1. 導入
ニッケルは、産業で広く使用されている重要な金属です, 航空宇宙, エネルギー, 腐食抵抗による化学用途, 機械的強度, および熱安定性.
その密度を理解することは、体重計算に影響を与えるため、エンジニアや材料科学者にとって基本です, コンポーネント設計, 熱挙動, 全体的な材料性能.
室温での純粋なニッケルの基準密度 (20 °C) ほぼです 8.908 g/cm³ (または 8,908 kg/m³).
この固有の特性は、高性能合金のニッケルのアプリケーションを支えています, 構造コンポーネント, および特殊なコーティング.
2. ニッケルの密度は何ですか
密度 単位体積あたりの質量として定義されます (p = m/v). ニッケル用, その密度は原子質量から生じます (58.6934 u) その顔中心の立方体 (FCC) 結晶構造, 原子を効率的に梱包します.
標準温度と圧力で, ニッケルは、格子定数を持つ安定したFCC格子を示します 0.352 nm, の特徴的な密度を生成します 8.908 g/cm³.
3. ニッケル密度に影響する要因
ニッケルの密度 (〜8.908 g/cm³で 20 °Cウルトラハイプ状態の金属の場合) 固定定数ではありません; それは異なります 純度, 合金, 温度, と圧力.
純度: 密度変動の主な要因
の参照密度 8.908 G/cm³はのみ適用されます 超高純度のニッケル (99.99％以上), 電子機器や精密機器で使用される電解ニッケルなど.
産業実践で, ニッケルはめったにこの純度に到達しません.
不純物, 意図的かどうか (合金要素) または偶発的 (残留鉱石, 汚染物質の処理), 結晶格子にニッケル原子を置き換えます, 原子質量と濃度に基づいて密度を変化させます.
一般的な不純物とその効果 (ASMハンドブックからのデータ, 音量 2):
| 不純物 | 密度 (g/cm³) | 市販のニッケルの典型的な濃度 | 結果としてニッケル密度 (g/cm³) | 密度の変化と. 純粋なニッケル |
| 鉄 (fe) | 7.874 | 0.5–1.0％ | 8.85–8.90 | -0.01〜 -0.06 |
| 銅 (cu) | 8.96 | 0.1–0.5％ | 8.91–8.93 | +0.002 に +0.02 |
| 炭素 (c, 黒鉛) | 2.267 | 0.01–0.05％ | 8.90–8.91 | -0.001〜 -0.008 |
| 硫黄 (s) | 2.07 | 0.005–0.01％ | 8.905–8.907 | -0.001〜 -0.003 |
| 酸素 (o, ガス) | 1.429 | 0.001–0.005％ | 8.907–8.908 | 無視できます |
合金: パフォーマンスのための調整密度
ニッケルは、などの要素を持つ合金を形成します 銅 (cu), クロム (cr), モリブデン (MO), タングステン (w), と鉄 (fe), 純粋なニッケルとは大きく異なる密度の材料を生産する.
選択された合金と密度:
| 合金 | 構成 | 密度 (g/cm³) | 違い対. で | 一次アプリケーション |
| モネル 400 | 65% で, 34% cu, 1% fe | 8.80 | -0.108 | 海洋腐食抵抗 |
| インコネル 625 | 59% で, 21.5% cr, 9% MO, 5% fe | 8.44 | -0.468 | 高温クリープ抵抗 |
| Hastelloy x | 47% で, 22% cr, 18.5% fe, 9% MO | 8.30 | -0.608 | ガスタービン燃焼チャンバー |
| ニッケル (30% w) | 70% で, 30% w | 10.0 | +1.092 | 放射線シールド, 耐摩耗性 |
| invar 36 | 64% fe, 36% で | 8.05 | -0.858 | 低熱膨張ツール |
温度: 熱膨張と密度の低下
ニッケルは熱で膨張します, その密度を減らします.
The 線形熱膨張係数 (CTE) ニッケルの場合、〜13.4×10°/°Cです; the おおよその体積CTE 〜40.2×10⁻⁶/°Cです. これらの値を使用します, ニッケルの密度は温度とともに減少します:
- 100°Cで: 密度≈ 8.908 g/cm³× (1 - (40.2 ×10⁻⁶/°C×80°C)) ≈ 8.88 g/cm³
- 500°Cで: 密度≈ 8.908 g/cm³× (1 - (40.2 ×10⁻⁶/°C×480°C)) ≈ 8.73 g/cm³
- 1455°Cで (融点, 液体ニッケル): 密度≈ 8.70 g/cm³ (液体金属は、原子障害の増加により固体よりも密度が低い)
この温度依存密度は重要です:
- 高温鋳造: 収縮欠陥を避けるために、凝固中の密度の変化をカビが密度の変化を説明する必要があります.
- 航空宇宙コンポーネント: ジェットエンジンのニッケルスーパーアロイ (1000〜1200°Cで動作します) 熱伝導率と構造の安定性に影響する経験密度の減少.
