1. giriiş
Nikel, endüstriyel olarak yaygın olarak kullanılan kritik bir metaldir, havacılık, enerji, ve korozyon direnci nedeniyle kimyasal uygulamalar, mekanik güç, ve termal stabilite.
Mühendisler ve maddi bilim adamları için yoğunluğunu anlamak, kilo hesaplamalarını etkilediği için temeldir., bileşen tasarımı, termal davranış, ve genel malzeme performansı.
Oda sıcaklığında saf nikelin referans yoğunluğu (20 ° C) yaklaşık 8.908 g/cm³ (veya 8,908 kg/m³).
Bu içsel özellik, Nickel’in yüksek performanslı alaşımlarda uygulamalarını destekliyor, yapısal bileşenler, ve özel kaplamalar.
2. Nikelin yoğunluğu nedir
Yoğunluk birim hacim başına kütle olarak tanımlanır (p = m/v). Nikel için, Yoğunluğu atom kütlesinden kaynaklanır (58.6934 u) ve yüz merkezli kübik (FCC) kristal yapısı, hangi atomları verimli bir şekilde paketliyor.
Standart sıcaklık ve basınçta, Nikel, kafes sabiti olan kararlı bir FCC kafes sergiler 0.352 NM, karakteristik yoğunluğunu üretmek 8.908 g/cm³.
3. Nikel yoğunluğunu etkileyen faktörler
Nikel Yoğunluğu (~ 8.908 g/cm³ 20 Ultra yüksek saflıkta metal için ° C) sabit bir sabit değil; ile değişir saflık, alaşım, sıcaklık, ve baskı.
Saflık: Yoğunluk değişkenliğinin birincil itici gücü
Referans yoğunluğu 8.908 g/cm³ sadece ultra yüksek saflık nikel (≥99.99), elektronik ve hassas aletlerde kullanılan elektrolitik nikel gibi.
Endüstriyel uygulamada, Nikel nadiren bu saflığa ulaşır.
Safsızlıklar, kasıtlı olsun (Alaşım Elemanları) veya kazara (kalıntı cevheri, Kirleticilerin işlenmesi), Kristal kafeste nikel atomlarını yerinden et, atom kütlelerine ve konsantrasyonlarına göre yoğunluğu değiştirmek.
Ortak safsızlıklar ve etkileri (ASM El Kitabından Veriler, Hacim 2):
| Safsızlık | Yoğunluk (g/cm³) | Ticari nikelde tipik konsantrasyon | Ortaya çıkan nikel yoğunluğu (g/cm³) | Yoğunluk değişikliği Vs. Saf nikel |
| Ütü (Fe) | 7.874 | 0.5–1.0 | 8.85–8.90 | −0.01 ila −0.06 |
| Bakır (Cu) | 8.96 | 0.1–0.5 | 8.91–8.93 | +0.002 ile +0.02 |
| Karbon (C, grafit) | 2.267 | 0.01–0.05% | 8.90–8.91 | −0.001 ila −0.008 |
| Sülfür (S) | 2.07 | 0.005–0.01% | 8.905–8.907 | −0.001 ila −0.003 |
| Oksijen (O, gaz) | 1.429 | 0.001–0.005% | 8.907–8.908 | İhmal edilebilir |
Alaşım: Performans için Terzilik Yoğunluğu
Nikel gibi elemanlarla alaşımlar bakır (Cu), krom (CR), molibden (Mo), tungsten (W), ve demir (Fe), saf nikelden önemli ölçüde farklı yoğunluklara sahip malzemeler üretme.
Seçilmiş alaşımlar ve yoğunluklar:
| Alaşım | Kompozisyon | Yoğunluk (g/cm³) | Fark vs. İçinde | Birincil uygulama |
| Moli 400 | 65% İçinde, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | −0.108 | Deniz korozyon direnci |
| Mızmız 625 | 59% İçinde, 21.5% CR, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | −0.468 | Yüksek sıcaklıkta sürünme direnci |
| Hastelloy x | 47% İçinde, 22% CR, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | −0.608 | Gaz türbini yanma odaları |
| Nikel (30% W) | 70% İçinde, 30% W | 10.0 | +1.092 | Radyasyon koruması, Direnç Giymek |
| İstemek 36 | 64% Fe, 36% İçinde | 8.05 | −0.858 | Düşük termal genleşme araçları |
Sıcaklık: Termal Genişleme ve Yoğunluk Azaltma
Nikel ısı ile genişler, yoğunluğunu azaltmak.
