Ni

خواص و کاربرد عنصر نیکل (Ni) در فولادهای آلیاژی

نيکل Ni به عنوان عنصر آلياژي در فولاد بهمراه کروم استفاده مي شود. وزن اتمي آن ۵۹ بوده و در ۱۴۳۵ C ذوب مي شود.در حالت مذاب و جامد بهر نسبتي در آهن حل مي شود.نيکل عنصر آستنيت زا است و هيچگونه تاثيري در تشکيل کاربيد و اکسيد ندارد. به علت اينکه تمايل به ترکيب آن با کربن و اکسيژن کمتر از آهن است.

نيکل Ni سختي پذيري فولاد را افزايش مي دهد و در حدود ۰٫۲۵ تا ۵ درصد در ترکيب فولاد وجود دارد. نيکل چقرمگي شکست فولاد بهمراه استحکام و سختي آن را افزايش مي دهد. فلذا،در مواقعي که در دماهاي پايين به چقرمگي شکست بالاي نياز باشد درصد آن تا ۹ نيز مي توان باشد.در فولادهاي زنگ نزن آستنيتي۷ تا ۳۵ درصد نيکل وجود دارد.در اين فولادها براي خنثي کردن اثر فريت زايي کروم از نيکل بهره مي گيرند.فولادهاي با ۳۰ – ۴۰ % نيکل ،آلياژ Invar ناميده مي شوند که انقباض و انبساط بسيار کمتري دارند.

نيکل Ni خودبخود باعث افزايش مقاومت خوردگي مي شود. در درصدهاي بالاتر از ۷% باعث آستنيتي شدن فولادهاي مقاوم در برابر مواد شيميايي تا دماهاي خيلي زياد مي شود . در دماهاي بالاي ۶۰۰ C استحکام فولادهاي آستنيتي بيشتر مي شود.

نيکل Ni  بهر نسبتي در آهن گاما حل مي شود وفقط ۱۰ درصد در آهن آلفا قابل حل است.با تشکيل محلول جامد هنگام افزودن نيکل ، فريت را چقرمه کرده و استحکام مي بخشد و تا حدي سختي پذيري آستنيت را زياد مي کند.در مقادير کربن زياد، نيکل سعي مي کند که در آستنيت باقي بماند.

از آنجاييکه نيکل در کاهش دماي تبديل گاما به آلفا بسيار موثر است، اين محلول جامد تا دماي اتاق آستنيتي باقي مانده و بالاخص اگر درصد نيکل بيشتر از ۳۰% باشد ديگر نرخ سرد کردن تاثير چنداني نخواهد داشت.

نيکل Ni کاربيد ساز نيست و در فولاد بصورت فاز محلول جامد مي باشد.نرخ ديفوزيون کربن در محلول جامد در حضور نيکل چندان تحت تاثير درصد نيکل نيست ولي در صورت وجود کربن در محلول جامد، نرخ ديفوزيون نيکل در آن بسيار کند خواهد بود.تاثير نيکل بر استحاله آستنيتي در محدوده دماي بينيت موثر تر از دماي تشکيل پرليت است.از اينرو، تاثير نيکل بر اساس اثر آن بر فريت و نحوه تشکيل و توزيع فاز کاربيدي سنجيده مي شود.

براي افزايش استحکام و سختي بدون کاهش قابل ملاحظه داکتيليتي فولادهاي کم کربن معيني، تا ۵ درصد نيکل اضافه مي شود.ساختار پرليت کم کربن ريز بوده چون نيکل کربن يوتکتوئيد را مي کاهد و در مقادير ۳-۵ % Ni با آرام سرد کردن از دماي آستنيته، فريت نيکل دار تشکيل مي شود.در فولادهاي با نيکل بالاتر از ۵ % بدليل حضور مارتنزيت ، امکان تردي فولادهاي آرام سرد شده نيز وجود دارد.فولادهاي با ۱۵-۲۰ % Ni کاملا مارتنزتي بوده که در سيستم هاي آهن – نيکل ، بيشترين سختي ۳۰۰ HB را دارد.با افزايش نيکل از اين مقدار، آستنيت ظاهر شده و سختي کاهش مي يابد.

فولادهاي نيکل Ni دار همانند ساير فولادهاي آلياژي بعد از آبکاري و برگشت به خواص مطلوبي مي رسند.فولادهاي ۳-۵ %Ni در دماهاي پايين تر از فولادهاي با کربن مشابه بخوبي آبکاري مي شوند چراکه نيکل دماي استحاله يوتکتوئيد را مي کاهد.علاوه بر آن کاربيدهاي کمپلکسي در اين فولادها تشکيل نمي شود فلذا زمان همدمايي کوتاهتر خواهد شد.بدليل کاهش احتمال دکربوريزاسيون و اعوجاج مي توان از دماي بالا و قابل قبول استفاده کرد تا ترکيب عالي از مقاومت ضربه خوب و داکتيليتي و ازدياد استحکام بدست آيد.

فولادهاي سختي سطحي شونده کم کربن اغلب داراي تا ۳% نيکل هستند.در چنين فولادي ، سطح چقرمه ولي محکم همراه با خواص قابل قبول در مرکز بوجود مي آيد.نيکل با کاهش دماي استحاله،و يکسان کردن دماي سطح و مرکز، اعوجاج را مي کاهد.نيکل نرخ ديفوزيون کربن را مي کاهد.بنابر اين در فرآيند کربوريزاسيون،به زمان زيادي نياز است.افزودن ۱ درصد کروم به ترکيب فولاد،از ديفوزيون آرام کربن جلوگيري مي کند . ولي بايد دقت کرد که کروم زياد تردي سطح را زياد مي کندو در نتيجه امکان کنده شدن پوست Scaling بيشتر مي شود.

