در مورد نیکل، آلیاژهای نیکل و کاربرد آن ها بیشتر بدانید

نیکل به شکل خالص یا آلیاژی، سهم قابل توجهی در تامین نیاز جامعه امروز ما در عرصه های گوناگون دارد. نیکل یک فلز سازه ای خیلی عالی برای اغلب کاربردهای مهندسی است. در این مقاله نگاهی بر تاریخچه ی نیکل، پیشرفت های اخیر به دست آمده در حوزه آلیاژی این فلز، انواع آلیاژهای پایه نیکل، کاربردها و همچنین توضیحاتی در خصوص ویژگی های متالورژیکی آن خواهیم داشت.

نیکل در سال ۱۷۵۱ توسط Axel Cronstedt دانشمند سوئدی کشف شد. نیکل فلزی مقاوم، چکش خوار، براق و با ساختار بلورین و مکعبی شکل، به رنگ سفید و نقره ای می باشد و از جمله عناصر طبیعی است که به شکل هاي مختلف در محیط هاي آبی، خاکی و همچنین در پیکره گیاهان و جانوران یافت می شود. کانی ‌های اصلی نیکل عبارتند از: پنتلاندیت، پیروتیت (سولفیدهای نیکل و آهن) و گارنییریت (سیلیکات نیکل و منیزیم). معادن این کانی ها در ایالت انتاریو کانادا در مقیاس قابل توجهی وجود دارد، به طوری که این ایالت حدود ۳۰% از نیکل دنیا را تامین می کند. دیگر معادن این عنصر در کالدونیا (مجموعه جزایری در اقیانوس آرام)، استرالیا، کوبا، اندونزی و در مناطق دیگر یافت می شود. فرایندهای متعددی برای استخراج نیکل از سنگ معدن آن وجود دارد. در ذخایر سادبری انتاریوی کانادا که به وسیله شرکت فلزات اینکو کنترل می شود از روش زیر استفاده می شود:

پس از آن که سنگ معدن سولفید نیکل – مس – آهن آسیاب و ریز شد، سولفید آهن تغلیظ شده (پیروتیت) به روش مغناطیسی و در یک فرایند بازیابی سنگ معدن، جدا می شود. از سنگ معدن باقیماده با شناور سازی کفی، مس و نیکل پر عیار جدا می شود. نیکل پر عیار پس از تشویه و ذوب در کوره شعله ای به مات بسمر تبدیل می شود که فقط شامل سولفید مس و نیکل است. این مات مس-نیکل در شرایط کنترل شده سرد می شود، به نحوی که بلورهای جداگانه سولفید مس و نیکل و یک الیاژ فلزی مس-نیکل تشکیل می شود. پس از اینکه مات سرد شده آسیاب و ریز شد، آلیاژ فلزی به روش مغناطیسی جدا می شود و مراحل بعدی آن در پالایشگاه مس ادامه می یابد. سولفید مس و نیکل باقیمانده با شناورسازی کفی از هم جدا می شوند. سولفید مس به ذوب مس فرستاده می شود و سولفید نیکل برای تولید اکسیدهای مختلف نیکل تشویه می شود. اکسیدهای نیکل خیلی خالص مستقیماً به بازار می رود و اکسیدهای با خلوص کمتر مجدداً در تصفیه خانه های شرکت اینکو، برای تهیه نیکل خالص تجارتی و آلیاژهای دیگر نیکل استفاده می شوند.

نمایی از فلز نیکل به دو شکل خالص و سنگ معدنی آن

نیکل عنصری سازگار است، به طوری که با اکثر فلزات تشکیل آلیاژ می دهد، همانند محلول جامد میان نیکل و مس. گستره ی انحلال پذیری وسیع میان آهن، کروم و نیکل ترکیبات آلیاژی گسترده ای را به ارمغان می آورد. نیکل دارای ساختار کریستالوگرافی FCC است. بنابراین شکل پذیر و چقرمه است. استحکام آن در دماهای بالا و پایین خوب است و دارای مقاومت خوبی در برابر اکسایش و خوردگی در اغلب محیط ها است. استحکام و خواص مکانیکی آن با انجام فرایندهایی نظیر تشکیل محلول جامد، رسوبگذاری کاربید و فرایند رسوب سختی افزایش می یابد. در ادامه به بیان شرح مختصری از این فرایند های استحکام بخشی می پردازیم.

