تحقیق مقاله مصارف مهم نیکل

مقدمه:

با توجه به رشد روز افزون بازار توربین های گازی در سطح دنیا ونیاز به تعمیرات قطعات توربین ها 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 آلیاژ ها 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 پروژه به نکات مهم در جوشکاری این سوپر آلیاژ پرداخته ایم.

فصل اول

1- مصارف مهم نیکل عبارتند از:

تهیه فولاد های 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.

2- تهیه فولادهای نیکلی ضدزنگ و آلیاژها:

در حدود 65% نیکل مصرف شده در جهان غرب برای ساخت فولاد ضد زنگ Austenitic استفاده شده است و 12% 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 103*20 تن در سال 1920 تا 103*750 در سال 1976 افزایش یافته است که بطور متوسط سالیانه رشدی برابر با 3% داشته است. اما، در بین سالهای 1976 تا 1986 هیچ تغییر محسوسی در تولید یا مصرف این فلز رخ نداده است و مصرف جهانی نیکل در سالهای 1981 و 1982 کاهش یافته و به 650000 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 50 درصد نیکل را مصرف می‌کند و آلیاژهای آهنی و آلیاژهای مبتنی بر پایه نیکل در مقام های بعدی مصرف نیکل جای دارند. آبکاری تنها 11% 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 2 کیلوگرم در سال 1970 به 5/0 کیلوگرم در سال 1985 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 6% مصرف نیکل سال 1987 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 10 درصد در سال است. آلیاژ 42، که یک آلیاژ- نیکل- آهن است، کاربرد فراوانی در چهارچوبه های سربی دارد، حال آنکه، آلیاژ مس- نیکل- قلع 72500 C، در فنرها، گیره کاغذ و پایانه ها مصرف می شود.

امروزه آلیاژهای مس، نیکل با 75 درصد مس و 25 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 پروژه های شیرین سازی آب شور دریا بکار می روند.

ه -کاربردهای دیگر:

23% 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.

3- 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 2% نشان می‌دهد.

در بیشتر نسخه های خطی چینی، مس سفید مشاهده شده است که در مشرق زمین بین 1400 تا 1700 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 1751، 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 1881 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 1751، 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 1775 توسط توربرن برگمان و همکارانش تأیید شد اما این مسئله تا سال 1804 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 (40% مس، 32% نیکل، 25% روی و 3% 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 1830، 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 1857 رخ داد که در آن هنگام آمریکا سکه های مس، نیکل ضرب کرد (دارای 12% نیکل) و دیگر کشورها از آن تقلید کردند.

در اواسط دهه 1800، 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 1838 در آلمان تولید شد، تولید جهانی نیکل تا سال 1876 کمتر از 1000 تن در سال بود.

در فاصله سالهای 1880-1870، 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 1885 در فرانسه و پس از مدت کوتاهی در ایتالیا، انگلستان و آمریکا ساخته شد. در اوایل 1890 خصوصیات مناسب فولادهای نیکل در نیروی دریایی منجر به تقاضای شدید برای نیکل شد.

در سال 1863، پیر گارنیر، کانه های اکسید نیکل نیوکالدونیا را کشف کرد و از سال 1875 این جزیره فرانسوی، بزرگترین تولید کننده نیکل شد که تا سال 1905 که جزء کانادا شد، این مقام را همچنان حفظ کرد. استخراج کانه های سولفیدی حوضه سادبری در اونتاریوی کانادا از سال 1886 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 1950، منطقه سادبری 95% نیکل دنیای غرب را تأمین می کرد. از آن زمان به بعد، جایگاه رفیع کانادا رو به افول نهاد و تا سال 1980، 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 1990، هزاران آلیاژ نیکل مورد استفاده قرار می گرفت که میزان نیکل آنها بین 99% تا 1% (برای سخت کردن فولاد) تغییر می کرد.

4- مشخصات:

تصور می شود که نیکل از واژه آلمانی Kupfernickel به معنای مس سفید گرفته شده است. نماد عنصر نیکل Ni بوده و با عدد اتمی 28 می‌باشد. نیکل بیستمین عنصر فراوان در پوسته زمین است و فراوانی نیکل در پوسته زمین 020/0% می‌باشد. نیکل فلز سفید- نقره ای رنگی است که دارای صیقل (جلا) است. این فلز در گروه آهن بوده و سخت، قابل انعطاف و شکل پذیر است.

