1. Perkenalan
Nikel adalah logam kritis yang banyak digunakan dalam industri, Aerospace, energi, dan aplikasi kimia karena ketahanan korosiasinya, kekuatan mekanis, dan stabilitas termal.
Memahami kepadatannya sangat mendasar bagi para insinyur dan ilmuwan material karena memengaruhi perhitungan berat badan, Desain Komponen, perilaku termal, dan kinerja material secara keseluruhan.
Kepadatan referensi nikel murni pada suhu kamar (20 ° C.) kira -kira 8.908 g/cm³ (atau 8,908 kg/m³).
Properti intrinsik ini mendukung aplikasi nikel dalam paduan berkinerja tinggi, komponen struktural, dan pelapis khusus.
2. Apa kepadatan nikel
Kepadatan didefinisikan sebagai massa per unit volume (p = m/v). Untuk nikel, kepadatannya muncul dari massa atom (58.6934 u) dan kubik yang berpusat pada wajahnya (FCC) struktur kristal, yang mengemas atom secara efisien.
Pada suhu dan tekanan standar, Nikel menunjukkan kisi FCC yang stabil dengan konstanta kisi 0.352 nm, menghasilkan kepadatan karakteristiknya 8.908 g/cm³.
3. Faktor yang mempengaruhi kepadatan nikel
Kepadatan nikel (~ 8,908 g/cm³ at 20 ° C untuk logam ultra-tinggi) bukan konstanta yang tetap; itu bervariasi dengan kemurnian, paduan, suhu, dan tekanan.
Kemurnian: Pendorong utama variabilitas kepadatan
Kepadatan referensi 8.908 G/cm³ berlaku secara eksklusif untuk Nikel ultra-tinggi-kemurnian (≥99,99%), seperti nikel elektrolitik yang digunakan dalam elektronik dan instrumen presisi.
Dalam praktik industri, Nikel jarang mencapai kemurnian ini.
Kotoran, apakah disengaja (elemen paduan) atau tidak disengaja (Bijih residu, memproses kontaminan), menggusur atom nikel di kisi kristal, mengubah kepadatan berdasarkan massa atom dan konsentrasi mereka.
Kotoran umum dan efeknya (Data dari Buku Pegangan ASM, Volume 2):
| Kenajisan | Kepadatan (g/cm³) | Konsentrasi khas dalam nikel komersial | Menghasilkan kepadatan nikel (g/cm³) | Perubahan kepadatan vs.. Nikel murni |
| Besi (Fe) | 7.874 | 0.5–1.0% | 8.85–8.90 | −0.01 hingga −0.06 |
| Tembaga (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 ke +0.02 |
| Karbon (C, grafit) | 2.267 | 0.01–0.05% | 8.90–8.91 | −0.001 hingga −0.008 |
| Sulfur (S) | 2.07 | 0.005–0.01% | 8.905–8.907 | −0.001 hingga −0.003 |
| Oksigen (HAI, gas) | 1.429 | 0.001–0.005% | 8.907–8.908 | Diabaikan |
Paduan: Menyesuaikan kepadatan untuk kinerja
Nikel membentuk paduan dengan elemen seperti tembaga (Cu), kromium (Cr), Molybdenum (Mo), tungsten (W), dan besi (Fe), menghasilkan bahan dengan kepadatan yang berbeda secara substansial dari nikel murni.
Paduan dan kepadatan terpilih:
| Paduan | Komposisi | Kepadatan (g/cm³) | Perbedaan vs.. Di dalam | Aplikasi utama |
| Monel 400 | 65% Di dalam, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0.108 | Resistensi korosi kelautan |
| Inconel 625 | 59% Di dalam, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | −0.468 | Resistensi creep suhu tinggi |
| Hastelloy x | 47% Di dalam, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | −0.608 | Ruang Pembakaran Turbin Gas |
| Nikel (30% W) | 70% Di dalam, 30% W | 10.0 | +1.092 | Perisai radiasi, Pakai ketahanan |
| Invar 36 | 64% Fe, 36% Di dalam | 8.05 | −0.858 | Alat ekspansi termal rendah |
Suhu: Ekspansi termal dan pengurangan kepadatan
Nikel mengembang dengan panas, mengurangi kepadatannya.
