1. Introduktion
Nickel är en kritisk metall som används allmänt i industri, flyg, energi, och kemiska tillämpningar på grund av dess korrosionsmotstånd, mekanisk styrka, och termisk stabilitet.
Att förstå dess densitet är grundläggande för ingenjörer och materialforskare eftersom det påverkar viktberäkningar, komponentdesign, termisk beteende, och övergripande materialprestanda.
Referensdensiteten för ren nickel vid rumstemperatur (20 ° C) är ungefär 8.908 g/cm³ (eller 8,908 kg/m³).
Denna inneboende egendom understödjer Nickels tillämpningar i högpresterande legeringar, strukturella komponenter, och specialiserade beläggningar.
2. Vad är tätheten av nickel
Densitet definieras som massa per enhetsvolym (p = m/v). För nickel, Dess densitet uppstår från atommassan (58.6934 u) och dess ansiktscentrerade kubik (Fcc) kristallstruktur, som packar atomer effektivt.
Vid standardtemperatur och tryck, nickel uppvisar ett stabilt FCC -gitter med en gitterkonstant av 0.352 nm, producerar dess karakteristiska densitet av 8.908 g/cm³.
3. Faktorer som påverkar nickeltätheten
Nickelsdensitet (~ 8.908 g/cm³ vid 20 ° C för ultrahög renhetsmetall) är inte en fast konstant; det varierar med renhet, legering, temperatur, och tryck.
Renhet: Den primära drivkraften för densitetsvariabiliteten
Referensdensiteten för 8.908 g/cm³ gäller uteslutande för nickel med ultra-hög renhet (≥99,99%), såsom elektrolytisk nickel som används i elektronik och precisionsinstrument.
I industriell praxis, nickel når sällan denna renhet.
Företräde, om avsiktlig (legeringselement) eller oavsiktlig (restmalmer, bearbetning föroreningar), Förskjut nickelatomer i kristallgitteret, förändra densitet baserat på deras atommassa och koncentration.
Vanliga föroreningar och deras effekter (Data från ASM -handbok, Volym 2):
| Förorening | Densitet (g/cm³) | Typisk koncentration i kommersiellt nickel | Resulterande nickeltäthet (g/cm³) | Densitetsförändring vs. Rent nickel |
| Järn (Fe) | 7.874 | 0.5–1,0% | 8.85–8.90 | −0,01 till −0,06 |
| Koppar (Cu) | 8.96 | 0.1–0,5% | 8.91–8.93 | +0.002 till +0.02 |
| Kol (C, grafit) | 2.267 | 0.01–0,05% | 8.90–8.91 | −0,001 till −0,008 |
| Svavel (S) | 2.07 | 0.005–0,01% | 8.905–8.907 | −0,001 till −0,003 |
| Syre (O, gas) | 1.429 | 0.001–0,005% | 8.907–8.908 | Obetydlig |
Legering: Skräddarsydd densitet för prestanda
Nickel bildar legeringar med element som koppar (Cu), krom (Cr), molybden (Mo), volfram (W), och järn (Fe), producerar material med tätheter som skiljer sig väsentligt från rent nickel.
Utvalda legeringar och tätheter:
| Legering | Sammansättning | Densitet (g/cm³) | Skillnad vs. I | Primär applikation |
| Monel 400 | 65% I, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0.108 | Marinkorrosionsmotstånd |
| Ocny 625 | 59% I, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | −0.468 | Högtemperatur krypmotstånd |
| Hastelloy x | 47% I, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | −0.608 | Gasturbinförbränningskammare |
| Nickel (30% W) | 70% I, 30% W | 10.0 | +1.092 | Strålningsskydd, slitbidrag |
| Invar 36 | 64% Fe, 36% I | 8.05 | −0.858 | Låga värmeutvidgningsverktyg |
Temperatur: Termisk expansion och densitetsminskning
Nickel expanderar med värme, Minska dess densitet.
De linjär värmekoefficient (Cte) för nickel är ~ 13,4 × 10⁻⁶/° C; de ungefärliga volymetriska CTE är ~ 40,2 × 10⁻⁶/° C. Använda dessa värden, Nickels densitet minskar med temperaturen:
- Vid 100 ° C: Densitet ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- Vid 500 ° C: Densitet ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- Vid 1455 ° C (smältpunkt, flytande nickel): Densitet ≈ 8.70 g/cm³ (Flytande metaller är mindre täta än fasta ämnen på grund av ökad atomstörning)
Denna temperaturberoende densitet är avgörande för:
- Högtemperaturgjutning: Formar måste redogöra för densitetsförändringar under stelning för att undvika krympningsfel.
- Flyg-: Nickel Superalloys i jetmotorer (arbetar vid 1000–1200 ° C) Upplev minskningar av densitet som påverkar värmeledningsförmågan och strukturell stabilitet.
Tryck: Kompression och densitet ökar
Nickels bulkmodul (~ 170 GPA) Åtgärder motstånd mot komprimering. Högt tryck ökar något densiteten:
- På 1 Gpa (≈10 000 atm, Typiska för djuphavsmiljöer): Densiteten ökar med ~ 0,5% (≈8,95 g/cm³).