فرایند های استحکام بخشی آلیاژ نیکل

تشکیل محلول جامد

کبالت، آهن، کروم، مولیبدن، تنگستن، وانادیم، تیتانیم و آلومینیوم همگی از جمله عناصری هستند که قابلیت تشکیل محلول جامد با نیکل را دارند. این عناصر اختلاف شعاع اتمی بین ۱ تا ۱۳% با نیکل دارند. این اختلاف شعاع اتمی موجب به وجود آمدن کرنش الاستیکی در شبکه مکعبی نیکل می شود که به دنبال آن حرکت نابه جایی ها را در داخل شبکه با دشواری رو به رو می کند. لذا نابه جایی ها برای حرکت و لغزش به تنش های بالاتری نیاز دارند. بنابراین تشکیل محلول جامد، سبب استحکام بخشی می شود.

رسوب گذاری کاربید

کربن با سایر عناصری که قابلیت تشکیل آلیاژ با نیکل دارند، واکنش داده و تشکیل کاربید می دهد. اطلاع از نوع کاربید تشکیل شده و مورفولوژی آن، نقشی اساسی در طراحی سیستم تقویتی برای ساختار نیکل دارد. از جمله کاربیدهایی که به طور گسترده در آلیاژهای پایه نیکل استفاده می شود، می توان به MC، M₆C، M₇C₃ و M₂₃C₆ (M، عصر فلزی کاربید)، اشاره کرد. MC، کاربیدی مسطح و بزرگ و دارای توزیعی غیر یکنواخت است. M₆C، نیز کاربیدی مسطح است که در مرزهای دانه جهت کنترل رشد دانه تشکیل می شود. کاربیدهای M₇C₃، به صورت بین دانه ای تشکیل می شوند و در صورتی که گسسته بوده و به صورت پیوسته نباشند، نقش تقویت کنندگی خواهند داشت. در صورتی که این کاربیدها به صورت یک فیلم پیوسته در مرز دانه ها تشکیل شوند، موجب تردی و شکنندگی ساختار می شوند. کاربیدهای M₂₃C₆ نیز تمایل به رسوب در مرزدانه ها دارند. این کاربیدها، از جمله کاربیدهای تاثیرگذار بر خواص مکانیکی آلیاژهای پایه نیکل می باشند.

رسوب سختی

رسوب گذاری فاز ‘γ با ترکیب (Ni₃(Al,Ti در زمینه نیکل، اثر تقویت کنندگی قابل ملاحظه ای بر ماده دارد. این فاز بین فلزی دارای ساختار FCC، مشابه با فلز نیکل می باشد. این امر موجب عدم تطابقی کمتر از ۱% بین دو فاز می گردد. این تطابق نزدیک میان دو فاز موجب کاهش انرژی سطحی و افزایش مدت زمان پایداری ساختار میشود. رسوبگذاری فاز ‘γ موجب افزایش استحکام تسلیم آلیاژ می گردد. لازم به ذکر است که اثر تقویتکنندگی فاز ‘γ، تابعی از اندازه ذرات رسوبی می باشد، به طوری که با افزایش اندازه ذرات، سختی آلیاژ افزایش می یابد. لازم به ذکر است که افزایش اندازه ذرات، خود تابعی از دما و زمان فرایند رسوب سختی می باشد. در شکل زیر رسوب گذاری فاز ‘γ در زمینه از جنس نیکل را مشاهده می کنید.