Itu Koefisien linier ekspansi termal (CTE) untuk nikel ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; itu perkiraan CTE volumetrik adalah ~ 40.2 × 10⁻⁶/° C. Menggunakan nilai -nilai ini, Kepadatan nikel berkurang dengan suhu:
- Pada 100 ° C.: Kepadatan ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Pada 500 ° C.: Kepadatan ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Pada 1455 ° C. (titik lebur, nikel cair): Kepadatan ≈ 8.70 g/cm³ (Logam cair kurang padat daripada padatan karena peningkatan gangguan atom)
Kepadatan yang bergantung pada suhu ini sangat penting untuk:
- Casting suhu tinggi: Cetakan harus memperhitungkan perubahan kepadatan selama pemadatan untuk menghindari cacat penyusutan.
- Komponen Aerospace: Superalloy nikel di mesin jet (beroperasi pada 1000–1200 ° C.) mengalami pengurangan kepadatan yang mempengaruhi konduktivitas termal dan stabilitas struktural.
Tekanan: Kompresi dan kepadatan meningkat
Modulus curah Nikel (~ 170 GPa) mengukur ketahanan terhadap kompresi. Tekanan tinggi sedikit meningkatkan kepadatan:
- Pada 1 IPK (≈10.000 atm, khas lingkungan laut dalam): Kepadatan meningkat ~ 0,5% (≈8.95 g/cm³).
- Pada 10 IPK (tekanan ekstrem, MISALNYA., inti planet): Kepadatan naik menjadi ~ 9,3 g/cm³.
Peralatan laut dalam: Komponen berlapis nikel dalam submersible harus menahan perubahan kepadatan yang diinduksi tekanan tanpa kegagalan struktural.
Pengerjaan logam bertekanan tinggi: Proses seperti penekanan isostatik panas (PANGGUL) Gunakan tekanan untuk memadatkan paduan nikel, mengurangi porositas dan meningkatkan kepadatan akhir.
4. Pengukuran kepadatan
Archimedes ’ Prinsip dan penimbangan hidrostatik
Sampel nikel terendam dalam cairan, dan kepadatan dihitung dari kekuatan apung. Metode ini sederhana dan dapat diandalkan untuk komponen curah.
Difraksi sinar-X (Xrd)
XRD menghitung kepadatan dari parameter kisi struktur kristal nikel (diukur melalui hamburan sinar-X). Metode ini adalah:
- Non-destruktif: Ideal untuk sampel yang berharga atau halus (MISALNYA., Komponen Aerospace).
- Sangat tepat: ± 0,0001 g/cm³ untuk nikel murni, karena secara langsung mengukur pengemasan atom daripada sifat curah.
- Batasan: Membutuhkan sampel yang terinstal dengan baik (tidak cocok untuk bubuk atau nikel amorf).
Pycnometry (untuk bubuk)
Untuk bubuk nikel (digunakan dalam manufaktur atau pelapis aditif), Pycnometry gas (ASTM D6226) mengukur kepadatan sejati dengan menggusur gas (MISALNYA., helium) di kamar tertutup.
Ini menghindari kesalahan dari rongga di tempat tidur bubuk, kepadatan menghasilkan ± 0,002 g/cm³ dari nilai teoretis.
Variabilitas pengukuran
Kepadatan yang dilaporkan dapat sedikit berbeda karena kotoran, porositas, metode pengukuran, dan suhu, Biasanya dalam ± 0,01-0,02 g/cm³ untuk nikel berkualitas tinggi.
5. Relevansi Industri Kepadatan Nikel
Kepadatan nikel bukan hanya properti teoretis - itu secara langsung memengaruhi bagaimana logam dan paduannya dirancang, diproses, dan diterapkan di seluruh industri.
Dari turbin aerospace hingga pabrik kimia dan manufaktur aditif, kepadatan memainkan peran penting dalam kinerja material dan efisiensi rekayasa.
Aerospace dan Penerbangan: Menyeimbangkan berat dan kekuatan
Pesawat dan pesawat ruang angkasa menuntut bahan dengan rasio kekuatan-ke-berat yang tinggi.
