مصارف مهم نیکل

مقدمه:
با توجه به رشد روز افزون بازار توربين هاي گازي در سطح دنيا ونياز به تعميرات قطعات توربينها باعث شد تا صنعت تعميرات به صورت جدي واصولي در ايران پي گيري شود و چون تعميرات قطعات داغ توربين ها كه جنس آنها از سوپر آلياژها مي باشند با مشكلاتي همراه مي‌باشد ويك سري دستورالعمل خاص خود را مي طلبد كه بايد با روشهاي استاندارد وكنترل شده اي تعميرات روي آنها صورت گيرد كه فعلا در ايران در شركت قطعات توربين شهريار به روش جوشكاري TiG انجام مي گيرد كه در آينده پيش بيني مي شود از پروسه جوشكاري ليزر نيز استفاده گردد.

در تمام سوپر آلياژهاي در توليد با مشكلاتي مواجه مي باشيم كه نياز را براي تعميرات ضروري نمود از آن جمله سوپر آلياژ IN738 مي‌باشد كه در اين پروژه به نكات مهم در جوشكاري اين سوپر آلياژ پرداخته ايم.

فصل اول
۱- مصارف مهم نيكل عبارتند از:
تهيه فولادهاي ضدزنگ، آلياژهاي ويژه (آلياژ نقره و نيكل جهت ساخت لوازم خانگي)، آب كاري كروم و ضرب مسكوك و نمك هاي نيكل مصارف شيميايي داشته و در برخي باتري ها كاربرد دارد.

۲- تهيه فولادهاي نيكلي ضدزنگ و آلياژها:
در حدود ۶۵% نيكل مصرف شده در جهان غرب براي ساخت فولاد ضد زنگ Austenitic استفاده شده است و ۱۲% براي سوپرآلياژها (آلياژهاي مقاوم در برابر خوردگي مانند آلياژ نقره آلماني كه شامل آلياژ- Ni- Zn-Cu مي‌باشد) استفاده مي شود. فولاد نيكل براي صفحات حفاظتي (دفاعي) و گار صندوق هاي ضد سرقت استفاده مي شود.

اهميت نيكل در توانايي و قابليت هاي آن نهفته است كه به هنگام تركيب با ديگر عناصر براي ساختن آلياژ، مقاومت و استحكام فلز و نيز مقاومت در برابر خوردگي آن را در بازه گسترده اي از دما، افزايش مي‌دهد. اين فلز در صنعت آهن و فولاد ضروري است و آلياژهاي نيكل دار نقش كليدي را در توسعه مواد مورد نظر در صنايع هوافضا ايفا مي كنند. توليد ساليانه اين فلز از ۱۰۳*۲۰ تن در سال ۱۹۲۰ تا ۱۰۳*۷۵۰ در سال ۱۹۷۶ افزايش يافته است كه بطور متوسط ساليانه رشدي برابر با ۳% داشته است. اما، در بين سالهاي ۱۹۷۶ تا ۱۹۸۶ هيچ تغيير محسوسي در توليد يا مصرف اين فلز رخ نداده است و مصرف جهاني نيكل در سالهاي ۱۹۸۱ و ۱۹۸۲ كاهش يافته و به ۶۵۰۰۰۰ تن در سال رسيده است. ذخيره تعيين شده نيكل بيش از مقدار مورد نياز است و ميتواند براي سالهاي متمادي همين سقف توليد را داشت.

توليد استيل بيش از ۵۰ درصد نيكل را مصرف مي‌كند و آلياژهاي آهني و آلياژهاي مبتني بر پايه نيكل در مقام هاي بعدي مصرف نيكل جاي دارند. آبكاري تنها ۱۱% از نيكل توليدي را مورد استفاده قرار مي‌دهد. محصولات حاصل از آن عبارتند از استيل كه در ظرفشويي ها، لباسشويي ها، ظروف آشپزخانه و نيز بخش هاي آبكاري شده با نيكل براي دوچرخه،موتور سيكلت، جواهر آلات، فريم عينك، وسايل موسيقي كه نيكل توليدي را مصرف مي كنند. مقاومت بالاي استيل نيكل دار، وزن سبك آنها و هزينه نگهداري اندك آنها منجر به رشد فزاينده مصرف آنها در تانكرها و قطارها در زمينه ساخت و ساز و ماشين آلات شده است.

