1. Introdução
O níquel é um metal crítico amplamente utilizado em industrial, Aeroespacial, energia, e aplicações químicas devido à sua resistência à corrosão, força mecânica, e estabilidade térmica.
Compreender sua densidade é fundamental para engenheiros e cientistas materiais porque influencia os cálculos de peso, Design de componentes, comportamento térmico, e desempenho geral do material.
A densidade de referência do níquel puro à temperatura ambiente (20 ° c) é aproximadamente 8.908 g/cm³ (ou 8,908 kg/m³).
Esta propriedade intrínseca sustenta as aplicações de Nickel em ligas de alto desempenho, Componentes estruturais, e revestimentos especializados.
2. Qual é a densidade do níquel
Densidade é definido como massa por unidade de volume (p = m/v). Para níquel, sua densidade surge da massa atômica (58.6934 u) e seu cúbico centrado no rosto (FCC) estrutura cristalina, que embala átomos com eficiência.
À temperatura e pressão padrão, níquel exibe uma rede estável da FCC com uma constante de treliça de 0.352 nm, produzindo sua densidade característica de 8.908 g/cm³.
3. Fatores que afetam a densidade de níquel
Densidade do níquel (~ 8.908 g/cm³ em 20 ° C para metal de pura ultra-alta) não é uma constante fixa; Varia com pureza, liga, temperatura, e pressão.
Pureza: O principal fator de variabilidade de densidade
A densidade de referência de 8.908 g/cm³ se aplica exclusivamente a níquel de pura ultra-alta (≥99,99%), como níquel eletrolítico usado em instrumentos eletrônicos e de precisão.
Na prática industrial, níquel raramente atinge essa pureza.
Impurezas, seja intencional (elementos de liga) ou acidental (minérios residuais, processamento de contaminantes), deslocar os átomos de níquel na treliça de cristal, alterando a densidade com base em sua massa atômica e concentração.
Impurezas comuns e seus efeitos (Dados do Manual ASM, Volume 2):
| Impureza | Densidade (g/cm³) | Concentração típica em níquel comercial | Densidade de níquel resultante (g/cm³) | Mudança de densidade vs.. Níquel puro |
| Ferro (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | -0,01 a -0,06 |
| Cobre (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 para +0.02 |
| Carbono (C, grafite) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | -0,001 a -0,008 |
| Enxofre (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | -0,001 a -0,003 |
| Oxigênio (O, gás) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Insignificante |
Liga: Densidade de adaptação para desempenho
Níquel forma ligas com elementos como cobre (Cu), cromo (Cr), molibdênio (MO), tungstênio (C), e ferro (Fe), produzindo materiais com densidades que diferem substancialmente do níquel puro.
Ligas e densidades selecionadas:
| Liga | Composição | Densidade (g/cm³) | Diferença vs.. Em | Aplicação primária |
| Monel 400 | 65% Em, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | -0,108 | Resistência à corrosão marinha |
| Inconel 625 | 59% Em, 21.5% Cr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | -0,468 | Resistência à fluência de alta temperatura |
| Hastelloy x | 47% Em, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | -0,608 | Câmaras de combustão de turbinas a gás |
| Níquel (30% C) | 70% Em, 30% C | 10.0 | +1.092 | Blindagem de radiação, resistência ao desgaste |
| Invar 36 | 64% Fe, 36% Em | 8.05 | -0,858 | Ferramentas de baixa expansão térmica |
Temperatura: Expansão térmica e redução de densidade
Níquel se expande com calor, reduzindo sua densidade.
O coeficiente linear de expansão térmica (Cte) para níquel é ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; o CTE volumétrica aproximada é ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Usando esses valores, A densidade do níquel diminui com a temperatura:
- A 100 ° C.: Densidade ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- A 500 ° C.: Densidade ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- A 1455 ° C. (ponto de fusão, níquel líquido): Densidade ≈ 8.70 g/cm³ (Os metais líquidos são menos densos que os sólidos devido ao aumento do distúrbio atômico)
Essa densidade dependente da temperatura é crítica para:
- Fundição de alta temperatura: Os moldes devem explicar as mudanças de densidade durante a solidificação para evitar defeitos de encolhimento.
- Componentes aeroespaciais: Superlloys de níquel em motores a jato (Operando em 1000-1200 ° C.) Experiência de reduções de densidade que afetam a condutividade térmica e a estabilidade estrutural.
Pressão: Aumento de compressão e densidade
Módulo em massa de níquel (~ 170 GPA) mede a resistência à compressão. Alta pressão aumenta levemente a densidade:
- No 1 GPA (~ 10.000 atm, típico de ambientes de alto mar): A densidade aumenta em ~ 0,5% (~ 8,95 g/cm³).
- No 10 GPA (pressão extrema, Por exemplo, núcleos planetários): Densidade sobe para ~ 9,3 g/cm³.
