1. Wstęp
Nickel jest krytycznym metalem szeroko stosowanym w przemysłowym, lotniczy, energia, oraz zastosowania chemiczne ze względu na odporność na korozję, Siła mechaniczna, i stabilność termiczna.
Zrozumienie jego gęstości ma fundamentalne znaczenie dla inżynierów i naukowców materialnych, ponieważ wpływa na obliczenia wagi, Projektowanie komponentów, Zachowanie termiczne, i ogólna wydajność materialna.
Gęstość odniesienia czystego niklu w temperaturze pokojowej (20 ° C.) jest w przybliżeniu 8.908 g/cm³ (Lub 8,908 kg/m³).
Ta wewnętrzna właściwość u podstaw aplikacji niklu w stopach o wysokiej wydajności, Składniki strukturalne, i specjalistyczne powłoki.
2. Jaka jest gęstość niklu
Gęstość jest definiowany jako masa na jednostkę objętości (p = m/v). Dla niklu, Jego gęstość wynika z masy atomowej (58.6934 u) i jego skoncentrowany na twarzy sześciennym (Fcc) Struktura krystaliczna, który efektywnie pakuje atomy.
Przy standardowej temperaturze i ciśnieniu, Nikiel wykazuje stabilną sieć FCC ze stałą sieci 0.352 nm, wytwarzając swoją charakterystyczną gęstość 8.908 g/cm³.
3. Czynniki wpływające na gęstość niklu
Gęstość niklu (~ 8,908 g/cm³ at 20 ° C dla metalu ultra-wysokiej czystości) nie jest stałą stałą; to zmienia się z czystość, stop, temperatura, i presja.
Czystość: Główny czynnik zmienności gęstości
Gęstość odniesienia 8.908 g/cm³ dotyczy wyłącznie Nikiel ultra-wysokiej czystości (≥99,99%), takie jak elektrolityczny nikiel stosowany w instrumentach elektronicznych i precyzyjnych.
W praktyce przemysłowej, Nikiel rzadko osiąga tę czystość.
Zanieczyszczenia, czy celowe (elementy stopowe) lub przypadkowe (Rudy resztkowe, Przetwarzanie zanieczyszczeń), wypierać atomy niklu w kryształowej sieci, Zmiana gęstości na podstawie ich masy atomowej i stężenia.
Powszechne zanieczyszczenia i ich skutki (Dane z Podręcznika ASM, Tom 2):
| Zanieczyszczenie | Gęstość (g/cm³) | Typowa koncentracja w komercyjnym niklu | Wynikająca z gęstości niklu (g/cm³) | Zmiana gęstości vs.. Czysty nikiel |
| Żelazo (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8,90 | -0,01 do -0,06 |
| Miedź (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8,93 | +0.002 Do +0.02 |
| Węgiel (C, grafit) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8,91 | -0,001 do -0,008 |
| Siarka (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8,907 | -0,001 do -0,003 |
| Tlen (O, gaz) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8,908 | Nieistotny |
Stop: Gęstość dostosowywania do wydajności
Nikiel tworzy stopy z elementami takimi jak miedź (Cu), chrom (Cr), molibden (Mo), wolfram (W), i żelazo (Fe), wytwarzanie materiałów o gęstościach, które różnią się znacznie od czystego niklu.
Wybrane stopy i gęstości:
| Stop | Kompozycja | Gęstość (g/cm³) | Różnica vs.. W | Zastosowanie podstawowe |
| Monel 400 | 65% W, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0.108 | Odporność na korozję morską |
| Niewygod 625 | 59% W, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | −0,468 | Odporność na pełzanie w wysokiej temperaturze |
| Hastelloy x | 47% W, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | −0,608 | Komory spalania turbiny gazowej |
| Nikiel (30% W) | 70% W, 30% W | 10.0 | +1.092 | Oszczędność promieniowania, odporność na zużycie |
| Inwar 36 | 64% Fe, 36% W | 8.05 | −0,858 | Niskie narzędzia do rozszerzeń termicznych |
Temperatura: Rozbudowa i redukcja gęstości
Nikiel rozszerza się wraz z ciepłem, zmniejszając jego gęstość.
