1. Bevezetés
A nikkel kritikus fém, amelyet széles körben használnak az iparban, űrrepülés, energia, és a kémiai alkalmazások korrózióállóságának köszönhetően, mechanikai erő, és hőstabilitás.
A sűrűség megértése alapvető fontosságú a mérnökök és az anyagtudósok számára, mert befolyásolja a súlyszámításokat, alkatrész tervezés, termikus viselkedés, és az általános anyagi teljesítmény.
A tiszta nikkel referencia sűrűsége szobahőmérsékleten (20 ° C) megközelítőleg 8.908 G/cm³ (vagy 8,908 kg/m³).
Ez a belső tulajdonság alátámasztja a nikkel alkalmazásokat nagy teljesítményű ötvözetekben, szerkezeti alkatrészek, és speciális bevonatok.
2. Mi a nikkel sűrűsége
Sűrűség az egységenkénti tömegként definiálják (p = m/v). Nikkelért, sűrűsége az atomtömegből fakad (58.6934 u) és az arc-központú köbös (FCC) kristályszerkezet, amely hatékonyan csomagolja az atomokat.
Standard hőmérsékleten és nyomáson, A nikkel stabil FCC rácsot mutat be, rácsos állandóval 0.352 nm, előállítva annak jellegzetes sűrűségét 8.908 G/cm³.
3. A nikkel sűrűségét befolyásoló tényezők
Nikkel sűrűsége (~ 8,908 g/cm³ 20 ° C ultra-magas tisztaságú fémhez) nem rögzített állandó; változik tisztaság, ötvözés, hőmérséklet, és nyomás.
Tisztaság: A sűrűség -variabilitás elsődleges hajtóereje
A referencia -sűrűsége 8.908 A g/cm³ kizárólag a ultra-magas tisztaságú nikkel (≥99,99%), mint például az elektrolitikus nikkel, amelyet az elektronikában és a precíziós műszerekben használnak.
Ipari gyakorlatban, A nikkel ritkán éri el ezt a tisztaságot.
Szennyeződések, Akár szándékos (ötvöző elemek) vagy véletlenszerű (maradék ércek, szennyező anyagok feldolgozása), kiszorítsa a nikkelatomokat a kristályrácsban, A sűrűség megváltoztatása atomtömegük és koncentrációjuk alapján.
A gyakori szennyeződések és azok hatásai (Adatok az ASM kézikönyvből, Kötet 2):
| Szennyeződés | Sűrűség (G/cm³) | Tipikus koncentráció a kereskedelmi nikkelben | Az eredményezve nikkel -sűrűség (G/cm³) | Sűrűségváltozás vs. Tiszta nikkel |
| Vas (FE) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | −0,01 - −0,06 |
| Réz (CU) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 hogy +0.02 |
| Szén (C, grafit) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | −0,001 - −0,008 |
| Kén (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0,001 - −0,003 |
| Oxigén (O, gáz) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Elhanyagolható |
Ötvözés: A teljesítmény sűrűségének testreszabási sűrűsége
A nikkel ötvözeteket képez olyan elemekkel, mint például réz (CU), króm (CR), molibdén (MO), volfrám (W), és vas (FE), A sűrűségű anyagok előállítása, amelyek lényegesen különböznek a tiszta nikkeltől.
Kiválasztott ötvözetek és sűrűség:
| Ötvözet | Összetétel | Sűrűség (G/cm³) | Különbség vs. -Ben | Elsődleges alkalmazás |
| Monel 400 | 65% -Ben, 34% CU, 1% FE | 8.80 | −0,108 | Tengeri korrózióállóság |
| Kuncol 625 | 59% -Ben, 21.5% CR, 9% MO, 5% FE | 8.44 | −0,468 | Magas hőmérsékleti kúszó ellenállás |
| Hastelloy x | 47% -Ben, 22% CR, 18.5% FE, 9% MO | 8.30 | −0,608 | Gázturbina égéskamrák |
| Nikkel (30% W) | 70% -Ben, 30% W | 10.0 | +1.092 | Sugárzási árnyékolás, kopásállóság |
| InVA 36 | 64% FE, 36% -Ben | 8.05 | −0,858 | Alacsony hőtágító szerszámok |
Hőmérséklet: Hőtágulás és sűrűségcsökkentés
A nikkel hővel bővül, csökkentve a sűrűségét.
