Никель (Ni) наиболее высокой степени чистоты с содержанием металла до 99,5-99,9% производится промышленностью в виде порошка, который получают электролитическим либо карбонильным способом.
| Наименование | Цифровой индекс |
|---|---|
| Молярный (атомный) вес, г/моль | 58,68 |
| Атомный номер | 28 |
| Плотность металла Ni, г/см3 | 8,93 |
| Т плавления, °С | 1456 |
| Степень окисляемости | 3, 2, 0 |
| Теплопроводность, Вт/(м·К) | 90,92 |
| Молярный объем, см3/моль | 6,62 |
Способы изготовления
Порошок никеля электролитический, или электролизный, маркируемый как ПНЭ, получают методом электролитической диссоциации. Сущность процесса заключается в том, что сквозь насыщенный водный электролит соединения Ni или расплав его солей в течение определенного времени пропускают заряд постоянного тока. В итоге на катоде происходит выделение чистого металла, преобразуемого в порошок при дальнейшей сушке и восстановительной обработке в необходимом температурном диапазоне.
Рисунок 1. Получение никеля электролитическим методом.
Порошок никеля карбонильный, маркируемый аббревиатурой ПНК получают методом диссоциации карбонилов. Технология получения включает в себя два этапа.
На первом этапе синтезируется исходный материал – карбонил никеля Ni(CO)4 – соединение, получаемое в результате т. наз. способа Монда, когда на мелкодробленое никельсодержащее сырье воздействуют монооксидом углерода CO.
Вторая стадия заключается непосредственно в диссоциации (термическом разложении при определенной температуре) Ni(CO)4 на никелевый порошок высокой чистоты и высвобождающийся газообразный монооксид углерода.
Определение химического состава и насыпной плотности
Никелевый порошок относится к негорючим (самовоспламенение происходит только при 472 °С и выше). При содержании порошка в атмосфере, не превышающем 223 г/м3, он безопасен в пожаро-взрывном отношении. Порошок ядовит, класс токсичности 2 (вещества высокоопасные) по ГОСТ 12.01.007-76.
Химический состав никелевых порошков типа ПНК и ПНЭ регламентирован ГОСТ 9722-97 «Порошок никелевый. Технические условия». Этим же документом определяются значения насыпной плотности, размеров зерен, меры безопасности, контроля, транспортировки, другие важнейшие параметры.
Следует отметить, что требования данного стандарта не относятся к порошкам Ni, которые получают путем восстановления.
Карбонильный порошок никеля (ПНК) по химическому составу разделяют на четыре категории – У, 0, 1, 2. При этом в ПНК категорий У и 0 содержится минимум 99,9%, а категорий 1 и 2 – минимум 99,7% чистого никеля (Ni).
По насыпной плотности (в г/см3) ПНК разделены на ряд следующих групп:
- Т – тяжелую;
- Л – легкую;
- К – крупнозернистую (самую легкую).
Каждая из групп, в свою очередь, включает в себя подгруппы нумерованные по принципу «от тяжелых к легким»:
- Т – подгр. 1, 2, 3, 4;
- Л – подгр. 5, 6, 7, 8;
- К – подгр. 9, 10.
Таким образом:
- ПНК категорий У и 0 по насыпной плотности принадлежат к тяжелым (Т), и могут включать в себя подгр. 1, 2, 3, 4;
- ПНК категории 1 принадлежат к легким (Л), включая подгр. 5, 6, 7, 8;
- ПНК категории 2 относятся к группе крупнозернистых (К), объединяя в себе подгруппы 9 и 10.
Электролизный порошок никеля (ПНЭ) по химсоставу подразделяется на 2 категории: 1-ю и 2-ю с содержанием минимум 99,5% чистого Ni и небольшой добавкой кобальта (Ni + Co). Электролизный порошок никеля категорий 1 и 2 согласно ГОСТ 9722-97 имеет насыпную плотность следующих градаций:
- для ПНЭ-1 – максимум 3,4 г/см3;
- для ПНЭ-2 – максимум 5,0 г/см3.
Маркировка никелевых порошков
Промышленностью выпускаются никелевые порошки множества различных марок, отражающие такие важнейшие параметры, как химический состав, а также показатели насыпной плотности (группы и подгруппы).
Так, например:
- марка ПНК-1Л6 означает: порошок никелевый карбонильного генеза, 1-й категории по химсоставу, легкий, 6-й подгруппы;
- марка ПНЭ-1 – это порошок никелевый электролизного генеза, 1-й категории по химсоставу.
Среди карбонильных порошков никеля наиболее востребованными считаются марки ПНК-УТ1, ПНК-УТ2, ПНК-УТ3, ПНК-1Л5, ПНК-1Л6. Востребованность электролизных марок ПНЭ-1 и ПНЭ-2 примерно одинакова, но в целом выше по сравнению с порошками ПНК.
