1. Einführung
Nickel ist ein kritisches Metall, das in Industrie weit verbreitet ist, Luft- und Raumfahrt, Energie, und chemische Anwendungen aufgrund seiner Korrosionsbeständigkeit, mechanische Stärke, und thermische Stabilität.
Das Verständnis ihrer Dichte ist für Ingenieure und materielle Wissenschaftler von grundlegender Bedeutung, da sie Gewichtsberechnungen beeinflusst, Komponentenkonstruktion, Wärmeverhalten, und Gesamtmaterialleistung.
Die Referenzdichte des reinen Nickels bei Raumtemperatur (20 ° C) ist ungefähr 8.908 g/cm³ (oder 8,908 kg/m³).
Diese intrinsische Eigenschaft untermauert die Anwendungen von Nickel in Hochleistungslegierungen, Strukturkomponenten, und spezielle Beschichtungen.
2. Was ist die Dichte von Nickel?
Dichte wird als Masse pro Volumen der Einheit definiert (p = m/v). Für Nickel, Ihre Dichte ergibt sich aus der Atommasse (58.6934 u) und sein Gesichtszentrumkubikum (FCC) Kristallstruktur, Welches packt Atome effizient.
Bei Standardtemperatur und Druck, Nickel zeigt ein stabiles FCC -Gitter mit einer Gitterkonstante von 0.352 nm, Erzeugung seiner charakteristischen Dichte von 8.908 g/cm³.
3. Faktoren, die die Nickeldichte beeinflussen
Nickels Dichte (~ 8,908 g/cm³ at 20 ° C für ultrahoch-purity-Metall) ist keine feste Konstante; es variiert mit Reinheit, Legierung, Temperatur, und Druck.
Reinheit: Der Haupttreiber der Dichtevariabilität
Die Referenzdichte von 8.908 g/cm³ gilt ausschließlich für Ultrahohe-Purity-Nickel (≥ 99,99%), wie Elektrolyt -Nickel, die in Elektronik- und Präzisionsinstrumenten verwendet werden.
In der industriellen Praxis, Nickel erreicht selten diese Reinheit.
Verunreinigungen, ob beabsichtigt (Legierungselemente) oder zufällig (Resterze, Verarbeitung von Verunreinigungen), Verdrängten Sie Nickelatome im Kristallgitter, Veränderung der Dichte basierend auf ihrer Atommasse und -konzentration.
Gemeinsame Verunreinigungen und ihre Auswirkungen (Daten aus dem ASM -Handbuch, Volumen 2):
| Verunreinigung | Dichte (g/cm³) | Typische Konzentration im kommerziellen Nickel | Resultierende Nickeldichte (g/cm³) | Dichteänderung vs. Reiner Nickel |
| Eisen (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | –0,01 bis –0,06 |
| Kupfer (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 Zu +0.02 |
| Kohlenstoff (C, Graphit) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | –0.001 bis –0.008 |
| Schwefel (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | –0,001 bis –0.003 |
| Sauerstoff (O, Gas) | 1.429 | 0.001–0.005% | 8.907–8.908 | Vernachlässigbar |
Legierung: Schneiderdichte für die Leistung
Nickel bildet Legierungen mit Elementen wie z. Kupfer (Cu), Chrom (Cr), Molybdän (MO), Wolfram (W), und Eisen (Fe), Herstellung von Materialien mit Dichten, die sich erheblich von reinem Nickel unterscheiden.
Ausgewählte Legierungen und Dichten:
| Legierung | Zusammensetzung | Dichte (g/cm³) | Differenz vs. In | Primäranwendung |
| Monel 400 | 65% In, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | –0,108 | Marinekorrosionsresistenz |
| Inconel 625 | 59% In, 21.5% Cr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | –0,468 | Hochtemperaturkriechfest |
| Hastelloy x | 47% In, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | –0,608 | Verbrennungskammern von Gasturbinen |
| Nickel-Tungsten (30% W) | 70% In, 30% W | 10.0 | +1.092 | Strahlungsschutz, Resistenz tragen |
| Invar 36 | 64% Fe, 36% In | 8.05 | –0,858 | Niedrige thermische Expansionstools |
Temperatur: Thermische Expansion und Dichte Reduktion
Nickel dehnt sich mit Hitze aus, Reduzierung der Dichte.