. Współczynnik liniowy rozszerzalności cieplnej (Cte) dla niklu wynosi ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; . przybliżone objętościowe CTE to ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Używając tych wartości, Gęstość niklu maleje wraz z temperaturą:
- W 100 ° C.: Gęstość ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- W 500 ° C.: Gęstość ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- W 1455 ° C. (Punktem topnienia, płynny nikiel): Gęstość ≈ 8.70 g/cm³ (Metale ciekłe są mniej gęste niż stałe z powodu zwiększonego zaburzenia atomowego)
Ta gęstość zależna od temperatury ma kluczowe znaczenie dla:
- Casting w wysokiej temperaturze: Formy muszą uwzględniać zmiany gęstości podczas zestalania, aby uniknąć defektów skurczowych.
- Komponenty lotnicze: Superalloys nikiel w silnikach odrzutowych (działający w 1000–1200 ° C.) Doświadcz redukcji gęstości, które wpływają na przewodność cieplną i stabilność strukturalna.
Ciśnienie: Wzrost kompresji i gęstości
Moduł luzem niklu (~ 170 GPA) mierzy odporność na kompresję. Wysokie ciśnienie nieznacznie zwiększa gęstość:
- Na 1 GPA (~ 10 000 atm, typowe dla środowisk głębinowych): Gęstość wzrasta o ~ 0,5% (≈8,95 g/cm³).
- Na 10 GPA (ekstremalna presja, NP., rdzenie planet): Gęstość wzrasta do ~ 9,3 g/cm³.
Sprzęt głębinowy: Składniki niklu w podwodności muszą wytrzymać zmiany gęstości indukowane ciśnieniem bez awarii strukturalnej.
Wydługo ciśnienia obróbka metalu: Procesy takie jak gorące izostatyczne naciskanie (BIODRO) Użyj ciśnienia, aby zagęścić stopy niklu, Zmniejszenie porowatości i zwiększenie końcowej gęstości.
4. Pomiar gęstości
Archimedes ' Zasadnicze i hydrostatyczne ważenie
Próbki niklu są zanurzone w płynie, a gęstość jest obliczana na podstawie sił płynnych. Ta metoda jest prosta i niezawodna dla komponentów masowych.
Dyfrakcja rentgenowska (Xrd)
XRD oblicza gęstość na podstawie parametru sieci struktury krystalicznej niklu (mierzone za pomocą rozpraszania promieniowania rentgenowskiego). Ta metoda jest:
- Nieniszczące: Idealny do cennych lub delikatnych próbek (NP., Komponenty lotnicze).
- Bardzo precyzyjne: ± 0,0001 g/cm³ dla czystego niklu, ponieważ bezpośrednio mierzy pakowanie atomowe, a nie właściwości masowe.
- Ograniczenia: Wymaga dobrze krystalizowanej próbki (Nie nadaje się do proszków lub amorficznego niklu).
Pyknometria (dla proszków)
Dla proszków niklu (stosowane w produkcji podatkowej lub powłokach), Pyknometria gazowa (ASTM D6226) mierzy prawdziwą gęstość poprzez wypieranie gazu (NP., hel) w zapieczętowanej komorze.
Unika to błędów z pustki w łóżkach proszkowych, Daje gęstość w granicach ± 0,002 g/cm³ wartości teoretycznej.
Zmienność pomiaru
Zgłaszane gęstości mogą się nieznacznie różnić z powodu zanieczyszczeń, porowatość, Metoda pomiaru, i temperatura, Zazwyczaj w granicach ± 0,01–0,02 g/cm³ dla niklu wysokiej jakości.
5. Znaczenie przemysłowe gęstości niklu
Gęstość niklu jest nie tylko właściwością teoretyczną - wpływa bezpośrednio na to, jak są metal i jego stopy zaprojektowany, obrobiony, i stosowane w różnych branżach.
Od turbin lotniczych po rośliny chemiczne i produkcja addytywna, Gęstość odgrywa kluczową rolę w wydajności materiału i wydajności inżynierii.
Aerospace and Aviation: Równoważenie wagi i siły
Samoloty i materiały popytujące statki kosmiczne z Wysokie stosunki wytrzymałości do masy.
