نیکل

nickel

 

نیکل و آلیاژهای مشتق از آن سهم بسیار مهمی در تامین نیازهای صنعت، به ویژه در صنایع فولادسازی، دارند. ویژگی‌های شیمیایی و مکانیکی این فلز، نقش بارزی را در مصارف روزانه، از جمله ساخت باتری‌ها، و صنایع بزرگ‌تر نظیر فولادسازی، ایفا می‌کند.

نیکل یک عنصر شیمیایی با علامت شیمیایی Ni و عدد اتمی 28 است. این عنصر به صورت طبیعی در پوسته‌ی زمین وجود دارد و به عنوان یک فلز انتقالی در دسته‌ی دوم جدول تناوبی قرار دارد. نیکل به شکل خاصی در مواد معدنی مانند پنبه‌نیکل و نیکل‌های فله‌ای یافت می‌شود.

ویژگی‌های نیکل شامل مقاومت در برابر خوردگی، قابلیت الکتریکی و حرارتی خوب، سختی و استحکام مکانیکی مناسب می‌شوند. این ویژگی‌ها باعث استفاده گسترده از نیکل در صنایع مختلف شده است. به عنوان مثال، نیکل بخش مهمی از آلیاژهای استفاده شده در تولید فولادهای ضدزنگ و سایر آلیاژهای مقاوم به خوردگی را تشکیل می‌دهد. همچنین، نیکل در تولید باتری‌ها، سکه‌ها، و ابزارهای الکتریکی نیز کاربرد دارد.

تاریخچه استفاده از نیکل

تاریخچه استفاده از نیکل به گذشته‌های دور باز می‌گردد. در طول تاریخ، انسان‌ها از نیکل به عنوان یک فلز مفید و ارزشمند بهره برده‌اند. در زیر به مروری بر تاریخچه استفاده از نیکل می‌پردازیم:

 

قرون وسطی :

 

در قرون وسطی، نیکل به عنوان یک فلز کمیاب و ارزشمند شناخته می‌شد. از آن به عنوان مواد تزئینی در ساخت جواهرات و اشیاء هنری استفاده می‌شد. امپراتوری بیزانس به عنوان یکی از مهمترین تولیدکنندگان نیکل در این دوره معروف بود.

 

قرن 17 و 18 :

در این دوره، نیکل به عنوان یک فلز مقاوم به خوردگی شناخته شد. به همین دلیل، در تولید سفینه‌ها و ابزارهای دریایی برای جلوگیری از خوردگی از نیکل استفاده می‌شد.

 

قرن 19 :

استفاده از نیکل در صنایع مختلف به ویژه در تولید فلزات ضدزنگ، آلیاژها و سکه‌ها گسترش یافت. به دلیل مقاومت به خوردگی، نیکل به تدریج جایگزین بسیاری از فلزات دیگر در صنعت‌های مختلف شد.

 

قرن 20 :

در قرن بیستم، با پیدایش فناوری‌های جدید، استفاده از نیکل در صنایع الکترونیک، باتری‌ها، طلاسازی، و فناوری‌های نوین دیگر گسترش یافت. همچنین، نیکل به عنوان یک کاتالیزور در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی نیز مورد استفاده قرار گرفت.

 

در حال حاضر :

امروزه، نیکل به عنوان یکی از فلزات مهم و گسترده استفاده شده در صنایع مختلف شناخته می‌شود. از جمله کاربردها، می‌توان به تولید فولاد ضدزنگ، باتری‌ها، سکه‌ها، الکترونیک، و صنایع هوافضا اشاره کرد.

 

برخی از ویژگی‌های منحصر به فرد نیکل عبارتند از:

• ساختار بلوری و براق
• مقاومت بالا و سختی
• عایق الکتریکی ممتاز
• مقاومت حرارتی بسیار بالا
• کاربرد اصلی نیکل در تولید فولادهای ضدزنگ
• استفاده گسترده در صنعت باتری‌سازی
• شکل‌پذیری فوق‌العاده، مقاومت در برابر اکسایش و خوردگی
• سازگاری بسیار خوب با سایر فلزات، علاوه بر ویژگی‌های بی‌نظیرش.

همچنین، نیکل به عنوان یک عنصر شکل‌پذیر و مقاوم، در تولید انواع آلیاژها نیز به‌کار می‌رود. در ادامه، با انواع آلیاژهای نیکل و خصوصیات آنها، همچنین کاربردهای بیشتر آشنا خواهیم شد.

