Nikel Nedir?

Nikel Nedir?

Nikel (Ni), atom numarası 28 olan kimyasal bir elementtir. Gümüş renkli ve parlak bir metaldir. Nikel, bir geçiş metalidir; sert ve sünektir. Reaktif yüzey alanını maksimize etmek için toz haline getirilen saf nikel, önemli bir kimyasal aktivite gösterir, ancak yüzeyde bir oksit tabakası oluştuğu ve daha fazla korozyonu engellediği için standart koşullar altında daha büyük parçalar hava ile yavaş reaksiyona girer. Saf nikel, dünya kabuğunda küçük miktarlarda ve genellikle ultramafik kayalarda, atmosfer dışında ise oksijene maruz kalmayan nikel-demir göktaşlarının iç kısımlarında bulunur.

Meteorlarda nikelin varlığı ilk olarak 1799'da bir Fransız kimyager olan Joseph-Louis Proust tarafından tespit edildi. Proust, Arjantin’den gelen göktaşı örneklerini analiz ederek içlerinde demir ile birlikte yaklaşık %10’luk bir nikel varlığı keşfetti.

Meteorik nikel, süpernova nükleosentezinin son ana ürünleri olarak bu elementlerin kökeninin bir yansıması olan demir ile kombinasyon halinde bulunur. Demir-nikel karışımının dünyanın dış ve iç çekirdeğini oluşturduğu düşünülmektedir.

Nikel cevherleri kolayca gümüş cevherleri ile karıştırıldığından, kullanımının anlaşılması nispeten yakın zamanlara dayanmaktadır. Bununla birlikte bilinçsiz nikel kullanımı M.Ö. 3500'lü yıllara kadar uzanır. Bazı eski Çin el yazmaları, "beyaz bakır"ın (baitong olarak bilinen cupronickel) M.Ö. 1700 ve 1400 yılları arasında kullanıldığını öne sürer. Cupronickel, 17. yüzyılın başlarında İngiltere'ye ihraç edilir, ancak bu alaşımın nikel içeriği 1822'ye kadar keşfedilmez.

Çin cupronickelinden sonra muhtemelen M.Ö. 2. yüzyılda Baktriyalı krallar Nikel-bakır alaşımından sikkeler bastırdı. Saf nikel madeni paralar da ilk kez 1881'de İsviçre’de kullanıldı. Dönemin en büyük nikel üreticisi Kanada, %99,9 nikel madeni paraları 1922'den 1981'e kadar savaş yılları dışında hep kullandı. 21. yüzyılda, yükselen nikel fiyatı madeni paraların dünya çapında değişmesine yol açtı ancak nikel alaşımlarından yapılan bazı madeni paralar günümüzde halen kullanılmaktadır.

Ortaçağ Almanya'sında, bakır cevherine benzeyen kırmızı bir mineral bulundu. Fakat madenciler ondan herhangi bir bakır çıkaramayınca, bunu engellemekle ilgili bir Alman miti olan “Old Nick” ortaya atıldı ve bu cevhere oradan esinlenerek Kupfernickel adı verildi. Bu cevher artık bir nikel arsenit olan nikelin olarak biliniyor.

Nikel, 1751'de İsveç'teki kobalt madenlerinde cevherin bir bakır minerali olduğunu düşünen Axel Fredrik Cronstedt tarafından kimyasal element olarak izole edildi ve sınıflandırıldı.

Başlangıçta nikelin tek kaynağı nadir bulunan Kupfernickel'di. 1824'ten itibaren, kobalt mavisi üretiminin bir yan ürünü olarak nikel elde edildi. İlk büyük ölçekli nikel eritme işlemi 1848'de Norveç'te nikel açısından zengin pirotinle başladı. Nikelin çelik üretimine 1889'da girmesi nikel talebini artırdı ve 1865'te keşfedilen Yeni Kaledonya nikel yatakları, 1875 ile 1915 yılları arasında dünya tedariğinin çoğunu karşıladı. Meteorik kökenli büyük yatakların Sudbury / Kanada 1883, Norilsk-Talnakh / Rusya 1920 ve Merensky Reef / Güney Afrika 1924’te keşfi büyük ölçekli nikel üretimini mümkün kıldı.