. Termal genişlemenin doğrusal katsayısı (CTE) Nikel için ~ 13.4 × 10⁻⁶/° C; . Yaklaşık hacimsel CTE ~ 40.2 × 10⁻⁶/° C. Bu değerleri kullanmak, Nikelin yoğunluğu sıcaklıkla azalır:
- 100 ° C'de: Yoğunluk ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 80 ° C)) ≈ 8.88 g/cm³
- 500 ° C'de: Yoğunluk ≈ 8.908 g/cm³ × (1 - (40.2 × 10⁻⁶/° C × 480 ° C)) ≈ 8.73 g/cm³
- 1455 ° C'de (erime noktası, sıvı nikel): Yoğunluk ≈ 8.70 g/cm³ (Artan atom bozukluğu nedeniyle sıvı metaller katılardan daha az yoğundur)
Bu sıcaklığa bağlı yoğunluk,:
- Yüksek sıcaklık dökümü: Kalıplar, büzülme kusurlarını önlemek için katılaşma sırasında yoğunluk değişikliklerini hesaba katmalıdır.
- Havacılık bileşenleri: Jet motorlarında nikel süper alaşımlar (1000-1200 ° C'de çalışıyor) Termal iletkenliği ve yapısal stabiliteyi etkileyen yoğunluk azaltımları.
Basınç: Sıkıştırma ve yoğunluk artışı
Nikelin Dökme Modülü (~ 170 GPA) Sıkıştırmaya karşı direnci ölçer. Yüksek basınç biraz yoğunluğu arttırır:
- -Den 1 Genel not ortalaması (≈10.000 atm, Derin deniz ortamlarına tipik): Yoğunluk ~% 0.5 artar (≈8.95 g/cm³).
- -Den 10 Genel not ortalaması (aşırı baskı, Örn., Gezegensel Çekirdekler): Yoğunluk ~ 9.3 g/cm³'ye yükselir.
Derin deniz ekipmanı: Submersiles'deki nikel kaplı bileşenler, yapısal arıza olmadan basınca bağlı yoğunluk değişikliklerine dayanmalıdır.
Yüksek basınçlı metal işleme: Sıcak izostatik presleme gibi işlemler (BELKİ) Nikel alaşımlarını yoğunlaştırmak için basınç kullanın, Gözenekliliği azaltmak ve nihai yoğunluğu arttırmak.
4. Yoğunluk ölçümü
Arşimetler ” Prensip ve hidrostatik tartma
Nikel örnekleri bir sıvıya daldırılır, ve yoğunluk yüzme kuvvetlerinden hesaplanır. Bu yöntem, toplu bileşenler için basit ve güvenilirdir.
X-ışını kırınımı (XRD)
XRD, nikelin kristal yapısının kafes parametresinden yoğunluğu hesaplar (X-ışını saçılması yoluyla ölçülür). Bu yöntem:
- Tahribatsız: Değerli veya hassas örnekler için ideal (Örn., havacılık bileşenleri).
- Son derece hassas: Saf nikel için ± 0.0001 g/cm³, Toplu özelliklerden ziyade atomik paketlemeyi doğrudan ölçtüğü için.
- Sınırlamalar: İyi kristalize edilmiş bir örnek gerektirir (Tozlar veya amorf nikel için uygun değildir).
Piknometri (Tozlar için)
Nikel tozları için (Katkı üretiminde veya kaplamalarda kullanılır), gaz piknometrisi (ASTM D6226) Bir gazın yerini alarak gerçek yoğunluğu ölçer (Örn., helyum) Mühürlü bir odada.
Bu, toz yataklarındaki boşluklardan gelen hataları önler, teorik değer ± 0.002 g/cm³ içinde yoğunluk verimi.
Ölçüm değişkenliği
Bildirilen yoğunluklar safsızlıklar nedeniyle biraz değişebilir, gözeneklilik, ölçüm yöntemi, ve sıcaklık, Yüksek kaliteli nikel için tipik olarak ± 0.01-0.02 g/cm³ içinde.
5. Nikel yoğunluğunun endüstriyel alaka düzeyi
Nikel yoğunluğu sadece teorik bir özellik değildir, aynı zamanda metalin ve alaşımlarının nasıl olduğunu doğrudan etkiler tasarlanmış, işlenmiş, ve endüstriler arasında uygulandı.
Havacılık ve uzay türbinlerinden kimyasal bitkilere ve ilave üretime kadar, Yoğunluk, malzeme performansı ve mühendislik verimliliğinde çok önemli bir rol oynar.
Havacılık ve Havacılık: Kilo ve gücü dengelemek
Uçak ve uzay aracı talep malzemeleri Yüksek mukavemet-ağırlık oranları.