Sedangkan nikel murni relatif padat (8.908 g/cm³), Superalloy berbasis nikel seperti Inconel 625 (8.44 g/cm³) atau Hastelloy x (8.30 g/cm³) memberikan kompromi:
- Kepadatan lebih rendah Mengurangi total mesin atau bobot struktural, menghemat bahan bakar dan jangkauan yang diperluas.
- Stabilitas suhu tinggi memastikan ketahanan terhadap creep dan kelelahan >1000 ° C..
Contoh: A 1% Pengurangan massa disk turbin melalui optimasi kepadatan paduan dapat menghemat ratusan kilogram bahan bakar jet setiap tahun per pesawat terbang.
Otomotif dan mesin berat: Daya tahan dan efisiensi
Kepadatan nikel juga relevan untuk transportasi darat:
- Kendaraan listrik (EVS): Bahan katoda yang kaya nikel (MISALNYA., NMC, NCA) mempengaruhi kepadatan energi baterai, dimana penghematan berat meningkatkan jangkauan mengemudi.
- Alat berat: Baja nikel dan paduan nikel-copper (Kepadatan ~ 7.8–8.8 g/cm³) Berikan ketangguhan dan ketahanan aus pada mesin konstruksi dan peralatan pertambangan.
Pemrosesan kimia dan petrokimia: Resistensi korosi dengan efisiensi massa
Di tanaman kimia dan kilang, Paduan nikel harus menolak Asam korosif, alkalis, dan gas bertekanan tinggi:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Dipilih untuk saluran pipa laut dan penanganan air laut karena ketahanan korosi yang sangat baik.
- Hastelloy C-Series (~ 8.9 g/cm³): Digunakan dalam reaktor pemrosesan asam, di mana kepadatan seimbang terhadap resistensi korosi dan integritas mekanik.
Kepadatan mempengaruhi tidak hanya kekuatan mekanis tetapi juga konduktivitas termal Dan efisiensi perpindahan panas, keduanya kritis dalam reaktor kimia.
Pengecoran, Penempaan, dan manufaktur aditif: Mengontrol Solidifikasi
Perilaku kepadatan nikel selama pemrosesan termal secara langsung mempengaruhi hasil manufaktur:
- Pengecoran: Pengurangan kepadatan saat meleleh (8.908 → ~ 8.70 g/cm³) harus diperhitungkan untuk mencegah Porositas penyusutan dalam cetakan.
- Penempaan dan pinggul (Menekan isostatik panas): Tekanan yang diterapkan memadatkan paduan nikel, menutup kekosongan dan meningkatkan kekuatan mekanik.
- Pembuatan aditif (PAGI): Fusi bubuk dan deposisi energi terarah mengandalkan kepadatan bubuk yang konsisten untuk diprediksi Kemampuan mengalir, keseragaman lapisan, dan kepadatan bagian terakhir.
Aplikasi energi dan nuklir: Saat kepadatan tinggi bermanfaat
Di beberapa industri, kepadatan yang lebih tinggi menguntungkan:
- Paduan nikel-tungsten (~ 10.0 g/cm³): Memberikan pelindung radiasi dalam reaktor nuklir dan pencitraan medis.
- Anoda dan katoda berbasis nikel: Kepadatan mempengaruhi efisiensi saat ini dan stabilitas termal dalam sel bahan bakar dan elektrolilia.