Nikel, oda koşullarında yavaş oksitlenir ve korozyona dayanıklı olarak kabul edilir. Tarihsel olarak, demir ve pirincin kaplanması, kimyasal ekipman kaplanması ve bazı alaşımların üretiminde kullanılmıştır. Dünya nikel üretiminin yaklaşık %9'u hala kaplama için kullanılmaktadır. Ferromanyetik dört elementten biridir. Diğerleri demir, kobalt ve gadolinyumdur. Özellikle alaşımlarda değerlidir. Dünya üretiminin yaklaşık %68'i paslanmaz çelikte kullanılmaktadır. Kalanı ise şu şekilde dağılır; Nikel bazlı ve bakır bazlı alaşımlar için %10, alaşımlı çelikler için %7, dökümhanelerde %3, kaplamada %9 ve diğer uygulamalarda %3.

Günümüzde Endonezya ve Avustralya, dünya toplamının % 46'sı ile en büyük rezervlere sahip ülkelerdir.

Endonezya (800.000 ton), Filipinler (420.000 ton), Rusya (270.000 ton), Yeni Kaledonya (220.000 ton), Avustralya ve Kanada (180.000 ton) ile dünya çapında yılda 2,7 milyon tondan fazla nikel çıkarıldığı tahmin edilmektedir. Rusya dışındaki Avrupa'daki en büyük nikel yatakları Finlandiya ve Yunanistan'da bulunmaktadır.

Ortalama % 1 veya daha fazla nikel içeren dünya genelinde tespit edilen kara kökenli kaynaklar en az 130 milyon ton nikel içerir. Yaklaşık % 60'ı lateritlerde ve % 40'ı sülfit yataklarındadır. Ek olarak, derin denizdeki yoğun nikel kaynakları, özellikle Pasifik Okyanusu'nda olmak üzere okyanus tabanının geniş alanlarını kaplayan manganez kabuklarında ve yumrularında bulunur.

Jeofizik kanıtlara göre, Dünya'daki nikelin çoğunun Dünya'nın dış ve iç çekirdeklerinde olduğuna inanılıyor. Kamasit ve taenit, doğal olarak oluşan demir ve nikel alaşımlarıdır.

Nikel'in önemli cevher mineralleri, %1-2 nikel içeren limonit, pentlandit ve doğal silikatların bir karışımı olan garniyerittir.

Nikelin Curie sıcaklığı 355°C'dir, yani dökme nikel bu sıcaklığın üzerinde manyetik değildir. Nikelin birim hücresi 0,352 nm'lik örgü değişmezine sahip yüz merkezli bir küptür ve 0,124 nm'lik bir atom yarıçapı verir. Bu kristal yapı, en az 70 GPa basınçlara dayanıklıdır. Bir geçiş metali olarak Nikel nispeten yüksek bir elektriksel ve termal iletkenliğe sahiptir. İdeal kristaller için öngörülen 34 GPa'lık yüksek basınç dayanımı, dislokasyonların oluşumu ve hareketi nedeniyle gerçek dökme malzemede asla elde edilmez; ancak Ni nanopartiküllerinde ulaşılır.

Nerelerde Nikel Kullanıyoruz?

Paslanmaz çelik, alniko mıknatıslar, madeni paralar, şarj edilebilir piller, elektro gitar telleri, mikrofon kapsülleri, sıhhi tesisat armatürlerinde kaplama ve permalloy, elinvar ve invar gibi özel alaşımlar dahil olmak üzere birçok özel ve bilinen endüstriyel üründe nikel (Ni) kullanılır. Kaplama için ve camda yeşil renk olarak kullanılır. Ancak Nikel, en başta bir alaşım metalidir ve başlıca kullanımı, tipik olarak çekme mukavemetini, tokluğu ve elastik sınırı arttıran nikel alaşımlar ve nikel dökme demirlerdir. Nikel pirinç ve bronzlar ve yine bakır, krom, alüminyum, kurşun, kobalt, gümüş ve altın içeren alaşımlar (Inconel, Incoloy, Monel, Nimonic, vs…) dahil olmak üzere birçok alaşımda yaygın olarak kullanılmaktadır.