رسوب گذاری فاز ‘γ در زمینه نیکلی

آلیاژهای نیکل

نیکل خالص تجاری معمولاً دارای ۹۹٫۵ درصد نیکل به همراه کبالت است. از جمله گریدهای نیکل خالص تجاری و کم آلیاژ می توان به آلیاژهای ۲۰۰، ۲۰۱، ۲۰۵، ۲۲۰، ۲۱۱ و ۲۳۰ اشاره کرد که کاربردهای زیادی هم از قبیل استفاده در تجهیزات فرایندهای صنایع غذایی و شیمیایی، قطعات الکتریکی و الکترونیکی، تجهیزات و قطعات هوافضا و موشک، تجهیزات و لوله های حمل مواد شیمیایی، مبدل های حرارتی، محفظه های احتراق، میله های کاتد، لامپ های فلورسانس و غیره دارند.

انواع مختلف آلیاژهایی که نیکل عنصر پایه آن ها است عبارتند از:

آلیاژهای نیکل-آهن: این آلیاژها از لحاظ خواص مغناطیسی و انبساط حرارتی اهمیت و جایگاه خاصی در صنعت و مهندسی مواد دارند. از جمله این آلیاژها می توان به آلیاژ ۳۶ (با حدود ۳۶% نیکل و مابقی آهن)، آلیاژ ۴۲ (با حدود ۴۲% نیکل و مابقی آهن) و آلیاژ ۴۸ (با حدود ۴۸% نیکل و مابقی آهن) اشاره کرد.

آلیاژهای نیکل-مس: نیکل و مس به هر نسبتی در همدیگر حل می شوند. با وجود این، مهم ترین آلیاژهای نیکل-مس که مونل نامیده می شود در حدود ۶۷ درصد نیکل و ۳۳ درصد مس دارد. برخی آلیاژهای مونل عبارتند از:

آلیاژ ۴۰۰ با حداقل ۶۳% نیکل به همراه کبالت و ۳۴-۲۸% مس که دارای استحکام بالا، قابلیت جوشکاری، مقاومت به خوردگی عالی و چقرمگی در گستره وسیعی از دماها است.

آلیاژ R-405 با حداقل ۶۳% نیکل به همراه کبالت و ۳۴-۲۸% مس شبیه مونل ۴۰۰ است، با این تفاوت که برای بهبود خواص ماشینکاری آن، مقداری گوگرد به آن اضافه شده است.

آلیاژ K-500 با حداقل ۶۳% نیکل به همراه کبالت و ۳۳-۲۷% مس است که حدود ۳% آلومینیوم و ۰٫۶% تیتانیوم به منظور تشکیل رسوب های پیر سختی به ان اضافه می شود.

کنستانتان: آلیاژ از نیکل است که حاوی ۴۵% نیکل و ۵۵% مس است. این آلیاژ هادی بسیار خوب الکتریسیته است و مقاومت الکتریکی آن در اثر دما تغییر نمی‌کند.

آلیاژ مس-نیکل-روی: این آلیاژ با ترکیب ۶۰% مس، ۲۰% نیکل و ۲۰% روی در واقع نوعی برنج است که نیکل به آن اضافه شده است و به آن ورشو می گویند ولی به نام نقره نیکلی یا نقره آلمانی هم مشهور است، در حالی که فاقد نقره است.

آلیاژهای نیکل-کروم، نیکل-کروم-آهن و نیکل-کروم-آهن-مولیبدن: کروم یکی از عناصر مهم آلیاژی برای آلیاژهای پایه نیکل مقاوم به خوردگی و مقاوم در دمای بالا است. کروم در حالت جامد حلالیت زیادی در نیکل (حدود ۳۰% وزنی در دمای اتاق) دارد. همه این آلیاژها در کنار نیکل دارای مقادیر قابل توجهی کروم هستند. در کنار کروم، برخی از این آلیاژها دارای آهن و مولیبدن نیز می باشند. از جمله آلیاژهای مهم این گروه می توان به آلیاژهای زیر اشاره کرد:

اینکونل ۶۰۰ یک آلیاژ سه تایی ۷۵% نیکل، ۱۵٫۵% کروم و ۸% آهن است و کاربرد زیادی در محیط های خیلی خورنده در دمای بالا دارد.