Der linearer Koeffizient der thermischen Expansion (CTE) für Nickel ist ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; Die ungefähres Volumen CTE ist ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Verwenden dieser Werte, Die Dichte von Nickel nimmt mit Temperatur ab:
- Bei 100 ° C.: Dichte ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Bei 500 ° C.: Dichte ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Bei 1455 ° C. (Schmelzpunkt, flüssiger Nickel): Dichte ≈ 8.70 g/cm³ (Flüssigmetalle sind aufgrund einer erhöhten Atomstörung weniger dicht als Feststoffe)
Diese temperaturabhängige Dichte ist für entscheidend für:
- Hochtemperaturguss: Formen müssen während der Verfestigung von Dichteänderungen berücksichtigt werden, um Schrumpfungsfehler zu vermeiden.
- Luft- und Raumfahrtkomponenten: Nickel -Superlegierungen in Jet -Motoren (Betrieb bei 1000–1200 ° C.) Erleben Sie Dichteverringerungen, die die thermische Leitfähigkeit und die strukturelle Stabilität beeinflussen.
Druck: Komprimierung und Dichteerhöhung
Nickels Massenmodul (~ 170 GPA) misst den Widerstand gegen Kompression. Hochdruck erhöht die Dichte leicht:
- Bei 1 GPA (~ 10.000 atm, Typisch für Tiefseeumgebungen): Die Dichte steigt um ~ 0,5% (~ 8,95 g/cm³).
- Bei 10 GPA (extremer Druck, Z.B., Planetenkerne): Die Dichte steigt auf ~ 9,3 g/cm³.
Tiefsee-Ausrüstung: Nickel-plattierte Komponenten in Tauchwaren müssen druckinduzierten Dichteänderungen ohne strukturelles Versagen standhalten.
Hochdruckmetallbearbeitung: Prozesse wie heißes isostatisches Pressen (HÜFTE) Verwenden Sie Druck, um Nickellegierungen zu verdichten, Verringerung der Porosität und zunehmender endgültiger Dichte.
4. Dichtemessung
Archimedes ’ Prinzip und hydrostatisches Wiegen
Nickelproben werden in eine Flüssigkeit untergetaucht, und Dichte wird aus schwimmenden Kräften berechnet. Diese Methode ist einfach und zuverlässig für Massenkomponenten.
Röntgenbeugung (Xrd)
XRD berechnet die Dichte aus dem Gitterparameter der Kristallstruktur von Nickel (gemessen über Röntgenstreuung). Diese Methode ist:
- Nicht zerstörerisch: Ideal für wertvolle oder empfindliche Proben (Z.B., Luft- und Raumfahrtkomponenten).
- Sehr präzise: ± 0,0001 g/cm³ für reines Nickel, Da misst es die Atomverpackung und nicht die Bulk -Eigenschaften.
- Einschränkungen: Erfordert eine gut kristallisierte Probe (nicht für Pulver oder amorphen Nickel geeignet).
Pycnometrie (Für Pulver)
Für Nickelpulver (verwendet in additiven Fertigung oder Beschichtungen), Gaspycnometrie (ASTM D6226) misst die wahre Dichte, indem ein Gas verdrängt wird (Z.B., Helium) in einer versiegelten Kammer.
Dies vermeidet Fehler durch Hohlräume in Pulverbetten, Ertragsdichten innerhalb von ± 0,002 g/cm³ vom theoretischen Wert.
Messvariabilität
Die gemeldeten Dichten können aufgrund von Verunreinigungen geringfügig variieren, Porosität, Messmethode, und Temperatur, Typischerweise innerhalb von ± 0,01–0,02 g/cm³ für hochwertige Nickel.
5. Industrielle Relevanz der Nickeldichte
Die Dichte von Nickel ist nicht nur eine theoretische Eigenschaft - es wirkt sich direkt auf die Metall- und seine Legierungen aus entworfen, verarbeitet, und angewendet in Branchen.
Von Luft- und Raumfahrtturbinen bis hin zu chemischen Pflanzen und additiver Herstellung, Die Dichte spielt eine entscheidende Rolle bei der materiellen Leistung und in der technischen Effizienz.
Luft- und Raumfahrt und Luftfahrt: Gewicht und Stärke ausbalancieren
Flugzeuge und Raumfahrzeuge Nachfragematerialien mit Hochstärke zu Gewichtsverhältnissen.
