مقاله بررسی مصارف نیکل

این مقاله به بررسی مصارف نیکل می‌ پردازد و کاربردهای مهم آن در صنایع مختلف از جمله تولید فولاد ضد زنگ و آلیاژها را مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌ دهد. همچنین تأثیر نیکل در انرژی الکتریکی، کاتالیزورها و صنایع دریایی را بررسی می‌ کند.

مقدمه:
با توجه به رشد روز افزون بازار توربین های گازی در سطح دنیا ونیاز به تعمیرات قطعات توربینها باعث شد تا صنعت تعمیرات به صورت جدی واصولی در ایران پی گیری شود و چون تعمیرات قطعات داغ توربین ها که جنس آنها از سوپر آلیاژها می باشند با مشکلاتی همراه می‌باشد ویک سری دستورالعمل خاص خود را می طلبد که باید با روشهای استاندارد وکنترل شده ای تعمیرات روی آنها صورت گیرد که فعلا در ایران در شرکت قطعات توربین شهریار به روش جوشکاری TiG انجام می گیرد که در آینده پیش بینی می شود از پروسه جوشکاری لیزر نیز استفاده گردد.

در تمام سوپر آلیاژهای در تولید با مشکلاتی مواجه می باشیم که نیاز را برای تعمیرات ضروری نمود از آن جمله سوپر آلیاژ IN738 می‌باشد که در این مقاله به نکات مهم در جوشکاری این سوپر آلیاژ پرداخته ایم.

فصل اول
۱- مصارف مهم نیکل عبارتند از:
تهیه فولادهای ضدزنگ، آلیاژهای ویژه (آلیاژ نقره و نیکل جهت ساخت لوازم خانگی)، آب کاری کروم و ضرب مسکوک و نمک های نیکل مصارف شیمیایی داشته و در برخی باتری ها کاربرد دارد.

۲- تهیه فولادهای نیکلی ضدزنگ و آلیاژها:
در حدود ۶۵% نیکل مصرف شده در جهان غرب برای ساخت فولاد ضد زنگ Austenitic استفاده شده است و ۱۲% برای سوپرآلیاژها (آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی مانند آلیاژ نقره آلمانی که شامل آلیاژ- Ni- Zn-Cu می‌باشد) استفاده می شود. فولاد نیکل برای صفحات حفاظتی (دفاعی) و گار صندوق های ضد سرقت استفاده می شود.

اهمیت نیکل در توانایی و قابلیت های آن نهفته است که به هنگام ترکیب با دیگر عناصر برای ساختن آلیاژ، مقاومت و استحکام فلز و نیز مقاومت در برابر خوردگی آن را در بازه گسترده ای از دما، افزایش می‌دهد. این فلز در صنعت آهن و فولاد ضروری است و آلیاژهای نیکل دار نقش کلیدی را در توسعه مواد مورد نظر در صنایع هوافضا ایفا می کنند. تولید سالیانه این فلز از ۱۰۳*۲۰ تن در سال ۱۹۲۰ تا ۱۰۳*۷۵۰ در سال ۱۹۷۶ افزایش یافته است که بطور متوسط سالیانه رشدی برابر با ۳% داشته است.

اما، در بین سالهای ۱۹۷۶ تا ۱۹۸۶ هیچ تغییر محسوسی در تولید یا مصرف این فلز رخ نداده است و مصرف جهانی نیکل در سالهای ۱۹۸۱ و ۱۹۸۲ کاهش یافته و به ۶۵۰۰۰۰ تن در سال رسیده است. ذخیره تعیین شده نیکل بیش از مقدار مورد نیاز است و میتواند برای سالهای متمادی همین سقف تولید را داشت.

تولید استیل بیش از ۵۰ درصد نیکل را مصرف می‌کند و آلیاژهای آهنی و آلیاژهای مبتنی بر پایه نیکل در مقام های بعدی مصرف نیکل جای دارند. آبکاری تنها ۱۱% از نیکل تولیدی را مورد استفاده قرار می‌دهد. محصولات حاصل از آن عبارتند از استیل که در ظرفشویی ها، لباسشویی ها، ظروف آشپزخانه و نیز بخش های آبکاری شده با نیکل برای دوچرخه،موتور سیکلت، جواهر آلات، فریم عینک، وسایل موسیقی که   نیکل تولیدی را مصرف می کنند. مقاومت بالای استیل نیکل دار، وزن سبک آنها و هزینه نگهداری اندک آنها منجر به رشد فزاینده مصرف آنها در تانکرها و قطارها در زمینه ساخت و ساز و ماشین آلات شده است.