A hőtágulási lineáris együttható (CTE) Mert nikkel ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; a hozzávetőleges volumenű CTE ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Ezen értékek felhasználása, A nikkel sűrűsége a hőmérsékleten csökken:
- 100 ° C -on: Sűrűség ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 G/cm³
- 500 ° C -on: Sűrűség ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 G/cm³
- 1455 ° C -on (olvadáspont, folyékony nikkel): Sűrűség ≈ 8.70 G/cm³ (A folyékony fémek kevésbé sűrűek, mint a szilárd anyagok megnövekedett atomi rendellenességek miatt)
Ez a hőmérséklet-függő sűrűség kritikus a:
- Magas hőmérsékleti öntvény: Az öntőformáknak meg kell számolniuk a sűrűségváltozásokat a megszilárdulás során, hogy elkerüljék a zsugorodási hibákat.
- Repülőgép -alkatrészek: Nikkel -szuperfémek sugárhajtású motorokban (Működik 1000–1200 ° C -on) Tapasztalja meg a sűrűségcsökkentéseket, amelyek befolyásolják a termikus vezetőképességet és a szerkezeti stabilitást.
Nyomás: A tömörítés és a sűrűség növekedése
Nikkel ömlesztett modulusa (~ 170 GPA) méri a tömörítés ellenállását. A magas nyomás kissé növeli a sűrűségt:
- -Kor 1 GPA (≈10 000 atm, A mélytengeri környezetre jellemző): A sűrűség ~ 0,5% -kal növekszik (≈8,95 g/cm³).
- -Kor 10 GPA (szélsőséges nyomás, PÉLDÁUL., bolygómagok): A sűrűség ~ 9,3 g/cm3 -ra emelkedik.
Mélytengeri berendezés: Nikkelezett alkatrészeknek a merülővárakban kell ellenállniuk a nyomás által kiváltott sűrűségváltozásoknak szerkezeti meghibásodás nélkül.
Nagynyomású fémmunka: Olyan folyamatok, mint a forró izosztatikus préselés (CSÍPŐ) Használjon nyomást a nikkel -ötvözetek sűrűsítésére, A porozitás csökkentése és a végső sűrűség növelése.
4. Sűrűségmérés
Archimedes ” Alapelv és hidrosztatikus mérlegelés
A nikkelmintákat folyadékba merítik, és a sűrűséget a lendületes erőkből számolják. Ez a módszer egyszerű és megbízható az ömlesztett alkatrészeknél.
Röntgendiffrakció (XRD)
Az XRD kiszámítja a sűrűségt a nikkel kristályszerkezetének rácsos paraméteréből (röntgen szórással mérve). Ez a módszer az:
- Pusztító: Ideális értékes vagy finom mintákhoz (PÉLDÁUL., repülőgép -alkatrészek).
- Rendkívül pontos: ± 0,0001 g/cm3 tiszta nikkel esetén, Mivel közvetlenül az atomcsomagolást méri, nem pedig az ömlesztett tulajdonságokat.
- Korlátozások: Jól kristályosított mintát igényel (nem alkalmas porokra vagy amorf nikkelre).
Pycnometria (Porokért)
Nikkelporok számára (additív gyártáshoz vagy bevonatokhoz használják), gázpyometria (ASTM D6226) méri a valódi sűrűségt egy gáz kiszorításával (PÉLDÁUL., hélium) lezárt kamrában.
Ez elkerüli a porágyak üregeinek hibáit, A sűrűség ± 0,002 g/cm3 -on belül az elméleti értéken belül.
Mérési variabilitás
A bejelentett sűrűség a szennyeződések miatt kissé eltérhet, porozitás, mérési módszer, és hőmérséklet, Általában ± 0,01–0,02 g/cm³-en belül a kiváló minőségű nikkel esetében.
5. A nikkel -sűrűség ipari relevanciája
A nikkel sűrűsége nem csupán elméleti tulajdonság, hanem közvetlenül befolyásolja a fém és az ötvözeteit tervezett, feldolgozott, és az iparágakban alkalmazzák.
A repülőgép -turbináktól a vegyi növényekig és az adalékanyag -gyártásig, A sűrűség kulcsszerepet játszik az anyagi teljesítményben és a mérnöki hatékonyságban.
Űrrepülés és repülés: Kiegyensúlyozó súly és erő
Repülőgépek és űrhajóinak igényei vannak nagy szilárdság-súly-arányok.