در دهه هفتاد، مصرف نيكل در صنايع خودرو سازي به شدت افت كرد كه به علت كاهش مصرف ميانگين آن در اتومبيل ها از ۲ كيلوگرم در سال ۱۹۷۰ به ۵/۰ كيلوگرم در سال ۱۹۸۵ بود. صنايع شيميايي چهارمين بازار بزرگ مصرف نيكل را دارد كه براي توليد استيل بكار مي رود.
صنعت ساخت و ساز، صنايع الكترونيك هر يك ۶% مصرف نيكل سال ۱۹۸۷ را به خود اختصاص دادند. مصرف استيل در ساختمان سازي رو به

افزايش است، زيرا در تجهيزات مربوط به به غذا و تجهيزات كنترل محيط زيست مصرف مي شوند نرخ رشد مصرف نيكل در صنايع الكترونيك بيش از ۱۰ درصد در سال است. آلياژ ۴۲، كه يك آلياژ- نيكل- آهن است، كاربرد فراواني در چهارچوبه هاي سربي دارد، حال آنكه، آلياژ مس- نيكل- قلع ۷۲۵۰۰ C، در فنرها، گيره كاغذ و پايانه ها مصرف مي شود.

امروزه آلياژهاي مس، نيكل با ۷۵ درصد مس و ۲۵ درصد نيكل كاربرد گسترده اي يافته اند، هرچند كه كانادا، هلند و جمهوري آفريقايي جنوبي هنوز از سكه هاي نيكل خالص استفاده مي كنند زيرا كه از دوام بيشتري برخوردار است.
در صنايع هوافضا، نيكل يك عنصر كليدي در ابر آلياژهاست كه در برابر تنش و خوردگي در دماي CO 1000 و بيشتر مقاومت مي‌كند. اين مواد در موتورهاي توربين گاز مورد استفاده قرار مي گيرند.

الف- انرژي الكتريكي و هسته اي:
در صنعت برق و توليد نيرو، استيل هاي نيكل دار كاربرد گسترده اي در نيروگاههاي هسته دارند و كاربرد روز افزوني در سيستم هاي زدايشگر براي زدايش دي اكسيد گوگرد از نيروگاههاي زغالي، نفتي و گازي دارند.

ب- كاتاليزور:
مواد شيميايي نيكل دار در توليد كاتاليزورهاي نيكل مصرف مي شوند كه در هيدروژنه كردن روغن نباتي، در تصفيه روغن هاي سنگين، تشديد كننده هاي سراميك و نمك نيكل در آبكاري بكار مي رود. نيكل در قطعات ريز تقسيم شده يك كاتاليزور براي نفت‌هاي هيدروژني است.

ج- حفاري:
مواد نيكل دار در صنعت نفت از سرمته حفاري تا لوله كشي و مخازن فرآوري طرح‌هاي پتروشيمي و ساخت سكوهاي نفتي دريايي ايفا مي كنند.

د- صنايع دريايي:
در صنايع دريايي، مواد نيكل دار در كشتي ها و پروژه هاي شيرين سازي آب شور دريا بكار مي روند.

هـ -كاربردهاي ديگر:
۲۳% باقي مانده مصرف در باتريهاي شارژ مجدد (مانند باتريهاي هيدريد فلزي نيكل و باتريهاي كادميوم نيكل)، كاتاليزورها، آزمايشگاه هاي شيميايي در بوته ها. محصولات شيميايي ديگر، ضرب سكه و ريخته گري و آبكاري الكتريكي تقسيم شده است.
نيكل خاصيت مغناطيسي دارد و مي تواند با مقادير زيادي كبالت همراه شود و اين دو در آهن متئوريتي يافت مي شوند. اين فلز نفوذپذيري مغناطيسي بالايي دارد و براي نشان دادن ميدان هاي مغناطيسي استفاده مي شود مانند آلياژ Alnico در مغناطيس استفاده مي شود.
ضرب سكه در ايالات متحده و كانادا كه نيكلي كه در ساخت سكه هاي سنتي استفاده مي شود nickles مي گويند.

۳- تاريخچه:
استفاده از نيكل مي تواند در بيشتر از (BC 3500 سال قبل از ميلاد) رديابي شود. برنز در جايي كه اكنون Syria نام دارد، محتواي نيكل بالاتر از ۲% نشان مي‌دهد.
در بيشتر نسخه هاي خطي چيني، مس سفيد مشاهده شده است كه در مشرق زمين بين ۱۴۰۰ تا ۱۷۰۰ است. اما از آن جايي كه كانسارهاي نيكل به آساني با كانسارهاي نقره اشتباه گرفته مي شود پس از درك اين فلز و زمانهاي استفاده از آن ضروري مي‌باشد.
كانه هاي حاوي نيكل مانند Kupfernickle نيكلين يا مس دروغين يا كاذب بود كه ارزش آن بخاطر شيشه رنگي سبز بود.
در سال ۱۷۵۱، Baron Axel Fredrik Crostedt تلاش نمود تا مس را از Kupfernickle استخراج نمايد (كه حالا نيكوليت ناميده مي شود) و در عوض يك فلز سفيد بدست مي آيد كه نيكل نام دارد. سكه نيكل اوليه فلز خالصي بود كه در سال ۱۸۸۱ ايجاد شد.