در دهه هفتاد، مصرف نیکل در صنایع خودرو سازی به شدت افت کرد که به علت کاهش مصرف میانگین آن در اتومبیل ها از ۲ کیلوگرم در سال ۱۹۷۰ به ۵/۰ کیلوگرم در سال ۱۹۸۵ بود. صنایع شیمیایی چهارمین بازار بزرگ مصرف نیکل را دارد که برای تولید استیل بکار می رود.

صنعت ساخت و ساز، صنایع الکترونیک هر یک ۶% مصرف نیکل سال ۱۹۸۷ را به خود اختصاص دادند. مصرف استیل در ساختمان سازی رو به افزایش است، زیرا در تجهیزات مربوط به به غذا و تجهیزات کنترل محیط زیست مصرف می شوند نرخ رشد مصرف نیکل در صنایع الکترونیک بیش از ۱۰ درصد در سال است. آلیاژ ۴۲، که یک آلیاژ- نیکل- آهن است، کاربرد فراوانی در چهارچوبه های سربی دارد، حال آنکه، آلیاژ مس- نیکل- قلع ۷۲۵۰۰ C، در فنرها، گیره کاغذ و پایانه ها مصرف می شود.

امروزه آلیاژهای مس، نیکل با ۷۵ درصد مس و ۲۵ درصد نیکل کاربرد گسترده ای یافته اند، هرچند که کانادا، هلند و جمهوری آفریقایی جنوبی هنوز از سکه های نیکل خالص استفاده می کنند زیرا که از دوام بیشتری برخوردار است.

در صنایع هوافضا، نیکل یک عنصر کلیدی در ابر آلیاژهاست که در برابر تنش و خوردگی در دمای CO 1000 و بیشتر مقاومت می‌کند. این مواد در موتورهای توربین گاز مورد استفاده قرار می گیرند.

الف- انرژی الکتریکی و هسته ای:
در صنعت برق و تولید نیرو، استیل های نیکل دار کاربرد گسترده ای در نیروگاههای هسته دارند و کاربرد روز افزونی در سیستم های زدایشگر برای زدایش دی اکسید گوگرد از نیروگاههای زغالی، نفتی و گازی دارند.

ب- کاتالیزور:
مواد شیمیایی نیکل دار در تولید کاتالیزورهای نیکل مصرف می شوند که در هیدروژنه کردن روغن نباتی، در تصفیه روغن های سنگین، تشدید کننده های سرامیک و نمک نیکل در آبکاری بکار می رود. نیکل در قطعات ریز تقسیم شده یک کاتالیزور برای نفت‌های هیدروژنی است.

ج- حفاری:
مواد نیکل دار در صنعت نفت از سرمته حفاری تا لوله کشی و مخازن فرآوری طرح‌های پتروشیمی و ساخت سکوهای نفتی دریایی ایفا می کنند.

د- صنایع دریایی:
در صنایع دریایی، مواد نیکل دار در کشتی ها و مقاله های شیرین سازی آب شور دریا بکار می روند.

هـ -کاربردهای دیگر:
۲۳% باقی مانده مصرف در باتریهای شارژ مجدد (مانند باتریهای هیدرید فلزی نیکل و باتریهای کادمیوم نیکل)، کاتالیزورها، آزمایشگاه های شیمیایی در بوته ها. محصولات شیمیایی دیگر، ضرب سکه و ریخته گری و آبکاری الکتریکی تقسیم شده است.

نیکل خاصیت مغناطیسی دارد و می تواند با مقادیر زیادی کبالت همراه شود و این دو در آهن متئوریتی یافت می شوند. این فلز نفوذپذیری مغناطیسی بالایی دارد و برای نشان دادن میدان های مغناطیسی استفاده می شود مانند آلیاژ Alnico در مغناطیس استفاده می شود.

ضرب سکه در ایالات متحده و کانادا که نیکلی که در ساخت سکه های سنتی استفاده می شود nickles می گویند.