Korozyona dirençli olduğu için, bazen dekoratif gümüş yerine nikel kullanılmıştır.

Nikel, bazı değerli metaller için mükemmel bir alaşım maddesidir ve ateş deneyinde platin grubu elementlerin bir toplayıcısı olarak kullanılır.

Alkali yakıt hücreleri için gaz difüzyon elektrotlarında nikel köpük veya nikel ağ kullanılır.

Nikel ve alaşımları, hidrojenasyon reaksiyonları için katalizör olarak sıklıkla kullanılır. İnce bölünmüş bir nikel-alüminyum alaşımı olan Raney nikeli, yaygın bir formdur.

Nikel, doğal olarak manyetostriktif bir malzemedir, yani manyetik bir alanın varlığında, malzemenin uzunluğunda küçük bir değişiklik olur. Nikelin manyetostriksiyonu 50 ppm düzeyindedir ve negatiftir, bu da büzüldüğünü gösterir.

Nikel, çimentolu tungsten karbür veya sert metal endüstrisinde bağlayıcı olarak ve ağırlıkça %6-12 oranında kullanılır. Nikel, tungsten karbürü manyetik hale getirir ve sertliği kobalt bağlayıcılı olanlardan daha az olmasına rağmen, çimentolu parçalara korozyon direnci ekler.

Tüm nikel üretiminin yaklaşık %27'si mühendislik, %10'u inşaat, %14'ü boru ürünleri, %20'si metal eşya, %14'ü nakliye, %11'i elektronik eşya ve %4'ü diğer kullanımlar içindir.

Ticari olarak saf veya düşük alaşımlı nikel, kimyasal işlemede ve elektronikte ana uygulamasını bulur. Nikel alaşımlarıyla karşılaştırıldığında, ticari olarak saf nikel, yüksek elektrik iletkenliğine, yüksek bir Curie sıcaklığına ve iyi manyetostriktif özelliklere sahiptir. Ayrıca termal iletkenliği iyidir. Bu da, aşındırıcı ortamlarda ısı eşanjörleri için kullanılabileceği anlamına gelir. Mekanik parçaların mükemmel korozyon ve güçlü manyetik özellikler gerektirmesi durumunda, saf dövme nikel, geniş sıcaklık aralıklarında yüksek sünek özelliklere sahip malzemeler arasında en iyi seçenektir.

Hangi Nikel Alaşımları Kullanıyoruz?

Nikel ve bakır arasında tam katı çözünürlük mevcuttur. Demir, krom ve nikel arasındaki geniş çözünürlük aralıkları birçok alaşım kombinasyonunu mümkün kılar.

Nikel ve nikel alaşımları, çoğunluğu Korozyon direnci ve Isı direnci içeren çok çeşitli uygulamalarda kullanılır. Bunlardan bazıları Uçak gaz türbinleri, Buhar türbini enerji santralleri, Tıbbi uygulamalar, Nükleer güç sistemleri, Kimya ve petrokimya endüstrileridir.

Nikel bazlı alaşımlar benzersiz fiziksel özellikleri sayesinde bir dizi başka uygulamada da özel amaçlarla kullanılmaktadır:

• Düşük genleşme alaşımları
• Elektrik dirençli alaşımlar
• Yumuşak manyetik alaşımlar
• Şekil hafızalı alaşımlar

Korozyon Direnci: Nikel bazlı alaşımlar, çok çeşitli korozif ortamlara karşı mükemmel korozyon direnci sunar. Bununla birlikte, tüm korozyon türlerinde olduğu gibi, birçok faktör de saldırı oranını etkiler. Korozif ortamın kendisi, belirli bir metalin korozyonunu yöneten en önemli faktördür.