Während reiner Nickel relativ dicht ist (8.908 g/cm³), Nickelbasierte Superlegierungen wie Inconel 625 (8.44 g/cm³) oder Hastelloy x (8.30 g/cm³) einen Kompromiss bieten:
- Niedrigere Dichte reduziert den gesamten Motor oder das strukturelle Gewicht, Kraftstoff sparen und Reichweite verlängern.
- Hochtemperaturstabilität sorgt dafür, dass Widerstand gegen Kriechen und Müdigkeit bei >1000 ° C.
Beispiel: A 1% Die Verringerung der Turbinenscheibenmasse durch Optimierung der Legierungsdichte kann sparen Hunderte Kilogramm Jetbrennstoff jährlich pro Flugzeug.
Automobil- und schwere Maschinerie: Haltbarkeit und Effizienz
Die Nickeldichte ist auch für den Bodenverkehr relevant:
- Elektrofahrzeuge (Evs): Nickelreiche Kathodenmaterialien (Z.B., NMC, NCA) Beeinflussung der Batterieenergiedichte, wo Gewichtseinsparungen die Fahrteilung verbessern.
- Schwere Ausrüstung: Nickelstähle und Nickel-Kupper-Legierungen (Dichten ~ 7,8–8,8 g/cm³) Bereitstellung von Zähigkeit und Verschleißfestigkeit in Baumaschinen und Bergbaugeräten.
Chemische und petrochemische Verarbeitung: Korrosionsbeständigkeit mit Masseneffizienz
In chemischen Pflanzen und Raffinerien, Nickellegierungen müssen widerstehen ätzende Säuren, Alkalis, und Hochdruckgase:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Ausgewählt für Meeresleitungen und Meerwasserhandhabung aufgrund hervorragender Korrosionsbeständigkeit.
- Hastelloy C-Serie (~ 8,9 g/cm³): Verwendet in Säureverarbeitungsreaktoren, wo die Dichte gegen Korrosionsbeständigkeit und mechanische Integrität ausgeglichen wird.
Dichte betrifft nicht nur mechanische Stärke aber auch Wärmeleitfähigkeit Und Wärmeübertragungseffizienz, beide kritisch bei chemischen Reaktoren.
Casting, Schmieden, und additive Fertigung: Verfestigung steuern
Das Dichteverhalten von Nickel während der thermischen Verarbeitung beeinflusst direkt die Herstellungsergebnisse:
- Casting: Dichteverringerung beim Schmelzen (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) muss berücksichtigt werden, um zu verhindern Schrumpfungsporosität in Formen.
- Schmieden und Hüfte (Heißes isostatisches Pressen): Der angewendete Druck deniiert Nickellegierungen, Lücken schließen und die mechanische Stärke erhöhen.
- Additive Fertigung (BIN): Pulverbettfusion und gerichtete Energieabscheidung stützen sich auf eine konsistente Pulverdichte für vorhersehbare Fließfähigkeit, Schicht Gleichmäßigkeit, und letzte Teildichte.
Energie- und nukleare Anwendungen: Wenn eine hohe Dichte ein Vorteil ist
In einigen Branchen, Höhere Dichte ist vorteilhaft:
- Nickel-Tungsten-Legierungen (~ 10,0 g/cm³): Bereitstellung von Strahlenschutz in Kernreaktoren und medizinischer Bildgebung.
- Anoden und Kathoden auf Nickelbasis: Die Dichte beeinflusst die aktuelle Effizienz und die thermische Stabilität in Brennstoffzellen und Elektrolysezschrank.