۳- تاریخچه:
استفاده از نیکل می تواند در بیشتر از (BC 3500 سال قبل از میلاد) ردیابی شود. برنز در جایی که اکنون Syria نام دارد، محتوای نیکل بالاتر از ۲% نشان می‌دهد.
در بیشتر نسخه های خطی چینی، مس سفید مشاهده شده است که در مشرق زمین بین ۱۴۰۰ تا ۱۷۰۰ است. اما از آن جایی که کانسارهای نیکل به آسانی با کانسارهای نقره اشتباه گرفته می شود پس از درک این فلز و زمانهای استفاده از آن ضروری می‌باشد.

کانه های حاوی نیکل مانند Kupfernickle نیکلین یا مس دروغین یا کاذب بود که ارزش آن بخاطر شیشه رنگی سبز بود.
در سال ۱۷۵۱، Baron Axel Fredrik Crostedt تلاش نمود تا مس را از Kupfernickle استخراج نماید (که حالا نیکولیت نامیده می شود) و در عوض یک فلز سفید بدست می آید که نیکل نام دارد. سکه نیکل اولیه فلز خالصی بود که در سال ۱۸۸۱ ایجاد شد.

تصور می شود که نیکل از واژه “kupfer Nickle” گرفته شده باشد که معدنکاران قرون وسطای ساکسون به کانی ای که به اشتباه آنرا کانه مس می پنداشتند ولی نمی توانستند از آن مس استحصال کنند اطلاق می شد ولی این کانی آرسنید نیکل یا نیکولیت (NiAs) بود.

برای نخستین بار، کانی شناس سوئدی اکسل کرونستد در سال ۱۷۵۱، نیکل را بصورت یک فلز جدا کرد که این عمل در حین مطالعه گرسدورفیت (NiAsS) معدن Los سوئد اتفاق افتاد. موقعیت نیکل بعنوان یک عنصر مستقل در سال ۱۷۷۵ توسط توربرن برگمان و همکارانش تأیید شد اما این مسئله تا سال ۱۸۰۴ که جرمیس ریشتر یک نمونه نسبتاً خالص از فلز را بدست آورد و خواص آنرا توصیف کرد، بطور جدی مطرح نشده بود.

آلیاژهای نیکل دار را مدتها پیش از کرونستد بکار می بردند. چینی ها برای سده های متمادی از مس سفید (۴۰% مس، ۳۲% نیکل، ۲۵% روی و ۳% آهن) که ظاهری نقره‌ای داشت، استفاده می کردند. این مواد در اواخر قرن هیجده به مقدار کمی در اروپا استفاده می شود. بعلت بهای آن که   بهای نقره است، این آلیاژ توانایی بالقوه ای دارد تا جانشین نقره شود.

تا دهه ۱۸۳۰، آلیاژهای مس، نیکل، روی که بنام نقره آلمانی شهرت داشتند و پس از آن آلیاژ نیکل نقره در حد تجاری و کلان در آلمان و انگلستان به میزان فراوانی تولید می شدند. علاوه بر رنگ نقره ای آن، قالبگیری و کار کردن آن ساده بود، در برابر هوازدگی مقاومت می کرد و تولید اقتصادی بود. تغییر و ابداع چشمگیر بعدی در سال ۱۸۵۷ رخ داد که در آن هنگام آمریکا سکه های مس، نیکل ضرب کرد (دارای ۱۲% نیکل) و دیگر کشورها از آن تقلید کردند.

در اواسط دهه ۱۸۰۰، نیکل به میزان کمی از کانه های سولفیدی معادن آلمان، نروژ، سوئد و روسیه تولید می شد. هر چند که نیکل فلزی خالص برای نخستین بار در سال ۱۸۳۸ در آلمان تولید شد، تولید جهانی نیکل تا سال ۱۸۷۶ کمتر از ۱۰۰۰ تن در سال بود.

در فاصله سالهای ۱۸۸۰-۱۸۷۰، وقتیکه پارکز، ماربو و رایلی کاربرد آنرا در تهیه آلیاژ نشان دادند و فلایت مان موفق به تهیه نیکل چکش خوار شد و آبکاری با نیکل با موفقیت انجام شد، تقاضا برای نیکل به یکباره افزایش یافت. اولین ورق زره فولاد نیکل در سال ۱۸۸۵ در فرانسه و پس از مدت کوتاهی در ایتالیا، انگلستان و آمریکا ساخته شد. در اوایل ۱۸۹۰ خصوصیات مناسب فولادهای نیکل در نیروی دریایی منجر به تقاضای شدید برای نیکل شد.