Podczas gdy czysty nikiel jest stosunkowo gęsty (8.908 g/cm³), Superalloys na bazie niklu, takie jak Niewygod 625 (8.44 g/cm³) Lub Hastelloy x (8.30 g/cm³) Zapewnij kompromis:
- Niższa gęstość zmniejsza całkowitą masę silnika lub konstrukcyjną, Oszczędzanie paliwa i rozszerzający zakres.
- Stabilność w wysokiej temperaturze zapewnia odporność na pełzanie i zmęczenie w >1000 ° C..
Przykład: A 1% Zmniejszenie masy dysku turbinowego poprzez optymalizacja gęstości stopu może zaoszczędzić Setki kilogramów paliwa odrzutowego rocznie na samolot.
Maszyny motoryzacyjne i ciężkie: Trwałość i wydajność
Gęstość niklu jest również istotna dla transportu naziemnego:
- Pojazdy elektryczne (EV): Materiały katodowe bogate w nikiel (NP., NMC, NCA) wpływać na gęstość energii baterii, gdzie oszczędności masy poprawiają zasięg jazdy.
- Ciężki sprzęt: Stale nikielowe i stopy niklu (Gęstości ~ 7,8–8,8 g/cm³) Zapewnij wytrzymałość i odporność na zużycie w maszynach budowlanych i wyposażeniu wydobywczym.
Przetwarzanie chemiczne i petrochemiczne: Odporność na korozję z wydajnością masową
W roślinach chemicznych i rafineriach, Stopy niklu muszą się oprzeć Kwasy żrące, Alkalis, i gazy wysokiego ciśnienia:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Wybrane do rurociągów morskich i obsługi wody morskiej z powodu doskonałej odporności na korozję.
- Hastelloy C-Series (~ 8,9 g/cm³): Stosowane w reaktorach przetwarzania kwasu, gdzie gęstość jest zrównoważona z odpornością na korozję i integralność mechaniczną.
Gęstość wpływa nie tylko Siła mechaniczna ale także przewodność cieplna I Wydajność transferu ciepła, Oba krytyczne w reaktorach chemicznych.
Odlew, Kucie, i produkcja addytywna: Kontrolowanie zestalenia
Zachowanie gęstości niklu podczas przetwarzania termicznego bezpośrednio wpływa na wyniki produkcyjne:
- Odlew: Redukcja gęstości po topnieniu (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) należy uwzględnić, aby zapobiec Porowatość skurczowa w formie.
- Kucie i biodro (Hot Isostatic Pressing): Zastosowane ciśnienie zagęszcza stopy niklu, zamykanie pustek i zwiększenie siły mechanicznej.
- Produkcja addytywna (JESTEM): Fuzja złoża proszku i ukierunkowane osadzanie energii polegają na stałej gęstości proszku dla przewidywalnych Przepływność, Jednomości warstwy, i końcowa gęstość części.
Zastosowania energetyczne i nuklearne: Kiedy wysoka gęstość jest korzyścią
W niektórych branżach, Większa gęstość jest korzystna:
- Stopy niklu-tungsten (~ 10,0 g/cm³): Zapewnij ochronę promieniowania w reaktorach jądrowych i obrazowaniu medycznym.
- Anody i katody na bazie niklu: Gęstość wpływa na wydajność prądu i stabilność termiczną w ogniwach paliwowych i elektrolizerach.
