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.

 نیکل

nickel

 

بهتر است اول یک توضیح مختصر راجب نیکل بدهیم :

نیکل یک عنصر شیمیایی با نماد Ni و عدد اتمی 28 است. این عنصر در جدول تناوبی در گروه 10 و دوره 4 قرار دارد. نیکل یک فلز متوسط‌شدت است و خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه‌ای دارد که از آن در مختلف صنایع استفاده می‌شود.

 

ویژگی‌های نیکل :

 

مقاومت به زنگ زدگی : نیکل به‌طور طبیعی مقاوم به زنگ زدگی است، که به این معناست که در معرض هوا و رطوبت، لایه‌ای از اکسید نیکل تشکیل می‌شود که از ایجاد خوردگی جلوگیری می‌کند.

 

خواص مغناطیسی : نیکل یک فلز مغناطیسی است و در مواردی می‌توان از آن به‌عنوان یک مغناطیس استفاده کرد.

 

خواص الکتروشیمیایی : نیکل به‌طور گسترده در تولید باطری‌ها و سلول‌های الکتروشیمیایی استفاده می‌شود. این خواص الکتروشیمیایی باعث می‌شود نیکل به‌عنوان یک انتخاب مناسب در صنعت باطری باشد.

 

مقاومت در برابر خوردگی : نیکل به‌عنوان یک جزء اصلی در تشکیل آلیاژهای مقاوم به خوردگی مانند فولادهای ضدزنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

کاتالیزور : نیکل در برخی فرایندهای کاتالیتیک، به‌خصوص در فرآیندهای هیدروژناسیون، به‌کار می‌رود.

 

نیکل به‌طور گسترده در صنایع مختلف مانند تولید فولاد، صنایع الکترونیک، باطری‌سازی، صنایع آبکاری، و صنایع شیمیایی استفاده می‌شود.

 

کاربرد نیکل در صنایع

ویژگی‌های شیمیایی و فیزیکی استثنایی نیکل باعث شده است که در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار گیرد.
در زیر، برخی از کاربردهای نیکل در صنایع مختلف آورده شده است:

 

صنایع تولید استیل :

حدود 65% از مصرف جهانی نیکل به منظور ساخت فولادهای ضدزنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، 12 درصد از مقدار کل نیکل مصرفی برای تولید سوپر آلیاژها، از جمله آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی، مصرف می‌شود.

فولادهای ضدزنگ شامل :

میلگرد استیل 304

میلگرد استیل 316

میلگرد استیل 321

میلگرد استیل 410

میلگرد استیل 4057

میلگرد استیل 1.4923

میلگرد استیل نسوز 309

میلگرد استیل نسوز 310

میلگرد استیل 4PH-17

لوله استیل 304

لوله استیل 316

لوله استیل 321

لوله استیل نسوز 309

لوله استیل نسوز 310

ورق استیل 309

ورق استیل 304

ورق استیل 310

ورق استیل 316

ورق استیل 410

صنایع تولید باطری : نیکل به عنوان یک ماده کلیدی در تولید باطری‌ها به‌خصوص باطری‌های قابل شارژ مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ویژگی باعث مقاومت بالا و طولانی‌مدت باطری‌ها می‌شود.

ضرب سکه : به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و استحکام مکانیکی، نیکل در ساخت سکه‌ها و سکه‌های جشنی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

صنایع آبکاری کروم : در صنعت آبکاری کروم، نیکل به‌عنوان یک لایه حافظه از رویه کرومیوم برای افزودن خواص مانع از خوردگی و افزایش استحکام استفاده می‌شود.

صنایع دریایی و پروژه‌های شیرین‌سازی آب شور دریا : نیکل در ساخت قطعات دریایی، کشتی‌ها و در پروژه‌های شیرین‌سازی آب شور دریا به‌دلیل مقاومت بالا در محیط‌های کریساکوروزیون مورد استفاده قرار می‌گیرد.

باتری‌های قابل شارژ : نیکل در تولید باتری‌های قابل شارژ به‌دلیل خواص الکتروشیمیایی برجسته خود، به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد.

محصولات ریخته‌گری و ورق‌سازی : در صنایع ریخته‌گری و ورق‌سازی، نیکل به‌صورت آلیاژها و ورق‌ها برای تولید قطعات با استحکام و مقاومت مناسب به‌کار می‌رود.

ساخت وسایل آشپزخانه : به‌دلیل مقاومت در برابر زنگ زدگی و خوردگی، نیکل در ساخت وسایل آشپزخانه مانند ظروف و سرویس‌های غذایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

صنایع الکترونیک : نیکل در تولید اجزاء الکترونیکی به‌ویژه در ساخت قطعات الکتریکی با خواص مغناطیسی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

صنایع خودروسازی : در صنعت خودروسازی، نیکل در ساخت قطعات مقاوم در برابر خوردگی و مواد به‌کاررفته در ساخت وسایل نقلیه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ساخت آلیاژهای ویژه : نیکل به‌صورت آلیاژهای خاص مانند آلنیکو برای استفاده در آهن‌ربا و دیگر کاربردهای ویژه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کاتالیزور برای هیدروژن‌دار کردن روغن‌های گیاهی : نیکل به‌عنوان یک کاتالیزور در فرایند هیدروژن‌دار کردن روغن‌های گیاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

استفاده از آلیاژ نیکل – آهن در چارچوب‌های سربی : آلیاژهای نیکل – آهن در ساخت چارچوب‌های سربی به‌منظور افزایش استحکام و مقاومت در برابر فشار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سیم‌های هوشمند و آلیاژهای حافظه‌دار : نیکل در تولید سیم‌های هوشمند و آلیاژهای حافظه‌دار که در ربات‌ها و دستگاه‌های مخابراتی به‌کار می‌روند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

صنایع آبکاری : در صنایع آبکاری، نیکل به‌عنوان یک پوشش مقاوم به زنگ زدگی در ساخت قطعات مختلف مورد استفاده قرار میگیرد.

