نیکل، به‌تنهایی شاید چندان جلب توجه نکند. اما ترکیب آن با عناصر دیگر، باعث به وجود آمدن طیفی گسترده از قابلیت‌ها می‌شود. آلیاژهای نیکل، به‌واسطه استحکام و مقاومت فوق‌العاده در برابر خوردگی و حرارت، نقش زیادی در پیشرفت صنایع ایفا می‌کنند. عملکرد یک توربین هواپیمای جت در دمای بالا و تحت فشار زیاد، یا دوام یک راکتور هسته‌ای در محیطی به‌شدت خَشِن، مدیون استفاده از این آلیاژهاست.
آلیاژ نیکل چیست؟
آلیاژ نیکل، همانند آلیاژهای دیگر، ترکیبی از عنصر اصلی یعنی نیکل با عناصر آلیاژی دیگر است که با هدف بهبود و تغییر خواص این فلز ایجاد می‌شود. نیکل به خودی خود، فلزی مقاوم و شکل‌پذیر است که در برابر اکسایش و خوردگی مقاومت خوبی از خود نشان می‌دهد. اما با آلیاژسازی، می‌توان این خواص را بهبود داد و ویژگی‌های جدیدی به آن اضافه کرد.
با اضافه کردن عناصری مانند کروم، مولیبدن، آهن و دیگر فلزات، خواص نیکل، متناسب با نیازهای صنعتی، بهتر می‌شود. برای مثال، افزودن کروم به نیکل، مقاومت آن را در برابر خوردگی، به‌خصوص در محیط‌های خشن، افزایش می‌دهد. این ویژگی باعث می‌شود آلیاژهای نیکل-کروم در صنایعی مانند پتروشیمی و نیروگاه‌ها که با مواد شیمیایی خورنده سروکار دارند، کاربرد زیادی داشته باشند. همچنین، برخی از آلیاژهای نیکل به‌عنوان عایق الکتریکی عملکرد خوبی دارند و در صنایع الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تنوع آلیاژهای نیکل بسیار گسترده است. هر آلیاژ، با درصدهای مشخصی از عناصر مختلف، برای کاربردی مختلفی تولید و عرضه می‌شود. برخی از این آلیاژها، مانند سوپرآلیاژهای پایه نیکل، در برابر حرارت‌های بسیار بالا و تنش‌های مکانیکی شدید مقاومت می‌کنند و در ساخت قطعات موتور هواپیما و توربین‌های گازی به‌کار می‌روند. برخی دیگر، در محیط‌های به‌شدت خورنده، مانند آب دریا، دوام می‌آورند و در صنایع دریایی کاربرد دارند.
انواع آلیاژ نیکل
انواع آلیاژ نیکل عبارتتد از:
1. آلیاژهای نیکل-آهن
آلیاژهای نیکل-آهن، با خواص مغناطیسی و حرارتی، در صنایع مختلف مانند ساخت ترانسفورماتورها، حسگرهای حرارتی و… کاربرد دارند. میزان آهن در این آلیاژها متفاوت است و با تغییر این نسبت، خواص مغناطیسی و حرارتی آنها نیز تغییر می‌کند. برای مثال، آلیاژی با 64 درصد آهن، خواص مغناطیسی متفاوتی نسبت به آلیاژی با 52 درصد آهن خواهد داشت.
2. آلیاژهای نیکل-مس
نیکل و مس، دو فلز سازگار، در هر نسبتی قابل ترکیب هستند و آلیاژهایی با خواص متنوع ایجاد می‌کنند. یکی از معروف‌ترین این آلیاژها، مونل است که با 67 درصد نیکل و 33 درصد مس، به‌دلیل استحکام بالا، مقاومت عالی در برابر خوردگی و قابلیت جوشکاری خوب، در صنایع دریایی، شیمیایی و حتی صنایع غذایی کاربرد دارد. کنستانتان، آلیاژ دیگری از نیکل و مس با 45 درصد نیکل و 55 درصد مس، به‌عنوان هادی الکتریکی با مقاومت ثابت در برابر تغییرات دما شناخته می‌شود. در نهایت، ورشو یا نقره نیکلی، آلیاژی از مس، نیکل و روی، به‌دلیل رنگ و جلای زیبایش، در ساخت ظروف و قطعات تزئینی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
3. آلیاژهای نیکل-کروم
کروم، در آلیاژسازی با نیکل، مقاومت در برابر خوردگی و حرارت را تا حد زیادی افزایش می‌دهد. این آلیاژها، گاهی با افزودن عناصری مانند آهن و مولیبدن، برای کاربرد در محیط‌های خورنده بهینه‌سازی می‌شوند. برای مثال، در صنایع شیمیایی و نیروگاه‌ها که قطعات در معرض مواد شیمیایی خورنده و دماهای بالا قرار دارند، آلیاژهای نیکل-کروم نقش مهمی ایفا می‌کنند.