6. Szybka tabela referencyjna: Czyste nikiel i wspólne stopy
| Tworzywo / Stop | Kompozycja (Główne elementy) | Gęstość (g/cm³ @ 20 ° C.) | Punktem topnienia (° C.) | Kluczowe aplikacje |
| Czysty nikiel (99.99%) | ≥99,99% przy | 8.908 | 1455 | Elektronika, termopary, galwanotechnika |
| Nikiel komercyjny (Stopień 200) | ≥99,0% przy + Zanieczyszczenia FE | 8.85–8,90 | 1445–1455 | Sprzęt do przetwarzania chemicznego, Sprzęt morski |
| Monel 400 | ~ 65% ma, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Inżynieria morska, lakierki, wymienniki ciepła |
| Niewygod 600 | ~ 72% ma, 14–17% cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Przetwarzanie chemiczne, Komponenty pieca, Reaktory jądrowe |
| Niewygod 625 | ~ 59% ma, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Turbiny lotnicze, Reaktory jądrowe, Rośliny chemiczne |
| Waspaloy | ~ 58% ma, 19% Cr, 13% Współ, 4% Mo, Z, Glin | 8.19 | 1320–1380 | Dysk turbiny silnika odrzutowego, Połączki lotnicze |
Nimonic 80a |
~ 76% ma, 20% Cr, Z, Glin | 8.19 | 1320–1385 | Turbiny gazowe, zawory wydechowe, Sprężyny o wysokiej temperaturze |
| Hastelloy x | ~ 47% ma, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | 1260–1355 | Komory spalania turbiny gazowej, przewody o wysokiej temperaturze |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% ma, 22% Cr, 13% Mo, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Reaktory chemiczne, Słupki, kontrola zanieczyszczenia |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% ma, 16% Mo, 15% Cr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Słupki spalinowe, Przetwarzanie chemiczne, kontrola zanieczyszczenia |
| Incoloy 825 | ~ 42% ma, 21.5% Cr, 30–35% Fe, 3% Mo | 8.14 | 1385–1400 | Rurociągi odporne na kwas, Morskie układy wydechowe |
| Nikiel - (30% W) | ~ 70% w, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Oszczędność promieniowania, części odporne na zużycie |
| Inwar 36 | ~ 64% Fe, 36% W | 8.05 | 1430–1440 | Instrumenty precyzyjne, Niskie zastosowania rozszerzeń termicznych |
7. Wniosek
Gęstość niklu jest podstawową fizyczną własnością wpływającą na projekt, produkcja, oraz wyniki w branżach zaawansowanych technologii.
Czynniki takie jak czystość, stop, temperatura, a ciśnienie tworzą niewielkie odmiany, Ale zrozumienie tych niuansów ma kluczowe znaczenie dla inżynierów i naukowców materialnych.
Nikiel Kombinacja wysokiej gęstości, Siła mechaniczna, a odporność termiczna sprawia, że jest niezbędna w całej loterii, chemiczny, energia, i sektory elektroniczne.
FAQ
Czy forma niklu (Solidny kontra. proszek) wpływać na jego gęstość?
Tak. „Prawdziwa gęstość” (Gęstość samego niklu) jest taki sam dla ciał stałych i proszków (~ 8,908 g/cm³ dla czystego niklu), Ale „gęstość luzem” (Masa/objętość łóżka proszkowego) jest niższy (4–5 g/cm³) z powodu pustek między cząsteczkami.
Gazowa piknometria mierzy prawdziwą gęstość, podczas gdy gęstość kranowa mierzy gęstość luzem.
Jak praca zimna wpływa na gęstość niklu?
Zimna praca (NP., walcowanie, kucie) nieznacznie zwiększa gęstość niklu (~ 0,1–0,2%) zmniejszając wady sieciowe (zwichnięcia) i ściskające puste przestrzenie.
Na przykład, Nikiel z kołnierzem ma gęstość ~ 8,92 g/cm³, vs.. 8.908 g/cm³ dla wyżarzonego niklu.
Jest gęstość niklu wyższa niż inne wspólne metale?
Tak. Nikiel jest gęstszy niż aluminium (2.70 g/cm³), żelazo (7.87 g/cm³), i tytan (4.51 g/cm³) ale mniej gęste niż miedź (8.96 g/cm³), mosiądz (8.4–8,7 g/cm³), i Tungsten (19.3 g/cm³).
Można użyć gęstości do odróżnienia niklu od fałszywych metali?
Tak. Na przykład, stal niklu (Gęstość ~ 7,9 g/cm³) ma niższą gęstość niż czysty nikiel (8.908 g/cm³), Uczynienie zasady Archimedesa prostym sposobem wykrywania podróbek (NP., Fałszywe monety niklu).
Jaka jest gęstość niklu w kosmosie (próżnia, ekstremalna temperatura)?
W próżni, Gęstość nie ma wpływu (Tylko materia temperatury i ciśnienia). W temperaturach kriogenicznych (-200° C.), Gęstość niklu wzrasta do ~ 8,95 g/cm³ (Z powodu skurczu sieci).
W mikrograwitacji, Pomiar gęstości za pośrednictwem zasady Archimedesa jest niemożliwy, Więc zamiast tego używa się XRD.