Míg a tiszta nikkel viszonylag sűrű (8.908 G/cm³), Nikkel-alapú szuperfémek, például Kuncol 625 (8.44 G/cm³) vagy Hastelloy x (8.30 G/cm³) kompromisszumot ad:
- Alacsonyabb sűrűség Csökkenti a teljes motor vagy szerkezeti súlyt, üzemanyag megtakarítása és meghosszabbító tartomány.
- Magas hőmérsékleti stabilitás biztosítja a kúszás és a fáradtság ellenállását >1000 ° C.
Példa: A 1% A turbina lemez tömegének csökkentése az ötvözött sűrűség -optimalizálás révén megtakaríthatja Évente több száz kilogramm sugárhajtású üzemanyag repülőgépenként.
Autóipari és nehéz gépek: Tartósság és hatékonyság
A nikkelsűrűség szintén releváns a földi szállításhoz:
- Elektromos járművek (EVS): Nikkelben gazdag katód anyagok (PÉLDÁUL., NMC, NCA) befolyásolja az akkumulátor energia sűrűségét, ahol a súlymegtakarítás javítja a vezetési tartományt.
- Nehéz felszerelés: Nikkel acélok és nikkel-rézötvözetek (sűrűség ~ 7,8–8,8 g/cm³) biztosítson keménységet és kopásállóságot az építőipari gépekben és a bányászati berendezésekben.
Kémiai és petrolkémiai feldolgozás: Korrózióállóság tömeghatékonysággal
Vegyi növényekben és finomítókban, A nikkel -ötvözeteknek ellenállniuk kell marósavak, lúg, és nagynyomású gázok:
- Monel 400 (8.80 G/cm³): A kiváló korrózióállóság miatt a tengeri csővezetékekhez és a tengervízkezeléshez választották.
- Hastelloy C-sorozat (~ 8,9 g/cm³): Savfeldolgozó reaktorokban használják, Ahol a sűrűség kiegyensúlyozott a korrózióállóság és a mechanikai integritás ellen.
A sűrűség nem csak befolyásolja mechanikai erő hanem hővezető képesség és hőátadási hatékonyság, Mindkettő kritikus a kémiai reaktorokban.
Öntvény, Kovácsolás, és adalékanyag -gyártás: A megszilárdulás szabályozása
A nikkel sűrűség viselkedése a termikus feldolgozás során közvetlenül befolyásolja a gyártási eredményeket:
- Öntvény: Sűrűségcsökkentés olvadás után (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) a megelőzés érdekében el kell számolniuk zsugorodási porozitás formákban.
- Kovácsolás és csípő (Forró izosztatikus sajtó): Az alkalmazott nyomás sűrűsíti a nikkelötvözeteket, Az üregek bezárása és a mechanikai erő növelése.
- Additív gyártás (AM): A porágy fúziója és az irányított energia lerakódás a kiszámítható por sűrűségére támaszkodik Áramlásosság, réteg egységesség, és az utolsó rész sűrűsége.
Energia- és nukleáris alkalmazások: Ha a nagy sűrűség előnye
Egyes iparágakban, A nagyobb sűrűség előnyös:
- Nikkel-öntési ötvözetek (~ 10,0 g/cm³): Biztosítson sugárzási árnyékolást a nukleáris reaktorokban és az orvosi képalkotásban.
- Nikkel-alapú anódok és katódok: A sűrűség befolyásolja az áram hatékonyságát és a hőstabilitást az üzemanyagcellákban és az elektrolizálókban.