4. سوپرآلیاژها
سوپرآلیاژها، نسلی پیشرفته از آلیاژهای نیکل، کبالت و نیکل-آهن هستند که برای مقابله با چالش‌های شدید دما و تنش‌ها طراحی شده‌اند. این آلیاژها نه‌تنها در دماهای بسیار بالا استحکام خود را حفظ می‌کنند، بلکه در برابر خوردگی، اکسایش، خزش و شکست نیز مقاومت فوق‌العاده‌ای از خود نشان می‌دهند.همچنین، در صنایع شیمیایی و نیروگاه‌ها که قطعات تحت تنش و دماهای بالا قرار دارند، از سوپرآلیاژها استفاده می‌شود.
5. سایرآلیاژهای نیکل
علاوه‌بر آلیاژهای مذکور، نیکل با فلزات دیگری مانند مولیبدن، تیتانیوم و کبالت نیز ترکیب می‌شود و آلیاژهایی با خواص بهتر ایجاد می‌کند. برای مثال، آلیاژهای نیکل-مولیبدن در برابر خوردگی در محیط‌های اسیدی مقاومت خوبی دارند. آلیاژهای نیکل-تیتانیوم به‌دلیل خاصیت شکل‌پذیری و مقاومت در برابر خوردگی، در کاربردهای پزشکی، مانند ایمپلنت‌ها، استفاده می‌شوند. همچنین، ترکیب نیکل با کروم، کبالت و دیگر عناصر، باعث تولید آلیاژهایی با خواص مکانیکی و حرارتی بهبودیافته می‌شود که در صنایع مختلف کاربرد دارند.
مزایا و معایب آلیاژهای نیکل
مزایا و معایب آلیاژهای نیکل شامل:
مزایا
آلیاژهای نیکل، به‌خصوص آنهایی که حاوی کروم هستند، در برابر انواع خوردگی، از جمله خوردگی در محیط‌های شیمیایی و دریایی، مقاومت بسیار خوبی از خود نشان می‌دهند.
حتی در دماهای بسیار بالا، آلیاژهای نیکل استحکام و پایداری ابعادی خود را حفظ می‌کنند.
بسیاری از آلیاژهای نیکل قابلیت شکل‌پذیری خوبی دارند و می‌توان آنها را به اشکال مختلف درآورد.
آلیاژهای نیکل به‌طور کلی قابلیت ماشینکاری خوبی دارند و می‌توان آنها را با دقت بالا تراشکاری، فرزکاری و سوراخکاری کرد.
معایب
نیکل فلزی گران‌قیمت است و در نتیجه، آلیاژهای آن نیز نسبت به بسیاری از آلیاژهای دیگر هزینه‌ی بیشتری دارند.
برخی از آلیاژهای نیکل، جوشکاری و لحیم‌کاری دشواری دارند و نیازمند روش‌ها و تجهیزات مخصوصی هستند.
در برخی از آلیاژهای این عنصر، استحکام بسیار بالا باعث کاهش شکل‌پذیری می‌شود.
کاربردهای آلیاژ نیکل
آلیاژهای نیکل، در طیف گسترده‌ای از صنایع کاربرد دارند.برخی از مهم‌ترین کاربردهای آن شامل:
صنایع هوافضا
در صنایع هوافضا، قطعات مهم راکت‌ها و جت‌ها، توربین‌های هواپیما و… از این آلیاژها استفاده می‌شود.
