Нікель та кобальт і сплави на їхній основі

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-м’яких 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 пам’ят­тю 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 ім’ям 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.

Завантажити статтю