- På 10 Gpa (extremt tryck, TILL EXEMPEL., planetär): Densitet stiger till ~ 9,3 g/cm³.
Djuphavsutrustning: Nickelpläterade komponenter i undervattenser måste motstå tryckinducerad densitetsförändringar utan strukturellt fel.
Högtrycksmetallbearbetning: Processer som het isostatisk pressning (HÖFT) Använd tryck för att tät nickelegeringar, minska porositeten och öka slutlig densitet.
4. Täthetsmätning
Archimedes ' Princip och hydrostatisk vägning
Nickelprover är nedsänkta i en vätska, och densitet beräknas från flytande krafter. Denna metod är enkel och tillförlitlig för bulkkomponenter.
Röntgendiffraktion (Xrd)
XRD beräknar densitet från gitterparametern för nickels kristallstruktur (uppmätt via röntgenspridning). Denna metod är:
- Icke-förstörande: Perfekt för värdefulla eller känsliga prover (TILL EXEMPEL., flyg-).
- Mycket exakt: ± 0,0001 g/cm³ för rent nickel, Eftersom det direkt mäter atomförpackning snarare än bulkegenskaper.
- Begränsningar: Kräver ett välkristalliserat prov (inte lämplig för pulver eller amorf nickel).
Pyknometri (för pulver)
För nickelpulver (används i tillsatsstillverkning eller beläggningar), gaspyknometri (ASTM D6226) mäter verklig densitet genom att förskjuta en gas (TILL EXEMPEL., helium) i en förseglad kammare.
Detta undviker fel från tomrum i pulverbäddar, ger täthet inom ± 0,002 g/cm³ av det teoretiska värdet.
Mätvariabilitet
Rapporterade tätheter kan variera något på grund av föroreningar, porositet, mätmetod, och temperatur, Vanligtvis inom ± 0,01–0,02 g/cm³ för högkvalitativt nickel.
5. Industriell relevans av nickeltäthet
Tätheten av nickel är inte bara en teoretisk egenskap - det påverkar direkt hur metallen och dess legeringar är utformad, bearbetad, och tillämpas över branscher.
Från flyg- och rymdturbiner till kemiska anläggningar och tillsatsstillverkning, Densitet spelar en viktig roll i materiell prestanda och teknisk effektivitet.
Flyg- och luftfart: Balansera vikt och styrka
Flygplan och rymdskepp kräver material med höghållfasthetsförhållanden.
Medan ren nickel är relativt tät (8.908 g/cm³), nickelbaserade superlegeringar som Ocny 625 (8.44 g/cm³) eller Hastelloy x (8.30 g/cm³) Ge en kompromiss:
- Lägre täthet minskar total motor eller strukturell vikt, Sparar bränsle och förlängningsområde.
- Högtemperaturstabilitet säkerställer motstånd mot kryp och trötthet vid >1000 ° C.
Exempel: En 1% Minskning av turbinskivmassan genom optimering av legeringstäthet kan spara Hundratals kilo jetbränsle årligen per flygplan.
Bil- och tunga maskiner: Hållbarhet och effektivitet
Nickeltätheten är också relevant för marktransport:
- Elfordon (Ev): Nickelrika katodmaterial (TILL EXEMPEL., Nmc, Nca) påverka batterilättdensiteten, Där viktbesparingar förbättrar körområdet.
- Tunga utrustning: Nickelstål och nickel-kopparlegeringar (Densitet ~ 7,8–8,8 g/cm³) Ge seghet och slitmotstånd i byggmaskiner och gruvutrustning.
Kemisk och petrokemisk bearbetning: Korrosionsmotstånd med masseffektivitet
I kemiska växter och raffinaderier, Nickellegeringar måste motstå frätande syror, alkali, och högtrycksgaser:
- Monel 400 (8.80 g/cm³): Valt för marina rörledningar och havsvattenhantering på grund av utmärkt korrosionsmotstånd.
- Hastelloy c-serie (~ 8,9 g/cm³): Används vid syrabehandlingsreaktorer, där densiteten är balanserad mot korrosionsbeständighet och mekanisk integritet.
Densitet påverkar inte bara mekanisk styrka men också termisk konduktivitet och värmeöverföringseffektivitet, båda kritiska i kemiska reaktorer.
Gjutning, Smidning, och tillsatsstillverkning: Kontrollerande stelning
Nickels densitetsbeteende under termisk bearbetning påverkar direkt tillverkningsresultaten:
- Gjutning: Densitetsminskning vid smältning (8.908 → ~ 8,70 g/cm³) måste redovisas för att förhindra krympporositet i formar.
- Smide och höft (Het isostatisk pressning): Applicerat tryckdensifierar nicklegeringar, stänger tomrum och ökande mekanisk styrka.
- Tillsatsstillverkning (Jag är): Pulverbädd fusion och riktad energiavsättning förlitar sig på konsekvent pulverdensitet för förutsägbar Flytbarhet, skikt enhetlighet, och sista deldensitet.