Размеры зерен и значения насыпной плотности
Порошки никелевые ПНК имеют зерна сферической конфигурации. В отличие от них, порошки ПНЭ имеют дендритоподобную структуру зерен (по форме похожа на дендрит - разветвленный отросток нейрона). Этим, как и химическим составом, обусловлены особенности практического применения порошков Ni в различных производственных отраслях. Немаловажное значение здесь имеют также размер самих зерен и показатели насыпной плотности.
Порошки ПНК и ПНЭ, в зависимости от марки, могут состоять из зерен различных размерных параметров, оговоренных ГОСТ 9722-97.
Так, в ряде марок ПНК размер зерен может достигать 22 мкм, причем в каждой из партий допускается содержание от 15% массы (для легких групп Л и К) до 20% массы (для тяжелых групп У и 0) зерен большего размера. Размер же зерен в крупнозернистом ПНК может составлять от 71 до 99,98 мкм при содержании в каждой отпускной партии до 21% зерен иных размерных параметров. Данным стандартом регламентированы и показатели насыпной плотности ПНК, которые, в зависимости от марки, могут колебаться в пределах от 0,451 до 3,51 г/см3. Так, например, порошок марки ПНК1Л6 имеет насыпную плотность в пределах от 0,81 до 1,00 г/см3.
Диаметр зерен порошка ПНЭ-1 электролизного не может превышать значения 71,1 мкм, причем минимум 31% массы каждой партии должен быть представлен зернами диаметром ниже 45,1 мкм. В свою очередь, величина зерен ПНЭ-2 не должна превышать 251 мкм, при содержании в массе каждой из партий не менее 3% порошка с зернами размером ниже 71,1 мкм. При этом количественная доля зерен с размерными параметрами, отличающимися от требуемых, не может превышать 4% для ПНЭ-1 и 3% для ПНЭ-2.
Формы упаковки
В связи с высокой степенью токсичности порошков Ni большое значение имеет упаковка, в которую их помещают перед отгрузкой. Форма и емкость тары регламентированы различными отраслевыми стандартами. Так, согласно ТУ 6-51-002-89 это могут быть герметичные пластмассовые емкости объемом до 50 дм3. По ГОСТ 6128-81 тарой могут служить и стальные банки емкостью до 3 дм3. Согласно ГОСТ 5044-79 и ГОСТ 18896-73 в качестве упаковки могут быть использованы барабаны из тонкостенной и толстостенной стали соответственно), а по ГОСТ 21029-75 и ТУ 48-0404-82-89 – металлические бочки, в первом случае алюминиевые, а во втором – стальные. Перед помещением в емкости из металла (банки, барабаны и бочки) порошок засыпается в мешки из полиэтилена (ГОСТ 17811-78) или плотной бумаги в 3 слоя по ГОСТ 2226-88 или ГОСТ 2226-2013. Горловины ПЭ-мешков герметично завариваются, а бумажных – прошиваются вручную. Финишной упаковкой для пластмассовых емкостей, банок и мешков с порошком служат деревянные ящики (ГОСТ 2991-85, типы I-III), металлические складные контейнеры СК-3-1,5 (ТУ 32-ЦТВР-142-85) либо универсальные металлические контейнеры упаковочные УУК-3 (ГОСТ 20435-75) и УУК-5 (ГОСТ 15102-75).
Практическое применение
Благодаря таким свойствам никеля, как механическая и жаропрочность, стойкость к износу и воздействию коррозии, другим ценным качествам, они, в частности, применяются для изготовления:
- электромагнитов и электроконтактов;
- пластин щелочных аккумуляторов;
- элементов различных фильтров;
- композитных клеев;
- защитных покрытий;
- порошковых красителей;
- катализаторов химических процессов;
- сварочных электродов;
- порошков наплавочных для восстановления изношенных поверхностей;
- другой продукции.
Привлекательный блеск никеля позволяет использовать его и в декоративных целях, в частности, для имитации серебра.
Очевидно, что сферы практического использования никелевых электролитических и карбонильных порошков чрезвычайно разнообразны и распространяются на электронную, электротехническую, химическую, аэрокосмическую, судостроительную, станкостроительную, металлургическую, нефтегазовую, ювелирную и множество иных производственных отраслей.
Кроме того, промышленностью, с целью расширения сферы применения, помимо «чисто никелевых» выпускаются порошки, обогащенные легирующими добавками вольфрама, железа, меди, карбида хрома, кобальта, других металлов и их соединений, в зависимости от того, какие дополнительные свойства планируется получить.
