1. 소개
니켈은 산업에서 널리 사용되는 중요한 금속입니다, 항공우주, 에너지, 및 부식성으로 인한 화학 응용, 기계적 강도, 열 안정성.
밀도를 이해하는 것은 엔지니어와 재료 과학자에게 기본적입니다. 체중 계산에 영향을 미치기 때문입니다., 구성 요소 디자인, 열 거동, 전반적인 재료 성능.
실온에서 순수한 니켈의 기준 밀도 (20 ° C) 대략입니다 8.908 g/cm³ (또는 8,908 kg/m³).
이 고유 속성은 고성능 합금에서 니켈의 응용을 뒷받침합니다, 구조 구성 요소, 및 특수한 코팅.
2. 니켈의 밀도는 얼마입니까?
밀도 단위 부피당 질량으로 정의됩니다 (p = m/v). 니켈 용, 그것의 밀도는 원자 질량에서 발생합니다 (58.6934 유) 그리고 얼굴 중심 입방 (FCC) 결정 구조, 원자를 효율적으로 포장합니다.
표준 온도 및 압력에서, 니켈은 격자 상수를 갖는 안정적인 FCC 격자를 나타냅니다. 0.352 nm, 특징적인 밀도를 생성합니다 8.908 g/cm³.
3. 니켈 밀도에 영향을 미치는 요인
니켈의 밀도 (~ 8.908 g/cm³ at 20 초 고급 금속의 경우 ° C) 고정 상수가 아닙니다; 그것은 다릅니다 청정, 합금, 온도, 그리고 압력.
청정: 밀도 변동성의 주요 드라이버
기준 밀도 8.908 g/cm³는 독점적으로 적용됩니다 초고록 니켈 (≥99.99%), 전자 제품 및 정밀 기기에 사용되는 전해 니켈과 같은.
산업 관행에서, 니켈은이 순도에 거의 도달하지 않습니다.
불순물, 의도적이든 (합금 요소) 또는 우발적입니다 (잔류 광석, 오염 물질 가공), 결정 격자에서 니켈 원자를 변위하십시오, 원자 질량 및 농도에 기초한 밀도 변경.
공통 불순물과 그 효과 (ASM 핸드북의 데이터, 용량 2):
| 불결 | 밀도 (g/cm³) | 상업용 니켈의 전형적인 농도 | 결과 니켈 밀도 (g/cm³) | 밀도 변화 vs. 순수한 니켈 |
| 철 (Fe) | 7.874 | 0.5–1.0% | 8.85–8.90 | -0.01 ~ -0.06 |
| 구리 (Cu) | 8.96 | 0.1–0.5% | 8.91–8.93 | +0.002 에게 +0.02 |
| 탄소 (기음, 석묵) | 2.267 | 0.01–0.05% | 8.90–8.91 | -0.001 ~ -0.008 |
| 황 (에스) | 2.07 | 0.005–0.01% | 8.905–8.907 | −0.001 to −0.003 |
| 산소 (영형, 가스) | 1.429 | 0.001–0.005% | 8.907–8.908 | 무시할 수 있습니다 |
합금: 성능을위한 밀도
Nickel forms alloys with elements such as 구리 (Cu), 크롬 (Cr), 몰리브덴 (모), 텅스텐 (w), 그리고 철 (Fe), producing materials with densities that differ substantially from pure nickel.
선택된 합금 및 밀도:
| 합금 | 구성 | 밀도 (g/cm³) | Difference vs. ~ 안에 | Primary Application |
| 모넬 400 | 65% ~ 안에, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0.108 | Marine corrosion resistance |
| Inconel 625 | 59% ~ 안에, 21.5% Cr, 9% 모, 5% Fe | 8.44 | −0.468 | High-temperature creep resistance |
| Hastelloy x | 47% ~ 안에, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% 모 | 8.30 | −0.608 | Gas turbine combustion chambers |
| Nickel-Tungsten (30% w) | 70% ~ 안에, 30% w | 10.0 | +1.092 | Radiation shielding, 내마모성 |
| 침략 36 | 64% Fe, 36% ~ 안에 | 8.05 | −0.858 | Low thermal expansion tools |
온도: 열 팽창 및 밀도 감소
Nickel expands with heat, reducing its density.