اینکونل ۶۰۱ با ترکیب ۶۰٫۵% نیکل، ۲۳% کروم، ۱۴% آهن و ۱٫۴% آلومینیوم یک آلیاژ مهندسی همه منظوره است که مقاومت به خوردگی بالایی در اغلب محیط ها و مقاومت خوبی به اکسایش در دماهای بالا دارد.

اینکونل ۶۲۵ آلیاژی با حضور ۶۱% نیکل، ۲۱٫۵% کروم، ۲٫۵% آهن، ۹% مولیبدن و ۳٫۶% کلومبیم است که قابلیت رسوب سختی ندارد ولی استحکام بالاتر آن نسبت به آلیاژهای ۶۰۰ و ۶۰۱ را به اثر استحکام بخشی محلول جامد مولیبدن و کلومبیم نسبت می دهند. این آلیاژ مقاومت بسیار بالایی نسبت به خوردگی های حفره ای در آب دریا و حضور یون های کلرید و همچنین خوردگی بین دانه ای دارد.

اینکونل ۷۱۸ آلیاژی با ترکیب ۵۵-۵۰% نیکل، ۲۱-۱۷% کروم، حدود ۳% مولیبدن، حدود ۵% نئوبیوم به همراه ۳-۲ درصد عناصر دیگر و مابقی آهن است.

هستلوی C-276 یا Hastelloy C-276 که در برخی منابع فارسی به هاستولوی هم ترجمه شده است، آلیاژی با ترکیب ۱۶٫۵-۱۴٫۵% کروم، ۷-۴% آهن، ۱۷-۱۵% مولیبدن، حدود ۲٫۵% کبالت، ۴٫۵-۳% تنگستن، به همراه عناصر جزئی دیگر و مابقی نیکل است.

هستلوی C-22 آلیاژی با ترکیب ۵۱٫۶% نیکل، ۲۱٫۵% کروم، ۵٫۵% آهن، ۱۳٫۵% مولیبدن، حدود ۲٫۵% کبالت و ۴% تنگستن است.

هستلوی B-2 آلیاژی با ترکیب ۳۰-۲۶% مولیبدن، ۱% کروم، ۲% آهن، ۱% کبالت، به همراه عناصر جزئی دیگر و مابقی نیکل است.

هستلوی S یا آلیاژ S آلیاژی با ترکیب ۱۶٫۵-۱۴% مولیبدن، ۱۷-۱۴٫۵% کروم، ۳% آهن، ۲% کبالت، ۱% تنگستن، به همراه عناصر جزئی دیگر و مابقی نیکل است.

آلیاژهای آهن-نیکل-کروم: از جمله آلیاژهای مهم این گروه می توان به اینکلوی ۸۰۰، اینکلوی ۸۲۵ و کارپنتر ۲۰Cb3 اشاره کرد.

آلیاژ ۸۰۰ یا اینکلوی ۸۰۰ دارای حداقل ۳۹٫۵% آهن به همراه ۳۵-۳۰% نیکل و ۲۳-۱۹% کروم است.

آلیاژ ۸۲۵ یا اینکلوی ۸۲۵ دارای حداقل ۲۲% آهن به همراه ۴۶-۳۸% نیکل و ۲۳٫۵-۱۹٫۵% کروم است.

کارپنتر ۲۰Cb3 آلیاژی است با ۳۸-۳۲% نیکل، ۲۱-۱۹% کروم، ۳-۲% مولیبدن، ۴-۳% مس، تا ۱% نئوبیوم (یا کلومبیوم به عنوان پایدارکننده) به همراه عناصر جزئی و مابقی آهن است. این آلیاژ در رده فولادهای زنگ نزن با نام آلیاژ ۲۰ یا همان ALLOY 20 هم دسته بندی شده است. این آلیاژ کاربرد زیادی در اسیدهای داغ دارد.