 

فرایند استخراج

فرایند استخراج نیکل اغلب از معدن‌های سولفیده نیکل انجام می‌شود. مهمترین منابع نیکل شامل معادن نیکل سولفیده مانند پنبه‌نیکل و نیکل ماتیت (nickel matte) هستند. یکی از روش‌های استخراج نیکل، فرآیند پیرومتالورژیک است که باعث تبدیل مواد معدنی نیکل به فلز نیکل می‌شود. در زیر، مراحل اصلی این فرآیند توضیح داده شده است:

 

استخراج از معدن :

معدن‌های نیکل برای استخراج از آن‌ها به‌طور ابتدایی باید استخراج شوند. این مرحله شامل حفر و خرد کردن معدن، سپس انجام فرآیند تفکیک و استخراج نیکل از سنگ معدنی است.

 

سولفیده‌سازی :

معدن نیکل به‌طور معمول حاوی ترکیبات سولفیده نیکل است. برای تهیه مواد خام قابل استفاده در فرآیند پیرومتالورژی، ابتدا نیاز به تبدیل نیکل به ترکیبات سولفیده دارد. این مرحله با استفاده از فرآیند‌های شیمیایی انجام می‌شود.

 

پیش‌آهنگ :

پس از سولفیده‌سازی، مواد خام به نام پیش‌آهنگ (nickel concentrate) حاصل می‌شود. این مرحله شامل خشک‌کردن و آسیاب کردن مواد است.

پیش‌پردازش :

در این مرحله، پیش‌آهنگ به‌طور کامل پردازش می‌شود تا مواد خامی با ترکیبات خاص به‌دست آید که مناسب برای فرآیند پیرومتالورژی باشد.

 

پیرومتالورژی :

در این مرحله، مواد خام نیکل به همراه یک ماده‌ای به نام فلوکس (معمولاً کربنات سدیم) به کوره‌های باز (فورنیسز) می‌روند. در دماهای بسیار بالا، تبدیل به فلز نیکل انجام می‌شود. این فرآیند به نام کاستینگ نیکل (nickel smelting) نیز شناخته می‌شود.

 

جدا سازی و تصفیه :

فلز نیکل حاصل از فرآیند پیرومتالورژی در مراحل بعدی از طریق جداسازی و تصفیه دقیق‌تر می‌شود تا به خلوص مطلوبی برسد. این مرحله شامل استفاده از فرآیندهای انحلالی و تصفیه الکترولیتیک (Electrolytic Refining) می‌شود.

 

فراوری و استفاده :

پس از تصفیه نهایی، فلز نیکل به شکل کاتدهای الکترولیتی یا به صورت خمیر نیکل به بازار عرضه می‌شود و در صنایع مختلف از جمله فولادسازی، صنایع الکترونیک و باتری‌سازی استفاده می‌شود.

 

آلیاژهای نیکل (Nickel Alloys)

• نیکل خالص گستردۀ وسیعی از کاربردها را در صنایع گوناگون مانند غذایی، شیمیایی، تجهیزات هوافضا، قطعات الکتریکی، لوله‌های حمل مواد، مبدل‌های حرارتی و… دارد؛

اما به منظور بهبود خواص و افزایش عملکرد، از انواع آلیاژهای نیکل در برخی از کاربردها استفاده می‌شود.

 

آلیاژهای نیکل-آهن

آلیاژ نیکل-آهن از مهم‌ترین آلیاژهای نیکل محسوب می‌شود که اهمیت ویژه‌ای در صنعت و مهندسی مواد دارد. این آلیاژها دارای خواص مغناطیسی و حرارتی بسیار برجسته هستند.
درصد آهن در این آلیاژها به ترتیب به صورت زیر است:

• 64 درصد
• 58 درصد
• 52 درصد

هر یک از این درصدها، خواص خاص و منحصر به فردی را برای آلیاژهای نیکل-آهن به ارمغان می‌آورد.

 

آلیاژهای نیکل-مس

نیکل و مس به خوبی با یکدیگر سازگار هستند و می‌توانند با هر نسبتی با یکدیگر ترکیب شوند. مهم‌ترین آلیاژهای نیکل-مس عبارتند از:

 

• مونل :

آلیاژ مونل از 67 درصد نیکل و 33 درصد مس تشکیل شده است. این آلیاژ با استحکام بالا، قابلیت جوشکاری بسیار خوب، و مقاومت بسیار خوب به خوردگی شناخته می‌شود. از آن در گستره وسیعی از دماها به خوبی قابل استفاده است.