6. Gyors referenciaasztal: Tiszta nikkel és általános ötvözetek
| Anyag / Ötvözet | Összetétel (Fő elemek) | Sűrűség (g/cm³ @ 20 ° C) | Olvadáspont (° C) | Kulcsfontosságú alkalmazások |
| Tiszta nikkel (99.99%) | ≥99,99% at | 8.908 | 1455 | Elektronika, hőelem, galvanizáló |
| Kereskedelmi nikkel (Fokozat 200) | ≥99,0% at + FE szennyeződések | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Vegyi feldolgozó berendezés, tengeri hardver |
| Monel 400 | ~ 65% -a van, 34% CU, 1% FE | 8.80 | 1350–1400 | Tengeri tervezés, szivattyúk, hőcserélők |
| Kuncol 600 | ~ 72% -uk van, 14–17% CR, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Vegyi feldolgozás, kemence alkatrészek, nukleáris reaktorok |
| Kuncol 625 | ~ 59% -uk van, 21.5% CR, 9% MO, 5% FE | 8.44 | 1290–1350 | Űrrepülőkurbinák, nukleáris reaktorok, vegyi növények |
| Diszpáloy | ~ 58% -a van, 19% CR, 13% Társ, 4% MO, -Y -az, Al | 8.19 | 1320–1380 | Sugárhajtású motor turbina lemezek, űrrepülőgép rögzítőelemek |
Nimonic 80a |
~ 76% -a van, 20% CR, -Y -az, Al | 8.19 | 1320–1385 | Gázturbinák, kipufogószelepek, magas hőmérsékleti rugók |
| Hastelloy x | ~ 47% -uk van, 22% CR, 18.5% FE, 9% MO | 8.30 | 1260–1355 | Gázturbina égéskamrák, magas hőmérsékletű csatornák |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% -a van, 22% CR, 13% MO, 3% W, FE | 8.69 | 1350–1400 | Vegyi reaktorok, súrolók, szennyezés ellenőrzése |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% -a van, 16% MO, 15% CR, 5% FE, W | 8.89 | 1325–1370 | Füstgáz -súrolók, vegyi feldolgozás, szennyezés ellenőrzése |
| Kocsmát 825 | ~ 42% -uk van, 21.5% CR, 30–35% Fe, 3% MO | 8.14 | 1385–1400 | Saválló csövek, tengeri kipufogórendszerek |
| Nikkel - (30% W) | ~ 70% in, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Sugárzási árnyékolás, kopásálló alkatrészek |
| InVA 36 | ~ 64% Fe, 36% -Ben | 8.05 | 1430–1440 | Precíziós műszerek, alacsony hőtágulási alkalmazások |
7. Következtetés
A nikkel sűrűsége alapvető fizikai tulajdonság, amely befolyásolja a formatervezést, gyártás, és teljesítmény a csúcstechnológiai iparágakban.
Olyan tényezők, mint a tisztaság, ötvözés, hőmérséklet, és a nyomás kisebb variációkat hoz létre, De ezeknek az árnyalatoknak a megértése kritikus fontosságú a mérnökök és az anyagtudósok számára.
Nikkel nagy sűrűségű kombinációja, mechanikai erő, és a hő ellenálló képesség nélkülözhetetlenné teszi az űrben, kémiai, energia, és az elektronikai ágazatok.
GYIK
A nikkel formája (szilárd vs. por) befolyásolja a sűrűségét?
Igen. „Igazi sűrűség” (maga a nikkel sűrűsége) Ugyanez vonatkozik a szilárd anyagokra és porokra (~ 8,908 g/cm³ tiszta nikkelhez), De „ömlesztett sűrűség” (A porágy tömege/térfogata) alacsonyabb (4–5 g/cm³) a részecskék közötti üregek miatt.
Gáz pycnometria méri a valódi sűrűségt, Míg a TAP sűrűség méri az ömlesztett sűrűségt.
Hogyan befolyásolja a hidegmunka a nikkel sűrűségét?
Hideg munka (PÉLDÁUL., gördülő, kovácsolás) kissé növeli a nikkel sűrűségét (~ 0,1–0,2%) A rácshibák csökkentésével (diszlokációk) és az üregek tömörítése.
Például, A hidegen hengerelt nikkel sűrűsége ~ 8,92 g/cm3, VS. 8.908 G/cm³ a lágyított nikkelhez.
A nikkel sűrűsége magasabb, mint más általános fémek?
Igen. A nikkel sűrűbb, mint az alumínium (2.70 G/cm³), vas (7.87 G/cm³), és a titán (4.51 G/cm³) de kevésbé sűrű, mint a réz (8.96 G/cm³), sárgaréz (8.4–8,7 g/cm³), és volfrám (19.3 G/cm³).
Használható -e a sűrűség a nikkel megkülönböztetésére a hamis fémektől?
Igen. Például, nikkelezett acél (Sűrűség ~ 7,9 g/cm³) alacsonyabb sűrűségű, mint a tiszta nikkel (8.908 G/cm³), Az Archimedes alapelve egyszerű módja a hamisítások észlelésének (PÉLDÁUL., hamis nikkel érmék).
Mekkora a nikkel sűrűsége az űrben (vákuum, szélsőséges hőmérséklet)?
Vákuumban, A sűrűség nem érinti (Csak a hőmérséklet és a nyomás számít). Kriogén hőmérsékleten (-200° C), A nikkel sűrűsége ~ 8,95 g/cm3 -ra növekszik (A rács összehúzódása miatt).
Mikrogravitációban, A sűrűségmérés az Archimedes elvén keresztül lehetetlen, Tehát az XRD -t inkább használják.