سوپر آلیاژها: این آلیاژها مقاوم به گرما در دمای بالا هستند و قادرند استحکام خود را در دمای بالا حفظ کنند. سوپر آلیاژها مقاومت بالایی به خوردگی و اکسایش، مقاومت زیادی به خزش و شکست در دمای بالا دارند. سوپر آلیاژها در سه گروه پایه نیکل، پایه نیکل-آهن و پایه کبالت دسته بندی می شوند. سوپر آلیاژها عموماً در ساخت توربین های گازی، موتور هواپیما و جت، واحدهای تبدیل ذغال سنگ و سایر صنایع شیمیایی که در آن ها به آلیاژی با مقاومت بالا در برابر حرارت و خوردگی نیاز است استفاده می شوند. یکی از ویژگی های قابل توجه آلیاژهای بر پایه نیکل که از پرمصرف ترین سوپر آلیاژها هستند، امکان استفاده از آن ها در مصارف تحت تنش در دمایی تا ۸۰ درصد دمای ذوب آن است. اولین سوپر آلیاژ پایه نیکل قابل رسوب سختی به نام نایمونیک ۸۰ در سال ۱۹۴۱ در بریتانیا توسعه پیدا کرد. این آلیاژ یک محلول جامد نیکل با ۲۰% کروم، ۲٫۲۵% تیتانیوم و ۱% آلومیینوم بود که در طی سال ها، با افزودن کولیبدن، کبالت، کلومبیم، آهن و عناصر دیگر تکامل پیدا کرده است. سوپر آلیاژهای پایه نیکل معمولاً دارای بیش از ۵۰ درصد نیکل و مقادیر قابل توجهی کبالت (معمولاً ۲۰-۱۰ درصد) و کروم (معمولاً ۲۰-۱۰ درصد) و همچنین مولیبدن، تیتانیوم و آلومینیوم در ترکیب شیمیایی خود هستند و به صورت قطعه کار شده و ریخته گری شده تولید می شوند. آلیاژهای نیکل-کروم-آهن مانند برخی اینکونل ها و هستلوی ها نیز معمولاً در رده سوپر آلیاژها طبقه بندی می شوند. از گریدهای مهم سوپر آلیاژهای پایه نیکل می توان به آلیاژهای نایمونیک (Nimonic) از جمله نایمونیک ۸۰، ۹۰، ۱۰۵ و ۱۱۵، آلیاژهای ادیمت (Udimet) از جمله ادیمت ۵۰۰ و ۷۰۰، آلیاژهای رنه (Rene) از جمله رنه ۴۱، رنه ۷۷ و رنه ۸۰، آلیاژ وسپالوی (Waspaloy)، سوپر آلیاژهای تک کریستال CMSX و غیره اشاره کرد.

کاربرد نیکل و آلیاژهای آن

نیکل و آلیاژهای آن دارای کاربردهای گسترده ای هستند. عمده این کاربردها در حوزه هایی است که نیاز به مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت حرارتی می باشد. برخی از این کاربردها عبارتند از:

توربین های گازی هواپیما: دیسک ها، محفظه احتراق، پیچ و مهره ها، پوشش ها، سیستم خروج گاز، محورها
نیروگاه های توربین بخار: پیچ و مهره ها، تیغه ها، بدنه تنوره ی گازی
موتورهای پیستونی: توربوشارژها، دریچه های اگزوز
فرایندهای فلزکاری: ابزار آلات کارگرم، قالب های فلزی
ابزار آلات پزشکی: وسایل دندان پزشکی، پروتزها
حمل و نقل فضایی: پوسته های آیرودینامیکی حرارت داده شده، قطعات به کار رفته در موتور راکت
صنایع شیمی و پتروشیمی: پیچ و مهره ها، خنک کننده ها، پمپ ها، دریچه ها

