1. Įvadas
Nikelis yra kritinis metalas, plačiai naudojamas pramonėje, kosmoso, energija, ir cheminiai pritaikymai dėl atsparumo korozijai, Mechaninis stiprumas, ir šiluminis stabilumas.
Inžinieriams ir materialiems mokslininkams labai svarbu suprasti jo tankį, nes jis daro įtaką svorio skaičiavimams, Komponentų dizainas, Šiluminis elgesys, ir bendras materialus našumas.
Gryno nikelio etaloninis tankis kambario temperatūroje (20 ° C.) yra maždaug 8.908 g/cm³ (arba 8,908 kg/m³).
Šis vidinis turtas pagrindžia nikelio taikymą aukšto našumo lydiniuose, struktūriniai komponentai, ir specializuotos dangos.
2. Koks yra nikelio tankis
Tankis yra apibrėžta kaip masė tūrio vienetui (p = m/v). Nikeliui, Jo tankis atsiranda dėl atominės masės (58.6934 u) ir jo veidą orientuota kubinė (FCC) kristalų struktūra, kurie efektyviai supakuoja atomus.
Esant standartinei temperatūrai ir slėgiui, Nikelis demonstruoja stabilią FCC grotelę su gardelės konstanta 0.352 nm, gamindamas savo būdingą tankį 8.908 g/cm³.
3. Veiksniai, turintys įtakos nikelio tankiui
Nikelio tankis (~ 8,908 g/cm³ at 20 ° C, skirtas ypač aukšto grūdo metalui) nėra fiksuota konstanta; tai skiriasi grynumas, Lydimas, temperatūra, ir spaudimas.
Grynumas: Pagrindinis tankio kintamumo variklis
Etaloninis tankis 8.908 g/cm³ taikomas tik ypač aukšto grynumo nikelis (≥99,99%), tokių kaip elektrolitinis nikelis, naudojamas elektronikoje ir tiksliuose instrumentuose.
Pramoninėje praktikoje, Nikelis retai pasiekia šį grynumą.
Impurities, ar tyčia (Lydiniai elementai) ar atsitiktinis (Likusios rūdos, Teršalų apdorojimas), Išleiskite nikelio atomus kristalų grotelėje, Pakeitus tankį, atsižvelgiant į jų atominę masę ir koncentraciją.
Bendros priemaišos ir jų padariniai (ASM vadovas, Apimtis 2):
| Priemaiša | Tankis (g/cm³) | Tipinė koncentracija komerciniame nikelyje | Atsirandantis nikelio tankis (g/cm³) | Tankio keitimas vs. Grynas nikelis |
| Lygintuvas (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | –0,01 iki –0,06 |
| Vario (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 į +0.02 |
| Anglies (C, grafitas) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | –0,001 iki –0,008 |
| Sieros (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | –0,001 iki –0,003 |
| Deguonis (O, dujos) | 1.429 | 0.001–0.005% | 8.907–8.908 | Nereikšminga |
Lydimas: Siuvimo tankis našumui
Nikelis formuoja lydinius su tokiais elementais kaip Vario (Cu), Chromas (Kr), molibdenas (MO), volframas (W), ir geležis (Fe), Gamina medžiagas, kurių tankis iš esmės skiriasi nuo gryno nikelio.
Pasirinkti lydiniai ir tankiai:
| Lydinys | Kompozicija | Tankis (g/cm³) | Skirtumas prieš. Į | Pirminė programa |
| Monel 400 | 65% Į, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | –0,108 | Jūrų korozijos atsparumas |
| Inconel 625 | 59% Į, 21.5% Kr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | −0,468 | Aukštos temperatūros atsparumas šliaužiant |
| Hastelloy x | 47% Į, 22% Kr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | −0,608 | Dujų turbinos degimo kameros |
| Nikelis (30% W) | 70% Į, 30% W | 10.0 | +1.092 | Radiacijos ekranas, atsparumas nusidėvėjimui |
| Invaras 36 | 64% Fe, 36% Į | 8.05 | –0,858 | Mažos šiluminės išplėtimo įrankiai |
Temperatūra: Šilumos išsiplėtimas ir tankio sumažinimas
Nikelis plečiasi šiluma, mažinant jo tankį.