5- کانی های نیکل:

نیکل در طبیعت به طور خالص یافت نمی شود برخی کانیهای نیکل دار موجود در معادن نیکل نسبتاً کمیاب هستند و از این میان فقط پنتلاندیت، گارنیریت و لیمونیت نیکل دار اهمیت اقتصادی دارند. واژه گارنیریت را معمولاً به مخلوطی از سیلیکاتهای نیکل دار با میزان متفاوتی از نیکل اطلاق می کنند و می تواند مخلوط کلوئیدی از سیلیس و هیدروکسید نیکل باشد. لیمونیت نیکل دار واژه ای است که برای تعریف اکسیدهای آهن نیکل دار اندکی متبلور شده بکار می رود که مهمترین جزء آنها گوتیت (Feo.OH-a) است.

پیروتیت جزء کانیهای نیکل بحساب نمی آید، چون که یک سولفید آهن است و نیکل در ترکیب و ساختمان آن جایکاه مهمی را بخود اختصاص نمی دهد. ترکیب پیروتیت کانسارهای مختلف از Fes تا Fe7S8 تغییر می‌کند. مقدار کمی نیکل میتواند جانشین آهن شود و در نتیجه برخی پپروتیت ها را نیکل دار می‌کند (بدون در نظر گرفتن ذرات احتمالی پنتلاندیت که ممکن است در بلور وجود داشته باشند.

نیکل با آرسنیک تلفیق می شود و کانی نیکولیت را به وجود می آورد.

نیکل با سولفور تلفیق می شود و کانی میلریت Millerite را به وجود می آورد.

نیکل با آرسنیک و سولفور تلفیق می شود و نیکل درخشان را به وجود می آورد.

الف) کانه های سولفیدی

کانه های سولفید نیکل اساساً عبارتند از پپروتیت نیکل دار، پنتلاندیت (9S8(NiFe و کالکوپپریت). (CuFeS2 کانیهای دیگر که به میزان کم اما با اهمیت یافت می‌شوند عبارتند از مگنتیت (Fe3O4) ایلمنیت (FeTiO3) پپریت (FeS2)، کوبانیت (CuFe2S3) و ویولاریت. کانه های سولفیدی معمولاً 2-4/0 درصد نیکل، 2-2/0 درصد مس، 30-10 درصد آهن و 20-5 درصد گوگرد دارند. سیلیس، منیزیم، آلومینا و اکسید کلسیم نقش توازن بار الکتریکی را بعهده دارند.

کالکوپپریت که مهمترین کانی مس دار است و نیز کوبانیت که اغلب به میزان کمتری وجود دارد، از کانیهای نیکل دار بحساب می آیند.

نیکولیت(NiAs)

پنتلاندیت (Ni, Fe) 9S8

پنتلاندیت متداولترین کانی سولفیدی، احتمالاً منبع 60% نیکل جهان بحساب می‌آید.

پپروتیت نیکل دار

پپروتیت نیکل دار معمولاً فراوانترین فاز کانه نیکل است که دارای نیکل بصورت انحلال جامد- Ni5/0- 2/0% علاوه بر پنتلاندیت های بسیار دانه ریز بصورت انکلوزیون است.

کلوآنتیت (NiAs2)

میلریت (NiS)

برایت اوپتیت (NiSb)

مورنوسیت (NiSO4.7H2o)

آنابرژیت (Ni(AsO4)2.8H2o)

گارنیریت ((Ni,Mg)6Si4O10(OH)8

مکیناویت

براویت

پارکریت

6) معرفی و کاربرد سوپر آلیاژها

سوپرآلیاژها در واقع آلیاژهایی مقاوم در برابر حرارت، خوردگی و اکسیداسیون می‌باشند که به لحاظ ترکیب شیمیایی شامل سه گروه پایه نیکل، نیکل- آهن و پایه کبالت می باشند. اولین استفاده از سوپر آلیاژها در ساخت توربین های گازی، طرح های تبدیل ذغال سنگ، صنایع شیمیایی و صنایعی که نیاز به مقاومت حرارتی و خوردگی داشته‌اند بوده است.امروزه تناژ وسیعی از قطعات مصرفی در توربین های گازی از جنس سوپر آلیاژها می باشند. در ذیل به بعضی از مصارف این قطعات اشاره شده است:

توربین های گازی هواپیما

توربین های بخار نیروگاه های تولید برق

ساخت قالب های ریخته گری و ابزارهای گرمکار

مصارف پزشکی و دندانپزشکی

فضاپیماها

تجهیزات عملیات حرارتی

سیستم های نوترونی و هسته ای

سیستم های شیمیایی و پتروشیمی

تجهیزات کنترل آلودگی

تجهیزات و کوره های نورد فلزات

مبدل های حرارتی تبدیل ذغال سنگ

به منظور انتخاب سوپر آلیاژها جهت مصرف در کاربردهای فوق لازم است خواص فنی نظیر شکل پذیری، استحکام، مقاومت خزشی، استحکام خستگی و پایداری سطحی در نظر گرفته شوند.