Saf nikel nispeten yoğunken (8.908 g/cm³), gibi nikel bazlı süper alaşımlar Mızmız 625 (8.44 g/cm³) veya Hastelloy x (8.30 g/cm³) Uzlaşma sağlamak:
- Düşük Yoğunluk Toplam motoru veya yapısal ağırlığı azaltır, Yakıt tasarrufu ve genişletme aralığı.
- Yüksek sıcaklık istikrarı sürünme ve yorgunluğa karşı direnç sağlar >1000 ° C.
Örnek: A 1% Türbin disk kütlesinde alaşım yoğunluk optimizasyonu yoluyla azalma tasarrufu sağlayabilir Uçak başına yılda yüzlerce kilogram jet yakıtı.
Otomotiv ve ağır makineler: Dayanıklılık ve Verimlilik
Nikel yoğunluğu da zemin taşımacılığı ile ilgilidir:
- Elektrikli araçlar (EV'ler): Nikel açısından zengin katot malzemeleri (Örn., NMC, NCA) Pil enerjisi yoğunluğunu etkiler, Kilo tasarruflarının sürüş aralığını geliştirdiği yer.
- Ağır ekipman: Nikel Çelikler ve Nikel Bakır Alaşımları (yoğunluklar ~ 7.8-8.8 g/cm³) İnşaat makinelerinde ve madencilik ekipmanlarında tokluk ve aşınma direnci sağlayın.
Kimyasal ve Petrokimya İşleme: Kütle verimliliği ile korozyon direnci
Kimyasal bitkilerde ve rafinerilerde, Nikel alaşımları direnmeli aşındırıcı asitler, alkaliler, ve yüksek basınçlı gazlar:
- Moli 400 (8.80 g/cm³): Mükemmel korozyon direnci nedeniyle deniz boru hatları ve deniz suyu işleme için seçildi.
- Hastelloy C Serisi (~ 8.9 g/cm³): Asit işleme reaktörlerinde kullanılır, Yoğunluk korozyon direncine ve mekanik bütünlüğe karşı dengeli.
Yoğunluk sadece etkiler değil mekanik güç ama aynı zamanda termal iletkenlik Ve Isı Transferi Verimliliği, her ikisi de kimyasal reaktörlerde kritik.
Döküm, Dövme, ve katkı üretimi: Katılaşmayı kontrol etmek
Termal işleme sırasında nikelin yoğunluk davranışı, üretim sonuçlarını doğrudan etkiler:
- Döküm: Erime üzerine yoğunluk azalması (8.908 → ~ 8.70 g/cm³) önlemek için hesaba katılmalı büzülme gözenekliliği kalıplarda.
- Dövme ve Kalça (Sıcak izostatik presleme): Uygulanan basınç, nikel alaşımlarını yoğunlaştırır, Boşlukları kapatmak ve mekanik mukavemeti arttırmak.
- Katkı maddesi üretimi (Ben): Toz yatak füzyonu ve yönlendirilmiş enerji birikimi, öngörülebilir için tutarlı toz yoğunluğuna dayanır Akış, katman tekdüzeliği, ve son bölüm yoğunluğu.
Enerji ve nükleer uygulamalar: Yüksek yoğunluk bir fayda olduğunda
Bazı sektörlerde, Daha yüksek yoğunluk avantajlıdır:
- Nikel-tungsten alaşımları (~ 10.0 g/cm³): Nükleer reaktörlerde ve tıbbi görüntülemede radyasyon koruması sağlayın.
- Nikel bazlı anotlar ve katotlar: Yoğunluk, yakıt hücrelerinde ve elektrolizlerde mevcut verimliliği ve termal stabiliteyi etkiler.