نمایی داخلی از تیغه های توربین بخار از جنس فلز نیکل

برخی دیگر از کاربردهای آلیاژهای نیکل برای اهداف خاص عباتند از: آلیاژهای با ضریب انبساط حرارتی پایین، آلیاژهای مقاوم در برابر الکتریسیته، آلیاژهای نرم مغناطیس، آلیاژهای دارای حافظه شکلی. در ادامه به بیان شرح مختصری از کاربرد نیکل در این موارد می پردازیم:

آلیاژهای با ضریب انبساط حرارتی پایین

در سال ۱۸۹۶، فیزیکدانی فرانسوی به نام Guillaume کشف کرد که آلیاژهای نیکل و آهن ضریب انبساط حرارتی پایینی دارند. تحقیقات بعدی اثبات کرد که نیکل تاثیر به سزایی در کاهش ضریب انبساط حرارتی آلیاژ دارد. از این ویژگی فلز نیکل می توان در طراحی آلیاژهایی با ضریب انبساط حرارتی پایین و یکنواخت و همچنین انبساط حرارتی قابل پیش بینی در بازه دمایی معین، استفاده کرد.

آلیاژهای مقاوم در برابر الکتریسیته

سیستم های آلیاژی متعددی بر پایه نیکل و یا شامل مقادیر بالایی از آن، در کاربردهایی نظیر تجهیزات و ابزارآلات کنترلی مورد استفاده قرار می گیرد. این تجهیزات کنترلی، جهت اندازه گیری و تنظیم خواص الکتریکی و همچنین در کوره ها و لوازم تولید حرارت از انرژی الکتریسیته، مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از این آلیاژها عبارتند از:

– آلیاژهای Cu-Ni، شامل ۲ تا ۴۵% نیکل

– آلیاژهای Ni-Cr-Al، شامل ۳۵ تا ۹۵% نیکل

– آلیاژهای Ni-Cr-Fe، شامل ۶۵ تا ۶۰% نیکل

– آلیاژهای Ni-Cr-Si، شامل ۷۰ تا ۸۰% نیکل

آلیاژهای نرم مغناطیس

دو دسته از مواد نرم مغناطیس با گسترش آلیاژهای Fe-Ni توسعه پیدا کرده اند. آلیاژهای با درصد نیکل بالا، به طور ذاتی نفوذپذیری مغناطیسی بالا و حد آستانه ی القاشوندگی پایینی دارند. این آلیاژها در ضبط صوت ها، حسگرها، میکروفون ها و لوله های تولید الکترون کاربرد دارند.

آلیاژهای دارای حافظه شکلی

به توانایی یک ماده برای برگشت به شکل اولیه خود، اثر حافظه داری میگویند. این قابلیت در اثر اعمال حرارت و در نتیجه، انجام استحاله فازی رخ می دهد. در سال ۱۹۶۲ بوهلر و همکارانش خاصیت حافظه داری را در آلیاژی از Ti شامل ۵۰% اتمی Ni کشف کردند و آن را نایتینول نامیدند. خواص حافظه داری و سوپرالاستیسیته در آلیاژهای حافظه دار بر اساس استحاله های غیر نفوذی آستنیت-مارتنزیت می باشد. در آلیاژ نیکل-تیتانیم علاوه بر دگرگونی مارتنزیتی، استحاله فازی دیگری نیز اتفاق می افتد. این استحاله های نفوذی می توانند به طور موثری در بهبود اثر حافظه داری آلیاژ به کار گرفته شوند. وجود عناصر آلیاژی باعث تغییر در دماهای استحاله و در نتیجه اثر حافظه داری آلیاژ می شود. از مهم ترین کاربردهای آلیاژهای حافظه دار می توان به استنت های رگی، گیره های ارتوپدی، عضلات مصنوعی برای قلب و سیم های ارتودنسی اشاره کرد.

بدون شک تصور دنیای مدرن امروزه بدون نیکل و آلیاژهای آن، غیرممکن است. لذا اطلاع از تاریخچه، خواص و زمینه های کاربردی این فلز از نیازمندی های یک مهندس، در رشته های تخصصی گوناگون می باشد.