The Linijinis šiluminio išsiplėtimo koeficientas (Cte) nes nikelis yra ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; the Apytikslis tūrinis CTE yra ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Naudojant šias vertes, Nikelio tankis mažėja esant temperatūrai:
- 100 ° C temperatūroje: Tankis ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Esant 500 ° C.: Tankis ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- 1455 ° C temperatūroje (lydymosi taškas, skystas nikelis): Tankis ≈ 8.70 g/cm³ (dėl padidėjusio atominio sutrikimo skystieji metalai yra mažiau tankūs nei kietieji)
Šis nuo temperatūros priklausomas tankis yra labai svarbus:
- Aukštos temperatūros liejimas: Formos turi atsižvelgti į tankio pokyčius kietėjimo metu, kad būtų išvengta susitraukimo defektų.
- Aviacijos ir kosmoso komponentai: Nikelio superlydiniai reaktyviniuose varikliuose (veikia 1000-1200°C temperatūroje) patiriamas tankio sumažėjimas, turintis įtakos šilumos laidumui ir konstrukcijos stabilumui.
Spaudimas: Suspaudimas ir tankio padidėjimas
Nikelio tūrinis modulis (~170 GPa) matuoja atsparumą gniuždymui. Aukštas slėgis šiek tiek padidina tankį:
- At 1 GPA (≈10 000 atm, būdinga giliavandenei aplinkai): Tankis padidėja ~0,5% (≈8,95 g/cm³).
- At 10 GPA (kraštutinis slėgis, Pvz., planetų šerdys): Tankis pakyla iki ~9,3 g/cm³.
Giliavandenė įranga: Nikeliuoti povandeninių įrenginių komponentai turi atlaikyti slėgio sukeltus tankio pokyčius be konstrukcijos gedimo.
Aukšto slėgio metalo apdirbimas: Tokie procesai kaip karštasis izostatinis presavimas (Hip) nikelio lydiniams tankinti naudokite slėgį, mažinant poringumą ir didinant galutinį tankį.
4. Tankio matavimas
Archimedas Principas ir hidrostatinis svėrimas
Nikelio mėginiai panardinami į skystį, o tankis apskaičiuojamas pagal plūduriuojančias jėgas. Šis metodas yra paprastas ir patikimas dideliems komponentams.
Rentgeno spindulių difrakcija (XRD)
XRD apskaičiuoja tankį pagal nikelio kristalų struktūros gardelės parametrą (matuojamas rentgeno spindulių sklaidos būdu). Šis metodas yra:
- Nedestruktyvus: Idealiai tinka vertingiems ar subtiliems pavyzdžiams (Pvz., aviacijos ir kosmoso komponentai).
- Labai tikslus: ±0,0001 g/cm³ grynam nikeliui, nes jis tiesiogiai matuoja atominį įpakavimą, o ne tūrines savybes.
- Apribojimai: Reikia gerai kristalizuoto mėginio (netinka milteliams ar amorfiniam nikeliui).
Pycnometrija (Milteliams)
Nikelio milteliams (naudojami priedų gamyboje arba dangose), dujų piknometrija (ASTM D6226) matuoja tikrąjį tankį išstumdamas dujas (Pvz., helis) sandarioje kameroje.
Taip išvengiama klaidų dėl tuštumų miltelių sluoksniuose, kurių tankis yra ±0,002 g/cm³ nuo teorinės vertės.
Matavimo kintamumas
Nurodytas tankis gali šiek tiek skirtis dėl priemaišų, poringumas, matavimo metodas, ir temperatūra, paprastai ±0,01–0,02 g/cm³ aukštos kokybės nikeliui.
5. Nikelio tankio pramoninė svarba
Nikelio tankis nėra tik teorinė savybė – jis tiesiogiai veikia metalo ir jo lydinių būklę. suprojektuoti, apdorotas, ir taikomas įvairiose pramonės šakose.
Nuo aerokosminių turbinų iki chemijos gamyklų ir priedų gamybos, tankis vaidina pagrindinį vaidmenį medžiagų eksploatacinėms savybėms ir inžineriniam efektyvumui.
Aviacijos ir kosmoso ir aviacijos: Svorio ir jėgos balansavimas
Orlaiviai ir erdvėlaiviai reikalauja medžiagų su didelis stiprumo ir svorio santykis.
Nors grynas nikelis yra gana tankus (8.908 g/cm³), nikelio pagrindu pagaminti superlydiniai, tokie kaip Inconel 625 (8.44 g/cm³) arba Hastelloy x (8.30 g/cm³) pateikti kompromisą:
- Mažesnis tankis sumažina bendrą variklio ar konstrukcijos svorį, taupo degalus ir padidina atstumą.