تصور مي شود كه نيكل از واژه “kupfer Nickle” گرفته شده باشد كه معدنكاران قرون وسطاي ساكسون به كاني اي كه به اشتباه آنرا كانه مس مي پنداشتند ولي نمي توانستند از آن مس استحصال كنند اطلاق مي شد ولي اين كاني آرسنيد نيكل يا نيكوليت (NiAs) بود.
براي نخستين بار، كاني شناس سوئدي اكسل كرونستد در سال ۱۷۵۱، نيكل را بصورت يك فلز جدا كرد كه اين عمل در حين مطالعه گرسدورفيت (NiAsS) معدن Los سوئد اتفاق افتاد. موقعيت نيكل بعنوان يك عنصر مستقل در سال ۱۷۷۵ توسط توربرن برگمان و همكارانش تأييد شد اما اين مسئله تا سال ۱۸۰۴ كه جرميس ريشتر يك نمونه نسبتاً خالص از فلز را بدست آورد و خواص آنرا توصيف كرد، بطور جدي مطرح نشده بود.

آلياژهاي نيكل دار را مدتها پيش از كرونستد بكار مي بردند. چيني ها براي سده هاي متمادي از مس سفيد (۴۰% مس، ۳۲% نيكل، ۲۵% روي و ۳% آهن) كه ظاهري نقره‌اي داشت، استفاده مي كردند. اين مواد در اواخر قرن هيجده به مقدار كمي در اروپا استفاده مي شود. بعلت بهاي آن كه بهاي نقره است، اين آلياژ توانايي بالقوه اي دارد تا جانشين نقره شود. تا دهه ۱۸۳۰، آلياژهاي مس، نيكل، روي كه بنام نقره آلماني شهرت داشتند و پس از آن آلياژ نيكل نقره در حد تجاري و كلان در آلمان و انگلستان به ميزان فراواني توليد مي شدند. علاوه بر رنگ نقره اي آن، قالبگيري و كار كردن آن ساده بود، در برابر هوازدگي مقاومت مي كرد و توليد اقتصادي بود. تغيير و ابداع

چشمگير بعدي در سال ۱۸۵۷ رخ داد كه در آن هنگام آمريكا سكه هاي مس، نيكل ضرب كرد (داراي ۱۲% نيكل) و ديگر كشورها از آن تقليد كردند.
در اواسط دهه ۱۸۰۰، نيكل به ميزان كمي از كانه هاي سولفيدي معادن آلمان، نروژ، سوئد و روسيه توليد مي شد. هر چند كه نيكل فلزي خالص براي نخستين بار در سال ۱۸۳۸ در آلمان توليد شد، توليد جهاني نيكل تا سال ۱۸۷۶ كمتر از ۱۰۰۰ تن در سال بود.

در فاصله سالهاي ۱۸۸۰-۱۸۷۰، وقتيكه پاركز، ماربو و رايلي كاربرد آنرا در تهيه آلياژ نشان دادند و فلايت مان موفق به تهيه نيكل چكش خوار شد و آبكاري با نيكل با موفقيت انجام شد، تقاضا براي نيكل به يكباره افزايش يافت. اولين ورق زره فولاد نيكل در سال ۱۸۸۵ در فرانسه و پس از مدت كوتاهي در ايتاليا، انگلستان و آمريكا ساخته شد. در اوايل ۱۸۹۰ خصوصيات مناسب فولادهاي نيكل در نيروي دريايي منجر به تقاضاي شديد براي نيكل شد.
در سال ۱۸۶۳، پير گارنير، كانه هاي اكسيد نيكل نيوكالدونيا را كشف كرد و از سال ۱۸۷۵ اين جزيره فرانسوي، بزرگترين توليد كننده نيكل شد كه تا سال ۱۹۰۵ كه جزء كانادا شد، اين مقام را همچنان حفظ كرد. استخراج كانه هاي سولفيدي حوضه سادبري در اونتاريوي كانادا از سال ۱۸۸۶ آغاز گشت و اين پيكره هاي معدني، مهمترين ذخيره‌هاي نيكل جهان را براي عرضه به بازارهاي جهاني براي زمان طولاني از قرن بيستم در اختيار داشتند. حتي در سال ۱۹۵۰، منطقه سادبري ۹۵% نيكل دنياي غرب را تأمين مي كرد. از آن زمان به بعد، جايگاه رفيع كانادا رو به افول نهاد و تا سال ۱۹۸۰، نيكل براي مدت طولاني در طول قرن بيستم از اين منطقه معدنكاري، ذوب و پالايش (خالص سازي) مي شد.
تا پايان جنگ جهاني اول، نيكل صرفاً براي مقاصد نظامي بكار مي رفت، اما پژوهش‌هاي فراوان بين دو جنگ جهاني، در زمينه استفاده هاي احتمالي صنعتي نيكل، به كار بردهاي نوين فراواني انجاميد. در دهه ۱۹۹۰، هزاران آلياژ نيكل مورد استفاده قرار مي گرفت كه ميزان نيكل آنها بين ۹۹% تا ۱% (براي سخت كردن فولاد) تغيير مي كرد.