プレッシャー: 圧縮と密度が増加します
ニッケルのバルクモジュラス (〜170 gpa) 圧縮に対する抵抗を測定します. 高圧は密度をわずかに増加させます:
- で 1 GPA (≈10,000atm, 深海環境の典型): 密度は0.5％増加します (≈8.95g/cm³).
- で 10 GPA (極度の圧力, 例えば。, 惑星コア): 密度は〜9.3 g/cm³に上昇します.
深海機器: サブマーシーブルのニッケルメッキコンポーネントは、構造障害なしに圧力誘発密度の変化に耐える必要があります.
高圧金属加工: ホットアイソスタティックプレスなどのプロセス (ヒップ) 圧力を使用して、ニッケル合金を濃縮します, 気孔率の低下と最終密度の増加.
4. 密度測定
アルキメデス」 原理と静水圧の計量
ニッケルサンプルは液体に浸されています, 密度は浮力力から計算されます. この方法は、バルクコンポーネントに対してシンプルで信頼性があります.
X線回折 (XRD)
XRDは、ニッケルの結晶構造の格子パラメーターから密度を計算します (X線散乱を介して測定). この方法はです:
- 非破壊的: 貴重または繊細なサンプルに最適です (例えば。, 航空宇宙コンポーネント).
- 非常に正確です: 純粋なニッケルの場合は±0.0001 g/cm³, バルクプロパティではなく原子パッキングを直接測定するため.
- 制限: 適切に結晶化されたサンプルが必要です (粉末やアモルファスニッケルには適していません).
ピクノメトリー (粉末用)
ニッケルパウダー用 (添加剤の製造またはコーティングで使用されます), ガスピクノメトリー (ASTM D6226) ガスを変位させることにより、真密度を測定します (例えば。, ヘリウム) 密閉室で.
これにより、パウダーベッドのボイドからのエラーが回避されます, 理論値の±0.002 g/cm³以内の密度を生成します.
測定のばらつき
報告された密度は、不純物によりわずかに異なる場合があります, 気孔率, 測定方法, と温度, 通常、高品質のニッケルの場合は±0.01〜0.02 g/cm³以内.
5. ニッケル密度の産業関連
ニッケルの密度は、単なる理論的特性ではありません。金属とその合金がどのように影響するかに直接影響します 設計, 処理, 業界全体に適用されます.
航空宇宙タービンから化学プラントや添加剤の製造まで, 密度は、材料のパフォーマンスとエンジニアリング効率において極めて重要な役割を果たします.
航空宇宙と航空: 体重と強度のバランス
航空機と宇宙船の需要材料 高強度と重量の比率.
純粋なニッケルは比較的密度が高いです (8.908 g/cm³), ニッケルベースのスーパーアロイなど インコネル 625 (8.44 g/cm³) または Hastelloy x (8.30 g/cm³) 妥協を提供します:
- 低密度 総エンジンまたは構造重量を減らします, 燃料の節約と拡張範囲.
- 高温安定性 クリープに対する抵抗と疲労を保証します >1000 °C.
例: a 1% 合金密度の最適化によるタービンディスク質量の減少は節約できます 航空機あたり毎年数百キログラムのジェット燃料.
自動車および重機: 耐久性と効率
ニッケル密度は、地上輸送にも関連しています:
- 電気自動車 (EVS): ニッケルが豊富なカソード材料 (例えば。, NMC, NCA) バッテリーエネルギー密度に影響します, 体重の節約が運転範囲を改善する場合.
- 重機: ニッケル鋼とニッケルコッパー合金 (密度〜7.8〜8.8 g/cm³) 建設機械と鉱業の耐張りと耐摩耗性を提供する.
化学および石油化学処理: 質量効率による耐食性
化学プラントと製油所で, ニッケル合金は抵抗する必要があります 腐食性酸, アルカリ, および高圧ガス:
- モネル 400 (8.80 g/cm³): 優れた腐食抵抗のために海洋パイプラインと海水処理のために選ばれた.
- Hastelloy Cシリーズ (〜8.9 g/cm³): 酸処理反応器で使用されます, 密度が腐食抵抗と機械的完全性とのバランスが取れている場合.
密度はだけでなく影響します 機械的強度 だけでなく、 熱伝導率 そして 熱伝達効率, どちらも化学反応器で重要です.
鋳造, 鍛造, および添加剤の製造: 固化の制御
熱処理中のニッケルの密度の動作は、製造結果に直接影響します:
- 鋳造: 融解時の密度の低下 (8.908 →〜8.70 g/cm³) 防止するために説明する必要があります 収縮気孔率 型で.
- 鍛造とヒップ (ホットアイソスタティックプレス): 印加圧力濃度はニッケル合金を濃くします, ボイドを閉じ、機械的強度の向上.
- 添加剤の製造 (午前): 粉床融合と指示されたエネルギー堆積は、予測可能な一貫した粉末密度に依存しています 流動性, レイヤーの均一性, および最終的な部分密度.
エネルギーおよび核アプリケーション: 高密度が利点である場合
一部の業界で, 高密度は有利です:
- ニッケル - タングステン合金 (約10.0 g/cm³): 原子炉と医療イメージングの放射線シールドを提供します.