Isı Dirençli Alaşımlar: Nikel bazlı alaşımlar, yüksek sıcaklıklarda zorlu ortamlara maruz kaldıkları birçok uygulamada kullanılmaktadır. Yaklaşık% 15'ten fazla Cr içeren nikel-krom alaşımları, 760°C'yi aşan sıcaklıklarda hem oksidasyon hem de karbonlama direnci sağlamak için kullanılır.

Düşük Genleşme Alaşımları: Nikelin, demirin termal genleşmesi üzerinde derin bir etkiye sahip olduğu bilinmektedir. Alaşımlar, çok düşük bir termal genleşmeye sahip olacak veya belli sıcaklık aralıklarında tek tip ve öngörülebilir genleşme gösterecek şekilde tasarlanabilir. Demir ve %36 Nikel alaşımı (Invar), Fe-Ni alaşımlarının en düşük genleşmesine sahip alaşımdır ve atmosferik sıcaklıkta normal değişimler sırasında boyutlarını neredeyse korur. Nikel-demir matrisine kobalt eklenmesi, düşük bir genleşme katsayısına, sabit bir esneklik modülüne ve yüksek mukavemete sahip alaşımlar üretir.

Elektrik Dirençli Alaşımlar: Nikel bazlı veya yüksek nikel içeren çeşitli alaşımlar, elektriksel özellikleri ölçmek için aletlerde veya ısı üretme cihazlarında kullanılır.

Yumuşak Manyetik Alaşımlar: Yüksek nikel alaşımları (% 4-5 Mo ile yaklaşık %79 Ni; kalanı Fe) yüksek başlangıç geçirgenliğine ve düşük doygunluk indüksiyonuna sahiptir.

Şekil Hafızalı Alaşımlar: Uygun ısıtma programına tabi tutulduğunda önceden tanımlanmış şekillerine dönme kabiliyetini gösteren metalik malzemeler, şekil bellekli alaşımlar olarak adlandırılır. Nikel-titanyum alaşımı 50Ni-50Ti, ticari olarak önemli birkaç şekil bellekli alaşımdan biridir.

Nikel Alaşımlardan Bazıları Nelerdir?

Ticari Nikel ve nikel bazlı alaşımlar östenitiktir ve esas olarak yüksek sıcaklığa ve su korozyonuna olan dirençleri sebebiyle seçilirler. Nikel, nikel alaşım üreticilerine toz, pelet veya anot formunda tedarik edilir. Bu, yaklaşık % 94-100 arasında değişen nikel içeriklerine sahip kontrollü bileşimlerle bir dizi alaşım modifikasyonuna yol açar. Bu malzemeler, manyetik ve elektronik yetenekler sunan yüksek yoğunlukludur. Makul termal transfer özelliklerinin yanı sıra, indirgeyici ortamlara karşı mükemmel korozyon direnci sunarlar. Ticari öneme sahip bazıları şunlardır:

• Nikel 200 (UNS N02200 / 2.4060 / 2.4066) - elektronik uygulamalarda performansı artırmak için kullanılan bir nikeldir.
• Nikel 201 (UNS N02201 / 2.4061 / 2.4068) - birçok korozif ortama mükemmel direnç ve kaynak basitliği, bu malzemenin birçok endüstride kullanılmasına izin verir.
• Nikel 205 (UNS N02205 / 2.4061) - en çok elektronik valflerin, manyetostriktif probların, elektrot tellerinin, transistör muhafazalarının, pil muhafazalarının anotları ve ızgaraları için kullanılır.

(Ni-Cu) Nikel-bakır alaşımlarının, nükleer denizaltılarda ve çeşitli yüzey gemilerinde mükemmel performans gösterdikleri, kimyasal ortamlara ve deniz suyuna karşı mükemmel korozyon direncine sahip oldukları bulunmuştur. İçerikteki nikel ve bakır oranlarını değiştirerek, farklı elektrik dirençlerine ve Curie noktalarına sahip bir dizi alaşım oluşturulabilir. Ticari önemi olan bazı nikel-bakır alaşımları Alloy 400 (%66 Ni,%33 Cu) ve Alloy K-500’dür.