۴- مشخصات:
تصور مي شود كه نيكل از واژه آلماني Kupfernickel به معناي مس سفيد گرفته شده است. نماد عنصر نيكل Ni بوده و با عدد اتمي ۲۸ مي‌باشد. نيكل بيستمين عنصر فراوان در پوسته زمين است و فراواني نيكل در پوسته زمين ۰۲۰/۰% مي‌باشد. نيكل فلز سفيد- نقره اي رنگي است كه داراي صيقل (جلا) است. اين فلز در گروه آهن بوده و سخت، قابل انعطاف و شكل پذير است.

 

۵- كاني هاي نيكل:
نيكل در طبيعت به طور خالص يافت نمي شود برخي كانيهاي نيكل دار موجود در معادن نيكل نسبتاً كمياب هستند و از اين ميان فقط پنتلانديت، گارنيريت و ليمونيت نيكل دار اهميت اقتصادي دارند. واژه گارنيريت را معمولاً به مخلوطي از سيليكاتهاي نيكل دار با ميزان متفاوتي از نيكل اطلاق مي كنند و مي تواند مخلوط كلوئيدي از سيليس و هيدروكسيد نيكل باشد. ليمونيت نيكل دار واژه اي است كه براي تعريف اكسيدهاي آهن نيكل دار اندكي متبلور شده بكار مي رود كه مهمترين جزء آنها گوتيت (Feo.OH-a) است.

پيروتيت جزء كانيهاي نيكل بحساب نمي آيد، چون كه يك سولفيد آهن است و نيكل در تركيب و ساختمان آن جايكاه مهمي را بخود اختصاص نمي دهد. تركيب پيروتيت كانسارهاي مختلف از Fes تا Fe7S8 تغيير مي‌كند. مقدار كمي نيكل ميتواند جانشين آهن شود و در نتيجه برخي پپروتيت ها را نيكل دار مي‌كند (بدون در نظر گرفتن ذرات احتمالي پنتلانديت كه ممكن است در بلور وجود داشته باشند.
• نيكل با آرسنيك تلفيق مي شود و كاني نيكوليت را به وجود مي آورد.
• نيكل با سولفور تلفيق مي شود و كاني ميلريت Millerite را به وجود مي آورد.
• نيكل با آرسنيك و سولفور تلفيق مي شود و نيكل درخشان را به وجود مي آورد.
الف) كانه هاي سولفيدي

كانه هاي سولفيد نيكل اساساً عبارتند از پپروتيت نيكل دار، پنتلانديت (۹S8(NiFe و كالكوپپريت). (CuFeS2 كانيهاي ديگر كه به ميزان كم اما با اهميت يافت مي‌شوند عبارتند از مگنتيت (Fe3O4) ايلمنيت (FeTiO3) پپريت (FeS2)، كوبانيت (CuFe2S3) و ويولاريت. كانه هاي سولفيدي معمولاً ۲-۴/۰ درصد نيكل، ۲-۲/۰ درصد مس، ۳۰-۱۰ درصد آهن و ۲۰-۵ درصد گوگرد دارند. سيليس، منيزيم، آلومينا و اكسيد كلسيم نقش توازن بار الكتريكي را بعهده دارند.
كالكوپپريت كه مهمترين كاني مس دار است و نيز كوبانيت كه اغلب به ميزان كمتري وجود دارد، از كانيهاي نيكل دار بحساب مي آيند.
• نيكوليت(NiAs)