그만큼 linear coefficient of thermal expansion (CTE) for nickel is ~13.4 × 10⁻⁶/°C; 그만큼 approximate volumetric CTE is ~40.2 × 10⁻⁶/°C. Using these values, nickel’s density decreases with temperature:
- At 100°C: Density ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/°C × 80°C)) ≈ 8.88 g/cm³
- At 500°C: Density ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/°C × 480°C)) ≈ 8.73 g/cm³
- 1455 ° C에서 (녹는 점, 액체 니켈): Density ≈ 8.70 g/cm³ (액체 금속은 원자 장애 증가로 인해 고체보다 밀도가 낮습니다.)
이 온도 의존 밀도는 중요합니다:
- 고온 캐스팅: 곰팡이는 수축 결함을 피하기 위해 고정기 동안 밀도 변화를 설명해야합니다..
- 항공 우주 구성 요소: 제트 엔진의 니켈 슈퍼 합금 (1000–1200 ° C에서 작동합니다) 열전도율과 구조적 안정성에 영향을 미치는 밀도 감소 경험.
압력: 압축 및 밀도가 증가합니다
니켈의 벌크 모듈러스 (~ 170 GPA) 압축에 대한 저항을 측정합니다. 고압은 약간의 밀도를 증가시킵니다:
- ~에 1 GPA (≈10,000 atm, 심해 환경의 전형적인): 밀도는 ~ 0.5% 증가 (≈8.95 g/cm³).
- ~에 10 GPA (극심한 압력, 예를 들어, 행성 코어): 밀도는 ~ 9.3 g/cm³로 상승합니다.
심해 장비: 잠수정의 니켈 도금 성분은 구조적 실패없이 압력으로 인한 밀도 변화를 견딜 수 있어야합니다..
고압 금속 가공: 뜨거운 등방성 프레스와 같은 프로세스 (잘 알고 있기) 압력을 사용하여 니켈 합금을 조정하십시오, 다공성 감소 및 최종 밀도 증가.
4. 밀도 측정
아르키메데스 ' 원리 및 정수압 계량
니켈 샘플은 유체에 잠긴다, 밀도는 부력 힘으로부터 계산된다. 이 방법은 대량 구성 요소에 대해 간단하고 신뢰할 수 있습니다.
X- 선 회절 (XRD)
XRD는 니켈 결정 구조의 격자 매개 변수에서 밀도를 계산합니다. (X- 선 산란을 통해 측정됩니다). 이 방법은입니다:
- 비파괴: 귀중하거나 섬세한 샘플에 이상적입니다 (예를 들어, 항공 우주 구성 요소).
- 매우 정확합니다: 순수한 니켈의 경우 ± 0.0001 g/cm³, 대량 특성보다는 원자 포장을 직접 측정하므로.
- 제한: 잘 결정된 샘플이 필요합니다 (분말 또는 비정질 니켈에는 적합하지 않습니다).
pycnometry (분말을 위해)
니켈 파우더 용 (첨가제 제조 또는 코팅에 사용됩니다), 가스 수정 분석법 (ASTM D6226) 가스를 대체하여 진정한 밀도를 측정합니다 (예를 들어, 헬륨) 밀봉 된 챔버에서.
이것은 파우더 베드의 공극으로 인한 오류를 피합니다, 이론적 값의 ± 0.002 g/cm³ 이내의 밀도를 생성합니다.
측정 변동성
보고 된 밀도는 불순물로 인해 약간 달라질 수 있습니다, 다공성, 측정 방법, 그리고 온도, 고품질 니켈의 경우 일반적으로 ± 0.01–0.02 g/cm³ 이내입니다.
5. 니켈 밀도의 산업적 관련성
니켈의 밀도는 단순한 이론적 특성이 아닙니다. 금속과 합금의 방식에 직접적인 영향을 미칩니다. 설계, 가공, 산업 전반에 걸쳐 적용됩니다.
항공 우주 터빈에서 화학 식물 및 첨가제 제조까지, 밀도는 재료 성능 및 엔지니어링 효율성에서 중추적 인 역할을합니다..
항공 우주 및 항공: 체중과 힘의 균형
항공기 및 우주선은 재료를 요구합니다 높은 강도 대 중량비.