- Aukštos temperatūros stabilumas užtikrina atsparumą šliaužimui ir nuovargiui >1000 ° C..
Pavyzdys: A 1% turbinos disko masės sumažinimas per lydinio tankio optimizavimą gali sutaupyti šimtus kilogramų reaktyvinių degalų kasmet vienam orlaiviui.
Automobilių ir sunkiosios mašinos: Patvarumas ir efektyvumas
Nikelio tankis taip pat svarbus antžeminiam transportui:
- Elektrinės transporto priemonės (EVS): Nikelio turtingos katodinės medžiagos (Pvz., NMC, NCA) paveikti akumuliatoriaus energijos tankį, kur sutaupius svorio pagerėja važiavimo atstumas.
- Sunkioji įranga: Nikelio plienas ir nikelio-vario lydiniai (tankiai ~7,8–8,8 g/cm³) užtikrinti statybinių mašinų ir kasybos įrangos tvirtumą ir atsparumą dilimui.
Cheminis ir naftos cheminis apdorojimas: Atsparumas korozijai su masiniu efektyvumu
Chemijos gamyklose ir naftos perdirbimo gamyklose, nikelio lydiniai turi atsispirti ėsdinančios rūgštys, ALKALIS, ir aukšto slėgio dujos:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Pasirinktas jūriniams vamzdynams ir jūros vandens tvarkymui dėl puikaus atsparumo korozijai.
- Hastelloy C serija (~8,9 g/cm³): Naudojamas rūgščių apdorojimo reaktoriuose, kur tankis yra subalansuotas su atsparumu korozijai ir mechaniniu vientisumu.
Tankis turi įtakos ne tik Mechaninis stiprumas bet ir Šilumos laidumas ir šilumos perdavimo efektyvumas, tiek kritinės cheminiuose reaktoriuose.
Liejimas, Kalimas, ir priedų gamyba: Kontroliuojantis kietėjimas
Nikelio tankio elgsena terminio apdorojimo metu tiesiogiai veikia gamybos rezultatus:
- Liejimas: Tankio sumažėjimas lydant (8.908 → ~8,70 g/cm³) reikia atsižvelgti, kad būtų išvengta susitraukimo poringumas formelėse.
- Kalimas ir HIP (Karštas izostatinis presavimas): Taikomas slėgis tankina nikelio lydinius, tuštumų uždarymas ir mechaninio stiprumo didinimas.
- Priedinė gamyba (Am): Miltelių sluoksnio sintezė ir nukreiptas energijos nusodinimas priklauso nuo pastovaus miltelių tankio, kad būtų galima nuspėti Srautas, sluoksnio vienodumas, ir galutinės dalies tankis.
Energijos ir branduolinės programos: Kai didelis tankis yra nauda
Kai kuriose pramonės šakose, didesnis tankis yra naudingas:
- Nikelio vokštas lydiniai (~10,0 g/cm³): Suteikti apsaugą nuo spinduliuotės branduoliniuose reaktoriuose ir medicininį vaizdą.
- Nikelio pagrindu pagaminti anodai ir katodai: Tankis turi įtakos srovės efektyvumui ir šiluminiam stabilumui kuro elementuose ir elektrolizatoriuose.