- ニッケルベースのアノードとカソード: 密度は、燃料電池と電解器の現在の効率と熱安定性に影響します.
6. クイックリファレンステーブル: 純粋なニッケルと一般的な合金
| 材料 / 合金 | 構成 (主要な要素) | 密度 (g/cm³ @ 20 °C) | 融点 (°C) | キーアプリケーション |
| 純粋なニッケル (99.99%) | 99.99％以上 | 8.908 | 1455 | エレクトロニクス, 熱電対, 電気めっき |
| コマーシャルニッケル (学年 200) | ≥99.0％ + FE不純物 | 8.85–8.90 | 1445–1455 | 化学処理装置, マリンハードウェア |
| モネル 400 | 〜65％があります, 34% cu, 1% fe | 8.80 | 1350–1400 | 海洋工学, パンプス, 熱交換器 |
| インコネル 600 | 〜72％が持っています, 14–17％Cr, 6–10％Fe | 8.47 | 1354–1413 | 化学処理, 炉コンポーネント, 原子炉 |
| インコネル 625 | 〜59％があります, 21.5% cr, 9% MO, 5% fe | 8.44 | 1290–1350 | 航空宇宙タービン, 原子炉, 化学プラント |
| ワスパロイ | 〜58％があります, 19% cr, 13% co, 4% MO, の, アル | 8.19 | 1320–1380 | ジェットエンジンタービンディスク, 航空宇宙ファスナー |
ニモニック80a |
〜76％があります, 20% cr, の, アル | 8.19 | 1320–1385 | ガスタービン, 排気バルブ, 高温スプリング |
| Hastelloy x | 〜47％があります, 22% cr, 18.5% fe, 9% MO | 8.30 | 1260–1355 | ガスタービン燃焼チャンバー, 高温ダクト |
| Hastelloy C-22 | 〜56％があります, 22% cr, 13% MO, 3% w, fe | 8.69 | 1350–1400 | 化学反応器, スクラバー, 汚染防止 |
| Hastelloy C-276 | 〜57％があります, 16% MO, 15% cr, 5% fe, w | 8.89 | 1325–1370 | 煙道スクラバー, 化学処理, 汚染防止 |
| インコロイ 825 | 〜42％があります, 21.5% cr, 30–35％Fe, 3% MO | 8.14 | 1385–1400 | 酸耐性配管, 海洋排気システム |
| ニッケル - (30% w) | 〜70％in, 30% w | 10.0 | 〜1455–1500 | 放射線シールド, 耐摩耗性の部品 |
| invar 36 | 〜64％Fe, 36% で | 8.05 | 1430–1440 | 精密機器, 低熱膨張アプリケーション |
7. 結論
ニッケルの密度は、設計に影響を与える基本的な物理的特性です, 製造, ハイテク業界でのパフォーマンス.
純度などの要因, 合金, 温度, 圧力はわずかなバリエーションを作成します, しかし、これらのニュアンスを理解することは、エンジニアや材料科学者にとって重要です.
ニッケルの高密度の組み合わせ, 機械的強度, そして、熱の回復力は、航空宇宙全体で不可欠です, 化学薬品, エネルギー, および電子部門.
FAQ
ニッケルの形はありますか (ソリッド対. 粉) 密度に影響します?
はい. 「真の密度」 (ニッケル自体の密度) 固体と粉末についても同じです (純粋なニッケル用の〜8.908 g/cm³), しかし、「バルク密度」 (パウダーベッドの質量/ボリューム) 低いです (4–5 g/cm³) 粒子間の空白のため.
ガスピクノメトリーは真密度を測定します, 一方、タップ密度はバルク密度を測定します.
コールドワーキングはニッケルの密度にどのように影響しますか?
コールドワーク (例えば。, ローリング, 鍛造) ニッケルの密度はわずかに増加します (〜0.1–0.2％) 格子欠陥を減らすことにより (脱臼) および圧縮ボイド.
例えば, コールドロールニッケルの密度は〜8.92 g/cm³です, vs. 8.908 アニールされたニッケル用のg/cm³.
ニッケルの密度は他の一般的な金属よりも高くなっています?
はい. ニッケルはアルミニウムよりも密度が高い (2.70 g/cm³), 鉄 (7.87 g/cm³), とチタン (4.51 g/cm³) しかし、銅よりも密度が低い (8.96 g/cm³), 真鍮 (8.4–8.7 g/cm³), そしてタングステン (19.3 g/cm³).
ニッケルを偽造金属と区別するために密度を使用できますか?
はい. 例えば, ニッケルメッキスチール (密度〜7.9 g/cm³) 純粋なニッケルよりも密度が低い (8.908 g/cm³), Archimedesの原則を偽造品を検出する簡単な方法とする (例えば。, 偽のニッケルコイン).
宇宙のニッケルの密度は何ですか (真空, 極端な温度)?
真空で, 密度は影響を受けません (温度と圧力のみが重要です). 極低温で (-200°C), ニッケルの密度は約8.95 g/cm³に増加します (格子収縮のため).
微小重力で, Archimedesの原則による密度測定は不可能です, 代わりにXRDが使用されます.