Energi och kärnkraftsapplikationer: När hög densitet är en fördel
I vissa branscher, Högre densitet är fördelaktig:
- Nickel-åtagande legeringar (~ 10,0 g/cm³): Ge strålningsskydd i kärnreaktorer och medicinsk avbildning.
- Nickelbaserade anoder och katoder: Densitet påverkar nuvarande effektivitet och termisk stabilitet i bränsleceller och elektrolyserare.
6. Snabbreferensbord: Ren nickel och vanliga legeringar
| Material / Legering | Sammansättning (Stora element) | Densitet (g/cm³ @ 20 ° C) | Smältpunkt (° C) | Nyckelapplikationer |
| Rent nickel (99.99%) | ≥99,99% vid | 8.908 | 1455 | Elektronik, termoelöpning, galvanisering |
| Handelsnickel (Kvalitet 200) | ≥99,0% vid + Fe -föroreningar | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Kemisk bearbetningsutrustning, marina hårdvara |
| Monel 400 | ~ 65% har, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Marinteknik, pumps, värmeväxlare |
| Ocny 600 | ~ 72% har, 14–17% cr, 6–10% Fe | 8.47 | 1354–1413 | Kemisk bearbetning, ugnskomponenter, kärnreaktorer |
| Ocny 625 | ~ 59% har, 21.5% Cr, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Flyg-, kärnreaktorer, kemiska växter |
| Waspaloy | ~ 58% har, 19% Cr, 13% Co, 4% Mo, Av, Al | 8.19 | 1320–1380 | Jetmotorturbinskivor, flyg- |
Nimonic 80A |
~ 76% har, 20% Cr, Av, Al | 8.19 | 1320–1385 | Gasturbiner, avgasventiler, högtemperaturfjädrar |
| Hastelloy x | ~ 47% har, 22% Cr, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | 1260–1355 | Gasturbinförbränningskammare, högtemperaturkanaler |
| Hastelloy C-22 | ~ 56% har, 22% Cr, 13% Mo, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Kemiska reaktorer, skrubber, föroreningsbekämpning |
| Hastelloy C-276 | ~ 57% har, 16% Mo, 15% Cr, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Rökgasskrubber, kemisk bearbetning, föroreningsbekämpning |
| Avmoljan 825 | ~ 42% har, 21.5% Cr, 30–35% Fe, 3% Mo | 8.14 | 1385–1400 | Syrabeständig rör, marina avgassystem |
| Nickel - (30% W) | ~ 70% i, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Strålningsskydd, slitstöd |
| Invar 36 | ~ 64% Fe, 36% I | 8.05 | 1430–1440 | Precisionsinstrument, Låga termiska expansionsapplikationer |
7. Slutsats
Nickels densitet är en grundläggande fysisk egenskap som påverkar design, tillverkning, och prestanda inom högteknologiska industrier.
Faktorer som renhet, legering, temperatur, och tryck skapar mindre variationer, Men att förstå dessa nyanser är avgörande för ingenjörer och materiella forskare.
Nickels kombination av hög densitet, mekanisk styrka, och termisk motståndskraft gör det oumbärligt över flyg-, kemisk, energi, och elektroniksektorer.
Vanliga frågor
Gör formen av nickel (solid vs. pulver) påverka dess densitet?
Ja. “Sann täthet” (nickelens densitet) är samma sak för fasta ämnen och pulver (~ 8.908 g/cm³ för rent nickel), men "bulkdensitet" (massa/volym av pulverbädden) är lägre (4–5 g/cm³) på grund av hålrum mellan partiklar.
Gaspyknometri mäter verklig densitet, Medan TAP -densitet mäter bulkdensiteten.
Hur påverkar förkylningsarbetet nickels densitet?
Kallt arbete (TILL EXEMPEL., rullande, smidning) ökar nickels densitet något (~ 0,1–0,2%) genom att minska gitterfel (förflyttningar) och komprimera tomrum.
Till exempel, Kallrullat nickel har en densitet av ~ 8,92 g/cm³, mot. 8.908 g/cm³ för glödgat nickel.
Är nickels densitet högre än andra vanliga metaller?
Ja. Nickel är tätare än aluminium (2.70 g/cm³), järn (7.87 g/cm³), och titan (4.51 g/cm³) men mindre tät än koppar (8.96 g/cm³), mässing (8.4–8,7 g/cm³), och volfram (19.3 g/cm³).
Kan densitet användas för att skilja nickel från förfalskade metaller?
Ja. Till exempel, nickelpläterad stål (densitet ~ 7,9 g/cm³) har en lägre densitet än ren nickel (8.908 g/cm³), Att göra Archimedes princip till ett enkelt sätt att upptäcka förfalskningar (TILL EXEMPEL., falska nickelmynt).
Vad är tätheten av nickel i rymden (vakuum, extrem temperatur)?
I ett vakuum, Densitet påverkas inte (Endast temperatur och tryckmaterial). Vid kryogena temperaturer (-200° C), Nickels densitet ökar till ~ 8,95 g/cm³ (På grund av gitterkontraktion).
I mikrogravitet, Densitetsmätning via Archimedes princip är omöjlig, Så XRD används istället.