6. Schnelle Referenztabelle: Reines Nickel und gewöhnliche Legierungen
| Material / Legierung | Zusammensetzung (Hauptelemente) | Dichte (g/cm³ @ 20 ° C) | Schmelzpunkt (° C) | Schlüsselanwendungen |
| Reiner Nickel (99.99%) | ≥ 99,99% bei | 8.908 | 1455 | Elektronik, Thermoelemente, elektroplierend |
| Kommerzieller Nickel (Grad 200) | ≥ 99,0% bei + Fe -Verunreinigungen | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Chemische Verarbeitungsgeräte, Meereshardware |
| Monel 400 | ~ 65% haben, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Marine Engineering, Pumps, Wärmetauscher |
| Inconel 600 | ~ 72% haben, 14–17% Cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Chemische Verarbeitung, Ofenkomponenten, Kernreaktoren |
| Inconel 625 | ~ 59% haben, 21.5% Cr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Luft- und Raumfahrtturbinen, Kernreaktoren, chemische Pflanzen |
| Waspaloy | ~ 58% haben, 19% Cr, 13% CO, 4% MO, Von, Al | 8.19 | 1320–1380 | Düsenmotor -Turbinenscheiben, Luft- und Raumfahrtbefestigungen |
Nimonic 80A |
~ 76% haben, 20% Cr, Von, Al | 8.19 | 1320–1385 | Gasturbinen, Abgasventile, Hochtemperaturfedern |
| Hastelloy x | ~ 47% haben, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | 1260–1355 | Verbrennungskammern von Gasturbinen, Hochtemperaturkanäle |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% haben, 22% Cr, 13% MO, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Chemische Reaktoren, Schrubber, Umweltverschmutzungskontrolle |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% haben, 16% MO, 15% Cr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Rauchgasschrubben, Chemische Verarbeitung, Umweltverschmutzungskontrolle |
| Inkoloy 825 | ~ 42% haben, 21.5% Cr, 30–35% Fe, 3% MO | 8.14 | 1385–1400 | Säure-resistente Rohrleitungen, Meeresauspuffsysteme |
| Nickel–Tungsten (30% W) | ~ 70% in, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Strahlungsschutz, Tragenresistente Teile |
| Invar 36 | ~ 64% Fe, 36% In | 8.05 | 1430–1440 | Präzisionsinstrumente, Anwendungen mit geringer thermischer Expansion |
7. Abschluss
Die Dichte von Nickel ist eine grundlegende physikalische Eigenschaft, die das Design beeinflusst, Herstellung, und Leistung in High-Tech-Branchen.
Faktoren wie Reinheit, Legierung, Temperatur, und Druck erzeugen geringfügige Abweichungen, Das Verständnis dieser Nuancen ist jedoch für Ingenieure und materielle Wissenschaftler von entscheidender Bedeutung.
Nickels Kombination aus hoher Dichte, mechanische Stärke, und thermische Belastbarkeit macht es in der Luft- und Raumfahrt unverzichtbar, Chemikalie, Energie, und Elektroniksektoren.
FAQs
Hat die Form von Nickel (Solid vs. Pulver) beeinflussen seine Dichte?
Ja. "Wahre Dichte" (Dichte des Nickels selbst) ist dasselbe für Festkörper und Pulver (~ 8,908 g/cm³ für reines Nickel), Aber "Schüttdichte" (Masse/Volumen des Pulverbettes) ist niedriger (4–5 g/cm³) aufgrund von Hohlräumen zwischen Partikeln.
Gaspycnometrie misst die wahre Dichte, während die Tapfendichte die Schüttdichte misst.
Wie wirkt sich die Kaltarbeit auf die Dichte von Nickel aus??
Kaltes Arbeiten (Z.B., rollen, Schmieden) Erhöht die Dichte von Nickel leicht (~ 0,1–0,2%) Durch Reduzierung von Gitterfehlern (Versetzungen) und Komprimieren von Hohlräumen.
Zum Beispiel, Kaltgewaltiger Nickel hat eine Dichte von ~ 8,92 g/cm³, vs. 8.908 g/cm³ für geglühtes Nickel.
Ist Nickels Dichte höher als andere gemeinsame Metalle?
Ja. Nickel ist dichter als Aluminium (2.70 g/cm³), Eisen (7.87 g/cm³), und Titan (4.51 g/cm³) aber weniger dicht als Kupfer (8.96 g/cm³), Messing (8.4–8,7 g/cm³), und Wolfram (19.3 g/cm³).
Kann Dichte verwendet werden, um Nickel von gefälschten Metallen zu unterscheiden?
Ja. Zum Beispiel, Nickelstahl (Dichte ~ 7,9 g/cm³) hat eine geringere Dichte als reiner Nickel (8.908 g/cm³), Machen Sie das Prinzip von Archimedes zu einer einfachen Möglichkeit, Fälschungen zu erkennen (Z.B., falsche Nickelmünzen).
Was ist die Dichte von Nickel im Weltraum? (Vakuum, Extremtemperatur)?
Im Vakuum, Die Dichte ist nicht betroffen (Nur Temperatur und Druckmaterial). Bei kryogenen Temperaturen (-200° C), Die Dichte von Nickel steigt auf ~ 8,95 g/cm³ (Aufgrund der Gitterkontraktion).
In der Mikrogravitation, Dichtemessung über Archimedes -Prinzip ist unmöglich, Also wird stattdessen XRD verwendet.