순수한 니켈은 비교적 조밀합니다 (8.908 g/cm³), 니켈 기반 슈퍼 합금 Inconel 625 (8.44 g/cm³) 또는 Hastelloy x (8.30 g/cm³) 타협을 제공하십시오:
- 밀도가 낮습니다 reduces total engine or structural weight, saving fuel and extending range.
- High-temperature stability ensures resistance to creep and fatigue at >1000 ° C.
예: 에이 1% reduction in turbine disk mass through alloy density optimization can save hundreds of kilograms of jet fuel annually per aircraft.
자동차 및 중장비: 내구성과 효율성
Nickel density is also relevant for ground transport:
- Electric vehicles (EV): Nickel-rich cathode materials (예를 들어, NMC, NCA) affect battery energy density, where weight savings improve driving range.
- 중장비: Nickel steels and nickel-copper alloys (densities ~7.8–8.8 g/cm³) provide toughness and wear resistance in construction machinery and mining equipment.
화학 및 석유 화학 처리: 질량 효율로 부식 저항
In chemical plants and refineries, nickel alloys must resist corrosive acids, 알칼리, and high-pressure gases:
- 모넬 400 (8.80 g/cm³): Chosen for marine pipelines and seawater handling due to excellent corrosion resistance.
- Hastelloy C-series (~8.9 g/cm³): 산 가공 반응기에 사용됩니다, 밀도가 부식 저항과 기계적 무결성에 균형을 이루는 곳.
밀도는뿐만 아니라 영향을 미칩니다 기계적 강도 그러나 또한 열전도율 그리고 열 전달 효율, 화학 반응기에서 중요합니다.
주조, 단조, 및 첨가제 제조: 응고 제어
열 가공 중 니켈의 밀도 거동은 제조 결과에 직접 영향을 미칩니다.:
- 주조: 용융시 밀도 감소 (8.908 → ~ 8.70 g/cm³) 방지하려면 설명해야합니다 수축 다공성 곰팡이에서.
- 단조와 엉덩이 (뜨거운 등방성 프레스): 적용된 압력은 니켈 합금을 조정합니다, 공극을 닫고 기계적 강도 증가.
- 첨가제 제조 (오전): 분말 침대 융합 및 지시 된 에너지 증착은 예측 가능한 일관된 분말 밀도에 의존합니다. 흐름성, 층 균일 성, 그리고 마지막 부분 밀도.
에너지 및 핵 응용: 고밀도가 이점이 될 때
일부 산업에서, 높은 밀도가 유리합니다:
- 니켈 텅스텐 합금 (~ 10.0 g/cm³): 원자로 및 의료 영상에서 방사선 차폐를 제공합니다.
- 니켈 기반 양극 및 음극: 밀도는 연료 전지 및 전해질의 전류 효율 및 열 안정성에 영향을 미칩니다..
6. 빠른 참조 테이블: 순수한 니켈과 일반적인 합금
| 재료 / 합금 | 구성 (주요 요소) | 밀도 (g/cm³ @ 20 ° C) | 녹는 점 (° C) | 주요 응용 프로그램 |
| 순수한 니켈 (99.99%) | 99.99% 이상 | 8.908 | 1455 | 전자 장치, 열전대, 전기 도금 |
| 상업용 니켈 (등급 200) | 99.0% 이상 + FE 불순물 | 8.85–8.90 | 1445–1455 | 화학 처리 장비, 해양 하드웨어 |
| 모넬 400 | ~ 65%가 있습니다, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | 해양 공학, 슬리퍼, 열교환 기 |
| Inconel 600 | ~ 72%가 있습니다, 14–17% Cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | 화학적 처리, 퍼니스 구성 요소, 원자로 |
