в достаточной степени для практического применения.

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 ферромагнитным металлом в чистом виде он пластичен и имеет достаточную прочность. Он подвергается всем видам механической обработки ковке, прокатке, штамповке и хорошо сваривается. Благодаря комплексу этих свойств никель в чистом виде находит разнообразное применение, особенно широкое в виде различных сплавов.

Нет необходимости подробно останавливаться на известных уже по литературным данным областях применения никеля. Они приведены в указанных монографиях по металлургии никеля. С точки зрения современного применения никеля в чистом виде и в различных сплавах представляют интерес две обзорные статьи за 1953 и 1955 гг посвященные специально никелю и его сплавам, В них приведено краткое описание научных работ но никелю и его сплавам содержащим выше 40 никеля, выполненных за последние годы, отмечены новые области применения никеля и приводится большой список литературы.

Ряд справочников и статей посвящен применению никеля в качестве легирующего элемента в сталях и сплавах с особыми физическими, химическими и механическими свойствами много работ посвящено разработке новых никелевых жаропрочных сплавов и их применению в реактивной, газотурбинной технике. Это свидетельствует о все возрастающем интересе к металлическому никелю и его сплавам, обусловливающем непрерывный рост потребления этого металла в новых областях техники.

Остановимся кратко на некоторых примерах современного применения никеля и его сплавов и на этом фоне покажем перспективы дальнейшего его развития. 5.1.