صنایع شیمیایی
در محیط‌های خشن شیمیایی، که خوردگی یک تهدید جدی محسوب می‌شود، آلیاژهای نیکل به‌عنوان ماده‌ای قابل اعتماد برای ساخت پمپ‌ها، مبدل‌های حرارتی، و دیگر تجهیزات مورد استفاده قرار می‌گیرند.
نیروگاه‌ها
در نیروگاه‌های بخار و گازی، از این آلیاژها در ساخت تیغه‌های توربین، پیچ و مهره‌ها، و دیگر قطعات حساس که در معرض دما و فشار بالا هستند، به‌کار می‌روند.
پزشکی
در صنایع پزشکی، در ساخت پروتزهای پزشکی، ابزار دندانپزشکی و حتی سیم‌های ارتودنسی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به دلیل اینکه این آلیاژها، با بدن سازگارند و مقاومت در برابر خوردگی خوبی دارند.
کاربردهای صنعتی
برخی از آلیاژهای نیکل خصوصیات دیگری دارند که باعث شده از آنها در کاربردهای خاصی استفاده شود. برای مثال، آلیاژهای نیکل-آهن با ضریب انبساط حرارتی پایین در ساخت ابزارها مورد استفاده قرار می‌گیرند. آلیاژهای نیکل-مس و نیکل-کروم-آلومینیوم به‌خاطر مقاومت الکتریکی خاص، در تجهیزات کنترلی کاربرد دارند. آلیاژهای نیکل با حافظه شکل، مانند نیکل-تیتانیوم، در ساخت گیره‌های ارتوپدی و عضلات مصنوعی قلب استفاده می‌شوند. علاوه‌براین، در صنایع مختلف دیگری مانند نفت، گاز، پتروشیمی، هسته‌ای، کشتی‌سازی و الکترونیک نیز کاربردهای زیادی دارند.
نام‌های تجاری سوپرآلیاژهای پایه نیکل
بسیاری از این آلیاژها با نام‌های تجاری شناخته می‌شوند که معمولاً توسط شرکت‌های سازنده به آنها اختصاص داده شده است.
هستلوی (Hastelloy)
آلیاژ هستلوی، که توسط شرکت Haynes International تولید می‌شود، در صنایع شیمیایی، پتروشیمی و نیروگاهی کاربرد دارد.
اینکونل (Inconel)
آلیاژ اینکونل، محصول شرکت Special Metals Corporation، به‌خاطر مقاومت خزشی بسیار خوب در دماهای بالا، در صنایع هوافضا، هسته‌ای و دریایی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اینکولوی (Incoloy)
این آلیاژ نیکل-آهن، توسط شرکت Inco توسعه داده شده و در صنایع پتروشیمی و شیمیایی کاربرد دارد. مقاومت در برابر اکسیداسیون و کربن‌زدایی در دماهای بالا از خصوصیات آن است.
مونل (Monel)
این آلیاژ نیکل-مس، توسط شرکت International Nickel Company تولید می‌شود و دارای خصوصیت مقاومت در برابر خوردگی است. از آن، در محیط‌های دریایی، در صنایع کشتی‌سازی و نفت و گاز استفاده می‌شود.
اینوار (Invar)
این آلیاژ نیکل-آهن، با ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین، در ساخت ابزارها و قطعات حساس به دما مورد استفاده قرار می‌گیرد.
کوار (Kovar)
آلیاژ کوار، با ضریب انبساط حرارتی مشابه شیشه و سرامیک، در قطعات الکترونیکی و نوری کاربرد دارد.
نایمونیک (Nimonic)
این خانواده از آلیاژهای پایه نیکل، توسط شرکت Wiggin Works توسعه داده شده و مقاومت در برابر خزش و خوردگی در دماهای بالا از ویژگی‌های آنهاست. همچنین، در ساخت قطعات موتور هواپیما و توربین‌های گازی مورد استفاده قرار می‌گیرند. گریدهای مختلف نایمونیک، مانند Nimonic 75، Nimonic 80A، Nimonic 90، Nimonic 105 و Nimonic 115، هر کدام با ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی خاص، برای کاربردهای مختلف بهینه‌سازی شده‌اند.