افزودن نيکل Ni به فولادهاي کم کربن سبب افزايش مقاومت ضربه در دماهاي کـــم مي شود.فولاد نرمــــــــال شده با ترکـــيب ۰٫۱ % C,3 % Ni انرژي ضربه ۴۰-۵۰ ft.Ib در دماي -۷۵ C دارد در حاليکه انرژي ضربه همان فولاد بدون نيکل با همان درصد کربن ۱۰ ft.ib است.چنين فولادهاي نيکل داري از قابليت بالاي جوشکاري برخوردار هستند.فولاد کم کربن با ۹ درصد نيکل براي فلز جوش استفاده مي شود که نياز به انرژي ضربه خوب در دماهاي پايين است.نيکل مقاومت خوردگي اتمسفري اين فولادها را افزايش مي دهد.

اگر چه فولادهاي نيکلي استفاه وسيعي دارند، معهذا براي بهبود و حصول به خواص فيزيکي و مکانيکي مورد نظر درصدي از کروم يا موليبدن نيز به ترکيب اضافه مي شود.اين درصد ناچيز از عناصر فوق سختي پذيري فولاد را افزايش مي دهد و به تبع آن استحکام بالا و مقاومت سايشي زياد همراه با همان چقرمگي بدست مي آيد.فولادي از اين نوع را مي توان ۱-۴ % Ni, up to 1.5 % Cr و اغلب تا ۰٫۵ % Mo براي کاهش حساسيت تردي آبي مثال زد.

در فولادهاي نيتريدي استاندارد کروم- موليبدن- آلومينيوم مقدارن نيکل تا ۳٫۵ درصد است و دراين فرآيند نيتريداسيون، ترکيب هاي بين فلزي نيکل- کروم تشکيل مي شود. سطح بسيار سخت شده ولي رسوب سختي مرکز استحــــــکام تسليـــــم را به اندازه ۲۰ ton/ in2 افزايش مي دهد.

آلياژهاي مغناطيس دايم از نوع Alnico داراي نيکل از ۱۱ تا ۳۲ درصد هستند.در توربينهاي گازي و در مصارفي که نياز به استحکام بالا در دماهاي بالا مي باشند، آلياژهاي نيکل- آهن ، سري Inconel, Nimanic, بکار مي روند.آلياژهاي نيکل – آهن ۳۵-۹۵ درصد نيکل داشته و از نفوذ خواص مغناطيسي بسيار بالايي برخورداند و در مصارف الکتريکي استفاده ميشوند.ساير آلياژهاي آستنيتي نيکل – آهن در موارد معيني بکار مي روند. به عنوان مثال، Invar که تقريبا ۳۶ % Ni دارد، انبساط ناچيزي در محدوده وسيعي از درجه حرارت دارد فلذا در فنر ها کاربرد زيادي خواهند داشت.عليرغم ساختار آستنيتي پايدارآلياژ ۳۰ درصد نيکل-کروم، تغييرات نفوذ مغناطيس در نزديکي دماي اتاق امکان دستيابي به نفوذ مغناطيس متغير با تغيير دما را فراهم مي آورد.مقاومت هاي تشعشعي الکتريکي از آلياژهاي نيکل- کروم يا نيکل – آهن مي باشند که مقاومت اکسيداسيون عالي در دماهاي بالا دارند.

نيکل با چدن در هر نسبتي آلياژ تشکيل مي دهد.در چدنها، نيکل گرافيت زاي متوسطي بوده و درصد پرليت را زياد مي کند و مقدار فريت آزاد را مي کاهد.فلذا يکنواختي ساختار و خواص را بيشتر مي کند.از اينرو چدنهاي آلياژي با نيکل ، خواص و ساختار يکنواخت تري در مقاطع نازک و ضخيم از خود نشان مي دهد.

افزودن مقادير کمي از نيکل ۰٫۱- ۱ % پرليت را اصلاح مي کندو اگر مقدار زيادي اضافه شود، ساختار مارتنزيت و آستنيت در ريزساختار ظاهر مي شود.از طرفي اصلاح و پايدارسازي پرليت قابليت ماشينکاري چدنها را افزوده و سختي پذيري آنها را زياد مي کند.بهمين دليل است که چدنهاي آلياژي نيکل دار بيشتر در ريختگي هاي موتور ماشين کاربرد دارد.

افزودن مقدار کمي از نيکل Ni اثري حدود يک سوم اثر سيليس بر گرافيت زايي داردو بنابراين، اگر در چدنهاي آلياژي نيکل دار بخواهيم پديده گرافيت زايي را محدود کنيم بايد درصد سيليس را کمتر کنيم که عملا چنين کاري در اکثر موارد عملي نيست. براي اين منظور، کروم به ترکيب اضافه مي شود.

Ni Resist چدن پرنيکلي است که نيکل و مس به حد کافي در آن است تا که ساختار آستنيتي پايدار باشد و بتوان به خواص فيزيکي و مکانيکي مورد نظر دست يافت.اين چدن بالاخص در محلولهاي متوسط مقاومت خوردگي خوب داشته و مقاومت حرارتي در دماهاي پايين بهتر شده اي داردوNicrosilal چدن آستنيتي نيکل داري است که مقاومت حرارتي زيادي در دماهاي بالا دارد.

Ni Hard چدن سفيد مقاوم به سايشي است که نيکل کافي داشته تا ساختار مارتنزيتي را در شرايط بعد از ريختگي ارتقاء دهد. اگر درصد نيکل زياد شود، احتمال وجود آستنيت باقي مانده نيز زياد خواهد شد.