Нікель та кобальт і сплави на їхній основі

Визначення і загальна характеристика

НІ́КЕЛЬ ТА КО́БАЛЬТ І СПЛА́ВИ НА Ї́ХНІЙ ОСНО́ВІ Нікель та кобальт — хім. елементи VIII групи Періодич. системи Д. Менделєєва. Нікель є сріблясто-білим ковким і пластич. металом (лат. Niccolum, символ Ni, атом. номер 28). Природ. нікель складається із суміші 5-ти стабіл. ізотопів, ще 8 ізотопів отримані штуч. шляхом. Назву цьому металу надав швед. хімік А. Кронстед, який 1751 уперше одержав його із нікелевих руд. Значно чистіший метал зумів отримати 1804 нім. вчений І. Рихтер. У серед. 18 ст. та подальші десятилі­т­тя одночасно декілька вчених зуміли одержати різні мідно-нікел. сплави — аргентан, нейзільбер, мельхіор, що були схожі на срібло, тому їх почали за­стосовувати у ювелір. промисловості, для виготовле­н­ня столового посуду та ін. предметів побуту. На­прикінці 19 ст. роз­виток виробництва нікел. сплавів отримав потуж. стимул завдяки від­кри­т­тю здатності домішками нікелю покращувати властивості сталей. Одночасно почалася активна роз­робка нікел. руд у Росії, Канаді, Новій Каледонії. Нині нікелевмісні сплави на основі заліза, кобальту, титану, міді, а також сплави на основі нікелю з ін. елементами за­стосовують практично в усіх галузях промисловості завдяки їх високим мех., антикороз., магніт., електр. і термо­електр. властивостям. Значна кількість нікелю витрачається на виробництво мідно-нікел. сплавів для кон­струкц. матеріалів високої хім. стійкості у кислотах, лугах — монель-метали, куніали. Важливу роль у техніці ві­ді­грають феромагнітні сплави нікелю (40–85 %) із залізом, що зараховують до класу магніто-мʼяких матеріалів — пермалой, пермінвар. Сплави нікелю з кобальтом (4–18 %) належать до групи магнітострикц. матеріалів, що за­стосовують для гідро­акуст. апаратури. Для вимірюв. техніки використовують термопари хромель-алюмель, хромель-копель, тобто сплави, що містять нікель, хром, алюміній, кремній у різних спів­від­ноше­н­нях. Жаро­стійкі сплави нікелю (60–80 %) з хромом або з хромом і залізом, т. зв. ніхроми та фероніхроми, дуже широко за­стосовують практично в усіх галузях техніки. Для хім. апаратури, що працює у високо­агресив. середовищах, напр., у киплячих кислотах, використовують нікель-молібден. або нікель-хром-молібден. сплави, т. зв. хастелої. Дуже пер­спектив. матеріалом є сплави нікелю (55 %) з титаном, т. зв. сплави з памʼят­тю форми — нітиноли, що створ. на поч. 1960-х рр. у США. Вироби з них при певному тепловому оброблен­ні можуть набувати первин. форми. Такий матеріал дуже цінується, з нього виготовляють заклепки, антени для штуч. супутників Землі та радіотеле­­скопів, а також мед. імплантати. Зі сплавів нікелю з хромом, алюмінієм, титаном (німоники) виробляють жароміцні деталі для аерокосміч., авіац., енергет., хім. галузей.