• پنتلانديت (Ni, Fe) 9S8
پنتلانديت متداولترين كاني سولفيدي، احتمالاً منبع ۶۰% نيكل جهان بحساب مي‌آيد.
• پپروتيت نيكل دار
پپروتيت نيكل دار معمولاً فراوانترين فاز كانه نيكل است كه داراي نيكل بصورت انحلال جامد- Ni5/0- 2/0% علاوه بر پنتلانديت هاي بسيار دانه ريز بصورت انكلوزيون است.
• كلوآنتيت (NiAs2)
• ميلريت (NiS)
• برايت اوپتيت (NiSb)
• مورنوسيت (NiSO4.7H2o)
• آنابرژيت (Ni(AsO4)2.8H2o)
• گارنيريت ((Ni,Mg)6Si4O10(OH)8
• مكيناويت

• براويت
• پاركريت

۶) معرفي و كاربرد سوپر آلياژها
سوپرآلياژها در واقع آلياژهايي مقاوم در برابر حرارت، خوردگي و اكسيداسيون مي‌باشند كه به لحاظ تركيب شيميايي شامل سه گروه پايه نيكل، نيكل- آهن و پايه كبالت مي باشند. اولين استفاده از سوپر آلياژها در ساخت توربين هاي گازي، طرح هاي تبديل ذغال سنگ، صنايع شيميايي و صنايعي كه نياز به مقاومت حرارتي و خوردگي داشته‌اند بوده است.امروزه تناژ وسيعي از قطعات مصرفي در توربين هاي گازي از جنس سوپر آلياژها مي باشند. در ذيل به بعضي از مصارف اين قطعات اشاره شده است:
– توربين هاي گازي هواپيما

– توربين هاي بخار نيروگاه هاي توليد برق
– ساخت قالب هاي ريخته گري و ابزارهاي گرمكار
– مصارف پزشكي و دندانپزشكي
– فضاپيماها
– تجهيزات عمليات حرارتي
– سيستم هاي نوتروني و هسته اي
– سيستم هاي شيميايي و پتروشيمي
– تجهيزات كنترل آلودگي
– تجهيزات و كوره هاي نورد فلزات
– مبدل هاي حرارتي تبديل ذغال سنگ
به منظور انتخاب سوپر آلياژها جهت مصرف در كاربردهاي فوق لازم است خواص فني نظير شكل پذيري، استحكام، مقاومت خزشي، استحكام خستگي و پايداري سطحي در نظر گرفته شوند.
تقسيم بندي سوپرآلياژها بر حسب روش توليد
با توجه به نحوه توليد مي توان سوپرآلياژها را به چهار گروه كلي تقسيم بندي نمودكه عبارتند از:

۱)سوپرآلياژهاي كارپذير
سوپرآلياژهاي كارپذير در حقيقت گروهي از سوپرآلياژها هستند كه قابليت كار مكانيكي دارند و از روش هاي مكانيكي مي توان به آنها شكل داد. به منطور توليد مقاطع معيني از سوپرآلياژهاي كارپذير، اولين گام آن است كه شمش هاي سوپرآلياژها به دليل حضور عناصر فعال (عناصري كه سريع در مجاورت هوا اكسيد مي شوند) در شرايط خاصي تهيه شوند.

فرايندهاي ذوب در خلاء در مورد تهيه سوپرآلياژهاي پايه نيكل و پايه آهن جزء ضروريات مي‌باشد. اما در مورد سوپرآلياژهاي پايه كبالت امكان ذوب در هواوجود دارد. اين فرايند به طور خلاصه شامل ذوب القائي تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الكتريكي در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرايندهاي ترمونكانيكي و متالورژي پودر مي باشند. پس از تهيه شمس آلياژهاي كارپذير به يكي از روش هاي فوق عمليات شكل دهي صورت مي گيرد. عمليات شكل دهي سوپرآلياژها نيز مي تواند توسط عمليات متداول كليه آلياژهاي فلزي انجام پذيرد. سوپر آلياژهاي پايه آهن، كبالت و نيكل را مي توان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سيم و اشكال ديگر توسط فرايندهاي نورد، اكستروژن

و آهنگري توليد نمود. معمولاً عمليات شكل دهي در دماي بالا صورت مي گيرد و تعداد كمي از سوپرآلياژها را مي توان به صورت سرد شكل دهي نمود.
ساختارهاي يكنواخت و ريزدانه اي كه از شكل دهي سرد حاصل مي شود نسبت به ساختارهاي شكل دادن گرم ارجحيت دارند.