Equipamento do mar profundo: Componentes banhados a níquel em submersíveis devem suportar mudanças de densidade induzidas pela pressão sem falha estrutural.
Metalworking de alta pressão: Processos como prensagem isostática quente (QUADRIL) Use pressão para densificar ligas de níquel, reduzindo a porosidade e aumentando a densidade final.
4. Medição de densidade
Arquimedes Princípio e pesagem hidrostática
Amostras de níquel estão submersas em um fluido, e a densidade é calculada a partir de forças flutuantes. Este método é simples e confiável para componentes em massa.
Difração de raios-X (XRD)
O DRX calcula a densidade do parâmetro de treliça da estrutura cristalina de Nickel (medido por espalhamento de raios-X). Este método é:
- Não destrutivo: Ideal para amostras valiosas ou delicadas (Por exemplo, Componentes aeroespaciais).
- Altamente preciso: ± 0,0001 g/cm³ para níquel puro, como mede diretamente a embalagem atômica em vez de propriedades em massa.
- Limitações: Requer uma amostra bem cristalizada (Não é adequado para pós ou níquel amorfo).
Picnometria (para pós)
Para pós de níquel (usado na fabricação ou revestimentos aditivos), Picnometria a gás (ASTM D6226) mede a verdadeira densidade deslocando um gás (Por exemplo, hélio) em uma câmara selada.
Isso evita erros de vazios em leitos de pó, rendimento densidades dentro de ± 0,002 g/cm³ do valor teórico.
Variabilidade de medição
Densidades relatadas podem variar um pouco devido a impurezas, porosidade, Método de medição, e temperatura, normalmente dentro de ± 0,01-0,02 g/cm³ para níquel de alta qualidade.
5. Relevância industrial da densidade de níquel
A densidade do níquel não é apenas uma propriedade teórica - afeta diretamente como o metal e suas ligas são projetado, processado, e aplicado em todas as indústrias.
De turbinas aeroespaciais a plantas químicas e fabricação aditiva, A densidade desempenha um papel fundamental no desempenho material e na eficiência da engenharia.
Aeroespacial e aviação: Equilibrando peso e força
Aeronaves e espaçadoras exigem materiais com Alta proporções de força / peso.
Enquanto níquel puro é relativamente denso (8.908 g/cm³), Superlloys baseados em níquel, como Inconel 625 (8.44 g/cm³) ou Hastelloy x (8.30 g/cm³) proporcionar um compromisso:
- Menor densidade reduz o motor total ou peso estrutural, economizando combustível e extensão de alcance.
- Estabilidade de alta temperatura garante resistência à fluência e fadiga em >1000 ° c.
Exemplo: UM 1% Redução na massa do disco da turbina através da otimização da densidade de ligas pode salvar Centenas de quilos de combustível de aviação anualmente por aeronave.
Máquinas automotivas e pesadas: Durabilidade e eficiência
A densidade de níquel também é relevante para o transporte terrestre:
- Veículos elétricos (EVS): Materiais de cátodo rico em níquel (Por exemplo, NMC, NCA) afetar a densidade de energia da bateria, Onde a economia de peso melhora o driving range.
- Equipamento pesado: Aços de níquel e ligas de níquel-cobre (densidades ~ 7,8–8,8 g/cm³) Forneça resistência à resistência e desgaste em máquinas de construção e equipamentos de mineração.
Processamento químico e petroquímico: Resistência à corrosão com eficiência de massa
Em plantas químicas e refinarias, ligas de níquel devem resistir ácidos corrosivos, Alkalis, e gases de alta pressão:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Escolhido para oleodutos marinhos e manuseio de água do mar devido à excelente resistência à corrosão.
- Série C Hastelloy (~ 8,9 g/cm³): Usado em reatores de processamento de ácidos, onde a densidade é equilibrada contra a resistência à corrosão e a integridade mecânica.
A densidade afeta não apenas força mecânica mas também condutividade térmica e Eficiência de transferência de calor, ambos críticos em reatores químicos.
Elenco, Forjamento, e fabricação aditiva: Solidificação controladora
O comportamento de densidade do níquel durante o processamento térmico influencia diretamente os resultados da fabricação:
- Elenco: Redução de densidade ao derreter (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) deve ser considerado para prevenir porosidade de encolhimento em moldes.
- Forjando e quadril (Pressionamento isostático quente): A pressão aplicada densifica as ligas de níquel, Fechando vazios e aumento da força mecânica.
- Fabricação aditiva (SOU): A fusão de leito em pó e a deposição de energia direcionada dependem de densidade de pó consistente para previsível Fluxabilidade, uniformidade da camada, e densidade da peça final.
Aplicações de energia e nuclear: Quando a alta densidade é um benefício
Em algumas indústrias, maior densidade é vantajosa:
- Ligas de níquel-tungstênio (~ 10,0 g/cm³): Forneça blindagem de radiação em reatores nucleares e imagens médicas.