گریدهای پایه نیکل
آلیاژهای پایه نیکل، گریدهای مختلفی دارد که عبارتند از:
خانواده‌ی اینکونل (Inconel)
Inconel 600: مقاوم در برابر خوردگی و اکسیداسیون در دمای بالا، مناسب برای کار سرد، کار گرم و جوشکاری.
Inconel 625: مقاومت عالی در برابر انواع خوردگی، مناسب برای محیط‌های کلریدی و اسیدی.
Inconel 690: مناسب برای کاربردهای هسته‌ای و لوله‌های انتقال آب گرم و بخار.
Inconel 713C: آلیاژ رسوب سختی با مقاومت بالا در دماهای بالا.
Inconel 718: آلیاژ رسوب سختی با قابلیت جوشکاری خوب و استحکام بالا.
Inconel 751: مقاومت شکست خوب در دمای 870 درجه سانتی‌گراد.
Inconel 792: مقاومت خوردگی خوب در دمای بالا، مناسب برای توربین‌های گازی.
Inconel 939: آلیاژ رسوب سختی با قابلیت جوش‌پذیری بالا.
خانواده‌ی اینکولوی (Incoloy)
Incoloy 020: مقاومت بسیار بالا در محیط‌های خورنده‌ی شیمیایی، مناسب برای اسید سولفوریک، کلریدها و اسید فسفریک.
Incoloy 028: مقاوم در برابر اسیدها و نمک‌ها، مناسب برای محیط‌های حاوی اسید سولفوریک.
Incoloy 330: مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی در دماهای بالا.
Incoloy 800: مقاومت به تنش خوردگی گسیختگی خوب در محیط‌های حاوی کلرید.
Incoloy 803: مناسب برای استفاده در محیط‌های غنی از سولفور.
Incoloy 825: مقاومت به خوردگی عالی در محیط‌های اکسیدکننده و اسیدی.
Incoloy 907: استحکام بالا و ضریب انبساط حرارتی پایین در دماهای بالا.
Incoloy 908: استحکام کششی بالا و مقاومت در برابر ترک خوردگی تنشی.
Incoloy 945X: مقاومت بهبود یافته در برابر خوردگی شیاری و حفره‌ای شدن.
Incoloy MA956: تولید شده به روش متالورژی پودر.
خانواده‌ی مونل (Monel)
Monel 400: استحکام بالا و مقاومت به خوردگی عالی در محیط‌های اسیدی، قلیایی و اکسیدکننده.
Monel 401: مناسب برای کاربردهای تخصصی الکتریکی و الکترونیکی.
Monel 404: مناسب برای ساخت ترانزیستورها.
Monel 405: طراحی‌شده برای تراشکاری و ماشینکاری.
Monel 450: استحکام خستگی و هدایت حرارتی بالا، مناسب برای لوله‌های مبدل حرارتی.
Monel K-500: مناسب برای ساخت محور پمپ، پروانه و قطعات الکترونیکی.
Monel 502: مقاومت در برابر خزش و اکسیداسیون خوب.
خانواده‌ی هستلوی (Hastelloy)
Hastelloy B-2: مقاومت به خوردگی عالی در محیط‌های اکسیدکننده.
Hastelloy B-3: مقاومت عالی در برابر هیدروکلریک اسید در هر دما و غلظتی.
Hastelloy C-22: مقاومت بسیار خوب در برابر خوردگی موضعی.
Hastelloy C-276: مقاومت خوب در محیط‌های کاهنده و اکسیدکننده و مقاومت در برابر ترک خوردگی تنشی.
Hastelloy C-2000: مقاومت به خوردگی بسیار خوب در هر دو محیط اکسیدکننده و کاهنده.
Hastelloy G-30: محتوای کروم بالا و عملکرد خوب در برابر اسید فسفریک.
Hastelloy X: استحکام بالا، مقاومت در برابر اکسیداسیون قوی و قابلیت ساخت و ماشینکاری خوب.
در آخر، آلیاژ نیکل، برای کاربردهای مختلفی در صنایعی مانند هوافضا، نفت و گاز، پتروشیمی، نیروگاهی، شیمیایی و پزشکی مناسب است. برای انتخاب گرید مناسب نیز باید شرایط کاری، خواص مورد نیاز و ملاحظات اقتصادی را در نظر گرفت.