در سال ۱۸۶۳، پیر گارنیر، کانه های اکسید نیکل نیوکالدونیا را کشف کرد و از سال ۱۸۷۵ این جزیره فرانسوی، بزرگترین تولید کننده نیکل شد که تا سال ۱۹۰۵ که جزء کانادا شد، این مقام را همچنان حفظ کرد. استخراج کانه های سولفیدی حوضه سادبری در اونتاریوی کانادا از سال ۱۸۸۶ آغاز گشت و این پیکره های معدنی، مهمترین ذخیره‌های نیکل جهان را برای عرضه به بازارهای جهانی برای زمان طولانی از قرن بیستم در اختیار داشتند. حتی در سال ۱۹۵۰، منطقه سادبری ۹۵% نیکل دنیای غرب را تأمین می کرد. از آن زمان به بعد، جایگاه رفیع کانادا رو به افول نهاد و تا سال ۱۹۸۰، نیکل برای مدت طولانی در طول قرن بیستم از این منطقه معدنکاری، ذوب و پالایش (خالص سازی) می شد.

تا پایان جنگ جهانی اول، نیکل صرفاً برای مقاصد نظامی بکار می رفت، اما پژوهش‌های فراوان بین دو جنگ جهانی، در زمینه استفاده های احتمالی صنعتی نیکل، به کار بردهای نوین فراوانی انجامید. در دهه ۱۹۹۰، هزاران آلیاژ نیکل مورد استفاده قرار می گرفت که میزان نیکل آنها بین ۹۹% تا ۱% (برای سخت کردن فولاد) تغییر می کرد.

فهرست مطالب
مقدمه: ۶
فصل اول ۷
۱- مصارف مهم نیکل عبارتند از: ۷
۲- تهیه فولادهای نیکلی ضدزنگ و آلیاژها: ۷
الف- انرژی الکتریکی و هسته ای: ۱۰
ب- کاتالیزور: ۱۰
ج- حفاری: ۱۱
هـ -کاربردهای دیگر: ۱۲
۳- تاریخچه: ۱۳
۴- مشخصات: ۱۶
۵- کانی های نیکل: ۱۷
الف) کانه های سولفیدی ۱۸
۶) معرفی و کاربرد سوپر آلیاژها ۲۰
۱)سوپرآلیاژهای کارپذیر ۲۱
۲)سوپرآلیاژهای متالورژی پودر ۲۳
۳)سوپر آلیاژهای پلی کریستال ریختگی ۲۵
الف)سوپر آلیاژهای پایه نیکل ۲۷
ب)سوپر آلیاژهای پایه آهن ۲۸
ج)سوپرآلیاژهای پایه کبالت ۲۹
۷- بازار سوپرآلیاژها ۳۰
فصل دوم ۳۲
۱- آلیاژهای بکار رفته در پره های توربین ۳۲
۲- خلاصه ای از مشخصات سوپرآلیاژهای پایه نیکلی ۳۲
۳- ترکیبات شیمیایی سوپرآلیاژهای پایه نیکلی ۳۳
۴- میکروساختارهای سوپرآلیاژهای پایه نیکل: ۳۴
– واکنشهای کاربیدی: ۳۹
فصل سوم ۴۶
۱- ارزیابی جوش پذیری آلیاژهای جنس In738Lc و Rene 80 ۴۶
۲- مواد و روش های آزمایشی ۴۷
۳- نتایج آزمایش ۴۸
۴- نتیجه گیری ۵۱
۵- مشکلات موجود در جوشکاری سوپرآلیاژها ۵۳
الف)ترک ناحیه ذوب و ترک ناحیه HAZ: ۵۴
ب)ترک عملیات حرارتی پس از جوش (PWHT) ۵۶
ج)تأثیر آلودگی در کیفیت جوش ۵۸
د)ترک خستگی حرارتی ۵۸
۶-معرفی اجمالی متالوژی سوپرآلیاژها: ۵۹
نکات مهم در جوشکاری سوپرآلیاژها: ۶۴
۸- محدودیت های جوشکاری ۶۶
۹-محدودیت های کاربردی پره های متحرک ۶۹
۱۰-قابلیت جوش پذیری سوپرآلیاژ Inconel 738 ۷۱
زمان بوجود آمدن ترک ۷۶
۱۱-مکانیزم های بوجود آورنده ترک ۷۶
پوشش دهی ۷۹
۲- مقدمه ۸۰
۳- روش آزمایش ۸۳
۴- نتایج و بحث ۸۴
۵- نتیجه گیری ۸۷
منابع و مراجع ۸۸