| Inconel 625 | ~ 59%가 있습니다, 21.5% Cr, 9% 모, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | 항공 우주 터빈, 원자로, 화학 식물 |
| WASPALOY | ~ 58%가 있습니다, 19% Cr, 13% 공동, 4% 모, 의, 알 | 8.19 | 1320–1380 | 제트 엔진 터빈 디스크, 항공 우주 패스너 |
니모닉 80a |
~ 76%가 있습니다, 20% Cr, 의, 알 | 8.19 | 1320–1385 | 가스 터빈, 배기 밸브, 고온 스프링 |
| Hastelloy x | ~ 47%가 있습니다, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% 모 | 8.30 | 1260–1355 | Gas turbine combustion chambers, 고온 덕트 |
| Hastelloy C-22 | ~ 56%가 있습니다, 22% Cr, 13% 모, 3% w, Fe | 8.69 | 1350–1400 | 화학 반응기, 스크러버, 오염 제어 |
| Hastelloy C-276 | ~ 57%가 있습니다, 16% 모, 15% Cr, 5% Fe, w | 8.89 | 1325–1370 | 연도 가스 세정기, 화학적 처리, 오염 제어 |
| incoloy 825 | ~ 42%가 있습니다, 21.5% Cr, 30–35% FE, 3% 모 | 8.14 | 1385–1400 | 산재성 배관, 해양 배기 시스템 |
| 니켈 - (30% w) | ~ 70%, 30% w | 10.0 | ~ 1455–1500 | Radiation shielding, 내마비 부품 |
| 침략 36 | ~ 64% Fe, 36% ~ 안에 | 8.05 | 1430–1440 | 정밀 기기, 낮은 열 팽창 응용 |
7. 결론
니켈 밀도는 설계에 영향을 미치는 기본 물리적 특성입니다, 조작, 첨단 산업의 성능.
순결과 같은 요인, 합금, 온도, 압력은 경미한 변형을 만듭니다, 그러나 이러한 뉘앙스를 이해하는 것은 엔지니어와 재료 과학자에게 중요합니다..
고밀도의 니켈의 조합, 기계적 강도, 열 회복력은 항공 우주 전역에서 필수 불가결합니다, 화학적인, 에너지, 전자 부문.
FAQ
니켈의 형태입니다 (견고한 대. 가루) 밀도에 영향을 미칩니다?
예. "진정한 밀도" (니켈 자체의 밀도) 고형물과 분말에 대해서도 동일합니다 (순수한 니켈의 경우 ~ 8.908 g/cm³), 그러나 "벌크 밀도" (분말 침대의 질량/부피) 더 낮습니다 (4–5 g/cm³) 입자 사이의 공극으로 인해.
가스 신문학은 진정한 밀도를 측정합니다, 탭 밀도는 벌크 밀도를 측정합니다.
차가운 작업이 니켈의 밀도에 어떤 영향을 미칩니 까?
냉담한 일 (예를 들어, 구르는, 단조) 니켈의 밀도를 약간 증가시킵니다 (~ 0.1–0.2%) 격자 결함을 줄임으로써 (탈구) 공극 압축.
예를 들어, 콜드 롤링 니켈의 밀도는 ~ 8.92 g/cm³입니다, 대. 8.908 어닐링 된 니켈의 경우 g/cm³.
니켈 밀도는 다른 일반 금속보다 높습니다?
예. 니켈은 알루미늄보다 밀도가 높습니다 (2.70 g/cm³), 철 (7.87 g/cm³), 그리고 티타늄 (4.51 g/cm³) 그러나 구리보다 덜 밀도가 낮습니다 (8.96 g/cm³), 놋쇠 (8.4–8.7 g/cm³), 그리고 텅스텐 (19.3 g/cm³).
밀도를 사용하여 위조 금속과 니켈을 구별 할 수 있습니까??
예. 예를 들어, 니켈 도금 강철 (밀도 ~ 7.9 g/cm³) 순수한 니켈보다 밀도가 낮습니다 (8.908 g/cm³), Archimedes의 원칙을 위조품을 감지하는 간단한 방법으로 만듭니다 (예를 들어, 가짜 니켈 코인).
우주에서 니켈의 밀도는 얼마입니까? (진공, 극한 온도)?
진공 상태에서, 밀도는 영향을받지 않습니다 (온도와 압력 문제 만). 극저온 온도에서 (-200° C), 니켈의 밀도는 ~ 8.95 g/cm³로 증가합니다 (격자 수축으로 인해).
미세 중력, Archimedes의 원칙을 통한 밀도 측정은 불가능합니다, 따라서 XRD가 대신 사용됩니다.