6. Greita atskaitos lentelė: Grynas nikelis ir paprasti lydiniai
| Medžiaga / Lydinys | Kompozicija (Pagrindiniai elementai) | Tankis (g/cm³ @ 20 ° C.) | Lydymosi taškas (° C.) | Pagrindinės programos |
| Grynas nikelis (99.99%) | ≥99,99 % In | 8.908 | 1455 | Elektronika, Termoelementai, Elektropliacija |
| Komercinis nikelis (Pažymys 200) | ≥99,0 % In + Fe priemaišos | 8.85–8.90 | 1445– 1455 m | Cheminio perdirbimo įranga, Jūrų įranga |
| Monel 400 | ~65% In, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Jūrų inžinerija, Siurbliai, Šilumokaičiai |
| Inconel 600 | ~72% In, 14–17% Kr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354– 1413 m | Cheminis apdorojimas, krosnies komponentai, Branduoliniai reaktoriai |
| Inconel 625 | ~59 %, 21.5% Kr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | 1290– 1350 m | Aviacijos ir kosmoso turbinos, Branduoliniai reaktoriai, Cheminiai augalai |
| Waspaloy | ~58% In, 19% Kr, 13% Co, 4% MO, Iš, Al | 8.19 | 1320–1380 | Reaktyvinių variklių turbinų diskai, Aviacijos ir kosmoso tvirtinimo detalės |
Nimoninis 80a |
~76 %, 20% Kr, Iš, Al | 8.19 | 1320– 1385 m | Dujų turbinos, išmetimo vožtuvai, aukštos temperatūros spyruoklės |
| Hastelloy x | ~47% In, 22% Kr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | 1260– 1355 m | Dujų turbinos degimo kameros, aukštos temperatūros ortakiai |
| Hastelloy C-22 | ~56 %, 22% Kr, 13% MO, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Cheminiai reaktoriai, šveitikliai, Taršos kontrolė |
| Hastelloy C-276 | ~57 %, 16% MO, 15% Kr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325– 1370 m | Dūmų dujų valytuvai, Cheminis apdorojimas, Taršos kontrolė |
| Inoloy 825 | ~42% In, 21.5% Kr, 30–35% Fe, 3% MO | 8.14 | 1385–1400 | Rūgščiai atsparus vamzdynas, jūrų išmetimo sistemos |
| Nikelis-volframas (30% W) | ~70% In, 30% W | 10.0 | ~1455–1500 | Radiacijos ekranas, Dėvėti atsparūs dalys |
| Invaras 36 | ~64% Fe, 36% Į | 8.05 | 1430–1440 | Tikslieji instrumentai, mažo šiluminio plėtimosi programos |
7. Išvada
Nikelio tankis yra pagrindinė fizinė savybė, daranti įtaką dizainui, Gamyba, ir našumą aukštųjų technologijų pramonės šakose.
Tokie veiksniai kaip grynumas, Lydimas, temperatūra, ir slėgis sukuria nedidelius skirtumus, tačiau suprasti šiuos niuansus labai svarbu inžinieriams ir medžiagų mokslininkams.
Nikelio didelio tankio derinys, Mechaninis stiprumas, o dėl šiluminio atsparumo jis yra būtinas kosminėje erdvėje, Cheminė, energija, ir elektronikos sektoriuose.
DUK
Ar nikelio forma (kietas vs. milteliai) paveikti jo tankį?
Taip. „Tikras tankis“ (paties nikelio tankis) yra tas pats kietosioms medžiagoms ir milteliams (~8,908 g/cm³ grynam nikeliui), bet „tūrinis tankis“ (miltelių sluoksnio masė/tūris) yra žemesnis (4–5 g/cm³) dėl tuštumų tarp dalelių.
Dujų piknometrija matuoja tikrąjį tankį, o čiaupo tankis matuoja tūrinį tankį.
Kaip šaltas darbas veikia nikelio tankį?
Šaltas darbas (Pvz., riedėjimas, kalimas) šiek tiek padidina nikelio tankį (~0,1–0,2 %) sumažinant grotelių defektus (dislokacijos) ir suspaudžiant tuštumus.
Pavyzdžiui, šaltai valcuoto nikelio tankis yra ~8,92 g/cm³, vs. 8.908 g/cm³ atkaitintam nikeliui.
Yra nikelio tankis didesnis už kitus įprastus metalus?
Taip. Nikelis yra tankesnis nei aliuminis (2.70 g/cm³), lygintuvas (7.87 g/cm³), ir titanas (4.51 g/cm³) bet mažiau tankus nei varis (8.96 g/cm³), Žalvaris (8.4–8,7 g/cm³), ir volframas (19.3 g/cm³).
Ar galima naudoti tankį, norint atskirti nikelį nuo padirbtų metalų?
Taip. Pavyzdžiui, nikeliuoto plieno (tankis ~7,9 g/cm³) turi mažesnį tankį nei grynas nikelis (8.908 g/cm³), kad Archimedo principas būtų paprastas būdas aptikti klastotes (Pvz., netikros nikelio monetos).
Koks yra nikelio tankis erdvėje (vakuumas, kraštutinė temperatūra)?
Vakuume, tankis neturi įtakos (svarbu tik temperatūra ir slėgis). Kriogeninėje temperatūroje (-200° C.), nikelio tankis padidėja iki ~8,95 g/cm³ (dėl gardelės susitraukimo).
Mikrogravitacijoje, tankio matavimas pagal Archimedo principą neįmanomas, todėl vietoj jo naudojamas XRD.