این مصارف نشان از اهمیت نیکل در تولید فولادهای با عمر طولانی و مقاوم در برابر زنگ زدگی و خوردگی دارد.

 

ترکیبات شیمیایی

ترکیبات شیمیایی نیکل شامل اکسیدها، سولفیدها، هیدراژیدها و آلیاژهایی با دیگر عناصر می‌شوند. در زیر چند ترکیب شیمیایی نیکل ذکر شده است:

 

اکسید نیکل (II) :

فرمول : NiO

این ترکیب یکی از اکسیدهای اساسی نیکل است و به‌عنوان یک فراورده شیمیایی مهم مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 

سولفید نیکل (II) :

فرمول : NiS

این ترکیب به‌عنوان یکی از ترکیبات سولفید نیکل مورد استفاده در صنایع مختلف مانند فرآیند استخراج نیکل است.

 

کربنات نیکل (II) :

فرمول : NiCO3

این ترکیب به‌عنوان یک نمک کربنات نیکل استفاده می‌شود و در برخی فرآیندهای شیمیایی نقش دارد.

 

نیکل کلرید :

فرمول : NiCl2

این ترکیب به‌عنوان یک نمک آنیونی نیکل در فرآیندهای شیمیایی استفاده می‌شود.

 

هیدراژید نیکل :

فرمول : NiH2

ترکیبات هیدراژیدی نیز می‌توانند با نیکل تشکیل شوند.

 

آلیاژهای نیکل با دیگر فلزات :

نیکل به‌عنوان عنصر اصلی در آلیاژهای مهمی مانند استیل نیکل (در فولادهای ضدزنگ)، نیکل-تیتانیوم (برای مقاومت در محیط‌های خاص)، و آلنیکو (برای کاربردهای مغناطیسی) استفاده می‌شود.

این ترکیبات و آلیاژها از تنوع استفاده نیکل در صنایع مختلف و تولید مواد مختلف نشان می‌دهند.

 

خواص مکانیکی نیکل

خواص مکانیکی نیکل به ویژگی‌هایی اشاره دارد که این فلز در پاسخ به نیروها و تنش‌های مکانیکی عمل می‌کند. در زیر، تعدادی از خواص مکانیکی نیکل آورده شده‌اند :

 

مقاومت به خمش و کشش :

نیکل دارای مقاومت خوبی در برابر نیروهای خمش و کشش است. این ویژگی اهمیت زیادی در صنایع مختلف از جمله صنایع خودروسازی، هوافضا و صنعت ساخت‌وساز دارد.

 

مقاومت به خستگی :

نیکل به‌خصوص در آلیاژهای مختلف، مقاومت خوبی در برابر تنش‌های مکانیکی متغیر و تکراری دارد. این ویژگی در کاربردهایی که تحت تنش‌های مکانیکی متغیر قرار می‌گیرند، مانند قطعات مکانیکی در حالت حرکت، حائز اهمیت است.

 

سختی :

نیکل به‌طور عمومی دارای سختی مناسبی است که به تولید قطعات سخت و مقاوم می‌تواند کمک کند. این ویژگی مهم در تولید ابزارهای سخت و قطعات دیگر است.

 

مقاومت در برابر خوردگی :

خواص مقاومت به زنگ زدگی و خوردگی نیکل باعث می‌شود که در بسیاری از کاربردها که در معرض عوامل خوردگی قرار دارد، مثل صنایع آبکاری و تولید فولادهای ضدزنگ، کاربرد داشته باشد.

 

تاثیرات حرارتی :

نیکل مقاومت حرارتی خوبی دارد و می‌تواند در دماهای بالا و تحت شرایط حرارتی خاص عمل کند. این ویژگی در صنایعی که نیاز به مقاومت در برابر دماهای بالا دارند، از اهمیت بالایی برخوردار است.

 

رفتار الاستیک :

نیکل به‌طور کلی رفتار الاستیک مناسبی دارد که به این معناست که پس از اعمال نیروهای مکانیکی، به حالت اولیه خود باز می‌گردد. این ویژگی در تولید اجزاء دقیق و قطعاتی که نیاز به استحکام و استحکام الاستیک دارند، حائز اهمیت است.

 

مقاومت به تغییر شکل :

نیکل در برابر تغییرات شکل به‌خصوص در دماهای مختلف، مقاوم است. این ویژگی در صنایعی که تحت تغییرات دمایی قرار دارند، مانند صنایع الکترونیک، اهمیت دارد.

ترکیب این خواص مکانیکی نیکل با ویژگی‌های دیگر این عنصر، از جمله زنگ‌زدگی کم و مقاومت در برابر خوردگی، نیکل را به یک فلز متعدد الزمانه با کاربردهای گسترده در صنایع مختلف تبدیل کرده است.