Blog Ko Buijs - Belangrijke wetenswaardigheden over het metaal nikkel
Het metaal nikkel is het achtentwintigste element in het periodiek systeem en heeft door zijn kubisch vlakken gecentreerd atoomrooster een hoge ductiliteit vanwege de vele glijvlakken. Nikkel heeft een smeltpunt van 1445°C en het soortelijk gewicht is 8,89. Naast de zeer goede corrosiebestendigheid van nikkel is het een voordeel dat het materiaal een constante magnetische permeabiliteit heeft. Daarnaast heeft nikkel een geringe thermische uitzetting en goede mechanische eigenschappen bij hoge temperatuur. Nikkel wordt bovendien zeer vaak als legeringselement gebruikt in voornamelijk ijzer- en koperlegeringen. Bekende voorbeelden hiervan zijn roestvast staal, cunifer en aluminiumbrons.
Door Ko Buijs - Innomet consultancy BV
Nikkel wordt, naast de commerciële zuivere uitvoering, veel meer toegepast in de gelegeerde conditie dat verkrijgbaar is in alle productvormen. De lasbaarheid is uitstekend mits de juiste parameters worden gebruikt. Nikkel is ook bekend vanwege de zeer goede kruipvastheid, welke tot stand komt door de vele tweelingen in het kristalrooster. De vorming van tweelingen bemoeilijkt het verspringen van dislocaties in het kristalrooster; dat geldt trouwens ook als er uitscheidingen ontstaan. Nikkel wordt als erts op diverse plaatsen in de aardbodem gevonden, maar het is slechts op een beperkt aantal vindplaatsen lonend om dit erts te delven, zoals in Canada, Noorwegen, Australië en New Caledonië. Goede ertsen bevatten 1,2 - 5% nikkel. De kleur van het erts is groen maar naarmate er meer ijzer aanwezig is, ontstaan er gele en bruine verkleuringen. Er zijn verschillende methoden om nikkel uit zijn erts vrij te maken. Een bekende methode wordt hier als volgt kort omschreven. Nikkelerts wordt samen met een flux gesmolten in een koepeloven en daarna tot briketten geperst. Deze briketten worden daarna met circa 30% cokes in een oven gesmolten. Het ruwe nikkeloxide dat zo vrijkomt, bevat nog veel ijzeroxiden. Daarom wordt het met een siliciumflux in een Bessemer convertor gezuiverd. Na deze zuivering bevat het product circa 80% nikkeloxide en circa 20% zwavel.
Dit product wordt verpulverd in een kogelmolen waarna het geroosterd wordt teneinde het zwavel te verwijderen. Na dit roosten blijft er praktisch zuiver nikkeloxide over. Dit nikkeloxide wordt met koolstof samengeperst tot tabletten waarna deze 48 uur verhit worden. Tijdens deze verhitting vindt de volgende reductiereactie plaats: NiO + C → + CO. Dit nikkel heeft een zuiverheid van circa 99,25 %. Indien een hogere zuiverheid wordt vereist, kan dit bereikt worden d.m.v. elektrolyse. Contact met het element zwavel dient zoveel mogelijk vermeden te worden, omdat dit element het nikkel sterk doet verbrossen. Bij het smelten van nikkel kan het zwavel gebonden worden door het toevoegen van een weinig mangaan en/of magnesium. Hierdoor wordt de werking van zwavel onschadelijk gemaakt. De belangstelling voor nikkellegeringen is de laatste decennia enorm toegenomen door steeds maar toenemende milieu- en veiligheidseisen. Ook de hogere onderhouds- en reparatiekosten spelen deze legeringen in de kaart, want zij bewerkstelligen een langere technische levensduur. De weerstand om hoogwaardige metalen toe te passen vanwege de hoge aanschafprijs, is daardoor behoorlijk afgenomen. De verwachting is dan ook dat deze legeringen steeds meer aan terrein zullen gaan winnen, met name in de chemische- en petrochemische industrie.
Ook andere marktsegmenten zoals de energie- en voedingssector hebben het nut van nikkellegeringen ontdekt waardoor ook hier de nodige groei te verwachten is. Ook is het juist melding te maken van het feit dat allerlei hoogwaardige roestvast staalsoorten diverse duurdere nikkellegeringen weer aan het verdringen zijn. Men kan dan bijvoorbeeld denken aan (super)duplex en hoogwaardige austenitische kwaliteiten zoals 904L (1.4539) en 254SMO (1.4547). Nikkellegeringen worden primair gebruikt vanwege hun hoge corrosiebestendigheid en soms ook door de goede mechanische eigenschappen bij hoge temperatuur. Nikkel presteert goed in verschillende corrosiemechanismen zoals algemene corrosie, lokaalelement corrosie en spanningscorrosie. Daarnaast heeft nikkel een goede oxidatieweerstand bij het gebruik in hoge temperaturen en heeft het een hoge weerstand tegen sulfidatie en opkoling. Nikkel kan in een vaste oplossing grotere hoeveelheden legeringselementen ‘herbergen’ dan ijzer. Hierbij kan vooral gedacht worden aan de elementen chroom, molybdeen en wolfraam. Daarom kunnen nikkellegeringen over het algemeen beter in agressievere omgevingen worden gebruikt dan bijvoorbeeld roestvast staal. Binnen een legeringssysteem kan dankzij nikkel beschikt worden over een breed scala aan interessante fysische eigenschappen. De KVG-microstructuur zorgt dat er geen verbrossing ontstaat bij verlaging van de temperatuur.
Nikkel behoudt nagenoeg geheel zijn sterkte tot wel 70% van het smeltpunt. De corrosiebestendigheid neemt enorm toe door het nikkel te legeren met elementen als koper, molybdeen, chroom e.d. De hoge oxidatiebestendigheid tot 1100°C van Ni/Cr-legeringen kan bereikt worden door het materiaal te legeren met kobalt, aluminium en/of silicium alsmede door toevoeging van zeldzame aardmetalen. Verder blijven alle nikkellegeringen tot cryogene temperaturen sterk en taai. Er zijn ook nikkellegeringen met een zeer lage uitzettingscoëfficiënt en een constante elasticiteitsmodulus. Er kunnen met nikkel ook magnetische harde en zachte legeringen worden gemaakt. Tenslotte nog wat opmerkingen over de invloed van nikkel op roestvast staal. Nikkel beïnvloedt zowel de structuur als de mechanische eigenschappen van roestvast staal. Als het nikkelgehalte hoog genoeg is, dan krijgt roestvast staal een austenitische structuur. In tegenstelling tot chroomstaal, leidt dit austeniet tot significante veranderingen van de mechanische eigenschappen, betere verwerkbaarheid en taaiheid. Ook zorgt voldoende nikkel voor een hogere sterkte bij hoge temperatuur, een sterk verbeterde lasbaarheid en een verandering van de fysische eigenschappen. Een goed hiervan is dat austeniet niet te magnetiseren is en chroomstaal wel. In vele chemische milieus wordt de corrosieweerstand van roestvast staal door de aanwezigheid van nikkel verhoogd. Enige toepassingen waarin nikkel wordt gebruikt zijn munten, katalysatoren, bestek, warmtewisselaars, tanks, leidingen, witgoud, oplaadbare batterijen, enz.