تقسیم بندی سوپرآلیاژها بر حسب روش تولید

با توجه به نحوه تولید می توان سوپرآلیاژها را به چهار گروه کلی تقسیم بندی نمودکه عبارتند از:

1)سوپرآلیاژهای کارپذیر

سوپرآلیاژهای کارپذیر در حقیقت گروهی از سوپرآلیاژها هستند که قابلیت کار مکانیکی دارند و از روش های مکانیکی می توان به آنها شکل داد. به منطور تولید مقاطع معینی از سوپرآلیاژهای کارپذیر، اولین گام آن است که شمش های سوپرآلیاژها به دلیل حضور عناصر فعال (عناصری که سریع در مجاورت هوا اکسید می شوند) در شرایط خاصی تهیه شوند.

فرایندهای ذوب در خلاء در مورد تهیه سوپرآلیاژهای پایه نیکل و پایه آهن جزء ضروریات می‌باشد. اما در مورد سوپرآلیاژهای پایه کبالت امکان ذوب در هواوجود دارد. این فرایند به طور خلاصه شامل ذوب القائی تحت خلاء (VIM)، ذوب مجدد قوس الکتریکی در خلاء (VAR) و ذوب مجدد با سرباره (ESR)، فرایندهای ترمونکانیکی و متالورژی پودر می باشند. پس از تهیه شمس آلیاژهای کارپذیر به یکی از روش های فوق عملیات شکل دهی صورت می گیرد. عملیات شکل دهی سوپرآلیاژها نیز می تواند توسط عملیات متداول کلیه آلیاژهای فلزی انجام پذیرد. سوپر آلیاژهای پایه آهن، کبالت و نیکل را می توان به صورت مفتول، صفحه، ورق، نوار، سیم و اشکال دیگر توسط فرایندهای نورد، اکستروژن و آهنگری تولید نمود. معمولاً عملیات شکل دهی در دمای بالا صورت می گیرد و تعداد کمی از سوپرآلیاژها را می توان به صورت سرد شکل دهی نمود.

ساختارهای یکنواخت و ریزدانه ای که از شکل دهی سرد حاصل می شود نسبت به ساختارهای شکل دادن گرم ارجحیت دارند.

عملیات ترمودینامیکی بر روی سوپرآلیاژها معمولاً در حدود 1000-950 درجه سانتی گراد انجام می شود که به این ترتیب در حین شکل دادن عملیات حرارتی نیز صورت می گیرد.

2)سوپرآلیاژهای متالورژی پودر

بسیاری از انواع آلیاژهای کارپذیر از طریق فرایندهای متالورژی پودر تولید می گردند. امروزه قطعات متالورژی پودر از جنس سوپرآلیاژ با دانسیته کامل از طریق روش های اکستروژن یا پرسکاری ایزواستاتیک گرم (HIP) تولید می گردند. مهمترین این قطعات قیچی ها و سوزنهای جراحی می باشند.

فرایندهای متالورژی پودر به دلیل داشتن مزایای زیر بر فرایندهای ریخته گری ترجیح داده می شوند هر چند که معایبی را نیز به همراه خواهند داشت:

یکنواختی در ترکیب شیمیایی و ساختار کریستالی

ریز بودن اندازه دانه های کریستالی

کاهش جدایش ها

راندمان بالاتر از نظر مصرف مواد

اما مشکلاتی نظیر حضور گاز باقیمانده، آلودگی کربنی و آخال های سرامیکی باعث می‌گردد که در برخی موارد نیز فرایندهای شمش ریزی و ترمومکانیکی متداول صورت پذیرند.

3)سوپر آلیاژهای پلی کریستال ریختگی

وجودمحدودیت های تکنولوژیکی سبب محدود شدن رشد صنعت سوپر آلیاژ می گردد و بنابراین با پیدایش فرایندهای جدید تولید، این صنعت نیز روز به روز توسعه می یابد. تعداد زیادی از فرایندها را می توان در تولید قطعات سوپرآلیاژ با اندازه نزدیک به قطعه نهایی مورد استفاده قرار داد اما اساساً این قطعات توسط فرایند ریخته گری دقیق تولید می گردند.

محدود ترکیب شیمیایی سوپرآلیاژهای ریختگی بسیار گسترده تر از سوپرآلیاژهای کارپذیر بوده و بنابراین خواص متنوع تری نیز از این طریق قابل حصول خواهند بود هرچند که انعطاف پذیری و مقاومت به خستگی در فرآیندهای کار مکانیکی بهتر از ریخته گری خواهد بود، اما امروزه با توسعه فرآیندهای جدید ریخته گری و انجام عملیات حرارتی متعاقب، خواص سوپر آلیاژهای ریختگی نیز افزایش یافته است.