(Ni-Cr) Nikel-krom ve (Ni-Cr-Fe) Nikel-krom-demir alaşımları, daha yüksek mukavemet ve daha yüksek sıcaklıklara karşı direnci sağladı. Bugün hem ticari hem de askeri güç sistemlerinin temelini oluşturuyorlar. Geliştirilen en eski alaşımlar, Alloy 600 (76Ni-15Cr-8Fe) ve Nimonic alaşımlarıdır (80Ni-20Cr + Ti/Al).

Diğer bazı yüksek sıcaklık alaşımları:

• Alloy 601 - Gelişmiş oksidasyon ve nitrürleme direnci için alüminyum ve silikon ilavesiyle daha düşük nikel (%61) içeriği
• Alloy X750 - Yaşlanma sertleşmesi için alüminyum ve titanyum ilavesi
• Alloy 718 - Kaynak ve kaynak onarımı sırasında gerilme çatlama problemlerinin üstesinden gelmek için titanyum ve niyobyum ilavesi
• Alloy X (48Ni-22Cr-18Fe-9Mo + W) - Havacılık uygulamaları için
• Waspaloy (60Ni-19Cr-4Mo-3Ti-1.3Al) - Jet motoru uygulamaları için

Ni-Cr-Fe sistemindeki bazı korozyona dayanıklı alaşımlar:

• Alloy 625 - %9 Mo ve %3,5 Nb ilavesi hem yüksek sıcaklık hem de su korozyonu direnci sağlar; çukurlaşma ve çatlak korozyonuna direnir
• Alloy G30 - Bu alaşımdaki artan molibden içeriği, gelişmiş bir çukurlaşma ve çatlak korozyon direnci sunar
• Alloy C22 (Ni-22Cr-6Fe-14Mo-3W) - Oksitleyici asit klorürler, ıslak klor ve diğer şiddetli aşındırıcı ortamlarda üstün korozyon direnci
• Alloy C276 (%17 Mo ve %3,5 W) - İyi deniz suyu korozyon direnci ve mükemmel çukurlaşma ve çatlak korozyon direnci

Nikel-Krom-Demir Alaşımları:

Bu alaşım serisi, kükürt içeren hammaddelerin bileşen damıtık parçalara bölündüğü yüksek sıcaklıklı petrokimya ortamlarında da geniş kullanım alanı bulmuştur. Sadece klorür-iyon gerilme-korozyon çatlamasına dirençli olmakla kalmayıp, aynı zamanda politiyonik asit çatlamasına karşı direnç de sunar. Ticari öneme sahip bazı alaşımlar:

• Alloy 800 (Fe-32Ni-21Cr) - Yüksek sıcaklıklarda oksidasyona ve karbonlaşmaya dayanıklı
• Alloy 825 (Fe-42Ni-21.5Cr-2Cu) - Titanyum ilavesiyle stabilize edildi (% 0,6 ila 1,2). Ayrıca sulu korozyon uygulamalarında çukurlaşma direnci için molibden (% 3) içerir. Bakır içeriği sülfürik aside direnç kazandırır
• Alloy 925 - Yaşla sertleştirme yoluyla güçlendirme için 825 bileşime titanyum ve alüminyum eklenmesi

Ni-Fe Düşük Genleşmeli Alaşımlar:

Bu alaşım serisi, kapsüllenmiş bileşenlerde camdan metale contaların önemli olduğu hem lamba endüstrisinde hem de elektronikte çok önemli bir rol oynar. Ticari öneme sahip bazı alaşımlar:

• Alaşım 36 (Fe-36Ni) - Bu alaşım, ortamdan 230 ° C'ye (450 ° F) kadar herhangi bir metalin en düşük termal genleşmesine sahiptir.
• Alaşım 42 (Fe-42Ni) - Bu alaşım alümina, beril ve camsı cama en yakın termal genleşme eşleşmesine sahiptir.
• Alaşım 52 (Fe-51.5Ni) - Bu alaşım, camsı potas-soda-kurşun cama çok benzeyen bir termal genleşmeye sahiptir.