Кобальт — важкий метал сріблястого кольору (Cobaltum, Со, атом. номер 27). У природі цей метал пред­ставлений одним стійким ізотопом 59Со. Початком від­кри­т­тя прийнято вважати 1735, коли швед. хімік Г. Брандт дослідив руди Саксонії (Німеч­чина) та захистив дисертацію, в якій довів, що в рудах присутній неві­домий метал, який на­звав кобольдом, за імʼям міфіч. гірської істоти. На­прикінці 18 ст. за зна­йденим металом закріпили сучасну назву. Гол. джерело пром. отрима­н­ня кобальту — нікел. руди, що містять кобальт як домішки. Родовища таких руд знаходяться у РФ, Казах­стані, Канаді, Марок­ко, Заїрі. До поч. 20 ст. сфера за­стосува­н­ня кобальту була дуже обмежена. 1917 япон. вченим Хонда та Такати вдалося ввести 20–60 % кобальту у роз­плав заліза й отримати сталь із високими магніт. властивостями. Потреба в цій сталі особливо зросла у воєн­ні роки, оскільки вона була матеріалом для виготовле­н­ня не лише найбільш потужних пром. магнітів, але й магніт. мін. Успішними були й роз­робки фірми «Гейнес», що запатентувала серію сплавів із вмістом до 50 % Со, що мали значну твердість і зносо­стійкість. Це допомогло зробити пром. пере­ворот в оброблюв. промисловості. Такі сплави слугують для наплавле­н­ня на інструменти та деталі машин без подальшого обробле­н­ня з метою під­вище­н­ня опору зношен­ню. Найбільш високі робочі температури (до 1100 °С і більше) витримують т. зв. супер­сплави, що виплавлені на основі нікелю та кобальту з додава­н­ням заліза, молібдену, ніобію, вольфраму, танталу, гафнію, цирконію, що під­вищують температуру плавле­н­ня сплавів, хрому, що покращує короз. стійкість, а також алюмінію, титану, рідкоземел. металів. Початком історії появи супер­сплавів можна вважати 1929, коли амер. вчені додатково легували титаном і алюмінієм сплав нікелю з хромом, що забезпечило істотне збільше­н­ня опору повзучості. Загалом отриманий легуючий комплекс елементів сприяє формуван­ню високих екс­плуатац. властивостей супер­сплавів. Це до­зволяє за­стосовувати їх для виготовле­н­ня особливо від­повід­ал. деталей газотурбін. двигунів, зокрема камер згоря­н­ня, соплових і робочих лопаток ком­пресорів та екс­плуатувати їх при високих т-рах, динаміч. навантаже­н­нях і агресив. продуктах згоря­н­ня палива. Успішним виявилося за­стосува­н­ня кобальт. сплавів для гальванотехніки, напр., для виготовле­н­ня нерозчин. анодів. Раніше матеріалом для них була платина, що здорожчувало процес. Роз­роблені для заміни платини кобальт. сплави пере­вершують за короз. стійкістю в кислотах платину й обходяться дешевше. Кобальтохром. та нікельхром. сплави разом із титан. сплавами є незамін. матеріалами для дуже широкого класу мед. виробів, зокрема й імплантатів різноцільового при­значе­н­ня. Властивості цих сплавів регулюють тер­мо-мех. обробле­н­ням у широкому інтервалі значень, а їхня висока технологічність та ливарні характеристики до­зволяють виготовляти з них вироби найбільш складних геом. форм. Від­мін. рисою цих 2-х груп сплавів є їхня значна короз. стійкість. Завдяки високій твердості та зносо­стійкості сплави на основі кобальту є ідеал. матеріалом для за­стосува­н­ня у вузлах тертя ендо­протезів су­глобів. Унікал. ливарні характеристики кобал. і нікел. сплавів, зокрема висока рідкоплин­ність та мала усадка після кри­сталізації (1,8–2,0 %), забезпе­чують можливість виготовле­н­ня з них литих тонкостін. (до 0,12–0,15 мм) деталей склад. геом. конфігурації, зокрема знімних і не­знімних мостовид. зубних протезів. Діапазон значень коефіцієнтів ліній. терміч. роз­шире­н­ня (КЛТР) кобальт. і нікел. сплавів (13,8–14,6)∙10-6 К-1 подібний з КЛТР пор­целян. сумішей, що використовують в ортопед. стоматології як естет., корозійно- та зносо­стійкі покри­т­тя. Це до­зволяє виготовляти з цих сплавів литі коронки з керам. покри­т­тям, що забезпечує більшу надійність і термін екс­плуатації виробів. Стійкість усіх цих сплавів до потемні­н­ня до­зволяє їх викори­ста­н­ня в деяких випадках без покри­т­тя.

Осн. напрямом поліпше­н­ня властивостей біо­суміс. сплавів на основі кобальту та нікелю є за­стосува­н­ня вакуум. плавле­н­ня та методу точного лиття в керам. форми на основі оксиду алюмінію. Особливості вакуум. техніки варто роз­глядати при виробництві сплавів як додатк. резерв під­вище­н­ня рівня пластичності, міцності, ливар. характеристик і ступеню рафінованості (чистоти металу від неметал. включень, шкідливих домішок кольор. металів і газів), завдяки на­ступ. факторам: можливості плавле­н­ня сплаву із точним вмістом легуючих елементів; від­сутності в сплаві оксид. плівок, у результаті чого не за­бруднюються межі зерен і виникне­н­ня оксидів та нітридів, що послаблюють сплав і є джерелом руйнува­н­ня при роботі в умовах високих т-р і великих напруг; знижен­ню вмісту у сплаві газів і за­бруднювал. речовин, що вивільнюються у вакуумі через високу пружність пари цих елементів при т-рі плавле­н­ня сплавів; збільшен­ню рідкоплин­ності сплаву, що до­зволяє знизити температуру залива­н­ня металу та температуру форм, допомагаючи під­вищити пластичність і міцність.

Літ.: Вильямс Д. Ф., Роуф Р. Имплан­таты в хирургии / Пер. с англ. Москва, 1978; G. Lange, M. Ungethum. Metallische Implantatwerkstoffe // Z. fur Metallkunde. 1986. № 8; Каблов Е. Н. Литые лопатки газотурбин­ных двигателей. Москва, 2001; Метал­лы и сплавы: Справоч. С.-Пе­тер­бург, 2003; Максюта И. И. Никель, кобальт и сплавы на их основе // Неорган. материаловедение. Материалы и технологии. Т. 2, кн. 1. К., 2008.

В. В. Лашнева, І. І. Максюта

Завантажити статтю