- Ânodos e cátodos à base de níquel: A densidade influencia a eficiência atual e a estabilidade térmica em células de combustível e eletrolisadores.
6. Tabela de referência rápida: Níquel puro e ligas comuns
| Material / Liga | Composição (Principais elementos) | Densidade (g/cm³ @ 20 ° c) | Ponto de fusão (° c) | Principais aplicações |
| Níquel puro (99.99%) | ≥99,99% em | 8.908 | 1455 | Eletrônica, termopares, Eletroplatação |
| Níquel comercial (Nota 200) | ≥99,0% em + Fe impurezas | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Equipamento de processamento químico, Hardware marinho |
| Monel 400 | ~ 65% têm, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Engenharia Marinha, bombas, trocadores de calor |
| Inconel 600 | ~ 72% têm, 14–17% cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Processamento químico, componentes do forno, Reatores nucleares |
| Inconel 625 | ~ 59% têm, 21.5% Cr, 9% MO, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Turbinas aeroespaciais, Reatores nucleares, plantas químicas |
| Waspaloy | ~ 58% têm, 19% Cr, 13% Co, 4% MO, De, Al | 8.19 | 1320–1380 | Discos de turbinas a jato, fixadores aeroespaciais |
Nimonic 80a |
~ 76% têm, 20% Cr, De, Al | 8.19 | 1320–1385 | Turbinas a gás, válvulas de escape, molas de alta temperatura |
| Hastelloy x | ~ 47% têm, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% MO | 8.30 | 1260–1355 | Câmaras de combustão de turbinas a gás, Dutos de alta temperatura |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% têm, 22% Cr, 13% MO, 3% C, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Reatores químicos, Scrubbers, Controle de poluição |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% têm, 16% MO, 15% Cr, 5% Fe, C | 8.89 | 1325–1370 | Scrubadores de gás de combustão, Processamento químico, Controle de poluição |
| Incoloy 825 | ~ 42% têm, 21.5% Cr, 30–35% Fe, 3% MO | 8.14 | 1385–1400 | Tubulação resistente a ácido, Sistemas de escape marítimos |
| Níquel - (30% C) | ~ 70% em, 30% C | 10.0 | ~ 1455-1500 | Blindagem de radiação, Peças resistentes ao desgaste |
| Invar 36 | ~ 64% Fe, 36% Em | 8.05 | 1430–1440 | Instrumentos de precisão, Aplicações de baixa expansão térmica |
7. Conclusão
A densidade do níquel é uma propriedade física fundamental que influencia o design, fabricação, e desempenho nas indústrias de alta tecnologia.
Fatores como pureza, liga, temperatura, e pressão criam pequenas variações, Mas entender essas nuances é fundamental para engenheiros e cientistas materiais.
Combinação de alta densidade do níquel, força mecânica, e a resiliência térmica o torna indispensável em todo o aeroespacial, químico, energia, e setores eletrônicos.
Perguntas frequentes
Faz a forma de níquel (sólido vs.. pó) afetar sua densidade?
Sim. “Verdadeira densidade” (densidade do próprio níquel) é o mesmo para sólidos e pós (~ 8.908 g/cm³ para níquel puro), Mas “densidade em massa” (massa/volume do leito de pó) é menor (4–5 g/cm³) Devido a vazios entre partículas.
A picnometria a gás mede a densidade verdadeira, Enquanto a densidade da torneira mede a densidade em massa.
Como o trabalho do frio afeta a densidade do níquel?
Trabalho frio (Por exemplo, rolando, forjamento) aumenta ligeiramente a densidade do níquel (~ 0,1-0,2%) reduzindo os defeitos da treliça (deslocamentos) e comprimindo vazios.
Por exemplo, O níquel laminado a frio tem uma densidade de ~ 8,92 g/cm³, vs.. 8.908 g/cm³ para níquel recozido.
A densidade de níquel é maior que outros metais comuns?
Sim. Níquel é mais denso que alumínio (2.70 g/cm³), ferro (7.87 g/cm³), e titânio (4.51 g/cm³) mas menos denso que o cobre (8.96 g/cm³), latão (8.4–8,7 g/cm³), e tungstênio (19.3 g/cm³).
A densidade pode ser usada para distinguir níquel de metais falsificados?
Sim. Por exemplo, Aço niquelado (densidade ~ 7,9 g/cm³) tem uma densidade mais baixa que níquel puro (8.908 g/cm³), Tornando o princípio de Archimedes uma maneira simples de detectar falsificações (Por exemplo, Moedas níquel falsas).
Qual é a densidade do níquel no espaço (vácuo, temperatura extrema)?
No vácuo, a densidade não é afetada (Apenas temperatura e pressão matéria). A temperaturas criogênicas (-200° c), A densidade do níquel aumenta para ~ 8,95 g/cm³ (Devido à contração da rede).
Em microgravidade, A medição de densidade através do princípio de Archimedes é impossível, Então, XRD é usado em vez disso.