6. Hızlı Referans Tablosu: Saf nikel ve yaygın alaşımlar
| Malzeme / Alaşım | Kompozisyon (Ana unsurlar) | Yoğunluk (g/cm³ @ 20 ° C) | Erime noktası (° C) | Anahtar Uygulamalar |
| Saf nikel (99.99%) | ≥99.99 | 8.908 | 1455 | Elektronik, termokupllar, elektrolizasyon |
| Ticari nikel (Seviye 200) | ≥99.0 + FE safsızlıkları | 8.85–8.90 | 1445–1455 | Kimyasal işleme ekipmanı, deniz donanımı |
| Moli 400 | ~% 65, 34% Cu, 1% Fe | 8.80 | 1350–1400 | Deniz mühendisliği, pompalar, ısı eşanjörleri |
| Mızmız 600 | ~% 72'si var, 14–17 CR, 6–10 Fe | 8.47 | 1354–1413 | Kimyasal işleme, Fırın Bileşenleri, nükleer reaktörler |
| Mızmız 625 | ~% 59, 21.5% CR, 9% Mo, 5% Fe | 8.44 | 1290–1350 | Havacılık türbinleri, nükleer reaktörler, kimyasal bitkiler |
| Waspaloy | ~% 58, 19% CR, 13% Ortak, 4% Mo, İle ilgili, Al | 8.19 | 1320–1380 | Jet motoru türbin diskleri, havacılık bağlantı elemanları |
Nimonic 80A |
~% 76, 20% CR, İle ilgili, Al | 8.19 | 1320–1385 | Gaz türbinleri, egzoz valfleri, yüksek sıcaklık yayları |
| Hastelloy x | ~% 47, 22% CR, 18.5% Fe, 9% Mo | 8.30 | 1260–1355 | Gaz türbini yanma odaları, yüksek sıcaklık kanalları |
| Hastelloy C-22 | ~% 56, 22% CR, 13% Mo, 3% W, Fe | 8.69 | 1350–1400 | Kimyasal reaktörler, yıkıcılar, kirlilik kontrolü |
| Hastelloy C-276 | ~% 57, 16% Mo, 15% CR, 5% Fe, W | 8.89 | 1325–1370 | Baca gazı yıkayıcılar, kimyasal işleme, kirlilik kontrolü |
| Incoloy 825 | ~% 42, 21.5% CR, 30–35 Fe, 3% Mo | 8.14 | 1385–1400 | Aside dirençli boru, deniz egzoz sistemleri |
| Nikel - (30% W) | ~% 70, 30% W | 10.0 | ~ 1455–1500 | Radyasyon koruması, Giyime dayanıklı parçalar |
| İstemek 36 | ~% 64 Fe, 36% İçinde | 8.05 | 1430–1440 | Hassas enstrümanlar, Düşük Termal Genişleme Uygulamaları |
7. Çözüm
Nikelin yoğunluğu, tasarımı etkileyen temel bir fiziksel mülktür, üretme, ve yüksek teknoloji endüstrilerindeki performans.
Saflık gibi faktörler, alaşım, sıcaklık, ve basınç küçük varyasyonlar yaratır, Ancak bu nüansları anlamak mühendisler ve maddi bilim adamları için kritik öneme sahiptir..
Nikelin yüksek yoğunluklu kombinasyonu, mekanik güç, ve termal esneklik onu havacılık ve uzayda vazgeçilmez kılar, kimyasal, enerji, ve elektronik sektörler.
SSS
Nikel şekli mi (katı vs. toz) yoğunluğunu etkilemek?
Evet. "Gerçek yoğunluk" (Nikelin kendisinin yoğunluğu) Katılar ve tozlar için aynı (Saf nikel için ~ 8.908 g/cm³), Ancak "toplu yoğunluk" (Toz yatağının kütle/hacmi) daha düşüktür (4–5 g/cm³) Parçacıklar arasındaki boşluklar nedeniyle.
Gaz piknometri gerçek yoğunluğu ölçer, Tap yoğunluğu toplu yoğunluğu ölçerken.
Soğuk çalışma nikelin yoğunluğunu nasıl etkiler??
Soğuk çalışma (Örn., yuvarlamak, dövme) Nikelin yoğunluğunu hafifçe arttırır (~% 0.1-0.2) kafes kusurlarını azaltarak (çıkık) ve boşlukların sıkıştırılması.
Örneğin, Soğuk haddelenmiş nikel ~ 8.92 g/cm³ yoğunluğa sahiptir, VS. 8.908 tavlanmış nikel için g/cm³.
Nikelin yoğunluğu diğer yaygın metallerden daha yüksek mi?
Evet. Nikel alüminyumdan daha yoğundur (2.70 g/cm³), ütü (7.87 g/cm³), ve titanyum (4.51 g/cm³) ama bakırdan daha az yoğun (8.96 g/cm³), pirinç (8.4–8.7 g/cm³), ve tungsten (19.3 g/cm³).
Nikeli sahte metallerden ayırmak için yoğunluk kullanılabilir?
Evet. Örneğin, nikel kaplı çelik (Yoğunluk ~ 7.9 g/cm³) saf nikelden daha düşük bir yoğunluğa sahiptir (8.908 g/cm³), Arşimetlerin Prensibini Sahte Tespit etmenin Basit Bir Yolu Yapması (Örn., Sahte Nikel Paraları).
Uzayda nikel yoğunluğu nedir (vakum, aşırı sıcaklık)?
Vakumda, Yoğunluk etkilenmez (Sadece sıcaklık ve basınç önemli). Kriyojenik sıcaklıklarda (-200° C), Nikelin yoğunluğu ~ 8,95 g/cm³ (Kafes kasılması nedeniyle).
Mikrogravity'de, Archimedes prensibi ile yoğunluk ölçümü imkansız, Yani xrd bunun yerine kullanılır.