6. Tabel Referensi Cepat: Nikel murni dan paduan umum
| Bahan / Paduan | Komposisi (Elemen utama) | Kepadatan (g/cm³ @ 20 ° C.) | Titik lebur (° C.) | Aplikasi utama |
| Nikel murni (99.99%) | ≥99,99% di | 8.908 | 1455 | Elektronik, termokopel, elektroplating |
| Nikel komersial (Nilai 200) | ≥99,0% di + Kotoran fe | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Peralatan pemrosesan kimia, perangkat keras laut |
| Monel 400 | ~ 65% memiliki, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Teknik Laut, pompa, Penukar panas |
| Inconel 600 | ~ 72% memiliki, 14–17% cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Pemrosesan Kimia, komponen tungku, reaktor nuklir |
| Inconel 625 | ~ 59% memiliki, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Turbin Aerospace, reaktor nuklir, tanaman kimia |
| Waspaloy | ~ 58% memiliki, 19% Cr, 13% Bersama, 4% Mo, Dari, Al | 8.19 | 1320–1380 | Disk turbin mesin jet, Pengencang Aerospace |
Nimonic 80A |
~ 76% memiliki, 20% Cr, Dari, Al | 8.19 | 1320–1385 | Turbin gas, katup buang, Mata air suhu tinggi |
| Hastelloy x | ~ 47% memiliki, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | 1260–1355 | Ruang Pembakaran Turbin Gas, saluran suhu tinggi |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% memiliki, 22% Cr, 13% Mo, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Reaktor kimia, scrubbers, kontrol polusi |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% memiliki, 16% Mo, 15% Cr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Scrubbers gas buang, Pemrosesan Kimia, kontrol polusi |
| Incoloy 825 | ~ 42% memiliki, 21.5% Cr, 30–35% Fe, 3% Mo | 8.14 | 1385–1400 | Pipa tahan asam, Sistem Knalpot Laut |
| Nikel - (30% W) | ~ 70% di, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Perisai radiasi, bagian tahan aus |
| Invar 36 | ~ 64% Fe, 36% Di dalam | 8.05 | 1430–1440 | Instrumen Presisi, Aplikasi Ekspansi Termal Rendah |
7. Kesimpulan
Kepadatan nikel adalah properti fisik mendasar yang mempengaruhi desain, manufaktur, dan kinerja di industri berteknologi tinggi.
Faktor -faktor seperti kemurnian, paduan, suhu, dan tekanan membuat variasi kecil, Tetapi memahami nuansa ini sangat penting bagi para insinyur dan ilmuwan material.
Kombinasi nikel dari kepadatan tinggi, kekuatan mekanis, dan ketahanan termal membuatnya sangat diperlukan di ruang angkasa, kimia, energi, dan sektor elektronik.
FAQ
Apakah bentuk nikel (solid vs.. bubuk) mempengaruhi kepadatannya?
Ya. "Kepadatan sejati" (kepadatan nikel itu sendiri) sama untuk padatan dan bubuk (~ 8.908 g/cm³ untuk nikel murni), Tapi "kepadatan curah" (massa/volume unggun bubuk) lebih rendah (4–5 g/cm³) karena rongga antar partikel.
Pycnometry gas mengukur kepadatan sejati, Sedangkan kepadatan keran mengukur kepadatan curah.
Bagaimana kerja dingin mempengaruhi kepadatan nikel?
Bekerja dingin (MISALNYA., bergulir, penempaan) sedikit meningkatkan kepadatan nikel (~ 0,1-0,2%) dengan mengurangi cacat kisi (dislokasi) dan mengompresi rongga.
Misalnya, Nikel yang berguling dingin memiliki kepadatan ~ 8,92 g/cm³, vs.. 8.908 g/cm³ untuk nikel anil.
Apakah kepadatan nikel lebih tinggi dari logam umum lainnya?
Ya. Nikel lebih padat dari aluminium (2.70 g/cm³), besi (7.87 g/cm³), dan titanium (4.51 g/cm³) Tapi kurang padat dari tembaga (8.96 g/cm³), kuningan (8.4–8.7 g/cm³), dan tungsten (19.3 g/cm³).
Dapatkah kepadatan digunakan untuk membedakan nikel dari logam palsu?
Ya. Misalnya, Baja berlapis nikel (kepadatan ~ 7,9 g/cm³) memiliki kepadatan yang lebih rendah dari nikel murni (8.908 g/cm³), Membuat prinsip Archimedes sebagai cara sederhana untuk mendeteksi pemalsuan (MISALNYA., Koin nikel palsu).
Apa kepadatan nikel di luar angkasa (kekosongan, suhu ekstrem)?
Dalam ruang hampa, Kepadatan tidak terpengaruh (hanya suhu dan tekanan materi). Pada suhu cryogenic (-200° C.), Kepadatan nikel meningkat menjadi ~ 8,95 g/cm³ (Karena kontraksi kisi).
Dalam gayaberat mikro, pengukuran kepadatan melalui prinsip Archimedes tidak mungkin, Jadi XRD digunakan sebagai gantinya.