 

• کنستانتان :

آلیاژ کنستانتان شامل 45 درصد نیکل و 55 درصد مس است. این آلیاژ به عنوان یک هادی بسیار خوب برای الکتریسیته شناخته می‌شود و مقاومت آن در برابر تغییرات دما تغییری نمی‌کند.

 

• مس-نیکل-روی :

این آلیاژ از 60 درصد مس، 20 درصد نیکل و 20 درصد روی ساخته شده است. به آن با نام عامیانه “ورشو” نیز اطلاق می‌شود که در ساخت ظروف قدیمی از آن استفاده می‌شد. همچنین، با نام نقره نیکلی نیز شناخته می‌شود.

 

 

آلیاژهای نیکل-کروم

کروم یکی از مهم‌ترین عناصری است که با نیکل آلیاژ می‌شود. مهم‌ترین خواص این دسته از آلیاژهای نیکل شامل مقاومت به خوردگی و مقاومت حرارتی نسبتاً بالا می‌باشد. باید توجه داشت که در برخی از این نوع آلیاژها از آهن و مالبیدن نیز بهره گرفته می‌شود. این آلیاژها در محیط‌های خورنده کاربرد بسیار زیادی دارند.

 

 

سوپر آلیاژها

سوپر آلیاژها دارای مقاومت حرارتی بسیار بالا هستند و در دماهای بالا توانایی حفظ شکل خود را دارند. این آلیاژها همچنین مقاومت فوق‌العاده به خوردگی، اکسیداسیون، خزش و شکست را از خود نشان می‌دهند. سوپر آلیاژها با پایه سه فلز زیر تولید و دسته‌بندی می‌شوند:

• نیکل
• نیکل-آهن
• کبالت

از این آلیاژها در تولید توربین‌ها، موتورهای جت و هواپیما، و صنایع شیمیایی استفاده می‌شود. ویژگی برجسته‌ترین این آلیاژها، توانایی استفاده در دماهای بسیار بالا و تحت تنش است.

 

کاربرد آلیاژهای نیکل :

 

حمل و نقل فضایی :

قطعات راکت، جت و هواپیما از آلیاژهای نیکل به دلیل مقاومت در برابر شرایط دما و فشار بالا استفاده می‌کنند.

 

صنایع شیمیایی :

پمپ‌ها، خنک‌کننده‌ها، پیچ و مهره از آلیاژهای نیکل در صنایع شیمیایی بهره می‌برند.

 

توربین‌های هواپیما :

دیسک، محفظه احتراق، و محورها از آلیاژهای نیکل در توربین‌های هواپیما استفاده می‌شوند.

 

نیروگاه‌های بخار:

تیغه‌ها و پیچ و مهره‌ها از آلیاژهای نیکل در نیروگاه‌های بخار استفاده می‌گردند.

 

موتورهای پیستونی :

دریچه‌های اگزوز و توربوشارژ از آلیاژهای نیکل در موتورهای پیستونی بهره می‌جویند.

 

وسایل پزشکی :

پروتزهای پزشکی، ابزار دندان‌پزشکی از آلیاژهای نیکل در صنعت پزشکی استفاده می‌شوند.

 

فلزکاری :

قالب‌های فلزی و ابزارهای فلزی از آلیاژهای نیکل در فلزکاری بهره می‌برند.

 

استفاده از آلیاژهای خاص نیکل :

 

آلیاژ با ضریب انبساط حرارتی پایین :

آلیاژ نیکل-آهن به دلیل ضریب انبساط حرارتی پایین خود (که ناشی از حضور نیکل در آلیاژ است)، در برخی از موارد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

آلیاژ مقاوم در برابر الکتریسیته :

آلیاژهای نیکل-مس و نیکل-کروم-آلومینیوم از این دسته از آلیاژها، به دلیل مقاومت در برابر الکتریسیته، در تولید تجهیزات و ابزارآلات کنترلی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

 

آلیاژهای نرم مغناطیسی :

آلیاژهایی که درصد بالایی از نیکل را در ساختارشان دارند، دارای نفوذپذیری مغناطیسی بالایی هستند. این آلیاژها در حسگرها، میکروفون‌ها و ضبط صوت‌ها کاربرد دارند.

 

آلیاژهای دارای حافظه :

آلیاژ نیکل-تیتانیوم از جمله آلیاژهای دارای حافظه است. این آلیاژها هنگامی که تحت تنش قرار می‌گیرند، بعد از برداشتن تنش، به شکل اولیه خود بازمی‌گردند. از جمله کاربردهای این آلیاژها می‌توان به گیره‌های ارتوپدی، عضلات مصنوعی قلب و سیم‌های ارتودنسی اشاره کرد.